О магнитном поле Земли (МПЗ) людям стало известно несколько столетий назад. К началу XVII века ученые выявили его характерные особенности, к концу XIX— научились описывать их математически, а в первой половине XX века одна за другой стали появляться гипотезы о его происхождении. Во второй половине нашего столетия в связи с существенным развитием измерительной техники произошли принципиальные изменения в науке о земном магнетизме.

Важный шаг в исследовании магнетизма сделал Карл Гаусс, великий теоретик и экспериментатор, который в 30-егоды прошлого века пришел к выводу: Земля должна обладать не одним, а многими диполями (телом, имеющим два магнитных полюса) — одним главным, пересекающим всю планету, и несколькими меньшими, каждое из которых простирается от ее ядра до того или иного района на поверхности.

Только в наши дни, используя спутники Земли, мы полностью убедились, до какой степени был прав «Карл Великий» физики. Действительно, выяснилось, что около 90 процентов силы и направленности МПЗ зависят от гигантского магнита, лежащего вдоль оси вращения планеты. Остальное составляют меньшие поля, окружающие от шести до восьми магнитов, которые указывают в различные районы Монголии, Западной Европы, Центральной Канады, Центральной Африки, южной части Индийского океана и Южной Америки.

Итак, в первом приближении МПЗ — это поле диполя или поле однородной намагниченной сферы. Магнитный момент Земли составляет 8,17х10²⁵ электромагнитных единиц. Напряженность поля на экваторе достигает 0,3 Э, на полюсах — 0,6 Э. Это очень слабое поле, поскольку обычный магнит, находящийся в любом школьном физическом кабинете, имеет у своих полюсов несколько десятков эрстед.

Дипольное поле Земли обладает азимутальной симметрией: магнитные меридианы идут от одного полюса к другому по дугам большого круга, а магнитные широты — параллельно магнитному экватору. Магнитные полюсы сдвинуты относительно географических, поэтому наклон магнитной оси к оси вращения планеты составляет 11,5°.

На земном шаре имеются области, где реальное магнитное поле отличается от дипольного. Это — мировые или континентальные магнитные аномалии, названные так потому, что они простираются на расстояния до нескольких тысяч километров и соизмеримы с площадью континентов. Две такие аномалии — положительная и отрицательная — расположены в северном полушарии, две другие — в южном, а одна — на экваторе. Центры аномалий, а также вся картина изолиний смещается к западу.

Это западный дрейф геомагнитного поля. Скорость его составляет 0,2° в год.

Понятно, что ни в одной оболочке Земли, кроме жидкого ядра, не может происходить перемещение вещества с такой скоростью. Значит, мировые аномалии связаны с жидким ядром и являются органической частью главного геомагнитного поля, генерируемого в жидком ядре.

Магнитное поле Земли имеет два полюса. Южный расположен у берегов Северной Америки (ϕ≈70° южной широты, λ≈150° восточной долготы). Как оказалось, геомагнитное поле асимметрично.

Известно, что в результате определенных процессов, главным образом в ядре Земли, магнитные полюса планеты постоянно перемещаются, то есть направление, которое указывает компас в данной точке земной поверхности, год отгода меняется. Магнитное склонение, то есть разницу между географическим меридианом и направлением магнитной стрелки, приходится все время уточнять.

Сейчас Северный магнитный полюс движется на север со средней скоростью около 10 километров вгод, хотя иногда за одни сутки он может преодолевать до 80 километров.

Примерно раз в десятилетие положение магнитных полюсов Земли приходится определять заново, после чего ученые составляют новые карты, необходимые, в частности, для навигации. Так, например, в 1970-х годах Северный магнитный полюс располагался примерно в центре острова Батерст (архипелаг Парри), а до того — много южнее, на полуострове Бутия (и тот и другой находятся в пределах северо-западной территории Канады).

Заметим, что за последние 100 миллионов лет напряженность МПЗ не изменилась и лишь колеблется в пределах, обусловленных вариациями магнитного момента Земли.

Единственный процесс, способный создавать наблюдаемое на поверхности Земли знакопеременное поле с колебаниями типа так называемых вековых вариаций — это некое подобие «динамо-машины».

Механизм динамо, действующий в земном ядре, носит название гидромагнитного динамо. Основан он на взаимодействии двух типов магнитных полей и двух типов движений — суточного вращения и конвективных вихреобразных перемещений вещества в жидком ядре Земли.

Магнитное поле — это, во-первых, магнитное поле, которое мы наблюдаем на поверхности Земли, а, во-вторых, два замкнутых кольца силовых линий (северное и южное), параллельных экватору.

Направление кругового магнитного поля северного кольца противоположно направлению южного кольца.

Взаимодействие внешнего поля с суточным вращением порождает тороидальное (внутреннее) магнитное поле, а взаимодействие конвективных вихрей с тороидальными полями создает внешнее магнитное поле.

Для работы «динамо-машины» необходимо, чтобы присутствовали все рассмотренные виды движения и какое-то начальное поле. В качестве последнего может служить межпланетное магнитное поле.

Предположение о работе такого механизма в ядре Земли ведет к довольно четким представлениям как о самом ядре, так и о происходящих в нем процессах. Ясно, что в ядре происходят конвективные движения. Можно установить пределы скоростей этих движений и некоторых физических постоянных самого ядра (электропроводность, вязкость). Судя по неизменности характеристик геомагнитного поля, резонно предположить, что оно за миллиард лет не претерпело существенной эволюции.

Одна из ярких и замечательных особенностей МПЗ — изгода вгод, из столетия в столетие оно монотонно изменяется. Изучение его так называемых «вековых вариаций» с широким спектром периодов — от десятков лет до десятков тысячелетий — едва ли не одна из главных задач магнитологов.

Наиболее важную роль в развитии геомагнетизма сыграли новые направления этой науки — палеомагнетизм и археомагнетизм, позволившие «прочесть» историю геомагнитного поля за миллиард лет.

Известно, что все вещества так или иначе намагничиваются в присутствии магнитного поля, но только ферромагнетики способны частично сохранять приобретенную намагниченность после прекращения действия поля. Намагниченность ферромагнетиков — ее величина и стабильность — зависят не только от особенностей намагничивающего поля, но и от условий, в которых происходит намагничивание.

Чем меньше по интенсивности намагничивающее поле, тем большую роль играют присутствующие при этом внешние условия. И среди них наиболее существенным фактором является температура.

Породы, излившиеся на поверхность Земли при температуре 800 °C или выше и остывшие в магнитном поле до обычных (атмосферных) температур, приобретают термоостататочную намагниченность.

Ее не могут разрушить даже магнитные поля, в десятки и сотни раз превышающие МПЗ. Вот именно эта намагниченность сохраняется в породе до тех пор, пока не разрушатся сами ферромагнитные зерна.

По ней мы и узнаем как величину, так и направление МПЗ в те отдаленные времена, когда шел собственно процесс образования породы.

Сведения о геомагнитном поле Земли за последние тысячелетия дают нам и археологические раскопки.

Изделия из обожженной глины — печи, кирпичи, черепица, посуда — сохранили и донесли до нас «магнитную информацию». Возраст породы магнитологи определяют геологическими методами, а истинный возраст керамических изделий — по историческим документам.

Палеомагнитные исследования привели к одному очень важному открытию. Два коллектива ученых — один из Национального университета Австралии в Канберре, а другой из Управления геологической съемки США в Менло-Парк (Калифорния) — нашли подтверждение гипотезы о том, что магнитные полюса Земли в прошлом имели другие «местожительства», а порой могли даже меняться своими местами.

Образцы пород, взятые в весьма удаленных друг от друга районах, имевшие близкий возраст, демонстрировали одинаковую, но «обратную» нынешней полярность. Когда произвели датировку таких пород, то выяснилось, что за последние 5 миллионов лет магнитные полюса Земли менялись местами не менее 25 раз, то есть в среднем каждые 200 тысяч лет! Но это лишь в среднем. Последний подобный случай был целых 730 тысяч лет назад.

Итак, оказывается, что геомагнитное поле время от времени изменяет свою полярность, то есть магнитные полюса могут меняться местами друг с другом. Такие «переполюсовки» называются инверсиями. Палеомагнитологи обнаружили связь инверсий с тектонической деятельностью, с интенсивностью процессов горообразования и т. д.

Ученым удалось воспроизвести последовательность событий во время инверсий.

Сначала величина МПЗ резко уменьшается (примерно в 5–10 раз), на фоне пониженного поля магнитный полюс перемещается из одного полушария в другое.

Возможно, что на самом деле происходило не перемещение полюса, а распад его осевого дипольного поля, и возникали кратковременные магнитные поля радиального направления.

Инверсия длится несколько десятков тысяч лет, после чего восстанавливается осевое дипольное поле, но оно уже имеет другую полярность. Полюс во время инверсии может оказаться в любой точке на поверхности земного шара. Однако палеомагнитные данные показывают, что существуют области, где во время инверсии полюсы появляются чаще, чем в других местах.

Примечательно, что во время «переполюсовки», судя по ископаемым останкам животных и растений, происходили резкие скачки в эволюции биосферы.

Исчезали одни виды животных, уступая место другим. Возможно, что эти скачки были вызваны временным ослаблением и даже полным исчезновением (перед очередной инверсией) того магнитного экрана, роль которого выполняет МПЗ. Когда это поле существует и достигает значительной напряженности, магнитосфера становится ловушкой для солнечных корпускул и частиц, образующих космические лучи. Наоборот, во время инверсии космическая корпускулярная радиация беспрепятственно достигает Земли и, возможно, губительно действует на генетический аппарат живых организмов, что и ведет к их вымиранию.

Еще одно интересное явление привлекает сейчас внимание палеомагнитологов. Это довольно тонкий вопрос и пока остро дискуссионный. Во временной структуре земного магнитного поля обнаружили так называемые экскурсы — очень короткие в геологическом масштабе времени изменения поля.

Резкое, «мгновенное» изменение, вплоть до перемены полярности, до выхода полюса в противоположное полушарие. Но «переполюсовки» не происходит — полюс возвращается назад. Сначала экскурсы считали просто-напросто ошибками в палеомагнитных данных, но с накоплением информации оказалось: это, скорее всего, реальное явление, многократно происходившее в истории Земли.

Относительно недавно ученым удалось установить, что своеобразным «спусковым курком», вызывающим взаимную перемену магнитных полюсов Земли, являются, представьте себе…падения на нашу планету крупных метеоритов.

Около десяти лет назад, в 1989 году, американские ученые Р. Мюллер и Д. Моррис выявили механизм взаимосвязи между этими казалось бы не связанными друг с другом природными явлениями.

Столкновение нашей планеты с небесными телами, а также сопровождающие их мощные вулканические извержения способны, считают Р. Мюллер и Д. Моррис, выбрасывать в атмосферу столько пылевых частиц, что солнечные лучи почти не достигают земной поверхности. Это обстоятельство приводит к наступлению похолоданий: в полярных районах возникает или увеличивается площадь ледяных шапок, и центр массы Земли смещается.

Известно, что, чем большая часть массы вращающегося тела располагается около его оси вращения, тем быстрее само вращение. Так, например, фигуристы, решив ускорить свое вращение, всегда прижимают руки к туловищу. Нечто подобное происходит и с нашей планетой, когда скопления превратившейся в лед воды сосредоточивается у полюсов Земли, то есть именно там, где земная ось вращения «выходит» на поверхность.

А дальше происходит следующее… Жидкие части земных недр не прикреплены жестко к твердой оболочке, поэтому появляющееся ускорение вращения не может охватить все ядро Земли одновременно.

Другими словами, когда литосфера и мантия уже успели «разогнаться», то трение и электромагнитные силы начинают «тянуть» за собой внешние слои жидкого ядра Земли. В то же самое время его более глубокие слои отстают, причем такое отставание может затягиваться на…десятки и даже сотни лет.

Авторы данной гипотезы считают, что именно такой «механизм» и вызывает изменения магнитного поля Земли: вариации скорости ее вращения порождают хаотические движения в жидких слоях и тем самым ослабляют геомагнитное поле Земли.

Когда же в земном ядре воссоздается равномерное вращение с большой скоростью, то магнитное поле снова усиливается. Однако поначалу его направленность является неустойчивой и поэтому северный магнитный полюс может «поменяться» местами с южным…

Р. Мюллер и Д. Моррис убеждены, что большинство «переполюсовок» земного магнитного поля объяснимы вышеперечисленными причинами.

Вращение Земли одно из важнейших свойств нашей планеты. Вследствие вращения Земли происходит, как известно, смена дня и ночи, которая регулирует всю биологическую жизнь планеты. Она вращается достаточно равномерно. По крайней мере, вполне равномерно для житейских потребностей людей и нужд большинства научно-технических применений, использующих вращение Земли в той или иной мере.

Кстати сказать, вращение Земли считалось вначале абсолютно равномерным. Так, почти двести пятьдесят лет тому назад, в 1752 году, Берлинская академия наук объявила конкурс на лучшее исследование, которое ответило бы на вопрос: «Было ли суточное вращение Земли всегда одинаковой скорости, какими способами можно в этом убедиться и, если вращение неравномерно, какая этому причина?»

Сначала ответ был один — продолжительность суток не меняется никогда ни на секунду. Но это был ответ неправильный, поскольку уже в 1754 году немецкий философ И. Кант указал на обстоятельства, которые могли замедлить это вращение. Он считал, что морские приливы, обегающие за сутки Землю в направлении противоположном ее вращению, являются причиной, тормозящей данное явление и удлиняющей продолжительность суток. Впрочем, доказательств этому предположению не имелось.

Прошло каких-нибудь сто лет, и было выяснено, что продолжительность суток меняется, а еще через пятьдесят лет эти изменения удалось определить.

Точнейшие астрономические измерения показали, что скорость вращения Земли все замедлялась, а в первые десятилетия ХХ века это замедление прекратилось и сменилось ускорением. Происходят и внезапные кратковременные изменения скорости вращения.

Отчего это происходит? Какие силы то затормаживают, а то раскручивают нашу планету?

На этот вопрос нет сегодня ясного ответа.

«Следствие по делу» ведется давно и тщательно, собрано немало «свидетельских показаний» и «вещественных доказательств», есть «подозреваемые» и явные «соучастники», но для подтверждения подозрений недостает фактов, а что касается выявляемых «соучастников», то не до конца установлена еще доля участия каждого в деле изменения скорости вращения Земли.

За последние десятилетия скорость вращения Земли неоднократно менялась. Например, в феврале 1960 года директор Парижской обсерватории А. Данжон сообщил членам национальной Академии наук, что вслед за наблюдавшейся на Солнце вспышкой наша планета внезапно замедлила свое вращение на целых 0,85 миллисекунды в сутки.

Затем же, словно пытаясь наверстать упущенное, она вдруг ускорила свое движение вокруг оси, каждые 24 часа сокращая длительность суток на 3,7 миллисекунды!

Подозрение, павшее на солнечную активность, было проверено. Оказалось, что по данным, полученным за многие десятилетия, колебания интенсивности солнечной активности так или иначе отслеживаются скоростью вращения Земли. Но имеются и другие космические и земные факторы, «проходящие по нашему делу».

Как известно, около 2 процентов всей воды на Земле находится в замерзшем состоянии, то есть в основном в виде льдов. Масса ледников на Земле все время меняется значительным образом. Например, 12 000 лет назад растаял громадный ледниковый щит, покрывавший в четвертичном периоде почти всю Русскую равнину, а также значительные пространства Западной Европы и Северной Америки… Во время малого климатического оптимума, который был около 1000 лет тому назад, ледниковый щит Гренландии имел значительно меньшую массу, чем ныне… Вполне понятно, что такие распределения «влаги» между Мировым океаном и ледниковыми щитами неизбежно сопровождаются изменением момента инерции Земли и приводят к неравномерному ее вращению.

Несколько лет назад группа крупных ученых выступила с идеей, что флуктуации земной скорости вращения обусловлены проникновением энергии «солнечного ветра» (например, во время магнитной бури), что и приводит к возрастанию скорости суточного вращения Земли. Сопоставляя за много лет индексы солнечной активности, соответствующей периодам увеличения интенсивности «солнечного ветра», и сейсмической энергии, исследователи пришли к выводу, что солнечная активность играет большую роль и в медленных изменениях скорости вращения Земли.

Современные нерегулярные вращения Земли связывают также с приближением и присоединением к нашей планете его гипотетического второго естественного спутника, который получил в честь древнеславянского божества имя Перуна.

Рассматриваемая гипотеза объясняет их тем, что отдельные скопления плотных обломков Перуна после землетрясений приходят в движение и перемещаются к центру планеты.

Когда наша планета затормаживает или ускоряет свое вращение, то грозные силы инерции вызывают в земной коре упругие деформации (механические напряжения), или, другими словами, являются инициаторами возникновения перемещений в различных земных породах (слоях), которые, как считают геологи, являются основными причинами вздымания гор и образования низин, возникновения землетрясений и активной вулканической деятельности.

Кстати, не только землетрясения, но и уровень Мирового океана, его приливы и отливы, система теплых и холодных течений, то устремляющихся к полюсам, то к экватору, а, следовательно, погода и климат тоже зависят от неравномерности вращения нашей планеты.

Давно, например, известно, что в Норвежском и Гренландском морях поведение течения Гольфстрим подобно качающемуся маятнику. Сначала оно отходит к востоку, к берегам Норвегии, потом к западу, к Гренландии. Это связано, как считают ученые, с неравномерным вращением Земли. Действительно, когда Земля вращается быстрее, льды подступают к берегам Исландии и Гренландии. При снижении же скорости вращения «ледовитость» этих районов уменьшается.

Итак, период вращения Земли вокруг своей оси апериодически изменяется от различных причин.

Уменьшение или увеличение скорости вращения планеты, как оказывается, обусловлены и тесно взаимосвязаны с определенными глобальными явлениями, к которым можно отнести:

— взаимодействие и эволюцию систем небесных тел «Солнце—Земля—Луна»;

— смещение ядра Земли и конвенцию в нем, а также конвентивные перемещения вещества в мантии;

— сезонные перемещения водных и воздушных масс (например, явление Эль-Ниньо — периодическое мощное потепление и изменение направления воздушных и морских течений в Тихом океане) и связанные с ними изменения центра масс и моментов инерции Земли;

— вариации силы тяжести и постоянное увеличение объема Земли;

— интенсивный вулканизм и мощные землетрясения.

Но и это еще не все!.. Большое значение, как оказалось, имеют и изменения величины магнитного поля Земли. Ведь Земля — гигантский магнит. Причем вращающийся магнит! Английский ученый К. Ранкорн считает, что изменения земного магнитного поля индуцируют электрические токи в мантии. Хотя мантия — довольно слабый проводник, но сила таких токов достаточна, чтобы вызвать вращающийся момент, способный ускорить или замедлить движение мантии, а тем самым и планеты в целом. Проведенные специальные исследования установили, что кривые изменения скорости вращения нашей планеты и кривые изменения ее магнитного поля совпадают.

Здесь, правда, нет ясности — где причина, а где следствие. Вполне возможно, что и величина моментного поля, и скорость вращения Земли — следствия какой-то одной причины. А какой именно — это уже другой вопрос. На этот счет также существуют различные гипотезы…

Каждый раз в периоды увеличения скорости вращения происходило усиление сейсмической активности Земли. Приведем только два примера: в 1920-егоды нашего столетия увеличение скорости вращения планеты сопровождалось серией катастрофических землетрясений в Японии, Португалии, Северной и Южной Америке, а в конце 1960-х годов такое же событие совпало с мощными землетрясениями, прокатившимися по Тихоокеанскому побережью Южной Америки. За эти относительно небольшие отрезки времени МПЗ изменилось всего лишь на несколько процентов. Чего же следует ожидать, если МПЗ изменится очень сильно или произойдет, предположим, инверсия магнитных полюсов Земли?..

Несколько десятилетий тому назад большинство специалистов, знавших о том, что поверхность Земли то и дело меняется, искренне считали, что мы живем в очень спокойное время. Отдельные землетрясения и извержения вулканов, происходившие в различных регионах земного шара, воспринимались как отголоски некогда бурных событий. Но оказалось, что мы живем в мире, который «достаточно быстро» (естественно, по геологическим меркам) изменяется, а сама Земля — генератор колебаний.

Во-первых, на нашей планете то увеличиваются, то уменьшаются запасы ледников, она растрачивает свои радиоактивные вещества, постоянно излучая как из глубин, так и с поверхности поток тепла в окружающее космическое пространство, что в итоге приводит к повторению различных климатических циклов и т. д.

Нужно сказать, что природа большинства природных процессов, происходящих с периодичностью от нескольких лет до сотен миллионов лет, не совсем нам ясна. Но очевидно, что в некоторых частных случаях именно они могут привести к весьма резким изменениям скорости движения земной коры.

Выходит, что мы живем в самое бурное с геологической точки зрения время, то есть самые сильные землетрясения и вулканические извержения нашего времени ничуть не слабее тех, что происходили на нашей планете в древности!

Во-вторых, изменение в ту или другую сторону периода вращения Земли даже на несколько миллисекунд может привести к интенсивным извержениям вулканов и мощным землетрясениям.

До начала XX века наша планета медленно, но неуклонно замедляла свое вращение, в результате чего длительность суток становилась длиннеегод отгода. Правда, всего лишь на несколько миллисекунд вгод. Однако за столетие замедление скорости вращения Земли вокруг своей оси привело к увеличению продолжительности суток, например, на 0,0025 секунды. Это замедление тесно связано с приливным взаимодействием между Луной и Землей, от которого возникает тормозящий момент сил.

В первые десятилетия нашего века Земля стала вращаться быстрее. Откуда же взялась достаточно немалая энергия для увеличения скорости вращения?

Оказалось, что эта энергия получается из-за ее «перераспределения» между отдельными внутренними оболочками Земли. Поскольку, как выяснилось, характерное время этого процесса составляет около 60 лет, то столь быстрые внутриземные процессы могут быть связаны только с жидким ядром Земли.

Другими словами, быстрые, с планетарной точки зрения, изменения скорости вращения Земли обязаны своим происхождением изменениям движения вещества в земном жидком ядре. Но ведь и существование МПЗ связано с таким движением…

Проведенные исследования как коротких периодов (около 20 лет), так и более длинных (порядка 600 лет) подтвердили, что кривые изменения скорости вращения нашей планеты и скорости изменения ее магнитного поля совпадают.

Вопрос в данном случае заключается в том, каким образом изменения скорости вращения Земли могут привести к проявлению геологических процессов, к изменению скорости осадконакопления, к росту как числа, так и силы землетрясений, к активизации вулканов и т. п.

Еще в 1960-хгодах советский ученый М.В. Стовас рассчитал изменение эллиптичности фигуры Земли при изменении ее скорости вращения и пришел к выводу, что в верхних оболочках нашей планеты возникают при этом значительные упругие деформации (напряжения). И хотя они сами не способны вызвать катаклизмы на земной поверхности, но вполне могут служить своего рода «спусковым механизмом» для тех разрушительных процессов, которые как раз и связаны с накоплением энергии, то есть с интенсивными землетрясениями или вулканическими извержениями.

В итоге получается, что зная изменение МПЗ в прошлом, запечатленное в магнитной памяти горных пород, мы можем достоверно судить об изменении суточного вращения Земли, а значит, и об изменениях горообразовательных процессов (сильных извержений вулканов и землетрясений), происходящих в верхних оболочках земного шара.

С помощью этого критерия «бывшей активности» Земли вполне реально проанализировать хронологии или летописи катастроф в далеком прошлом. Правда, возникает вопрос, а возможны ли вообще подобные катастрофы с точки зрения изменчивости МПЗ?..

Ответ, как установили ученые, однозначен: «Да, возможны и даже неизбежны!»