Umělé zemské dynamo

Země má magnetické pole, které je pravděpodobně vytvářeno rotací kovového zemského jádra. O tomhle už asi slyšel každý školák, ale pozornějšího čtenáře zaujme slovíčko „pravděpodobně“. Ve skutečnosti nevíme, jak zemské magnetické pole vzniká ani co ho udržuje. Jenom se domníváme, že za to může jev podobný principu dynama odehrávající se v nitru naší planety. Jedním ze způsobů, jak to ověřit, je postavit si model zemského jádra v laboratoři.

Co se děje tam hluboko pod námi

Planeta Země má rovníkový poloměr 6370 kilometrů, což nám zabraňuje přímo zjistit, co se nachází v jejím středu. I ty nejhlubší vrty zatím nepronikly hlouběji než 12 kilometrů pod povrch, takže na složení zemského nitra musíme usuzovat nepřímo – například ze šíření seismických vln. Tímto způsobem jsme zjistili, že zemské jádro má průměr okolo 3500 kilometrů, skládá se převážně ze železa s malou příměsí niklu a má dvě vrstvy. Vnější je tekutá, ale vnitřní jádro je díky vysokým tlakům pevné.

Země se navenek také projevuje magnetickým polem. To je velice užitečná věc, protože nás chrání před kosmickým zářením a umožňuje tak existenci života. Něco ho ovšem tam dole musí vytvářet – kdyby se proces tvorby magnetického pole zastavil, pole by během 20 000 let zaniklo. Předpokládá se, že generátorem magnetického pole je právě rotující jádro – pevná složka pravděpodobně rotuje jinou rychlostí než tekutá.

Koule plná sodíku

Každá teorie se musí ověřit v praxi. Aby pochopili způsob, jakým Země vytváří magnetické pole, sestrojili vědci v laboratořích University of Maryland, College Park model zemského jádra. Projekt běží již 10 let, stál 2 miliony USD a jeho výsledkem je třímetrová žebrovaná koule, která vypadá jak cosi, co přilétlo na Zem z kosmu. Stroj tvoří dvě do sebe vložené koule. Vnitřní o průměru 1 metr je železná a napodobuje pevné zemské jádro. Obklopuje ji dutá koule o průměru 3 metrů, která je naplněna tekutým sodíkem o teplotě kolem 105°C a představuje vnější tekuté zemské jádro. Koule mohou rotovat nezávisle na sobě, vnější maximální rychlostí 4 otáčky za minutu a vnitřní rychlostí až 12 otáček za minutu.

Zemské magnetické pole by mělo zafungovat jako „startovací“. V roztočeném tekutém sodíku by se mělo deformovat a vytvářet elektrický proud, který by měl indukovat vlastní pole a při správném nastavení by měla tato zpětná vazba vést ke vzniku magnetického pole, které připomíná to pozemské. Nikdo ovšem netuší, jestli to bude opravdu fungovat, protože, jak říká vedoucí laboratoře Daniel Lathrop, „na toto nastavení parametrů neexistují ani teorie, ani experimenty.“

Bude magnetické pole?

Experiment Lathropova týmu není první svého druhu. Ve francouzském Cadarache bylo ve spolupráci École Normale Supérieure Institutes v Paříži a Lyonu a The French Atomic Energy Commission v Saclay postaveno menší zařízení, ve kterém kovový disk rotoval ve válci naplněném sodíkem. V roce 1997 popsali jeho konstruktéři vznik magnetického pole s některými vlastnostmi podobnými zemskému poli. Jiné skupiny se pokoušely uspořádáním experimentu více napodobovat podmínky v zemském jádru, ale samoudržující se dynamo se jim vytvořit nepodařilo. V University of Wisconsin–Madison to byla nerotující koule o metrovém průměru, ve které pohyb sodíku vytvářely trysky. Skupina v Grenoblu provozovala kovovou kuličku rotující v kouli se sodíkem o průměru 40 cm. V rámci pokusů byla objevena celá řada zajímavých vlastností pohybujících se vodivých kapalin, ale nikoliv princip, na kterém Země vytváří magnetické pole. I Lathropova skupina má za sebou tři menší, neúspěšné pokusy, ale doufá, že s dostatečně velkým zařízením už bude slavit úspěch.

Přepólování se blíží

O objasnění vzniku zemského dynama se pokoušejí i teoretikové. Velice věrohodný je Glatzmaier‑Robertsův model, který nejenom vypočítává pole velmi podobné skutečnému, ale dokáže předvést i přepólování – jev, ke kterému dochází zhruba každých 250 000 let a při němž si severní a jižní pól prohodí místa. Tato událost má momentálně drobné zpoždění – naposledy k ní došlo před 780 000 lety. Za posledních 100 let zemské magnetické pole zesláblo o 10 procent, z čehož někteří usuzují, že se další přepólování blíží. I proto by bylo dobré vědět, jaké mechanismy v zemském jádru náš ochranný magnetický štít produkují.

Weby:

http://www.nature.com/news/dynamo‑maker‑ready‑to‑roll‑1.9582
http://complex.umd.edu/research_nonlinear_lab.html
http://www.pbs.org/wgbh/nova/earth/when‑our‑magnetic‑field‑flips.html