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 предотвратить исчезновение магнитного поля планеты. 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.

Далее в источнике: XX2 век