2. Магнитное поле земли
Динамо-эффект
Самым большим магнитом, который нас окружает, является сама Земля. Ее воздействие может показаться очень слабым, потому что самый мелкий магнит может отклонить стрелку компаса от направления на север. Но не будем забывать, что магнитное поле уменьшается пропорционально квадрату расстояния: магнит, отклоняющий стрелку компаса на расстоянии 10 см, не такой уж мощный, учитывая, что источник магнитного поля Земли находится гораздо дальше, за тысячи километров под нашими ногами…
Явления, лежащие в основе магнитного поля Земли, были поняты совсем недавно и пока еще не до конца. Эти процессы по-настоящему сложны, и здесь мы ограничимся лишь ключевыми идеями.
Принцип
Первая великая идея состоит в том, что это поле наверняка является результатом движения заряженных частиц. Между тем в изолированном веществе электроны остаются привязанными к ядру, и передвигаются атомы целиком. Поскольку атомы являются нейтральными, магнитное поле возникнуть не может.
Таким образом, только вещество-проводник, в котором движение отрицательных зарядов отдельно от движения положительных зарядов, может стоять у истоков магнитного поля Земли. На практике речь идет о сплавах железа и никеля, присутствующих в ядре.
Вторая великая идея состоит в том, что движение зарядов вызывает появление магнитного поля, которое, в свою очередь, усиливает движение этих зарядов, усиливая магнитное поле, и так далее… В каком-то смысле магнитное поле и возникающий электроток подпитывают друг друга – это называется динамо-эффектом.
Рис. 15.3 позволяет составить общее представление о принципе динамо-эффекта. Раскрутим диск проводника в рождающемся магнитном поле, направленном по оси этого диска. Свободные электроны, будучи в движении под действием вращения диска, ощущают воздействие магнитной силы, которая толкает их к центру диска. Таким образом, мы создали ток, направленный к внешней части диска (➙ рис. 15.3.а).
Теперь хитрость в том, чтобы заставить ток двигаться по проводу, намотанному под вращающимся диском. Мы таким образом создали кольцо, которое создает магнитное поле. Оно ориентировано точно в сторону первоначального магнитного поля, что усиливает его (➙ рис. 15.3.b). С увеличением магнитного поля усиливается созданный ток, который усиливает новое магнитное поле. На практике достаточно первоначального маленького магнитного поля (результат простого возмущения среды), чтобы оно подпитало само себя и стало больше.
Рис. 15.3 – Динамо-эффект
(а) – вращение диска проводника, погруженного в магнитное поле, приводит к возникновению тока.
(b) – ток проходит по затейливому пути, созданному электропроводом, формируя кольцо, окружающее ось вращения. Магнитное поле, созданное этим кольцом, усиливает первоначальное поле, что усиливает ток, и так далее…
Сложные механизмы
Конечно, в случае с Землей еще нужно, чтобы ток пошел по сложному пути, изображенному на рис. 15.3. Внутри Земли это возможно, только если там происходят сложные конвекционные процессы, то есть вещество должно быть жидким, каким и является внешнее ядро Земли. На практике конвекция порождается разницей температур ядра, сложность этому процессу придают сила Кориолиса и сила трения.
В итоге движение зарядов внутри вещества-проводника, которое само перемещается довольно сложным образом, образует магнитное поле и способно к самоподпитке. Как мы видели, Земля ведет себя как магнит, чей южный магнитный полюс находится на географическом севере.
Попутно заметим, что магнитные полюса не соответствуют полюсам географическим: например, южный магнитный полюс находится в Канаде, а не в Северном Ледовитом океане. Более того, из истории Земли мы знаем, что магнитное поле часто менялось случайным образом (северный магнитный полюс оказывался на географическом северном полюсе).
Такое непостоянство связано с нестабильностью динамо-эффекта: в этом механизме одно простое возмущение может создать магнитное поле, направленное в ту или в другую сторону. Учитывая сложность данных явлений, мы пока не способны предвидеть, сколько времени пройдет до следующей перемены.
Выводы
Подведем итоги. Чтобы у планеты было магнитное поле, необходимы три условия:
• Ее ядро должно содержать вещества-проводники. Это условие неизменно подтверждается практикой, потому что металлы-проводники – тяжелые элементы, которые во время формирования планеты стремятся погрузиться в ее центр под действием гравитации.
• Планета должна достаточно быстро вращаться вокруг своей оси подобно диску на рис. 15.3. Именно по этой причине Венера (которая почти не вращается вокруг своей оси) магнитным полем не обладает.
• У планеты должно быть жидкое ядро. На практике это жидкое состояние обусловлено распадом радиоактивных элементов (мы поговорим об этом в главе 27).
Чем крупнее планета, тем сильнее связь между ее объемом и поверхностью: меньшие пропорции ее внутренней энергии в этом случае рассеяны в космосе. По этой причине Марс, который меньше Земли, больше не обладает общим магнитным полем: у него больше нет достаточной внутренней энергии, чтобы поддерживать ядро в жидком состоянии.
Кроме того, радиоактивность с течением времени уменьшается: на заре существования Солнечной системы радиоактивность была достаточной, чтобы создать жидкую сердцевину даже у Марса. То есть в свои юные годы эта планета тоже обладала магнитным полем.
Намагниченность руд
Роль температуры
Мы видели, что в присутствии магнитного поля некоторые вещества могут намагничиваться, то есть некоторые руды приобретают магнитные свойства в присутствии магнитного поля Земли. На практике их северный полюс обращен в сторону южного магнитного полюса Земли, то есть к географическому северу.
И все-таки этого недостаточно для создания постоянного магнита: необходимо, чтобы намагниченность «зафиксировалась». На самом деле в магните «северный полюс» не обязательно обращен к географическому северу. Он «заморожен» в веществе, куда бы ни был направлен магнит. Это обусловлено тем, что в данном типе вещества «кольца» не могут легко поменять направление.
В связи с этим возникает вопрос: каким образом такая руда, как магнетит, может приобретать магнитные свойства, если ее кольца так трудно расшевелить? Слабое магнитное поле Земли было бы не способно повернуть их все в одном направлении, чтобы сделать из них магнит.
Чтобы ответить на этот вопрос, вспомним, что направление колец меняется от столкновения атомов вещества. Между тем чем выше температура, тем больше у столкновений энергии, необходимой для переориентации колец.
Если точнее, некоторые вещества (в частности, с содержанием железа) претерпевают настоящую «смену состояния» при определенной температуре, называемой «температурой Кюри»: если температура выше этой точки, кольца сами меняются направление от интенсивных столкновений атомов, и вещество становится парамагнитным. Тогда вещество намагничивается в присутствии магнита, но теряет магнитные свойства, если магнит удаляется (глава 15).
Зато при температуре ниже температуры Кюри кольца сохраняют свое новое направление: вещество становится ферромагнитным.
Руды, рассказывающие историю Землю
Итак, вот что произошло: в истории Земли вулканы извергли очень горячую лаву, содержащую железо. В присутствии магнитного поля Земли и благодаря высокой температуре эти лавы приобрели магнитные свойства. Затем они остыли, и их намагниченность «зафиксировалась»: они стали постоянными магнитами. Таково происхождение магнетита, очень давно открытого греками. Этот процесс продолжается и сейчас благодаря вулканической деятельности.
Эти руды интересны тем, что они сохранили память о магнитном поле, проходившем по Земле. Если с тех пор они не подверглись деформации, то они указывают на то, как было расположено магнитное поле в течение формирования Земли.
На практике дно океана дает нам ценнейшую информацию: оно сформировано на горных кряжах посреди океана и понемногу перемещается в сторону зон субдукции (погружения одних литосферных плит под другие). Так чем дальше от горных кряжей, тем старее Земля, тем дальше мы уходим в прошлое. Таким образом, можно составить подробную карту истории магнитного поля Земли: именно благодаря ей мы смогли узнать о многочисленных изменениях магнитного поля, происходивших в прошлом.
И благодаря магнитным рудам было открыто бывшее магнитное поле Марса, исчезнувшее давным-давно, в каком-то смысле оно осталось погребенным в его рудах.
Магнитосфера
Визуализация
Магнитное поле Земли прекрасно ощущается на поверхности (в частности, оно ориентирует компасы). Но этот магнит огромен и создает магнитное поле даже в космическом вакууме повсюду вокруг Земли. Это обширное магнитное пространство, окружающее Землю, называется магнитосферой.
Чтобы изобразить ее, можно было бы нарисовать вектор магнитного поля в каждой точке пространства, но сделать это будет трудновато. Поэтому мы прибегнем к помощи так называемых силовых линий: в каждой точке силовой линии магнитное поле ориентировано в направлении этой линии. Несколько карандашных штрихов – и мы получаем карту магнитного поля вокруг Земли (➙ рис. 15.4).
Рис. 15.4 – Силовые линии, созданные магнитом
Силовые линии указывают направление магнитного поля в любой точке пространства (мы изобразили несколько примеров на схеме).
Заметим, что в случае Земли силовые линии искажены присутствием заряженных частиц, исходящих от Солнца, что значительно деформирует линии в сравнении с вышеприведенной схемой.
Солнечный ветер
Магнитосфера играет огромную роль для жизни на Земле. В ближних к Солнцу слоях пространства, называемых солнечной короной, температура достигает миллиона градусов. Такая колоссальная температура придает необходимую кинетическую энергию электронам для освобождения от ядра. Атомы водорода, потерявшие свой единственный электрон, становятся простыми протонами.
Эти протоны и электроны обладают достаточной энергией, чтобы преодолеть солнечное притяжение и удалиться к пределам Солнечной системы. Таким образом, на Землю постоянно изливается поток частиц с Солнца, этот поток называется солнечным ветром.
Заряженные частицы солнечного ветра обладают мощной энергией, приобретенной в солнечной короне, – другими словами, они перемещаются с большой скоростью. Сталкиваясь с живым существом, они могут нанести непоправимый вред, передав ему эту энергию.
Радиационный пояс
К счастью, магнитосфера нас защищает. Когда заряженная частица приближается к Земле, на нее действует магнитная сила, перпендикулярная магнитному полю и траектории движения частицы, – иначе говоря, частица отклоняется, не достигнув Земли. А точнее, она начинает описывать круговые движения и «обвиваться» вокруг силовых линий магнитного поля (согласно правилу трех пальцев, ➙ рис. 15.5).
Рис. 15.5 – Взаимодействие с солнечным ветром
Заряженные частицы солнечного ветра подвергаются воздействию магнитной силы, которая заставляет их вращаться вокруг силовых линий. Сформированное таким образом кольцо ведет себя как магнит, который мы изобразили на схеме (магнитное поле, направленное вниз). Этот «магнит» не может приблизиться к полюсам Земли, перемещаясь вдоль силовых линий, потому что земной магнит его отталкивает.
То же можно сказать и об электроне: направление вращения вокруг силовой линии будет противоположным, но магнит, порожденный кольцом, будет идентичным (магнитное поле направлено вниз).
Это круговое движение заряженных частиц в каком-то смысле формирует кольца: то есть они ведут себя как маленькие магниты. Рис. 15.5 позволяет убедиться, что эти магниты создают магнитное поле, направленное противоположно магнитному полю Земли. Иначе говоря, их северный полюс направлен к северному магнитному полюсу Земли.
Учитывая их направление, эти кольца отталкиваются земными магнитными полюсами (потому что два северных полюса отталкиваются, и два южных тоже).
В итоге:
• заряженные частицы не могут двигаться прямо к экватору, потому что они отклоняются силовыми линиями;
• они не могут подняться к полюсам, потому что их вращение придает им свойства магнита, который отталкивается полюсами Земли.
Таким образом, заряженным частицам приходится оставаться высоко над экватором, то есть на уровне узкого пояса, нависающего над экватором, – этот пояс подпитывается за счет заряженных частиц, прилетевших с Солнца, которые остаются пленниками внутри его. Он называется радиационным поясом. Учитывая то, что эти заряженные частицы обладают мощной энергией, этот пояс очень опасен для электроники спутников, а также для космонавтов.
Северное сияние
Если заряженные частицы ни в коем случае не могут пересечь силовые линии Земли и неизбежно становятся их частью, случается, что они все-таки достигают полюсов Земли, несмотря на магнитное отталкивание. Заряженные частицы касаются Земли в том месте, где силовые линии уходят в нее, то есть на полярных полюсах. Сталкиваясь с земной атмосферой, заряженные частицы высокой мощности «раздражают» молекулы атмосферы, то есть придают энергии электронам этих молекул. А молекулы рассеивают эту энергию, излучая свет (причину этого мы разберем в части, посвященной оптике). Возникают «полярные сияния» с их розовыми и зелеными разводами, которые иногда можно наблюдать вблизи полярного круга.
Иногда Солнце извергает целые сгустки заряженных частиц («солнечные вспышки»), именно в такие периоды высокой солнечной активности возникают самые большие и яркие полярные сияния.
Магнитное поле и жизнь
В конечном итоге магнитосфера служит нам щитом от этих опасных частиц, остатки которых останавливает атмосфера.
Между тем в истории Земли магнитное поле часто менялось (северный магнитный полюс переходил от северного географического полюса к южному). В такие транзитные периоды Земля обладала гораздо более слабым магнитным полем и не была защищена от солнечного ветра.
Несмотря ни на что, жизнь на Земле смогла сохраниться, вероятно, потому, что эти смены направлений магнитного поля длились короткое время. Кроме того, эти периоды перемен, возможно, способствовали более интенсивным мутациям, благотворным для эволюции видов.
С другой стороны, в более долгосрочном периоде, возможно, жизнь на Земле не могла бы возникнуть и развиваться при отсутствии сильного магнитного поля.
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ СОЛНЦА
Вращение внешнего ядра Земли, которое является жидким проводником, создает магнитное поле Земли. Аналогичным образом, внутренние движения частиц Солнца создают магнитное поле нашей звезды.
Подобно магнитному полю Земли, солнечное магнитное поле время от времени меняет направление, но это происходит немного регулярнее: инверсия происходит в среднем раз в 11 лет. В такие периоды инверсий магнитное поле Солнца становится слабее и солнечная активность также слабеет: частиц солнечного ветра становится меньше, и на Земле реже случаются полярные сияния.
Однако, как и на Земле, изменение магнитного поля Солнца остается нерегулярным и в высшей степени непредсказуемым. Так, во второй половине XVII в. (при Людовике XIV) солнечная активность словно бы вовсе исчезла необъяснимым образом, этот период получил название «минимум Маундера». Однако этот период совпал с так называемым малым ледниковым периодом в Европе, отмеченным особенно суровыми зимами. Связь между двумя явлениями пока не доказана, но влияние солнечной активности на климат Земли со счетов не сбросишь.
