מגנט שאי אפשר לראות
תלו מחט ממוגנטת כך שתוכל להסתובב בחופשיות, והיא תתייצב כשהיא מצביעה בערך צפונה. יורדי ים השתמשו בזה לניווט במשך כאלף שנה, הרבה לפני שמישהו ידע למה זה עובד. הסיבה היא שכדור הארץ כולו עטוף בשדה מגנטי. על פני השטח השדה חלש, בין 25 ל־65 מיקרוטסלה בערך, חלש פי מאה ממגנט של מקרר, אבל הוא מגיע רחוק אל החלל, ושם הוא מסיט את רוח השמש ומכוון את החלקיקים שיוצרים את זוהר הקוטב.
ליד פני השטח השדה נראה דומה מאוד לשדה של מגנט מוט שהציר שלו נטוי בכעשר מעלות מציר הסיבוב. קווי השדה שלו יוצאים מהקרקע בחצי הכדור הדרומי, מקיפים את כוכב הלכת וחוזרים אל הקרקע בחצי הכדור הצפוני. מחט המצפן מסתדרת לאורכם, ולכן הקצה הצפוני שלה מצביע צפונה.
לא מגנט אלא דינמו
אין מגנט ענק בתוך כדור הארץ. ברזל מפסיק לשמור על מגנטיות מעל כ־770 °C, ופנים כדור הארץ העמוק חם מזה באלפי מעלות. השדה נוצר במקום זאת, כל הזמן, בגלעין החיצוני: קליפה של ברזל וניקל נוזליים בעובי 2,260 km, שמתחילה בעומק 2,890 km ומקיפה גלעין פנימי מוצק, חם בערך כמו פני השמש.
הגלעין החיצוני מאבד חום אל המעטפת שמעליו, וכשהגלעין הפנימי גדל לאט, הוא משחרר בשוליו יסודות קלים וחום. שני הדברים גורמים למתכת הנוזלית לעלות ולשקוע, כמו מים בסיר. מתכת שנעה בשדה מגנטי נושאת זרמים חשמליים, וזרמים חשמליים יוצרים שדות מגנטיים. כשהכול מסודר נכון, הזרימה מחדשת את השדה שמכוון אותה, וכך השדה מקיים את עצמו. זהו הגאודינמו. הסיבוב של כדור הארץ מפתל את הזרימה לעמודים מסתחררים שמקבילים לציר הסיבוב, ולכן גם השדה מקביל בערך לציר.
נסו: בחרו היום תחת זמן והסתכלו על תחתית הגלעין החתוך. הרצועות שנודדות סביבה הן עמודי הברזל הנוזלי, במבט מהקצה.
השדה מתהפך
הדינמו אינו יציב. הקטבים המגנטיים נודדים עשרות קילומטרים בשנה, ועוצמת השדה עולה ויורדת. מדי פעם הוא עושה משהו דרמטי הרבה יותר: הוא מתהפך, והקטבים המגנטיים הצפוני והדרומי מחליפים מקומות. הפעם האחרונה הייתה לפני כ־773,000 שנה. לפני כן השדה היה הפוך במשך רוב שני מיליון השנים שקדמו לכך, וזה נקטע רק בתקופות קצרות של קוטביות נורמלית, כמו ג’רמילו ואולדובאי.
במהלך היפוך, החלק הראשי, הדו־קוטבי, של השדה דועך אולי לעשירית מעוצמתו הרגילה. מה שנשאר הוא סבך של לולאות קטנות יותר, עם כמה “קטבים צפוניים” שמפוזרים על פני הכדור, ובמשך כמה אלפי שנים השדה הראשי נבנה מחדש כשהוא מכוון לכיוון ההפוך. היפוכים מגיעים במרווחים לא סדירים, בין עשרות אלפי שנים לעשרות מיליוני שנים זה מזה; איש אינו יכול לחזות את הבא.
נסו: בחרו ההיפוך האחרון וצפו בלולאות הארוכות קורסות ללולאות קטנות בזמן שהמצפן מסתובב. אחר כך בחרו הפוך והשוו למצב היום: ללולאות יש אותה צורה, אבל ראשי החצים שעליהן ומחט המצפן מצביעים לכיוון ההפוך.
פסים בקרקעית הים
איך אנחנו יודעים שכל זה קרה? הסלעים זוכרים. כשלבה מתקררת, גרגירים זעירים של מגנטיט שבתוכה ננעלים בכיוון השדה באותו רגע, ושומרים עליו במשך מיליוני שנים.
לאורך רכסים מרכז־אוקייניים נוצרת כל הזמן קרקעית ים חדשה, כשהלוחות משני הצדדים מתרחקים זה מזה ולבה ממלאת את הפער (ראו טקטוניקת הלוחות). כל רצועה של סלע חדש מתעדת את השדה של זמנה, ואז ההתפשטות נושאת אותה הרחק מהרכס. בסוף שנות החמישים ובתחילת שנות השישים מצאו ספינות שגררו מגנטומטרים את התוצאה: פסים ארוכים של סלע שמוגנט בכיוון זה או אחר, שמקבילים לרכסים ומשתקפים כמו במראה משני צידיהם. כשקוראים אותם מהרכס החוצה, הם הקלטה של ההיפוכים של השדה, והרוחב שלהם מתאים לתאריכים של אותם היפוכים שנמצאו בזרמי לבה ביבשה. ההתאמה הזאת שכנעה את הגאולוגים בשני דברים בבת אחת: השדה מתהפך, וקרקעית הים מתפשטת.
נסו: בחרו פועל תחת הצגת התיעוד המגנטי כדי לרוקן את הים. פסים בצבע חלודה נוצרו כשהשדה היה מכוון כמו היום; פסים בהירים, כשהיה הפוך. הקו בגרף שליד הסצנה הוא מה שמגנטומטר של ספינה היה מודד כשהיא חוצה את הרכס: גבוה מעל פסי החלודה, נמוך מעל הבהירים. עכשיו גררו את זמן מלפני 3 מיליון שנה לכיוון היום, וצפו בפסים נישאים החוצה מהרכס, כשהחדש ביותר תמיד תואם את המצפן.
רוחב הפס תלוי במהירות שבה הרכס מתפשט. כל צד מתרחק במחצית קצב ההתפשטות, ולכן תקופה של שדה נורמלי שנמשכה מיליון שנה משאירה פס ברוחב 25 km משני צידי רכס שמתפשט 5 cm בשנה, ופס ברוחב 70 km בקצב של 14 cm בשנה.
נסו: בחרו מרכז־אטלנטי תחת קצב ההתפשטות, ואחר כך מזרח־פסיפי. אותם היפוכים מטביעים פסים צרים על הרכס האיטי ופסים רחבים על המהיר.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
השדה האמיתי אינו דיפול ועוד ארבעה קטנים; מודדים אותו כמאות תבניות חופפות, שמשתנות משנה לשנה. הסצנה מציירת קווי שדה רק מפני השטח של הגלעין והחוצה, אף שהשדה בתוך הגלעין הנוזלי חזק ומפותל הרבה יותר. העמודים המסתחררים בגלעין עוקבים אחר התבנית שמודלים ממוחשבים של הגאודינמו מפיקים, אבל כאן הם תבנית מצוירת, לא חישוב.
כל היפוך בסצנה הוא באותה צורה: העוצמה צונחת במשך כעשרת אלפים שנה לפני ההיפוך ואחריו, והכיוון מתהפך בתוך כמה אלפי שנים. היפוכים אמיתיים שונים זה מזה, וחלק מהניסיונות נכשלים: בנדידה גאומגנטית, כמו אירוע לאשאן לפני כ־41,000 שנה, השדה נחלש ומסתובב לזמן קצר לפני שהוא חוזר לכיוונו הקודם. בין היפוכים המודל שומר על עוצמה קבועה, ואילו עוצמת השדה האמיתי השתנתה בערך פי שניים.
בגוש הרכס לפסים יש קצוות חדים; לפסים אמיתיים יש קצוות מטושטשים, כי הלבה מתקררת ברצועה ברוחב של קילומטרים, והסלע העמוק יותר מתעד את השדה מאוחר יותר. התבליט ועובי הקרום מצוירים גבוהים מכפי שהם באמת, והים רדוד בהרבה ממה שהיה בקנה המידה הזה.