השדה המגנטי העתיק של כדור הארץ והשפעתו על האטמוספרה

מדידות של השדה המגנטי של כדור הארץ לפני 3.5 מיליארד שנה חושפות היסטוריה של קרבות בין השמש לכדור הארץ על האטמוספרה שלנו

מדענים מאוניברסיטת רוצ’סטר גילו כי חוזקו של השדה המגנטי של כדור הארץ לפני 3.5 מיליארד שנה היה כמחצית מכפי שהוא היום. חולשה זו, בשילוב עם רוח סולארית חזקה של חלקיקים אנרגטיים מהשמש הצעירה, כנראה הדיפו את המים מהאטמוספרה המוקדמת של כדור הארץ.

הממצאים, שהוצגו במגזין Science, מציעים השערה כי המגנטופאוזה – הגבול הרחוק ביותר שבו השדה המגנטי של כדור הארץ הודף בהצלחה את רוח השמש – היה רק במחצית המרחק מכדור הארץ מכפי שהוא היום.

לדברי מחבר המחקר, הגיאופיזיקאי ג’ון טרדונו מאוניברסיטת רוצ’סטר, עם מגנטוספירה חלשה ושמש צעירה המסתובבת במהירות, כדור הארץ קיבל כמויות רבות של פרוטונים. ביום בממוצע הייתה מתקבלת כמות פרוטונים שווה ערך לכמות שאנחנו מקבלים היום במהלך סופת שמש חמור.

כשהמגנטוספירה חלשה, לחלקיקים הזורמים מן השמש סיכוי רב יותר להגיע לכדור הארץ. ולכן סביר מאוד להניח שרוח השמש הסירה מולקולות נדיפות מן האוויר, כמו מימן, בקצב מהיר יותר מקצב איבוד המולקולות היום. לדברי החוקרים, אובדן מימן מרמז גם על אובדן מים, כלומר ייתכן שעל פני כדור הארץ היום יש הרבה פחות מים מכמות המים שהיו בהיווצרות הפלנטה.

איך יודעים מה היה פה לפני 3.5 מיליארד שנה?

כדי למצוא את כוחו של השדה המגנטי העתיק, ביקרו טרדונו ועמיתיו הדרום אפריקאים מאוניברסיטת קוואזולו נטאל (University of KwaZulu-Natal) אתרים באפריקה שהיו ידועים כאתרים המכילים סלעים שהיו בשפע לפני 3 מיליארד שנה. לא כל סלע בגיל זה מתאים למחקר. בסלעי יסוד מסוימים, דוגמת הסלע הגעשי דיסייט (dacite), קייימים גבישי קוורץ קטנים בגודל מילימטר המכילים תכליל מגנטי זעיר בגודל ננומטרי. המגנטיזציה של תכלילים אלה משמשת מצפני דקות, הם שומרים על כיוון וחוזק השדה המגנטי של כדור הארץ כאשר הסלע מתקרר והופך ממגמה מותכת לסלע מוצק.

מעבר לקושי של מציאת סלעים מתאימים בני 3.5 שנה, סלעים אלה עדים גם למיליארדי שנות פעילות גאולוגית, תהליכים שיכולים לחמם אותם ואולי אף לשנות השיא המגנטי הראשוני שלהם. רוח השמש ואינטראקציה עם האטמוספרה יכולים גם הם לגרום לשינוי השדה המגנטי של הסלע, ולכן כדי למנוע את השפעתם היה עליו לבחור סלעים שלא הושפעו במשך 3.5 מיליארד שנה מהרוח הסולארית, דהיינו לבחור סלעים בעלי שיא מגנטי שנוצר בליבת כדור הארץ ולא על ידי רוח השמש. כדי להפחית השפעתם של גורמים אלה, טורדו נטל גרגרי קוורץ של סלעים שנוצרו בליבת כדור הארץ לפני 3.5 שנה ומאז לא הושפעו מהשמש.

ברגע שהוא מבודד את הגבישים האידאליים, הוא נעזר במכשירים אשר משמשים בדרך כלל את תעשיית שבבי-מחשב בגלל רגישותם הרבה לשדות מגנטיים קטנים. בעזרת מכשירים אלה אישרו סטודנטים של אוניברסיטת רוצ’סטר ברשותו של ג’ון טרדונו כי בגבישי סיליקט בני 3.5 מיליארד שנה נרשם שדה מגנטי הרבה יותר חזק מכדי להיות מושרה על ידי האינטראקציה עם רוח השמש, דבר המעיד על כך שהם נוצר בליבת כדור הארץ.

השפעת רוח השמש על השדה המגנטי

הממצא היה רק מחצית התמונה המלאה, עתה כשנמדדו נתוני השדה המגנטי העתיק של כדור הארץ, היה צריך להבין מה השפעתה של רוח השמש על השדה המגנטי ועל האטמוספרה. נציין שרוח השמש יכולה לסלק לחלוטין אטמוספרה של כוכב לכת ולהכות בפני השטח שלו בקרינה קטלנית. מאדים הוא דוגמה לכוכב לכת שאיבד את המגנטוספרה בתחילת ההיסטוריה שלו אחרי הפגזה של רוח השמש ששחקה את האטמוספרה שלו.

כדי לגלות איזה סוג של רוח שמש הגיעה לכדור הארץ, הצוות נעזר בכישוריו של אריק מאמג’ק, פרופסור לפיזיקה ואסטרונומיה מאוניברסיטת רוצ’סטר. על פי מאמג’ק, קיים מתאם גבוה בין גילו של כוכב דמוי שמש לכמות החומר שהוא משחרר דרך רוח השמש. אם לשפוט על פי סיבוב ופעילות השמש שאני מצפים מכוכב בן מיליארד שנה, כמות החומר שהכילה רוח השמש הייתה גבוהה פי 100 מהשיעור הממוצע שנמדד בעידן המודרני. לדברי פרופ’ מאמג’ק, בעוד מחזור החיים של כוכבים כמו השמש שלנו ידועה, אין אנו יודעים את המסה שהולכת לאיבוד דרך רוח השמש. מדידת קרני רנטגן מהכוכב, ללא קשר בהירות לכאורה, יכול לתת הערכה טובה לכמות החומר שהכוכב מקרין דרך רוח השמש. למרות שקוטר השמש בתקופה המדוברת היה 23% מקוטרו היום, כמות הקרינה שנפלטה הייתה הרבה יותר מסיבית ורוח השמש הייתה הרבה יותר חזקה. השילוב של רוח שמש חזקה ומגנטוספרה חלשה, יוצר נקודת איזון בין שני הכוחות הרבה יותר קרוב לכדור הארץ מכפי שהוא כיום. כנראה מדובר היה על פחות מחמש רדיוס כדור הארץ, שזה פחות ממחצית המרחק של 10.7 רדיוס היום.

השפעה על האטמוספרה

טרדונו מוסיף ואומר כי מגנטופאוזה קטנה מאפשרת לרוח השמש להגיע קרוב יותר לפני השטח ולחדור עמוק יותר לאטמוספרה, ראיה המצביעה על סילוק גבוהה יותר של אדי מים מכדור הארץ העתיק ועל אורורה קוטבית גדולה יותר.

השדה המגנטי של כדור הארץ מתעקל בצורה אנכית בקטבים ורוח השמש נעה לעבר פני כדור הארץ. כאשר רוח השמש פועת באטמוספרה, משוחררים פוטונים שנראים כמו אורות מרקדים בשמי הלילה. עם שדה מגנטי חלש ורוח שמש חזקה, הקוטב המגנטי היה גדול פי שלוש ממה שהוא כיום, כך שבלילה רגיל לפני 3.5 מיליארד שנה זוהר הקוטב היה נראה אפילו בניו-יורק.

המחקר כלל עמיתים מאוניברסיטת קוואזולו נטאל (דרום אפריקה), נאס”א, האקדמיה הסינית למדעי הגיאולוגיה (בייג ‘ין), ואת אוניברסיטת אוסלו (נורבגיה) ו נתמך על ידי ג’ ון סיימון גוגנהיים קרן הקרן הלאומית למדע.

להודעת אוניברסיטת רוצ’סטר