Neviditelný čert

Nikdy se už asi s jistotou nedozvíme, která lidská kultura začala aktivně využívat magnetické pole Země jako první. Donedávna se myslelo, že to byli Číňané, kteří užívali magnetické minerály ke konstrukci "na jih ukazující rybky", aby mohli uspořádat své domy v souladu s učením feng-šuej. Neexistují však spolehlivé záznamy, že se tato praxe užívala dříve než 400 let př.n.l., a to znamená, že nejstarším magnetickým artefaktem je kousek magnetitu nalezený ve Veracruz v Mexiku, domově Olméků.

Lucifer

Stěhování pólů

Olmékové jsou pokládáni za nejstarší civilizaci si Nového světa, která vzkvétala v létech 1400 až 1000 před naším letopočtem. Zmíněný kousek magnetitu, objevený při vykopávkách v sedmdesátých letech 20. století, byl upraven tak, aby se dal nasadit na hrot, což mu umožňovalo otáčet se s malým třením. Na jednom konci měl vyhloubenou rýhu. Vypadal tedy obdobně jako magnetická střelka.

Když fyzik John Carlson referoval o nálezu olméckého magnetitu, upozornil na to, že Olmékové stavěli domy orientované s odchylkou osmi stupňů od severojižního směru. Považoval to za zajímavost. Tato skutečnost však v kombinaci s dalšími fakty svědčí o tom, že zemské magnetické pole se mění. A to je jeden z důvodů k domněnce, že by mohlo postupně slábnout.

Kompas neukazuje na sever

Moderní měření zemského magnetického pole začala před pouhými dvěma sty lety, ale o jeho změnách máme starší důkazy. Vezměme orientaci asi stovky dánských kostelů postavených ve 12. století a zjistíme, že se liší asi o 10 stupňů od současného východozápadního magnetického směru. Podobně jako stavby Olméků to zřejmě svědčí o tom, že kompas tehdy ukazoval jiným směrem než dnes.

Spolehlivější sledování zemského magnetického pole se datuje od 19. století, kdy Alexander von Humboldt pečlivě měřil magnetické pole během svých cest v jižním Atlantiku. Zjišťoval, že magnetické pole v této oblasti slábne od pólu k rovníku. Von Humboldt referoval o svých výzkumech v Paříži, ale objevilo se mnoho odlišných názorů a kolem problému vznikla řada nejasností. Von Humboldt se nakonec obrátil na německého matematika Carla Friedricha Gausse a požádal ho, aby mu pomohl vypracovat atlas magnetických pozorování, Gauss, geniální matematik s rozsáhlými přírodovědeckými zájmy, už sám magnetické pole Země zkoumal a nabídku s radostí přijal. Kolem roku 1840 napsal tři důležité práce o magnetismu, kde též jasně definoval zemské magnetické pole. Sestrojil také pohyblivou magnetickou observatoř, ve které se dal odstínit vliv ostatních polí kromě Země.

Gaussův geomagnetický atlas vyšel v roce 1836. Od té doby měření zemského magnetismu pokračovalo a dnes máme k dispozici záznamy za 150 let. Jedním z klíčových objevů bylo zjištění, že severní magnetický pól se posunuje. Poprvé byl přesně změřen badateli v roce 1833, potom znovu v roce 1904. Během této doby se přesunul o 50 kilometrů. V průběhu 20. století se pól pohyboval směrem k severu rychlostí asi 10 kilometrů za rok a tento pohyb se zrychloval. Dnes jeho rychlost činí asi 40 kilometrů za rok.

To však není jediná změna zemského magnetismu - záznamy dokládají, že ve středních zeměpisných šířkách magnetická střelka mění svůj směr asi o stupeň za rok. Výrazné změny se dějí v jižním Atlantiku. Měření ze satelitů ukazují, že na západ od jižní Afriky se magnetické siločáry sbíhají k jednomu bodu, jako by zde byl další magnetický pól. Od této "jihoatlantické anomálie" se rozbíhá systém siločar, který zasahuje značnou část Jižní Ameriky a komplikuje celkové zemské magnetické pole. A pak je zde jev celkového slábnutí magnetického pole. Od Gaussových měření ztratilo magnetické pole Země v průměru 10 procent své síly. Abychom pochopili, co to znamená do budoucna, musí vědci prozkoumat samotné kořeny zemského magnetismu.

Vířící sféry

Skutečnost, že existuje severní a jižní magnetický pól, by nás mohla vést k domněnce, že zemské magnetické pole pochází z jakéhosi tyčového magnetu umístěného v zemském nitru. Bohužel takhle jednoduché to není. Zdrojem zemského magnetického pole je vířící vrstva tekutého železa a niklu hluboko v nitru Země. Z těchto kovů se skládá její jádro. Vnitřní jádro či jadérko je pevná koule o průměru asi 1250 kilometrů. Teplota jadérka je několik tisíc stupňů, neroztaví se však proto, že je pod vysokým tlakem zemských vrstev.

Vnitřní jádro je obklopeno jádrem vnějším, ve kterém jsou kovy v tekutém stavu, a zde je původ zemského magnetismu. Tato tekutina je zahřívána vnitřním jádrem a dodané teplo vyvolává konvektivní proudy, jež stoupají směrem k plášti. Horká kapalina při svém vzestupu chladne a padá zase dolů. Pohyb vodivého materiálu budí elektrické proudy a ty jsou vždy doprovázeny magnetickým polem. Tento mechanismus vytváří trvale pracující "geodynamo", jež je původcem zemského magnetického pole.

Toto dynamo vytváří velmi komplikované magnetické pole. Rotace Země kolem její osy kroutí siločáry a to vyvolává nové proudy v tekutém vnějším jádře. To vede ke vzniku nových magnetických siločar a změně magnetického pole. Většinou se tím celkové pole zesiluje, jsou-li ale nové siločáry orientovány jiným směrem než ono pole, může docházet k místnímu oslabení celkového zemského magnetismu.

K něčemu takovému pravděpodobně dochází v jihoafrické anomálii a efekty tohoto typu mají asi na svědomí i celkové oslabování zemského magnetického pole. Vědci si však v tomto nejsou zcela jisti, protože celková dynamika pole tvořeného tímto základním mechanismem je velice složitá a je neobyčejně obtížné ji plně vystihnout matematickým modelem. Proto se k výzkumu zemského dynama užívají kromě matematických modelů i zmenšené laboratorní modely. Jde často o značně nebezpečná zařízení. Chcete-li si v laboratoři pořídit vzorek rotujícího roztaveného kovu, nemůžete použít kov, jehož teplota tání je několik tisíc stupňů. Nejlepším kandidátem na modelový kov je sodík, jehož bod tání je lehce pod 100 ºC.

Jenže užití sodíku přináší jiná nebezpečí. Například se chová explozivně při kontaktu s vodou i vzduchem. Přes všechna úskalí se však vědcům opravdu podařilo vytvořit rotující kuličky tekutého sodíku a tak simulovat procesy, jež nám probíhají pod nohama. Výsledek těchto experimentů byl velice působivý: podařilo se vytvořit samovolně se udržující magnetické pole, jež vykazovalo některé rysy chování, které se předpokládá u geodynama. Dokonce zde probíhal jev "reverze"; severní a jižní pól si vyměnily svá místa. Během tohoto procesu magnetické pole nejdříve slábne a jeho struktura se komplikuje a pak opět sílí, jenomže na konci má opačnou polaritu než na začátku.

Během periody obracení nemá magnetické pole jasně definovanou polaritu. Může se něco takového přihodit s magnetickým polem Země a nemělo by to pro ni a pro nás katastrofální důsledky? Bohužel, matematické modely ani laboratorní simulace nedávají tak přesné výsledky, abychom na jejich základě mohli vytvořit jasnou předpověď pro Zemi. Můžeme ale sledovat informace o magnetickém poli v minulosti, které jsou uchovány v planetárním horninovém plášti a snažit se je extrapolovat do budoucnosti.

Zdroj: Michael Brooks, Velké otázky: Fyzika

07.11.2011, 00:22:00   Publikoval Luciferkomentářů: 1