36. Геомагнетизм

Геомагнетизм – это одно из самых загадочных свойств Земли. Магнитные явления привлекали людей с незапамятных времен. Камни, обладающие необычным свойством притягивать к себе железо, были известны, по крайней мере, с 800 года до новой эры. Первые примитивные компасы появились за 3 тысячи лет до наших дней. Эти приборы представляли собой небольшие кусочки намагниченного железа на пробке, плавающей в глиняном сосуде с водой. Хотя люди и использовали магниты, их свойства они приписывали сверхъестественным силам. Лишь в начале XVII века была открыта истина. В 1600 году английский ученый У.Гильберт издал первый научный труд о магнетизме Земли. В своей работе «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле» У.Гильберт впервые высказал утверждение, что Земля представляет собой магнит, полюсы которого совпадают с географическими полюсами, подтверждая это положение опытами с намагниченным железным шаром.

На протяжении последних пяти столетий проводится систематическое изучение магнитного поля Земли. В настоящее время существуют разные гипотезы для объяснения геомагнитного поля. Наиболее распространенной считается гипотеза магнитного динамо, согласно которой магнитное поле объясняют циркуляцией электрического тока в ядре. Принято считать, что внешнее ядро, состоящее из жидкого железа и никеля с незначительной примесью кремния и серы, является проводником. Образование токов в ядре происходит путем индукции при вихревом движении металлических масс ядра в магнитном поле. При этом магнитным полем является поле, образованное самими же токами и непрерывно ими регенерируемое, аналогично тому, как это происходит в динамо-машинах. Отсюда происходит название гипотезы.

Однако для начала циркуляции токов и последующей регенерации магнитного поля должно иметься хотя бы слабое начальное поле. Начальное поле связывают с гиромагнитным эффектом, который состоит в том, что вращающееся тело намагничивается в направлении оси вращения. Современные расчеты показывают, что при существующей скорости вращения Земли, равной около 7,3 × 10-5 рад/сек, и предполагаемой проводимости жидкого железо-никеля, регенерация магнитного поля вполне возможна.

Ось диполя не проходит точно через центр Земли, но близко к нему. Те места, в которых магнитная ось пересекает поверхность Земли, называются магнитными полюсами. В настоящее время координаты северного геомагнитного полюса – 78,5° с.ш. и 290° в.д., южного – 78,5° ю.ш. и 110° в.д. По современным расчетам геомагнитная ось совпадает с осью вращения Земли каждые 10 млн лет.

Несовпадение магнитных полюсов с географическими полюсами было одним из важных открытий. Впервые с данным явлением столкнулись мореплаватели. Стрелка компаса во время плавания смещалась от Полярной звезды на некоторый угол. Угол между направлениями на географический полюс и магнитный называется склонением.

Необходимость знать склонение с развитием мореходства становилось все насущнее. Составлялись карты склонения и мореходные таблицы. Но примерно через каждые 5–10 лет таблицы приходилось подправлять, так как склонение менялось. Оказалось, что магнитные полюсы не остаются подолгу на одном и том же месте, а непрерывно кочуют. Вместе с ними меняется и склонение.

В старых энциклопедиях и учебниках, а также научно-популярных книгах приводилась карта движения магнитных полюсов по полушариям на протяжении всей истории Земли. Но какое бы положение ни занимал магнитный полюс за достаточно большой промежуток времени, его усредненным положением будет географический полюс. Они взаимосвязаны. И в этом нет ничего удивительного, поскольку магнитное поле обязано своим существованием вращению нашей планеты вокруг ее оси. Со временем меняется не только склонение, но и наклонение магнитной стрелки. Магнитное наклонение определяется углом, на который стрелка под действием геомагнитного поля отклоняется вверх или вниз от горизонтальной плоскости. Вблизи экватора наклонение стрелки нулевое. По обе стороны от экватора наклонение возрастает от 0° до 90°. На геомагнитных полюсах стрелка устанавливается вертикально, и ее наклонение становится равным 90 градусам. В нашем Северном полушарии северный конец стрелки наклоняется вниз.

Сегодня выявлена и другая важная особенность магнитного поля: в историческом времени оно претерпевает изменения. Временные изменения геомагнитного поля называют вариациями. Существуют медленные, или вековые, и быстрые вариации. К быстрым вариациям относятся суточные вариации, магнитные бури, смещение магнитных полюсов (западный дрейф), а к медленным – вариации с периодом в 100, 1000, 10000 лет.

Изменение геомагнитного поля в историческом прошлом было установлено по горным породам. Несколько десятков лет назад было обнаружено, что одновозрастные породы повсеместно обладают первичной намагниченностью. Приобретенная первичная намагниченность сохраняется в породе в геологическом времени и может быть выделена (хотя бы частично) из суммарной намагниченности. Например, изменение геомагнитного поля в историческом прошлом Земли можно изучить по исследованиям керна скважин или разреза осадочных толщ (рис. 24). Записи о магнитном поле хранят также печные кирпичи и другие изделия из обожженной глины.

Рис. 24. Разрез осадочных толщ.

При изучении чередующихся осадочных пород и лав была установлена еще одна важная особенность геомагнитного поля: магнитные полюсы меняются местами, то есть северный полюс становится южным и наоборот. Эти обращения магнитного поля, называемые инверсиями, находят еще в кембрийских и силурийских отложениях – 300–400 млн лет назад. Причем в некоторых геологических периодах было по несколько таких инверсий. Чем ближе к нашим дням, тем полюсы менялись местами чаще (рис. 25).

Факт, что полюсы меняются местами, стал общепринятым. Пока остается открытым вопрос, не исчезает ли геомагнитное поле в момент инверсии? Для человека этот вопрос является чрезвычайно важным, поскольку значение геомагнитного поля в жизни органического мира Земли необычайно велико. Собственно, жизнь Земли обязана своим существованием геомагнитному полю. Геомагнитное поле служит надежным щитом органического мира от потока заряженных частиц, постоянно прилетающих на Землю со всех космических направлений.

Скорость заряженных частиц, «разогнанных» магнитными полями Вселенной, колеблется в пределах от 300 км/сек до близкой к скорости света. Физически эти частицы представляют собой ядра атомов химических элементов, имеющих вес от 0 до 50 (1 единица атомного веса равняется весу 1 протона): водорода, гелия, бериллия, бора, кремния, железа, никеля. Все эти частицы лишены одного или несколько электронов, то есть имеют заряд от 1 до 20 А.е. (1 А.е. заряда равна заряду электрона или позитрона). Космические частицы подразделяются по весу и заряду на следующие виды: электроны, протоны, альфа-частицы, легкие, средние, тяжелые, сверхтяжелые. Приходящие из космоса частицы характеризуются разной энергией. Средняя энергия – 1010 эВ, у отдельных частиц она достигает величины 1019 эВ.

Солнце тоже является источником заряженных частиц, которые характеризуются энергией, порядка 2х103 эВ. В состав заряженных частиц Солнца входят протоны, ядра гелия, лития и другие легкие частицы. Интенсивность заряженных частиц увеличивается в периоды солнечной активности. В разгар своей активности Солнце испускает сильные потоки заряженных частиц, называемые солнечным ветром. Свирепый солнечный ветер, подчас превращающийся в настоящий ураган, атакует магнитное поле Земли.

Рис. 25. Хронологическая шкала инверсий геомагнитного поля.

Геомагнитное поле оказывает сильное влияние на движение заряженных частиц при приближении их к Земле из окружающего космического пространства. Попадая в область действия магнитного поля, заряженные частицы вращаются в силовых линиях магнитного поля, пока не вылетят в пространство за пределы зоны захвата. Это приводит к образованию за пределами атмосферы области повышенной плотности заряженных частиц – радиационных поясов (рис. 26).

Вокруг Земли образуется «магнитная ловушка», опоясывающая Землю в виде «бублика». Нанизываясь на магнитные силовые линии, быстро движущаяся частица не может выйти из этой ловушки. Под влиянием сильного потока из заряженных частиц радиационное поле Земли имеет каплевидную форму. В направлении к Солнцу оно образует закругление, а с противоположной стороны – длинный хвост. Создается впечатление, что под действием солнечного ветра радиационное поле как бы «сдувается» в сторону, противоположную Солнцу.

Трудно представить себе, что бы случилось с жизнью нашей планеты, если бы магнитное поле сильно уменьшилось или исчезло бы вообще. Ясно лишь одно, если бы Земля хотя бы на время лишилась своей защиты – магнитного поля, то живой мир планеты оказался бы под ливнем невидимых космических «пуль». На сегодняшний день известно, что высокоактивные космические частицы смещают атомы вещества, разрывают между ними связи. Наиболее чувствительными к потоку космических частиц, называемых лучами, оказались ядра тех клеток, которые быстро делятся. Поэтому в первую очередь космические лучи поражают костный мозг, из-за чего нарушается процесс образования крови. Затем наступает поражение пищеварительного тракта и других органов. Особенно сильное влияние облучение оказывает на наследственность. Если, например, высокоактивная частица пройдет через ядро живой клетки, то клетка теряет способность к воспроизводству. Кроме того, космические частицы способны не только уничтожать живые организмы, но и создавать новые, то есть вызывать мутации.

Рис. 26. Радиационные пояса.

Таким образом, жизнь нашей планеты напрямую зависит от состояния магнитного поля. И пока геомагнитная броня будет сильна, жизнь нашей планеты будет надежно защищена от всепроникающих смертоносных частиц, приходящих извне. Хочется отметить, что подобного магнитного поля нет ни у нашего спутника Луны, ни у ближайших к Земле планет – Венеры и Марса.

В заключение хочется сказать, что геомагнитное поле является связующим звеном между космосом, Солнцем и живым миром Земли. Поэтому современные специалисты постоянно изучают геомагнитное поле: ведут тщательные наблюдения за его состоянием, собирают статистические данные для прогнозирования его изменения. Особенную важность приобретают долговременные прогнозы. Изучая геомагнитное поле, необходимо также знать его «историю» и причины его изменения. Согласно некоторым современным исследованиям, причинами изменения величины и направления магнитного поля могут быть гидромагнитные волны во внешнем ядре или крупномасштабные движения вещества внутри ядра.

Поскольку геомагнитное поле обязано своим существованием вращению Земли вокруг ее оси, то оно очень чутко реагирует на все нестабильные проявления земной оси, как быстрые, так и медленные, проявляющиеся со временем. К медленным нестабильным проявлениям земной оси относится сложное осевое движение Земли, которое состоит из прецессии с периодом в 25920 лет и нутации с периодом в 41472 года. Быстрые нестабильные проявления земной оси возникают во время противостояний Земли и Солнца, которые происходят регулярно через каждые 26100 и 339300 лет. Поэтому при изучении геомагнитного поля необходимо учитывать все вышеперечисленные явления и рассматривать геомагнитное поле и эти явления с единой точки зрения.