Почему Земля не стала Марсом? (как геологи изучают историю магнитного поля Земли)
Исследования палеомагнетизма горных пород указывают на то, что твёрдое внутреннее ядро Земли сформировалось 550 миллионов лет назад и помогло удержать магнитное поле планеты от исчезновения. Это произошло как раз перед началом фанерозойской эры и первого её геологического периода — кембрия, совпав по времени с началом бурного развития современных форм жизни.
Планетологи задаются вопросом: как Марс, который в ранней геологической истории был похож на Землю, обладая магнитным полем, атмосферой, тёплым климатом, а, возможно, и жизнью, дошёл до сегодняшнего состояния каменной пустыни? Возможно, ключ к ответу находится на Земле, при условии, что мы ответим на обратный вопрос: почему Земля, наоборот, не повторила путь Марса? Тем более что предпосылки к «марсианскому» сценарию, оказывается, на Земле имелись.
На глубине 2900 км от поверхности Земли проходит граница её внешнего жидкого ядра из расплавленных металлов (в основном железа и никеля). Эта геооболочка ответственна за создание и поддержание магнитного поля Земли — естественной защиты от солнечного ветра и космического излучения. Однако 565 миллионов лет назад напряжённость магнитного поля уменьшилась до примерно 10 процентов от сегодняшнего его значения. Вероятно, история Земли в тот момент могла пойти по марсианскому сценарию, но что-то вмешалось: магнитное поле внезапно восстановилось до привычного уровня. Согласно новому исследованию магнитных свойств пород той геологической эпохи, восстановление магнитного поля произошло очень быстро на геологической шкале времени — в течение нескольких десятков миллионов лет. Оно совпало с периодом формирования внутреннего ядра Земли, и завершилось перед «Кембрийским взрывом» — началом фанерозойской эры и этапом бурного развития многоклеточных форм жизни в знакомой нам форме.
Упрощённая модель внутреннего строения Земли включает несколько оболочек, различающихся по составу и геофизическим свойствам. Верхний самый тонкий слой Земли — это земная кора, где и сосредоточена жизнь. Её толщина изменяется от 5 до примерно 70 километров (под океанами и под горными цепями континентов соответственно). Следующая самая крупная оболочка — это мантия. Наконец, внутренние области — это ядро, в котором выделяют внутреннюю твёрдую и внешнюю расплавленную часть. Магнитное поле Земли создаётся перемещением расплавленного и проводящего ток материала во внешнем ядре. В свою очередь источник такого движения — вращение планеты и высокая температура её внутренних слоёв. Совокупность всех этих факторов, поддерживающих магнитное поле, называют магнитным геодинамо. Это сложная динамическая система, в которой возможны, например, постоянный дрейф и спонтанная инверсия магнитных полюсов, что и наблюдается на Земле. Но механизмы работы геодинамо не до конца понятны; во всяком случае, они довольно сложны и оставляют множество вопросов. Прежде всего неясно, как такой механизм может сохраняться в течение миллиардов лет на Земле, но затухнуть на Марсе. Очевидно, для поддержания такого «волчка» из вращающихся слоёв расплавленного металла в ядре необходим источник энергии. Насколько мы теперь понимаем, запасов только тепловой энергии в расплавленном ядре для удовлетворительного объяснения длительной его работы не хватает. Один из правдоподобных механизмов, позволяющих «подтолкнуть» затухающее геодинамо — как раз начало кристаллизации твёрдого ядра из расплава. Кристаллизация в твёрдую фазу высвобождает скрытое тепло, которое и может стать дополнительным источником энергии.
Поскольку магнитное поле зависит от поведения ядра Земли, геофизики на протяжении десятилетий пробовали восстановить эволюцию как магнитного поля на Земле, так и его ядра. Известно, что магнитное поле существовало (почти) с момента формирования планеты; вероятно, жидкое ядро имеет сопоставимый возраст. Но твёрдое ядро — сравнительно недавнее приобретение: материал жидкого ядра начал кристаллизоваться в твёрдую фазу, как считается, порядка миллиарда лет назад. Исследовать магнитную историю Земли можно, изучая магнитные свойства определённых минералов, в своё время кристаллизовавшихся из магмы и выброшенных на поверхность. Во многих горных породах магматического происхождения содержатся частицы и минералы, которые сохранили намагниченность и направление магнитного поля на момент их кристаллизации из расплава. Исследование остаточной намагниченности вместе с радиометрической датировкой таких образцов позволяет сделать вывод о величине и даже направлении палеомагнитного поля.
Так, в образцах пород возрастом 560—580 миллионов давно заметили существенное ослабление их магнитных характеристик. Этот промежуток попадает на период в геологии, который называют эдиакарским (по местности в Австралии, где были впервые обнаружены окаменелости этой эпохи; полностью эдиакарский период «официально» простирается в интервале 635—541 миллионов лет). Он как раз предшествует кембрийскому, с которого принято отсчитывать эру фанерозоя, то есть «явной» жизни на Земле. Получается, что на протяжении где-то 50 миллионов лет перед «кембрийским взрывом» магнитное поле Земли было сильно ослаблено, более того, часто происходили его инверсии (в научной литературе есть оценки, согласно которым в определённые периоды это происходило несколько раз за миллион лет). Возможно, это и привело к первому известному массовому вымиранию — исчезновению «эдиакарской фауны», очень непохожей даже на кембрийские организмы. Осталось ответить на вопрос — насколько быстро поле восстановилось до современного значения и связать это восстановление с внутренними причинами, в частности, с процессами в ядре. Гипотеза о связи восстановления магнитного поля с началом кристаллизации внутреннего ядра верифицируема: если это так, то восстановление должно произойти за очень короткий геологический промежуток. Значит, необходимо найти свидетельства нормальной интенсивности поля в горных породах возрастом немного моложе позднего эдиакарского. Это и было недостающим звеном (конечно, далеко не единственным) в палеомагнитной летописи Земли, которое удалось найти.
В статье, вышедшей в июле 2022 года в Nature Communications, описываются основные результаты по палеомагнитным датировкам истории внутреннего ядра. Геофизики из университета Рочестера определили несколько ключевых дат, связанных с его развитием, включая более точное определение его возраста. Они исследовали магнитные свойства пород как раз нужного возраста, то есть конца эдиакария — начала кембрия. Порода представляет собой анортозит из гор Вичита в Оклахоме [порода магматического происхождения. В быту больше известна её разновидность — лабрадорит, который используют для облицовки зданий, например, она встречается на некоторых станциях метро в Москве и Санкт-Петербурге]. Использованный для датировок палеомагнитный минерал в ней — разновидность полевого шпата под названием плагиоклаз. Сам по себе он немагнитный, но в нём содержатся намагниченные вкрапления из оксида железа и титана; они и работают как игла древнего геологического компаса и делают его идеальным «устройством магнитной записи» геологической истории.
Магнитные свойства образцов исследовали при помощи CO2-лазера и высокоточного сверхпроводникового магнитометра с квантовой интерференцией (SQUID, superconducting quantum interference device). Геофизикам действительно удалось обнаружить, что магнитное поле в начале кембрийского периода восстановилось достаточно быстро после эдиакарского «провала». Это позволило также установить две важные даты в истории внутреннего ядра. Итак:
- 550 миллионов лет назад: магнитное поле начинает быстро восстанавливаться после практически полного угасания за 15 миллионов лет до этого. Исследователи связывают это событие с началом образования твёрдого внутреннего ядра: дополнительное тепло, выделяющиеся при кристаллизации из расплава, становится источником энергии, перезапустившем геомагнитное динамо во внешнем ядре.
- 450 миллионов лет назад: структура растущего внутреннего ядра изменяется, в нём появляется некоторая граница между внутренней и внешней частью. Эти изменения во внутреннем ядре по времени накладываются на изменения в структуре мантии, о которой можно судить по тектонике литосферных плит.
Описанный период — как раз время существования одного из древних суперконтинентов — Паннотии, то есть период, когда континентальные литосферные плиты были собраны на одном обширном участке на поверхности Земли. Геологи не сомневаются, что такие движения континентов являются прямым следствием конвективных процессов в мантии и ядре. Было бы заманчиво знать, как из конфигурации континентов в ту или иную геологическую эпоху можно извлечь сведения об эволюции внутренних геооболочек Земли. Но это очередная задача вида чёрного ящика, и такие реконструкции, хоть и популярны, на сегодня не дают однозначных выводов. Например, континенты собирались в суперконтинент несколько раз на протяжении истории Земли, в том числе и позже, уже в фанерозое — образовывались такие суперконтиненты, как Пангея, а несколько позже — Лаврентия и Гондвана (два последних образования грубо соответствуют современным континентам северного и южного полушария). Но пока мы не знаем, были ли какие-то глобальные изменения в ядре Земли, соответствующие именно этим событиям. Поэтому увязать образование внутреннего ядра, скажем, с формированием суперконтинента Паннотия в это же время — мысль интересная, но пока что в статусе довольно умозрительной гипотезы. Ещё более умозрительны попытки связать образование внутреннего ядра с «кембрийским взрывом», благодаря которому мы наблюдаем современное разнообразие видов, очень непохожих на эдиакарскую фауну, как на картинке выше. Допустим, эти два события совпали по времени, но глобальные изменения геомагнитного поля в этот период — наверняка важный, но тем не менее один из множества факторов геологической эволюции.
Понимание динамики роста внутреннего ядра Земли в связи с эволюцией магнитного поля необходимо не только для прояснения геологической истории Земли, но и ответа на вопрос, при каких условиях другие планеты, включая экзопланеты, могут сформировать своё магнитное поле и сохранить его, тем самым поддерживая устойчивые условия для развития жизни. Пример «неудачного» витка геологической эволюции — ближайшая каменная планета Марс. Как показывают данные, она обладала магнитным полем. Его следы проявляются в виде участков аномально высокой намагниченности в южном марсианском полушарии, породы которых, вероятно, сохранили «магнитный отпечаток» с тех времён. Исчезновение поля на Марсе привело к исчезновению не только атмосферы, но и океанов, если они там существовали: солнечный ветер рассеивал в открытый космос все летучие соединения, то есть и газы из атмосферы, и молекулы воды. Пока неизвестно, что бы случилось при исчезновении магнитного поля Земли, то есть повторила ли бы Земля в точности судьбу Марса. Но в любом случае без магнитного поля она потеряла бы значительно больше воды и стала гораздо более сухим местом и очень непохожей на привычную нам.
