| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Neobyčejné zemské jádro
Petr Kulhánek
Pohled do nitra naší planety prošel ve 20. letech 21. století zásadní proměnou. Díky pokročilým metodám seismické tomografie, která využívá průchod seismických vln různými oblastmi k rekonstrukci rozložení vnitřních vrstev, dnes víme, že zemské nitro není statickým vrstevnatým tělesem, ale složitým dynamickým systémem plným vnitřních proudů a strukturálních anomálií.
Unikátní záběry přechodu Měsíce přes Zemi byly pořízeny sondou DSCO (Deep Space Climate Observatory) dne 6. srpna 2015 ze vzdálenosti 1,6 milionu kilometrů od Země. Na snímcích je vidět odvrácená strana Měsíce zalitá slunečním svitem. Zdroj: NASA/NOAA.
|
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 má v blízkosti Země přibližně dipólový charakter, ve větší vzdálenosti je silně deformováno slunečním větrem. Na denní straně je stlačeno do deseti zemských poloměrů, na noční je protaženo až za dráhu Měsíce. MHD 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. Coriolisova síla – jedna ze sil působících na tělesa pohybující se v rotující soustavě, například na Zemi. Tato síla mění vzdálenost těles od osy otáčení. Objevil ji francouzský matematik a fyzik Gaspard Gustav de Coriolis v 19. století. Ampérův zákon – elektrický proud protékající vodivým prostředím kolem sebe generuje vír magnetického pole, jehož intenzita klesá se vzdáleností od oblasti protékané proudem. Francouzský fyzik André Marie Ampère zformuloval zákon v letech 1820 až 1826. Původně se zabýval magnetickou sílou působící mezi dvěma vodiči. Faradayův zákon – magnetické pole s proměnným tokem generuje ve smyčce elektrické napětí úměrné časové změně magnetického toku. Zákon zformuloval v roce 1831 anglický experimentální fyzik Michael Faraday. |
Nitro a geodynamo
Zemské jádro se nachází v hloubce 2 900 km pod povrchem a tvoří ho převážně slitiny železa a niklu s příměsí lehčích prvků (křemík, kyslík, síra). Rozdělujeme ho na vnější a vnitřní jádro. Vnější jádro je tekutá vrstva o tloušťce zhruba 2 260 km. Vysoká teplota a tlak zde vytvářejí gigantický oceán tekutého kovu s nízkou viskozitou, který se otáčí spolu se Zemí podobně jako tekutá voda na povrchu. Vnitřní jádro je naopak pevná koule o poloměru přibližně 1 220 km (70 % poloměru Měsíce). Přestože zde teplota dosahuje hodnot kolem 5 400 °C (což odpovídá povrchu Slunce), obrovský tlak nekompromisně nutí kovy krystalizovat do pevného stavu.
Interakce mezi tekutým vnějším a pevným vnitřním jádrem generuje globální magnetické pole, které nás chrání před 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.. Mechanizmus vzniku pole popisuje teorie 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.: v tekutém vnějším jádru vznikají konvektivní proudy. Teplejší a lehčí materiál stoupá vzhůru k plášti, naopak chladnější a hustší materiál klesá k vnitřnímu jádru. Tento proces je energeticky dotován dvěma mechanizmy – teplem uvolňovaným při krystalizaci vnitřního jádra a postupným chladnutím planety. Stoupající proudy se navíc vlivem Coriolisovy sílyCoriolisova síla – jedna ze sil působících na tělesa pohybující se v rotující soustavě, například na Zemi. Tato síla mění vzdálenost těles od osy otáčení. Objevil ji francouzský matematik a fyzik Gaspard Gustav de Coriolis v 19. století. stáčejí do obřích šroubovic. Pohybující se elektricky vodivé tekuté železo vytváří v těchto šroubovicích elektrické proudy, které podle Ampérova zákonaAmpérův zákon – elektrický proud protékající vodivým prostředím kolem sebe generuje vír magnetického pole, jehož intenzita klesá se vzdáleností od oblasti protékané proudem. Francouzský fyzik André Marie Ampère zformuloval zákon v letech 1820 až 1826. Původně se zabýval magnetickou sílou působící mezi dvěma vodiči. generují magnetické pole. Podle Faradayova zákonaFaradayův zákon – magnetické pole s proměnným tokem generuje ve smyčce elektrické napětí úměrné časové změně magnetického toku. Zákon zformuloval v roce 1831 anglický experimentální fyzik Michael Faraday. toto magnetické pole zpětně zesiluje elektrické proudy, které ho vytvořily. Vzniklé magnetické pole je samozřejmě ovlivněno i nehomogenitami pláště, kterým proniká k povrchu.
Tekutinové dynamo v nitru Země. Konvekce ve vnějším jádru má vlivem Coriolisovy síly tvar šroubovic s opačnou orientací na severu a na jihu. Elektrický proud ve šroubovicích generuje magnetické pole Země. Zdroj: Profimedia / Claus Lunau.
Vnitřní pevné jádro nerotuje synchronně s povrchem Země; v některých fázích se otáčí rychleji, v jiných pomaleji. První z těchto oscilací (s periodou 6 let) byla objevena v roce 2022 vědci z Jihokalifornské univerzity (USC) na základě analýzy seismických vln generovaných sovětskými a americkými jadernými testy v letech 1969 až 1974. V roce 2023 pak vědci z Pekingské univerzity objevili periodu 70 roků a téhož roku byla na Wuhanské univerzitě detekována perioda 8,5 roku. Poslední periodu by šlo popsat jako jakési kymácení vnitřního jádra. Všechny tyto oscilace způsobují drobné změny magnetického pole, podepisují se na poloze pólů a ovlivňují i délku zemského dne v řádu milisekund. Bez zajímavosti není ani objev nejvnitřnějšího vnitřního jádra – vnořené koule o poloměru přibližně 650 km. Ta vykazuje odlišné uspořádání krystalů železa, což způsobuje anizotropii (směrovou závislost) při šíření seismických vln. Existence nejvnitřnějšího jádra byla teoreticky předpovězena již v roce 2002, ale jeho existence byla definitivně potvrzena až v roce 2023 na Australské národní univerzitě díky nové metodě analýzy vln ze silných zemětřesení z posledního desetiletí, které planetou prošly opakovaně tam a zpět.
Pevné vnitřní jádro se neotáčí synchronně se Zemí. V tekutém vnějším jádru se kýve, tu a tam se pohybuje se rychleji a v jiných fázích naopak pomaleji než okolí. Známé periody (6 let, 8,5 roku a 70 let) ovlivňují magnetické pole Země, délku dne i sklon zemské osy. Zdroj: Profimedia.
Odkazy
- Peter Rüegg: A fully liquid Earth’s core also generates a magnetic field; ETH Zurich, 30 Jul 2025
- A. J. Biggin et al.: Mantle heterogeneity influenced Earth’s ancient magnetic field; Nature Geoscience 19 (2026) 345–352
- Yi Yang, Xiaodong Song: Differential rotation of the Earth’s inner core changes over decades and has come to near-halt; Nature Geoscience 16 (2023) 113–114 (2023)
- Owais Ali: New Research into Earth’s Core Motion Suggests Oscillation; AZO Quantum 24 Feb 2026
