Земля як магніт: геомагнітне поле

1. 168 магнітних полюсів
2. полюса навпаки
3. Залізне динамо
4. Вся сила в конвекції
5. Магнітний захист
6. непередбачуваний магнетизм

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

У тому ж 1905 році французький геофізик Бернар Брюнес провів в південному департаменті Канталь виміри магнетизму лавових відкладень епохи плейстоцену. Вектор намагніченості цих порід становив майже 180 градусів з вектором планетарного магнітного поля (його співвітчизник П. Давид отримав аналогічні результати навіть роком раніше). Брюнес прийшов до висновку, що три чверті мільйона років тому під час сповіді лави напрямок геомагнітних силових ліній було протилежним сучасному. Так був виявлений ефект інверсії (звернення полярності) магнітного поля Землі. У другій половині 1920-х років висновки Брюнес 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 по його завершенні напруженість поля, як правило, не повертається до колишньої величиною, а змінюється на кілька відсотків.

На початку XX століття сам факт існування геомагнітного поля ніяк не піддавався поясненню (при тому що про його самій парадоксальною особливості тоді просто не підозрювали). Було відомо, що магнітні полюси трохи переміщаються по земній поверхні, але ніхто не припускав, що вони здатні до більш радикального поведінки, - це відкриття було лише на підході.

Механізм геомагнітної інверсії не цілком ясний і понині, а вже сто років тому він взагалі не допускав розумного пояснення. Тому відкриття Брюнес і Давида тільки підкріпили ейнштейнівської оцінку - дійсно, земний магнетизм був вкрай загадковий і незрозумілий. А адже на той час його досліджували понад триста років, а в XIX столітті ним займалися такі зірки європейської науки, як великий мандрівник Олександр фон Гумбольдт, геніальний математик Карл Фрідріх Гаус і блискучий фізик-експериментатор Вільгельм Вебер. Так що Ейнштейн воістину дивився в корінь.

168 магнітних полюсів

Як ви думаєте, скільки у нашої планети магнітних полюсів? Майже всі скажуть, що два - в Арктиці й 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 набагато 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, а й поля місцевих порід, електричних струмів іоносфери, часток сонячного вітру і інших додаткових джерел магнетизму (причому їх середня частка не так вже мала, порядку декількох відсотків). Чим точніше прилад, тим краще він це робить - і тому все більше ускладнює виділення істинного 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.

полюса навпаки

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, різнойменні притягуються!). Аналогічно, північний магнітний полюс базується в високих широтах Південної півкулі. Проте, за традицією ми називаємо полюса відповідно до географії. Фізики давно домовилися, що силові лінії виходять з північного полюса будь-якого магніту і входять в південний. 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!).

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

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

Магнітний полюс, як його ні визначай, не стоїть на місці. Північний полюс геоцентричного диполя у 2000 році мав координати 79,5 N і 71,6 W, а в 2010-му - 80,0 N і 72,0 W. Істинний Північний полюс (той, який виявляють фізичні виміри) 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 рости.

Результат комп'ютерного моделювання інверсії геомагнітного поля в моделі Робертса і Глатцмайера на проміжках в десятки і сотні тисяч років.

Як розповів «Популярною механіці» колишній керівник геомагнітної лабораторії канадської Служби геологічних досліджень Лоуренс Ньюітт, 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 виявиться в Сибіру. Згідно з реконструкцією, виконаною кілька років тому тим же Ньюітт, в XVII і XVIII століттях північний магнітний полюс переважно зміщувався на південний схід і лише приблизно в 1860 році повернув на північний захід. Істинний південний магнітний полюс останні 300 років рухається в цю ж сторону, причому його середньорічної зміщення не перевищує 10-15 км.

Залізне динамо

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

Однак з цього нічого не виходить. Все ферромагнетики залишаються такими (тобто зберігають мимовільно 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 остиглі планети з феромагнітними ядрами.

Розглянемо іншу можливість. Наша планета також має 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.

Саме таку схему вчені-геофізики обговорювали років 80 назад. Вони вважали, що потоки провідної рідини зовнішнього ядра за рахунок своєї кінетичної енергії породжують електричні струми, які охоплюють земну вісь. Ці струми генерують магнітне поле переважно дипольного типу, силові лінії якого на поверхні Землі витягнуті уздовж меридіанів (таке поле називається полоідальним). Цей механізм викликає асоціацію з роботою динамо-машини, звідси і пішла його назва.

Описана схема красива і наочна, але, на жаль, є хибною. Вона заснована на припущенні, що рух речовини зовнішнього ядра симетрично щодо земної осі. Однак в 1933 році англійський математик Томас Каулінг довів теорему, згідно з якою ніякі осесиметричні потоки не здатні забезпечити існування довготривалого геомагнітного поля. Навіть якщо воно і з'явиться, то вік його виявиться недовгий, в десятки тисяч разів менше віку нашої планети. Потрібна модель складніше.

Вся сила в конвекції

«Ми не знаємо точно, коли виник земний магнетизм, проте це могло статися незабаром після формування мантії і зовнішнього ядра, - говорить один з найбільших фахівців з планетарному магнетизму, професор Каліфорнійського технологічного інституту Девід Стівенсон. - Для включення геодінамо потрібний зовнішнє затравочное 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. В кінцевому рахунку це не дуже важливо, джерел магнетизму вистачало. При наявності такого поля і кругового руху потоків провідної рідини запуск внутрішньопланетної динамо-машини ставав просто неминучим ».

Полярне сяйво породжується взаємодією атмосфери і заряджених частинок, захоплених магнітним полем Землі, яке в приполярних областях перпендикулярно поверхні.

Ось загальноприйнятого пояснення такого запуску. Нехай для простоти затравочное поле майже паралельно осі обертання Землі (насправді досить, якщо воно має ненульову компоненту в цьому напрямку, що практично неминуче). Швидкість обертання речовини зовнішнього ядра зменшується в міру зменшення глибини, причому через його високої електропровідності силові лінії магнітного поля рухаються разом з ним - як кажуть фізики, поле «вморожени» в середу. Тому силові лінії затравочного поля будуть згинатися, йдучи вперед на великих глибинах і відстаючи на менших. Врешті-решт вони витягнуться і деформуються настільки, що дадуть початок тороїдальному полю, круговим магнітним петель, що охоплюють земну вісь і спрямованим 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 полоідальним затравочного полю і, в свою чергу, породило нове полоідальним поле, що спостерігається у земної поверхні: «Обидва типи полів планетарного геодінамо взаємопов'язані і не можуть існувати одне без одного» .

Магнітний захист

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 20000 нанотесла поблизу узбережжя Бразилії до 65000 нанотесла в районі Південного магнітного полюса. З 1800 року його дипольная компонента скоротилася майже на 13% (а з середини 16 століття - на 20%), в той час як квадрупольному дещо зросла. Палеомагнітні дослідження показують, що протягом декількох тисячоліть перед початком нашої ери напруженість геомагнітного поля наполегливо лізла вгору, а потім почала знижуватися. Проте, 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 три з половиною мільярди 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, яка варто відзначити. В юності і навіть в підлітковому віці нашої планети все речовина її ядра перебувало в рідкій фазі. 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 геодінамо. Через це геомагнітне поле виграло у величині і стабільності. Можна предпложіть, що ця обставина сприятливо позначилося на еволюції живих організмів. Зокрема, посилення геомагнетизму поліпшило захист біосфери від космічних випромінювань і тим самим полегшило вихід життя з океану на сушу.

непередбачуваний магнетизм

15 років тому Гері Глатцмайер разом з Полом Робертсом опублікував дуже красиву комп'ютерну модель геомагнітного поля: «У 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 зробили ми з Робертсом. Прогін на суперкомп'ютері дозволив побудувати самоузгоджене опис тривалої 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 порядку 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 утруднення, яке поки що не вдалося усунути. Параметри речовини зовнішнього ядра, які закладають в подібні моделі, все ще дуже 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 геодінамо 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 стохастичную за своєю природою, навряд чи їх можна передбачати заздалегідь - у всякому разі ми цього не вміємо ».

Стаття «Земля як магніт» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №9, Сентябрь 2010 ).