Магнитное поле Земли оказалось почти на миллиард лет старше

Ученые подтвердили существование мощного магнитного поля Земли уже 4,2 миллиарда лет назад, в древнейшую геологическую эпоху — Катархей. Это стало известно благодаря детальному изучению древних вкраплений кристаллов циркона, обнаруженных в недрах гряды Джек Хиллс в Австралии. До этого исследования считалось, что нельзя получить достоверную информацию о магнитном поле старше 3,4 миллиарда лет. Работа, опубликованная в Proceedings of the National Academy of Sciences, поможет понять эволюцию ядра планеты и ее атмосферы, что важно для исследования зарождения жизни на Земле.

В ядре Земли постоянно текут конвективные потоки жидкого металла, работающие как естественный генератор магнитного поля, — магнитное динамо. Магнитное поле отражает солнечный ветер, без чего атмосфера планеты постепенно бы сдувалась, а вода распадалась на кислород и водород. Чистый водород, будучи очень легким, плохо удерживается силой притяжения и постепенно улетучивается в космос. Таким образом, без магнитного поля на Земле не смогла бы сохраниться вода и зародиться жизнь.

Обычно историю земной магнитосферы изучают по остаточной намагниченности древних пород. Тела приобретают индукцию при помещении в магнитное поле, но некоторые материалы могут сохранить индуктивность и после того, как внешнее поле исчезнет. Измеряя эту остаточную индуктивность, можно вычислить характеристики поля, которое ее породило. Проблема, однако, в том, что древнейшие доступные для изучения горные породы хранят информацию не старше 3,4 миллиарда лет: предыдущие данные стерты геологическими метаморфозами, прежде всего — сильным нагревом в земных недрах и химическими изменениями.

Для того, чтобы обойти это ограничение, можно исследовать древние вкрапления не изменившихся минералов в более молодые осадочные породы. У этого метода есть существенные ограничения, в том числе, количество таких вкраплений в образце должно быть весьма велико, и они должны быть организованы в единый плотный домен.

Циркон — наиболее привлекательный минерал для такого анализа, поскольку он весьма стабилен и время его формирования легко датировать. Пригодные для такого метода исследования образцы были найдены в геологическом обнажении Дискавери в гряде Джек Хиллс, в Австралии. Самые старые зерна циркона оттуда образовались 4,2 миллиарда лет назад и хранят информацию о той эпохе.

Критики этого метода утверждают, что значительная часть намагниченности в найденных образцах вторична и образовалась уже после отложения кристаллов циркона в породу. Они обнаружили в кристаллах микровключения магнетита и следы относительно молодых трещин, через которые, по их мнению, он туда и попал, и предположили, что магнитный след циркона из Джек Хиллс загрязнен этими более поздними включениями. Также оппоненты сомневались в возможности отделить остаточную индукцию самих кристаллов от индукции окружающего их кварца.

В ответ на это группа ученых во главе с Джоном Тардуно (John Tarduno) из Рочестерского университета в первую очередь решила проверить, действительно ли намагниченность окружающего кварца может повлиять на метод исследования. Для этого они воссоздали температуру 575 градусов Цельсия и магнитное поле силой 61 микротесла, при которых формировались найденные образцы, и поместили в эти условия сначала циркон, а затем окружающий его минерал. Выяснилось, что кварц не сохраняет существенного магнитного следа, в отличие от зерен циркона.

Далее ученые детально изучили образцы при помощи электронного микроскопа и обнаружили, что нет однозначной связи между трещинами и включениями магнетита, что опровергает гипотезу позднейшего загрязнения. Кроме того, некоторые магниты меняют свои свойства в зависимости от температуры, их магнитное поле можно блокировать и разблокировать, а для разных материалов эти температуры разные. Исследования при низких (около 300 градусов Цельсия) температурах разблокировки магнитного поля показали, что картина намагниченности была бы другой в случае, если бы за остаточную индукцию отвечали эти вкрапления.

Авторы исследования заключили, что можно с уверенностью говорить о существовании земного магнитного поля, а значит, и конвективных потоков лавы, уже 4,2 миллиарда лет назад, в эпоху Катархея, вскоре после импактного события, сформировавшего Луну. Также в эту эпоху наблюдаются изменения интенсивности магнитного поля примерно в два раза: их невозможно объяснить нагревом или охлаждением земного ядра. Вероятно, эти изменения были вызваны увеличением количества оксида магния в магме, который усиливает эффект динамо.

Ранее ученые пересмотрели дату исчезновения магнитного поля Луны, исследовав образцы, полученные миссией Аполлон-15. Оказалось, что оно исчезло всего миллиард лет назад, на миллиард лет позже, чем ранее считалось.

Василий Зайцев