Kratóny – kronika geologickej mladosti Zeme
Na juhu Afriky sa na rozlohe asi 1,2 milióna kilometrov štvorcových rozprestiera Kaapvaalský kratón – prastará kryha kontinentálnej litosféry (pevninskej kôry a s ňou súvisiacej hornej pevnej vrstvy plášťa), ktorá do veľkej miery odolala neskorším tektonickým procesom. Jedna z teórií predpokladá, že spolu s kratónom Pilbara v západnej Austrálii tvorili v období pred 3,6 až 2,5 miliardami rokov centrálnu oblasť prvého superkontinentu Vaalbara.
Kaapvaalský kratón, podobne ako 18 ďalších, zväčša menších prakratónov, je z geologického hľadiska unikátny, vytvárajú ho horniny z obdobia prahôr (archaikum). Z nich je možné dolovať informácie o vývoji našej planéty. Napríklad o charaktere geomagnetického poľa z dávnej minulosti Zeme.
Minerály s magnetickou pamäťou
Keď horúca magma chladne, či už pod povrchom, kde z nej vznikajú kryštalické horniny, alebo v podobe na povrch sa vylievajúcej lávy, pôvodcu vyvretých (magmatických) hornín, vytvárajú sa v nej kryštáliky rôznych minerálov. Tie, ktoré sú feromagnetické, teda schopné vlastnej magnetizácie, si dokážu „zapamätať“ smer a intenzitu magnetického poľa, ktoré na ne v dobe kryštalizácie pôsobilo. Umožňuje to vnútorná stavba pozostávajúca z miniatúrnych magnetických domén nanometrových rozmerov. Čím intenzívnejšie vonkajšie pole pôsobí, tým sa v jeho smere naorientuje magnetický moment väčšieho počtu týchto vnútorných „minimagnetov“. Bežný prírodný minerál, ktorý má vynikajúcu schopnosť si magnetickú informáciu uchovať je magnetit (podvojný oxid železa FeO•Fe2O3). Funguje ako starý typ magnetickej pásky so záznamom na báze oxidov železa. Podobnú, aj keď nie tak výraznú schopnosť majú aj niektoré ďalšie minerály s obsahom železa, niklu, prípadne kobaltu, napríklad bežne sa vyskytujúca tmavá sľuda biotit.
Z horniny, ktorá kryštáliky takýchto minerálov obsahuje, prípadne zo samotných vyseparovaných monominerálnych zrniek sa dá vydolovať údaj o intenzite a za istých podmienok aj o smere magnetického poľa Zeme v jej geologickej minulosti, v období chladnutia príslušnej horniny. Desaťročia zdokonaľovaná metodika, ale najmä čoraz presnejšie a citlivejšie laboratórne meracie prístroje – laboratórne magnetometre, dnes dokážu detegovať aj veľmi slabý záznam drobného kryštálu feromagnetického minerálu, prípadne vzorky horniny s nízkym obsahom takejto látky.
Medzinárodný tím vedcov a pár drobných kremenných zrniek
Práve moderný prístroj – magnetometer využívajúci na meranie extrémne slabých magnetických polí takzvané SQUID-y (superconducting quantum interference device), teda supravodivé kvantové intereferenčné elektronické prvky, umožnil desaťčlennému tímu geofyzikov, geológov a fyzikov z piatich krajín z rôznych kútov sveta zmerať doslova nezmerateľné. Vedci, pod vedením Johna Tarduna z Rochesterskej univerzity v americkom štáte New York, na dvoch uvážlivo vybraných lokalitách Kaapvaalského kratónu získali niekoľko vzoriek dacitu, čo je vulkanická hornina, vyvretý ekvivalent hlbinnej, tmavšej (bázickejšej) odrody žuly – granodioritu, prípadne kremenného dioritu.
Samozrejme, že nešlo o zber náhodných úlomkov na povrchu. Pretože ide o veľmi starú horninu, museli získať vzorky čo najmenej postihnuté povrchovým zvetrávaním, ukryté pred pôsobením bleskov, ktoré v mieste zásahu svojím intenzívnym pôsobením deštruujú horninový záznam dávneho geomagnetického poľa. Vedci teda vzorky odoberali z určitej hĺbky pevného masívu a aspoň niektoré museli zamerať pomocou kompasu, aby sa mohli aspoň pokúsiť určiť nielen veľkosť, ale aj smer pôvodného poľa a podľa toho približne stanoviť, v ktorých zemepisných šírkach hornina vznikala. Dôvod je jednoduchý a pochopíme ho, ak si uvedomíme, že dnešné pole je najslabšie v okolí magnetického rovníku (nezhoduje sa úplne s geografickým) – okolo 30 mikrotesla, a naopak, najsilnejšie je v oblasti magnetických pólov – viac ako 60 mikrotesla. A to je viac ako dvojnásobok! Ak aj v prahorách už existovalo dipólové celoplanetárne magnetické pole, jeho intenzita závisela aj od zemepisnej šírky.
Z odobraných vzoriek vyseparovali stovky drobných, 0,5 až 2 mm veľkých kryštálikov kremeňa a pomocou veľmi citlivých meraní hľadali medzi nimi tie, v ktorých sú uväznené miniatúrne (jednodoménové) zrniečka magnetitu s veľkosťou niekoľkých mikrometrov. Pôvodná (remanentná) magnetizácia väčších (multidoménových) magnetitových zŕn je totiž nestabilnejšia a viac podlieha následným zmenám napríklad pri tepelnom pôsobení slabých metamorfných procesov. Po komplikovanom „výberovom konaní“, prísnymi kritériami prešlo len 12 kremenných kryštálikov z jednej lokality a sedem z druhej. Zdĺhavými paleomagnetickými metódami sa pomocou už spomínaného SQUID magnetometru podarilo z miniatúrnych magnetitov zatavených v kremeni „prečítať“ údaje o intenzite vonkajšieho magnetického poľa, ktoré na ne v dobe chladnutia magmy pôsobilo. Podľa rôznych datovacích metód to bolo pred 3,45 miliardami rokov.
Mladá Zem mala slabé pole, ale fungujúce geomagnetické dynamo
K akým záverom výskum dospel? Podľa vzoriek z jednej lokality bola intenzita geomagnetického poľa v tejto pravekej dobe, pred asi 3,4 až 3,45 miliardami rokov, približne 48 % a podľa druhých vzoriek až asi 73 % dnešnej hodnoty (pre našu oblasť - SR, ČR - je to v súčasnosti medzi 48 až 49 mikrotesla).
Aj keď podľa týchto výsledkov mala mladá Zem v praveku pomerne slabé planetárne pole, i tak je zistená intenzita natoľko vysoká, že nie je možné jej pôvod vysvetliť len pomocou indukcie elektrickými prúdmi, ktoré vznikali interakciou slnečného vetra s atmosférou. Jediným dostatočným zdrojom mohlo byť len fungujúce vnútorné geomagnetické dynamo. Snáď sa v najbližšej dobe na Oslovi objaví podrobnejší článok na túto tému, zatiaľ len stručne: hlavná (viac ako 90%) dipólová zložka súčasného geomagnetického poľa sa vytvára v jadre našej planéty. Vnútorné jadierko je tuhé, ale vonkajšie jadro predstavuje 2 260 km mohutnú vrstvu hustej, nepredstaviteľne žeravej taveniny, tvorenej prevažne niklom a železom. Má síce hustotu 10 až 12 g/cm3, ale tlak asi 140 GPa nestačí, aby pri teplotách medzi asi 4 500 až 6 000 °C udržal túto hmotu v pevnom stave.
Vonkajšie jadro je teda kvapalné, čo je jedným z kľúčových faktorov pre vývoj a existenciu života „pozemského“ typu na ľubovoľnej obývateľnej planéte. Práve rôzne prúdenie vodivej kovovej taveniny, v ktorom vďaka veľkému tepelnému gradientu dominuje vzostupná (konvektívna) cirkulácia, dopĺňaná rotáciou a na to pôsobiacou Coriolisovou silou, udržujú magnetické pole planéty. Podobne ako točiace sa dynamo vytvára elektrický prúd, tu pohybujúci sa náboj generuje magnetické pole.
Vďaka fungujúcemu geodynamu Zem nastavuje prúdom vysokoenergetických nabitých častíc slnečného vetra a kozmického žiarenia magnetický ochranný štít. Ten sa však musel vytvoriť. Otázkou je, kedy. Kedy začalo fungovať geodynamo? Podľa modelu chladnutia planéty to bolo niekedy pred 3,4 až 4 miliardami rokov. A práve výsledky výskumu Tardunovho tímu poskytujú jeden z prvých experimentálnych, nielen čisto teoretických údajov. Pre objektívnosť je potrebné pripomenúť, že aj keď tieto výsledky sú zaujímavé a nielen médiá ich prezentujú ako jednoznačný fakt, je nevyhnutné ich potvrdiť ďalšími nezávislými štúdiami. Rekonštrukcia tak veľmi dávnej geologickej histórie je nadmieru zložitá a ukrýva veľký stupeň neistoty daný procesmi, ktoré na merané horninové vzorky počas takmer 3,5 miliardy rokov vplývali.
Pravek: pomerne slabé geomagnetické pole, silný slnečný vietor, intenzívne polárne žiare
Vedci sa nezastavili len pri výsledku, že pred 3,45 miliardami rokov už existovalo geomagnetické dynamo vytvárajúce celoplanetárne dipólové pole asi o polovicu slabšie, než je to dnešné, ale svoju prácu doplnili o výpočty jeho vplyvu. Z teoretických modelov vývoja našej hviezdy vzali do úvahy predpoklad, že v skúmanej minulosti bola priemerná intenzita slnečného vetra (teda intenzita prúdov nabitých častíc, letiacich niekoľko sto kilometrovou rýchlosťou zo Slnka neustále na všetky strany) asi stonásobne väčšia, než je dnes. Tento údaj dosadili do rovníc spolu s hodnotou nameraného geomagnetického poľa a zistili, že magnetopauza bola v porovnaní so súčasnosťou o polovicu k Zemi bližšie.
Pre vysvetlenie, magnetopauza je hranica oblasti okolo Zeme, kde je slnečný vietor výrazne odchyľovaný magnetickým poľom. Na tejto pomyselnej hranici sa tlak magnetického poľa Zeme (hustota mag. energie) vyrovnáva s tlakom medziplanetárnej plazmy (najmä slnečného vetra). Tardunov tím vypočítal, že pred 3,45 miliardami rokov bola magnetopauza vo vzdialenosti asi 5 zemských polomerov. V súčasnosti je to dvakrát viac – 10 až 10,7 polomerov Zeme.
Znamená to, že mladá planéta mala výrazne slabší ochranný magnetický štít, čo umožňovalo mnohonásobne silnejšiemu slnečnému vetru prenikať do vrstiev atmosféry a devastovať ju, „odvievať“ jej časť s množstvom vodnej pary do medziplanetárneho priestoru. Polárne žiare boli v tej dobe oveľa intenzívnejšie a bežne viditeľné počas nocí bez magnetických búrok aj v našich zemepisných šírkach. Ale i tak slabé pole spolu s atmosférou poskytovalo ochranu prvým, tým najjednoduchším formám pozemského života, ktoré podľa našich súčasných znalostí osídľovali planétu už 100 miliónov rokov po dramatickom období „veľkého bombardovania“, útočiaceho na planéty mladej Slnečnej sústavy pred 4,1 až 3,8 miliardami rokov.
Zdroje: University of Rochester, Science 327, 1238 (2010) DOI: 10.1126/science.1183445
Diskuze:
