Země

Základní charakteristika

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 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. je třetí planetou v pořadí od Slunce. Je největší z planet zemského typuTerestrické planety – planety podobné Zemi, vyznačují se pevným povrchem a malými rozměry oproti obřím planetám podobným Jupiteru. Mezi terestrické planety řadíme Merkur, Venuši, Zemi a Mars.. 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. Země spolu s MěsícemMěsíc – přirozený satelit Země, rotuje tzv. vázanou rotací (doba oběhu a rotace je shodná). Díky tomu stále vidíme přibližně jen přivrácenou polokouli Měsíce. Měsíc je prvním cizím tělesem, na kterém stanul člověk (Neil Armstrong, 1969, Apollo 11). Voda na Měsíci byla objevena v stinných částech kráterů a pod povrchem (Lunar Prospektor, 1998). Povrch Měsíce je pokryt regolitem (drobná drť s vysokým obsahem skla). Malé pevné jádro je obklopené plastickou vrstvou (v hloubce 1 000 km pod povrchem). Velké množství kráterů má rozměry od milimetrů po stovky kilometrů. Několik z nich je pojmenováno i po českých osobnostech (například kráter Anděl). tvoří v podstatě dvojplanetu obíhající kolem společného těžiště. Výměna momentu hybnosti mezi oběma tělesy vede k postupnému vzdalování Měsíce zhruba o 4 centimetry za rok. Není vyloučeno, že Země v budoucnosti o svůj jediný měsíc přijde. Pravděpodobnější ale je, že dříve obě tělesa zničí samotné Slunce v období, kdy se bude měnit na červeného obra. V současnosti žijeme v období, kdy je úhlový rozměr Měsíce na obloze totožný s úhlovým rozměrem Slunce, což umožňuje to, že tu a tam probíhá úplné zatmění Slunce. Budoucí gernerace o tento výjimečný jev přijdou. 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, troposféraTroposféra – nejnižší vrstva atmosféry, ve které se tvoří počasí. Troposféra sahá od povrchu Země až do výšky 7 km v polárních oblastech a 17 km okolo rovníku. Teplota troposféry klesá s nadmořskou výškou průměrně o 6,5 °C., stratosféraStratosféra – vrstva atmosféry nad troposférou. Sahá přibližně do 50 km. Součástí stratosféry je ozónová vrstva, která pohlcuje škodlivé ultrafialové záření přicházející ze Slunce. Ve stratosféře nedochází k turbulentnímu proudění, neboť teplota vzduchu s výškou roste (růst způsobuje pohlcování UV záření)., mezosféraMezosféra – vrstva atmosféry nad stratosférou, sahá přibližně do 80 až 85 km. Teplota v mezosféře s nadmořskou výškou klesá až na −100 °C. V mezosféře shoří většina meteoroidů. Zmrzlá vodní pára zde vytváří noční svítící oblaka., termosféraTermosféra – horní vrstva atmosféry, sahá od konce mezosféry (ve výšce 80 km) přibližně do vzdálenosti 700 km od povrchu. Teplota s nadmořskou výškou stoupá, nejde ale o skutečnou teplotu látky, neboť střední volná dráha částic je mnoho kilometrů. Součástí termosféry je ionosféra. Ve 100 kilometrech se nachází Karmánova hranice, nad kterou jsou provozovány družice.. Co se týče atmosférických vrstev, 99 % hmotnosti atmosféry leží pod hranicí 32 km. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa.

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.

Rotační osa Země je skloněná 23° vzhledem ke kolmici k oběžné dráze. Sklon zemské osy je zodpovědný za střídání ročních období. Léto je vždy na té polokouli, které je při oběhu Slunce právě přikloněna směrem ke Slunci. Rotační osa vykazuje řadu pohybů. Z nich nejvýznamnější jsou dvě skupiny. První je způsobena vlivem dalších těles, většinou Slunce a Měsíce. Nejvýznamnější jsou precesePrecese – obecně pohyb osy setrvačníku po kuželové ploše vlivem vnějších sil. V astronomii tak označujeme kuželový pohyb zemské osy s periodou 25 772 roků (tzv. Platonský rok) a úhlem mezi osou kužele a jeho povrchem 23,4°. Pohyb osy způsobují kombimované síly Slunce, Měsíce a planet. Díky tomuto pohybu byla Polárkou egyptské civilizace hvězda Thuban ze souhvězdí Draka. a nutaceNutace – periodické kolísání zemské osy s nejvýraznější periodou 18,61 roků, které se kombinuje s precesním pohybem. Příčinou jsou periodické změny gravitačních účinků Měsíce na rotující zemský elipsoid. Tyto změny jsou natolik krátkodobé, že na rozdíl od precese neovlivňují zemské podnebí. Nutace byla objevena Bradleym v 18. století. . Další skupina pohybů souvisí s nesféričností Země a s přesuny hmot uvnitř a na povrchu Země. K nejvýznamnějším patří Chandlerova periodaChandlerova perioda – periodicita pohybu průsečíku zemské osy s povrchem Země. Amplituda je cca 9 metrů, perioda 433 dní. Toto kolísání zemské osy objevil americký astronom Seth Carlo Chandler v roce 1891. Z hlediska mechaniky jde o tzv. volnou nutaci, která souvisí s nesféričností rotujícího objektu. Existenci tohoto jevu pro naši Zemi předpověděli Isaac Newton a Leonhard Euler., existují ale i mnohé další, například denní perioda souvisící s plastičností zemského jádra.

Precese – obecně pohyb osy setrvačníku po kuželové ploše vlivem vnějších sil. V astronomii tak označujeme kuželový pohyb zemské osy s periodou 25 772 roků (tzv. Platonský rok) a úhlem mezi osou kužele a jeho povrchem 23,4°. Pohyb osy způsobují kombimované síly Slunce, Měsíce a planet. Díky tomuto pohybu byla Polárkou egyptské civilizace hvězda Thuban ze souhvězdí Draka. Nutace – periodické kolísání zemské osy s nejvýraznější periodou 18,61 roků, které se kombinuje s precesním pohybem. Příčinou jsou periodické změny gravitačních účinků Měsíce na rotující zemský elipsoid. Tyto změny jsou natolik krátkodobé, že na rozdíl od precese neovlivňují zemské podnebí. Nutace byla objevena Bradleym v 18. století. Chandlerova perioda – periodicita pohybu průsečíku zemské osy s povrchem Země. Amplituda je cca 9 metrů, perioda 433 dní. Toto kolísání zemské osy objevil americký astronom Seth Carlo Chandler v roce 1891. Z hlediska mechaniky jde o tzv. volnou nutaci, která souvisí s nesféričností rotujícího objektu. Existenci tohoto jevu pro naši Zemi předpověděli Isaac Newton a Leonhard Euler.

Precese a nutace zemské osy. Není ve stejném měřítku. Zdroj: Christopher Crockett.

Základní parametry

hmotnost	5,97×1024 kg
rovníkový poloměr	6 378 km
polární poloměr	6 357 km
průměrná hustota	5,51 g/cm3
teplota povrchu	−89 až 57 °C, průměrná 15 °C rovnovážná −18 °C
doba otočení kolem osy	23h 56m 4s
doba oběhu kolem Slunce	365,26 dne
střední vzdálenost od Slunce	149,6×106 km
oběžná rychlost kolem Slunce	29,78 km/s
excentricita dráhy	0,017
inklinace	0°
sklon rotační osy	23,44°
složení atmosféry	N2 78 %, O2 21 %, H2O 1 %, Ar 1 %
tlak atmosféry	101 kPa
albedo (odrazivost)	0,3
magnetické pole na rovníku	31 μT
magnetický dipólový moment	7,9×1015 T·m3
sluneční vítr u Země	n ~ 10 cm−3; v ~ 450 km/s; T ~ 50 eV; B ~ 10 nT
sluneční konstanta	1 360 W/m2
počet měsíců	1
rychlost vzdalování Měsíce	3,83 cm/rok
zpomalování rotace Země	1,7 ms/století

Nitro a geodynamo

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.

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.

Tekutinové dynamo

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.

Oscilace jádra

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 v tekutém vnějším jádru kýve, tu a tam se pohybuje 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.

Magnetosférický ochranný štít

Magnetické pole generované zemským geodynamem nekončí na povrchu planety, ale sahá desítky tisíc kilometrů do vesmíru. Vytváří ochrannou bublinu, které říkáme magnetosféraMagnetosféra – oblast magnetického vlivu planety nebo jiného nebeského tělesa. U naší Země je dipólové magnetické pole vytvářeno v jádru elektrickými proudy o řádové hodnotě 10⁹ A. Toto pole je deformováno interakcí se slunečním větrem do charakteristického tvaru – magnetosféry Země. Magnetosféry planet jsou přirozeným ochranným štítem před nabitými částicemi slunečního větru a kosmického záření.. Funguje jako štít, který chrání zemskou atmosféru a biosféru 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.. Magnetické pole Země „komunikuje“ se slunečním magnetickým polem, a to se prolíná s polem galaktickým. Magnetická pole jsou přítomná všude ve vesmíru a spolu s gravitací formují základní vesmírné struktury.

Struktura magnetosféry

Magnetické pole Země má v blízkosti povrchu přibližně dipólový charakter, ve větší vzdálenosti je deformováno 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. do charakteristického protáhlého tvaru s rázovou vlnou na denní straně (ve vzdálenosti řádově 10 zemských poloměrů). Rázová vlna zpomaluje částice slunečního větru z nadzvukové rychlosti na podzvukovou a většinu z nich odklání do boků, takže naši magnetosféru obtečou. Na noční straně je magnetosféra protažena do dlouhého magnetosférického ohonu (do vzdálenosti řádově 100 zemských poloměrů). Nabité částice slunečního větru a plazmoidůPlazmoid – kompaktní plazmový útvar, někdy nazývaný plazmový oblak, zhustek, shluk, cluster. Plazmoid s sebou může unášet tzv. vmrznuté magnetické pole. ze Slunce mohou pronikat do horních vrstev atmosféry nálevkovitými oblastmi, kterým říkáme polární kaspy (z anglického cusp). Při interakci s atmosférou dochází k excitaci atomů a molekul a ke vzniku polárních září, které formují v polárních oblastech aurorální ovál. Část nabitých částic je zachycena ve Van Allenových pásechVan Allenovy pásy – jsou tvořeny nabitými částicemi (elektrony, protony a ionty O⁺, He⁺) zachycenými magnetickým polem Země ve vzdálenosti 1,2 až 7 R_Z. V polárních oblastech se odrážejí efektem magnetického zrcadla. Pásy existují dva, vnější složený především z elektronů a vnitřní obsahující kromě elektronů i hmotnější částice, především protony s vysokou energií. Částice v pásech pronikavě září. Jejich energie je od 1 keV do 100 MeV. Nejenergetičtější elektrony se nazývají zabijácké elektrony (killer electrones) a mechanizmus jejich vzniku není zcela jasný. Vnitřní pás objevil James Van Allen z Univerzity v Iowě na základě měření družic Explorer 1 a 3, vnější detekovala sonda Luna 1. Oba pásy jsou mimořádným nebezpečím jak pro kosmické sondy, tak pro člověka., které představují nebezpečný zdroj ionizujícího záření (částice v pásech ionizují okolní prostředí). Kroužící nabité částice vysílají také silný rádiový signál, který je snadno detekovatelný z vesmíru. Většinou vznikají dva Van Allenovy radiační pásy, vnitřní a vnější, tu a tam se vytváří i třetí pás či složitější uspořádání. Zachycené nabité částice se v pásech pohybují sem a tam podél siločar a odrážejí se efektem magnetického zrcadla v polárních oblastech, kde je pole silnější. Typický zachycený elektron překoná vzdálenost od pólu k pólu za několik sekund a pohybuje se po šroubovici o průměru několik centimetrů.

Přepólování

Magnetické pole vytvořené tekutinovým dynamem nemůže být nikdy stacionární, po určité době dojde vždy k rychlé migraci pólů, změně dipólového pole ve složitější pole s několika severními a jižními póly a následnému překlopení pole, při němž se severní pól stane jižním a jižní severním. U Slunce dochází k překlopení průměrně jednou za 11 roků, u Země jednou za přibližně 300 000 let. Ze sedimentů na mořských dnech, z lávových proudů a v posledním případě i z letokruhů stromů máme záznamy o více než 500 přepólováních zemského pole za posledních 170 milionů roků. K poslednímu přepólování došlo před 41 000 lety, ale póly se po 400 letech navrátily zpět. K poslednímu dokonanému přepólování došlo před 780 000 lety. Severní magnetický pól v současnosti velmi rychle mění svou polohu. V minulém století se pohyboval rychlostí kolem 15 km/rok, nyní jde o rychlost přibližně 55 km/rok, což je 5 500 km za století. V roce 2017 opustil severní magnetický pól západní polokouli (překročil datovou hranici) a pohybuje se směrem k Sibiři. Dipólová složka zemského pole postupně slábne, za posledních 200 let pole zesláblo o řádově 10 %. Vše nasvědčuje tomu, že se blíží další přepólování. Určitě to ale nebude „zítra“, střízlivé odhady hovoří o nejbližších deseti tisících letech. Samotné přepólování může trvat od desítek let po desítky tisíc roků a nemělo by zásadně narušit biosféru, protože k přepólování již došlo v minulosti mnohokrát a vliv na živé organizmy nebyl zaznamenán.

Nalevo: Cesta magnetického pólu. Magnetické póly podléhají krátkodobým denním variacím, střednědobé migraci a přepólování s průměrnou periodicitou 300 000 roků. Napravo: Přepólování za posledních 170 milionů roků. Černé oblasti jsou shodné se současnou polaritou zemského magnetického pole. Kresby: Ivan Havlíček, AGA.

Jihoatlantická anomálie

Díky flotile družic SwarmSwarm – trojice družic Evropské kosmické agentury určená k detailnímu měření magnetického pole Země ve více místech současně. Sondy startovaly v roce 2013 a letí v trojúhelníkové formaci (dvě ve výšce 450 km, třetí ve výšce 530 km) na zhruba polární dráze. Jména družic jsou: Alpha, Bravo a Charlie. Družice připravila společnost Astrium a startovaly z ruského kosmodromu Pleseck (180 km jižně od Archangelska) na palubě nosné rakety Rokot., které detailně mapují magnetické pole z oběžné dráhy, máme dnes podrobné informace o tzv. Jihoatlantické anomáliiJihoatlantická anomálie – oblast nacházející se nad Jižní Amerikou a Atlantickým oceánem mezi pobřežími Jižní Ameriky a Afriky. Jde o místo, kde se vnitřní radiační pás nejvíce přibližuje k Zemi, jde proto o oblast zvýšené radiace. V jihoatlantické anomálii je nejslabší magnetické pole Země, což je příčinou přiblížení radiačního pásu k Zemi. V roce 2020 bylo zjištěno rozdělení této anomálie na dvě samostatná minima. (SAA). Jde o rozsáhlou oblast táhnoucí se od Afriky po Jižní Ameriku se středem v Atlantiku, v níž je magnetické pole až o třetinu slabší než ve zbytku světa. Tato anomálie způsobuje, že Van Allenovy radiační pásyVan Allenovy pásy – jsou tvořeny nabitými částicemi (elektrony, protony a ionty O⁺, He⁺) zachycenými magnetickým polem Země ve vzdálenosti 1,2 až 7 R_Z. V polárních oblastech se odrážejí efektem magnetického zrcadla. Pásy existují dva, vnější složený především z elektronů a vnitřní obsahující kromě elektronů i hmotnější částice, především protony s vysokou energií. Částice v pásech pronikavě září. Jejich energie je od 1 keV do 100 MeV. Nejenergetičtější elektrony se nazývají zabijácké elektrony (killer electrones) a mechanizmus jejich vzniku není zcela jasný. Vnitřní pás objevil James Van Allen z Univerzity v Iowě na základě měření družic Explorer 1 a 3, vnější detekovala sonda Luna 1. Oba pásy jsou mimořádným nebezpečím jak pro kosmické sondy, tak pro člověka. sestupují blíže k zemskému povrchu – do výšky pouhých 200 kilometrů. Pro život na Zemi to nebezpečné není, stále nás chrání hustá atmosféra. Zásadní problém to však představuje pro družice na nízké oběžné dráze. Astronauté v raketoplánechRaketoplán – Space Shuttle (oficiálně Space Transportation System) byl americký pilotovaný kosmický letoun provozovaný pro lety do vesmíru agenturou NASA. Firma Rockwell International Space Systems Group (nyní Boeing North American) raketoplán vyprojektovala a postavila pět plně provozuschopných exemplářů. První let proběhl v roce 1981. Raketoplán startoval za pomoci nosné rakety, samostatně se pohyboval ve vesmíru a samostatně přistával. Lety byly řízeny z Johnsonova kosmického střediska v texaském Houstonu. Lety raketoplánu byly ukončeny v roce 2011. Obdobný sovětský projekt raketoplánu Buran nebyl dokončen, došlo k jedinému startu v roce 1988. pozorovali podivné záblesky, u laptopů docházelo k výpadkům a palubní elektronika byla vystavena mimořádně silné radiaci. Na Mezinárodní kosmické stanici (ISSISS – International Space Station, mezinárodní vesmírná stanice. Od roku 1993 je společným projektem americké NASA, Ruska, Kanady, evropských států sdružených v kosmické agentuře ESA a Japonska. První modul byl vynesen v roce 1998, první posádka na stanici byla v roce 2000. V roce 2008 byl k ISS připojen evropský výzkumný modul Columbus. V roce 2011 byl instalován víceúčelový americký modul Leonardo a v roce 2021 zatím poslední ruský modul Nauka. V roce 2011 letěl k ISS poslední raketoplán. Od té doby zajišťují styk se stanicí lety ruských lodí Sojuz, v poslední době se přidaly lodi Crew Dragon soukromé společnosti SpaceX. Na ISS operuje stálá posádka.) bylo přidáno dodatečné stínění, Hubblův dalekohledHST – Hubble Space Telescope, Hubblův vesmírný dalekohled. Největší dalekohled na oběžné dráze kolem Země, kde byl v roce 1990 umístěn do výšky 614 km. Průměr primárního zrcadla je 2,4 m. Z hlediska kosmologie je zajímavý HST Key Project (klíčový projekt HST), který v roce 1999 posloužil k prvnímu přesnějšímu určení Hubblovy konstanty. V lednu 2004 NASA zrušila servisní mise k tomuto unikátnímu přístroji, nicméně v roce 2006 bylo rozhodnuto o poslední servisní misi, která měla proběhnout v roce 2008. Mise byla kvůli závadě na dalekohledu odložena a uskutečnila se v květnu 2009. vypíná při průletu touto oblastí klíčové přístroje. V roce 2016 startovala japonská rentgenová družice Hitomi, jejíž systémy selhaly v důsledku řetězce softwarových chyb a anomálií, které nastaly shodou okolností právě během průletu Jihoatlantickou anomálií. Data ze satelitů Swarm ukazují, že se anomálie v posledních letech vyvíjí, posouvá se na západ a začíná se dělit na dvě samostatná minima.

Mapa magnetického pole Země. Zdroj: Swarm, kresba Ivan Havlíček.

Původ vody na Zemi

Dlouho jsme věřili tomu, že raná Země byla žhavá, bezvodá koule. Podle převládajícího názoru vodu na Zemi dopravily až během tzv. pozdního těžkého bombardování ledové komety z okraje Sluneční soustavy. Moderní vesmírné mise a laboratorní analýzy meteoritů tento pohled zcela vyloučily. Ukázalo se, že voda na Zemi je mnohem starší a objevila se pravděpodobně už spolu se Zemí v době, kdy vznikala z protoplanetární mlhoviny, která obepínala rodící se Slunce.

Izotopové složení komet

Klíčem k rozluštění původu vody je poměr deuteriaDeuterium – těžký vodík, v jádře má jeden proton a jeden neutron. V průměru na Zemi připadá na 7 000 atomů normálního vodíku jeden atom deuteria. Jde o stabilní izotop vodíku. a běžného vodíku (D/H). Deuterium je těžký izotop vodíku, který má v jádře navíc jeden neutron. Každé těleso ve vesmíru, které obsahuje vodu, má tento poměr charakteristický – v jistém smyslu připomíná jakýsi otisk prstu. Jiný je u kometKometa – těleso malých rozměrů obíhající kolem Slunce většinou po protažené eliptické dráze s periodou od několika let po tisíce roků. Při přiblížení ke Slunci se vypařuje část materiálu jádra a kometa vytváří komu a eventuálně ohon. Jde o pozůstatky materiálu z doby tvorby sluneční soustavy. Dnes se nacházejí v Oortově oblaku za hranicemi sluneční soustavy, ve vzdálenosti 20 000÷100 000 au. Některé komety pocházejí i z bližšího Kuiperova pásu., planetekPlanetka – nesprávně asteroid, malé těleso o rozměrech maximálně stovek kilometrů na samostatné dráze kolem Slunce. Nejvíce planetek se nachází v tzv. Hlavním pásu mezi drahami Marsu a Jupiteru. Obdobná tělesa jsou i v Kuiperově pásu za drahou Neptunu. či vesmírných mlhovin. Když evropská sonda RosettaRosetta – sonda ESA vypuštěná 2. března 2004, která byla jako první navedena na oběžnou dráhu kolem jádra komety (67P/Čurjumov–Gerasimenko dne 6. srpna 2014). Dále uskutečnila průlet kolem planetek 2867 Steins (5. září 2008) a 21 Lutetia (10. července 2010); řízené přistání na jádru komety (modul Philae, 12. listopadu 2014). Během cesty ke kometě se podílela na projektu Deep Impact při pozorování komety 9P/Tempel 1 a projektu New Horizons při pozorování Jupiteru a plazmového toru měsíce Io. Sonda spolu s kometou prošla perihéliem 13. srpna 2015. Mise byla několikrát prodloužena a definitivně byla ukončena dne 30. září 2016 řízeným pádem na povrch komety. v roce 2014 změřila poměr D/H u komety 67P/Čurjumov-Gerasimenko, ukázalo se, že voda na této kometě obsahuje třikrát více deuteria než voda na Zemi. Podobně dopadla měření u dalších komet, například Halleyovy nebo Haleho-Boppovy. Výsledek je jednoznačný: komety z chladných oblastí na periferii Sluneční soustavy nebyly hlavním zdrojem vody na Zemi.

Kometa 67P/Čurjumov-Gerasimenko, u níž sonda Rosetta naměřila zcela jiný poměr
D/H než jaký má voda na Zemi. Zdroj: ESA/Rosetta.

Analýza meteoritů

Vědecké analýzy ukázaly, že skutečným dárcem vody byly meteority ze středních a vnitřních oblastí rodící se Sluneční soustavy. V uhlíkatých chondritechChondrit – druh kamenného meteoritu. Je složený z primitivní hmoty, která se svým obsahem blíží složení materiálu, ze kterého vznikala Sluneční soustava. V chondritech ze střední části Sluneční soustavy se nachází voda vázaná na jíl, v chondritech, které vznikaly v blízkosti Slunce, se nachází vodík vázaný na sloučeniny síry. Voda se na Zemi pravděpodobně dostala z takovýchto materiálů už při jejím vzniku., které vznikají rozpadem planetek z Hlavního pásuHlavní pás – pás planetek mezi drahami Marsu a Jupiteru. Největším tělesem je planetka Ceres (průměr 974 km) objevená v roce 1801. V roce 2005 překročil počet známých těles Hlavního pásu 100 000. Jejich úhrnná hmotnost je ale velmi malá. Existuje zde jen 16 těles s rozměry nad 240 km. mezi Marsem a Jupiterem, je poměr D/H zcela identický se složením našich oceánů. Voda není v těchto tělesech v kapalném stavu, ale je v nich chemicky vázána v jílech. Výzkum z let 2020 až 2025 ukázal, že dalším zdrojem vody byly enstatitové chondrity – dnes drobné úlomky, které se formovaly velmi blízko Slunce a kdysi tvořily primární stavební materiál pro rodící se protozemi. Enstatitové chondrity jsou bohaté na vodík vázaný v sirných sloučeninách, ze kterého při reakci s kyslíkem z křemičitanů vzniká voda. Původ největšího množství vody je tedy v oblasti, kde by ho nikdo nečekal – v rozžhavené vnitřní části rané Sluneční soustavy. Zásoby vodíku v enstatitových chondritech jsou natolik obrovské, že by vystačily na trojnásobek vody v zemských oceánech. To znamená, že se Země s vodou, respektive vodíkem a kyslíkem, už narodila. Jak mladá planeta rostla, teplo a vulkanizmus vytlačily hustou vodní páru s ostatními plyny na povrch. Planeta postupně chladla, pára zkondenzovala a vytvořila zemské oceány.

Dočasné Měsíce

Našemu Měsíci bude věnována další kapitola. Na tomto místě se zmiňme jen o tom, že se Měsíc vzdaluje od Země o 3,84 cm za rok. Na vině je výměna hybnosti a momentu hybnosti se Zemí, která u naší planety způsobuje příliv a odliv a vyvolává nepatrnou změnu periody její rotace. V současnosti je Měsíc úhlově stejně velký jako Slunce, díky čemuž máme skvělou příležitost pozorovat úplná zatmění Slunce. Naši vzdálení potomci však takové štěstí mít nebudou a není vyloučeno, že Země v budoucnosti o svůj Měsíc dokonce úplně přijde. Tvrzení, že kolem Země obíhá jediný měsíc, je poněkud zjednodušené. Země pravidelně zachytává malá tělesa a planetky, které se stanou našimi souputníky na několik týdnů, měsíců či dokonce let. Krátkodobé záchyty nazýváme dočasné měsíce neboli miniměsíce, ty dlouhodobější získaly pojmenování kvaziměsíce.

Miniměsíce

Podle počítačových modelů a moderních studií kolem Země v každém okamžiku obíhá v průměru až šest miniměsíců o rozměru 1 až 2 metry, které pocházejí z Měsíce (z materiálu vyvrženého po dopadu meteoritů). Jsou ale natolik malé, že je současnou technikou není možné přímo pozorovat. Sledovatelné objekty tohoto typu jsou až zachycené planetky, které vykonají alespoň jeden oběh kolem naší planety, většinou po chaotické dráze. Typické rozměry jsou v jednotkách, maximálně desítkách metrů. Ke známým tělesům tohoto typu patří například 2006 RH120, který strávil u Země necelý rok, nebo 2020 CD3, jenž Zemi před svým objevem obíhal několik let. Dalším příkladem je těleso 2024 PT5 o průměru kolem deseti metrů, které Zemi obíhalo po dobu 53 dní na podzim roku 2024.

Kvaziměsíce

Kvaziměsíce ve skutečnosti obíhají Slunce po velmi podobné dráze jako Země, přičemž dochází k dráhové rezonanci v poměru 1:1. Z pohledu Země to pak vypadá, jakoby nás daný objekt doprovázel a kroužil kolem nás. Taková tělesa mohou v blízkosti Země vydržet i několik staletí. Typickým příkladem je kvaziměsíc Kamo'oalewa (2016 HO3), který se nachází na velmi stabilní dráze. Čína k němu v květnu 2025 vyslala ambiciózní sondu Tianwen-2, která má za úkol odebrat vzorky z jeho povrchu.. V srpnu 2025 byl navíc objeven kvaziměsíc 2025 PN7 o průměru přibližně 19 metrů. Podle podrobných výpočtů dráhy doprovází naši planetu jako skrytý souputník už zhruba sedm desetiletí a jako kvaziměsíc setrvá přibližně do roku 2083, než jej sluneční gravitace přetáhne na jinou dráhu.

Umělecká představa kvaziměsíce Kamo'oalewa, v pozadí Měsíc.
Zdroj: Addy Graham, University of Arizona.