Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 8 – vyšlo 5. března, ročník 19 (2021) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

8/2021

Magnetické póly na výletě

Rudolf Mentzl

O významu zemského magnetického poleMagnetický pól Země – pohybující se místo na povrchu Země, ve kterém siločáry magnetického pole směřují kolmo k zemskému povrchu. Severní magnetický pól se nachází v blízkosti severního pólu a fyzikálně jde o jižní pól magnetu; u jižního magnetického pólu je tomu obráceně. dnes patrně nikdo nepochybuje. Díky populárním článkům víme, že mimo jiné chrání zemský povrch před zničujícím 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. a kosmickým zářenímKosmické záření – proud částic nejrůznějšího původu přilétající z vesmíru. Při interakci s atmosférou vzniká sprška milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na zemském povrchu mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření je majoritním zdrojem antihmoty na naší planetě. Může vznikat v supernovách, pulzarech, aktivních galaktických jádrech, atd. Naprostá většina částic kosmického záření, okolo 88 %, jsou protony, přibližně 10 % jsou jádra hélia (alfa záření), 1 % elektrony a pozitrony a 1 % těžké prvky. Kosmické záření má naprosto nejširší spektrum energií ze všech dodnes známých jevů. Mnohé částice, které se dnes vědci pokoušejí nalézt v moderních urychlovačích, se mohou nacházet právě v kosmickém záření. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Victorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 300 metrů. S rostoucí výškou stoupala ionizace atmosféry, a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku.. To je poněkud zavádějící výklad. Magnetické pole skutečně odklání rychle letící nabité částice. I kdyby tu však nebylo, ochránila by nás ještě atmosféraAtmosféra – plynný obal vesmírného tělesa, který si těleso drží vlastní gravitací. Atmosféru mají především planety. Málo hmotné atomy z atmosféry relativně snadno unikají do meziplanetárního prostoru.. Teprve až by ji sluneční vítr odfoukl, pak by začala radiace zemský povrch spalovat. Poslední práce Chrise Turneyho z University of New South Wales v Sydney naznačila, že by pravda mohla být někde uprostřed.

Magnetosféra Země tvoří přirozený ochranný štít, jehož tvar
je formovaný slunečním větrem. Zdroj: NASA.

Magnetický pól Země – pohybující se místo na povrchu Země, ve kterém siločáry magnetického pole směřují kolmo k zemskému povrchu. Severní magnetický pól se nachází v blízkosti severního pólu a fyzikálně jde o jižní pól magnetu; u jižního magnetického pólu je tomu obráceně. Sluneční 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. Kosmické záření – proud částic nejrůznějšího původu přilétající z vesmíru. Při interakci s atmosférou vzniká sprška milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 1020 eV. Sprška z takové částice zasáhne na zemském povrchu mnoho desítek km2. Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření je majoritním zdrojem antihmoty na naší planetě. Může vznikat v supernovách, pulzarech, aktivních galaktických jádrech, atd. Naprostá většina částic kosmického záření, okolo 88 %, jsou protony, přibližně 10 % jsou jádra hélia (alfa záření), 1 % elektrony a pozitrony a 1 % těžké prvky. Kosmické záření má naprosto nejširší spektrum energií ze všech dodnes známých jevů. Mnohé částice, které se dnes vědci pokoušejí nalézt v moderních urychlovačích, se mohou nacházet právě v kosmickém záření. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Victorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 300 metrů. S rostoucí výškou stoupala ionizace atmosféry, a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku.

Magnetické pole Země

Zemské magnetické pole vzniká v důsledku činnosti tekutinového dynamaMHD dynamo – magnetohydrodynamické dynamo, tekutinová varianta klasického dynama. Elektrické proudy vznikají při pohybu plazmatu nebo tekutého kovu a generují magnetické pole. Dipólová složka se mění na azimutální tzv. omega efektem a azimutální na dipólovou tzv. alfa efektem. Tekutinové dynamo nemůže být stacionární, jeho základní vlastností je překlápění magnetických pólů.. Roztavené vnější zemské jádro si nelze představit jako poklidný podzemní oceán tekutého železa. Teplotní rozdíl mezi vnitřní a vnější vrstvou dává vzniknout mohutným konvekčním proudům. Na rotujícím tělese je každý pohyb směrem od osy stáčen Coriolisovou silou. Protože roztavený materiál s sebou zároveň unáší elektrický nábojElektrický náboj – základní kvantový náboj elektromagnetické interakce. Elektrický náboj označujeme Q, jednotkou je coulomb (C). Nejmenším volným nábojem je náboj elektronu (1,6×10⁻¹⁹ C), jde o tzv. elementární náboj., vzniká uvnitř 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. smyčka elektrického proudu, ke které samozřejmě patří silné magnetické pole.

Taková struktura však není z principu stabilní. V horizontu asi půl miliardy let se orientace magnetického pole změní. Proces přepólování je sice z geologického hlediska rychlý, rozhodně však není skokový. Taková událost proběhne v rozmezí několika stovek let. V tomto mezidobí je zemské magnetické pole těžko definovatelné. Póly nějakým způsobem překročí rovník. Během migrace může magnetických pólů vzniknout i více nebo naopak mohou dočasně zcela zaniknout. K výměně zemských magnetických pólů dochází v průměru každých 700 000 roků. Od posledního dlouhodobého přemagnetování již uběhlo 780 000 let. Je tedy opodstatněné očekávat další dlouhodobé přemagnetování v geologicky krátkém čase.

Kromě velkých přepólování dochází i k časově kratším událostem. Jde jen o krátké výlety magnetických pólů, které se na svých nových pozicích neudrží dlouho a po krátké době se vrátí zpět. Již v šedesátých letech minulého století byly nedaleko francouzského Laschamp objeveny horniny nesoucí stopy po dávném zmagnetování. V lávových proudech vytékajících z nedaleké sopky Puy de Laschamp tu zamrzla informace o tehdejším magnetickém poli. Stejné stopy byly později nalezeny na Islandu a na sopečných polích v Aucklandu. Podobný signál nalezneme také v antarktických a grónských ledových jádrech, nebo v hlubinných vrtech v Černém moři, severním Atlantiku, Grónské pánvi, Mexickém zálivu, jižním Atlantiku, Indickém oceánu a v Severním ledovém oceánu. Orientace magnetických zrn v jeskynních stalagmitech a jezerních sedimentech předchozí pozorování jen upřesňují.

Laschampská událost

K přepólování došlo před 41 000 lety. Magnetické póly migrovaly asi 250 let a v opačné poloze setrvaly 440 let. Poté se vrátily zpět. Během Laschampské události klesla intenzita magnetického pole na pouhou dvacetinu běžné hodnoty. Zvýšené bombardování atmosféry nabitými částicemi slunečního větru život sice přímo neohrozilo, ale v atmosféře narostla produkce radioaktivního izotopu uhlíkuUhlík – Carboneum, chemický prvek, tvořící základní stavební kámen všech organismů. Sloučeniny uhlíku jsou jedním ze základů světové energetiky, kde především fosilní paliva jako zemní plyn a uhlí slouží jako energetický zdroj pro výrobu elektřiny a vytápění, produkty zpracování ropy jsou nezbytné pro pohon spalovacích motorů a silniční dopravu. Výrobky chemického průmyslu na bázi uhlíku jsou součástí našeho každodenního života ať jde o plastické hmoty, umělá vlákna, nátěrové hmoty, léčiva a mnoho dalších. ¹⁴C. To je důležitá zpráva pro paleontology, kteří určují stáří radiokarbonovou metodou.

Uhlík ¹⁴C se ukládá do rostlinné tkáně a z jeho koncentrace, která časem klesá, je pak možné určit její stáří. Spolehlivost metody samozřejmě stojí a padá se znalostí koncentrace uhlíku ¹⁴C v atmosféře. Právě Turneyho týmu se podařilo zkalibrovat radiokarbonovou metodu pro toto období. Změřili koncentraci uhlíku ¹⁴C podél letokruhů damaroně jižního, který kdysi pohltily bažiny na Novém Zélandu.

Damaroň jižní byl po desítky tisíc let ukrytý pod nánosem bahna.
Zdroj: News Week, Nelson Parker.

Bez pole a bez ochrany

Damaroň jižní je pro výzkumy tohoto druhu více než vhodný strom. Dožívá se mnoha set let, v některých případech se píše i o tisí­ciletích. Obrovská masa dřeva sama o sobě jen pomalu podléhá degradaci, a pokud je kmen zakonzervován v bažině, stává se z něj doslova kronika zašlých časů. V jeho letokruzích jsou ukryty informace o vývoji klimatu a samozřejmě i o koncentraci izotopu ¹⁴C. Jakmile byl určen referenční bod, podařilo se přesně datovat i jiné vzorky sedimentů, ledová jádra a prehistorické události. Získali jsme tak přehled o událostech během posledního přepólování před 41 000 lety.

Když magnetické pole zesláblo, přestalo klást odpor slunečnímu větru a kosmickému záření. Nabité částice sice nedokázaly ve výz­nam­né míře proniknout až k zemskému povrchu, nicméně dokázaly zničit ozonovou vrstvu, a tím otevřely okno pro UV-B záření. Z hlediska biologických účinků rozlišujeme tři druhy ultrafialového zářeníUltrafialové záření – elektromagnetické záření s kratší vlnovou délkou, než má viditelné světlo, v rozsahu od 1 nm do 400 nm. Ultrafialové záření objevil v roce 1801 Johann Wilhelm Ritter. Značí se UV z anglického UltraViolet, rozděluje se na extrémní XUV (EUV) (1÷31 nm), daleké VUV (FUV) (10÷200 nm), hluboké DUV (pod 300 nm), krátkovlnné (pod 280 nm), středněvlnné UVB (280÷320 nm), dlouhovlnné UVA (320÷400 nm) a blízké NUV (200÷400 nm).: UV-A, UV-B a UV-C. Složka UV-A navazuje na spektrumSpektrum – rozklad elektromagnetického záření (většinou světla) na jednotlivé vlnové délky. Zpravidla se provádí za pomoci hranolu nebo mřížky. Spektrum slunečního světla může také vzniknout na vodních kapkách jako duha. Ve spektru se nachází kontinuum (spojitě se měnící barvy) a charakteristické spektrální čáry. Světlé se nazývají emisní (vznikají emisí fotonů) a tmavé absorpční (vznikají absorpcí fotonů). viditelného světla. Naprostá většina ultrafialového záření, které dnes dopadá na zemský povrch je právě UV-A. Na opačném konci ultrafialového spektra je ionizující záření UV-C, které má prokazatelně zhoubné účinky. Vlnová délka ultrafialového záření UV-B se nachází v rozsahu 280÷320 nm. Za normálních okolností je absorbováno ozonovou vrstvou. Ve chvíli, kdy pronikne do hlubších vrstev atmosféry, interaguje s ní a vzroste koncentrace oxidůOxid – dříve označovaný jako kysličník, je sloučenina kyslíku s méně elektronegativními prvky. Oxidy vznikají oxidací (hořením) za přítomnosti kyslíku ze vzduchu nebo jiných přítomných chemických látek. dusíkuDusík – Nitrogenium, plynný chemický prvek tvořící hlavní složku zemské atmosféry. Patří mezi biogenní prvky, které jsou základními stavebními kameny živé hmoty. Tento plyn popsal jako první Němec Carl Wilhelm Scheele v roce 1777. Poté co bylo zjištěno, že je kyselina dusičná odvozena od dusíku, pro něj Chaptal navrhl název nitrogéne, což znamená ledkotvorný, který se udržel v latinském označení nitrogenium.. Kromě toho má i zhoubné účinky na živé organizmy. Proniká do hloubky několika metrů pod vodní hladinu. Je zřejmé, že i dočasná ztráta ozonové vrstvy má výrazný vliv na biosféru. Můžeme mít za prokázané, že Laschampská událost nejen, že měla potenciál všechny výše uvedené efekty vyvolat, ale skutečně je vyvolala. Interpretace naměřených hodnot je nicméně předmětem vášnivých diskusí paleontologů. V inkriminované době totiž došlo k mnoha událostem, které s krátkodobým přepólováním mohou a nemusí souviset. Omezme se tedy jen na nekomentovaný výčet.

Období před 40 000 lety je nejčastěji přijímáno jako doba vyhynutí neandrtálců. Druh homo sapiens přežívá, ale dočasně se usidluje v jeskyních. V Austrálii mizí zvířata větší než klokan. Probouzí se evropský supervulkán známý jako Flegrejská pole nedaleko Neapole. Dochází ke klimatickým změnám. Pro úplnost dodejme, že nechybí úvahy balancující na hraně spekulací čtvrté cenové skupiny, které dávají do souvislosti i takové archeologické nálezy, jako blátěné otisky lidských rukou na stěnách jeskyní. Z toho se vyvozuje, že se lidé chránili před UV zářením nátěry z bahna.

Dlužno podotknout, že datování některých událostí není jisté. Rozptyl v údajích o vymírání neandrtálců se v literatuře liší i o tisíce let. Italský supervulkán podle jiných zdrojů začal soptit až před 35 000 lety. Není však bez zajímavosti, že touto dobou došlo k jinému přepólování známému jako událost Mono Lake.

Pohyb magnetického pólu. Od roku 1632 do roku 2000 pól významně
nemění svou polohu. Zdroj: Wikipedie CC BY 4.0.

Už to klepe na dveře

Dnes se nedá rozhodnout, které události s krátkodobým přemagnetováním opravdu souvisí a které jsou jen náhodnými koincidencemi. Intenzivní výzkum je však na místě, a to nejen pro ukojení naší zvědavosti. Není vyloučeno, že proces dalšího výletu magnetických pólů, či dokonce trvalého přemagnetování, právě započal. Před každým přepólováním slábne magnetický dipólový moment. Tento trend pozorujeme již dlouhou řadu desetiletí. Od roku 1945 poklesl o šest procent. Kromě toho se před dvaceti lety zvýšila rychlost posunu magnetického pólu zvýšila o řád. Migrace magnetických pólů v malém okruhu zhruba 5 kilometrů za rok není nic alarmujícího. Jenomže od roku 2000 se tento pohyb zrychlil. Dnes se magnetický pól posunuje rychlostí 50 kilometrů za rok. Nedávno opustil americký kontinent a z neznámých příčin míří do Ruska. Zatím o dění pod našima nohama víme jen málo. Posun pólů se může zítra umoudřit, právě tak jako se může zrychlit.

Animace výměny magnetických pólů Země

Odkazy