как доказать что вокруг земли существует магнитное поле
Дело не в ядре: раскрыта тайна магнитного поля Земли
Учёные заглянули в самое начало эволюции планеты и обнаружили, что её знаменитый антирадиационный щит на самом деле возник не так, как мы привыкли думать.
Как устроена магнитосфера Земли
Планета находится в гигантском облаке смертоносных частиц, идущих от Солнца и от всей Галактики в целом. И мы живём на этой планете потому, что данные частицы на нас не обрушиваются: сильное магнитное поле Земли заставляет их огибать её и следовать дальше в космос. Притом мощный солнечный ветер как бы сплющивает магнитосферу с той стороны, которая смотрит на светило. Но даже при этом она простирается на 70 тысяч километров — это добрый десяток радиусов Земли. А с другой стороны магнитное поле образует и вовсе исполинский шлейф на пару сотен земных радиусов.
Что создаёт магнитное поле Земли
В 1905 году Альберт Эйнштейн назвал этот вопрос одной из главных загадок физики XX века. Надо признать, спустя сто лет нельзя сказать, что она разгадана окончательно. Мы знаем, что магнитное поле возникает там, где есть электрический ток. Значит, планета Земля представляет собой гигантский электрогенератор. Спрашивается, как в недрах возникает это электричество? Самой убедительной считают теорию динамо: сначала от трения потоков расплавленное вещество электризуется, возникает ток — и вместе с ним магнитное поле, а потом эти же потоки проходят сквозь поле — и из-за этого опять возникает ток. И так далее бесконечно. А трение возникает, например, потому, что в жидких (или, скорее, вязких) слоях планеты идёт конвекция: более горячее вещество поднимается кверху, менее горячее опускается вниз. К тому же планета вращается вокруг своей оси, а это неизбежно означает какие-то движения в её разнородных недрах.
Сибирская сила. Что на самом деле сдвигает «северный» магнитный полюс
Где рождается земной магнетизм
До сих пор мы были уверены, что, разумеется, в ядре. Оно состоит из двух частей: внешней жидкой оболочки из расплавленного железа и сердцевины — она тоже железная, но из-за неимоверного давления твёрдая. И вот при взаимодействии твёрдой и жидкой частей возникает теплообмен, конвективные потоки и, как следствие, электричество. Как известно, железо прекрасно проводит ток, так что всё сходится.
Впрочем, как выясняется, всё, да не всё. Дело в том, что сердцевина стала твёрдой сравнительно недавно — полтора миллиарда лет назад. Но учёные убеждены, что магнитное поле Земли возникло никак не позже 4,2 миллиарда лет назад. По сути, оно родилось вскоре после самой планеты — ей как раз примерно четыре с половиной миллиарда лет. Возник вопрос, что создавало магнетизм на ранних этапах эволюции Земли.
Зацепка появилась в 2007 году. Тогда французские учёные заявили, что нижний слой земной мантии оставался жидким примерно пару миллиардов лет. Сейчас, надо сказать, мантия почти вся твёрдая, опять же из-за давления. Лишь в самой верхней части остаётся вязкая магма, которая иногда вырывается на поверхность из жерл вулканов.
Проблема в том, что даже в виде пластичной жижи мантийное вещество всегда считали очень плохим проводником электричества. Но дело в том, что тестировать его где-то в лаборатории — это совсем не то, что понаблюдать за ним в недрах Земли. Поэтому учёные из Калифорнийского университета в Сан-Диего решили всё выяснить самым, вероятно, продвинутым на сегодняшний день способом — путём вычислений, основанных на принципах квантовой механики. Это позволило смоделировать поведение вещества не здесь, на поверхности, а именно у самого земного ядра. Так вот, выяснилось, что на такой глубине мантия вполне себе электропроводна — во всяком случае, динамо поддерживать может.
Значит, именно мантия изначально защищала Землю своим покрывалом. И без неё жизни на планете могло и не быть.
Самое интересное из мира науки и технологий — в телеграм-канале автора.
Откуда берется магнитное поле Земли?
Это магнитное поле важно как для нас, так и для жизни в целом: оно действует как щит, защищающий нас от солнечных ветров. Эти ветры являются потоками заряженных частиц и в противном случае были бы смертельны для очень большой доли живых существ и в конечном итоге сдули бы нашу атмосферу.
Солнце, Юпитер или Сатурн также имеют магнитосферу. У Луны, Марса или Венеры ее нет или больше нет. Поэтому мы можем задаться вопросом, почему Земля и некоторые планеты имеют ее и откуда она взялась.
Источник энергии этого магнитного поля
Планета Земля имеет твердую кору (почва, каменистая), но металлическое сердце, состоящее из железа и никеля, частично жидкого, расплавленного из-за жары. Железо и никель, очень плотные, оказались там под действием силы тяжести при образовании Земли.
Важно то, что ядро Земли является частично жидким: это означает, что внутри нашей планеты происходят движения тепловой конвекции. Тот факт, что ядро металлическое, также имеет решающее значение, потому что это означает, что ядро Земли является проводником электричества и магнитных полей.
В дополнение к этой информации о внутренней структуре Земли, мы должны добавить тот факт, что планета вращается вокруг оси. Это тривиально, но важно по двум основным причинам.
Во-вторых, подобно тому, как вращение Земли является причиной появления циклонов в атмосфере, так и появление вращающихся столбов лавы в жидкой части земного ядра.
Подводя итог: Земля вращается, и это создает вращающиеся массы жидкого и проводящего железа в ядре. Если вы видите механизм формирования магнитного поля с этим, это нормально! Но пока еще не все.
Динамо-эффект
На данный момент мы имеем вращающуюся жидкую проводящую массу. Однако этого недостаточно для создания и поддержания магнитного поля. Потребовалось бы, например, внешнее магнитное поле, омывающее Землю: последнее вызывало бы ток в металлическом ядре, который производил бы магнитное поле Земли.
Проблема в том, что Земля не купается во внешнем магнитном поле. Не достаточно мощное поле во всяком случае.
Таким образом, если бы был точечный магнитный импульс, электрический ток появится в ядре Земли, но он будет рассеиваться очень быстро, и магнитное поле Земли также будет быстро исчезать.
Итак, давайте возьмем планету Земля, как это описано выше: с жидким, вращающимся металлическим сердечником.
Предположим, что Земля была в прошлом в ранее существовавшем внешнем магнитном поле. Как было сказано выше, это поле вызовет ток в жидких частях ядра, и этот ток создаст магнитное поле Земли, противоположное внешнему полю.
Теперь мы должны учитывать конвекционные явления, связанные с внутренним теплом Земли, и явления вращения жидких масс, связанные с вращением Земли. Это два первичных источника энергии, которые будут постепенно преобразовываться в электромагнитную энергию и излучать магнитное поле.
Эти металлические «циклоны», расплавленные во внешнем ядре, принимают форму вращающихся цилиндров, которые будут выравниваться с осью вращения Земли (таким образом, по оси Север-Юг). Делая это, линии электрического тока, индуцированные магнитным полем, будут как бы наматываться на себя, образуя катушку, и растягиваться в длину конвекцией. Линии электрического тока удлиняются : это если индуктивная катушка становится больше, а магнитное поле сильнее.
Таким образом, возникает эффект, когда катушка растягивается и позволяет увеличить количество магнитной энергии от тепловой конвекции и эффекта Кориолиса за счет вращения Земли.
В результате магнитное поле Земли, в противоположность рассеиванию, умудряется поддерживать себя: вращение и конвекция Земли в ядре постоянно накачивают энергию в электромагнитную систему, чтобы компенсировать потери.
Теперь, когда производится магнитная энергия, первоначальное магнитное поле, в котором, как говорят, купалась Земля, может исчезнуть: в этом больше нет необходимости.
Создаваемое магнитное поле поддерживается слоями расплавленного жидкого металла, которые поднимаются на поверхность.
Когда эти слои достигают внешнего предела ядра, конвекции (в этом слое) больше нет, и поле исчезает. Тем не менее это поле будет иметь наведенные электрические токи в нижних слоях, которые также будут производить свое магнитное поле, и увековечить производство магнитного поля.
Таким образом, пока существует конвекция в ядре и вращение нашей планеты, производящее силы Кориолиса, магнитное поле будет существовать.
Конвекционные движения сложны, имеют хаотические составляющие и иногда могут менять направление. Поэтому возможно, что магнитное поле Земли изменится и магнитные полюса будут двигаться и могут даже повернуть вспять. В истории нашей планеты эти инверсии происходили 300 раз за последние 200 миллионов лет, примерно каждые 660 000 лет; последняя произошла около 780 000 лет назад.
Феномен, который до сих пор плохо объяснен
Как было сказано во введении, если источник планетарного магнитного поля называется динамо-эффектом и существуют хорошие теории для его объяснения, то его происхождение остается неизвестным. Как уже говорилось, для этого потребовалось начальное магнитное поле, даже слабое или локальное.
Этот источник остается неизвестным, но если бы его не было с самого начала, жизнь, вероятно, не развивалась бы, по крайней мере, не так сильно и не так хорошо на этой планете. Это один из многих параметров, которые дали Земле необходимые ингредиенты для появления и поддержания жизни, и которые могут объяснить, почему жизнь, наконец, является чем-то гораздо более редким, чем первоначально представлялось.
Кроме того, форма магнитного поля и линии поля сложны и зависят от многих факторов: текучести магмы, локальных изменений температуры, химического состава магмы.
Численное моделирование все еще с трудом учитывает реальные наблюдения, несмотря на то, что мы постепенно приближаемся к функциональной модели.
Щит Земли: Откуда у нашей планеты магнитное поле?
Строение и характеристики магнитного поля Земли
Магнитное поле Земли, или геомагнитное поле — магнитное поле, генерируемое внутриземными источниками. Предмет изучения геомагнетизма. Появилось 4,2 млрд лет назад.
Собственное магнитное поле Земли (геомагнитное поле) можно разделить на cледующие основные части:
Главное поле
Более чем на 90% оно состоит из поля, источник которого находится внутри Земли, в жидком внешнем ядре, — эта часть называется главным, основным или нормальным полем.
Оно аппроксимируется в виде ряда по гармоникам — ряда Гаусса, а в первом приближении вблизи поверхности Земли (до трех ее радиусов) близко к полю магнитного диполя, то есть имеет такой вид, как будто земной шар представляет собой полосовой магнит с осью, направленной приблизительно с севера на юг.
Поля мировых аномалий
Реальные силовые линии магнитного поля Земли, хотя в среднем и близки к силовым линиям диполя, отличаются от них местными нерегулярностями, связанными с наличием намагниченных пород в коре, расположенных близко к поверхности.
Из-за этого в некоторых местах на земной поверхности параметры поля сильно отличаются от значений в близлежащих районах, образуя так называемые магнитные аномалии. Они могут накладываться одна на другую, если вызывающие их намагниченные тела залегают на разных глубинах.
Внешнее магнитное поле
Оно определяется источниками в виде токовых систем, находящимися за пределами земной поверхности, в ее атмосфере. В верхней части атмосферы (100 км и выше) — ]]> ионосфере ]]> — ее молекулы ионизируются, формируя плотную холодную плазму, поднимающуюся выше, поэтому часть магнитосферы Земли выше ионосферы, простирающаяся на расстояние до трех ее радиусов, называется плазмосферой.
Плазма удерживается магнитным полем Земли, но ее состояние определяется его взаимодействием с солнечным ветром — потоком плазмы солнечной короны.
Таким образом, на большем удалении от поверхности Земли магнитное поле несимметрично, так как искажается под действием солнечного ветра: со стороны Солнца оно сжимается, а в направлении от Солнца приобретает «шлейф», который простирается на сотни тысяч километров, выходя за орбиту Луны.
Эта своеобразная «хвостатая» форма возникает, когда плазма солнечного ветра и солнечных корпускулярных потоков как бы обтекают земную магнитосферу — область околоземного космического пространства, еще контролируемую магнитным полем Земли, а не Солнца и других межпланетных источников.
Она отделяется от межпланетного пространства магнитопаузой, где динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением собственного магнитного поля.
Параметры поля
Наглядное представление о положении линий магнитной индукции поля Земли дает магнитная стрелка, закрепленная таким образом, что может свободно вращаться и вокруг вертикальной, и вокруг горизонтальной оси (например, в ]]> кардановом подвесе ]]> ), — в каждой точке вблизи поверхности Земли она устанавливается определённым образом вдоль этих линий.
Поскольку магнитные и географические полюса не совпадают, магнитная стрелка указывает направление с севера на юг только приблизительно.
Вертикальную плоскость, в которой устанавливается магнитная стрелка, называют плоскостью магнитного меридиана данного места, а линию, по которой эта плоскость пересекается с поверхностью Земли, — магнитным меридианом.
Оно может быть западным (часто обозначается знаком «−») или восточным (знак «+») в зависимости от того, к западу или востоку отклоняется северный полюс магнитной стрелки от вертикальной плоскости географического меридиана.
Результаты численного моделирования магнитного поля Земли: слева — обычное, справа — во время инверсии
Природа магнитного поля Земли
Однако в 1934 году Т. Каулинг доказал теорему о невозможности поддержания осесимметричного магнитного поля посредством гидродинамического динамо-механизма.
А поскольку большинство изучаемых небесных тел (и тем более Земля) считались аксиально-симметричными, на основании этого можно было сделать предположение, что их поле тоже будет аксиально-симметричным, и тогда его генерация по такому принципу будет невозможна согласно этой теорем.
Даже Альберт Эйнштейн скептически относился к осуществимости такого динамо при условии невозможности существования простых (симметричных) решений. Лишь гораздо позже было показано, что не у всех уравнений с аксиальной симметрией, описывающих процесс генерации магнитного поля, решение будет аксиально-симметричным, и в 1950-х годах. несимметричные решения были найдены.
С тех пор теория динамо успешно развивается, и на сегодняшний день общепринятым наиболее вероятным объяснением происхождения магнитного поля Земли и других планет является самовозбуждающийся динамо-механизм, основанный на генерации электрического тока в проводнике при его движении в магнитном поле, порождаемом и усиливаемом самими этими токами.
Необходимые условия создаются в ядре Земли: в жидком внешнем ядре, состоящем в основном из железа при температуре порядка 4–6 тысяч кельвинов, которое отлично проводит ток, создаются ]]> конвективные ]]> потоки, отводящие от твердого внутреннего ядра тепло (генерируемое благодаря распаду радиоактивных элементов либо освобождению скрытой теплоты при затвердевании вещества на границе между внутренним и внешним ядром по мере постепенного остывания планеты).
Она создает магнитное поле, которое при благоприятной геометрии течений усиливает начальное поле, а это, в свою очередь, усиливает ток, и процесс усиления продолжается до тех пор, пока растущие с увеличением тока потери на джоулево тепло не уравновесят притоки энергии, поступающей за счет гидродинамических движений.
Высказывались предположения, что динамо может возбуждаться за счет прецессии или приливных сил, то есть что источником энергии является вращение Земли, однако наиболее распространена и разработана гипотеза о том, что это все же именно термохимическая конвекция.
Изменения магнитного поля Земли
Инверсия магнитного поля — изменение направления магнитного поля Земли в геологической истории планеты (определяется палеомагнитным методом).
При инверсии северный магнитный полюс и южный магнитный полюс меняются местами, и стрелка компаса начинает показывать противоположное направление. Инверсия — относительно редкое явление, которое ни разу не происходило за время существования Homo sapiens. Предположительно, последний раз оно произошло около 780 тысяч лет назад.
Инверсии магнитного поля происходили через интервалы времени от десятков тысяч лет до огромных промежутков спокойного магнитного поля в десятки миллионов лет, когда инверсии не происходили.
Специалисты из Университета Джонса Хопкинса (США) предполагают, что во время инверсий магнитосфера Земли ослабевала настолько, что космическое излучение могло достигать поверхности Земли, поэтому это явление могло наносить вред живым организмам на планете, а очередная смена полюсов может привести к еще более серьезным последствиям для человечества вплоть до глобальной катастрофы.
Научные работы в последние годы показали (в том числе и в эксперименте) возможность случайных изменений направления магнитного поля («перескоков») в стационарном турбулентном динамо. По словам заведующего лабораторией геомагнетизма Института физики Земли Владимира Павлова, инверсия — достаточно длинный по человеческим меркам процесс.
Геофизики из Лидского университета Йон Маунд и Фил Ливермор полагают, что через пару тысяч лет произойдет инверсия магнитного поля Земли.
Смещение магнитных полюсов Земли
Впервые координаты магнитного полюса в Северном полушарии были определены в 1831 году, повторно — в 1904 году, затем в 1948 году и 1962, 1973, 1984, 1994 годах; в Южном полушарии — в 1841 году, повторно — в 1908 году. Смещение магнитных полюсов регистрируется с 1885 года. За последние 100 лет магнитный полюс в Южном полушарии переместился почти на 900 км и вышел в Южный океан.
Новейшие данные по состоянию арктического магнитного полюса (движущегося по направлению к Восточно-Сибирской мировой магнитной аномалии через Северный Ледовитый океан) показали, что с 1973 по 1984 год его пробег составил 120 км, с 1984 по 1994 год — более 150 км. Хотя эти данные расчетные, они подтверждены замерами северного магнитного полюса.
После 1831 года, когда положение полюса было зафиксировано впервые, к 2019 году полюс сместился уже более чем на 2 300 км в сторону Сибири и продолжает двигаться с ускорением.
Скорость его перемещения увеличилась с 15 км в год в 2000 году до 55 км в год в 2019 году. Такой быстрый дрейф приводит к необходимости более частой корректировки навигационных систем, использующих магнитное поле Земли, например, в компасах в смартфонах или в резервных системах навигации кораблей и самолетов.
Напряженность земного магнитного поля падает, причем неравномерно. За последние 22 года она уменьшилась в среднем на 1,7 %, а в некоторых регионах, — например в южной части Атлантического океана, — на 10%. В некоторых местах напряженность магнитного поля, вопреки общей тенденции, даже возросла.
Ускорение движения полюсов (в среднем на 3 км/год) и движение их по коридорам инверсии магнитных полюсов (эти коридоры позволили выявить более 400 палеоинверсий) позволяет предположить, что в данном перемещении полюсов следует усматривать не экскурс, а очередную инверсию магнитного поля Земли.
Как появилось магнитное поле Земли?
Специалисты океанографического Института Скриппса и Калифорнийского Университета предположили, что магнитное поле планеты сформировалось благодаря мантии. Американские ученые развили гипотезу, предложенную 13 лет назад группой исследователей из Франции.
Известно, что в течение долгого времени профессионалы утверждали, что именно внешнее ядро Земли генерировало ее магнитное поле. Но потом специалисты из Франции предположили, что мантия планеты была всегда твердой (с момента своего рождения).
Это заключение и заставило ученых задуматься о том, что не ядро могло формировать магнитное поле, а жидкая часть нижней мантии. Состав мантии представляет собой силикатный материал, который считается плохим проводником.
Но так как нижняя мантия должна была оставаться жидкой в течение миллиардов лет, движения жидкости внутри нее не производило электрического тока, а ведь для генерации магнитного поля он был просто необходим.
Сегодня профессионалы считают, что мантия могла быть более мощным проводником, чем считалось прежде. Такое умозаключение специалистов вполне оправдывает состояние ранней Земли. Силикатное динамо возможно только в том случае, если электропроводность ее жидкой части была намного выше и имела низкие показатели давления и температуры.
Земля как магнит: Геомагнитное поле
В 1905 году Эйнштейн назвал одной из пяти главных загадок тогдашней физики причину земного магнетизма.
В том же 1905 году французский геофизик Бернар Брюнес провел в южном департаменте Канталь замеры магнетизма лавовых отложений эпохи плейстоцена. Вектор намагниченности этих пород составлял почти 180 градусов с вектором планетарного магнитного поля (его соотечественник П. Давид получил аналогичные результаты даже годом раньше). Брюнес пришел к заключению, что три четверти миллиона лет назад во время излияния лавы направление геомагнитных силовых линий было противоположным современному. Так был обнаружен эффект инверсии (обращения полярности) магнитного поля Земли. Во второй половине 1920-х годов выводы Брюнеса подтвердили П. Л. Меркантон и Монотори Матуяма, но эти идеи получили признание лишь к середине столетия.
Сейчас мы знаем, что геомагнитное поле существует не менее 3,5 млрд лет и за это время магнитные полюса тысячи раз обменивались местами (Брюнес и Матуяма исследовали последнюю по времени инверсию, которая сейчас носит их имена). Иногда геомагнитное поле сохраняет ориентацию в течение десятков миллионов лет, а иногда — не более пятисот веков. Сам процесс инверсии обычно занимает несколько тысячелетий, и по его завершении напряженность поля, как правило, не возвращается к прежней величине, а изменяется на несколько процентов.
Механизм геомагнитной инверсии не вполне ясен и поныне, а уж сто лет назад он вообще не допускал разумного объяснения. Поэтому открытия Брюнеса и Давида только подкрепили эйнштейновскую оценку — действительно, земной магнетизм был крайне загадочен и непонятен. А ведь к тому времени его исследовали свыше трехсот лет, а в XIX веке им занимались такие звезды европейской науки, как великий путешественник Александр фон Гумбольдт, гениальный математик Карл Фридрих Гаусс и блестящий физик-экспериментатор Вильгельм Вебер. Так что Эйнштейн воистину глядел в корень.
Как вы думаете, сколько у нашей планеты магнитных полюсов? Почти все скажут, что два — в Арктике и Антарктике. На самом деле ответ зависит от определения понятия полюса. Географическими полюсами считают точки пересечения земной оси с поверхностью планеты. Поскольку Земля вращается как твердое тело, таких точек всего две и ничего другого придумать нельзя. А вот с магнитными полюсами дело обстоит много сложнее. Например, полюсом можно счесть небольшую область (в идеале опять-таки точку), где магнитные силовые линии перпендикулярны земной поверхности. Однако любой магнитометр регистрирует не только планетарное магнитное поле, но и поля местных пород, электрических токов ионосферы, частиц солнечного ветра и прочих дополнительных источников магнетизма (причем их средняя доля не так уж мала, порядка нескольких процентов). Чем точнее прибор, тем лучше он это делает — и потому все больше затрудняет выделение истинного геомагнитного поля (его называют главным), источник которого находится в земных глубинах. Поэтому координаты полюса, определенные с помощью прямого измерения, не отличаются стабильностью даже в течение короткого отрезка времени.
Можно действовать иначе и установить положение полюса на основании тех или иных моделей земного магнетизма. В первом приближении нашу планету можно считать геоцентрическим магнитным диполем, ось которого проходит через ее центр. В настоящее время угол между нею и земной осью составляет 10 градусов (несколько десятилетий назад он был больше 11 градусов). При более точном моделировании выясняется, что дипольная ось смещена относительно центра Земли в направлении северо-западной части Тихого океана примерно на 540 км (это эксцентрический диполь). Есть и другие определения.
Но это еще не все. Земное магнитное поле реально не обладает дипольной симметрией и потому имеет множественные полюса, причем в огромном количестве. Если считать Землю магнитным четырехполюсником, квадруполем, придется ввести еще два полюса — в Малайзии и в южной части Атлантического океана. Октупольная модель задает восьмерку полюсов и т. д. Современные наиболее продвинутые модели земного магнетизма оперируют аж 168 полюсами. Стоит отметить, что в ходе инверсии временно исчезает лишь дипольная компонента геомагнитного поля, а прочие изменяются много слабее.
Полюса наоборот
Многие знают, что общепринятые названия полюсов верны с точностью до наоборот. В Арктике расположен полюс, на который указывает северный конец магнитной стрелки, — следовательно, его стоило бы считать южным (одноименные полюса отталкиваются, разноименные притягиваются!). Аналогично, северный магнитный полюс базируется в высоких широтах Южного полушария. Тем не менее по традиции мы именуем полюса в соответствии с географией. Физики давно условились, что силовые линии выходят из северного полюса любого магнита и входят в южный. Отсюда следует, что линии земного магнетизма покидают южный геомагнитный полюс и стягиваются к северному. Такова конвенция, и нарушать ее не стоит (самое время припомнить печальный опыт Паниковского!).
Магнитный полюс, как его ни определяй, не стоит на месте. Северный полюс геоцентрического диполя в 2000 году имел координаты 79,5 N и 71,6 W, а в 2010-м — 80,0 N и 72,0 W. Истинный Северный полюс (тот, который выявляют физические замеры) с 2000 года сместился с 81,0 N и 109,7 W к 85,2 N и 127,1 W. В течение почти всего ХХ века он делал не более 10 км в год, но после 1980 года вдруг начал двигаться гораздо быстрее. В начале 1990-х годов его скорость превысила 15 км в год и продолжает расти.
Как рассказал «Популярной механике» бывший руководитель геомагнитной лаборатории канадской Службы геологических исследований Лоуренс Ньюитт, сейчас истинный полюс мигрирует на северо-запад, перемещаясь ежегодно на 50 км. Если вектор его движения не изменится в течение нескольких десятилетий, то к середине XXI столетия он окажется в Сибири. Согласно реконструкции, выполненной несколько лет назад тем же Ньюиттом, в XVII и XVIII веках северный магнитный полюс преимущественно смещался на юго-восток и лишь примерно в 1860 году повернул на северо-запад. Истинный южный магнитный полюс последние 300 лет движется в эту же сторону, причем его среднегодичное смещение не превышает 10–15 км.
Откуда вообще у Земли магнитное поле? Одно из возможных объяснений просто бросается в глаза. Земля обладает внутренним твердым железо-никелевым ядром, радиус которого составляет 1220 км. Поскольку эти металлы ферромагнитны, почему бы не предположить, что внутреннее ядро имеет статическую намагниченность, которая и обеспечивает существование геомагнитного поля? Мультиполярность земного магнетизма можно списать на несимметричность распределения магнитных доменов внутри ядра. Миграцию полюсов и инверсии геомагнитного поля объяснить сложнее, но, наверное, попытаться можно.
Однако из этого ничего не получается. Все ферромагнетики остаются таковыми (то есть сохраняют самопроизвольную намагниченность) лишь ниже определенной температуры — точки Кюри. Для железа она равна 768°C (у никеля много ниже), а температура внутреннего ядра Земли значительно превышает 5000 градусов. Поэтому с гипотезой статического геомагнетизма приходится расстаться. Однако не исключено, что в космосе имеются остывшие планеты с ферромагнитными ядрами.
Рассмотрим другую возможность. Наша планета также обладает жидким внешним ядром толщиной приблизительно в 2300 км. Оно состоит из расплава железа и никеля с примесью более легких элементов (серы, углерода, кислорода и, возможно, радиоактивного калия — в точности не знает никто). Температура нижней части внешнего ядра почти совпадает с температурой внутреннего ядра, а в верхней зоне на границе с мантией понижается до 4400°C. Поэтому вполне естественно предположить, что благодаря вращению Земли там формируются круговые течения, которые могут оказаться причиной возникновения земного магнетизма.
Конвективное динамо
«Чтобы объяснить возникновение полоидального поля, необходимо принять во внимание вертикальные потоки вещества ядра. Они образуются благодаря конвекции: нагретый железно-никелевый расплав всплывает из нижней части ядра по направлению к мантии. Эти струи закручиваются силой Кориолиса подобно воздушным потокам циклонов. В Северном полушарии восходящие потоки вращаются по часовой стрелке, а в Южном — против, — объясняет профессор Калифорнийского университета Гэри Глатцмайер. — При подходе к мантии вещество ядра остывает и начинает обратное движение вглубь. Магнитные поля восходящих и нисходящих потоков гасят друг друга, и поэтому по вертикали поле не устанавливается. А вот в верхней части конвекционной струи, там, где она образует петлю и недолго движется по горизонтали, ситуация иная. В Северном полушарии силовые линии, которые до конвекционного восхождения смотрели на запад, поворачиваются по часовой стрелке на 90 градусов и ориентируются на север. В Южном полушарии они поворачиваются с востока против часовой стрелки и тоже направляются на север. В результате в обоих полушариях генерируется магнитное поле, указывающее с юга на север. Хоть это отнюдь не единственное возможное объяснение возникновения полоидального поля, его считают самым вероятным».
Именно такую схему ученые-геофизики обсуждали лет 80 назад. Они считали, что потоки проводящей жидкости внешнего ядра за счет своей кинетической энергии порождают электрические токи, охватывающие земную ось. Эти токи генерируют магнитное поле преимущественно дипольного типа, силовые линии которого на поверхности Земли вытянуты вдоль меридианов (такое поле называется полоидальным). Этот механизм вызывает ассоциацию с работой динамо-машины, отсюда и произошло его название.
Описанная схема красива и наглядна, но, к сожалению, ошибочна. Она основана на предположении, что движение вещества внешнего ядра симметрично относительно земной оси. Однако в 1933 году английский математик Томас Каулинг доказал теорему, согласно которой никакие осесимметричные потоки не способны обеспечить существование долговременного геомагнитного поля. Даже если оно и появится, то век его окажется недолог, вдесятки тысяч раз меньше возраста нашей планеты. Нужна модель посложнее.
«Мы не знаем точно, когда возник земной магнетизм, однако это могло произойти вскоре после формирования мантии и внешнего ядра, — говорит один из крупнейших специалистов по планетарному магнетизму, профессор Калифорнийского технологического института Дэвид Стивенсон. — Для включения геодинамо требуется внешнее затравочное поле, причем не обязательно мощное. Эту роль, к примеру, могло взять на себя магнитное поле Солнца или поля токов, порожденных в ядре за счет термоэлектрического эффекта. В конечном счете это не слишком важно, источников магнетизма хватало. При наличии такого поля и кругового движения потоков проводящей жидкости запуск внутрипланетной динамомашины становился просто неизбежным».
Магнитная защита
Мониторинг земного магнетизма производят с помощью обширной сети геомагнитных обсерваторий, создание которой началось еще в 1830-х годах.
Для этих же целей используют корабельные, авиационные и космические приборы (к примеру, скалярный и векторный магнитометры датского спутника «Эрстед», работающие с 1999 года).
Напряженность геомагнитного поля варьирует приблизительно от 20 000 нанотесла вблизи побережья Бразилии до 65 000 нанотесла в районе южного магнитного полюса. С 1800 года его дипольная компонента сократилась почти на 13% (а с середины XVI века — на 20%), в то время как квадрупольная несколько возросла. Палеомагнитные исследования показывают, что в течение нескольких тысячелетий перед началом нашей эры напряженность геомагнитного поля упорно лезла вверх, а потом начала снижаться. Тем не менее нынешний планетарный дипольный момент значительно превышает свое среднее значение за последние полтораста миллионов лет (в 2010 году были опубликованы результаты палеомагнитных измерений, свидетельствующие, что 3,5 млрд лет назад земное магнитное поле было вдвое слабее нынешнего). Это означает, что вся история человеческих обществ от возникновения первых государств до нашего времени пришлась на локальный максимум земного магнитного поля. Интересно задуматься над тем, повлияло ли это на прогресс цивилизации. Такое предположение перестает казаться фантастическим, если учесть, что магнитное поле защищает биосферу от космического излучения.
И вот еще одно обстоятельство, которое стоит отметить. В юности и даже отрочестве нашей планеты все вещество ее ядра пребывало в жидкой фазе. Твердое внутреннее ядро сформировалось сравнительно недавно, возможно, всего лишь миллиард лет назад. Когда это произошло, конвекционные потоки стали более упорядоченными, что привело к более устойчивой работе геодинамо. Из-за этого геомагнитное поле выиграло в величине и стабильности. Можно предположить, что это обстоятельство благоприятно сказалось на эволюции живых организмов. В частности, усиление геомагнетизма улучшило защиту биосферы от космических излучений и тем самым облегчило выход жизни из океана на сушу.
Вот общепринятое объяснение такого запуска. Пусть для простоты затравочное поле почти параллельно оси вращения Земли (на самом деле достаточно, если оно имеет ненулевую компоненту в этом направлении, что практически неизбежно). Скорость вращения вещества внешнего ядра убывает по мере уменьшения глубины, причем из-за его высокой электропроводности силовые линии магнитного поля движутся вместе с ним — как говорят физики, поле «вморожено» в среду. Поэтому силовые линии затравочного поля будут изгибаться, уходя вперед на больших глубинах и отставая на меньших. В конце концов они вытянутся и деформируются настолько, что дадут начало тороидальному полю, круговым магнитным петлям, охватывающим земную ось и направленным в противоположные стороны в северном и южном полушариях. Этот механизм называется w-эффектом.
По словам профессора Стивенсона, очень важно понимать, что тороидальное поле внешнего ядра возникло благодаря полоидальному затравочному полю и, в свою очередь, породило новое полоидальное поле, наблюдаемое у земной поверхности: «Оба типа полей планетарного геодинамо взаимосвязаны и не могут существовать друг без друга».
15 лет назад Гэри Глатцмайер вместе с Полом Робертсом опубликовал очень красивую компьютерную модель геомагнитного поля: «В принципе для объяснения геомагнетизма давно имелся адекватный математический аппарат — уравнения магнитной гидродинамики плюс уравнения, описывающие силу тяготения и тепловые потоки внутри земного ядра. Модели, основанные на этих уравнениях, в первозданном виде очень сложны, однако их можно упростить и адаптировать для компьютерных вычислений. Именно это и проделали мы с Робертсом. Прогон на суперкомпьютере позволил построить самосогласованное описание долговременной эволюции скорости, температуры и давления потоков вещества внешнего ядра и связанной с ними эволюции магнитных полей. Мы также выяснили, что если проигрывать симуляцию на временных промежутках порядка десятков и сотен тысяч лет, то с неизбежностью возникают инверсии геомагнитного поля. Так что в этом отношении наша модель неплохо передает магнитную историю планеты. Однако есть затруднение, которое пока еще не удалось устранить. Параметры вещества внешнего ядра, которые закладывают в подобные модели, все еще слишком далеки от реальных условий. Например, нам пришлось принять, что его вязкость очень велика, иначе не хватит ресурсов самых мощных суперкомпьютеров. На самом деле это не так, есть все основания полагать, что она почти совпадает с вязкостью воды. Наши нынешние модели бессильны учесть и турбулентность, которая несомненно имеет место. Но компьютеры с каждым годом набирают силу, и лет через десять появятся гораздо более реалистичные симуляции».
«Работа геодинамо неизбежно связана с хаотическими изменениями потоков железо-никелевого расплава, которые оборачиваются флуктуациями магнитных полей,– добавляет профессор Стивенсон. — Инверсии земного магнетизма — это просто сильнейшие из возможных флуктуаций. Поскольку они стохастичны по своей природе, вряд ли их можно предсказывать заранее — во всяком случае мы этого не умеем».