Atklājumi.lv

Zemei pirms 3,45 miljardiem gadu jau bijis spēcīgs magnētiskais lauks

Pazīstamais paleomagnētisma pētnieks, Ročesteras universitātes ģeofiziķis Džons Tarduno noskaidrojis, ka vismaz pirms 3,45 miljardiem gadu Zemei jau bijis savs, ģeodinamisma izraisīts magnētiskais lauks, lai arī aptuveni uz pusi vājāks nekā šodien.

Magnētisko lauku, domājams, veido Zemes kodola šķidrajā apvalkā plūstošās strāvas (1) un tā galvenā nozīme mūsu, kā dzīvu būtņu skatījumā ir spēja aizsargāt Zemi no Saules vēja - augsti lādētu daļiņu un radiācijas plūsmas. Labāk izprotot magnetosfēras veidošanās hronoloģiju, mēs varam izdarīt pamatotākus secinājumus par ģeoloģisko un astronomisko apstākļu ietekmi uz planētas agrīno vēsturi un dzīvības izcelšanos. Pētījuma rezultāti publicēti žurnāla "Science" 5.marta numurā.

Profesora Tarduno atklājums ir likumsakarīgs pētnieka intensīvās zinātniski inovatīvās darbības rezultāts. Ap 2000.gadu, būdams Ročesteras universitātes paleomagnētisma laboratorijas vadītājs, viņš izstrādāja jaunu iežu magnētisma mērīšanas tehnoloģiju, kas daudz precīzāk ļāva noteikt paraugu paleomagnētisko intensitāti. Tarduno tehnoloģija pilnveidoja jau pirms 40 gadiem franču zinātnieku Telē (Thellier & Thellier) izveidoto termoremanences metodi. Metodes pamatā ir magnētisko iežu demagnetizācija un sekojoša remagnetizācija, atbilstošas temperatūras un kontrolēta magnētiskā lauka ietekmē. Mērījumu veikšanai Tarduno iepriekš izmantoto iekārtu vietā nolēma izmēģināt universitātes rīcībā esošo supervadītāju kvantu interferences iekārtu (SQUID), ko parasti pielieto biomagnētisku testu veikšanai un elektronisko ierīču izgatavošanai paredzēto materiālu pārbaudei. Ja līdzšinējām metodēm vajadzēja salīdzinoši lielāku (diametrā aptuveni collu) ieža paraugu, tad mērījumiem ar īpaši jūtīgo SQUID ir pietiekami ar atsevišķiem kristāliem, kas izmērā nepārsniedz dažus milimetrus. Jo lielāks ieža gabals iepriekš tika izmantots, jo lielāka bija iespēja, ka tas būs magnētiski piesārņots. Savukārt, samazinot parauga izmērus, palielinājās iespējamā kļūda vai pat vispār nebija iespējams veikt mērījumu. Tagad, strādājot ar atsevišķiem, no ģeotermiski atkārtoti netraucētiem vulkāniskiem iežiem ņemtiem kristāliem, piesārņojuma iespēja tika samazināta līdz minimumam. Tarduno pārbaudīja ar SQUID iegūto datu ticamību, nosakot 1955.gadā Havaju salās notikuša vulkāna izvirduma laikā izplūdušas lavas parauga magnētisko intensitāti un testa rezultāti sakrita (2) ar tajā laikā mēraparātu fiksētajiem Zemes magnētiskā lauka datiem Honolulu. Domājams, pēdējās desmitgades laikā veikti arī citi līdzīgi, vēsturiski pārbaudāmi mērījumi, par kuriem šī raksta autoram brīvpieejas materiālos diemžēl neizdevās atrast nekādas norādes.

2001.gadā, ar jauno tehnoloģiju izpētot paraugus no mūsdienu Indijas teritorijā atrodamiem Krīta laikmeta vulkāniskajiem iežiem,Tarduno noteica, ka Zemes magnētiskais lauks pirms 100 miljoniem gadu bijis 3 reizes stiprāks nekā līdz tam uzskatīja, vadoties pēc iepriekš izdarītajiem mērījumiem. Turpinot pētījumus, Tarduno izdevās noteikt arvien senāku iežu paleointensitāti. 2007. gadā žurnālā "Nature" publicētā rakstā viņš ziņoja, ka savā laboratorijā izmērījis 3,2 miljardus gadu senu iežu magnētismu, kas atkal izrādījās lielāks (10 reižu) nekā uzrādīja iepriekšējās analīzes. Salīdzinot ar mūsdienām, lauks šajā periodā bijis 50% līdz 60% jeb 20-30 mikroteslu liels. Katra nākošā pētījuma rezultāti Zemes kodola formēšanās laiku atbīdīja atpakaļ pagātnē un pati jaunākā publikācija, kas žurnāla "Science" lasītājus iepazīstina ar starptautiskas, Tarduno vadītas zinātnieku komandas 2009. gada darba rezultātiem ļauj izteikt pieņēmumu, ka arī 3,45 miljardi gadu, iespējams, nav galējā robeža.

Sadarbībā ar KvaZulu Natālas universitātes Durbanā (Dienvidāfrika) ģeofiziķiem, kā arī zinātniekiem no Ķīnas un Norvēģijas, Ročesteras pētnieki atlasīja iespējami labākos paraugus no Kapvālas kratona dacītu slāņiem pie Bārbertonas Dienvidāfrikā, kas ir viena no nedaudzajam vietām uz Zemes, kur atrodas senākie zināmie, līdz pat 3,6 milj. gadu vecie pamatklintāja atsegumi. Dacīti ir vulkāniski ieži ar relatīvi lielu kvarca un laukšpata īpatsvaru sastāvā. Zinātniekiem tomēr interesēja nevis paši kvarca vai laukšpata kristāli, bet to iekšienē atrodošies, sīkie, mikrometros mērāmie magnetīta ieslēgumi. Tie ir rezervuāri, kuros, magmai sacietējot, saglabājas tādas intensitātes magnētiskais lauks, kāds uz Zemes bija laikā, kad šie minerāli izkusušā stāvoklī nonāca uz planētas virsmas. No šiem pašiem slāņiem tika ņemti paraugi jau 2007.gada pētījumiem.

Pētījuma rezultātā iegūtie dati liecina, ka aptuveni miljardu gadu pēc mūsu planētas izveidošanās, laikā, kas saskan ar senākajām dzīvības pastāvēšanas liecībām, Zemei jau bijis iekšējo ģeodinamisko procesu radīts magnētiskais lauks. Tarduno pastāstīja, ka nelielas intensitātes magnētiskais lauks, līdzīgs tam, kādu tagad varam vērot uz Venēras vai Marsa (100 tūkstošus reižus vājāks par Zemes magnētisko lauku), var veidoties arī Saules vēja un planētas atmosfēras mijiedarbības (indukcijas) rezultātā, taču viņa mērierīču konstatētie rādījumi liecina par pretējo - lauka stiprums bijis aptuveni 50 līdz 70% no mūsdienu Zemes magnetosfēras intensitātes.

Lai noteiktu Saules vēja un Zemes magnetosfēras mijiedarbību un iespējamo ietekmi uz agrīno planētas attīstību, Tarduno lūdza sava kolēģa, Ročesteras universitātes asistējošā fizikas un astronomijas profesora Erika Mamajaka palīdzību. Mamajaks paskaidroja, ka, spriežot pēc datiem, kas iegūti no Saulei līdzīgām zvaigznēm, var pieņemt, ka jaunās Saules spožums bijis aptuveni par 23% lielāks un tā izmetusi ap 100 reižu lielāku daļiņu daudzumu, radot vairākas reizes stiprāku "vēju" nekā saņemam šodien. Paleoarhaja ērā Zeme ik dienas varēja saņemt tādu Saules vēja devu, kādu tagad novērojam atsevišķu, ļoti stipru magnētisko vētru gadījumos, vērtē Tarduno. Turklāt magnetopauze, ņemot vērā vājāko lauku, Saules pusē atradusies mazāk nekā 5 planētas radiusiem atbilstošā attālumā (< 30 000 km) no Zemes virsmas, salīdzinot ar 10,7 radiusu attālumu šodien. Tas savukārt nozīmē, ka Saules vējš no atmosfēras augšējiem slāņiem "aizpūta" prom kosmiskajā telpā daļu vieglāko elementu, tai skaitā ūdens tvaiku. Ja Zemes magnētiskais lauks nebūtu pastiprinājies, tad uz planētas šodien visdrīzāk būtu krietni vien mazāk ūdens, iespējams, līdzīgā proporcijā kā uz Venēras. Tāpat tas nozīmē, ka tā dēvētās polārās cepures jeb apgabali, kuros Zemes jonosfērā iekļūst daļa Saules vēja, cita starpā radot vizuālās parādības (gāzu spīdēšanu), kuras mēs sacam par ziemeļblāzmām bija aptuveni 3 reižu lielāki, ģeogrāfiski sasniedzot mūsdienu Ņujorkas atrašanās vietai atbilstošus platuma grādus.

Torduno norāda, ka pētījuma rezultātus varētu lietderīgi izmantot arī pēdējā laikā attīstību guvušajā eksoplanētu meklēšanā. Viņaprāt, attiecības starp zvaigznes "vēju", planētas atmosfēru un magnētismu būtu noteikti jāņem vērā, modelējot iespējamo planētas apdzīvojamību.

Jāatzīmē, ka ne visi ģeofiziķi viennozīmīgi vērtē augstāk aprakstītā darba rezultātus. Tā, piemēram, Pīters Selkins no Vašingtona universitātes Takomā gan atzīst, ka rezultāti šķiet ticami un "tas, ko dara Tarduno ar kolēģiem ir patiešām aizraujoši", kā arī "ar viņu izstrādātajiem instrumentiem ir liels potenciāls izpētīt arī tik senas klintis, kurām paleomagnētismu līdz šim nevarēja noteikt", taču vienlaikus norāda, ka pastāv šaubas par nosacīti pirmatnējo Kapvālas kratona iežu neskartību. "Tie tomēr nav tieši tādā stāvoklī, kādā bija sākotnēji," saka Selkins. "Un tieši tas ir apstāklis, kas daudzus paleomagnētisma pētniekus līdz šim atturēja no to izpētes." Selkins atzīst, ka Tarduno un kolēģi ir darījuši visu, ko varējuši, lai izvairītos no paraugiem ar magnētisko piesārņojumu, taču, lai pilnībā varētu pieņemt rezultātus, "vēl ir lietas, kuras vajadzētu uzzināt par pētījumā izmantotajiem minerāliem."

Atšķirībā no Selkina, Toronto universitātes ģeofiziķi Deividu Danlopu Tarduno komandas pētījums, ko viņš raksturo kā "ļoti uzmanīgu demonstrāciju" apmierina pilnībā. "Lauka stiprums," viņš saka, " ir ļoti pārliecinoši attiecināms" uz laika posmu starp 3,4 un 3,45 miljardiem gadu pirms mūsdienām. Danlops atzīst, ka būtu ļoti intriģējoši atbīdīt ģeodinamo "iedarbināšanu" vēl senākā pagātnē, taču tas šķiet nereāli, jo "nekur dabā nav saglabājušies vēlāko ģeotermālo procesu neskarti pirmatnēji minerāli, kas varētu būt tik sena magnētiskā lauka nesēji".

Interesanti, ka Liverpūles universitāte šobrīd uzsākusi pēcdoktorantūras studiju programmu, kurā paredzēts veikt tieši Dienvidāfrikas arhaja klinšu paleomagnētisko izpēti. Darba ietvaros notiks gan lauka prakse, gan iegūto paraugu laboratoriskā testēšana. Līdz ar to varam pieļaut, ka tuvākā gada laikā saņemsim neatkarīgu apstiprinājumu vai noliegumu Tarduno rezultātiem.

(1) Magnētiskā lauka rašanās iespējamību rotējošā, šķidrā, elektrovadošā vidē 1999.gadā eksperimentāli pierādīja Latvijas universitātes Fizikas institūta zinātnieki Agris Gailītis, Oļģerts Lielausis un Ēriks Platacis.
(2) Rezultāti atšķīrās par 5%, taču novirze tika izskaidrota ar lokālu magnētisko anomāliju.

Avots:
http://www.sciencemag.org

Sk. arī:
http://www.sciencedaily.com

http://www.agu.org

http://www.scientificamerican.com

http://books.google.lv

http://www.liv.ac.uk

Attēli.
Augšējais attēls: Bārbertonas kalnu ainava. Avots: http://archenv.geo.uu.nl

Sk. vēl:
Bārbertonas kalnu satelītuzņēmums:
http://earthobservatory.nasa.gov

Ģeologu lauka ekspedīcija Bārbertonas kalnos:
http://archenv.geo.uu.nl