Mi történik egy pólusváltáskor?

 A Föld magja

Többet tudunk a Naprendszer legtávolabbi bolygóiról, mint arról, mi folyik a talpunk alatt. A Föld külső szemlélő számára egy nyugodt, változatlan kék üveggolyónak tűnik, ám a szép kéreg gyilkos belsőt rejt. A mag változásai pedig kihatnak az életünkre.

1997 januárjában kiderült, hogy a nem sokkal korábban a Hubble űrteleszkópba szerelt eszközök egyikével baj van. Amint a Hubble átlépte a brazil tengerpart vonalát, az elektronikájában hatalmas impulzuslöket keletkezett, ami kisüléssel, az eszközök, vagy akár az egész űrteleszkóp meghibásodásával járhatott volna. A Hubble többek között egy spektrométert és egy infravörös kamerát kapott, az új eszközök létrehozása, feljuttatása és beszerelése több, mint 54 milliárd forintba került, tehát a tét nagy volt. Nem csak anyagilag, szakmailag is, hiszen az ezeket tervező mérnökök karrierjét derékba törhette volna, ha meghibásodik egy olyan szerkezet, mint a Hubble. Felfigyeltek azonban arra, hogy a probléma az űrteleszkóp körpályája során sehol máshol nem keletkezik, csak ott, a brazil partok felett. A magyarázatot végül a Föld mélyén találták meg.

Hogy mi minden függ a bolygó magjától?

Az határozza meg a mágneses pólusokat, ami fontos mind az emberi, mind az állati navigációt tekintve (hajózás, állatok vándorlása). A magnetoszféra létrehozásával eltéríti a Napból érkező elektromosan töltött részecskéket, sőt, ha nem lenne a talpunk alatt nagyjából 3000 km-rel az a mag, ami van, nagy valószínűséggel élet sem lenne a bolygón.

A belső magból eredő hő a Föld forgásával együtt örvényeket hoz létre a folyékony fémben, ebből áll a külső mag, ez a mozgás generálja a Föld mágneses mezejét. A pólusok átlagosan 300 ezer évenként megcserélődnek, most egy szokatlanul hosszú periódusban élünk: nagyjából 800 ezer éve történt a legutóbbi pólusváltás. Ez a külső mag különféle örvényei, erőteljes mozgása miatt következik be, de hogy pontosan miért, az még vita tárgya. Több magkutató szerint a következő csere folyamata már elkezdődött. Számítógépes modellezések alapján a sarkok felcserélődése közben bárhol felbukkanhatnak új mágneses pólusok, amíg beállnak a "végső" helyükre, ez a helyzet pedig navigációs katasztrófához vezetne az élővilágban, és hiba állhat be a magnetoszféra nyújtotta védelemben is.

A Föld magja számokban

5500 °C

A mag hőmérséklete nagyjából annyi, mint a Nap felszínének hőmérséklete

15%

A Föld térfogatának ekkora részét képezi

30%

A Föld tömegének 30%-át adja

360 GPa

A nyomás a belső magban nagyjából 3,5 milliószor annyi, mint a Föld felszínén

2900 km

Ilyen mélyen kezdődik a folyékony külső mag

5000 km

A szilárd belső mag mélysége

A Föld magja régóta izgatja a tudósokat, de vizsgálata sok probléma ütközik. Az első, leküzdhetetlennek látszó probléma a közvetlen megfigyelés lehetetlensége. A szélsőségesen magas nyomás és hőmérséklet lehetetlenné teszi, hogy elutazzunk a Föld magjáig, vagy eszközöket küldjünk oda. Mára azonban a mag egyre több titkára derül fény, a leghasznosabb segítséget maga a bolygó adta, mégpedig a földrengések által. A szeizmológia az egyik legjobb mód, hogy tanulmányozzuk a Föld belsejét. A földrengések által okozott szeizmikus hullámok különbözőek: léteznek felszíni hullámok, amelyek a Föld felszínén haladnak, illetve mélységi hullámok, amelyek keresztülmennek a bolygó középpontján. A mélységi hullámok tanulmányozásával egyre többet tudhatunk a magról is, de még ezek között is többféle van. Az elsődleges (P) hullámok gyorsan haladnak, útjuk során összepréselik majd elengedik a részecskéket. A másodlagos (S) hullámok ezzel szemben haladási irányukra merőlegesen tolják a részecskéket, mintegy megtisztítva az utat maguk előtt. A S-hullámok a P-hullámokkal ellentétben kizárólag szilárd anyagokon keresztül haladnak, és persze mindkét hullám eltérő sebességgel mozog a különféle halmazállapotú anyagokban is. Viselkedésük és mozgásuk a fényhullámokéhoz hasonló, éppúgy vissza is verődnek. A leggyorsabb rengéshullám nagyjából 22 perc alatt jut el a Föld egyik pólusától a másikig. A hullámok útja alapján sikerült elkészíteni a bolygónk egyfajta röntgenképét, és fény derült egy furcsaságra: a rengéshullámok különböző sebességgel haladnak eltérő irányokba, észak-déli irányban pl. gyorsabbak, mint kelet-nyugati irányban. Ez azt sugallja, hogy a belső mag nem egy egyszerű fémgömb.

A Tokiói Egyetem professzora, Kei Hirose létrehozta a Föld magjának modelljét laboratóriumában. Ehhez nem kellett mást tennie, mint közel 5000 °C-os hőmérsékletet, és a felszínihez képest 3,5 milliószor nagyobb nyomást elérni, mindeközben egy vas-nikkel ötvözet testesíti meg a bolygónk magját. Egy korszerű röntgengép eközben figyeli a fém szerkezetében végbemenő változásokat. A nyomás létrehozására Hirose egy gyémántsatut alkalmazott, ami viszonylag simán ment, ám az extrém magas hőmérséklet elérése már nem ilyen egyszerű. Egy lézersugárral hevítette az ötvözetet, hogy elérje a kívánt hőfokot, ez pedig több, mint tíz évébe telt. Persze ez az állapot csak néhány percig maradt fent - ez alatt a néhány perc alatt azonban sikerült reprodukálni a Föld magjában található körülményeket. Az elkészült röntgenfelvételek nagymértékű változást mutattak ki a fém kristályszerkezetében, az egyik kísérlet során a kristályok ezerszeresükre nőttek, ám mégis stabilak maradtak. A következtetés az, hogy van egy belső mag, amelyben kevés, de nagy méretű, akár több tíz kilométeres kristályok vannak, ezek a kristályok pedig "erdőszerű struktúrát" alkotnak a Föld magjában, észak-déli irányban. Ez a kristályos szerkezet megmagyarázza azt az anomáliát, miszerint a rengéshullámok gyorsabban haladnak észak-déli, mint kelet-nyugati irányban.

Eközben a Marylandi Egyetemen Dan Lathrop professzor szintén a mag modellezésén dolgozik: az ő szerkezete egy 3 méter magas, kb 22 tonnát nyomó gömb, amit 12 tonnányi folyékony nátriummal töltött meg, és 140 km/h-s sebességgel forog. Ezzel modellezi a Föld magját, létrehozva egy kisebb mágneses mezőt hatékonyan tudja vizsgálni a mező változásait.

"Az emberek általában úgy képzelik el a mágneses mezőt, hogy az egyszerűen északból és délből áll. De a helyzet nem ilyen egyszerű. A mágneses mező teljesen körbeveszi a bolygót, mindenhol mérhető, van erőssége, ráadásul foltonként eltérő. Ezek a foltok pedig a bolygó körül mozognak, hol erősebbé, hol gyengébbé válnak, igen összetett módon."

A szerkezet tesztelései, kísérletek és számítások még javában folynak, de úgy tűnik, hogy odalent, az olvadt fém birodalmában hatalmas viharok dúlnak.

Mi történt a Hubble teleszkóppal?

Szerencsére jól van, rájöttek, hogy az infravörös kameráját ezek a mágneses kilengések veszélyeztetik, kizárólag a dél-atlanti területeken. Ez egy nagyon furcsa régió az űrkutatás szempontjából: a dél-atlanti anomáliák nagyjából 500 km-rel a földfelszín felett, leginkább Afrika keleti és Dél-Amerika keleti partjai között okoztak már sok kellemetlenséget, a Bermuda-háromszöggel is kapcsolatba hozták már. Ám a legendás háromszöggel ellentétben itt az események folyton megismétlődnek, a terület fölött elhaladó műholdak egy része is meghibásodott, az űrrepülőgépek számítógépei leálltak, ráadásul az ezen a területen áthaladó űrhajósok csillaghullásról számoltak be - amit csukott szemmel is láttak. Kiderült, hogy a dél-atlanti régió fölött sokkal gyengébb a mágneses mező, mint bárhol máshol, és egyre gyengül az évek múlásával. Minden jel arra utal, hogy nagy változásokra készül a bolygónk, és a mag ezen területén ezek már be is indultak.

Azóta a Hubble több magasfeszültségű műszerét is kikapcsolják, ha belép a régióba, nehogy meghibásodjon. Vajon mit jelent számunkra, ha a mágneses mező továbbra is gyengül? Mi lesz, ha át kell élnünk egy pólusváltást? A legtöbb kutató egyetért abban, hogy a váltás ismét küszöbön áll. Több ilyen is volt már a Föld történetében, és túléltük, itt vagyunk. Na igen. Csak 800 ezer éve még nem függtünk úgy az elektronikus és navigációs meg egyéb eszközeinktől, mint most.