По иронии судьбы одно из наиболее удивительных и прекрасных зрелищ на небосклоне нашей планеты — мерцающие по ночам полярные сияния — дают нам ключ к пониманию природы недоступного и загадочного земного ядра. Основная причина возникновения полярных сияний — взаимодействие магнитного поля, генерируемого в ядре, и так называемого «солнечного ветра» — потока электрически заряженных частиц, идущего от Солнца.
Многое должно сообщить ядро и об образовании Земли, и о ее геологической истории. Действительно, есть указания на то, что ядро до сих пор оказывает воздействие на распределение температуры в вышележащей мантии и, таким образом, может косвенно управлять крупномасштабными геологическими процессами на поверхности Земли.
Ясно также, что состав ядра является важным фактором при построении любой модели валового химического состава Земли. Современное строение ядра лучше всего определяется по сейсмологическим данным, т. е. сведениям, которые получают при изучении распространения упругих волн, возникающих в результате землетрясений. Согласно этим данным, ядро простирается от глубин порядка 2900 км до центра Земли на глубине 6370 км.
Сейсмологические данные указывают также на то, что внутреннее ядро с радиусом около 1200 км твердое, а внешнее ядро находится в жидком состоянии. К вопросу о возможном составе твердой и жидкой фаз мы еще вернемся. Известно, что физические условия на этих глубинах экстремальны. Давление колеблется от 1,3 до 3,5 млн. атмосфер, что в 1,3 — 3,5 млн. раз выше атмосферного давления на поверхности Земли.
Температура ядра оценивается в 4 — 5 тыс. градусов Цельсия. Наиболее прямые сведения о состоянии ядра в прошлые эпохи дает изучение древнего магнитного поля Земли. Так, например, намагниченность самых древних горных пород позволяет предположить, что любой процесс, генерирующий в ядре магнитное поле, должен был действовать уже 3,5 млрд. лет назад. Ученые, работающие в этой области, все еще далеки от полного понимания природы геомагнитного поля: неясно, каким образом оно генерируется, когда и как впервые возникло и как изменялось в дальнейшем.
Тем не менее в настоящее время мы, пожалуй, начинаем понимать, каким путем могло образоваться и эволюционировать земное ядро и какие процессы влияли на геологическое развитие Земли.
Геомагнитное поле часто изображают как поле диполя. Другими словами, оно похоже на поле, которое создавалось бы помещенным в центре Земли полосовым магнитом, силовые линии поля которого выходят из южного магнитного полюса и оканчиваются на северном. В действительности это описание очень схематично, поскольку геомагнитное поле подобно полю диполя лишь вблизи поверхности Земли, где изучать его проще всего.
В окружающей Землю магнитосфере силовые линии магнитного поля сильно искривлены под воздействием солнечного ветра. Они приближены к Земле на освещенной Солнцем стороне планеты и сильно вытянуты в околоземное пространство на ночной стороне. Во всех моделях источника геомагнитного поля силовые линии в ядре искривлены сходным образом. Тем не менее стоит напомнить, что до 90% наблюдаемого на поверхности Земли поля является дипольным. Остальная часть поля состоит из более сложных узоров силовых линий, которые можно представить в виде поля нескольких диполей, отличающихся от диполя, создающего основную часть современного поля.
После пионерских работ В. Эльзассера из Университета Джонса Гопкинса, Э. Булларда из Кембриджского университета и других исследователей было выяснено, что происхождение геомагнитного поля связано с магнитогидродинамическими процессами в жидком внешнем ядре Земли. Суть заключается в том, что эти процессы возбуждают конвективные течения в электропроводящей жидкости, в результате чего ядро начинает действовать как динамо, поддерживая и регенерируя магнитное поле.
В частности, когда силовые линии магнитного поля, направленные к центру Земли (полоидальная компонента), входят во внешнее ядро, они вытягиваются в направлении вращения планеты. Вращение твердого внутреннего ядра, вероятно, приводит к закручиванию силовых линий магнитного поля вокруг оси вращения Земли, создавая тороидальную компоненту поля. Кроме того, полагают, что силовые линии магнитного поля искривляются также мелкомасштабными вихревыми движениями, возникающими вследствие вращения ядра вместе с остальной частью земного шара.
Эти вихревые движения сходны по своей структуре с возникающими в атмосфере ураганами. Хотя искривления магнитных силовых линий играют основную роль в современных теориях магнитного динамо, ни истинное происхождение, ни детальная картина их не известны.