Земля надзвичайно щаслива в планетарному сенсі: її глобальне магнітне поле захищає атмосферу та живі організми від згубного впливу заряджених частинок із космосу. Без цього щита планета була б схожа на Марс, де космічна радіація безперешкодно атакує поверхню. Тривалий час вчені пояснювали це явище динамо-теорією: у розплавленому зовнішньому ядрі Землі циркулюють потужні конвекційні потоки розігрітого металу, які завдяки обертанню планети набувають гвинтоподібної форми та створюють електричні струми — джерело магнітного поля.
Однак ця теорія мала суттєвий недолік. На ранніх етапах своєї історії Земля не мала затверділого внутрішнього ядра — воно сформувалося лише близько мільярда років тому. Без додаткової енергії кристалізації виникало питання: чи могла наша планета тоді взагалі мати магнітне поле?
Нове дослідження трьох геофізиків з ETH Цюриха та Південної науково-технічної університету Китаю (SUSTech) дало переконливу відповідь. Вони побудували модель повністю рідкого ядра, яка демонструє, що навіть без твердої серцевини Земля могла створити стабільне магнітне поле. Прорив став можливим завдяки коректному врахуванню в’язкості — внутрішнього опору рідкого металу до течії. Раніше численні моделі змушені були штучно завищувати в’язкість задля обчислювальної стабільності, що спотворювало фізичну картину.
За допомогою суперкомп’ютера Piz Daint у Швейцарському національному центрі суперкомп’ютерних обчислень команда змогла змоделювати динамо-процес в умовах, де в’язкість стає практично незначною. Результат виявився вражаючим: самодостатнє магнітне поле виникло в моделі без участі твердого ядра. Достатньо було лише трьох чинників — теплової втрати, обертання і складу ядра — аби впорядкувати металічні потоки й генерувати магнітну активність.
Це свідчить про вражаючу стійкість геодинамо. Навіть за відсутності кристалізації у центрі планети, вона могла ефективно формувати магнітний захист. За словами професора геофізики ETH Цюриха Енді Джексона, це відкриття не лише розширює наше розуміння ранньої історії магнітного поля Землі, а й допомагає по-новому поглянути на формування умов, сприятливих для виникнення життя.
Якщо захисне поле існувало ще до появи твердого ядра, воно могло набагато раніше зберігати атмосферу від сонячного вітру та радіації — факторів, що критично важливі для зародження органічних форм. Це відкриває нові горизонти в дослідженнях ранньої біосфери та клімату.
Більше того, така модель здатна допомогти у вивченні магнітних полів інших планет і зірок. Схожі динамо-процеси формують магнітну структуру Сонця, а також потужні поля Юпітера та Сатурна. Відтак, зниження в’язкості в симуляціях дає змогу вченим досліджувати, як обертання, склад і теплові процеси формують магнетизм у межах усієї Сонячної системи.
Магнітне поле — невидимий, але життєво важливий фактор, від якого залежить сучасна цивілізація: від захисту супутників і електромереж до навігації. Краще розуміння його механізмів дозволяє не лише передбачити майбутні зміни, зокрема переміщення магнітного полюса чи повні інверсії, а й глибше усвідомити роль планетарної фізики у збереженні життя.