Dagmara Bożek: Całkiem niedawno przeprowadziłeś webinarium „Dynamiczna historia naszej planety”, który cieszył się ogromnym zainteresowaniem. W związku z tym myślę, że warto ten temat kontynuować i porozmawiać o początkach naszej planety. Gdybyśmy mieli porównać Ziemię do innych planet Układu Słonecznego to..?

Dr hab. Krzysztof Mizerski: Nasza planeta pod pewnymi względami jest wyjątkowa, ale też pod wieloma innymi jest podobna do pozostałych skalnych planet. Planet Układu Słonecznego jest osiem, odkąd zdegradowano biednego Plutona. Te z kolei dzielą się na planety skalne, które są bliżej Słońca, i gazowe giganty, czyli Jowisz, Saturn, Uran i Neptun. Pomiędzy tymi dwiema grupami różnice są istotne. Natomiast planety skalne są do siebie bardzo podobne. Wszystkie planety mają skalny płaszcz na górze, jest on bardzo gruby i liczy kilka tysięcy kilometrów. W środku zaś znajduje się jądro, które składa się z żelaza i niklu. To pierwotne pierwiastki, które były dostępne w momencie formowania się planet. Różnice dotyczą szczegółów, które pojawiły się już na etapie ewolucji planet. Mogą to być jakieś szczególne zdarzenia, które dotyczą poszczególnych planet lub sama wielkość planety. Wielkość jądra gra bardzo dużą rolę, chociażby dla dynamiki pola magnetycznego danej planety. To, czy będzie konwekcja w płaszczu Ziemi, czyli czy będzie tektonika, to również ma wpływ na natężenie planetarnego pola magnetycznego. Przykładowo Merkury tektoniki prawdopodobnie nie miał, Mars nie wiadomo, ale zapewne też nie, chociaż zdjęcia satelitarne są niejednoznaczne. Księżyc na pewno nie miał. Wielkość bardzo wpływa na to, jak szybko stygnie planeta. Stygnięcie jest związane ze strumieniem ciepła, które całą tę dynamikę napędza. Kolejna kwestia to objętość, czyli promień do trzeciej. Mars ma promień mniej więcej dwa razy mniejszy niż Ziemia, to znaczy, że prawie osiem razy mniejszą objętość, czyli wystygł o wiele, wiele szybciej. Tak samo Księżyc, który jest jeszcze mniejszy.

D.B.: Na podstawie tego, co powiedziałeś, można stwierdzić, że nasza planeta jest unikatowa w Układzie Słonecznym.

SŁUCHAJ TEŻ NA SPOTIFY >>>

K.M.: Ta unikatowość wynika ze szczegółów, które wcześniej wymieniłem. Ziemia ma bardzo żywy strumień ciepła, była podgrzana przez zderzenie z Theią. Nawiasem mówiąc Theia to mitologiczna nazwa, oznaczająca matkę Księżyca. Ona spowodowała jego powstanie, ale też rozgrzanie naszej planety. Z kolei konwekcja płaszczowa jest w naszym przypadku bardzo ważna przy odbieraniu ciepła z powierzchni jądro–płaszcz, dzięki czemu konwekcja w jądrze może być bardzo żywa. Krystalizacja jądra stałego, które zaczęło się formować jakiś miliard lat temu, bardzo efektywnie napędza konwekcję w jądrze płynnym, która generuje pole geomagnetyczne. Ale to nie jest unikatowe, ponieważ przez taką fazę każda planeta musi przejść. Teraz czerpiemy z tego korzyści, bo pole jest żywe. Rotacja jest szybka i to ma także istotny wpływ na pole magnetyczne. Dla nas jest ono szczególnie ważne, bo chroni nas przed oddziaływaniem wiatru słonecznego. Tak więc są elementy, które świadczą o unikatowości naszej planety, co jest zdecydowanie pozytywne.

D.B.: Warto o tym pamiętać. Rozmawiamy o tym, jakby to się wydarzyło w stosunkowo krótkim czasie, ale nie można zapomnieć, że mamy do czynienia z milionami lat. Skoro zaczęliśmy od dynamicznych procesów, porozmawiajmy o jądrze Ziemi. Jest ono cały czas aktywne i to świadczy między innymi o unikatowości naszej planety.

K.M.: Jądro ziemskie składa się z dwóch części: jądra płynnego, które ma grubość około 2 300 km, i części stałej, czyli jądra wewnętrznego. Jest to kula z żelaza i niklu o promieniu około 1 000 km. Co stworzyło taką strukturę? Jest to bardzo prosty proces, czyli dyferencjacja grawitacyjna – cięższa materia idzie na dół, a lżejsza do góry. Dlatego cięższe żelazo i nikiel schodzą na dół i wytwarza się jądro, które się separuje od skalnego płaszcza, bo ten składa się z lżejszych pierwiastków. To jest dość szybki proces, ale oczywiście w skali czasowej, o której wspomnieliśmy, czyli około 100 milionów lat. Jeśli chodzi o jądro wewnętrzne, to warto powiedzieć o nim kilka ciekawostek. Ma ono anizotropię. Gdyby kogoś akurat interesowało pole magnetyczne, to jądro wewnętrzne, pośrednio, odgrywa ważną rolę w jego tworzeniu. Jego krystalizacja napędza te ruchy w jądrze płynnym. Ono samo się dodatkowo namagnesowuje, ale ten fakt specjalnej roli tutaj nie odgrywa. Za to dynamika jądra stałego jest ciekawa. Wykazuje ono anizotropię zarówno na kierunku wschód–zachód, jak i północ–południe, co udało się zidentyfikować dzięki różnym czasom przejścia silnych fal sejsmicznych, wywoływanych na przykład przez trzęsienia ziemi czy wybuchy wulkanu. Przy takich silnych źródłach przechodzą one przez całą Ziemię, dochodzą do jądra, wracają na powierzchnię i można je rejestrować. Takie fale były mierzone już od początku lat 80. Znany polski geofizyk Adam Marian Dziewoński odkrył, że jądro rotuje odrobinę szybciej niż płaszcz. Tak mniej więcej jeden stopień na rok. Ma to pewien wpływ na dynamikę jądra płynnego. Oprócz tego występuje ruch oscylacyjny jądra wewnętrznego. Jest to rodzaj konwekcji, tylko dla całego jądra. Ono się przesuwa powiedzmy w płaszczyźnie równikowej na osi wschód–zachód. Wiadomo, że jest to też ruch, który generuje fale w jądrze płynnym. I tak możemy przejść, nomen omen, płynnie do fal w jądrze płynnym. Podstawowe mody drgań jądra zewnętrznego, mody falowe, które się tam rozchodzą, to są fale torsyjne, tak zwane fale Rossby’ego i fale MAC od Magnetic-Archimedes-Coriolis. Do tworzenia się tych fal są potrzebne trzy siły: siła Lorentza, czyli siła magnetyczna, wynikająca z istnienia pola magnetycznego; siła Archimedesa, czyli siła wyporu, która generuje konwekcję; siła Coriolisa, czyli siła bezwładności, która wynika z tego, że planeta rotuje. Z obecności tych trzech sił generują się fale, które rozchodzą się w jądrze. Zacząłem od nich, ponieważ uważa się, że fale MAC to mody własne jądra, które są najbardziej efektywne przy generacji pola magnetycznego. Oddziaływania tych fal generują siłę elektromotoryczną, która następnie generuje pole magnetyczne. Jest to również związane z drobnoskalowymi turbulentnymi zjawiskami, wirami drobnoskalowymi. Turbulencja charakteryzuje się tym, że wiry są we wszystkich skalach. Jeżeli przepływ jest chaotyczny, turbulentny, to zarówno powstają duże wiry – takie duże konwekcyjne komórki – jak i wiry drobnoskalowe, gdzie zachodzi dyssypacja lepka. Ponieważ lepkość jest mała, to dyssypacja lepka zachodzi dopiero w tych bardzo małych skalach. Turbulencja jest bardzo skomplikowana w opisie. Można jednak pokazać na równaniach, że te drobnoskalowe efekty potrafią się złożyć na wielkoskalowy prąd generowany siłą elektromotoryczną, który wywołuje nasze pole magnetyczne. To jest tak zwany efekt a. Drugi efekt nazywany jest efektem W. Jest on dużo prostszy do wyobrażenia. W skrócie mówiąc, linie pola magnetycznego zachowują się jak rozciągliwe nitki, które się rzuci na płyn. Przepływ unosi je, rozciąga, wygina. To wyginanie powoduje też przepływ prądów elektrycznych. Prędkość kątowa w jądrze zależy od głębokości. Wyobraźmy sobie takie pole południkowe, inaczej poloidalne – będzie ono rozciągane przez niejednorodne wirowanie płynnego żelaza na kierunku toroidalnym, czyli równoleżnikowym. W związku z tym z pola poloidalnego będzie się tworzyć pole toroidalne. To jest jeden z tych bardzo potrzebnych mechanizmów, żeby dynamo operowało efektywnie. A drugi to wspomniany turbulentny efekt a, żeby odtworzyć z pola równoleżnikowego południkowe. Wspomnę jeszcze o falach Rossby’ego. Są one obserwowane nie tylko w jądrze, ale nawet w atmosferze ziemskiej. Jest to dość klasyczny mod falowy. Do niego jest potrzebna krzywizna brzegu, to że ta powierzchnia jądro–płaszcz jest sferyczna i kierunek osi rotacji względem niej jest zmienny, tzn. zależny od szerokości geograficznej. Jeżeli byśmy szli od równika do bieguna, to płaszczyzna styczna od powierzchni jądro-płaszcz będzie pod ciągle innym kątem do osi rotacji. Czyli to efekt Coriolisa razem z krzywizną brzegu generują fale Rossby’ego. Mody torsyjne można z kolei sobie wyobrazić jako taki cylinder okalający jądro wewnętrzne, ale o osi równoległej do osi rotacji Ziemi. Takie cylindry oscylują względem siebie w taki sposób, że rotują wokół własnej osi. Jeden rotuje w jedną stronę, pociąga za sobą już dalszy, potem siła zwrotna, to jest siła Lorentza w tym wypadku, zawraca go i w ten sposób taka fala rozchodzi się od jądra stałego do granicy jądro–płaszcz. To jest właśnie tak zwana fala torsyjna. Można sobie wyobrazić, skąd taka nazwa. Siła zwrotna to siła Lorentza i to jest typ fal Alfvéna. Z interakcji tych fal wiele wynika. Jednak nasze obserwacje pola magnetycznego trwają od około 120 lat, a bardziej szczegółowe dane otrzymujemy od jakichś 60 lat. Jesteśmy przez to bardzo limitowani, bo okresy tych fal, na przykład Rossby’ego, mogą wynosić 25 lat, ale w przypadku fal MAC to może być 60, kilkaset, a nawet jeszcze więcej lat. Dlatego nie obserwujemy całego okresu wielu z nich i musimy poczekać jeszcze kilkaset lat, żeby te fale dobrze zarejestrować. Ale część z nich się udaje badać.

D.B.: Chciałabym wrócić do tematu dynamiki planety, bo o ziemskim polu magnetycznym jeszcze będziemy rozmawiać. O dyferencjacji grawitacyjnej już mówiliśmy, ale jeszcze nie wybrzmiał temat stygnięcia planety. Co spowodowało ten proces i co dzięki niemu możemy obserwować?

K.M.: Proces stygnięcia, po zjawisku dyferencjacji grawitacyjnej, jest najważniejszy w kontekście żywotności naszej planety. Z niego wynikają wszystkie ruchy. Kiedy Ziemia powstała, była w miarę jednorodną kulą o mniej więcej stałej temperaturze. Jak zaczęła stygnąć, ten proces zaczął się od zewnątrz. Wytworzył się gradient temperatury – w środku było gorąco, na zewnątrz chłodniej. Na początku bardziej schłodziła się sama powierzchnia, w związku z czym od początku ten gradient nie był jednorodny i ustalał się dyfuzyjnie. Po upływie miliardów lat jest on już dobrze ustalony. Kiedy jest gradient temperatury, występuje też przepływ ciepła, a z prawa Fouriera strumień ciepła jest proporcjonalny do gradientu temperatury. Jest to przybliżenie, tzn. zależność od gradientu temperatury mogłaby być w ogólności nieliniowa, jednak najważniejszy jest sam fakt, że gradienty temperatury, czyli strumień ciepła, napędzają również konwekcję i ruchy konwekcyjne. Zarówno konwekcję w jądrze, jak i konwekcję płaszczową, którą widzimy jako tektonikę płyt. Te powolne ruchy w skałach powodują ciągnięcie płyt litosferycznych na powierzchni, ich zderzanie. Czasem z tych zderzeń powstają olbrzymie konglomeraty, czyli superkontynenty, takie jak Rodinia, czy Pangea, które znamy z przeszłości. Cykl superkontynentalny jest bardzo ciekawym zagadnieniem, który można oszacować na około 500 milionów lat. Oczywiście przerwy pomiędzy superkontynentami mogą być dłuższe. Cykl ten wynika z konwekcji płaszczowej. Prądy wstępujące w płaszczu po pewnym czasie rozrywają takie superkontynenty i płyty litosferyczne się rozchodzą. Obecnie można zaobserwować tego typu zjawiska – np. wschodnia część Afryki odrywa się od reszty kontynentu. Warto też nadmienić, że w obszarach ryftowych, na dnach oceanów, gdzie płyty się rozchodzą i wylewa się magma, podczas jej stygnięcia w skałach zapisuje się aktualny kierunek i wartość pola geomagnetycznego, a zatem zapisują się inwersje biegunów. To jest dość znany fakt. Wiemy, że kiedy odkłada się nowa warstwa, która akurat ma tę własność, że zapisuje w sobie kierunek pola magnetycznego, to kiedy później ten kierunek się zmieni, widać to w tych skałach. Można też oszacować wiek, ile trwała dana polarność. Jeżeli mamy tak zwany superchron, czyli okres stabilnej biegunowości pola magnetycznego, znaczy to, że jądro Ziemi ma mniej energii. Jak jest mniej energii, to turbulencja nie jest aż taka żywa. Natomiast jeśli jest dużo inwersji, konwekcja jest dynamiczna. Teraz, czyli od około 700 000 lat, jest bardzo żywa.

D.B.: Mam kolejne pytanie, tym razem dotyczące superkontynentów. Czy era tworzenia się takich konglomeratów jest przed nami, czy bardziej Ziemię czeka „kawałkowanie” na mniejsze części lądów?

K.M.: Na pewno jeszcze jakieś superkontynenty powstaną. Nie wydarzy się to szybko i na pewno nie za naszego życia. Jeżeli Pangea powstała 200 milionów lat temu i wtedy powoli zaczęła się rozpadać, to i tak jeszcze jakieś 300 milionów lat przed nami. Na razie kontynenty się rozeszły, więc zanim się zejdą, zajmie im to sporo czasu. Mało tego, Ocean Atlantycki również się rozszerza. Jeszcze przez długi czas kontynenty będą rozsiane po planecie. Nie jest to takie złe, ponieważ strumień ciepła nie będzie blokowany. Konglomerat kontynentalny oznacza, że blokowany jest pod nim strumień ciepła i ma to wpływ na dynamikę jądra Ziemi i może destabilizować pole geomagnetyczne. Dla nas nie ma to większego znaczenia, bo jako gatunek istniejemy 2 miliony lat i jesteśmy drobiazgiem w ewolucji Ziemi. Kiedy mówimy o skali miliarda lat, nikt nie jest w stanie przewidzieć, co stanie się z ludzkością.

D.B.: Ale przynajmniej możemy tworzyć scenariusze, co mogłoby się wydarzyć. Świetnie wyjaśniłeś, w jaki sposób powstaje ziemskie pole magnetyczne. Odniosę się do tego zagadnienia i zapytam, jaki jest wpływ pola magnetycznego na powstanie życia na Ziemi. Wiemy, że pełni ono funkcję ochronną.

K.M.: Na ile mi wiadomo, silne pole magnetyczne wpływa na stadium embrionalne. Stąd unika się zbyt silnych rezonansów magnetycznych ze względu na negatywny wpływ na zdrowie. Wpływ pola magnetycznego na życie istnieje. Natomiast jeśli chodzi o takie pole magnetyczne jak ziemskie, to ono jest na tyle słabe, że nie ma się co spodziewać, aby jego wpływ w tej kwestii był istotny. Najistotniejszą rzeczą raczej jest to, że powstanie tego pola chroni nas przed wiatrem słonecznym. On rozdziela się na protony i elektrony; protony pędzą z jednej strony, elektrony z drugiej, gdyż w polu magnetycznym siła Lorentza zakrzywia ich tor w dwie różne strony, gdyż mają przeciwne ładunki elektryczne. Więc jak proton ma ładunek dodatni, to odchyli się w jedną stronę, a elektron z ładunkiem ujemnym odchyli się w drugą stronę. Dzięki temu nie uderzają w Ziemię, tylko się rozchodzą na boki. Oczywiście część z nich dociera i powstają zorze polarne, bo wzbudzane są atomy atmosfery. Jest sporo prac naukowych, których autorzy hipotetyzują, że gdy jądro zaczęło powstawać miliard lat temu, tuż przed erą paleozoiczną, czyli w okresie ediakarskim, a mechanizm termiczny napędzania konwekcji stał się na tyle nieefektywny, że już nasze pole magnetyczne praktycznie wygasło, pojawił się wtedy mechanizm składnikowy, kompozycyjny, polegający na tym, że jak jądro krystalizuje, to ciężkie żelazo się tam osadza, a siarka jako lżejszy pierwiastek idzie do góry. W związku z tym taki mechanizm jako bardziej efektywny zaczął napędzać konwekcję i pole odbudowało się jeszcze silniejsze, niż było kiedykolwiek. Może ma to wpływ na powstanie życia na Ziemi, bo działo się to w okresie, kiedy pojawiły się pierwsze kręgowce. Korelacja jest, ale ona oczywiście niczego nie dowodzi. Może to być jakiś trop, który wymaga dalszych badań. Być może dzięki powstaniu jądra wewnętrznego zawdzięczamy nasze istnienie.

D.B.: Bardzo ładna puenta tej części rozmowy. Wspominałeś o różnicach między Ziemią a innymi planetami Układu Słonecznego. Skoro więc pojawił się temat pola magnetycznego, warto porozmawiać, jak to wygląda na innych planetach. Planetą, która nas szczególnie interesuje z punktu widzenia eksploracyjnego, jest Mars. Czy jego pole magnetyczne jest wystarczająco zbadane?

K.M.: Uważa się, że pole magnetyczne Marsa jest reliktowe. Planeta wystygła, co nie oznacza, że w ogóle nie ma płynnego jądra, ale wystarczy, że konwekcja, o ile jest, to jest na tyle słaba, że nie generuje już żadnego pola magnetycznego. Przy okazji powiem, że aby wygenerować pole magnetyczne, nie wystarczy przepływ samego płynu przewodzącego prąd elektryczny, ale przepływ musi być wystarczająco silny. Wtedy wyginanie i unoszenie linii pola przez przepływ jest znacznie silniejsze, niż dyfuzja magnetyczna wynikająca z oporności ohmowej. Jeżeli faktycznie to wyginanie i rozciąganie dominują nad dyfuzją, czyli nad stratami ohmowymi, to wtedy dopiero możemy myśleć o dynamie magnetycznym. Jeżeli konwekcja nie jest wystarczająco efektywna, to nie powstanie pole magnetyczne. Na Marsie prawie już na pewno tak jest. Byłoby bardzo zaskakujące, gdyby na przykład Mars był w trakcie inwersji biegunów. Wtedy pole jest słabe, na Ziemi też. Potencjalnie mogłoby tak być. Inwersja trwa tysiące lat, my zaś Marsa obserwujemy od kilkudziesięciu lat, więc nie wiemy na pewno. Niemniej byłoby to zaskakujące ze względu na rozmiar Marsa, który już powinien wystygnąć. Ale jednocześnie Merkury, który jest jeszcze mniejszy, ma pole magnetyczne, choć słabe. Niektórzy hipotetyzują, że Mars tylko odwraca swoje pole, co oczywiście może działać na wyobraźnię. Reliktowość pola magnetycznego na Marsie oznacza, że tylko niektóre skały są namagnesowane. Sporo na ten temat wiadomo, dzięki pomiarom wykonanym przez sondy – i tu mamy główny argument przeciw hipotetycznej inwersji na Marsie: podczas inwersji słabe pole jest dynamicznie zmienne, ale reliktowe pole na Marsie się nie zmienia. Innym ciekawym pytaniem dotyczącym Marsa jest to dotyczące tektoniki – czy była, czy nie. Nie jest proste, aby to ustalić. Można by pomierzyć pole grawimetryczne, aby zidentyfikować strefy subdukcji. Ale żeby to zrobić, trzeba być na miejscu albo wysłać łaziki z grawimetrami. To jest jeszcze przed nami. Pod względem kwestii wystygnięcia Księżyc jest podobny do Marsa. Jeśli chodzi o dynamikę, to jego jądro jest już stałe.

D.B.: Szkoda, że nasza podróż do wnętrza planet już powoli dobiega końca. Chciałam na koniec zapytać o kwestię, która jest dość żywa w opinii publicznej – czy bać się przebiegunowania Ziemi?

K.M.: Bardzo należy się bać, to już nadchodzi. (śmiech) A już na poważnie, to, co trzeba w pierwszej kolejności podkreślić, to, że nie jesteśmy w stanie tego przewidzieć. Ani rozważania teoretyczne, ani symulacje numeryczne, nie dają nam pełnej odpowiedzi, mimo że w modelach udaje się uzyskiwać wiele cech dynamiki ziemskiego pola magnetycznego. Możemy mówić o tak zwanych wycieczkach, czyli o słabnięciu pola magnetycznego, bez zmieniania biegunowości. Mogą być silne wycieczki, gdy siła pola magnetycznego spada prawie do zera, ale potem się to odbudowuje. Mogą być też oczywiście takie wycieczki, które w efekcie prowadzą do przebiegunowania i wtedy mówimy o inwersji. Wszystkie te elementy są obecne w dynamice, obserwujemy zarówno słabe, jak i silne wycieczki. Nie da się przewidzieć, czy dane osłabienie będzie tylko słabą wycieczką, silniejszą czy wreszcie – inwersją. Teraz aktualnie jesteśmy w bardzo bezpiecznej sytuacji. Oczywiście są różne badania na ten temat, które próbują wyjaśnić ten proces, w jaki sposób można próbować przewidzieć inwersję, ale niestety jesteśmy warunkowani tym, że te procesy te są bardzo powolne. A do tego są turbulentne, co oznacza, że dynamika jest bardzo nieliniowa i wieloskalowa, a to jest bardzo trudne do opisu. Te ograniczenia powodują, że moce komputerowe, nawet jeśli wyobrazimy sobie olbrzymie klastry, są niewystarczające do odtworzenia dynamiki dla rzeczywistych parametrów ziemskich. Potrzebne by było kilkadziesiąt lat, na wykonanie symulacji krótkiego okresu historii Ziemi. Nikt oczywiście nie zapuści takiej symulacji, bo za kilka lat technologia się zmieni i to nie będzie miało sensu. Czekamy na komputery kwantowe, bo to z pewnością dużo wniesie. Jak wspomniałem, istotnym ograniczeniem jest to, że ewolucja jest powolna i zanim będziemy wiedzieć, jaki parametr należy mierzyć, czy wyznaczać, będziemy musieli poczekać, aby połączyć symulację z obserwacjami. Dopiero wtedy będzie można cokolwiek przewidywać, ale na to potrzeba co najmniej parę dziesiątek lat pomiarów.

D.B.: Tak więc, drodzy państwo, możemy spać spokojnie. Bardzo dziękuję za rozmowę!