Природный магнетизм: что мы знаем о магнитном поле Земли

Одна из усвоенных нами в школьные годы аксиом гласит: стрелка компаса всегда указывает на север. Это правило справедливо для всех частей света, так было и 100, и 500 лет назад. Но если бы у человека была возможность перенестись в далекое прошлое нашей планеты, он, пожалуй, усомнился бы в надежности компаса.

Были в истории земли времена, когда магнитной стрелке пришлось бы развернуться на 180°. Виновниками подобных «кульбитов» являются удивительные преображения магнитного поля земли, случавшиеся уже не раз и, по всей видимости, ожидающие нашу планету в будущем.

Природный магнетизм: что мы знаем о магнитном поле Земли — Компьютерная модель текущего магнитного поля Земли
Источник:
science.nasa.gov

Магнитное поле нашими органами чувств не регистрируется — оно неосязаемо, невидимо, неслышимо, не имеет вкуса и запаха. Хотя человечество стало использовать его задолго до того, как узнало о самом его существовании. Измеренное тысячи раз на всех континентах и океанах, разложенное на составляющие, пронизывающее все сущее на земле, магнитное поле по-прежнему хранит в себе массу загадок, ожидающих будущих исследователей. Одна из самых сокровенных тайн нашей планеты — природа земного магнетизма.

Происхождение поля

С момента гениальной догадки основателя магнитологии Уильяма Гильберта, высказавшего предположение о том, что сама Земля является магнитом, прошло уже более 400 лет, но до сих пор человечество смогло выработать лишь более или менее достоверную гипотезу, объясняющую механизм возникновения геомагнитного поля.

На сегодняшний день этот механизм наиболее полно описывает модель самовозбуждающегося динамо, «работающего» во внешнем ядре Земли. С развитием геофизических методов исследований появилась возможность по-новому взглянуть на внутреннее строение нашей планеты. В частности, выяснилось, что внешняя оболочка ядра находится в жидком состоянии. Это обстоятельство, по мнению большинства ученых, и является ключом к пониманию природы земного магнетизма.

Распад радиоактивных элементов внутри ядра приводит к разогреву его вещества, в то время как внешняя оболочка сохраняет несколько более низкую температуру. Естественно, при этом возникают конвективные потоки — холодные массы с периферии ядра стремятся опуститься к его центру, а им навстречу из глубины ядра поднимается горячее вещество.

Вращение Земли по-разному сказывается на скорости движения масс в ядре. Причем на внешней оболочке вещество перемещается быстрее, чем в глубине ядра, поэтому жидкость, поднимающаяся от центра ядра, тормозит его периферийные слои, а нисходящие холодные потоки, напротив, сообщают ускорение внутренним слоям. За счет этого внутренняя часть ядра вращается быстрее внешней и в результате формируется подобие динамомашины, в которой происходит самовозбуждение электрических токов, создающих магнитное поле нашей планеты.

Переменчивое поле и магнитные бури

По сравнению с магнитными полями, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни (сердечники акустических колонок, магнитные импульсы переменного тока в бытовых приборах, лампы, линии электропередач и др.), магнитное поле Земли относится к разряду очень слабых полей. Так, к примеру, магнитный элемент защелки книжного шкафа создает магнитное поле напряженностью 5—10 эрстед, в то время как магнитное поле Земли меняется в пределах от 0,3 до 0,7 эрстед от экватора до полюса.

Тем не менее это, так называемое главное геомагнитное, поле, имеющее планетарную природу, существует на Земле повсеместно. Некоторые его элементы люди научились измерять еще до открытия самого магнитного поля. Так, первые карты магнитного склонения, доставлявшего столько бед морякам древности, появились еще в середине XVI века.

Осознание того факта, что магнитные полюса не совпадают с географическими, расставило все по своим местам и позволило понять, что склонение — это угол между направлением на север и магнитным меридианом, вдоль которого устанавливается стрелка компаса. Столь же давно измеряется и величина наклонения — угла между горизонтальной плоскостью и магнитной стрелкой.

Ныне магнитное поле на поверхности нашей планеты изучено достаточно подробно. Оказалось, что оно отнюдь не постоянно, а непрерывно меняется. Круглый год сотни магнитных обсерваторий, десятки специальных судов и самолетов, многочисленные отряды магнитологов в самых разных точках земного шара ведут наблюдения за геомагнитным полем. Измеренные его элементы анализируются, обрабатываются, по ним составляют магнитные карты, с помощью которых и изучают пространственное распределение магнитного поля.

Выяснилось, что магнитное поле подвержено самым разным изменениям. Некоторые из них являются регулярными и наблюдаются ежедневно, в частности так называемые суточные вариации, для которых характерны циклические колебания напряженности магнитного поля и магнитного склонения. Не менее хорошо известны и другие вариации — короткопериодические колебания, продолжительность которых не превышает нескольких минут, а также магнитные бури, чья длительность может измеряться сутками.

Все эти вариации непосредственным образом связаны с деятельностью Солнца. В «спокойные магнитные дни» взаимодействие солнечного ветра с ионосферными токами вызывает плавные, регулярные изменения компонентов магнитного поля с периодом, близким к 24 часам. Магнитные бури, упомянутые выше, — это нерегулярные спорадические возмущения магнитосферы Земли. Они начинаются в момент, когда резко изменяется давление солнечного ветра на магнитосферу и она оказывается не в состоянии «отвести» поток высокоэнергетических частиц от Земли.

В результате они пронизывают ионосферу, нарушая регулярную структуру околоземных электрических токов. Магнитные бури бывают разной интенсивности и длительности, но, как правило, полное восстановление «спокойствия» геомагнитного поля происходит через 2—3 суток после начала бури.

В том случае, если скачок давления (плотность) солнечного ветра не в состоянии «пробить» магнитосферу, то искажения магнитных силовых линий носят локальный характер и магнитные возмущения охватывают не весь земной шар, а лишь какой-то отдельный район. Такие возмущения называют суббурями. Они очень частые «гости» в северных районах земного шара. Полярные сияния также чаще всего связаны с суббурями.

В течение года наблюдается два периода резкого повышения магнитной активности — это периоды весеннего и осеннего солнцестояния, то есть март и сентябрь. В это время количество магнитных бурь значительно возрастает. Если в среднем в месяц происходит 1—2 магнитные бури, то в марте и сентябре их число возрастает в несколько раз, причем осенний пик магнитной активности более энергичный — осенью количество магнитных бурь больше, чем весной, и может доходить до 7—8 в месяц.

Очень сильное влияние оказывает на частоту возникновения бурь глобальный 11-летний цикл солнечной активности, который во многом определяет все природные процессы на Земле.

История вопроса

Знакомство человека с удивительными свойствами земного магнетизма состоялось еще на заре исторического времени. Уже в античную эпоху людям был известен магнитный железняк — магнетит. А вот кто и когда определил, что природные магниты всегда ориентируются одинаково в пространстве по отношению к географическим полюсам Земли, точно неизвестно.

В китайских трактатах, датированных XII веком до н. э., встречаются фрагменты, которые можно истолковать как свидетельства применения компаса для целей навигации. Первые из известных описаний компаса появились в Китае лишь спустя 23 столетия — в XI, а в Европе еще позже — в XII веке.

Первым же достоверным сообщением о магнитном компасе, появившемся в Европе, мы обязаны английскому монаху Александру Некэму. Он около 1187 года описал устройство, состоящее из стрелки, указывающей направление, причем в его компасе стрелка плавала, а не была подвешена на нити.

Еще одной важной вехой в истории геомагнетизма является письмо, написанное в 1269 году Пьером де Мерикуром. В этом послании, в частности, говорилось, что природный магнит имеет два полюса и что полюсы эти стремятся установиться вдоль географического меридиана, указывая на полюса Земли — северный и южный. Однако в 1544 году Гартман, пастор из Нюрнберга, установил, что направление на географический и на магнитный полюсы отличаются, причем угол между этими направлениями (склонение) зависит от координат места наблюдений.

Следующий важнейший шаг сделал Роберт Норман, открывший еще один параметр геомагнитного поля, а именно — наклонение. Норман обнаружил, что свободно подвешенная стрелка магнита не только устанавливается по направлению магнитных полюсов, но и наклоняется по отношению к горизонтальной плоскости. Благодаря этому наблюдению Норман сделал поистине фундаментальный вывод о том, что источник силы, направляющей стрелку, расположен внутри Земли, а не во вне ее.

В 1600 году Уильям Гильберт, личный врач английской императрицы Елизаветы I, на основе своих бесконечных опытов, которым он посвятил всю жизнь, пришел к мысли о том, что большим магнитом является сама Земля.

XVII столетие ознаменовалось новыми открытиями в области геомагнетизма. И самым замечательным из них можно считать открытие явления «векового хода». Эдмунд Галлей, королевский астроном при Английском дворе, произведя многочисленные повторные измерения склонения как в Лондоне, так и в других пунктах, доказал, что оно подвержено систематическим закономерным изменениям.

В XVIII–XIX веках проблемами геомагнетизма занимались такие выдающиеся ученые-энциклопедисты, как Гумбольдт, Гей-Люссак, Максвелл и Гаусс. Среди проектов, организованных Гауссом и Гумбольдтом, был, в частности, беспрецедентный по масштабам в истории геомагнетизма «Геттингенский союз». В рамках этого проекта в 50 точках земного шара на протяжении 5 лет (с 1836 по 1841 год) в течение 28 интервалов времени проводились одновременные измерения геомагнитного поля.

В начале XX века, в 1909 году, на воду была спущена плавучая магнитная лаборатория — яхта «Карнеги», принадлежавшая Отделу земного магнетизма Института Карнеги в Вашингтоне. На ней в течение почти 20 лет производились измерения магнитного поля в самых разных точках Мирового океана, а в 1953 году в свой первый рейс отправилась советская немагнитная шхуна «Заря», которая за три десятка лет постоянных экспедиций прошла все океаны, оставив за бортом 350 тысяч морских миль.

В 1947 году советским физиком Я.И. Френкелем для объяснения причин возникновения магнитного поля была предложена гипотеза земного динамо, впоследствии развитая и существенно дополненная другими учеными и превратившаяся в стройную теорию происхождения геомагнитного поля.

Эпохальным событием в истории магнитологии стало объяснение природы магнитных аномалий океана. Честь этого открытия принадлежит двум ученым — Д. Метьюзу и Ф. Вайну. В своей единственной совместной статье, опубликованной в 1963 году в журнале Nature под названием «Магнитные аномалии над океаническими хребтами», они предложили модель, которая объясняла все главные особенности океанических магнитных аномалий с необыкновенной легкостью и изяществом. Эта работа и легла в основу всех современных исследований геомагнитного поля.

Вековые вариации

Помимо таких кратковременных колебаний магнитного поля существуют и гораздо более медленные, плавные изменения его параметров, с периодом в несколько сотен лет. Они связаны с процессами, происходящими внутри Земли, и названы вековыми вариациями.

Вековые вариации можно уподобить дыханию магнитного поля — в каждой точке земной поверхности периодически меняется направление магнитного поля, не остается постоянной и величина намагниченности планеты в целом.

История регулярных магнитных наблюдений насчитывает немногим более 120 лет, поэтому сведения о вековых вариациях, полученные на основе этих измерений, конечно, не могли быть полными. Долгое время казалось, что любые попытки магнитологов заглянуть в отдаленное прошлое нашей планеты, выяснить, как менялось с течением времени ее магнитное поле, обречены на провал. Однако сама Природа припасла для людей замечательную подсказку, которая помогла разрешить одну из наиболее каверзных загадок эволюции Земли.

В середине XIX века было обнаружено явление термоостаточного намагничивания лав — палеомагнетизм. Постепенно, шаг за шагом, ученые установили, что носителями древнего геомагнитного поля могут быть горные породы самого разного происхождения, как магматические, так и осадочные.

Оказалось, что излившиеся во время извержений вулканов в виде лавы горные породы обладают удивительной способностью хранить в себе информацию о магнитном поле Земли. Породы, разогретые до температуры 500—700°С, по мере остывания приобретают намагниченность, величина и направление которой соответствуют магнитному полю Земли, действовавшему на породу во время охлаждения. Эта намагниченность сохраняется в течение миллионов лет и, словно магнитофонная лента, доносит до нас свидетельства из отдаленного прошлого планеты. Определив геологическими методами возраст лавовых образований и «прочитав» хранящуюся в них палеомагнитную информацию, можно доподлинно восстановить историю магнитного поля Земли.

Палеомагнитные исследования выявили неопровержимые свидетельства неоднократных инверсий (обращений полюсов) геомагнитного поля в прошлые эпохи. Оказалось, что магнитные полюса не раз менялись местами.

История на дне океана

Как только были сформулированы основные постулаты теории литосферных плит, стало ясно, что дно океана — это грандиозный носитель информации об инверсиях магнитного поля за многие миллионы лет.

Действительно, согласно тектонике литосферных плит — восходящие конвективные потоки мантии приподнимают литосферу и, раздвигая ее, образуют срединно-океанические хребты, сквозь трещины в которых изливаются базальтовые лавы. Магма же, заполнив трещину в срединно-океаническом хребте, остывает и превращается в кристаллическую горную породу — таким образом разрастается и постоянно обновляется океаническая литосфера.

Ее формирование невозможно без постоянной подпитки расплавами горных пород, поднимающимися из недр Земли. А это значит, что в процессе охлаждения и кристаллизации изверженные расплавы неизбежно «запишут» всю информацию о магнитном поле Земли.

Таким образом, дно океана представляет собой гигантский «конвейер», две ленты которого перемещаются с одинаковой скоростью — от оси срединно-океанического хребта к берегам континентов. Так, в Атлантическом океане одна лента конвейера движется от оси Срединно-Атлантического хребта к берегам Американского континента, а вторая — к Европе и Африке.

Состоят эти ленты из изверженных горных пород, которые поднимаются из глубин Земли в осевой части хребта сначала в расплавленном состоянии. У поверхности дна океана они, соприкасаясь с морскими водами, затвердевают и начинают свое движение в сторону континентов, причем поднявшийся из глубин блок горных пород раскалывается надвое вдоль оси хребта и каждая из половинок движется к «своему» берегу.

Таким образом, расплавленные горные породы, поднимаясь вверх по каналам к трещинам в оси срединно-океанического хребта, остывают и намагничиваются в соответствии с направлением и величиной геомагнитного поля в тот момент. А литосферные плиты разъезжаются от оси срединно-океанического хребта, унося на своих «спинах» свидетельства инверсий геомагнитного поля.

Пожалуй, самым важным следствием этой модели явилось осознание того факта, что непрерывная последовательность магнитных аномалий от оси хребта до окраин континента — есть не что иное, как законченная, полная история инверсий геомагнитного поля за все время жизни океанов.

Магнитохронологическая шкала

Благодаря достижениям физиков, разработавших методы определения абсолютного возраста горных пород, у палеомагнитологов появилась возможность не только фиксировать главные события в истории геомагнитного поля (прежде всего инверсии), но и определить их длительность и абсолютное время начала и окончания инверсий — то есть создать шкалу времени (временную шкалу) инверсий геомагнитного поля. Магнитологи называют такую шкалу магнитохронологической.

Первая подобная шкала была довольно «куцей» — охватывала период лишь в 3,5 млн. лет и не отличалась большой детальностью. Дело в том, что лавы в большинстве своем извергались только в определенные тектономагматические эпохи, в сравнительно узком временном интервале. А потому стало ясно, что, исследуя лишь лавы вулканических извержений, «прочесть» всю историю магнитного поля Земли не удастся.

Ситуация изменилась радикальным образом, как только начались масштабные исследования магнитного поля океанов. Первые же непрерывные измерения вдоль линий, пересекающих Атлантический океан, выявили резкие отличия в строении магнитного поля океана по сравнению с сушей.

Результат оказался поистине сенсационным. Выяснилось, что вместо сложной формы магнитных аномалий на суше, которая сильно меняется от района к району, океанические магнитные аномалии во всех океанах имеют регулярный, систематический характер.

Магнитное поле Мирового океана представляет собой параллельные полосы с чередующимся направлением намагниченности горных пород — оно попеременно то совпадает с направлением современного магнитного поля (прямая намагниченность), то прямо ему противоположно (обратная намагниченность). Эти аномалии протягиваются на тысячи километров, иногда без всяких искажений. Например, в Атлантическом океане они прослеживаются от Исландии до мыса Горн.

Океанические аномалии имеют большую интенсивность и огромные размеры. Но, пожалуй, наиболее поразительной чертой этих магнитных полос является их зеркальная симметрия относительно срединно-океанического хребта, то есть любая положительная или отрицательная аномалия с одной стороны хребта обязательно имеет своего «близнеца» — с другой. Причем расположены аномалии-«близнецы» от оси хребта на одинаковом расстоянии.

Геофизики-магниторазведчики, привыкшие объяснять аномалии магнитного поля особенностями геологического строения и вещественного состава горных пород в районе исследований, были в недоумении: привычные, хорошо разработанные для суши модели и схемы приложительно к океану не «работали».

Впрочем, объяснения этого феномена не заставили себя ждать — произошедшая в геологии революция возвела на пьедестал наук о Земле глобальную тектонику литосферных плит. Она и преподнесла магнитологам поистине бесценный дар — возможность исследовать историю геомагнитного поля за все время существования океанов.

Совместными усилиями палеомагнитологов и морских магнитометристов была создана детальнейшая магнитохронологическая шкала — история инверсий геомагнитного поля за 4 миллиарда лет. Причем достаточно просто беглого взгляда на эту шкалу для того, чтобы заметить, что жизнь магнитного поля Земли — достаточно бурная.

Магнитные полюса нашей планеты время от времени меняются местами — происходит инверсия магнитного поля. Южный магнитный полюс становится Северным, и наоборот. В такие периоды направление магнитного поля оказывается противоположным современному. Процесс «ротации» полюсов занимает не менее 10 тысяч лет. И несмотря на огромные достижения магнитологии и геофизики последних десятилетий, причины подобных трансформаций все еще остаются загадкой.

Впрочем, систематические детальные исследования инверсий позволили высказать предположение о том, что, возможно, существует связь между периодической сменой растительного и животного мира на Земле и циклическими изменениями магнитного поля.

Многие исследователи считают, что в период смены полярности магнитное поле весьма существенно ослабевает или даже исчезает вовсе, а Земля в это время остается беззащитной перед потоками космического излучения, которое оказывает колоссальное влияние на биосферу планеты. Наиболее же смелые гипотезы связывают со сменой полярности магнитных полюсов даже появление человека.

Насколько справедливы те или иные предположения, говорить пока преждевременно. Несомненно одно — само существование жизни на нашей планете невозможно без магнитного поля, защищающего все живое от губительного воздействия космических излучений.

_{Иллюстрации: Юрий Сафранов, Станислав Новиков}

_{Материал опубликован в журнале «Вокруг света» № 3, март 2003, частично обновлен в январе 2023}