المجال المغناطيسي القديم للأرض وتأثيره على الغلاف الجوي

قياسات المجال المغناطيسي للأرض قبل 3.5 مليار سنة تكشف تاريخ المعارك بين الشمس والأرض حول غلافنا الجوي

اكتشف علماء من جامعة روتشستر أن قوة المجال المغناطيسي للأرض قبل 3.5 مليار سنة كانت حوالي نصف ما هي عليه اليوم. من المحتمل أن يكون هذا الضعف، جنبًا إلى جنب مع الرياح الشمسية القوية المكونة من جزيئات نشطة من الشمس الفتية، قد دفع المياه من الغلاف الجوي المبكر للأرض.

تشير النتائج، التي تم عرضها في مجلة ساينس، إلى أن الفاصل المغناطيسي - وهو الحد الأبعد الذي نجح عنده المجال المغناطيسي للأرض في صد الرياح الشمسية - كان فقط نصف المسافة من الأرض كما هي اليوم.

ووفقا لمؤلف الدراسة، الجيوفيزيائي جون تريدونو من جامعة روتشستر، مع الغلاف المغناطيسي الضعيف والشمس الشابة سريعة الدوران، تلقت الأرض كميات كبيرة من البروتونات. في اليوم المتوسط، سيتم تلقي كمية من البروتونات تعادل الكمية التي نتلقاها اليوم خلال عاصفة شمسية شديدة.

عندما يكون الغلاف المغناطيسي ضعيفًا، يكون لدى الجسيمات المتدفقة من الشمس فرصة أكبر للوصول إلى الأرض. ولذلك، فمن المحتمل جدًا أن نفترض أن الرياح الشمسية أزالت الجزيئات المتطايرة من الهواء، مثل الهيدروجين، بمعدل أسرع من معدل فقدان الجزيئات اليوم. ووفقا للباحثين، فإن فقدان الهيدروجين يعني أيضا فقدان الماء، مما يعني أنه قد يكون هناك ماء على الأرض اليوم أقل بكثير مما كان عليه عندما تشكل الكوكب.

كيف تعرف ماذا كان هنا قبل 3.5 مليار سنة؟

للعثور على قوة المجال المغناطيسي القديم، قام تاردونو وزملاؤه من جنوب إفريقيا من جامعة كوازولو ناتال بزيارة مواقع في إفريقيا كان من المعروف أنها تحتوي على صخور كانت وفيرة قبل 3 مليارات سنة. ليست كل صخرة في هذا العصر مناسبة للبحث. في بعض الصخور الأساسية، مثل صخرة الداسيت النارية، توجد بلورات كوارتز صغيرة بحجم ملليمتر تحتوي على تضمين مغناطيسي صغير الحجم بحجم نانومتر. تعمل مغنطة هذه الشوائب بمثابة بوصلات دقيقة، فهي تحافظ على اتجاه وقوة المجال المغناطيسي للأرض عندما تبرد الصخور وتتحول من الصهارة المنصهرة إلى الصخور الصلبة.

وبعيدًا عن صعوبة العثور على صخور مناسبة عمرها 3.5 سنة، فإن هذه الصخور تشهد أيضًا على مليارات السنين من النشاط الجيولوجي، وهي العمليات التي يمكن أن تسخنها وربما تغير ذروتها المغناطيسية الأولية. كما أن الرياح الشمسية وتفاعلها مع الغلاف الجوي يمكن أن يتسببا في تغير المجال المغناطيسي للصخور، لذا لمنع تأثيرها كان عليه اختيار صخور لم تتأثر بالرياح الشمسية منذ 3.5 مليار سنة، أي اختيار صخور ذات مجال مغناطيسي. الذروة التي تكونت في باطن الأرض وليس بفعل الرياح الشمسية. وللحد من تأثير هذه العوامل، أخذ توردو حبيبات الكوارتز من الصخور التي تشكلت في نواة الأرض منذ 3.5 سنة ولم تتأثر بالشمس منذ ذلك الحين.

وبمجرد عزل البلورات المثالية، فإنه يستخدم الأجهزة التي يشيع استخدامها في صناعة شرائح الكمبيوتر بسبب حساسيتها الكبيرة للمجالات المغناطيسية الصغيرة. وباستخدام هذه الأدوات، أكد طلاب جامعة روتشستر بإذن من جون تريدونو أن بلورات السيليكات التي يبلغ عمرها 3.5 مليار سنة سجلت مجالًا مغناطيسيًا أقوى بكثير من الناجم عن التفاعل مع الرياح الشمسية، مما يشير إلى أنها تشكلت في قلب الأرض.

تأثير الرياح الشمسية على المجال المغناطيسي

وكان هذا الاكتشاف نصف الصورة الكاملة فقط، والآن عندما تم قياس بيانات المجال المغناطيسي القديم للأرض، كان من الضروري فهم تأثير الرياح الشمسية على المجال المغناطيسي والغلاف الجوي. لاحظ أن الرياح الشمسية يمكنها أن تزيل الغلاف الجوي للكوكب بالكامل وتضرب سطحه بإشعاعات قاتلة. يعد المريخ مثالاً على كوكب فقد غلافه المغناطيسي في وقت مبكر من تاريخه بعد أن أدى انفجار الرياح الشمسية إلى تآكل غلافه الجوي.

لمعرفة نوع الرياح الشمسية التي وصلت إلى الأرض، استعان الفريق بإريك مامجيك، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك في جامعة روتشستر. ووفقا لمامجاك، هناك علاقة عالية بين عمر النجم الشبيه بالشمس وكمية المواد التي يطلقها من خلال الرياح الشمسية. وبالحكم على الدوران والنشاط الشمسي الذي أتوقعه من نجم عمره مليار عام، فإن كمية المواد التي تحتويها الرياح الشمسية كانت أعلى 100 مرة من متوسط ​​المعدل المقاس في العصر الحديث. وبحسب البروفيسور مامجيك، فرغم أن دورة حياة النجوم مثل شمسنا معروفة، إلا أننا لا نعرف الكتلة التي تفقدها بسبب الرياح الشمسية. إن قياس الأشعة السينية الصادرة عن النجم، بغض النظر عن السطوع الظاهري، يمكن أن يعطي تقديرًا جيدًا لكمية المواد التي ينبعثها النجم من خلال الرياح الشمسية. ورغم أن قطر الشمس في ذلك الوقت كان 23% من قطرها اليوم، إلا أن كمية الإشعاع المنبعثة كانت أكبر بكثير وكانت الرياح الشمسية أقوى بكثير. إن الجمع بين الرياح الشمسية القوية والغلاف المغناطيسي الضعيف يخلق نقطة توازن بين القوتين أقرب بكثير إلى الأرض مما هي عليه اليوم. ربما كان أقل من خمسة أنصاف أقطار الأرض، وهو أقل من نصف المسافة التي تبلغ 10.7 نصف قطر اليوم.

تأثير على الغلاف الجوي

ويضيف تاردونو أن التوقف المغناطيسي الصغير يسمح للرياح الشمسية بالاقتراب من السطح والتغلغل بشكل أعمق في الغلاف الجوي، وهو دليل يشير إلى إزالة أعلى لبخار الماء من الأرض القديمة وشفق قطبي أكبر.

ينحني المجال المغناطيسي للأرض عموديا عند القطبين وتتحرك الرياح الشمسية نحو سطح الأرض. عندما تهب الرياح الشمسية عبر الغلاف الجوي، يتم إطلاق فوتونات تبدو كأضواء متراقصة في سماء الليل. ومع وجود مجال مغناطيسي ضعيف ورياح شمسية قوية، كان القطب المغناطيسي أكبر بثلاث مرات مما هو عليه اليوم، بحيث أنه في ليلة عادية قبل 3.5 مليار سنة كان من الممكن رؤية الشفق القطبي حتى في نيويورك.

وشملت الدراسة زملاء من جامعة كوازولو ناتال (جنوب أفريقيا)، ووكالة ناسا، والأكاديمية الصينية للعلوم الجيولوجية (بكين)، وجامعة أوسلو (النرويج)، وتم دعمها من قبل مؤسسة جون سيمون غوغنهايم التابعة للمؤسسة الوطنية للعلوم. .

لإشعار جامعة روتشستر