Найбільший магніт

Магнітні бурі зазвичай не вважаються грізним явищем природи, таким як землетруси, цунамі, тайфуни. Правда, вони зривають радіозв’язок у високих широтах планети, змушують танцювати стрілки компасів. Зараз ці перешкоди вже не страшні. Телекомунікацію все частіше ведуть через супутники, з їх же допомогою штурмани задають курс кораблям і літакам.

Здавалося б, капризи магнітного поля вже можуть нікого не турбувати. Але саме тепер деякі факти дали грунт побоюванням, що зміни в магнітному полі Землі здатні викликати катастрофи, перед якими збліднуть самі грізні сили природи!

Одна з таких змін поля відбувається в наші дні…
Відтоді як німецький математик і фізик Карл Гаусс вперше дав математичний опис магнітного поля, подальші виміри – протягом 150 років до сьогоднішніх днів – показують, що магнітне поле Землі неухильно слабшає.

У зв’язку з цим здаються природними питання: чи не зникне магнітне поле зовсім, і чим це може загрожувати землянам?
Згадаймо, що нашу планету безперервно бомбардують космічні частинки, особливо інтенсивно – протони й електрони, випромінювані Сонцем, так званий сонячний вітер. Повз Землю вони проносяться з середньою швидкістю 400 км / с. Магнітосфера Землі не пропускає заряджені частинки до поверхні планети. Вона спрямовує їх до полюсів, де у верхній атмосфері ті народжують фантастичні сяйва. Але якщо магнітного поля не буде, якщо рослинний і тваринний світ опиниться під таким безперервним обстрілом, то можна припустити, що радіаційне пошкодження організмів самим згубним чином позначиться на долі всієї біосфери.

Щоб судити про те, наскільки реальна така загроза, треба згадати, як виникає магнітне поле Землі і чи немає в цьому механізмі ненадійних ланок, здатних вийти з ладу.
За сучасними уявленнями, ядро нашої планети складається з твердої частини і рідкої оболонки. Підігрівається твердим ядром і охолоджуване розташованої вище мантією, рідке речовина ядра втягується в кругообіг, в конвекцію, яка розпадається на багато окремі циркулюючі потоки.
Таке ж явище знайоме земним океанам, коли джерела глибинного тепла виявляються близько до дна океану, завдяки чому воно нагрівається. Тоді в товщі води виникають вертикальні течії. Добре досліджено, наприклад, такий перебіг в Тихому океані неподалік від берегів Перу. Воно виносить з глибин до поверхні вод величезну масу живильних речовин, завдяки чому цей район океану особливо багатий рибою…

Речовина рідкої частини ядра – це розплав з великим вмістом металів, і тому він має гарну електропровідністю. Зі шкільного курсу ми знаємо, що якщо провідник рухається в магнітному полі, перетинаючи його лінії, то в ньому збуджується електрорушійна сила.
У взаємодію з потоками розплаву могло спочатку вступити слабке міжпланетне магнітне поле. Породжений цим струм, в свою чергу, створив потужне магнітне поле, яке кільцями оточило ядро планети.

У надрах Землі в принципі все відбувається так, як у динамомашини з самозбудженням, схематичну модель якої має звичайно кожен шкільний кабінет фізики. Відмінність в тому, що замість проводів в надрах діють потоки рідкого електропровідного матеріалу. І, мабуть, цілком правомірна аналогія між секціями ротора динамо і конвекційними потоками розплаву в надрах. Механізм, що створює магнітне поле Землі, назвали тому гідромагнітного динамо.

Але картина, звичайно, складніше: кільцеві, інакше їх називають тороїдальні, поля не виходять на поверхню планети. Взаємодіючи з тією ж електропровідної рухомий рідкою масою, вони породжують інше, зовнішнє поле, з яким ми на поверхні Землі і маємо справу.
Нашу планету з її зовнішнім магнітним полем схематично зазвичай зображують як симетрично намагнічений куля з двома полюсами. Насправді зовнішнє поле не настільки ідеально по формі. Симетрію порушує безліч магнітних аномалій.

Деякі з них дуже значні і отримали назву континентальних. Одна така аномалія знаходиться в Східному Сибіру, інша – в Південній Америці. Такі аномалії виникають тому, що гідромагнітного динамо в надрах Землі «сконструйовано» не настільки симетрично, як електричні машини, побудовані на заводі, де забезпечують співвісність ротора і статора і на спеціальних верстатах ретельно балансують ротори, домагаючись збігу їх центрів мас (точніше, головною центральною осі інерції) з віссю обертання. І потужність потоків речовини, і температурні умови, від яких залежить швидкість їх руху, далеко не однакові в різних зонах земних надр, де діє природне динамо. Швидше за все, глибинне динамо можна порівняти з машиною, у якої секції в обмотці ротора різної товщини і зазор між ротором і статором змінюється.
Аномалії менших масштабів – регіональні та локальні – пояснюються особливостями складу земної кори – як, наприклад, Курська магнітна аномалія, що виникла завдяки гігантським покладів залізної руди.

Словом, механізм, що породжує магнітне поле Землі, стійкий, надійний, і в ньому немає, здається, деталей, які здатні раптово вийти з ладу. Більш того, на думку професора мюнхенського університету Г. Зоффеля, електропровідність рідкого матеріалу в надрах так велика, що якщо з якоїсь причини гідромагнітного динамо раптом «вимкнеться», магнітні сили на поверхні планети просигналять нам про це тільки через багато тисячоліть.
Але одна справа «поломка» природного механізму, інше – поступове згасання його дії, подібне похолоданиям, породившим заледеніння планети.
Щоб проаналізувати цю обставину, нам знадобиться більш детальне знайомство з поведінкою магнітного поля: як і чому змінюється воно в часі.
Будь гірська порода, будь-яка речовина, що містить залізо або інший феромагнітний елемент, завжди знаходиться під впливом магнітного поля Землі. Елементарні магнітики в цьому матеріалі прагнуть орієнтуватися подібно стрілкою компаса вздовж силових ліній поля.
Однак якщо матеріал нагрівати, то настане момент, коли тепловий рух частинок стане настільки енергійним, що воно зруйнує магнітну впорядкованість. Потім, коли наш матеріал буде остигати, починаючи з певної температури (її називають точкою Кюрі) магнітне поле візьме гору над силами хаотичного руху. Елементарні магнітики знову вишикуються так, як велить їм поле, і залишаться в цьому положенні, якщо тіло не буде знову підігрітий. Поле виявляється як би «замороженим» в матеріалі.
Це явище дозволяє впевнено судити про минуле земного магнітного поля. Вченим вдається проникати в такі дали часів, коли на юній планеті остигала тверда кора. Мінерали, що збереглися з тієї пори, розповідають про те, яким було магнітне поле два мільярди років тому.
Коли ж справа стосується досліджень періодів, значно ближчих до нас за часом – в межах останніх 10 тисяч років, – вчені вважають за краще брати для аналізу матеріали штучного походження, а не природні лави або опади. Це обпалена людиною глина – посуд, цеглу, ритуальні фігурки і т. п., які з’явилися з першими кроками цивілізації. Перевага штучних виробів з глини в тому, що археологи можуть їх досить точно датувати.

В Інституті фізики Землі РАН дослідженнями змін магнітного поля займалася лабораторія археомагнетізма. Там були зосереджені великі дані, здобуті в лабораторії і в провідних зарубіжних наукових центрах. Займаються цим і російські вчені.
Дійсно, ці дані підтверджують, що в наш час магнітне поле слабшає. Але тут необхідна обмовка: точні вимірювання поведінки поля на великих відрізках часу говорять, що магнітне поле планети схильне численним коливань з різними періодами. Якщо ми їх все складемо, то отримаємо так звану «згладжену криву», яка досить добре збігається з синусоїдою, що має період 8000 років.
У даний час сумарне значення магнітного поля знаходиться на спадному відрізку синусоїди. Ось це і викликало занепокоєння деяких авторів. Позаду більш високі значення, попереду – подальше ослаблення поля. Воно триватиме приблизно ще дві тисячі років. Але потім почнеться посилення поля. Ця фаза триватиме 4 тисячі років, щоб потім знову настав спад. Попередній максимум припав на початок нашої ери. Множинність коливань магнітного поля пояснюється, мабуть, відсутністю збалансованості рухомих частин гідромагнітного динамо, різної їх електропровідністю.
Важливо відзначити, що амплітуда синусоїди становить менше половини середньої величини напруженості поля. Іншими словами, ці коливання ніяк не можуть звести значення поля до нуля. Такий відповідь тим, хто вважає, ніби нинішнє ослаблення поля зрештою відкриє поверхню земної кулі для обстрілу частками з космосу.

Як вже говорилося, крива являє собою суму накладаються один на одного різних коливань магнітного поля Землі – всього їх виявлено поки близько десятка. Добре виражені періоди, що мають тривалість 8000, 2700, 1800, 1200, 600 і 360 років. Менш чітко простежуються періоди в 5400, 3600 і 900 років.
З деякими з цих періодів пов’язані істотні явища в житті планети.
Період в 8000 років має безсумнівно глобальний масштаб на відміну від коливань, наприклад, в 600 або 360 років, що мають регіональний, локальний характер.

Цікаві взаємозв’язку з багатьма природними явищами періоду в 1800 років. Географ А.В. Шнитников провів зіставлення різних природних ритмів Землі і виявив їх прихильність до астрономічного явища, названого Великий сарес, коли Сонце, Земля і Місяць опиняються на одній прямій і при цьому Земля розташована на найменшому видаленні і від світила, і від супутника. У цьому випадку досягають найбільшого значення приливні сили. Великий сарес повторюється через 1800 років (з відхиленнями) і супроводжується розширенням земної кулі в екваторіальній смузі – за рахунок припливної хвилі, в якій беруть участь Світовий океан і земна кора. Як наслідок цього відбувається зміна моменту інерції планети, і вона уповільнює своє обертання. Змінюється також положення кордону полярного льодового покриву, відбувається підйом рівня океану. Великий сарес відбивається на кліматі Землі – по-іншому починають чергуватися посушливі і вологі періоди. Такі зміни в природі в минулому відбивалися і на населенні планети: посилювалася, наприклад, міграція народів…
В Інституті фізики Землі задалися метою з’ясувати, чи не існує зв’язків між явищами, викликаними Великим саресом, і поведінкою магнітного поля. Виявилося, що саме 1800-річний період коливань поля добре узгоджується з ритмом явищ, викликаних взаєморозташуванням Сонця, Землі і Місяця. Збігаються початку і кінці змін та їх максимуми… Це можна пояснити тим, що в рідкій масі, навколишнього ядро планети, під час Великого сареса приливна хвиля також досягала найбільшої величини, отже, взаємодія потоків речовини з внутрішнім полем також змінювалося.
В останні 10 тисяч років земна природа не терпіла будь-яких лих з вини неспокійного магнітного поля. Але що приховує більш глибоке минуле? Як відомо, найбільш драматичні події в біосфері Землі лежать далеко за межами 10 тисяч років. Можливо, їх причиною були які-небудь зміни в магнітному полі?

Тут ми повинні будемо зайнятися фактом, який стривожив деяких учених.
Магнітні поля минулого виявилися «вмороженностью» ще й у вулканічні лави, коли ті, остигаючи, проходили точку Кюрі. Відображені магнітні поля і в донних опадах: опускаються на дно частинки, якщо вони містять ферромагнетики, подібно стрільцям компасів орієнтуються по лініях магнітного поля. Воно зберігається вічно в скам’янілих опадах, якщо тільки опади не піддавалися сильному нагріванню…
Дослідженням стародавніх магнітних полів займаються палеомагнитологи. Їм вдалося виявити воістину грандіозні зміни, які зазнавало в далекому минулому магнітне поле. Було відкрито явище інверсії – зміни магнітних полюсів. Північний переміщався на місце південного, південний – на місце північної.

До речі, полюси міняються не так вже швидко – за деякими оцінками, зміна триває 5 або навіть 10 тисяч років.
Останнє таке переміщення відбулося 700 тисяч років тому. Попереднє – ще на 96 тисяч років раніше. В історії планети таких змін налічують сотні. Якої регулярності тут не виявлено – відомі тривалі спокійні періоди, їх змінювали часи частих інверсій.
Були відкриті також так звані «екскурси» – догляд магнітних полюсів від географічних на великі відстані, що завершуються, однак, поверненням до свого колишнього місця.

Посилання на основну публікацію