Možete li pokazati na Sjeverni pol? Gotovo sigurno ne. Čak i ako ste naoružani kompasom, lako biste mogli pogriješiti. Ako ste u Kaliforniji, igla vam može biti otklonjena punih 18 stupnjeva.
“Morate to uzeti u obzir čak i ako samo planinarite – to može biti razlika između odlaska ulijevo i nastavljanja ravno”, rekao je nedavno za New Scientist William Brown s British Geological Surveya.
Sjeverni magnetski pol juri prema Sibiru
No nije problem samo u tome što vaš kompas mogu ometati lokalne nepravilnosti u magnetskom polju. Sam Sjeverni pol ne nalazi se ondje gdje je nekad bio. 1900. bio je u Kanadi. Stoljeće kasnije bio je blizu Grenlanda. U proteklih 18 godina jurio je na istok oko 40 kilometara godišnje, a trenutno se kreće prema Sibiru.
No čudno ponašanje Zemljinog magnetskog polja ni tu ne završava. Ono povremeno također potpuno obrće svoj polaritet: bilo je trenutaka u povijesti našeg planeta kada je igla kompasa pokazivala na ono što danas nazivamo Južnim polom. Čak i danas pod površinom ima mjesta na kojima bi kompas pokazivao u krivom smjeru. Što se događa? Ovaj misterij ima ozbiljne implikacije za tehnologiju i budućnost našeg planeta.
Kad bismo ga htjeli ispravno adresirati, morali bismo, poput Julesa Vernea, putovati u središte Zemlje, gdje je sam izvor magnetskog polja. No to baš nije praktično. Umjesto toga, inventivni umovi odlučili su potražili magnete koji su prije mnogo milijuna godina zamrznuti u planetu. Također su izgradili divovske rotirajuće sfere tekućeg natrija koje simuliraju zbivanja u Zemlji. Sve to moglo bi nam pomoći da bolje razumijemo naš planet, izbjegnemo solarne oluje i odaberemo prave putove kući.
Postoji više sjevernih polova
Mada je malo ljudi posjetilo mjesta u blizini Sjevernog pola, on se doima kao poznata znamenitost, poput Grand Canyona ili Mount Everesta. Djeca ga znaju kao mjesto na kojem živi Djed Mraz. No na vrhu svijeta zapravo se nalazi više polova. Ondje postoji geografski Sjeverni pol, mjesto na kojem Zemljina os rotacije dodiruje tlo. Tu je i magnetski sjeverni pol, mjesto na kojem magnetsko polje planeta pokazuje ravno prema dolje. Ta druga lokacija se, međutim, kreće, baš kao i njegov pandan, južni magnetski pol na drugom kraju planeta. Južni magnetski pol nije na sredini Antarktike, kao što bi se moglo očekivati, nego na obali područja zvanog Viktorijina Zemlja.
Misterij nastanka magnetskih polova
Proces u kojem je nastajalo magnetsko polje stoljećima je bio zagonetka i izazov za mislioce od Renéa Descartesa do Edmonda Halleyja. Sam Einstein svojevremeno je smatrao da je njegovo podrijetlo jedan od najvećih neriješenih problema u fizici. Igrao se idejom da je to nekako posljedica neusklađenosti između naboja dviju čestica, elektrona i protona. Ideju koja je pobijedila prvi je predstavio irski fizičar Joseph Larmor prije 100 godina. On je iznio tezu prema kojoj je to polje posljedica kovitlajuće, električno vodljive tekućine u središtu Zemlje koja djeluje kao geo-dinamo.
Imamo sve razloge vjerovati da je Larmor bio u pravu. Na temelju odbijanja zvučnih valova pri prolasku kroz naš planet, znamo da on ima metalnu jezgru sastavljenu od dva dijela. Unutarnja ima temperaturu od oko 6000 °C i nešto je toplija od površine Sunca. Unatoč tome, ona je čvrsta zbog ogromnog tlaka. Vanjska, zapremine sedam puta veće od Mjeseca, sastoji se od rastaljenog željeza.
Zemljin superkomplicirani dinamo
Razlika u temperaturi između vanjskih i unutarnjih dijelova vanjske jezgre uzrokuje da tekućina neprestano teče u tzv. konvekcijskim strujama. Vruće tekuće željezo uzdiže se prema hladnijoj površini vanjske jezgre, zatim se hladi, postaje gušće i ponovno se spušta u dubine. Metal je prepun elektrona pa taj tok električnog naboja indukcijom stvara magnetsko polje.
Kada bi kretanje tekućine ovisilo samo o konvekciji, Zemljino magnetsko polje poprimilo bi relativno jednostavan oblik. Međutim, rotacija planeta gura tekućinu u drugom smjeru silom koja ovisi o tome u kojem području planeta se tekućina nalazi. Osim toga, postoji i varijabilna viskoznost tekućeg metala zbog različitih gustoća na različitim udaljenostima od unutarnje jezgre. Sve to pridonosi složenom obrascu turbulentnih strujanja u vanjskoj jezgri, čime se stvaraju petlje magnetskih polja.
Kada se sve to uzme u obzir, može se činiti iznenađujuće to što magnetski sjeverni pol ne luta i mnogo dramatičnije nego što se to zbiva u stvarnosti. No stvar je u tome da se protok tekućeg metala odvija usporeno.
“Kada kažemo da je protok turbulentan, mislimo na rokove od nekoliko desetaka tisuća godina”, kaže Gary Glatzmaier sa Sveučilišta California u Santa Cruzu.
“Sjeverni pol već 18 godina putuje prema istoku i trenutno kreće prema Sibiru”, dodaje.
Lutajući polovi mogu se objasniti tom usporenom turbulencijom. Međutim, ono što će se sljedeće dogoditi teško je predvidjeti. Hoće li se sjeverni magnetski pol nastaviti kretati i koliko daleko uopće može otići? Je li moguće da se nalazi na pragu potpunog obrtanja? To su pitanja koja je važno postaviti. Osobito zato što Zemljino magnetsko polje odbija nabijene čestice Sunčevog vjetra koje bi inače padale na nas. Nitko ne očekuje da će se nešto drastično dogoditi jako brzo. No kada bi se dogodilo, to bi nas skupo koštalo.
Povijest obrtanja polova zamrznuta je u stijenama
Jedan od načina da se predvidi budućnost magnetskog polja jest da se istraži njegova prošlost. Kada se magnetska stijena, kao što je feldspat, zagrije i zatim ponovno ohladi, kristali unutar nje ostaju usklađeni s prevladavajućim magnetskim poljima vremena u kojem je bila rastaljena.
“Određeni kristali u sebi imaju magnetske inkluzije pa su odlični snimači magnetskog polja”, kaže John Tarduno sa Sveučilišta Rochester u New Yorku. Očitavanje tih kristala daje zapise o tome što se zbivalo s magnetskim poljem prije mnogo milijuna godina.
Ti zapisi prilično su obimni. Oni pokazuju da je magnetsko polje Zemlje kroz povijest slabilo i jačalo, a povremeno se čak i potpuno obrtalo. Znamo da je u protekla 83 milijuna godina bilo 183 obrtanja polova, od kojih se posljednje dogodilo prije nekih 780.000 godina. Tarduno i njegovi kolege nedavno su analizirali 565 milijuna godina stare magnetske stijene iz Quebeca u Kanadi i otkrili da je tada magnetsko polje bilo deset puta slabije nego danas, što je najniža izmjerena vrijednost. U to vrijeme Zemlja je prolazila kroz razdoblje od 75.000 godina u kojem je polje poskakivalo i posrtalo brzo mijenjajući smjer i snagu, koja je rasla i padala.
Magnetsko polje bilo je na rubu kolapsa, a s njim i sav život
To nije samo potvrda da se Zemljino polje kroz eone mijenja nego otkriva i više detalja u priči o ranoj Zemlji.
“Izgleda da je polje bilo na rubu kolapsa”, kaže Tarduno.
“Da se to dogodilo, malo je vjerojatno da bi se složeni život ikad pojavio na Zemlji. Bez magnetskog polja, atmosfera bi bila raznesena Sunčevim vjetrom, a svi životni oblici bili bi bombardirani snažnim zračenjem”, tumači.
Što je spriječilo ovu katastrofu? Prema Tardunovoj interpretaciji magnetskih zapisa, to je bila formacija Zemljine čvrste unutarnje jezgre.
Izgleda da je u tom trenutku cijela jezgra planeta bila rastopljena, no onda se počela ubrzano hladiti. To je moglo usporiti konvekcijske struje, a time i magnetsko polje. No to je također vjerojatno omogućilo da se najdublji dio jezgre počne kristalizirati. Lakši elementi kao što su silicij i kisik, bili su izbačeni iz krute tvari u mladu vanjsku jezgru čineći dublje dijelove manje gustim, što je dodalo novu snagu konvekcijskim strujama.
“Vjerujemo da je unutarnja jezgra, kada se počela formirati, osigurala novi izvor energije za magnetsko polje”, kaže Tarduno.
Na Zemlji već postoje mjesta koja ilustriraju ono što nam prijeti
Njegova istraživanja također su otkrila područje Zemljine površine koje se proteže od Zimbabvea do Čilea, u kojem je magnetsko polje danas vrlo slabo. Toliko je slabo da sateliti koji prolaze orbitama iznad njega trebaju posebnu zaštitu. Naime, bez zaštite koju pruža uobičajeno Zemljino magnetsko polje, Sunčevi vjetrovi ondje su toliko jaki da mogu spržiti njihovu elektroniku. Tarduno i njegovi kolege otkrili su da je na jednom mjestu unutar tog područja, ispod Južne Afrike, na granici između jezgre i plašta magnetsko polje čak obrnuto. Kompas bi ondje pokazivao na jug umjesto na sjever.
“To je zapanjujuće”, kaže Tarduno.
On i njegov tim zabilježili su slične anomalije na brojnim mjestima koja nose zapise iz prošlosti. Čak su počeli prepoznavati kako su se polja kretala.
“Stižemo do točke u kojoj možemo pratiti neke od tih anomalija u tokovima jezgre”, kaže Tarduno.
U podacima se čak može vidjeti kako su se tokovi povremeno razvijali u potpune obrate magnetskih polova.
“Ponekad te stvari postaju dovoljno velike da cijelo magnetsko polje iznenada obrne polaritet”, kaže on. To nameće pitanje: signaliziraju li možda sadašnja vrludanja na Sjevernom polu neki skori obrat?
Problemi predviđanja budućnosti polova
To je jedna od stvari koje Glatzmaier i njegovi kolege pokušavaju saznati. Kako bi to postigli, moraju ići dalje od mjerenja prošlosti i stvarati računalne modele magnetskog polja koji mogu predviđati što bi se sljedeće moglo dogoditi. Primjerice, na temelju osnovnih zakona fizike koji se primjenjuju na pokretne, vodljive fluide, u stanju su proizvesti dipol, oblik polja s dva suprotna pola. Kada takve modele puste da rade, otkrivaju varijacije u snazi u različitim vremenima i mjestima. Također vide lutajuće polove te čak dobivaju povremene obrate. Sve se slaže s onim što vidimo u stvarnom svijetu. U travnju njihova je simulacija čak uspjela reproducirati ponašanje koje oponaša brze “geomagnetske trzaje” kakvi su zabilježeni tijekom putovanja Zemljinog sjevernog magnetskog pola na istok.
No koliko god to bilo impresivno, ipak ne odgovara stvarnom ponašanju magnetskog polja.
“Naši računalni modeli su složeni, ali ne toliko kao stvarnost tamo dolje”, kaže Glatzmaier.
Nitko nema računalnu snagu dovoljnu za realistično modeliranje magnetskih polja.
”Struktura tokova uvija i smiče postojeće magnetsko polje i u tom procesu generira nova magnetska polja. Mi moramo koristiti vrlo grube aproksimacije toga”, dodaje Glatzmaier.
Stvari postaju još kompliciranije ako želite predvidjeti smjer magnetskog polja na nekom određenom mjestu na površini. Modeli Zemljinog geo-dinama to neće učiniti savršeno jer koncentrirana područja magnetskih stijena mogu utjecati na neko lokalno magnetsko polje stvarajući odstupanja u kojima se linije polja odmiču od vertikale sjever-jug. Zbog toga kompas u nekim dijelovima Kalifornije, ali i na mnogim drugim mjestima, neće pokazivati točno prema sjeveru.
Potrebni su golemi, opasni fizički modeli, ne samo digitalni
Možda nam treba realističniji model – fizički, a ne digitalni. Među takvim fizičkim modelima najimpresivniji je onaj koji predstavlja kugla tekućeg natrija na kojoj radi Daniel Lathrop na Sveučilištu Maryland.
Kao što će vam reći svaki učitelj kemije, natrij je metal kojim je vrlo teško rukovati, čak i u malim količinama. Zapalit će se ako dođe u kontakt s vlagom, ponekad se čak spontano pali u vlažnom zraku, zbog čega se u školskim kemijskim ormarima obično čuva potopljen u ulju.
A Lathrop se ne bavi malim količinama tog metala. On rotira kuglu natrija u nehrđajućem čeliku promjera tri metra. Cijela stvar teži čak 20 tona. U njezinom središtu nalazi se čvrsta metalna jezgra promjera jedan metar koja se može neovisno rotirati do 15 puta u sekundi. Generirano polje mjeri postrojenje sastavljeno od 31 magnetometra raspoređenog oko vanjske površine modela. Budući da je ova jezgra modela mnogo manja od Zemljine, Marylandov tim problem nastoji kompenzirati metalom koji ima veću provodljivost od željeza i bržu rotaciju: kada dosegne punu brzinu, kugla se okreće četiri puta u sekundi.
Podudaranje sa stvarnošću, ali i frustracije
Lathrop i njegov tim utvrdili su da će turbulentni protok tekućeg metala pojačavati i održavati magnetsko polje, što potvrđuje da se Larmorova geodinamička hipoteza doista podudara sa stvarnošću. Međutim, za sada ipak nisu uspjeli učiniti da se magnetsko polje pojavi spontano kako se pretpostavlja da se moralo dogoditi u ranoj povijesti Zemlje. Umjesto toga, koriste sjeme polja koje su sami kreirali, a ono se pojačava turbulencijama natrija. To obećava, no istovremeno i frustrira. Naime, tim ne uspijeva pokazati da Zemljino magnetsko polje jednostavno proizlazi iz samog okretanja vodljivog fluida, a ako nisu sigurni u valjanost modela, znanstvenici sferu ne mogu koristiti da predvide kada bi se polje moglo obrnuti.
Moguće je da Lathropovom eksperimentu nedostaje ključan sastojak. Naime, njegov tim uočio je slab protok u metalu za koji se čini da bi mogao biti uzrokovan precesijom. Precesija je vrsta dodatne rotacije koja se jasno vidi kod zvrka ako ga tijekom okretanja lagano pogurnemo na vrhu osi. On će se nastaviti okretati oko osi, no istovremeno će gornji vrh njegove osi polako opisivati kružnicu oko donje točke rotacije na površini podloge.
Zemljina jezgra svakako je podložna precesiji jer je povlači gravitacija Mjeseca dok kruži oko Sunca. Međutim, Lathropov model nema ugrađen eksplicitan mehanizam za stvaranje precesije.
Njemačka gradi golem, napredniji model Zemlje
Znanstvenici se stoga nadaju da bi nešto više mogli doznati u novom i poboljšanom projektu koji je trenutno u izgradnji u Dresdenu u Njemačkoj. Prošle godine istraživači u laboratoriju Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) izračunali su da bi rotiranje natrija na dvije osi trebalo spontano uključiti polje. Njihovi izračuni također su simulirali precesiju u kojoj Zemljina os rotacije od vertikale na svoju orbitalnu ravninu odstupa za 23,5 stupnjeva.
Praktična primjena ove ideje nije za plašljive. Ona će uključivati cilindar napunjen s osam tona tekućeg natrija. On će rotirati 10 puta u sekundi oko glavne osi i jednom u sekundi na malo pomaknutoj osi. Sigurnost je ovdje od najvećeg mogućeg značaja.
“Imamo zgradu posvećenu pokusima s tekućim natrijem, a postoji i druga zgrada unutar nje koja služi za kontejnment, odnosno osiguranje”, kaže André Giesecke iz HZDR-a.
“Tijekom eksperimenata u zgradi neće biti nikoga”, ističe.
Ova spektakularna istraživanja svakako su vrijedna truda. Bolje razumijevanje Zemljinog polja može spriječiti velike opasnosti. Ako uspijemo shvatiti kako naše magnetsko polje varira, mogli bismo poduzeti nešto kako bismo zaštitili svoje energetske mreže od solarnih oluja koje se mogu probiti kroz oslabljeno Zemljino polje ili spriječiti mogućnost da kozmičke zrake naštete ljudima.
U nekom krajnjem, distopijskom slučaju, moglo bi se dogoditi da potpuno izgubimo magnetsko polje, kao što se to dogodilo na Marsu prije četiri milijarde godina. To bi oslabilo Zemljino gravitacijsko zadržavanje atmosfere i na kraju naš dom učinilo nenastanjivim poput Crvenog planeta.
