Ослабление магнитного поля Земли привело к резкому ускорению эволюции многоклеточной жизни. В Бразилии и ЮАР нашли ископаемые свидетельства того, что сила магнитного поля Земли была примерно в 30 раз ниже текущих значений в конце эдиакарской эпохи, около 590-560 млн лет назад. Одной из определяющих особенностей Земли является ее магнитное поле. Оно образует защитный щит от высокоэнергетических частиц, выбрасываемых Солнцем, и, таким образом, возможно, предоставило жизни более безопасное место для роста в сложный массив организмов, который мы видим сегодня.
Большая часть современных групп и типов животных появилась примерно 540-520 млн лет назад в ходе так называемого «кембрийского взрыва» — резкого ускорения эволюции и увеличения многообразия многоклеточных существ. В это время возникли предки червей, насекомых, рыб и прочих позвоночных животных. Ученых давно интересует, как именно и по какой причине эволюция многоклеточных существ резко ускорилась в этот период времени.
Ученые обнаружили в Бразилии и ЮАР ископаемые свидетельства того, что сила магнитного поля Земли была примерно в 30 раз ниже текущих значений в конце эдиакарской эпохи, около 590-560 млн лет назад. Это ослабление привело к резкому ускорению эволюции многоклеточной жизни в рамках «кембрийского взрыва», пишут исследователи в статье в журнале Communications Earth & Environment.
«Традиционно считается, что «кембрийский взрыв» произошел в результате того, что в конце эдиакарской эпохи концентрация кислорода в воздухе и воде резко выросла. Проведенные нами замеры говорят о том, что рост концентрации кислорода в атмосфере и гидросфере был связан с длительным периодом резкого ослабления магнитного поля планеты, который продлился около 30 млн лет», — говорится в исследовании.
К такому выводу пришла группа американских, китайских и южноафриканских геологов под руководством профессора Рочестерского университета Джона Тардуно при изучении образцов пород, сформировавшихся в разные периоды протерозойской эры в разных регионах планеты. Тардуно и его коллеги уже много лет изучают, как менялась сила магнитного поля Земли с момента ее формирования, для чего ученые собирают образцы древних пород и замеряют их остаточную намагниченность.
Недавно, как отмечают геологи, их коллеги обнаружили возможные свидетельства того, что сила магнитного поля Земли значительным образом ослабла в конце эдиакарской эры, незадолго до «кембрийского взрыва». Профессор Тардуно и другие исследователи проверили, так ли это на самом деле, для чего они измерили уровень намагниченности кристаллов магматических пород, которые сформировались около 2 млрд лет назад на севере современной ЮАР, а также 590 млн лет назад на юге современной Бразилии.
Эти замеры показали, что 2 млрд лет назад Земля уже обладала достаточно сильным магнитным полем, сопоставимым по силе с его текущей напряженностью. В свою очередь в конце эдиакарской эры у Земли было аномально слабое магнитное поле, чья напряженность не превышала 1,5 микротесла. Это значение примерно в три десятка раз ниже, чем текущая сила магнитного поля Земли (около 40 микротесла).
Проведенные учеными расчеты показывают, что это ослабление в несколько раз ускорило «побег» ионов водорода из верхних слоев атмосферы в космическое пространство под действием вспышек на Солнце и ударов солнечного ветра. В результате этого доля кислорода в атмосфере выросла на несколько процентов, что создало выгодные условия для зарождения и быстрой эволюции многоклеточной жизни.
Самыми потрясающими признаками магнитного поля Земли являются полярные сияния, танцующие завесы разноцветного света, которые появляются возле Северного и Южного полюсов во время высокой солнечной активности. Еще одним признаком того, что у Земли есть магнитное поле, является то, что компас указывает на север, где бы вы ни находились на планете.
Но как мы можем узнать, есть ли магнитные поля у других планет или тел Солнечной системы? И можно ли узнать, есть ли у далеких экзопланет магнитные поля?
Мы знаем, что газовые гиганты Солнечной системы ( Юпитер и Сатурн ) и ледяные гиганты ( Уран и Нептун) обладают сильными собственными магнитными полями. Однако, по словам Джозефа Г. О’Рурка, планетолога из Университета штата Аризона, с планетами и спутниками земной группы все немного сложнее.
Земля, Меркурий и спутник Юпитера Ганимед сегодня имеют внутренние генерируемые магнитные поля. По словам О’Рурка, Марс и Луна Земли имеют старые породы земной коры, которые сохраняют остатки намагниченности магнитных полей, существовавших в начале их истории.
Что касается другого соседа Земли, «на Венере не было обнаружено собственного магнетизма , но мы не доставили инструменты достаточно близко к поверхности, чтобы искать намагниченную кору», добавил он.
Чтобы магнитное поле существовало на планете или луне, внутри этого тела должен находиться в движении большой объем проводящей жидкости. Тело могло бы потерять свое магнитное поле, если бы эти материалы прекратили движение или если бы разница температур между нагревом и охлаждением материалов не была достаточной, чтобы вызвать конвекцию жидкостей внутри планеты или луны, и в этом случае жидкости будут двигаться слишком медленно, сказал О’Рурк.
По мнению О’Рурка, в случае очевидного отсутствия магнитосферы, к примеру, на Венере есть четыре возможности.
Общепринятая идея состоит в том, что Венера имеет ядро, подобное Земле, но остывает слишком медленно. Поскольку на Венере отсутствует тектоника плит, ее недра могут охлаждаться медленнее, чем у Земли.
Выброс корональной массы, вырывающийся из Солнца и затем поражающий магнитосферу Земли. ЕКА/НАСА – SOHO/LASCO/EIT
Однако альтернативная возможность состоит в том, что внутренняя часть Венеры полностью тверда. Для этого ядро планеты должно быть намного холоднее земного, что, по мнению О’Рурка, маловероятно. Миссия НАСА по излучению Венеры, радионауке, InSAR, топографии и спектроскопии, запланированная на 2031 год, и миссия Европейского космического агентства EnVision попытаются выяснить, является ли ядро Венеры хотя бы частично жидким.
Альтернативно, у Венеры может отсутствовать внутреннее ядро. Внутреннее ядро Земли помогает генерировать магнитное поле нашей планеты. По мере кристаллизации ядро выбрасывает примеси (элементы легче железа), что создает химическую плавучесть, которая приводит в движение жидкость. Возможно, Венера еще не сформировала внутреннее ядро, поэтому ей не хватает дополнительного источника энергии.
Четвертая возможность, по словам О’Рурка, заключается в том, что ядро Венеры может быть химически расслоенным. Удар, образующий Луну, мог взбудоражить ядро древней Земли, позволив ему генерировать магнитное поле, когда оно начало остывать. Однако у Венеры нет спутников, а это может означать, что ее ядро никогда не смешивалось.
Лучший способ определить, обладают ли тела Солнечной системы магнитными полями, — это отправить космический корабль к объекту и измерить интенсивность магнитного поля с помощью магнитометра. Однако ученые смогли удаленно обнаружить магнитное поле Юпитера еще в 1950-х годах, улавливая радиоизлучение полярных сияний планеты.
О’Рурк сказал, что магнитные поля — один из лучших способов узнать о недрах планет. Наличие сильного магнитного поля говорит ученым о том, что на планете есть большой резервуар электропроводящей жидкости, которая может перемещаться.
Динамо — это процесс, посредством которого энергия движения жидкости преобразуется в магнитное поле, объяснил О’Рук. На планетах земной группы металлические ядра могут содержать «динамо-машины», как сегодня на Земле. Однако жидкие силикаты (в основном расплавленные породы) также являются электропроводными при экстремальных давлениях и температурах. Водород становится металлическим глубоко в недрах газовых гигантов, таких как Юпитер и Сатурн, что обеспечивает их сильные магнитные поля».
Что касается экзопланет — планет за пределами Солнечной системы, планетологи пока однозначно не обнаружили наличие магнитных полей. Но астрономы обнаружили полярные сияния, возникающие из-за магнитных полей, у небольших звезд, известных как коричневые карлики и маломассивные М-карлики.
Ученые-планетологи в настоящее время спорят, защищают ли магнитные поля в целом планетарные атмосферы. С одной стороны, магнитные поля могут защищать атмосферу от звездных ветров, особенно вблизи магнитного экватора. С другой стороны, магнитные поля могут направлять заряженные частицы в полярные области, а ряд механизмов, которые способствуют выходу из атмосферы, не подвергаются сильному влиянию магнитных полей, объяснил О’Рурк.
Земля сохраняла как магнитное поле, так и обитаемую поверхность на протяжении миллиардов лет. Марс выделил большую часть своей воды в космос примерно тогда, когда его магнитное поле исчезло. На Венере, в адском мире, отсутствует магнитное поле. В нашей солнечной системе магнетизм коррелирует с обитаемостью. Однако корреляция не является причинно-следственной связью.
Когда мы получим больший размер выборки экзопланет посредством наблюдений с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба, ученые-планетологи начнут раскрывать взаимосвязь между магнитными полями и обитаемостью планет. Полярные сияния могут быть одним из первых индикаторов того, что нам следует присмотреться к признакам жизни.
У магнитного поля Земли есть хвост. Когда солнечный ветер ударяет по планете, он оставляет после себя своего рода длинную тень, которая тянется за нашей планетой. Ученые называют этот магнитный хвост магнитосферным хвостом. Обычно хвост магнитосферы усыпан магнитными бурями.
В течение последних нескольких лет ученые знали о загадке хвоста магнитосферы: пропавшем шторме. Они обнаружили признаки шторма, но никакого регистрируемого шторма, который мог бы ему соответствовать. В настоящее время этим вопросом занимается миссия НАСА «Магнитосферный многомасштабный» (MMS).
НАСА/ Центр космических полетов Годдарда – лаборатория концептуальных изображений
MMS состоит из четырех спутников, которые были запущены на одной и той же ракете Atlas V в 2015 году. С тех пор квартет изучает магнитопаузу Земли: границу региона, в котором доминирует магнитное поле планеты. Магнитопауза постоянно полна магнитных пересоединений, которые относятся к тому, когда линии, составляющие магнитное поле, собираются вместе, распадаются, а затем воссоединяются, создавая блестящие потоки тепла и кинетической энергии. Эти пересоединения, если они происходят в атмосфере Земли могут вызвать полярные сияния.
Ученые называют эти порывы суббурями. В 2017 году MMS обнаружила характерное магнитное пересоединение суббури, но реальной суббури, которая могла бы с этим совпадать, не было. Суббуря должна была сопровождаться сильными электрическими токами и флуктуациями магнитного поля, но MMS не обнаружила следов ни того, ни другого.
«Мы не изучали движение силовых линий магнитного поля в глобальном масштабе, поэтому вполне возможно, что эта необычная суббуря была очень локализованным явлением, которое удалось наблюдать MMS», — сказал Энди Маршалл, постдок Юго-западного исследовательского института в своем заявлении. «Если нет, это может изменить наше понимание взаимосвязи между пересоединением на хвостовой стороне и суббурями».
В 2025 году MMS будет измерять магнитные пересоединения в реальном магнитном поле Земли, в то время как ученые на Земле будут проводить моделирование магнитного поля, чтобы понять, как оно ведет себя. Сравнивая эти два явления, ученые надеются, что смогут разгадать загадку, лучше поняв точную взаимосвязь между повторным соединением и событиями, которые оно вызывает.
«Вполне возможно, что существуют значительные различия между глобальными моделями конвекции хвоста магнитосферы для суббурь и пересоединением хвоста без суббури», — сказал Маршалл.