Земля як магніт: Геомагнітне поле

У 1905 році Ейнштейн назвав однією з п «яти головних загадок тодішньої фізики причину земного магнетизму.

На початку XX століття сам факт існування геомагнітного поля ніяк не піддавався поясненню (при тому що про його саму парадоксальну особливість тоді просто не підозрювали). Було відомо, що магнітні полюси трохи переміщаються по земній поверхні, але ніхто не припускав, що вони здатні до більш радикальної поведінки, — це відкриття було лише на підході. Зображення: «Популярна механіка»

Того ж 1905 року французький геофізик Бернар Брюнес провів у південному департаменті Канталь заміри магнетизму лавових відкладень епохи плейстоцену. Вектор спробованості цих порід становив майже 180 градусів з вектором планетарного магнітного поля (його співвітчизник П. Давид отримав аналогічні результати навіть роком раніше). Брюнес дійшов висновку, що три чверті мільйона років тому під час виливу лави напрямок геомагнітних силових ліній був протилежним сучасному. Так було виявлено ефект інверсії (обігу полярності) магнітного поля Землі. У другій половині 1920-х років висновки Брюнеса підтвердили П. Л. Меркантон і Моноторі Матуяма, але ці ідеї отримали визнання лише до середини століття.

Зараз ми знаємо, що геомагнітне поле існує не менше 3,5 млрд років і за цей час магнітні полюси тисячі разів обмінювалися місцями (Брюнес і Матуяма досліджували останню за часом інверсію, яка зараз носить їх імена). Іноді геомагнітне поле зберігає орієнтацію протягом десятків мільйонів років, а іноді — не більше п’ятисот століть. Сам процес інверсії зазвичай займає кілька тисячоліть, і після його завершення напруженість поля, як правило, не повертається до колишньої величини, а змінюється на кілька відсотків.

Механізм геомагнітної інверсії не цілком ясний і понині, а вже сто років тому він взагалі не допускав розумного пояснення. Тому відкриття Брюнеса і Давида тільки підкріпили ейнштейновську оцінку — дійсно, земний магнетизм був вкрай загадковий і незрозумілий, адже до того часу його досліджували понад триста років, а в XIX столітті ним займалися такі зірки європейської науки, як великий мандрівник Александр фон Гумбольдт, геніальний математик Карл Фрідріх Гаусс і блискучий фізик-експериментатор Вільгельм Вебер.

Як ви думаєте, скільки у нашої планети магнітних полюсів? Майже всі скажуть, що два — в Арктиці та Антарктиці. Насправді відповідь залежить від визначення поняття полюса. Географічними полюсами вважають точки перетину земної осі з поверхнею планети. Оскільки Земля обертається як тверде тіло, таких точок всього дві і нічого іншого придумати не можна. А ось з магнітними полюсами справа йде багато складніше. Наприклад, полюсом можна вважати невелику область (в ідеалі знову-таки точку), де магнітні силові лінії перпендикулярні земної поверхні. Однак будь-який магнітометр реєструє не тільки планетарне магнітне поле, але і поля місцевих порід, електричних струмів іоносфери, частинок сонячного вітру та інших додаткових джерел магнетизму (причому їх середня частка не так вже й мала, близько декількох відсотків). Чим точніше прилад, тим краще він це робить — і тому все більше ускладнює виділення справжнього геомагнітного поля (його називають головним), джерело якого знаходиться в земних глибинах. Тому координати полюса, визначені за допомогою прямого виміру, не відрізняються стабільністю навіть протягом короткого відрізка часу.

Пташиний компасує

Припущення, що птахи під час перельотів орієнтуються за горизонтальною і вертикальною компонентами магнітного поля. Зображення: «Популярна механіка»

Можна діяти інакше і встановити положення полюса на підставі тих чи інших моделей земного магнетизму. У першому наближенні нашу планету можна вважати геоцентричним магнітним діполем, вісь якого проходить через її центр. Зараз кут між нею і земною віссю становить 10 градусів (кілька десятиліть тому він був більш ніж 11 градусів). При більш точному моделюванні з’ясовується, що дипольна вісь зміщена відносно центру Землі в напрямку північно-західної частини Тихого океану приблизно на 540 км (це ексцентричний діполь). Є й інші визначення.

Але це ще не все. Земне магнітне поле реально не володіє дипольною симетрією і тому має множинні полюси, причому у величезній кількості. Якщо вважати Землю магнітним чотириполюсником, квадруполем, доведеться ввести ще два полюси — в Малайзії і в південній частині Атлантичного океану. Октупольна модель задає вісімку полюсів тощо. Сучасні найбільш просунуті моделі земного магнетизму оперують аж 168 полюсами. Варто відзначити, що в ході інверсії тимчасово зникає лише дипольна компонента геомагнітного поля, а інші змінюються багато слабкіше.

Полюса навпаки

Магнітосфера Землі простягається більш ніж на десять радіусів нашої планети. Вона служить природним щитом, що захищає населення від згубних космічних променів. Зображення: «Популярна механіка»

Багато хто знає, що загальноприйняті назви полюсів вірні з точністю до навпаки. В Арктиці розташований полюс, на який вказує північний кінець магнітної стрілки, — отже, його варто було б вважати південним (однойменні полюси відштовхуються, різноіменні притягуються!). Аналогічно, північний магнітний полюс базується у високих широтах Південної півкулі. Проте за традицією ми називаємо полюси відповідно до географії. Фізики давно домовилися, що силові лінії виходять з північного полюса будь-якого магніту і входять до південного. Звідси випливає, що лінії земного магнетизму залишають південний геомагнітний полюс і стягуються до північного. Така конвенція, і порушувати її не варто (саме час пригадати сумний досвід Паніковського!).

Магнітний полюс, як його не визначай, не стоїть на місці. Північний полюс геоцентричного диполя 2000 року мав координати 79,5 N і 71,6 W, а 2010-го — 80,0 N і 72,0 W. Справжній Північний полюс (той, який виявляють фізичні заміри) з 2000 року змістився з 81,0 N і 109,7 W до 85,2 N і 127,1 W. Протягом майже всього ХХ століття він робив не більше 10 км на рік, але після 1980 року раптом почав рухатися набагато швидше. На початку 1990-х років його швидкість перевищила 15 км на рік і продовжує зростати.

Як розповів «Популярній механіці» колишній керівник геомагнітної лабораторії канадської Служби геологічних досліджень Лоуренс Ньюїтт, зараз справжній полюс мігрує на північний захід, переміщаючись щорічно на 50 км. Якщо вектор його руху не зміниться протягом декількох десятиліть, то до середини XXI століття він опиниться в Сибіру. Згідно з реконструкцією, виконаною кілька років тому тим же Ньюїтом, в XVII і XVIII століттях північний магнітний полюс переважно зміщувався на південний схід і лише приблизно в 1860 році повернув на північний захід. Справжній південний магнітний полюс останні 300 років рухається в цей же бік, причому його середньорічне зміщення не перевищує 10-15 км.

Звідки взагалі у Землі магнітне поле? Одне з можливих пояснень просто впадає в очі. Земля володіє внутрішнім твердим залізо-нікелевим ядром, радіус якого становить 1220 км. Оскільки ці метали ферромагнітні, чому б не припустити, що внутрішнє ядро має статичну намагніченість, яка і забезпечує існування геомагнітного поля? Мультиполярність земного магнетизму можна списати на несиметричність розподілу магнітних доменів всередині ядра. Міграцію полюсів та інверсії геомагнітного поля пояснити складніше, але, напевно, спробувати можна.

Однак з цього нічого не виходить. Всі ферромагнетики залишаються такими (тобто зберігають мимовільну намагніченість) лише нижче певної температури — точки Кюрі. Для заліза вона дорівнює 768 ° C (у нікелю багато нижче), а температура внутрішнього ядра Землі значно перевищує 5000 градусів. Тому з гіпотезою статичного геомагнетизму доводиться розлучитися. Однак не виключено, що в космосі є охолоні планети з ферромагнітними ядрами.

Розгляньмо іншу нагоду. Наша планета також володіє рідким зовнішнім ядром товщиною приблизно в 2300 км. Воно складається з розплаву заліза і нікелю з домішкою більш легких елементів (сірки, вуглецю, кисню і, можливо, радіоактивного калію — в точності не знає ніхто). Температура нижньої частини зовнішнього ядра майже збігається з температурою внутрішнього ядра, а у верхній зоні на кордоні з мантією знижується до 4400 ° C. Тому цілком природно припустити, що завдяки обертанню Землі там формуються кругові течії, які можуть виявитися причиною виникнення земного магнетизму.

Конвективне динамо

Зміна орієнтирів — результат комп’ютерного моделювання інверсії геомагнітного поля в моделі Робертса і Глатцмайера на проміжках в десятки і сотні тисяч років. Зображення: «Популярна механіка»

«Щоб пояснити виникнення полоїдального поля, необхідно взяти до уваги вертикальні потоки речовини ядра. Вони утворюються завдяки конвекції: нагрітий залізно-нікелевий розплав спливає з нижньої частини ядра у напрямку до мантії. Ці струмені закручуються силою Коріоліса подібно повітряним потокам циклонів. У Північній півкулі висхідні потоки обертаються по годинниковій стрілці, а в Південній — проти, — пояснює професор Каліфорнійського університету Гері Глатцмаєр. — При підході до мантії речовина ядра остигає і починає зворотний рух углиб. Магнітні поля висхідних і низхідних потоків гасять один одного, і тому по вертикалі поле не встановлюється. А ось у верхній частині конвекційного струменя, там, де він утворює петлю і недовго рухається по горизонталі, ситуація інай. У Північній півкулі силові лінії, які до конвекційного сходження дивилися на захід, повертаються по годинниковій стрілці на 90 градусів і орієнтуються на північ. У Південній півкулі вони повертаються зі сходу проти годинникової стрілки і теж прямують на північ. В результаті в обох півкулях генерується магнітне поле, що вказує з півдня на північ. Хоч це аж ніяк не єдине можливе пояснення виникнення полоїдального поля, його вважають найімовірнішим «.

Саме таку схему вчені-геофізики обговорювали років 80 тому. Вони вважали, що потоки провідної рідини зовнішнього ядра за рахунок своєї кінетичної енергії породжують електричні струми, що охоплюють земну вісь. Ці струми генерують магнітне поле переважно дипольного типу, силові лінії якого на поверхні Землі витягнуті вздовж меридіанів (таке поле називається полоїдальним).

Описана схема красива і наочна, але, на жаль, помилкова. Вона ґрунтується на припущенні, що рух речовини зовнішнього ядра симетричний щодо земної осі. Однак 1933 року англійський математик Томас Каулінг довів теорему, згідно з якою жодні осесиметричні потоки не здатні забезпечити існування довготривалого геомагнітного поля. Навіть якщо воно і з’явиться, то століття його виявиться недолог, удесятки тисяч разів менше віку нашої планети. Потрібна модель складніше.

«Ми не знаємо точно, коли виник земний магнетизм, але це могло статися незабаром після формування мантії і зовнішнього ядра, — говорить один з найбільших фахівців з планетарного магнетизму, професор Каліфорнійського технологічного інституту Девід Стівенсон. — Для включення геодинамо потрібно зовнішнє затравочне поле, причому не обов’язково потужне. Цю роль, наприклад, могло взяти на себе магнітне поле Сонця або поля струмів, породжених в ядрі за рахунок термоелектричного ефекту. Зрештою це не дуже важливо, джерел магнетизму вистачало. При наявності такого поля і кругового руху потоків проводить рідини запуск внутрішньопланетної динамомашини ставав просто неминучим «.

Магнітний захист

Полярне сяйво породжується взаємодією атмосфери і заряджених частинок, захоплених магнітним полем Землі, яке в приполярних областях перпендикулярно поверхні. Зображення: «Популярна механіка»

Моніторинг земного магнетизму виробляють за допомогою великої мережі геомагнітних обсерваторій, створення якої почалося ще в 1830-х роках.

Для цих же цілей використовують корабельні, авіаційні та космічні прилади (наприклад, скалярний і векторний магнітометри данського супутника «Ерстед», що працюють з 1999 року).

Напруженість геомагнітного поля варіює приблизно від 20 000 нанотесла поблизу узбережжя Бразилії до 65 000 нанотесла в районі південного магнітного полюса. З 1800 року його дипольна компонента скоротилася майже на 13% (а з середини XVI століття — на 20%), тоді як квадрупольна дещо зросла. Палеомагнітні дослідження показують, що протягом декількох тисячоліть перед початком нашої ери напруженість геомагнітного поля наполегливо лізла вгору, а потім почала знижуватися. Тим не менш нинішній планетарний дипольний момент значно перевищує своє середнє значення за останні півтораста мільйонів років (у 2010 році були опубліковані результати палеомагнітних вимірювань, які свідчать, що 3,5 млрд років тому земне магнітне поле було вдвічі слабкіше нинішнього). Це означає, що вся історія людських суспільств від виникнення перших держав до нашого часу припала на локальний максимум земного магнітного поля. Цікаво задуматися над тим, чи вплинуло це на прогрес цивілізації. Таке припущення перестає здаватися фантастичним, якщо врахувати, що магнітне поле захищає біосферу від космічного випромінювання.

І ось ще одна обставина, яку варто відзначити. В юності і навіть відроцтві нашої планети вся речовина її ядра перебувала в рідкій фазеї, тверде внутрішнє ядро сформувалося порівняно недавно, можливо, всього лише мільярд років тому. Коли це сталося, конвекційні потоки стали більш впорядкованими, що призвело до більш стійкої роботи геодинамо. Через це геомагнітне поле виграло в величині і стабільності, можна припустити, що ця обставина сприятливо позначилася на еволюції живих організмів. Зокрема, посилення геомагнетизму поліпшило захист біосфери від космічних випромінювань і тим самим полегшило вихід життя з океану на сушу.

Ось загальноприйняте пояснення такого запуску. Нехай для простоти затравне поле майже паралельно осі обертання Землі (насправді достатньо, якщо воно має ненульову компоненту в цьому напрямку, що практично неминуче). Швидкість обертання речовини зовнішнього ядра вбиває в міру зменшення глибини, причому через його високу електропровідність силові лінії магнітного поля рухаються разом з ним — як кажуть фізики, поле «вморожено» в середу.Тому силові лінії затравочного поля будуть згинатися, йдучи вперед на великих глибинах і відстаючи на менших. Зрештою вони витягнуться і деформуються настільки, що дадуть початок тороїдальному полю, круговим магнітним петлям, що охоплюють земну вісь і направлені в протилежні сторони в північній і південній півкулях. Цей механізм називається w-ефектом.

За словами професора Стівенсона, дуже важливо розуміти, що тороїдальне поле зовнішнього ядра виникло завдяки полоїдальному затравочному полю і, в свою чергу, породило нове полоїдальне поле, що спостерігається біля земної поверхні: «Обидва типи полів планетарного геодинамо взаємопов’язані і не можуть існувати один без одного».

15 років тому Гері Глатцмайєр разом з Полом Робертсом опублікував дуже красиву комп’ютерну модель геомагнітного поля: «В принципі для пояснення геомагнетизму давно був адекватний математичний апарат — рівняння магнітної гідродинаміки плюс рівняння, що описують силу тяжіння і теплові потоки всередині земного ядра. Моделі, засновані на цих рівняннях, в первозданному вигляді дуже складні, проте їх можна спростити і адаптувати для комп’ютерних обчислень. Саме це і виконали ми з Робертсом. Прогін на суперкомп’ютері дозволив побудувати самоузгоджений опис довготривалої еволюції швидкості, температури і тиску потоків речовини зовнішнього ядра і пов’язаної з ними еволюції магнітних полів. Ми також з’ясували, що якщо програвати симуляцію на часових проміжках близько десятків і сотень тисяч років, то з неминучістю виникають інверсії геомагнітного поля. Так що в цьому відношенні наша модель непогано передає магнітну історію планети. Однак є скрута, яку поки ще не вдалося усунути. Параметри речовини зовнішнього ядра, які закладають у подібні моделі, все ще занадто далекі від реальних умов. Наприклад, нам довелося прийняти, що його в’язкість дуже велика, інакше не вистачить ресурсів найпотужніших суперкомп’ютерів. Насправді це не так, є всі підстави вважати, що вона майже збігається з в’язкістю води. Наші нинішні моделі безсилі врахувати і турбулентність, яка безсумнівно має місце. Але комп’ютери з кожним роком набирають силу, і років через десять з’являться набагато більш реалістичні симуляції «.

«Робота геодинамо неминуче пов’язана з хаотичними змінами потоків залізо-нікелевого розплаву, які обертаються флуктуаціями магнітних полів, — додає професор Стівенсон. — Інверсії земного магнетизму — це просто найсильніші з можливих флуктуацій. Оскільки вони стохастичні за своєю природою, навряд чи їх можна передбачати заздалегідь — у всякому разі ми цього не вміємо «.