| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Zrnka magnetitu měří zemské pole
Petr Kulhánek
Magnetické pole ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. je dynamickým systémem, který se mění v časových škálách od desítek sekund po miliony let. Nejkratší periodicitu mají projevy spojené s magnetickými bouřemi. Pokud k nám doletí oblak plazmatuPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magnetická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektrického obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. se zamrzlým slunečním polem, rozvlní se zemské siločáry s periodou několika desítek sekund. Poprvé tento jev pozoroval Anders Celsius se svým asistentem Olofem Hiorterem v roce 1741, kdy zjistili, že v průběhu polární záře je střelka kompasu velmi neklidná a nepravidelně se komíhá. Jednodenní periodu mají změny magnetického pole způsobené rotací Země a její interakcí se slunečním větremSluneční vítr – proud nabitých částic ze Slunce, které zaplavují celou Sluneční soustavu. Zejména jde o protony, elektrony a alfa částice (jádra hélia). Typická rychlost částic u Země je kolem 500 km/s (rychlost zvuku v tomto prostředí je 50 km/s), teplota 3 eV (30 000 K) a koncentrace několik protonů v cm3. Částice vylétávající podél otevřených siločar mají vyšší rychlost (přibližně 750 km/s) a nazýváme je rychlý sluneční vítr. Sluneční vítr objevil anglický astronom Richard Carrington v roce 1859, kdy bylo za půl dne po slunečním vzplanutí narušeno magnetické pole Země. Pojmenování sluneční vítr pochází od amerického astronoma Eugena Parkera.. Zemské magnetické póly nejsou na jednom místě, ale v průběhu dne opisují na zemském povrchu křivku podobnou nepravidelné elipse, jejíž delší rozměr je přibližně 80 kilometrů. Z ještě dlouhodobějšího hlediska dochází k postupné migraci severního magnetického pólu směrem k Sibiři. Tady jde o přibližně 15 kilometrů za rok. Možná se to zdá málo, ale za století jde o 1 500 kilometrů, a to je posun velmi podstatný. Nejdelší periodicitu má překlápění zemského dipólu. Z magnetického záznamu v sedimentech se ví, že k poslednímu překlopení došlo před 780 000 lety. Magnetický dipólový moment v současnosti klesá a další překlopení zemského dipólu se blíží. Dojde k němu v astronomicky krátké době, tedy řádově do 10 000 let. Může to být za tisíc roků, ale klidně může překlápění započít i v roce letošním. Modely zemského pole nejsou bohužel natolik dokonalé, aby bylo možné podobné jevy předpovídat. Skupina vědců z Glasgowské univerzity v letošním roce ukázala, že magnetické záznamy v sedimentech i ve vyvřelých horninách jsou mnohem trvanlivější, než jsme si dosud mysleli. Jejich výzkum by mohl otevřít cestu k podrobnějšímu zkoumání zemského magnetického pole a k pochopení procesů v zemském nitru.
Zemské magnetické pole má v těsném okolí Země přibližně tvar magnetického dipólu. Jeho střed ale není ve středu Země, je posunut přes 500 kilometrů a jeho osa je skloněná vzhledem k rotační ose Země o cca 10°. Ve větších vzdálenostech je pole deformováno nalétávajícím sluneční větrem. Na denní straně se formuje typická rázová vlna a na noční straně ohon dlouhý přes sto zemských poloměrů. Zdroj: NASA, vizualizace Greg Shirah,Tom Bridgman.
|
Země – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. Magnetická doména – oblast elementárních magnetických dipólových momentů, které jsou uspořádány jednotným způsobem. Magnetické domény v materiálu vznikají při teplotách nižších, než je Curieova teplota. Při vyšších teplotách je uspořádání elementárních magnetů chaotické. Curieova teplota – teplota fázového přechodu u magneticky aktivních materiálů. Nad touto teplotou jsou elementární magnety uspořádány chaoticky, pod touto teplotou se vytvářejí magnetické domény jednotně uspořádaných elementárních magnetů a materiál má magnetické vlastnosti. Holografie – forma záznamu obrazu, která umožňuje zachytit jeho trojrozměrnou strukturu na dvourozměrný obrazový nosič neboli hologram (fotografická deska, binární záznam) a jeho opětovnou rekonstrukci. Na hologram se zaznamenává jak intenzita, tak fáze světla. Holografii objevil Dennis Gabor v roce 1948, kvalitní hologramy byly ale pořízeny až po objevu laseru. V elektronovém mikroskopu lze pořídit elektronový hologram, v němž je zaznamenáno jak množství elektronů prošlých vzorkem, tak fáze jejich hmotové vlny. Fáze elektronových vln je citlivá na magnetické pole, proto je možné z elektronového hologramu určit průběh magnetických siločar ve vzorku. |
Měření magnetického pole
Zemské magnetické pole lze měřit přímo, nejčastěji různými magnetometry, jejichž základem je malá cívka, v níž magnetické pole generuje elektrický proud. Magnetometry nejrůznějších typů jsou jak na sondách, tak na zemském povrchu. Například na rovníku je pole kolem 31 µT. Takový údaj ale nic nevypovídá o velikosti zemského magnetického dipólu. Magnetické pole směrem od povrchu ubývá se třetí mocninou vzdálenosti od středu Země. Pokud chceme porovnávat dipóly různých planet, musíme vynásobit pole na rovníku třetí mocninou poloměru planety. Tím dostaneme charakteristickou konstantu (tzv. dipólový moment) popisující velikost magnetického dipólu. Pro Zemi je jeho hodnota 7,5×1015 Tm3. Největší dipólový moment, 1,6×1020 Tm3, má JupiterJupiter – největší a nejhmotnější (1,9×1027 kg) planeta Sluneční soustavy má plynokapalný charakter a chemické složení podobné Slunci. Se svými mnoha měsíci se Jupiter podobá jakési „sluneční soustavě“ v malém. Jupiter má, stejně jako všechny obří planety, soustavu prstenců. Rychlá rotace Jupiteru (s periodou 10 hodin) způsobuje vydouvání rovníkových vrstev a vznik pestře zbarvených pásů. Charakteristickým útvarem Jupiterovy atmosféry je Velká rudá skvrna, která je pozorována po několik století. Atmosféra obsahuje kromě vodíku a helia také metan, amoniak a vodní páry. Teplota pod oblaky směrem ke středu roste. Na vrcholcích mraků je −160 °C, o 60 km hlouběji je přibližně stejná teplota jako na Zemi. Proudy tekoucí v nitru (v kovovém vodíku) vytvářejí kolem Jupiteru silné dipólové magnetické pole..
Chceme-li se dozvědět, jaké bylo magnetické pole Země v dávné minulosti, musíme využívat magnetický záznam uložený v horninách. Nejvhodnějšími jsou k tomuto účelu malá zrníčka magnetitu, chemicky Fe3O4. Magnetický záznam zde byl uložen zpravidla v době, kdy zrnko ochladlo pod tzv. Curieovu teplotuCurieova teplota – teplota fázového přechodu u magneticky aktivních materiálů. Nad touto teplotou jsou elementární magnety uspořádány chaoticky, pod touto teplotou se vytvářejí magnetické domény jednotně uspořádaných elementárních magnetů a materiál má magnetické vlastnosti., například při chladnutí sopečného magmatu. Pro magnetit činí Curieova teplota 580 °C. Nad touto teplotou je magnetický záznam definitivně přemazán. Cenné jsou záznamy v podmořských sedimentech, kde jsou dlouhodobě netknuté vrstvy dostatečné tloušťky. Jak se ale dá magnetický záznam ze zrnka magnetitu přečíst? K nejúspěšnějším metodám patří elektronová holografie. Malé zrnko se umístí do elektronového mikroskopuElektronový mikroskop – mikroskop, který k zobrazení předmětů využívá vlnových vlastností svazku elektronů. Elektron se chová podobně jako světlo, jeho vlnová délka je ale výrazně kratší a tak je možné sledovat menší předměty než za pomoci světla. Elektronový mikroskop byl vynalezen v roce 1931 Ernstem Ruskou. a procházejí jím elektrony (metoda TEMTEM – transmisní elektronová mikroskopie, vytváření obrazu tenkého předmětu (cca do 100 nm tloušťky) průchodem energetických elektronů. Obraz tvořený prošlými elektrony je následně zvětšen a zaostřen elektronovou optikou a na stínítku převeden na viditelné záření, které je většinou dále zaznamenáváno CCD kamerou. Pokud je vzorek touto technikou skenován, hovoříme o skenovací transmisní elektronové mikroskopii (STEM). Jinou technikou je SEM, při které se obraz vytváří z odražených elektronů.). Obdobně jako u optické holografieHolografie – forma záznamu obrazu, která umožňuje zachytit jeho trojrozměrnou strukturu na dvourozměrný obrazový nosič neboli hologram (fotografická deska, binární záznam) a jeho opětovnou rekonstrukci. Na hologram se zaznamenává jak intenzita, tak fáze světla. Holografii objevil Dennis Gabor v roce 1948, kvalitní hologramy byly ale pořízeny až po objevu laseru. V elektronovém mikroskopu lze pořídit elektronový hologram, v němž je zaznamenáno jak množství elektronů prošlých vzorkem, tak fáze jejich hmotové vlny. Fáze elektronových vln je citlivá na magnetické pole, proto je možné z elektronového hologramu určit průběh magnetických siločar ve vzorku. se nezaznamenává jen počet prošlých elektronů, ale i fáze jejich hmotových vlnDe Broglieova vlna – vlna, kterou se projevují hmotná tělesa (částice) v mikrosvětě. Každý objekt mikrosvěta se v některých experimentech chová jako vlna a v některých jako částice. Tento dualizmus vln a částic je jedním ze základních projevů kvantového světa. Vlnová délka de Broglieovy vlny je nepřímo úměrná součinu hmotnosti a rychlosti částice. Vlna přidružená objektu má v kvantové mechanice význam amplitudy pravděpodobnosti výskytu částice.. Vznikne tzv. elektronový hologram – soustava interfererenčních proužků způsobených průchodem elektronů různými částmi struktury. Z nich se dá vyčíst fáze elektronových vln, a ta je mimořádně citliová na magnetické pole. Analýzou elektronového hologramu se dá dopočíst magnetické pole v zrnku magnetitu (v rovině kolmé na směr pohybu elektronů).
Takto vypadá elektronový hologram magnetitového zrnka o velikosti 150 nm. V proužcích je uložena informace o fázi elektronových vln, z níž lze zrekonstruovat průběh magnetického pole v zrnku. Zdroj: Glasgowská univerzita.
Glasgowské experimenty
Pro určování průběhu zemského magnetického pole v minulosti jsou ideální malá zrnka, v nichž je jediná magnetická doména. Taková zrnka mají rozměry do 80 nanometrů a bohužel jich je v horninách jen velmi málo. Pole v těchto zrnkách je homogenní v celém průřezu zrnka. Mnohem častěji mají zrnka magnetitu rozměry 0,1 až 10 µm. V nich ale magnetické pole vytváří různé zvlněné obrazce nebo víry. Dosud nebylo jasné, zda má smysl se pokoušet z těchto obrazců rekonstruovat zemské pole, tedy nakolik je záznam stabilní a neměnný. Tým vědců pod vedením Trevora Almeida zahříval zrnka magnetitu různých velikostí až na teplotu těsně pod Curieovou teplotou a sledoval, zda se magnetický záznam u středně velkých zrn mění. Výsledky jsou překvapivé. U zrna velkého 250 nm se záznam s teplotou neměnil, a to ani při ohřevu, ani při následném poklesu teploty. Jiná situace nastala u menšího zrna o velikosti 150 nm. Při ohřevu na teplotu 550 °C (Curieova teplota je 580 °C) došlo ke změně směru i tvaru magnetických siločar. Ale při následném ochlazení se magnetické siločáry vrátily do původního tvaru! Experiment prokázal, že magnetický záznam je stabilní i při ohřevu až těsně pod Curioeovu teplotu a po zpětném ochlazení je použitelný k rekonstrukci magnetického pole Země. Pokud jsou experimenty správné, bude možné využívat i hojněji se vyskytující zrna střední velikosti.
Záznam rekonstrukce průběhu magnetických siločar z elektronového hologramu pro zrnko o průměru 250 nm při jeho ohřevu a následném ochlazení. Tvar magnetických siločar se nijak výrazně nezměnil. Zdroj: Sci Adv.
Záznam rekonstrukce průběhu magnetických siločar z elektronového hologramu pro zrnko o průměru 150 nm při jeho ohřevu a následném ochlazení. Tvar magnetických siločar se při ohřevu výrazně měnil. Po následném ochlazení se ale siločáry vrátily do původního obrazce a záznam je použitelný pro analýzu. Zdroj: Sci Adv.
Závěr
Samozřejmě, že laboratorní podmínky nejsou stejné jako podmínky v exteriéru. Tým zahříval zrna na speciálním držáku s elektronickým čipem, na kterém docházelo k ohřevu. V přírodě mohou ohřev a chladnutí trvat velmi dlouhou dobu, na rozdíl od minut v laboratorním experimentu, a je otázkou, zda i za takových podmínek zůstane magnetický záznam v zrnku nezměněný. K destrukci záznamu mohou přispět také chemické procesy. Pokud se ale prokáže, že je záznam v zrnkách střední velikosti stabilní, bude možné rekonstruovat mnohem přesněji historii překlápění zemského dipólu, tektoniku zemských desek i polohu zemských magnetických pólů v dávné minulosti.
Zařízení pro ohřev vzorku. (A) držák vzorku umístěný přímo v elektronovém mikroskopu. (B) detail čipu, jenž zajišťuje ohřev. (C) MEMSMEMS – mikro-elektro-mechanické systémy, technologie ve výrobě součástek umožňující realizovat kromě vrstevnatých struktur běžných v mikroelektronice také miniaturní, mechanicky se pohybující části. Technologie využívá výrobní procesy používané pro výrobu integrovaných obvodů (fotolitografii, leptání, epitaxi atd.). Systém obsahuje elektronickou část (např. A/D převodník) a mechanické komponenty (např. malý objekt na pružině), které jsou často umístěny na jednom substrátu a uzavřeny v pouzdře, takže se uživateli jeví jako jediná součástka – například akcelerometr, gyroskop, senzor tlaku atd. součástka ohřívající zrnko magnetitu. Zdroj Sci Adv.
Odkazy
- Trevor P. Almeida et al.: Direct visualization of the thermomagnetic behavior of pseudo–single-domain magnetite particles; Sci. Adv. 2016, 15 Apr 2016
- Trevor P. Almeida et al.: Supplemented materials; Sci. Adv. 2016, 15 Apr 2016
- Ian Randall : Magnetic vortices record history of Earth's magnetic field; Physics World, 25 Apr 2016
- Greg Shirah: Stereoscopic Magnetic Field Lines; Visualization; NASA, 14 Feb 2011
- David Břeň: Čtení magnetické historie Země; AB 17/2011
- Václav Andrš, Petr Kulhánek: Pohyb zemského magnetického pólu; AB 5/2006
