Ovlivňuje rozmístění kontinentů geomagnetické pole?  
Francouzští vědci v snaze najít vysvětlení, proč v geologické minulosti planety období s relativně častými změnami polarity magnetického pole Země střídala období bez změn, dospěli k názoru, že je za to spoluodpovědna desková tektonika.

 

Zvětšit obrázek
Gigantický výměník tepla – systém konvektivních proudů – rozlamuje pevnou litosféru a jednotlivé desky posouvá po zemském povrchu, přičemž ve středooceánských hřbetech vzniká nová oceánská kůra, v subdukčních zónách jiná zaniká.

Kontinentální kůra je podstatně starší než oceánská
Gravitace vyvolává, teplo a jeho hloubkový gradient energeticky zajišťuje diferenciaci hmot v každém dostatečně velkém vesmírném tělese. Díky tomu má naše Země jádro z taveniny železa a niklu s obsahem síry a kyslíku. V samém planetárním srdci, v hloubce pod pěti tisíci kilometry má tento vysoce vodivý materiál působením tlaku pevné skupenství a hustotu až 13 g/cm3. Vnější kapalné jádro (mezi cca 3 000 až  5 000 km) má o něco nižší hustotu, 10 až 12 g/cm3. Nad ním je téměř 2 900 km mocná vrstva zemského pláště, v němž hustota směrem k povrchu klesá z asi 5,7 na 3,3 g/cm3. Tuto hodnotu (3,3 g/cm3) má i 5 až 10 kilometrů tenká zemská kůra na dnech oceánů, tvořená tmavými bazalty, zatímco kontinenty buduje 25 až 70kilometrová kůra s průměrnou hodnotou hustoty 2,7 g/cm3, což odráží převahu žul, sedimentárních hornin a jejich metamorfitů. Jak Země „stárla“ a vyvíjela se, kontinentální kůry postupně přibývalo. Zatímco se ta oceánská neustále vytváří v divergentních zónách – ve středooceánských hřbetech, aby se pak po desítkách až stovkách milionů let opět v subdukčních zónách lemujících některé rozhraní litosférických desek vnořila do zemského pláště, převážná většina kontinentální  kůry zůstává spolu s vrchní pevnou vrstvou zemského pláště „plavat“ na plastické astenosféře (její hloubka: 100 až 200 km).

Zvětšit obrázek
Rekonstrukce pradávných superkontinentů Kredit: A. V. Sankaran, Current Science 2003

 

Takže díky těmto mechanismům – frakční diferenciaci hmot a pohybům litosférických desek -  lze na kontinentech najít horniny z doby před 3,5 až 4 miliardami let, ale oceánské dno kvůli recyklaci není starší 200 milionů let, které uběhly od rozpadu Pangey. Výzkumy naznačují, že již před 3,5 miliardou let se z praoceánu vynořoval první superkontinent Vaalbara, a je celkem pravděpodobné, že nalezené zbytky prastaré kontinentální kůry – jihoafrický kratón Kaapvaal a západoaustralský kratón Pilbara byly původně jeho součástí.


Tepelným gradientem hnané systémy nesmírně pomalých mohutných vzestupných a sestupných proudů ve velmi viskózním zemském plášti od dob vzniku první pevné litosféry ji lámaly a její "trosky" přesouvaly po povrchu planety a budou tak činit pokud tyto gigantické endogenní mechanismy budou mít dostatek tepelné energie. Po rozpadu Vaalbary se ostrovy kontinentální kůry několikrát spojily v superkontinenty, které se opět rozčlenily. Dnešní obraz Země zformovaly síly, které před asi 180 miliony let roztrhaly zatím poslední superkontinent Pangeu, mezi jejími částmi rozevřely nové oceány a pohltily ty původní. 


Jak se tyto nové oceány mezi navzájem se vzdalujícími kontinenty tvořily a zanikaly ty staré, znázorňuje myší ovládatelná animace na stránce PaleoMap Project.


Video: Rekonstrukce pohybů litosérických desek

 


Zejména za posledních 300 milionů let, což je geologická éra od doby vytvoření Pangey, dokážeme změny obrazu Země z geologických záznamů již celkem dobře zrekonstruovat.

Zvětšit obrázek
Alfred Wegener (1880-1930) – poznávací znamení: dýmka, hloubavost, obětavost, houževnatost a cílevědomost. Filmový záznam z jeho poslední expedice v Grónsku, při níž zahynul: 1. díl, 2. díl, 3. díl.

A to nebylo tak dávno – v roce 1912 – kdy obdivuhodný německý geofyzik a meteorolog s dobrými znalostmi v souvisejících vědách – geologie, paleontologie, astronomie (z níž měl doktorát), poprvé předložil svoji teorii kontinentálního driftu. I když v knize Die Entstehung der Kontinente und Ozeane (Vznik kontinentů a oceánů, 1915) uvedl mnoho přesvědčivých argumentů z geografie, geologie, paleontologie i geofyziky, trvalo téměř čtyřicet let, než mu všichni geologové dali zapravdu. Bylo to však až 20 let po jeho tragické smrti v roce 1930, kdy se na expedici v Grónsku nevrátil do tábora na pobřeží poté, co v kruté zimě klesající k -60 °C dopravil zásoby do výzkumné stanice v centrální oblasti ledovce.


Kámen si ledasco pamatuje. I magnetické pole
To, co přineslo zvrat v postoji vědecké komunity k Wegenerově teorii kontinentálního driftu, byl zrod nového oboru – paleomagnetizmu. Vědci našli způsob, jak z hornin získat informace o dávných změnách magnetického pole Země. Z křišťálu nebo z jiného polodrahokamu sice nelze vyčíst nic o našich budoucích osudech, ale některé minerály a tedy i horniny, jež je obsahují, dokážou údaje o podmínkách, za nichž se vytvořily, uchovat po dobu mnoha milionů, případně i stamiliónů let, pokud je metamorfní procesy příliš nepřetvoří. Kámen je tak sice těžko čitelnou, ale přesto tou nejkomplexnější a nejstarší kronikou Země. Přitom nejde jen o jeho složení vypovídající o procesech vzniku nebo o obsah radioaktivních izotopů a poměr produktů jejich rozpadových řad, které odhalují věk, anebo o fosilní doklady pradávného života. Z horniny lze za jistých podmínek získat hodnoty magnetického pole Země, které působilo v době jejího tuhnutí, případně sedimentace u sedimentárních hornin. Když se tekuté magma prodírá vzhůru zemskou kůrou, chladne a jednotlivé sloučeniny v něm začnou vytvářet krystalky minerálů. U hlubinných krystalických hornin, jako jsou různé typy žul, tento proces probíhá pomaleji pod zemským povrchem, u láv vylévajících se až na povrch je chladnutí rychlé, krystalická struktura natolik jemnozrnná, že je někdy volným okem nerozlišitelná. V obou případech se mezi minerály vyskytují i sloučeniny feromagnetických prvků - zejména železa (často v kombinaci s titanem), někdy i niklu a kobaltu. Tyto minerály, kterých je celá řada, jsou povětšinou alespoň nepatrně magnetické a při krystalizaci se zmagnetizují, jejich vnitřní struktura si dokáže „zapamatovat“ právě působící vnější magnetické pole. Jeho směr a do jisté míry i intenzitu (vektor magnetizace, tedy velikost, inklinaci i deklinaci pole). Nejznámějším příkladem je přírodní magnet - magnetit, což je po chemické stránce podvojný oxid železnato-železitý. Kdybyste ale jeho kousek (třeba z kuchyňské chňapky) nahřáli na asi 600 °C (nad Curieho teplotu magnetitu) a nechali vychladnout v opačně orientovaném magnetickém poli, zjistíte, že i on získal polarizaci, opačnou, než byla jeho původní.

Zvětšit obrázek
Jak se v divergentním pásu středooceánského hřbetu rozestupují litosférické desky, na povrch se dostává čedičová láva, která chladne, tuhne a magnetizuje se působícím planetárním polem. Tento záznam se v ní uchová a jednotlivá pásma oceánské kůry pak poskytují důkaz o změnách polarity geomagnetického pole v geologické minulosti Země. Upraveno podle: Takeuchi, Uyeda; 1967


Proto je důležité, aby ten, kdo zkoumá paleomagnetický záznam, o němž je přesvědčen, že je v hornině uchován z doby jejího vzniku, si byl jist, že skála neprošla v průběhu své pozdější existence takovými tepelnými a chemickými změnami, které ho mohly narušit, nebo dokonce přemazat. Jako když na magnetofonovou pásku nahráváte místo jedné písničky jinou.

 

Na planetě ale jsou rozlehlé oblasti, které nabízejí přímo unikátní záznam změn geomagnetického pole, žel jenom maximálně 200 milionů let zpátky do minulosti – dna oceánů. Středooceánské hřbety jsou tisíce kilometrů dlouhé, pásmovým podmořským „pohořím“ ztuhlého čedičového magmatu lemované zlomové divergentní linie, v nichž se dno rozevírá rychlostí 2 až 10 cm/rok. Jak se v nich čedičová láva s vysokým obsahem železitých minerálů, včetně magnetitu, vytlačuje k povrchu oceánské kůry, chladne a tuhne. A zároveň „nahrává“ údaje o právě působícím geomagnetickém poli. Tyto horniny pak po dlouhé geologické období neprocházejí, kromě pomalého plynulého posuvu, v podstatě žádnými výraznými změnami, a tak se „nahrávka“ v dobré kvalitě na vhodném médiu bezpečně uchovává. Magnetické profilování oceánského dna jednoznačně potvrdilo předchozí výsledky měření vzorků různých vhodných hornin ze všech kontinentů, které naznačovaly nečekané – v geologické historii naší planety docházelo k přepólování geomagnetického pole.

Zvětšit obrázek
Změny polarity geomagnetického pole od svrchní jury po současnost a detail posledních pěti milionů let.

 

Změny polarity nemají řád
I když se uvádí, že k těmto reverzím dochází v průměru každých 200 tisíc let, je to jen velmi hrubý průměr. Dosavadní poznatky svědčí spíše o chaotických změnách než o nějaké co jen přibližné pravidelnosti. Dlouhá období bez zvratu (reverze) střídala období, kdy k nim docházelo relativně často. Časové osy reverzí – podrobnější pro posledních 5 milionů let a přehledná pro 155 milionů let (obrázek vpravo) - znázorňují nepravidelnost tohoto jevu.

 

Protože déle jak tři čtvrtě milionu let k žádné reverzi nedošlo, tak jenom na základě paleomagnetických analýz a počítačových modelů lze předpokládat, že samotná změna trvá řádově tisíc až deset tisíc let a charakterizuje ji asi desetinásobný pokles intenzity hlavního dipólového magnetického pole (a asi dvojnásobné zintenzivnění kvadrupólového pole). V současnosti to nejlepší vysvětlení nabízí teorie geomagnetického dynama. Jde o přímo nezkoumatelné a matematicko-fyzikálními modely těžko komplexně simulovatelné procesy probíhající ve vnějším tekutém jádru Země. V něm vysoce vodivá železo-niklová tavenina proudí složitým způsobem, protože do jejího pohybu se montuje několik vlivů – Coriolisova síla, diferenciální rotace daná jinou rychlostí otáčení vnitřního pevného jadérka a zbytku planety, konvektivní proudění vyvolávané hustotním a tepelným gradientem, případně vliv fázových přechodů na rozhraní vrstev... Donedávna se předpokládalo, že centrální pevné jádro rotuje o 2 až 3, později jen 1 obloukový stupeň za rok rychleji. Počátkem letošního roku přišli geofyzikové z University of Cambridge s výpočtem, podle něhož tento rozdíl je sice jeden stupeň, ale ne za jeden rok, nýbrž za jeden milion let. Jestli se to potvrdí a nakolik to ovlivní existující modely geomagnetického dynama, ukáže čas. Nicméně právě pohyb vodivé taveniny ve stávajícím geomagnetickém poli bez ustání indukuje pole nové. Tím se obnovuje ochranný magnetický štít planety. Jenže to je jenom rámcová fyzikální představa. Souhra všech komponentů je však složitá a procesy do jisté míry chaotické, výsledný efekt - změny celoplanetárního pole – předvídat nedovedeme. Je to podobné jako u sluneční aktivity: základní mechanismus, v němž klíčovou roli hraje diferenciální rotace ionizovaného plazmatu v kombinaci s jeho konvektivním prouděním, je znám. Přesto je celý systém natolik proměnlivý a složitý, že neumožňuje přesnější předpovědi na více let, natož staletí dopředu. U Slunce je perioda přepólování přibližně 11 let, což také přispíva k předvídatelnosti. U Země bude správnější říci, že žádná perioda magnetických reverzí není. Tak například, za posledních 10 milionů let se v horninovém záznamu objevilo více než 40 reverzí, tedy v průměru každých 200 - 250 tisíc let. Jenže v těch posledních 780 tisících letech se neodehrála žádná. Ještě výraznější anomálii bez jediné změny představuje období vrchní křídy před 120 až 80 miliony let. 40 milionů let stejné polarity. Proč je tomu tak, přesně nevíme. Natolik geomagnetickému dynamu zatím nerozumíme.


Důležité je prý rozmístění kontinentů
I proto je teorie, s kterou nyní přichází francouzští výzkumníci z Národního vědeckého centra (Centre national de la recherche scientifique – CNRS) a Ústavu fyziky Země (Institut de Physique du Globe) zajímavá. V případě správnosti by mohla vysvětlit, proč tak dlouho k žádné reverzi nedošlo, i když dvě předchozí přepólování se udály po sobě v časovém rozestupu 106 tisíc a 120 tisíc let. Trojice vědců teorii geomagnetického dynama obohatila o vliv kontinentů, přesněji o to, nakolik symetricky jsou vůči rovníku rozložené po povrchu planety. Podle toho celý mechanismus obnovování magnetického pole Země stabilizují, nebo naopak „tlačí“ na jeho změnu. V abstraktu článku zveřejněném v časopisu Geophysical Research Letters uvádějí:
Objev reverze magnetického pole Země a pohybů zemských desek (desková tektonika) jsou dva hlavní průlomy v geofyzice v 20. století. Tvrdíme, že tyto dva jevy souvisí a že desková tektonika kontroluje dlouhodobé změny ve frekvenci geomagnetických reverzií. Přesněji řečeno, po geologických obdobích, pro které bylo charakteristické nesymetrické rozložení kontinentů vzhledem na rovník, následovaly intervaly s vysokou frekvencí reverzí. Domníváme se, že rozložení a symetrie struktur v zemském plášti, které pohánějí pohyby kontinentů na zemském povrchu, ovlivňují rovníkovou symetrii proudů uvnitř jádra a tím mění vztah mezi dipólovým a quadrupólovým módem, jenž kontroluje výskyt reverzí.“

Zvětšit obrázek
Časová závislost stupně asymetrie v rozmístění kontinentů po povrchu Země (modrá křivka) a početnost reverzí geomagnetického pole za stejné období (černá křivka). Trojice francouzských geofyziků je přesvědčena, že oba tyto jevy navzájem souvisí. Kredit: Pétrélis, F. et al,(2011),Geophys. Res. Lett., 38

 

Když Francouzi vynesli křivku znázorňující, jak se za posledních 300 miliónů let (tedy od vzniku Pangey) měnila míra asymetrie v rozložení kontinentů vůči rovníku a porovnali ji s četností změn polarity geomagnetického pole v příslušném geologickém období, objevili výraznou korelaci. Při nejvyšším stupni asymetrie počet přepólování stoupal až na 8 za milion let. Vědci nabízejí dvě možná vysvětlení této souvislosti:

A/ tektonické desky ponořující se v subdukčních zónách do zemského pláště sestupují hluboko až k vnějšímu jádru. Tím v příslušné části jeho povrchu ovlivňují výměnu tepla a tím i proudění vodivé Fe–Ni taveniny v jeho nitru. Jestli se to odehrává v severní části výrazně jinou mírou než na jižní, naruši se rovnovážný stav a dochází k častějším reverzím magnetického pole.

B/ rozložení kontinentálních desek jenom odráží (ale v podstatě neovlivňuje) promíchávání materiálu v zemském plášti, zejména v jeho spodní části, u kontaktu s jádrem.


Francouzští vědci tedy předpokládají, že když jsou kontinenty na povrchu Země rozmístěny nesymetricky – tedy na jedné z polokoulí zabírají výrazně větší plochu než na té druhé, pak jsou nesymetricky rozmístěny i subdukční zóny. Sestupné proudy pak tahají podsouvající se desky hluboko do pláště, až se jejich materiál, který má jiné složení a fyzikální vlastnosti než okolní plastická horninová hmota, začne hromadit v spodní vrstvě na kontaktu s vnějším jádrem. To by pak výrazně ovlivnilo tepelnou výměnu na rozhraní vnější jádro – plášť. A když je tento vliv na severní a na jižní části příliš rozdílný, změní to i systém proudů taveniny ve vnějším jádru a rozdíl se projeví i zde. To má za následek nestabilitu a náchylnost k radikálnějším změnám, tedy i k přepólování.


Zní to celkem rozumně a přesvědčivě. Přesto to mezi odborníky asi nevyvolá "heuréka-reakci". I když Francouzi v mediální zprávě uvádějí, že se časové křivky míry asymetrie rozložení kontinentů a četnosti reverzí geomagnetického pole téměř překrývají, skutečnost je trochu jiná a četnost reverzí se někdy zvyšuje po nárůstu asymetrie v rozložení kontinentů a jindy ji předbíhá. Jenže přepólování by v tomto ohledu měla být vždy důsledkem a ne příčinou. Další otázkou je, do jakých hloubek mohou sestupné proudy unášet materiál oceánské kůry, který je o minimálně třetinu lehčí, než jsou horniny spodního pláště. Navíc samotný systém konvektivních proudů je poměrně složitý, nejde o „sloupy“ hmoty tlačící se systematicky pomaloučku někde nahoru a jinde zas dolů kolmo napříč celým zemským pláštěm.

Zvětšit obrázek
Mapa litosférických desek s označenými subdukčními zónami.

 

Nad zjištěnou korelaci, i když je trochu diskutabilní, ale nelze úplně zavřít oči a šmahem ji zamítnout. Když se ale zahledíme na dnešní situaci (obr. vpravo), zjistíme, že asi 2/3 plochy všech kontinentů se nachází na severní a jen asi 1/3 na jižní polokouli. Což se nedá zrovna považovat za symetrické rozložení. Přesto je geomagnetické pole dlouhodobě stabilní, samozřejmě v rámci jeho běžných variací. Kdybychom ale vzali v úvahu jenom aktivní subdukční zóny, jejichž poměrné rozložení na obou hemisférách nemusí zcela odpovídat rozmístění kontinentů, a zkombinovali jejich délku s rychlostí subdukce pro obě polokoule, možná bychom se k základní myšlence francouzských vědců přiblížili lépe a přesněji. Anebo ji zpochybnili.


Protože lepší poznání obnovy a příčin nepravidelně se vyskytujících reverzí magnetického pole Země je jednou z lákavých intelektuálních výzev moderní vědy, lze očekávat, že francouzská studie nezapadne prachem nepovšimnutí a že ve snaze této teorii oponovat, nebo ji potvrdit, se mnozí geofyzikové pustí do analýz, výpočtů, modelů a porovnávání. I toto hledání argumentů však může o krok dál posunout naše poznání dějů v útrobách naší planety.


Poznámka: V roce 1995 se v časopisu Nature objevil významný článek: G.A. Glatzmaier, P.H. Roberts; A three-dimensional self-consistent computer simulation of a geomagnetic field reversal. Dvojici autorů se podařilo vytvořit zajímavý matematicko-fyzikální model geomagnetického dynama, který se „dopracoval“ k reverzi, tedy simulované pole se překlopilo. Blíže na stránkách Garyho A. Glatzmaiera.


Video: Jeden z grafických výstupů  počítačové 3D simulace přepólování geomagnetického pole. Modrá a červená barva znázorňují oblasti s opačnou polaritou. Na horní části je znázorněna situace na povrchu Země, spodní zobrazuje povrch vnějšího jádra, kde je magnetické pole mnohem komplikovanější. Model sice neodpovídá žádné reálné situaci, ale je hezkým potvrzením toho, že naše fyzikální představy, na jejichž základě byl model vytvořen a které se při výpočtech opírají o rovnice magnetohydrodynamiky, by mohly odpovídat skutečnosti.  


 

 

 

Zdroje:  Centre national de la recherche scientifique, Geophysical research letters

Datum: 03.11.2011 02:09
Tisk článku

Fyzika v příkladech II - Samek Ladislav, Vlčák Petr
 
 
cena původní: 450 Kč
cena: 387 Kč
Fyzika v příkladech II
Samek Ladislav, Vlčák Petr

Diskuze:




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace