Letná škola astronómie – Hurbanovo

Astronomické a geofyzikálne observatórium FMFI UKModra – Piesok

15. 7. 2005

Geodynamo a platňová tektonika

S. Ševčík Katedra astronómie, fyziky Zeme a meteorológie FMFI UK

Bratislava

Konvekcia v plášti a pohyb litosférických dosiek• gigantický tepelný stroj pracujúci v plášti, ktorý je pružný

v krátkych časových škálach (1s – 1 deň - 1 rok –10 r.), ale v dlhých časových škálach (10-100 mil.rokov) konvektuje a môžeme ho modelovať hydrodynamickýmirovnicami pre extrémne viskóznu „kvapalinu“ s rýchlosťaminiekoľko centimetrov za rok

• dáva o sebe informácie priamo (tepelný tok na povrchuZeme, nový materiál v stredooceánskych chrbtoch, rôznetypy magmatického materiálu môžeme chemickyanalyzovať) aj nepriamo (seizmická tomografia, analýzatiažového potenciálu, ktorý „vidí“ hustotné nehomogenity,vlastné kmity Zeme vybudené pri veľmi silnýchzemetraseniach,...)

• súčasne je tajomný, lebo niektoré povrchové štruktúry„miznú“ v hlbinách Zeme pri tektonických pohyboch a„stráca“ sa tak stav z dávnej geologickej minulosti

Konvekcia v kvapalnom jadre a generácia magnetického poľa Zeme (MPZ)

• gigantický tepelný stroj (geodynamo) s konvektujúcouvysoko elektricky vodivou kvapalinou hnanou tepelne akompozične s pohybmi 0,1 mm/sek.

• pohyb elektricky vodivej kvapaliny v magnetickom poli zabezpečuje regeneračné mechanizmy MPZ proti rozpadu

• konvekcia a jej rýchlosť udržuje magnetické pole, ktoréspätne pôsobí na rýchlosť tečení – je tu spätná väzba medzioboma poliami (rýchlosť v a magnetické pole B)

• časová škála pravidelných zmien magnetického poľa je 100 – 1000 – 10 000 rokov

• systém umožňuje inverzie (prepólovanie) dipólovej časti• systém dáva o sebe informácie – meranie na magnetických

observatóriach, paleomagnetické analýzy horninovýchvzoriek, archeomagnetizmus

• výsledky paleomagnetizmu informujú o tektonike v minulosti

Oba konvektívne systémy sú v kontakte• kontaktnou fyzickou hranicou je rozhranie jadro-plášť(CMB core-mantle boundary) v hĺbke 2891 km (od streduZeme 3480 km)

• „najdramatickejšia“ diskontinuita v Zemituhá fáza v plášti – kvapalná fáza vo vonkajšom jadreľahšie oxidy a silikáty v plášti – ťažká železitá tavenina v jadreskok v hustote: 5570 kg/m3 – 9900 kg/ m3

skok v rýchlosti pozdĺžnych seizmických vĺn: 13,72 – 8,06 km/sskok v rýchlosti priečnych seizmických vĺn: 7,26 – 0 km/s

• rozhranie má topografické nerovnosti – bumpy • materiál jadra môže chemicky reagovať s materiálom plášťa• odvod tepla z jadra je regulovaný konvekciou v plášti• nad rozhraním je niekoľko 100 km hrubá najspodnejšia časť

plášťa (tzv. D’’ vrstva) - tepelná hraničná vrstva, ktorá môžebyť nestabilná a „korenia“ v nej stúpajúce toky horúcehomateriálu – plumy (plášťové hríby), prinášajú nám informácie

O čom budeme hovoriť – 1. časť

• stavba Zeme – základné radiálne vrstvy Zeme• diskontinuity medzi vrstvami a ich charakter• povrchová morfológia litosférickych dosiek – tvar a veľkosť• základné typy kontaktu medzi doskami a pohyb dosiek• ako boli dosky rozmiestnené v geologickej minulosti• fundamentálna otázka č.1

• možné scenáre konvekcie v plášti a plumy• seizmická tomografia a jej výsledky – 2 modely z r. 1995• prečo je diskontinuita v 660 km hĺbke taká zaujímavá adôležitá

• geochemické argumenty a primordiálne (primitívne) oblastiplášťa

• fundamentálna otázka č.2

• statické ukážky počítačových modelov konvekcie v plášti

Stavba Zeme – radiálne vrstvy

Kôra – oceánska (5-15 km, 60% plochy celej kôry, 20% objemu celej kôry) a kontinentálna (pevninská, 30-50-70 km, zloženie granodiorit, živce, kremeň, mámenšiu hustotu ako oceánska)

Mohorovičičova diskontinuitaPlášť-vrchný (hranice: kôra – 660 km), jeho súčasťouje časť litosféry, astenosféra a prechodová zóna

diskontinuita v 660 kmPlášť – spodný (hranice 660 – 2890 km), jeho súčasťou je dôležitá D“ vrstva úplne na spodu

CMB – rozhranie jadro-plášťKvapalné (vonkajšie) jadro–hranice 2890–5155 km

ICB – inner core boundaryPevné (vnútorné) jadro –hranice 5155 – stred Zeme

Kôra – hrúbka 1-70 km, krehká, dopukanáPlášť – peridotity (olivíny+pyroxény,...)

Kvapalné jadro – Fe+Si,S,O,..Tuhé vnútorné jadro – ε-Fe

Litosféra = kôra + najvrchnejšia časť vrchného plášťa,charakteristická hrúbka 100 km, je rozdelená na12 väčších dosiek, ktoré sa ešte môžu deliť namenšie

• mechanicky je krehká, rigidná-pevná, • nová litosféra vzniká v stredooceánskych chrbtoch, kdeje vytláčaný natavený materiál vrchného plášťa z astenosféry,ktorý postupne chladne a zmršťuje sa, rastie jeho hustotas vekom a na niektorých miestach sa môže podsúvať podinú dosku a klesať do plášťa (je to „miešačka“)

• dosky sa pohybujú rýchlosťou 1-7-10 cm/rok, je to podobnéako pohyb ľadových krýh na vode, pohyb každej dosky je limitovaný pohybom iných, dosky tvoria jeden systém

• dosky sa dotýkajú v troch typoch hraníc (intenzívna seizmickáaktivita): konvergentné – so subdukciou (podsúvanie)transformné - (horizontálne sa kĺžu jedna voči druhej)divergentné – stredooceánske chrbty

Astenosféra – pod litosférou • v hĺbke 100-350 km, čiastočne

natavená, geoterma (priebeh teploty shĺbkou) je „blízko“ teplote tavenianiektorých minerálov

• nižšia viskozita, plastický stav• zóna znížených seizm. rýchlostí• litosférické dosky plávajú a kĺžusa na astenosférickom substráte

Prechodová zóna – súčasť vrchného plášťa • v hĺbkach 400-670 – (1000) km • plášťové minerály podliehajú fázovým prechodom, keď z jednej kryštalografickej sústavy prechádzajú na inútesnejšie usporiadanú (hlavne olivíny tým spôsobia hustotnédiskontinuity seizmicky detekovateľné: 410, 520, 660 km)

• hranica 660-670 km je rozhranie medzi vrchným a spodnýmplášťom – 2 modely konvekcie v plášti (celoplášťová a

dvojvrstvová)

Súčasné rozmiestnenie a ohraničenie litosférických dosiek

Základné pohybové trendy dosiek a 3 typy kontaktu-hraníc

Mapa povrchovej geomorfológie kontinentov a podmorských stredooceánskych chrbtov – celkom asi 60 000 km „pohorí“

Atacama zlom, Chile – satelitný snímokNiekoľko 100 km paralelne s pobrežím.Zlom je aktívny, má transformné pohybya taktiež kolmo na zlom

Zlom San Andreas – San Francisco, USA, obrovské množstvo geofyzikálnych meraní a monitorovaní

Hranice dosiek koincidujú s epicentrami zemetrasení, vulkánov a zvýšeného tepelného toku

Mapa epicentier zemetrasení za obdobie 1978-1987

Otázka: aký typ hranice je v seizmoaktívnej zóne, kde bolo posledné silné zemetrasenie, ktoré spôsobilo vlny tsunami a ktoré dosky spôsobili svojou

kolíziou toto zemetrasenie?

Rozmiestnenie kontinentov v geologickejminulosti spred 180 mil.rokov.

Rekonštrukcia je navrhnutá aj do hlbšej minulosti. PrakontinentPangea sa rozdelil na dve časti: Lauráziu a Gondwanu. Jej súčasťou bola aj dnešná India, ktorá na „snímke“ spred 135 mil. rokov putuje na sever a pred asi 45 mil. rokov „narazí“ na Lauráziu a vyvrásnia sa postupne Himaláje.

A v budúcnosti nás čaká stav, keď do Ameriky pôjdeme autom cez Afriku

Pohyby kontinentov v geologickej minulosti dramaticky menili klimatické pomery a chod teplých a studených prúdov vo svetových oceánoch.

Identifikované boli 4 najväčšie periódy zaľadnenia:• najsilnejšia bola pred 800-600 mil. rokov, keď

Zem bola ako „snehová guľa“ a ľad ju pokrývalúplne

• menšie zaľadnenia boli v období 460-430 mil.rokov a pred 350-250 mil. rokov

• v Pleistocéne ľadové doby boli viac či menej intenzívne s periódami 40 000 a 100 000 rokov

• posledná ľadová doba skončila pred 10 000 r.

MORB

MORBOIB

V stredooceánskych chrbtoch (spreading zones)vychádza na povrch z asteno-sféry materiál MORB(mid-ocean ridge basalts).Chemické zloženie je temerrovnaké po celej dĺžke týchto divergentných zón (60 000 km)

Iným typom konvekcie sú plumy, ktoré tvoria stúpajúci teplý materiál z rozhrania CMB a ich „hlava“ sa môže dostať až na povrch. Plumy súvisia s tzv. horúcimi bodmi, ktoré nemajú nič spoločné s hranicami platní a môžu byť

aj v strede dosiek, napr. Havajské ostrovy. Materiál, ktorý prinášajú, je odlišný od MORB-ov a volá sa OIB (ocean island basalts). Jednotlivé OIBsa však chemicky líšia, teda musí existovať niekoľko rezervoárov pre OIB.

Havajské ostrovy sú príkladom, keď v centre Pacifickej dosky vystupuje teplý materiál (plume – plášťový hríb), ktorý „prepaľuje“ dosku a vzniká reťazec ostrovov. Materiál, ktorý plume prináša, sa nazýva „ocean island

basalts – OIB. Chemickou a rádio-izotopovou analýzou sa ukázalo, že OIB majú rôzne zloženie. Podstatné sú stopové prvky. Ak sú chemicky rôzne, musia mať rôzne zdroje – rezervoáre. Rádiometrické datovanie ukázalo, že majú vek 1-2 mld. rokov, čo je menej ako vek Zeme, a teda nie sú primitívne.

Seizmické diskontinuity v precho-dovej vrstve plášťa spôsobujú fázové prechody olivínu (tuhý roztok forsteritu a fayalitu).Fázové prechody (zmena kryšta-lografickej sústavy do tesnejších štruktúr) prebiehajú v hĺbkach 410, 520 km, kde fázový prechod má charakter polymorfného fázového prechodu, t.j. stále je to chemicky ten istý minerál, len sa mení usporiadanie atómov v mriežke. Clapeyronov sklon je kladný.

V hĺbke 660 km sa γ-fáza mení na Mw a Pv a Clapeyronov sklon je záporný, čo vedie k výsledku, že rozhranie v 660 km môže byť zádržou pre stúpajúce a klesajúce hmoty. Preto rozhranie v 660 km je pri veľkom záp. Clapeyronovomsklone prekážkou konvekcii.

Fundamentálna otázka č. 1:Prečo vlastne v rámci litosféry dosky vznikli a akými

mechanizmami sa litosféra „rozdelila“ na jednotlivé časti?• ak roztavená guľa chladne, tak na jej povrchu vzniká pevné súvislé veko (v prípadeZeme to je litosféra) a pod ním môže tavenina konvektovať

• prečo v prípade Zeme v určitých oblastiach tuhej pokrývky vznikli slabé oblasti, ktoré viedli k vzniku hraníc litosférických dosiek, súvislé veko sa „rozlámalo“ a týmmohla nastúpiť tektonika platní – je to reologický problém

• na iných terestriálnych planétach (Mars, Venuša) nie je tektonika, resp. bola lenepizodická

Fundamentálna otázka č. 2:Aký charakter má konvekcia v plášti?

Je celoplášťová a teda materiál zo spodného plášťa má šancudostať sa niekedy na povrch, alebo je v dvoch vrstvách, t.j.

v hornom plášti cez stredooceánske chrbty (mid-ocean ridge basalts – MORB) vystupuje asténosférický materiál

a v spodnom plášti môže byť primordiálny materiál, ktorý sa cez plumy môže tiež dostať na povrch, ale len v oblastiach horúcich

škvŕn (hot spots).

• v raných štádiach vývoja Zeme, keď sa tzv. akréciou Zem vytvorila, bolaintenzívne bombardovaná veľkými telesami a musela sa roztaviť

• tažký materiál (Fe, Ni) klesol nadol a vzniklo kvapalné jadro – prebehlaprvá etapa diferenciácie materiálu

• pred tým ako prebehla druhá etapa diferenciácie, t.j. oddelenie ľahkéhomateriálu a jeho „vyplavenie“ na povrch a vznikla tak kôra a protoplášť ostalpod ňou, mal plášť tzv. primordiálne (primitívne) zloženie, ktoré je veľmipodobné chondritickým meteorom, v ktorých takáto diferenciácia vzhľadomna ich malé rozmery nemohla prebehnúť

• chemické zloženie týchto meteorov sú pre geofyzikov referenčnýmetalónom pre posúdenie primordiálnosti zloženia materiálu, ktorý na povrchprinášajú rôzne magmatické výlevy

• pri zohriatí hornín sa preferenčne do magiem dostávajú tzv. nekompatibilnéprvky (Rb, Ba, Th, Nb, U, La, Ce, Pb, Nd, ...) a materiál, ktorý zostane jeochudobnený o tieto prvky; to je prípad materiálu astenosféry, jeochudobnená (depleted) a nekompatibilné prvky (napr. rádioaktívne) súsilno zastúpené hlavne v kontinentálnej kôre

• MORB-y sú ochudobnené, OIB nie v takej miere a majú vysoký obsahniektorých prvkov, ktoré naznačujú primitívny pôvod, a teda favorizujúvrstvovú konvekciu; toto je argument geochemikov pre model vrstvovejkonvekcie

Výsledky seizmickej tomografie

• odchýľky od strednej hodnotyrýchlosti pozdĺžnych (P-wave)a priečnych (S-wave) objemo-vých vĺn v rôznych hĺbkach

• modrá farba – oblasti väčšíchrýchlostí ako stredná hodnota(asi studený materiál – litosfé-rické dosky)

• červená farba – oblasti menšíchrýchlostí ako stredná hodnota(asi teplý materiál – plášťovéplumy)

• Záver: litosférické dosky klesajúaž k rozhraniu jadro-plášť

• konvekcia je celoplášťová

Model konvekcie v guľovej vrstve zohrievanej zospodu,vo vrstve je homogénna látka s viskozitou nezávislou od teploty. Modré útvary sú klesajúce chladné toky a červené stúpajúce teplejšie. Modré majú pretiahnutý úzky tvar – podobá sa to na klesajúce litosféricke dosky.

Ukážka prerazenia rozhrania v 660 km hĺbke.

Ukážka výpočtu plumov, ktoré stúpajú nahor a majú dvojitú hlavu, lebo cez 660 km diskontinuitu ťažšie prenikali a druhá „hlava“ je na povrchu Zeme.

O čom budeme hovoriť – 2. časť

• základné charakteristiky magnetického poľa Zeme (MPZ)• časové zmeny MPZ, rýchle variácie v priebehu dňa,pomalé zmeny s periódami 100-ky rokov

• inverzie – prepólovania (reversals)

• fyzikálne princípy generovania MPZ• generačné mechanizmy, ω-efekt a α-efekt

• modely 3D samobudiaceho selfkonzistentného dynama

Historické míľniky v poznávaní magnetického poľa

• permanentný magnet, niektoré horniny majú vlastnosť magnetu, v ichokolí je pole, ktoré pôsobí silou na elektrický náboj, ktorý sa pohybujena rozdiel od elektrického poľa, ktoré pôsobí aj na nepohybujúci sanáboj

• v 18. a začiatkom 19. stor. sa magnetické javy vôbec nespájali selektrickými a chápali sa ako úplne osobitný jav

• v r. 1819 H. CH. Oersted pozoroval pohyb magnetky v okolí vodiča,ktorým tiekol elektrický prúd a teda takýto usmernený pohyb nábojovpôsobil na magnetku podobne ako trvalý permanentný magnet

• toto bol historický zlom v názoroch na magnetické pole:ak elektrické pole súvisí s nábojmi, tak magnetické pole má zdrojea súvisí tiež s nábojmi, ktoré sa však pohybujú

• existencia magnetického poľa teda súvisí s elektrickými prúdmi

• v r. 1832 M. Faraday zistil, že ak pohybuje vodičom (drôt) v magnetic-kom poli, tak sa v ňom voľné nosiče nábojov začnú pohybovať a vznikáteda elektrický prúd, ktorému odpovedá vlastné „nové“ magnetické pole

Tento experimentálny fakt dostal názov: Faradayov zákonelektromagnetickej indukcie

• pohyb vodiča rýchlosťou v v magnetickom poli B0 vytvára elektromoto-rickú silu v x B0 , ktorá generuje prúd I s hustotou j

• prúdu I odpovedá magnetické pole b a celkové pole bude B = B0 + b• súčasne magnetické pole pôsobí na vodič s prúdom I silou, ktorá savolá Lorentzova sila a je rovná j x B a bráni pohybu v

Ak existujú mechanizmy, ktoré pohybujú elektricky vodivé prostredie v magnetickom poli, indukujú sa elektrické prúdy, ktorým odpovedá indukované magnetické pole.

Len treba prostredie pohybovať –– konvekcia, ktorá je tepelne alebo inak hnaná. Tak to funguje v jadre v Zemi, v Slnku, iných planétach, galaxiách.

Základné charakteristiky magnetického poľa Zeme• 30µT (na rovníku) - 60µT (na póloch), v našich zemepisných šírkach približne

48 µT (asi tak silné ako pole malej magnetickej príchytky vo vzdialenosti 1 m,je teda slabé v porovnaní s technickými magnetickými poliami)veľkosť sa častejšie uvádza v nT, teda u nás je hodnota 48 320 nT = 0,48 G

• prevláda dipólový charakter (90%) • dipól je excentrický• sklon osi dipólu vzhľadom na rotačnú os Zeme 11.5°• z nedipólovej časti dominuje kvadrupólová časť

Zdroje MPZ a zdroje jeho časových zmien

• hydromagnetické zdroje v kvapalnom jadreZeme, teda vnútorné zdroje (99%) – hlavnégeomagnetické pole

• vonkajšie zdroje–elektrické prúdy v ionosfére amagnetosfére vyvolané interakciou Slnko-Zem

• lokálne zdroje zvyškovej remanentnej magnetizá-cie v zemskej kôre – lokálne anomálie

Matematický popis MPZ na povrchu Zeme (Gauss, 1832)

10

01 0

( , , ) ( cos sin ) (cos ),nn

m m mn n n

n m

RV r R g m h m Pr

ϕ ϑ ϕ ϕ ϑ+∞

= =

⎛ ⎞= +⎜ ⎟⎝ ⎠

∑∑

D – deklinácia,I – inklinácia, H – horizontálna indukcia, v jej smere sa naorientuje

strelka v horizontálnom kompase, vidíme, ženesmeruje na geografický sever, problém pre more-plavcov v minulosti, deklinácia D sa mení

Z – vertikálna indukcia, F – totálna indukcia (meria sa protónovým

magnetometrom)

Na povrchu Zeme je MP tzv. potenciálové.Uvedený vzorec je pre pole vnútorného pôvodu.V je magnetický potenciál, koeficienty g, h sú

Gaussove koeficienty, R0 je polomer Zeme,r,φ,θ sú súradnice bodu nad povrchom Zeme,ak r = R0 ,,tak sme na povrchu Zeme

Meriame zložky X, Y, Z (trojosovými fluxgatami), potom sa vypočíta potenciál V a určia sa Gaussove koeficienty (treba merať na viacerýchmiestach Zeme na geomagn. observatóriach).

V celosvetovej sieti geomagnetických obs. je asi 200 trvalých staníc. Meria sa aj na lodiach, letecky a pomocou družíc.

V Hurbanove je funkčné observatórium už vyše 100 rokov, je súčasťou medzinárodnej organizácie INTERMAGNET

Hlavná budova GMO v Hurbanove

Magnetometer premeranie horiz. zl.

Di-flux teodolit pre absolútne magn. merania

Z celosvetových meraní sa v medzinárodných centrách určuje na základe výpočtuGaussových koeficientov tzv. medzinárodné referenčné magnetické pole (IGRF)s platnosťou na 5 rokov. Potom treba spracovať nové IGRF, lebo pole sa zmení.

IGRF total field 1995

IGRF total field 2000

Časové variácie MPZ – rýchle (periódy zlomky sekúnd, sekundy, 24 hodín, niekoľko dní, 1 rok, pravidelné a nepravidelné, magnetické búrky

• všetky tieto rýchle súvisia s procesmi v ionosfére a magnetosfére• iniciované sú procesami na Slnku, najmä v jeho aktívnych obdobiach11 ročného cyklu a nemajú žiaden vzťah k procesom v jadre Zeme

• najrýchlejšie zmeny sú tzv. mikropulzácie Pc1 (0.2 – 5 s)Pc2,3 (5 – 45 s)Pc4 (45 – 150s)Pc5 (150 – 600s)

zmeny magnetického poľa sú v amplitúde 0.1 – 100 nT, pulzáciesú „pekné sinusové zmeny“ a poruchami v magnetosfére sadostávajú pozdĺž magnetických indukčných čiar k meracímprístrojom, ich typ zavisí od zemepisnej šírky a sú diagnostickýmprostriedkom magnetosféry

• z veľmi pravidelných zmien v geomagnetickom zázname je viditeľnádenná variácia; spôsobená je jednak nepravidelným nahrievanímionosféry na dennej a nočnej strane, ale hlavne slapovými účinkamiMesiaca a Slnka

• denná variácia nie je porucha magnetického poľa, ale jeho pravidelnýchod

• Mesiac pôsobí gravitačne rovnako ako moria a pevnú súš aj naionosféru, ktorá obsahuje nabitá častice; pohyb elektricky vodivejlátky v geomagnetickom poli na základe Faradayovho zákonaindukuje vo výške asi 100 km (E vrstva ionosféry) prúdový systém, ktorému odpovedá nejaké magnetické pole, ktorého zmena má 24 h.periódu

• pri neporušenom dni hovoríme o Sq variácii(solar quiet), ak je porušený deň, tak dennávariácia je Sd (solar disturbed)

• amplitúda je asi 10 – 20 nT• porušenosť denného záznamu sa vyhodnocujea ohodnocuje pomocou tzv. K-indexov

• z nepravidelných zmien je najzaujímavejšia magnetická búrka• vyvolaná je fluktuáciou v rýchlosti slnečného vetra• družice (napr. GOES) kontinuálne merajú stav slnečného vetra aveľmi dôležité je to najmä v slnečnom maxime; veľmi silné búrky boli vr. 2003 na jeseň (po maxime), keď na Slnku vznikali obrovské amožno najsilnejšie erupcie v histórii, odkedy sa kontinuálne Slnkoa jeho slnečný vietor pozoruje

29.október 2003

47900479204794047960479804800048020480404806048080481004812048140481604818048200482204824048260

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Priebeh totálnej zložky geomagnetického poľa s magnetickou búrkou. Najlepšie sa magnetická búrka sleduje na horizontálnej zložke, keď sa po náraze anomálneho slnečného vetra magnetosféra zmrští a temer súčasne sa na všetkých miestach Zeme pole zosilní (ssc). Potom horizontálna zložka klesá (môže to trvať aj 10 ky hodína nasleduje fáza návratu (aj niekoľko dní).

Za všetko môže prstencový prúd

• prstencový prúd neustále tečie nad rovníkom vo vzdialenosti asi 3.5 R0• drift protónov je na západ a elektrónov na východ• pri anomálii v slnečnom vetre sa porušia všetky rovnováhy v magneto-sfére a prstencový prúd sa zosilní a svojím magnetickým poľom znížihorizontálnu zložku geomagnetického poľa generovaného v jadre

• silné magnetické búrky ohrozujú elektrifikačnú sieť, satelity,geostacionárne družice,...

Ring current – prstencový prúd

15.9.1998, NASADynamics Explorer 1.Kompletný aurorálnyovál pri severnom póle Zeme

Modrá aurora v atmosfére Jupitera (Hubble Space Telescope, 14.12 2000) okolo sev. magn. pólu Jupitera. Vedĺa aurorálny ovál na ............... Pozorované boli aj na Uráne a Neptúne: záver – všetky tieto planéty majú magnetosféru a nejakú atmosféru, podobne aj mnohé ich mesiace

Zmeny magnetického poľa dlhoperiodické – sekulárne variácie (pravidelné)

Dlhodobé zmeny geomagnetického poľa (≥10ky rokov). Určujú sa ako zmena priemernej ročnej hodnoty geomagnetického elementu na danom mieste.

• Oscilácia magnetického momentu okolo nenulovej hodnoty s periódou 7.8 x 103 rokov (základná perióda) – súvisí s dominantnou dipólovou časťou poľa

• Pokles g10 za posledných 200 rokov (dipólové pole klesá)

• Nárast g20 za posledných 200 rokov (kvadrupólové pole rastie

• Západný geomagnetický drift nedipólovej časti poľa (rýchlosť 0.18°/rok)

1/ 23 0 2 1 2 1 20 1 1 1

0

4 ( ) ( ) ( )R g g hπµ

⎡ ⎤= + +⎣ ⎦M

Z Gaussových koeficientov g, h pre n=1 vieme vypočítať magnetický moment, jeho hodnota je 8x1022 Am2 . Mení sa okolo nenulovej hodnoty s periódou 7.8 x 103 rokov.

Inverzie:Nepravidelné zmeny polarity geomagnetického poľa.• priemerná doba trvania jednejpolarity: 250 000 rokov

• proces prepólovania trvá 103 –104 rokov

• posledná inverzia bola pred 780 000 rokmi

Geodynamo

Generačné mechanizmyMechanizmus generácie magnetického poľa možno reprezentovať uzavretým cyklom generácie dvoch základných typov polí jedného z druhého

poloidálne (meridionálne) poletoroidálne (azimutálne) pole

−−

P

T

BB

V jadre Zeme pracuje αω- dynamo

Magnetohydrodynamické rovniceIndukčná rovnica:

2( )t

η∂= ∇× × + ∇

∂B v B B

Navier-Stokesova rovnica (Boussinesqova aproximácia):

2

0 0 0

1 1( ) 2 ( )pt

ρ νρ µρ ρ

∂+ ⋅∇ + × = − ∇ + ∇× × + + ∇

∂v gv v Ω v B B v

Rovnica vedenia tepla:

2 '( )T T Tt

κ ε∂+ ⋅∇ = ∇ +

∂v

Stavová rovnica:

[ ]0 01 ( )T Tρ ρ α= − −

0 0∇ ⋅ = ∇ ⋅ =v B

Hnacie mechanizmy pre konvekciu v jadre – motor dynama

• tepelne hnaná konvekcia – asi 20% výkonu dynama• kompozične hnaná – asi 80% výkonu dynama

-kvapalné jadro je zložené z taveniny, v ktorej je ťažká zložka aasi 5-10% ľahkej zložky (Si, S, O, ...)-zliatina tuhne ta povrchu pevného jadra, pričom tuhne len ťažkáfrakcia a ľahká je vyplavovaná vztlakovou silou-proces solidifikácie prebieha v dentritickej zóne na vnútornomjadierku (mushy layer)

Typy dynám:• kinematické – rýchlostné pole v uzavretej nádobe je dané a počíta sa, či navrhnutá konvekcia je schopná udržovať magnetické pole tak, abyneklesalo, ak čas t ide do nekonečna (rieši sa iba indukčná rovnica)

• samobudiace dynamo – nepotrebuje nejaké vonkajšie magnetické pole,ale je schopné neustále udržovať svoje vlastné pole regeneráciou

• mnohé modely dynám boli formulované tak, že autor stanovil určitépodmienky (napr. nejakú symetriu) alebo predpísal určité vlastnosti

• selfkonzistentné samobudiace dynamo – autor nepredpíše nič a dynamopracuje s takými stavmi, ktoré si samo vyrobilo

Model selfkonzistentného dynama, ktoré má veľmi podobné vlastnosti ako sme schopní definovať (sekulárne variácie, časovývývoj poľa, inverzie) bol navrhnutý v r. 1993-95 P.H. Robertsoma G. Glatzmaierom

v tejto miestnosti v r. 1997 Gary o tomto dyname prednášal

• sférická vrstva• zospodu zohrievané, neskôr bola zakomponované aj kompozičnéhnanie

• jadierko je elektricky vodivé a môže „ločkať“ v jadre ako chce• dynamo sa prepólovalo, teda prebehla inverzia• študovali a študujú sa podmienky, riadiace mechanizmy prekontrolu inverzií (zdá sa, že vnútorné jadierko so svojím poľomreguluje inverzie a taktiež distribúcia tepelného toku do plášťaje veľmi dôležitá pre reálny chod inverzií

• jadierko predbiehalo plášť v rotácii

Ďakujem za pozornosť