В последние дни на научных информационных сайтах появилось большое количество новостей, посвященных магнитному полю Земли. Например, новость о том, что в последнее время оно существенно изменяется, или о том, что магнитное поле способствует утечке кислорода из земной атмосферы и даже про то, что вдоль линий магнитного поля ориентируются коровы на пастбищах. Что представляет собой магнитное поле и насколько важны все перечисленные новости?
Магнитное поле Земли – это область вокруг нашей планеты, где действуют магнитные силы. Вопрос о происхождении магнитного поля до сих пор окончательно не решен. Однако большинство исследователей сходятся в том, что наличием магнитного поля Земля хотя бы отчасти обязана своему ядру. Земное ядро состоит из твердой внутренней и жидкой наружной частей. Вращение Земли создает в жидком ядре постоянные течения. Как читатель может помнить из уроков физики, движение электрических зарядов приводит к появлению вокруг них магнитного поля.
Одна из самых распространенных теорий, объясняющих природу поля, - теория динамо-эффекта - предполагает, что конвективные или турбулентные движения проводящей жидкости в ядре способствуют самовозбуждению и поддержанию поля в стационарном состоянии.
Землю можно рассматривать как магнитный диполь. Его южный полюс находится на географическом Северном полюсе, а северный, соответственно, на Южном. На самом деле, географический и магнитный полюса Земли не совпадают не только по "направлению". Ось магнитного поля наклонена по отношению к оси вращения Земли на 11,6 градуса. Из-за того что разница не очень существенная, мы можем пользоваться компасом. Его стрелка точно указывает на южный магнитный полюс Земли и почти точно на Северный географический. Если бы компас был изобретен 720 тысяч лет назад, то он бы указывал и на географический и на магнитный северный полюс. Но об этом чуть ниже.
Магнитное поле защищает жителей Земли и искусственные спутники от губительного воздействия космических частиц. К таким частицам относятся, например, ионизированные (заряженные) частицы солнечного ветра. Магнитное поле изменяет траекторию их движения, направляя частицы вдоль линий поля. Необходимость наличия магнитного поля для существования жизни сужает круг потенциально обитаемых планет (если мы исходим из предположения, что гипотетически возможные формы жизни похожи на земных обитателей).
Ученые не исключают, что часть планет земного типа не имеют металлического ядра и, соответственно, лишены магнитного поля. До сих пор считалось, что планеты, состоящие из твердых скальных пород, как и Земля, содержат три основных слоя: твердую кору, вязкую мантию и твердое или расплавленное железное ядро. В недавней работе ученые из Массачусетского технологического института предложили образования "скалистых" планет без ядра. Если теоретические выкладки исследователей подтвердятся наблюдениями, то для расчета вероятности встретить во Вселенной гуманоидов или хотя бы что-то, напоминающее иллюстрации из учебника биологии, придется переписать.
Земляне тоже могут лишиться своей магнитной защиты. Правда, точно сказать, когда это произойдет, геофизики пока не могут. Дело в том, что магнитные полюса Земли непостоянны. Периодически они меняются местами. Не так давно исследователи установили, что Земля "помнит" о смене полюсов. Анализ таких "воспоминаний" показал, что за последние 160 миллионов лет магнитные север и юг менялись местами около 100 раз. Последний раз это событие произошло около 720 тысяч лет назад.
Смена полюсов сопровождается изменением конфигурации магнитного поля. Во время "переходного периода" на Землю проникает существенно больше космических частиц, опасных для живых организмов. Одна из гипотез, объясняющих исчезновение динозавров, утверждает, что гигантские рептилии вымерли именно во время очередной смены полюсов.
Кроме "следов" плановых мероприятий по смене полюсов исследователи заметили в магнитном поле Земли опасные подвижки. Анализ данных о его состоянии за несколько лет показал, что в последние месяцы в нем начали происходить . Настолько резких "движений" поля ученые не регистрировали уже очень давно. Вызывающая беспокойства исследователей зона находится в южной части Атлантического океана. "Толщина" магнитного поля в этом районе не превышает трети от "нормальной". Исследователи давно обратили внимание на эту "прореху" в магнитном поле Земли. Собранные за 150 лет данные показывают, что за этот период поле здесь ослабло на десять процентов.
На данный момент трудно сказать, чем это грозит человечеству. Одним из последствий ослабления напряженности поля может стать увеличение (пусть и незначительное) содержания кислорода в земной атмосфере. Связь между магнитным полем Земли и этим газом была установлена с помощью системы спутников Cluster – проекта Европейского космического агентства. Ученые выяснили, что магнитное поле ускоряет ионы кислорода и "выбрасывает" их в космическое пространство.
Несмотря на то, что магнитное поле нельзя увидеть, обитатели Земли хорошо его чувствуют. Перелетные птицы, например, отыскивают дорогу, ориентируясь именно на него. Существует несколько гипотез, объясняющих, как именно они ощущают поле. Одна из последних предполагает, что птицы воспринимают магнитное поле . Особые белки – криптохромы – в глазах перелетных птиц способны менять свое положение под воздействием магнитного поля. Авторы теории считают, что криптохромы могут выполнять роль компаса.
Кроме птиц магнитное поле Земли вместо GPS используют морские черепахи. И, как показал анализ спутниковых фотографий, представленных в рамках проекта Google Earth, коровы. Изучив фотографии 8510 коров в 308 районах мира, ученые заключили, что эти животные предпочтительно (или с юга на север). Причем "реперными точками" для коров служат не географические, а именно магнитные полюса Земли. Механизм восприятия коровами магнитного поля и причины именно такой реакции на него остаются неясными.
Кроме перечисленных замечательных свойств магнитное поле способствует . Они возникают в результате резких изменений поля, происходящих в удаленных регионах поля.
Магнитное поле не обошли своим вниманием сторонники одной из "теорий заговора" – теории о лунной мистификации. Как уже упоминалось выше, магнитное поле защищает нас от космических частиц. "Собранные" частицы скапливаются в определенных частях поля – так называемых радиационных поясах Ван Алена. Скептики, не верящие в реальность высадок на Луну, считают, что во время пролета сквозь радиационные пояса астронавты получили бы смертельную дозу радиации.
Магнитное поле Земли - удивительное следствие законов физики, защитный щит, ориентир и создатель полярных сияний. Если бы не оно, жизнь на Земле, возможно, выглядела бы совсем иначе. В общем, если бы магнитного поля не было - его необходимо было бы придумать.
Эти глобальные модели - такие как Международное геомагнитное аналитическое поле (International Geomagnetic Reference Field, IGRF) и Всемирная магнитная модель (World Magnetic Model, WMM) - создаются различными международными геофизическими организациями, и каждые 5 лет утверждаются и публикуются обновлённые наборы коэффициентов Гаусса, определяющих все данные о состоянии геомагнитного поля и его параметрах . Так, согласно модели WMM2015, северный геомагнитный полюс (по сути это южный полюс магнита) имеет координаты 80,37° с. ш. и 72,62° з. д., южный геомагнитный полюс - 80,37° ю. ш., 107,38° в. д., наклон оси диполя относительно оси вращения Земли - 9,63° .
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 .
Существование магнитных полей протяжённых локальных областей внешних оболочек приводит к тому, что истинные магнитные полюса - точки (вернее, небольшие области), в которых силовые линии магнитного поля абсолютно вертикальны, - не совпадают с геомагнитными, при этом они лежат не на самой поверхности Земли, а под ней . Координаты магнитных полюсов на тот или иной момент времени также вычисляются в рамках различных моделей геомагнитного поля путём нахождения итеративным методом всех коэффициентов в ряду Гаусса. Так, согласно актуальной модели WMM, в 2015 г. северный магнитный полюс находился в точке 86° с. ш., 159° з. д., а южный - 64° ю. ш., 137° в.д . Значения актуальной модели IGRF12 немного отличаются: 86,3° с. ш., 160° з. д., для северного полюса, 64,3° ю. ш., 136,6° в.д для южного .
Соответственно, магнитная ось - прямая, проходящая через магнитные полюса, - не проходит через центр Земли и не является её диаметром .
Положения всех полюсов постоянно смещаются - геомагнитный полюс прецессирует относительно географического с периодом около 1200 лет .
Внешнее магнитное поле
Оно определяется источниками в виде токовых систем, находящимися за пределами земной поверхности в её атмосфере . В верхней части атмосферы (100 км и выше) - ионосфере - её молекулы ионизируются, формируя плазму , поэтому эта часть магнитосферы Земли, простирающаяся на расстояние до трёх её радиусов, называется плазмосферой . Плазма удерживается магнитным полем Земли, но её 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, ещё контролируемая 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. Подсолнечная точка магнитосферы в среднем находится на расстоянии 10 земных радиусов * R ⊕ ; при слабом солнечном ветре это расстояние достигает 15-20 R ⊕ , а в период магнитных возмущений на Земле магнитопауза может заходить за геостационарную орбиту (6,6 R ⊕) . Вытянутый хвост на ночной стороне имеет диаметр около 40 R ⊕ и длину более 900 R ⊕ ; начиная с расстояния примерно 8 R ⊕ , он разделен на части плоским нейтральным слоем, в котором индукция поля близка к нулю .
Геомагнитное поле вследствие специфической конфигурации линий индукции создает для заряженных частиц - протонов и электронов - магнитную ловушку. Оно захватывает и удерживает огромное их количество, так что магнитосфера является своеобразным резервуаром заряженных частиц. Общая их масса, по различным оценкам, составляет от 1 кг до 10 кг. Они формируют так называемый радиационный пояс , охватывающий Землю со всех сторон, кроме приполярных областей. Его условно разделяют на два - внутренний и внешний. Нижняя граница внутреннего пояса находится на высоте около 500 км, его толщина - несколько тысяч километров. Внешний пояс находится на высоте 10-15 тыс. км. Частицы радиационного пояса под действием силы Лоренца совершают сложные периодические движения из Северного полушария в Южное и обратно, одновременно медленно перемещаясь вокруг Земли по азимуту. В зависимости от энергии они совершают полный оборот вокруг Земли за время от нескольких минут до суток .
Магнитосфера не подпускает к земле потоки космических частиц . Однако в её хвосте, на больших расстояниях от Земли напряженность геомагнитного поля, а следовательно, и его защитные свойства, ослабляются, и некоторые частицы солнечной плазмы получают возможность попасть вовнутрь магнитосферы и магнитных ловушек радиационных поясов. Хвост таким образом служит местом формирования потоков высыпающихся частиц, вызывающих полярные сияния и авроральные токи . В полярных областях часть потока солнечной плазмы вторгается в верхние слои атмосферы из радиационного пояса Земли и, сталкиваясь с молекулами кислорода и азота, возбуждает их или ионизирует, а при обратном переходе в невозбужденное состояние атомы кислорода излучают фотоны с λ = 0,56 мкм и λ = 0,63 мкм, ионизированные же молекулы азота при рекомбинации высвечивают синие и фиолетовые полосы спектра. При этом наблюдаются полярные сияния, особенно динамичные и яркие во время магнитных бурь . Они происходят при возмущениях в магнитосфере, вызванных увеличением плотности и скорости солнечного ветра при усилении солнечной активности .
Параметры поля
Наглядное представление о положении линий магнитной индукции поля Земли даёт магнитная стрелка, закреплённая 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 . Таким образом, магнитные меридианы - это проекции силовых линий магнитного поля Земли на её поверхность, сходящиеся в северном и южном магнитных полюсах . Угол между направлениями магнитного и географического меридианов называют магнитным склонением . Оно может быть западным (часто обозначается знаком «-») или восточным (обозначается знаком «+»), в зависимости от того, к западу или востоку отклоняется северный полюс магнитной стрелки от вертикальной плоскости географического меридиана .
Далее, линии магнитного поля Земли, вообще говоря, не параллельны её поверхности. Это означает, что магнитная индукция поля Земли не лежит в плоскости горизонта данного места, а образует с этой плоскостью некий угол - он называется магнитным наклонением . Оно близко к нулю лишь в точках магнитного экватора - окружности большого круга в плоскости, которая перпендикулярна к магнитной оси .
Магнитное склонение и магнитное наклонение определяют направление магнитной индукции поля Земли в каждом конкретном месте. А численное значение этой величины можно найти, зная наклонение и одну из проекций вектора магнитной индукции B {\displaystyle \mathbf {B} } - на вертикальную или горизонтальную ось (последнее оказывается более удобным на практике). Таким образом, три этих параметра - магнитное склонение, наклонение и модуль вектора магнитной индукции B (либо вектора напряжённости магнитного поля H {\displaystyle \mathbf {H} } ) - полностью характеризуют геомагнитное поле в данном месте. Их точное знание для максимально большого числа пунктов на Земле имеет чрезвычайно важное значение . Составляются специальные магнитные карты, на которых нанесены изогоны (линии одинакового склонения) и изоклины (линии одинакового наклонения), необходимые для ориентации с помощью компаса .
В среднем интенсивность магнитного поля Земли колеблется от 25,000 до 65,000 нТл (0,25 - 0,65 Гс) и сильно зависит от географического положения . Это соответствует средней напряжённости поля около 0,5 (40 /) . На магнитном экваторе её величина - около 0,34 , у магнитных полюсов - около 0,66 Э. В некоторых районах (магнитных аномалий) напряжённость резко возрастает: в районе Курской магнитной аномалии она достигает 2 Э .
Природа магнитного поля Земли
Впервые объяснить существование магнитных полей Земли и Солнца попытался Дж. Лармор в 1919 году , предложив концепцию динамо , согласно которой поддержание магнитного поля небесного тела происходит под действием гидродинамического движения электропроводящей среды. 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 теореме. Позже было показано, что не у всех уравнений с аксиальной симметрией, описывающих процесс генерации магнитного поля, решение будет аксиально-симметричным, и в 1950-х гг. 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 кельвин, которое отлично проводит ток, создаются конвективные потоки, отводящие тепло от твёрдого внутреннего ядра (генерируемого благодаря распаду радиоактивных элементов либо освобождению скрытой теплоты при затвердевании вещества на границе между внутренним и внешним ядром по мере постепенного остывания планеты). Силы Кориолиса закручивают эти потоки в характерные спирали, образующие так называемые столбы Тейлора . Благодаря трению слоёв они приобретают электрический заряд, формируя контурные токи. Таким образом, создаётся система токов, циркулирующих по проводящему контуру в движущихся в (изначально присутствующем, пусть и очень слабом) магнитном поле проводниках, как в диске Фарадея . 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 .
Математически этот процесс описывается дифференциальным уравнением
∂ B ∂ t = η ∇ 2 B + ∇ × (u × B) {\displaystyle {\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}=\eta \mathbf {\nabla } ^{2}\mathbf {B} +\mathbf {\nabla } \times (\mathbf {u} \times \mathbf {B})} ,где u - скорость потока жидкости, B - магнитная индукция , η = 1/μσ - магнитная вязкость , σ - электропроводность жидкости, а μ - магнитная проницаемость , практически не отличающаяся при такой высокой температуре ядра от μ 0 - проницаемости вакуума.
Однако для полного описания необходимо записать систему магнитогидродинамических уравнений. В приближении Буссинеска (в рамках которого все физические характеристики жидкости полагаются постоянными, кроме силы Архимеда , при расчёте которой учитываются изменения плотности вследствие разности температур) это :
- Уравнение Навье - Стокса , содержащее члены, выражающие совокупное действие вращения и магнитного поля:
- Уравнение теплопроводности , выражающее закон сохранения энергии :
Прорыв в этом отношении был достигнут в 1995 году в работах групп из Японии и Соединённых Штатов . Начиная с этого момента, результаты ряда работ численного моделирования удовлетворительно воспроизводят качественные характеристики геомагнитного поля в динамике, в том числе инверсии .
Изменения магнитного поля Земли
Это подтверждается и текущим возрастанием угла раствора каспов (полярных щелей в магнитосфере на севере и юге), который к середине 1990-х годов достиг 45°. В расширившиеся щели устремился радиационный материал солнечного ветра, межпланетного пространства и космических лучей, вследствие чего в полярные области поступает большее количество вещества и энергии, что может привести к дополнительному разогреву полярных шапок [ ] .
Геомагнитные координаты (координаты Мак-Илвайна)
В физике космических лучей широко используются специфические координаты в геомагнитном поле, названные в честь учёного Карла Мак-Илвайна (Carl McIlwain ), первым предложившего их использование , так как они основаны на инвариантах движения частиц в магнитном поле. Точка в дипольном поле характеризуется двумя координатами (L, B), где L - так называемая магнитная оболочка, или параметр Мак-Илвайна (англ. L-shell, L-value, McIlwain L-parameter ), B - магнитная индукция поля (обычно в Гс). За параметр магнитной оболочки обычно принимается величина L, равная отношению среднего удаления реальной магнитной оболочки от центра Земли в плоскости геомагнитного экватора, к радиусу Земли. .
История исследований
Ещё несколько тысячелетий назад в Древнем Китае было известно, что намагниченные предметы располагаются в определённом направлении, в частности стрелка компаса всегда занимает определённое положение в пространстве. Благодаря этому человечество с давних пор получило возможность при помощи такой стрелки (компаса) ориентироваться в открытом море вдали от берегов. Однако до плавания Колумба из Европы в Америку (1492 г.) особого внимания к исследованию такого явления никто не проявлял, так как ученые того времени полагали, что оно происходит в результате притяжения стрелки Полярной звездой . В Европе и омывающих её морях компас в то время устанавливался почти по географическому меридиану. При пересечении же Атлантического океана Колумб заметил, что примерно на полпути между Европой и Америкой стрелка компаса отклонилась почти на 12° к западу. Этот факт сразу же породил сомнение в правильности прежней гипотезы о притяжении стрелки Полярной звездой, дал толчок к серьезному изучению вновь открытого явления: сведения о магнитном поле Земли были нужны мореплавателям. С этого момента и получила свое начало наука о земном магнетизме, начались повсеместные измерения магнитного склонения , то есть угла между географическим меридианом и осью магнитной стрелки, то есть магнитным меридианом. В 1544 году немецкий учёный Георг Хартман открыл новое явление: магнитная стрелка не только отклоняется от географического меридиана, но, будучи подвешена за центр тяжести, стремится встать под некоторым углом к горизонтальной плоскости, названным магнитным наклонением .
С этого момента наряду с изучением явления отклонения ученые начали также исследовать и наклонение магнитной стрелки. У Хосе де Акосты (одного из основателей геофизики , по словам Гумбольдта) в его Истории (1590) впервые появилась теория о четырёх линиях без магнитного склонения. Он описал использование компаса, угол отклонения, различия между Магнитным и Северным полюсом, а также колебание отклонений от одной точки до другой, идентифицировал места с нулевым отклонением, например, на Азорских островах .
В результате наблюдений было установлено, что как склонение, так и наклонение имеют различные значения в разных точках земной поверхности. При этом их изменения от точки к точке подчиняются некоторой сложной закономерности. Её исследование позволило придворному врачу английской королевы Елизаветы и натурфилософу Уильяму Гильберту выдвинуть в 1600 году в своей книге «О магните» («De Magnete») гипотезу о том, что Земля представляет собой магнит, полюсы которого совпадают с географическими полюсами. Другими словами, У. Гильберт полагал, что поле Земли подобно полю намагниченной сферы. Свое утверждение У. Гильберт основывал на опыте с моделью нашей планеты, представляющей собой намагниченный железный шар, и маленькой железной стрелкой. Главным аргументом в пользу своей гипотезы Гильберт считал, что магнитное наклонение, измеренное на такой модели, оказалось почти одинаковым с наклонением, наблюдавшимся на земной поверхности. Несоответствие же земного склонения со склонением на модель Гильберт объяснял отклоняющим действием материков на магнитную стрелку. Хотя многие факты, установленные позднее, не совпадали с гипотезой Гильберта, она не теряет своего значения и до сих пор. Основная мысль Гильберта о том, что причину земного магнетизма следует искать внутри Земли, оказалась правильной, равно как и то, что в первом приближении Земля действительно является большим магнитом, представляющим собой однородно намагниченный шар .
В 1634 году английский астроном Генри Геллибранд ?! установил, что магнитное склонение в Лондоне меняется со временем. Это стало первым зафиксированным свидетельством вековых вариаций - регулярных (от года к году) изменений средних годовых значений компонентов геомагнитного поля .
Углы склонения и наклонения определяют направление в пространстве напряженности магнитного поля Земли, но не могут дать её численного значения. До конца XVIII в. измерения величины напряженности не производились по той причине, что не были известны законы взаимодействия между магнитным полем и намагниченными телами. Лишь после того, как в 1785-1789 гг. французским физиком Шарлем Кулоном был установлен закон, названный его именем , появилась возможность таких измерений. С конца XVIII в., наряду с наблюдением склонения и наклонения, начались повсеместные наблюдения горизонтальной составляющей, представляющей собой проекцию вектора напряженности магнитного поля на горизонтальную плоскость (зная же склонение и наклонение, можно рассчитать и величину полного вектора напряженности магнитного поля) .
Первая теоретическая работа о том, что представляет собой магнитное поле Земли, то есть каковы величина и направление его напряженности в каждой точке земной поверхности, принадлежит немецкому математику Карлу Гауссу . В 1834 г. он дал математическое выражение для составляющих напряженности как функции координат - широты и долготы места наблюдения. Пользуясь этим выражением, можно для каждой точки земной поверхности найти значения любой из составляющих, которые носят названия элементов земного магнетизма. Эта и другие работы Гаусса стали фундаментом, на котором построено здание современной науки о земном магнетизме . В частности, в 1839 году он доказал, что основная часть магнитного поля выходит из Земли, а причину небольших, коротких отклонений его значений необходимо искать во внешней среде .
В 1831 году английским полярным исследователем Джоном Россом в Канадском архипелаге был открыт северный магнитный полюс - область, где магнитная стрелка занимает вертикальное положение, то есть наклонение равно 90°. А в 1841 г. Джеймс Росс (племянник Джона Росса) достиг другого магнитного полюса Земли , находящегося в Антарктиде .
См. также
- Intermagnet (англ. )
Примечания
- Ученые в США выяснили, что магнитное поле Земли на 700 млн лет старше, чем считалось
- Эдвард Кононович. Магнитное поле Земли (неопр.) . http://www.krugosvet.ru/ . Энциклопедия Кругосвет: Универсальная научно-популярная онлайн-энциклопедия. Проверено 2017-04-26 .
- Geomagnetism Frequently Asked Questions (англ.) . https://www.ngdc.noaa.gov/ngdc.html . National Centers for Environmental Information (NCEI). Проверено 23 апреля 2017.
- А. И. Дьяченко. Магнитные полюса Земли . - Москва: Издательство Московского центра непрерывного математического образования, 2003. - 48 с. - ISBN 5-94057-080-1 .
- А. В. Викулин. VII. Геомагнитное поле и электромагнетизм Земли // Введение в физику Земли. Учебное пособие для геофизических специальностей вузов.. - Издательство Камчатского государственного педагогического университета, 2004. - 240 с. - ISBN 5-7968-0166-X .
Земля окружена магнитным полем. Именно оно заставляет стрелку компаса указывать на север и защищает нашу атмосферу от постоянной бомбардировки заряженных частиц из космоса, таких как протоны. Без магнитного поля наша атмосфера будет медленно исчезать под воздействием вредного излучения, а жизнь почти наверняка не сможет существовать в том виде, который мы наблюдаем сегодня.
Вы можете думать, что магнитное поле является бесконечным, постоянным аспектом жизни на Земле, и в какой-то степени будете правы. Но магнитное поле Земли на самом деле изменяется. Примерно раз в нескольких сотен тысяч лет или около того оно переворачивается. Северный полюс меняется местами с южным. И когда это происходит, магнитное поле также имеет тенденцию становиться очень слабыми.
Аномалия южной Атлантики
В настоящее время геофизиков тревожит осознание того, что сила магнитного поля Земли сокращается в течение последних 160 лет с угрожающей скоростью. Этот коллапс сосредоточен в огромном пространстве южного полушария и простирается от Зимбабве к Чили. Он известен как аномалия южной Атлантики. Сила магнитного поля в этом месте настолько слаба, что это даже создает опасность для спутников, которые находятся на орбите Земли над этой областью. Магнитное поле больше не защищает их от излучения, которое создает помехи для электроники спутников.
Последствия разворота магнитного поля
Но это еще не все. Сила магнитного поля продолжает слабеть, потенциально предвещая еще более драматические события, в том числе глобальный разворот магнитных полюсов. Такое существенное изменение повлияет на наши навигационные системы, а также передачу электроэнергии. Северное сияние можно будет увидеть на разных широтах. Кроме того, при очень низких значениях силы поля во время глобального разворота поверхности Земли достигнет больше радиации, что также может повлиять на показатели заболеваемости раком.
Ученые до сих пор не до конца понимают, какой степени достигнут эти эффекты, поэтому их исследования являются особенно актуальными. Они используют некоторые, возможно, неожиданные источники данных, в том числе 700-летние африканские археологические записи, чтобы изучить этот вопрос.
Происхождение магнитного поля Земли
Магнитное поле Земли создается благодаря наличию железа в жидком внешнем ядре нашей планеты. Благодаря данным обсерваторий и спутников, которые изучают магнитное поле в последнее время, ученые могут с точностью смоделировать то, как оно будет выглядеть, как если бы мы поместили компас непосредственно над закрученным жидким ядром Земли.
Пятно обратной полярности
Эти анализы показывают поразительную особенность: ниже южной части Африки существует пятно обратной полярности на границе ядра и мантии, где жидкое железо внешнего ядра встречается с жесткой частью недр Земли. В этой области полярность поля противоположна среднему глобальному магнитному полю. Если бы мы смогли установить компас глубоко под южной частью Африки, то увидели бы, что в этой необычной области стрелки, определяющие север, на самом деле указывают на юг.
Это пятно является главным виновником аномалии в южной Атлантике. При численном моделировании необычные пятна, похожие на это, появлялись непосредственно перед геомагнитными инверсиями.
За всю историю планеты магнитные полюса менялись довольно часто, но последний разворот произошел в далеком прошлом, примерно 780 тысяч лет назад. С учетом быстрого снижения силы магнитного поля в последние 160 лет возникает вопрос о том, что происходило до этого.
Изучение археомагнетизма
Во время археомагнетических исследований геофизики и археологи пытаются узнать о прошлом магнитного поля. Например, глина, которая использовалась для изготовления керамических изделий, содержит небольшое количество магнитных минералов, таких как магнетит. Когда глина нагревалась в процессе создания керамики, ее магнитные минералы теряли магнетизм, который они, возможно, имели. При охлаждении они фиксировали направление и интенсивность магнитного поля в то время. Если можно определить возраст керамики (с помощью радиоуглеродного датирования, например), то также появляется шанс восстановить археомагнетическую историю.
Благодаря использованию такого рода данных ученые имеют частичную историю археомагнетизма для Северного полушария. В противоположность этому, в Южном полушарии эти записи очень скудны. В частности, не существует практически никаких данных из Южной Африки, а ведь этот регион, наряду с Южной Америкой, мог бы обеспечить лучшее понимание истории появления современной аномалии.
Археомагнетическая история южной Африки
Но предки современных южных африканцев, металлурги и фермеры, которые начали мигрировать в этот регион примерно 2000-1500 лет назад, случайно оставили нам некоторые подсказки. Эти люди железного века жили в хижинах, построенных из глины, и хранили зерно в укрепленных глиняных бункерах. Как первые агрономы железного века в южной части Африки, они полагались на количество осадков.
Эти общины часто реагировали на время засухи ритуалами очищения, которые влекли за собой обжигание зернохранилищ. Эти несколько трагические события для древних людей оказались в конечном счете благом для изучения археомагнетизма. Так же как и в случае с обжиганием и охлаждением керамических изделий, глина в зернохранилищах записала магнитное поле Земли, когда она охлаждалась. Поскольку эти древние хижины и бункеры для зерна иногда находят нетронутыми, ученые могут с их помощью получить данные о направлении и силе магнитного поля в то время.
Ученые сосредоточили свое внимание на отборе проб из стоянок железного века, которые усеивают долину реки Лимпопо.
Поток магнитного поля
Отбор проб в длине реки Лимпопо предоставил первые данные о магнитном поле южной части Африки между 1000 и 1600 годами нашей эры. Ученые обнаружили, что около 1300 года сила магнитного поля в этой области сокращалась так же быстро, как сегодня. Затем его интенсивность возросла, хотя и более медленными темпами.
Появление двух интервалов быстрого распада поля – около 700 лет назад и современного – предполагает обратное явление. Возможно, в Южной Африке регулярно появлялась подобная аномалия, и она старше, чем показали данные? Если да, то почему это повторяется в одном и том же месте?
За последнее десятилетие исследователи накопили данные анализов сейсмических волн землетрясений. Поскольку сейсмические волны перемещаются через слои Земли, скорость, с которой они путешествуют, является показателем плотности слоя. Теперь ученые знают, что большая площадь медленных сейсмических волн характеризует основную границу мантии под южной частью Африки.
Этот конкретный регион, скорее всего, имеет возраст в десятки миллионов лет, и его границы являются четкими. Интересно отметить, что пятно обратной полярности практически совпадает с его восточным краем.
Ученые считают, что необычная африканская мантия изменяет поток железа в активной зоне снизу, которое, в свою очередь, изменяет поведение магнитного поля на краю сейсмической области и пятна обратной полярности.
Предполагается, что эта область быстро растет, а затем медленно возвращается в норму. Время от времени одно пятно обратной полярности может достичь достаточно больших размеров, чтобы доминировать в магнитном поле южного полушария.
Как происходит инверсия
Традиционная идея инверсии заключается в том, что она может начаться в любом месте ядра. Однако новая концептуальная модель предполагает, что могут быть особые места на границе ядра и мантии, которые способствуют этим разворотам магнитного поля. Пока что неизвестно, начнет ли современное магнитное поле уменьшаться в ближайшие несколько тысяч лет, или оно просто продолжит ослабевать в течение следующих двух столетий.
Но доказательства, предоставленные предками современных южноафриканцев, несомненно, помогут ученым дальше изучать предлагаемый ими механизм инверсии. Если эта идея верна, разворот полюсов может начаться в Африке.
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».