Почему Земля – магнит?

Гильберт был уверен, что Земля состоит из магнитного камня. И ей присущи шесть свойств, сформулированных им. Для последующих веков этого объяснения стало мало. Можно составить длинный список гипотез, предложенных позже для пояснения сути наблюдаемого явления. Ученые разбирали причины земного магнетизма, не зная, по сути дела, ответа на главный вопрос: почему магнит притягивает?

Высказанные предположения можно разделить на две группы: первая – геомагнетизм имеет космическое происхождение; вторая – геомагнетизм – явление чисто земного характера. Потом, правда, появилась и третья группа гипотез, согласно которым магнетизм вообще есть универсальное свойство материи, находящейся в движении.

Когда ученые подсчитали, каким должно быть магнитное поле Земли, если оно создается полем Солнца и даже всей Галактики, то получили ничтожную величину. Поле Земли сильнее. Гипотезу космического происхождения геомагнетизма пришлось оставить.

После космоса естественно было искать причину во внутреннем строении самой Земли. Возникло несколько интересных гипотез, которые основывались на предположении о жидком состоянии земного ядра, состоящего из хорошо проводящего материала, скорее всего, из железа. В массе такого ядра неизбежны течения, разделение и движение зарядов, а следовательно, должны были возникать электрические токи, которые могли намагничивать Землю.

Одним из авторов подобной гипотезы был известный советский физик Я. И. Френкель, много сделавший в области теории магнитных явлений. Но для признания гипотез второй группы не хватало единого мнения о состоянии земного ядра. Действительно ли оно жидкое? Кое‑кто из геофизиков считал его твердым.

В конце XIX века, изучая форму короны Солнца, астрофизики начали подозревать наличие магнитного поля и у нашего светила. Откуда же оно могло взяться у раскаленного газового шара?

Профессор Кембриджского университета и член Лондонского королевского общества Артур Шустер высказал вскользь идею: а не является ли магнетизм универсальным свойством всякого вращающегося тела?

Петр Николаевич Лебедев (1866–1912)

За разработку этой любопытной гипотезы взялся русский физик‑экспериментатор Петр Николаевич Лебедев, работавший в Московском университете. Он придумал весьма остроумный эксперимент: заставить быстро вращаться металлическое кольцо и проверить, не станет ли оно при этом магнитом.

Кольцо в опыте Лебедева крутилось со скоростью 35 000 об/мин. Рядом стоял магнитометр, превосходящий по чувствительности все существующие приборы. Петр Николаевич предполагал, что под влиянием центробежной силы отрицательные заряды – электроны в атомах несколько сместятся. В результате поверхность тела получит некоторый отрицательный заряд, что и должно вызвать появление магнитного поля… Увы, магнитометр поля не обнаружил. Тем не менее в статье, описывающей эксперимент, русский ученый высказал весьма оптимистические надежды.

В 1947 году забытая гипотеза возродилась. Профессор Манчестерского университета Патрик Блэкетт, член Лондонского королевского общества, высказал предположение, что появление магнитного поля вокруг вращающегося тела – закон природы.

Более того, опираясь на известные данные о скорости вращения Земли, Солнца и белого карлика – звезды Е‑78 из созвездия Девы – Блэкетт дал формулу, позволяющую рассчитать зависимость магнитного поля от вращения тела. В нее вошли такие константы, как скорость света и гравитационная постоянная, что наводило ученых на мысль: а не путь ли это к единой теории поля, над которой безрезультатно бились много лет теоретики во главе с Эйнштейном?

Блэкетт сам решил экспериментально проверить правильность своих предположений. «В чистом поле», то есть подальше от возможных источников посторонних магнитных полей, которые в изобилии создают промышленные предприятия, возвели «экспериментальное здание» – сарай, построенный без железных деталей. Чувствительность установленного магнитометра позволяла заметить ничтожную величину изменения магнитного поля – десятимиллиардную долю гаусса. Ночью с большими предосторожностями привезли цилиндр из чистого золота массой 20 кг. Золото – заведомо немагнитный металл. Цилиндр неподвижно установили в том же сарае. Блэкетт считал, что достаточно вращения Земли, чтобы вокруг цилиндра появилось магнитное поле. Если формула, составленная им, справедлива, то магнитометр отметит его появление. Если же не отметит, то его предположения неверны.

Смысл статьи, опубликованной ученым после эксперимента, сводился к короткому отрицанию – нет! Задуманный эксперимент опроверг гипотезу.

Патрик Мейнард Стюарт Блэкетт (1897–1974)

Сначала Блэкетт собирался произвести еще один опыт с вращающимся цилиндром. Но, по его же словам, после первой неудачи охладел к самой идее. На Земле наступал космический век. Он поставил многие «старые» вопросы по‑новому. При небольшом удельном весе и небольшой общей массе у Луны жидкого металлического ядра быть не может. Значит, если верна гипотеза Френкеля и других ученых, у нее не должно быть и магнитного поля… Так и оказалось. Автоматы это подтвердили. Но почему тогда межпланетные автоматические станции не сумели найти магнитного поля у Венеры? Ведь эта планета по массе и плотности сходна с Землей. По идее, у нее должно быть и жидкое ядро. Правда, Венера, в отличие от нашей планеты, летит по своей орбите вокруг Солнца, еле поворачиваясь вокруг своей оси.

Обнаружились новые факты и на Земле. В 50‑х годах ХХ века ученые установили, что многие горные породы намагничивались во время их образования. При этом направление их намагниченности, естественно, совпадало с направлением геомагнитного поля. Раз возникнув, намагниченность во многих случаях с тех пор не менялась. Не значит ли это, что, определив ее для горных пород различного возраста, мы узнаем и всю историю магнитного поля нашей планеты?

Вроде бы никаких видимых противоречий в высказанном предположении нет. Правда, задача это не простая. Однако ученые – народ трудолюбивый. Они отработали методику восстановления магнитного поля Земли для прошедших геологических эпох. Собрали образцы из разных мест земного шара. Исследовали их. Обработали и обобщили результаты и.

В 1963–1968 годах магнитологи А. Кокс, Р. Доэлл и Г. Далримпл опубликовали результаты серии своих работ. В них они сопоставили намагниченность взятых из различных районов земного шара двухсот сорока образцов, возраст которых был определен. Результаты исследований оказались поразительными. Получалось, что за истекшие последние 4,5 миллиона лет (срок весьма скромный для жизни нашей Земли) планета четырежды (!) меняла полярность своего магнитного поля на противоположную. Недопустимое легкомыслие для солидного космического тела. Может быть, в исследования ученых вкралась ошибка? Ведь изменения геомагнитного поля не могут пройти бесследно для жизни всей планеты. Слишком многое с ним связано.

Потрясающее открытие было подтверждено и работами специально оборудованного судна «Гломар Челленджер», пробурившего в океанском дне множество скважин и добывшего из них колонки керна. В них тоже были обнаружены слои с нормальной и обратной намагниченностью. При этом обращение полярности происходило не скачками, в результате какого‑то катаклизма, а постепенно. В течение нескольких тысячелетий геомагнитное поле убывало, а потом снова нарастало, но уже с противоположным знаком. Такие периоды бывали в истории Земли и в более древние времена. А как сейчас?

Приближенно мы и сегодня можем рассматривать магнитное поле Земли, как во времена Гильберта, в виде поля «магнитной палочки», небольшого линейного магнита, спрятанного в центре нашей планеты. Магнит этот наклонен примерно на одиннадцать градусов относительно оси вращения. Само же поле как бы состоит из двух частей: большей (от «магнитной палочки») и меньшей (зависящей, возможно, от намагниченности горных пород). Результаты измерений за сто пятьдесят лет показывают, что большая часть геомагнитного поля – дипольная – убывает. И довольно быстро – примерно на 5 % за столетие. Экстраполируя результаты, можно прийти к выводу, что через две тысячи лет магнитное поле Земли снова «опрокинется». Так что мы живем в эпоху обращения полярности.

А ведь напомним, что именно геомагнитное поле отклоняет в полярные области потоки заряженных частиц, которые выбрасывает из своих недр Солнце. Оно же образует радиационные пояса вокруг планеты. Магнитное поле участвует в работе космической и наземной радиосвязи, радионавигации. Наконец, между состоянием магнитного поля Земли и климатом, как утверждают некоторые ученые, есть весьма существенная зависимость. Что же произойдет, когда оно уменьшится до минимума, а затем станет даже обратного знака? Человечеству далеко не безразличны состояние и эволюция всей магнитосферы Земли. Весьма насущные проблемы требуют от геофизиков детального знания как количественных характеристик магнитного поля Земли, так и тенденций его изменения.

Все это хорошо! А почему все‑таки Земля – магнит? Ведь именно так мы поставили вопрос в заголовке. Вопрос нелегкий. Одним из наиболее правдоподобных ответов на него может быть, пожалуй, гипотеза о динамомеханизме в жидком земном ядре.

По современным представлениям, Земля – довольно сложная система. Это вращающийся толстостенный шар, стенки которого состоят из вещества мантии, а внутренняя полость заполнена хорошо проводящей электрический ток жидкостью, в самом центре которой плавает твердое ядро.

При вращении планеты внешний слой ее жидкого пласта может несколько отставать от вращения коры и мантии, порождая внутри проводящей жидкости течения…

А теперь закройте на минутку глаза и представьте: в слабом магнитном поле, созданном геомагнитными материалами, вращается замкнутый контур из хорошего проводника. Да ведь это не что иное, как генератор – динамо. Отставая от общего вращения, проводящий слой пересекает силовые магнитные линии слабого изначального магнитного поля, и в нем возбуждается электрический ток. Но этот электрический ток обладает собственным магнитным полем, которое складывается с начальным и усиливает его. Большее магнитное поле порождает и более сильный электрический ток. Получается как бы электрогенератор с самовозбуждением.

Самое интересное, что эта гипотеза позволяет объяснить и периодическую смену полярности геомагнитного поля. Для этого электромагнитные процессы в земном ядре нужно смоделировать и представить в виде работы двух взаимодействующих дисковых динамо, в которых ток одного подпитывает магнитное поле другого и наоборот. Основания для такой аналогии есть: уравнения, описывающие механизм движения в жидком слое земного ядра, схожи с уравнениями для цепочек взаимодействующих динамо.

Магнитное поле такой системы периодически меняет свою полярность. Так что с математической точки зрения способность геомагнитного поля к «самоопрокидыванию» перестает быть загадочной. Вот только узнать бы точно, как устроено ядро Земли.

Не упрекайте автора в том, что он слишком отклонился от путешествия в прошлое и перешел к понятиям современности. Мы живем не в XVII веке и вооружены знаниями своего времени. А задача истории заключается не в простом восстановлении картины прошедших эпох, а в понимании пути прогресса, того, как дошли люди от удивления перед чудесами до того, чтобы поставить эти чудеса себе на службу и в конце концов создать себе тот электромагнитный мир, в котором мы живем сегодня.