Парадоксы магнитного поля Земли

Парадоксы магнитного поля Земли

То, что наша Земля является большим магнитом, впервые определил английский ученый-Вильям Гильберт, издавший в 1600 г. в Лондоне трактат «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле, новая физиология, доказанная множеством аргументов и опытов».

Но в практических целях люди научились использовать поле земного магнетизма с древних времен. В старинных китайских книгах есть намеки на то, что свойство подвижного естественного или искусственного магнита в виде магнитной стрелки устанавливаться в направлении север – юг вдоль магнитных силовых линий использовалось сухопутными путешественниками и, возможно, на кораблях уже в IV в. до н. э.

Пока найден китайский компас, изготовленный в XI в., более ранних образцов еще не обнаружено. Из Китая, видимо через арабов, сведения об использовании магнитной стрелки проникли в Европу. Первое упоминание о применении магнитной иглы для целей навигации у европейских авторов встречается в работах английского монаха Александра Неккама «Об орудиях» и «О природе вещей», датируемых приблизительно 1187 г.

Впервые поле земного магнетизма в океане исследовала научная экспедиция во главе с известным астрономом Эдмундом Галлеем. В 1698 г. экспедиция отправилась в Атлантический океан на английском корабле «Пэрамур Пинк» для изучения магнитного склонения. По ее результатам и собрав дополнительные сведения по остальным океанам, Галлей опубликовал первые морские карты магнитного склонения Мирового океана.

В дальнейшем ученые продолжили детальное изучение магнитного поля Земли и его изменения во времени. Уже к началу XX в. были определены общие характеристики поля земного магнетизма. Установлено, что все околоземное пространство заполнено силовыми линиями этого поля. Это невидимое, неслышимое и неосязаемое человеческими чувствами силовое поле можно обнаружить и изучать только с помощью специальных приборов, простейшим из которых является магнитный компас.

Воздействие этого поля на магнитную стрелку сейчас достаточно хорошо изучено. Установлено, что поле земного магнетизма заполняет все пространство, окружающее Землю, от ее поверхности до высот равных 36 – 120 тыс. км.

Стрелка магнитного компаса именно благодаря действию на нее этого поля всегда устанавливается вдоль магнитного меридиана так, что ее концы указывают направление на магнитный полюс. Известно, что в настоящее время магнитный полюс не совпадает с географическим примерно на 11°.

Ученые, наблюдая за магнитной стрелкой в различных точках материков и океанов, сумели определить направление магнитных меридианов в каждой точке. Более того, длительные и тщательные наблюдения за положением магнитной стрелки в определенных точках позволили заметить ее колебания в течение суток, года и более длительных интервалов времени.

В процессе подобных наблюдений ученые определили угловые характеристики магнитного поля: магнитное склонение, равное углу между географическим и магнитным меридианом, и магнитное наклонение, определяемое углом между плоскостью горизонта и горизонтальной осью стрелки.

Кроме этого, магнитное силовое поле характеризуется и силой своего воздействия, или магнитной индукцией. Значит, чтобы изучить распределение магнитного поля в пространстве и изменение его во времени, необходимо накопить громадное количество данных по значениям магнитного склонения, наклонения и магнитной индукции в различных точках поверхности нашей планеты.

Уже в XVIII в. определили, что изменение во. времени магнитного поля Земли носит закономерный характер. Ученые различают в первую очередь медленные изменения – вековые вариации. Из-за этого мировые карты магнитного поля Земли приходится периодически пересоставлять. Хуже всего вековой ход изучен на просторах океана, где магнитные обсерватории размещены только на отдельных островах. В будущем, возможно, магнитные съемки будут производить с борта искусственных спутников Земли. Но пока исключительно велика роль НИС, оснащенных приборами для измерения компонентов этого поля.

При изучении вариаций магнитного поля Земли установлено, что оно сейчас постоянно уменьшается. Увеличение и уменьшение напряженности поля обнаружено учеными и в прошлом. Видимо, эти изменения существенно повлияли на эволюцию живых существ Земли.

Затем ученые определили, что магнитное поле постоянно целиком смещается к западу. Это так называемый западный дрейф поля. За несколько тысяч лет поле, очевидно, делает полный оборот относительно магнитных полюсов. Но поле постепенно смещается и к северу. Наконец, существуют среднепериодичные изменения поля по величине напряженности с выделением двух характерных периодов 300–800 лет и 40–80 лет.

Безусловно, из-за наличия вековых и других вариаций поле земного магнетизма изучать исключительно сложно и, естественно, значительно сложнее, чем другие геофизические поля, такие, как тепловое, гравитационное и др. Установлено, что глубокое проникновение в законы формирования этого поля крайне важно для познания происхождения, устройства и развития планеты Земля, ее океанов и строения океанского дна. Об использовании знания этих законов для обоснования теории горизонтального перемещения материковых плит будет рассказано позже.

Как видим, изучение поля земного магнетизма необходимо для решения как чисто практических задач мореплавания, так и для объяснения фундаментальных законов природы. Недаром в связи с этим великий немецкий математик XIX в. Карл Ф. Гаусс, получивший выдающиеся результаты в теории земного магнетизма, отмечал: «Непрестанное усердие, с которым в новейшее время стремятся исследовать направление и величину земной магнитной силы во всех частях земной поверхности, представляет тем более радостное явление, чем очевиднее при этом проявляется чисто научный интерес. В самом деле, сколь ни важно для мореплавателя возможно точнее знать склонение, эта потребность не распространяется далее, и все, что лежит вне ее, остается для мореплавателя почти безразличным. Однако наука, которая охотно способствует материальным интересам, ими не ограничивается, а требует равного усердия для всех элементов своего исследования».

Громадное значение в изучении магнитного поля. Земли имели магнитные съемки океанских просторов. Значителен вклад в это важное дело советских ученых. К началу Международного геофизического года 1956–1957 гг. была построена немагнитная мотопарусная шхуна «Заря», экспедиции на которой в последующем позволили собрать поистине бесценный материал.

Даже опытных мореплавателей приводят в восхищение смелые рейсы этого судна. Надо обладать большим мужеством, чтобы на таком судне водоизмещением всего 600 т пересекать необозримые океанские просторы, бороться с холодными штормами в Гренландском и Норвежском морях, стойко переносить удушающую влажную жару тропиков, выдерживать неожиданные шквалистые ветры Индийского океана и выполнять при этом непрерывно изо дня в день, из месяца в месяц научные наблюдения.

Шхуна «Заря» – немагнитное судно. Это дает возможность фиксировать на ней истинные величины элементов магнитного поля Земли, что невозможно делать на судах другого типа из-за помех, вызываемых магнитным полем корабля. Буксируемые же за кораблем приборы не дают полного комплекса всех элементов магнитного поля Земли.

Проведенные на «Заре» магнитные наблюдения в Мировом океане являлись составной частью. международной программы по магнитной съемке Земли, которая выполнялась учеными разных стран. Использование полученных на «Заре» данных дало возможность построить магнитные карты на новом качественном уровне и более высокой точности, получить сведения о суммарном изменении магнитного поля Земли за многие десятилетия, о физических процессах, протекающих в недрах Земли, о связях между характером аномального магнитного поля на водной поверхности с крупнейшими структурными особенностями океанического дна.

Помимо магнитных наблюдений на «Заре», по всему маршруту следования судна проводились ионосферные наблюдения с помощью автоматической ионосферной станции и наблюдения за космическими лучами. Исключительно важен и непрерывный эхолотный промер глубин, запись рельефа дна в районе магнитных наблюдений.

Мировая научная общественность высоко оценила результаты исследований, проведенных с борта «Зари». Как отмечал многолетний научный руководитель магнитных наблюдений на «Заре» доктор физико-математических наук M. M. Иванов, результаты проведенных исследований показали, что на магнитных картах, составлявшихся в середине 50-х гг., характеристика больших участков Мирового океана (особенно в Южном полушарии, в частности, в Индийском океане) дана со значительными систематическими погрешностями. Было установлено также, что появление этих ошибок объясняется совершенно неудовлетворительным знанием действительного распределения векового хода магнитного поля в океанах. Сопоставление результатов наблюдений на «Заре» с данными прежних наблюдений позволило построить карты суммарных изменений поля за несколько последних десятилетий.

Как же устроена шхуна «Заря» и в чем ее принципиальное отличие от других НИС?

Конструкторам и судостроителям пришлось проявить большое искусство, чтобы создать судно без собственного магнитного поля. Корпус «Зари», шпангоуты, палубы, мачты – деревянные, все металлические соединения обшивки корпуса – медные, а многочисленные блоки такелажа – из меди и дерева. Ванты, крепящие мачты и стеньги, – из медных тросов. Более того, якорные цени, обычно изготовляемые из прочных стальных звеньев, здесь пришлось делать также из меди, как и якоря и брашпиль. Можно представить, какие трудности встретились при размещении заказов – ведь весь флот применяет эти изделия, изготовленные из стали, которая много прочнее, весит меньше и стоит дешевле.

Но ста большие трудности встретились при насыщении машинного отделения. Все насосы, трубопроводы, генераторы и сам главный двигатель также пришлось изготавливать из меди, бронзы или в крайнем случае из маломагнитной стали. И только гребной вал был изготовлен из стали с учетом предстоящей тяжелой работы, которая была бы не по силам медному валу такого же сечения. Винт на судне установлен бронзовый.

Насколько важно было до предела ограничить наличие на судне предметов, обладающих магнитным полем, свидетельствует такой пример. В 1964 г. жители Таллинна могли наблюдать довольно странную картину: старший помощник капитана В. И. Узолин ходил по универмагу и, пользуясь магнитом, подбирал немагнитные ложки, вилки, чайники и прочий кухонный и хозяйственный инвентарь. Поскольку кают-компания расположена над магнитометрическими датчиками, всегда приходится помнить пословицу: «Комар в твоей комнате страшнее льва, который в Африке».

Обычный срок службы деревянных судов 10–15 лет, но ветеран – шхуна «Заря» благодаря хорошей эксплуатации и заботе об ее техническом состоянии успешно плавает до сих пор.

Многолетние исследования позволили ученым наблюдаемое на поверхности Земли магнитное поле разделить как бы на три части и изучать эти части раздельно. Советские морские магнитологи А. Н. Пушков и Л. Г. Касьяненко в первую очередь выделяли главное геомагнитное поле, предполагая, что его истоки находятся глубоко в Земле и поэтому оно должно иметь существенно плавный, гладкий характер на земной поверхности.

Второй частью является аномальное геомагнитное поле или поле магнитовозмущающих источников, находящихся в земной коре. Верхней границей источников считается сама поверхность Земли, а нижней – глубина, на которой из-за высокой температуры исчезают магнитные свойства пород. Третьей частью является внешнее переменное геомагнитное поле, обусловленное источниками токовой природы, существующими в высокопроводящих слоях атмосферы (ионосфере и магнитосфере) на высотах от сотен до тысяч километров.

Как видим, почти 1000 лет используют моряки поле земного магнетизма для определения пути в океане, почти 400 лет изучают это поле ученые и уже многое известно о его распределении в пространстве и изменении во времени. Теперь следует сказать о главном парадоксе, связанном с магнитным полем Земли. Оказывается, что, несмотря на солидный срок практического использования и вполне приличный срок изучения, глубинные причины его возникновения и поддержания до сих пор точно не установлены.

Второй парадокс заключается в том, что, даже изучив в совершенстве его изменения и вариации, мы мало продвинемся к определению причин его возникновения и объяснению причин изменения. Дело в том, что, основываясь только на внешних проявлениях магнитного поля Земли, нельзя однозначно судить о его природе. Одно и то же магнитное поле может вызываться и электрическими токами в глубинных слоях Земли, и залегающими в литосфере магнитными породами. Все это крайне осложняет разработку теории, объясняющей причины возникновения и поддержания магнитного поля Земли.

На этот счет существует несколько гипотез. В настоящее время большинство геофизиков считает, что наибольшую вероятность стать строгой теорией имеет гипотеза гидромагнитного динамо. Исходная идея была изложена еще в 1919 г. английским физиком Дж. Лармором. Суть ее в следующем: предполагается, что в недрах Земли имеется жидкий проводящий слой земного ядра. Если в нем происходит движение вещества, то в результате возникает электрический ток, а следовательно, создается магнитное поле.

В последующие годы математически была доказана возможность самовозбуждения магнитного поля в результате движений спирального вида в проводящем слое. Ученые построили несколько моделей, которые приводят к появлению на поверхности Земли магнитного поля, схожего с фактически наблюдаемым. При этом в качестве двигателя, приводящего в движение проводящий слой ядра и поддерживающего это движение, принимаются такие физические процессы, как тепловая и гравитационная конвекция и даже прецессия земной оси (круговые движения полюсов).

Предполагается, что суммарный результат вызван действием на жидкий слой ядра многих сил, в частности гидростатических сил, наподобие сил поддержания в жидкостях, силы Кориолиса, происхождение которой связано со вращением Земли и многих других факторов.

Ученым абсолютно ясно, что до превращения гипотезы гидромагнитного динамо в строгую теорию еще далеко. Для этого гипотеза земного динамо должна четко ответить хотя бы на вопросы, которые сформулировал советский геофизик С. И. Брагинский еще в 1967 г. Л. Г. Касьяненко и А. Н. Пушков привели их в следующем виде.

Почему геомагнитное поле в основном представляет собой диполь, направленный вдоль оси вращения Земли?

Почему существует меньший, но довольно значительный поперечный диполь (наклон магнитной оси), а также сложного вида недипольные составляющие поля?

Почему эти отклонения от осевого диполя испытывают вариации с периодами порядка 1000 лет?

Почему происходят короткопериодные вековые вариации с периодами порядка 100 лет и менее?

Почему происходит западный дрейф поля и вековых вариаций и чем объясняется корреляция неравномерностей дрейфа с флуктуациями в скорости вращения Земли?

Почему основной диполь и другие характеристики поля испытывали колебания с периодом порядка 10 000 лет?

Почему происходили многократные изменения знака оси диполя в прошлом (то есть почему менялись местами Северный и Южный магнитные полюса)?

Почему переполюсовки поля происходили за время порядка 10 000 лет и как именно протекал этот процесс?

Почему за огромные промежутки времени 10⁸– 10⁹ лет величина магнитного поля сохранилась приблизительно неизменной?

Почему за время существования Земли происходили большие систематические перемещения магнитных полюсов по ее поверхности?

Вопросы, вопросы и еще раз вопросы. Со времени их постановки прошло более 20 лет. Но ни на один исчерпывающего, убедительного, количественного ответа еще нет. Как видим, парадоксы земного магнетизма до сих пор не разъяснены. Впереди у геофизиков непочатый край работы, впереди новые экспедиции в далекие моря и океаны.