Мощное магнитное поле молодой Земли могло создаваться остыванием планеты


Венера в Солнечной системе

Венера – вторая по близости к Солнцу планета, соседка Меркурия и Земли. Относительно нашего светила она движется по практически круговой орбите (эксцентриситет венерианской орбиты меньше, чем земной) на расстоянии в среднем 108,2 млн км. Следует отметить, что эксцентриситет – величина изменчивая, и в далеком прошлом он мог быть иным вследствие гравитационных взаимодействий планеты с другими телами Солнечной системы.

Естественных спутников Венера не имеет. Существуют гипотезы, согласно которым некогда у планеты был крупный спутник, впоследствии разрушенный действием приливных сил либо утраченный.

Некоторые ученые полагают, что Венера испытала столкновение по касательной с Меркурием, в результате чего последний был отброшен на более низкую орбиту. Венера же изменила характер вращения. Известно, что планета вращается крайне медленно (как, кстати, и Меркурий) – с периодом около 243 земных суток. Кроме того, направление ее вращения противоположно таковому у прочих планет. Можно сказать, что она вращается, как бы перевернувшись вниз головой.

Основные физические черты Венеры

Наряду с Марсом, Землей и Меркурием, Венера относится к планетам земной группы, то есть является сравнительно небольшим скалистым телом преимущественно силикатного состава. Она сходна с Землей по размерам (диаметр 94,9% земного) и массе (81,5% земной). Скорость убегания на поверхности планеты составляет 10,36 км/с (на Земле – примерно 11,19 км/с).

Планеты земной группы

Из всех планет земной группы Венера обладает наиболее плотной атмосферой. Давление на поверхности превышает 90 атмосфер, средняя температура около 470 °C.

На вопрос, имеет ли Венера магнитное поле, существует следующий ответ: собственного поля у планеты практически нет, но благодаря взаимодействию солнечного ветра с атмосферой возникает «ложное», наведенное поле.

Сестра Земли

Ученые не знают, как быть с Венерой. Хотя она очень похожу на Землю по размеру, массе и каменистой поверхности, эти два мира различаются друг от друга в других параметрах. Одно очевидное различие – плотная, очень густая атмосфера нашей соседки. Огромное одеяло углекислого газа вызывает сильный парниковый эффект. При котором хорошо поглощается солнечная энергия. И поэтому температура поверхности планеты взлетела до примерно 460 C.

Если копнуть глубже, различия становятся еще более резкими. Учитывая плотность планеты, у Венеры должно быть ядро, обогащенное железом. Которое, по крайней мере, частично расплавлено. Так почему же у планеты нет глобального магнитного поля, которое имеет Земля? Чтобы создать поле, жидкое ядро должно находится в движении. И теоретики в течение долгого времени подозревали, что медленное 243 дневное вращение планеты вокруг своей оси препятствует возникновению этого движения.

Сейчас исследователи говорят, что причина не в этом. «Генерация глобального магнитного поля требует постоянной конвекции. Которая, в свою очередь, требует извлечения тепла из ядра в вышележащую мантию», – объясняет Фрэнсис Ниммо (Калифорнийский университет, Лос-Анджелес).

Венера не обладает таким активным движением тектонических плит, который является отличительной чертой Земли. У нее нет процессов движения и погружения пластин для переноса тепла из глубин в конвейерном режиме. Поэтому в результате исследований, проведенных в течение последних двух десятилетий, Ниммо и другие ученые пришли к выводу, что мантия Венеры должна быть слишком жаркой. И поэтому тепло не может выделятся из ядра достаточно быстро для того, чтобы управлять быстрым переносом энергии.

Немного о геологии Венеры

Подавляющая часть поверхности планеты сформирована продуктами базальтового вулканизма и представляет собой совокупность лавовых полей, стратовулканов, щитовых вулканов и прочих вулканических структур. Ударных кратеров обнаружено мало, и на основании подсчета их количества был сделан вывод о том, что поверхность Венеры не может быть старше полумиллиарда лет. Признаки тектоники плит на планете не прослеживаются.

Вулканический ландшафт Венеры

На Земле тектоника плит совместно с процессами мантийной конвекции служит главным механизмом теплоотдачи, но для этого требуется достаточное количество воды. Надо думать, на Венере из-за недостатка воды тектоника плит либо прекратилась еще на раннем этапе, либо вообще не состоялась. Так что избавляться от излишков внутреннего тепла планета могла только путем глобального поступления на поверхность перегретого мантийного вещества, возможно, с полным разрушением коры.

Именно такое событие могло иметь место около 500 млн лет назад. Не исключено, что в истории Венеры оно было не единственным.

Ядро и магнитное поле Венеры

На Земле глобальное геомагнитное поле генерируется благодаря динамо-эффекту, создаваемому особой структурой ядра. Внешний слой ядра расплавлен и характеризуется наличием конвективных токов, которые совместно с быстрым вращением Земли создают достаточно мощное магнитное поле. Кроме того, конвекция способствует активной теплопередаче от внутреннего твердого ядра, содержащего много тяжелых, в том числе радиоактивных элементов, – основного источника разогрева.

Схема строения Венеры и Земли

Судя по всему, на соседке нашей планеты весь этот механизм не работает из-за отсутствия конвекции в жидком внешнем ядре – вот почему у Венеры нет магнитного поля.

Магнитное поле планет и спутников планет Солнечной системы[править | править код]

Планеты Солнечной системы делятся на 3 группы: земной группы, некоторые из которых имеют жидкое металлическое ядро; газовые гиганты Юпитер и Сатурн, преимущественно состоящие из водорода и гелия; и ледяные гиганты Уран и Нептун с толстой газовой атмосферой, но имеющие также в составе более тяжёлые элементы, чем Солнце. Больше всего данных о магнитном поле Земли, так как наблюдения более точны и имеют более давнюю историю; сейсмологические исследования позволяют получить информацию о внутреннем строении нашей планеты[1].

Меркурий[править | править код]

Основная статья: Меркурий § Магнитное поле

Имея довольно большое (что было подтверждено относительно недавно[7]) жидкое ядро, Меркурий обладает магнитным полем, генерируемым по тому же механизму, что и в Земле, хотя и далеко не таким сильным[8]. Сильный эксцентриситет орбиты и близость к Солнцу создают приливные эффекты и циркуляцию в крупном ядре планеты. Сказываться может и спин-орбитальный резонанс 3:2.

Венера[править | править код]

Основная статья: Венера § Магнитное поле

У Венеры и Земли близки размеры, средняя плотность и даже внутреннее строение, тем не менее, Земля имеет достаточно сильное магнитное поле, а Венера — нет (магнитный момент Венеры не превышает 5—10 % магнитного поля Земли). По одной из современных теорий напряженность дипольного магнитного поля зависит от прецессии полярной оси и угловой скорости вращения. Именно эти параметры на Венере ничтожно малы, но измерения указывают на ещё более низкую напряжённость, чем предсказывает теория. Современные предположения по поводу слабого магнитного поля Венеры состоят в том, что в предположительно железном ядре Венеры отсутствуют конвективные потоки[6][9]. Это, в свою очередь, может объясняться отсутствием тектоники плит, причина которого также пока не ясна. Возможно, это отсутствие воды, играющей в этом процессе роль своего рода смазывающего вещества[10][11]. Или же, возможно, вследствие высокой температуры кора не затвердевает, и из-за этого либо не могут сформироваться плиты, подобные земным, либо становится более активным вулканизм, ввиду чего недостаточно энергии для конвективного движения потоков в ядре[12]. С другой стороны, возможно, что, наоборот, воды на поверхности Венеры нет именно из-за отсутствия магнитного поля[13]. У Венеры нет крупных спутников, способных вызвать приливные процессы в ядре и мантии (как на Земле), так же ее орбита наиболее близка к круговой.[источник не указан 31 день

]

Марс[править | править код]

Основная статья: Марс § Магнитное поле

Сильный остаточный магнетизм Марса, открытый станцией Mars Global Surveyor[14], свидетельствует о динамо, происходившем ранее и угасшем примерно через 350 млн лет после формирования планеты, судя по всему, вследствие отвердевания ядра[1][15][16]. По одной из гипотез, вокруг Марса обращался крупный астероид, вызывавший приливные эффекты, не дающие остыть ядру. Потом астероид снизился до предела Роша и разрушился. Как следствие — остывание ядра, распад магнитного поля и угасание геологических процессов. Имеющиеся спутники слишком малы, чтобы вызвать гравитационные возмущения в недрах планеты. Так же планета находится довольно далеко от Солнца, несмотря на сильно эллиптическую орбиту.[источник не указан 31 день

]

Луна[править | править код]

Как и в случае Марса, ядро Луны полностью отвердело[15], но в её коре обнаружены следы остаточного магнетизма. Это может также говорить о ранее функционировавшем динамо, но также возможно, что это последствия метеоритных ударов[5][1].

Ганимед[править | править код]

Основная статья: Ганимед (спутник) § Магнитосфера

Доказано, что это единственный спутник, внутри которого происходит активное динамо, как в Земле и Меркурии, вследствие конвективных потоков в жидком проводящем ядре (вероятно, оно осталось таким благодаря приливному разогреву из-за орбитального резонанса и гравитации Юпитера[17]). Ось его магнитного диполя направлена против магнитного момента Юпитера. Кроме того, Ганимед обладает и индуцированным полем, вызванным его движением в сильном магнитном поле Юпитера[18][19].

Другие спутники планет-гигантов[править | править код]

Ни один из остальных крупных спутников Солнечной системы не имеет сильного генерируемого внутренними источниками магнитного поля. На внутренних спутниках Юпитера наблюдается только индуцированное поле[1].

Юпитер и Сатурн[править | править код]

Планеты-гиганты не имеют ядер, состоящих преимущественно из железа, однако в ядрах Юпитера и Сатурна находится водород в жидкой металлической фазе. Быстрое вращение этих ядер приводит к запуску динамо, создающему сильное магнитное поле. Ось его диполя у Юпитера, как и у Земли, наклонена примерно на 10° относительно оси вращения[20], а у Сатурна практически совпадает с ней[15][21].

Уран и Нептун[править | править код]

Магнитные поля Урана и Нептуна, в отличие от всех остальных планет Солнечной системы, являются не дипольными, а квадрупольными, то есть они имеют по 2 северных и 2 южных полюса[22][21][23]. В их ядрах проводниками тока являются ионы; в целом природа их полей до конца не ясна[15]. Возможно, они формируются на относительно малых глубинах, например, в океане жидкого аммиака, в тонкой конвективной оболочке, окружающей жидкую внутреннюю часть, имеющую стабильную слоистую структуру[24].

Почему Венера и Земля столь различны?

Причины серьезного структурного различия двух похожих по физическим характеристикам планет пока не вполне ясны. Согласно одной из недавно построенных моделей, внутренняя структура скалистых планет формируется послойно, по мере прироста массы, а жесткая стратификация ядра препятствует конвекции. На Земле же многослойное ядро, предположительно, было разрушено на заре ее истории в результате столкновения с достаточно крупным объектом – Тейей. Кроме того, итогом этой коллизии считается возникновение Луны. Приливное воздействие крупного спутника на земную мантию и ядро также могут играть значительную роль в конвективных процессах.

Другая гипотеза предполагает, что изначально магнитное поле у Венеры было, однако планета утратила его по причине тектонической катастрофы или серии катастроф, речь о которых шла выше. Помимо этого, в отсутствии магнитного поля многие исследователи «винят» слишком медленное вращение Венеры и малую величину прецессии оси вращения.

Роковое столкновение

Сейчас у ученых появилась новая идея. Она рассматривает проблему с совершенно нового ракурса. Земля и Венера, возможно, оказались бы обе без магнитных полей. За исключением одного существенного различия. “Почти собранная” Земля пережила катастрофическое столкновение с объектом, размерами с нынешний Марс. Это событие привело к возникновению Луны. А у Венеры такого события не было.

Исследователи смоделировали постепенное формирование скалистых планет, таких как Венера и Земля, из бесчисленных маленьких объектов в начале истории Солнечной системы. Когда все больше и больше кусков собралось вместе, то железо, которое они содержали, погрузилось в полностью в середину расплавленных планет, чтобы образовать ядра. Сначала ядра почти полностью состояли из железа и никеля. Но еще больше металлов, образующих сердцевину, прибыло в результате ударов. И этот плотный материал провалился через расплавленную мантию каждой планеты. Связывая более легкие элементы (кислород, кремний и сера) по пути.

Со временем эти горячие расплавленные ядра создали несколько устойчивых слоев (возможно, до 10) различных составов. «По сути, – поясняет команда, – они создали лунную структуру оболочки внутри ядра, где конвективное смешивание в конечном итоге гомогенизирует жидкости внутри каждой оболочки, но предотвращает гомогенизацию между оболочками». Тепло по-прежнему истекало в мантию. Но только медленно, от одного слоя к другому. В таком ядре не было бы интенсивного движения магмы, необходимого для создания “динамомашины”. Поэтому магнитного поля не было. Возможно, такой была судьба Венеры.

Особенности венерианской атмосферы

Венера имеет чрезвычайно плотную атмосферу, состоящую главным образом из углекислого газа с малой примесью азота, сернистого ангидрида, аргона и некоторых других газов. Такая атмосфера служит источником необратимого парникового эффекта, не позволяя поверхности планеты сколько-нибудь остыть. Возможно, за состояние а также ответственен вышеописанный «катастрофический» тектонический режим ее недр.

Атмосфера Венеры

Наибольшая часть газовой оболочки Венеры заключена в нижнем слое – тропосфере, простирающейся до высот около 50 км. Выше лежит тропопауза, а над ней – мезосфера. Верхняя граница облаков, состоящих из диоксида серы и капель серной кислоты, находится на высоте 60–70 км.

В верхних слоях атмосферы газ сильно ионизируется солнечным ультрафиолетом. Этот слой разреженной плазмы называется ионосферой. На Венере он расположен на высотах 120–250 км.

Индуцированная магнитосфера

Именно взаимодействие заряженных частиц солнечного ветра и плазмы верхней атмосферы определяет, есть ли магнитное поле у Венеры. Силовые линии магнитного поля, несомого солнечным ветром, огибают венерианскую ионосферу и образуют структуру, называемую индуцированной (наведенной) магнитосферой.

Эта структура имеет следующие элементы:

  • Головная ударная волна, расположенная на высоте приблизительно в треть радиуса планеты. На пике солнечной активности область встречи солнечного ветра с ионизированным слоем атмосферы значительно приближается к поверхности Венеры.
  • Магнитослой.
  • Магнитопауза – собственно граница магнитосферы, находящаяся на высоте около 300 км.
  • Хвост магнитосферы, где растянутые магнитные силовые линии солнечного ветра выпрямляются. Длина магнитосферного хвоста Венеры составляет от одного до нескольких десятков радиусов планеты.

Хвост характеризуется особой активностью – процессами магнитного пересоединения, ведущими к ускорению заряженных частиц. В полярных областях в результате перезамыкания могут формироваться магнитные жгуты, подобные земным. На нашей планете перезамыкание магнитных силовых линий лежит в основе явления полярных сияний.

Магнитосферы Венеры и Земли

То есть Венера имеет магнитное поле, формируемое не внутренними процессами в недрах планеты, а влиянием Солнца на атмосферу. Это поле весьма слабое – интенсивность его в среднем в тысячу раз слабее, чем у геомагнитного поля Земли, однако оно играет определенную роль в процессах, протекающих в верхней атмосфере.

TL; DR— Я думаю, что даже в идеальных условиях напряженность поля составляет около 0,4 0,4 Тесла был бы пределом.

Итак, во-первых, ArtificialSoul, вероятно, прав, что никто здесь не сможет дать вам ничего похожего на супер точный ответ. Но, как и большинство проблем в динамике жидкости, если я быстро махну руками достаточно быстро, я могу дать экстремальную оценку, которая должна дать вам представление о возможном порядке величины.

Теперь фактическое планетарное динамо Земли обусловлено силой Кориолиса, действующей на конвекционные токи расплавленного железа, скручивая их в спиральные потоки. Затем сложный механизм обратной связи между током, переносимым этими потоками, ранее созданными магнитными полями и резистивной диссипацией, в совокупности создает несколько стабильное магнитное поле. Это абсолютный кошмар для модели. Поэтому вместо этого я собираюсь приблизить эти потоки к плотности тока.

J = J 0 с ϕ ^ J знак равно J 0 s φ ^ Где мы находимся в цилиндрических координатах и s s это координата, указывающая, как далеко вы находитесь от оси Z. Ток будет следовать этой форме до радиуса р р в какой момент он станет 0 0 , р р в данном случае это радиус зоны, в которой расплавлено железо — внешнее ядро ​​в случае земли. Я собираюсь пренебречь тем фактом, что внутреннее ядро ​​прочно, потому что меньше работы = хорошо.

Причина, по которой я выбрал форму, которую я выбрал для плотности тока, заключается в том, что она совпадает с плотностью тока заряженной сферы, азимутально вращающейся с некоторой угловой скоростью. Опять же, реальная картина намного сложнее, но это даст нам хорошую верхнюю границу, потому что она предполагает, что все потоки расплавленного металла работают вместе для создания магнитного поля, тогда как в действительности разные области будут противодействовать друг другу и просто делать общий математический беспорядок.

Теперь мы будем использовать Био-Саварта для расчета магнитного поля вдоль оси z, потому что я предполагаю, что именно там магнитное поле будет самым сильным. Что еще более важно, однако, это намного проще. Теперь Био-Савар утверждает

B = μ 0 4 π ∭ c r r e n t J × r ‘ ( г ‘ ) 3 d τ ‘ В знак равно μ 0 4 π ∭ с U р р е N T J × р ‘ ( р ‘ ) 3 d τ ‘

Я сделал еще одно упрощение: я игнорирую намагниченность расплавленного железа и просто использую проницаемость свободного пространства. Это достаточно точно, хотя расплавленное железо значительно выше температуры Кюри и поэтому не действует очень магнитно.

Включив все наши неприятные выражения с правильными координатами и значительно упростив, мы получим следующее выражение (до тех пор, пока Z > R Z > р ):

B ( z Z ^ ) = z ^ J 0 μ 0 р 2 2 ∫ 1 — 1 d ты [ 1 — ты 2 + 2 ( γ — у ) 2 1 — 2 u γ + γ 2 — — — — — — — — — — √ — 2 (у — у ) ] В ( Z Z ^ ) знак равно Z ^ J 0 μ 0 р 2 2 ∫ — 1 1 d U [ 1 — U 2 + 2 ( γ — U ) 2 1 — 2 U γ + γ 2 — 2 ( γ — U ) ]

где

γ = z р γ знак равно Z р

Это кажется действительно ужасным, но на самом деле это не так уж и плохо — интеграл является просто функцией Z / R Z / р уменьшается как 1 / z 3 1 / Z 3 когда ты уходишь далеко. В целях разъяснения Z Z координата вдоль оси Z, где Z = 0 Z знак равно 0 в центре планеты. С этого момента Z Z будет ссылаться на эту координату на поверхности планеты, поскольку именно там магнитное поле является самым сильным.

Ключевым моментом, который нужно отнять, является то, что В В растет с увеличением J 0 J 0 и р р заданный фиксированный γ γ и уменьшается с увеличением γ γ , Итак, чтобы найти верхнюю границу напряженности магнитного поля, мы хотим J 0 J 0 и р р быть как можно большим, и Z / R = 1 Z / р знак равно 1 , Я просто собираюсь перепроектировать J 0 J 0 из магнитного поля Земли, чтобы получить приблизительную оценку величины, которая дает результат J 0 = 1,4 × 10 — 10 А / м 3 J 0 знак равно 1.4 × 10 — 10 / м 3 (как всегда, это очень грубая оценка).

Что касается р р самая большая из обнаруженных к настоящему времени планет имеет радиус около 1,25 × 10 8 м 1,25 × 10 8 м , поэтому мы будем использовать это значение. Наконец, интеграл достигает максимума 0,2666 0,2666 когда γ = 1 γ знак равно 1 , Обратите внимание, что это будет означать, что вся планета расплавлена ​​и несет ток — для планет, имеющих твердый слой, γ γ будет больше, чем один.

Сложив все эти значения вместе, мы получим верхнюю границу

| Б | ≤ 0,38 т | В | ≤ 0,38 T

на поверхности планеты. Это предполагает J 0 J 0 примерно одинаково для любой планеты, что, вероятно, не соответствует действительности — более быстрое вращение будет означать более высокое J 0 J 0 и сложные механизмы обратной связи между магнитным полем и конвекционными токами могут привести к значительному отклонению от этого значения. Но независимо от этого, это должно дать вам приличное представление о самых экстремальных магнитных полях, которые может иметь планета, которые сохраняют в себе кусочек научной правдоподобности.

Сейчас у меня нет времени, чтобы добавить более подробную информацию о моих расчетах, но, если вам интересно, я, возможно, смогу отредактировать их позже. Надеюсь, это поможет!

Магнитосфера и устойчивость газовой оболочки планеты

Магнитосфера экранирует поверхность планеты от воздействия энергичных заряженных частиц солнечного ветра. Считается, что наличие достаточно мощной магнитосферы сделало возможным возникновение и развитие жизни на Земле. Кроме того, магнитный барьер в некоторой степени препятствует «сдуванию» атмосферы солнечным ветром.

В атмосферу проникает также ионизирующий ультрафиолет, не задерживаемый магнитным полем. С одной стороны, благодаря этому возникает ионосфера и формируется магнитный экран. Но ионизированные атомы могут покидать атмосферу, попадая в магнитный хвост и ускоряясь там. Это явление носит название убегания ионов. Если скорость, приобретаемая ионами, превышает скорость убегания, планета интенсивно теряет газовую оболочку. Такое явление наблюдается на Марсе, характеризующемся слабой гравитацией и, соответственно, малой скоростью убегания.

Убегание венерианской атмосферы

Венера с ее более мощной гравитацией эффективнее удерживает ионы своей атмосферы, так как им нужно набрать большую скорость, чтобы покинуть планету. Наведенное магнитное поле планеты Венера недостаточно мощно для существенного разгона ионов. Поэтому потеря атмосферы здесь далеко не так значительна, как на Марсе, несмотря на то, что интенсивность ультрафиолетового излучения гораздо выше вследствие близости к Солнцу.

Таким образом, индуцированное магнитное поле Венеры – это один из примеров сложного взаимодействия верхней атмосферы с различными видами солнечного излучения. Совместно с гравитационным полем оно является фактором устойчивости газовой оболочки планеты.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: