Самый большой магнит

Магнитные бури обычно не считаются грозным явлением природы, таким как землетрясения, цунами, тайфуны. Правда, они срывают радиосвязь в высоких широтах планеты, заставляют плясать стрелки компасов. Сейчас эти помехи уже не страшны. Дальнюю связь всё чаще ведут через спутники, с их же помощью штурманы задают курс кораблям и самолётам.

Казалось бы, капризы магнитного поля уже могут никого не беспокоить. Но именно теперь некоторые факты дали почву опасениям, что перемены в магнитном поле Земли способны вызвать катастрофы, перед которыми побледнеют самые грозные силы природы!

Одно из таких изменений поля происходит в наши дни… С тех пор как немецкий математик и физик Карл Гаусс впервые дал математическое описание магнитного поля, последующие измерения — на протяжении 150 лет до сегодняшних дней — показывают, что магнитное поле Земли неуклонно ослабевает.

В связи с этим кажутся естественными вопросы: не исчезнет ли магнитное поле совсем, и чем это может грозить землянам?

Вспомним, что нашу планету непрерывно бомбардируют космические частицы, особенно интенсивно — протоны и электроны, излучаемые Солнцем, так называемый солнечный ветер. Мимо Земли они проносятся со средней скоростью 400 км/с. Магнитосфера Земли не пропускает заряженные частицы к поверхности планеты. Она направляет их к полюсам, где в верхней атмосфере те рождают фантастические сияния. Но если магнитного поля не будет, если растительный и животный мир окажется под таким непрерывным обстрелом, то можно предположить, что радиационное повреждение организмов самым губительным образом скажется на судьбе всей биосферы.

Чтобы судить о том, насколько реальна такая угроза, надо вспомнить, как возникает магнитное поле Земли и нет ли в этом механизме ненадёжных звеньев, способных выйти из строя.

По современным представлениям, ядро нашей планеты состоит из твёрдой части и жидкой оболочки. Подогреваемое твёрдым ядром и охлаждаемое расположенной выше мантией, жидкое вещество ядра вовлекается в кругооборот, в конвекцию, распадающуюся на многие отдельные циркулирующие потоки.

Такое же явление знакомо земным океанам, когда источники глубинного тепла оказываются близко ко дну океана, благодаря чему оно нагревается. Тогда в толще воды возникают вертикальные течения. Хорошо исследовано, например, такое течение в Тихом океане неподалёку от берегов Перу. Оно выносит из глубин к поверхности вод огромную массу питательных веществ, благодаря чему этот район океана особенно богат рыбой…

Вещество жидкой части ядра — это расплав с большим содержанием металлов, и потому он обладает хорошей электропроводностью. Из школьного курса мы знаем, что если проводник движется в магнитном поле, пересекая его линии, то в нём возбуждается электродвижущая сила.

Во взаимодействие с потоками расплава могло первоначально вступить слабое межпланетное магнитное поле. Порождённый этим ток, в свою очередь, создал мощное магнитное поле, которое кольцами окружило ядро планеты.

В недрах Земли в принципе всё происходит так, как в динамо-машине с самовозбуждением, схематическую модель которой имеет обычно каждый школьный кабинет физики. Отличие в том, что вместо проводов в недрах действуют потоки жидкого электропроводящего материала. И, по-видимому, вполне правомерна аналогия между секциями ротора динамо и конвекционными потоками расплава в недрах. Механизм, создающий магнитное поле Земли, назвали поэтому гидромагнитное динамо.

Но картина, конечно, сложнее: кольцевые, иначе их называют тороидальные, поля не выходят на поверхность планеты. Взаимодействуя стой же электропроводной подвижной жидкой массой, они порождают другое, внешнее поле, с которым мы на поверхности Земли и имеем дело.

Нашу планету с её внешним магнитным полем схематически обычно изображают как симметрично намагниченный шар с двумя полюсами. В действительности внешнее поле не столь идеально по форме. Симметрию нарушает множество магнитных аномалий.

Некоторые из них очень значительны и получили название континентальных. Одна такая аномалия находится в Восточной Сибири, другая — в Южной Америке. Подобные аномалии возникают потому, что гидромагнитное динамо в недрах Земли «сконструировано» не столь симметрично, как электрические машины, построенные на заводе, где обеспечивают соосность ротора и статора и на специальных станках тщательно балансируют роторы, добиваясь совпадения их центров масс (точнее, главной центральной оси инерции) с осью вращения. И мощность потоков вещества, и температурные условия, от которых зависит скорость их движения, далеко не одинаковы в различных зонах земных недр, где действует природное динамо. Скорее всего, глубинное динамо можно сравнить с машиной, у которой секции в обмотке ротора разной толщины и зазор между ротором и статором меняется.

Аномалии меньших масштабов — региональные и локальные — объясняются особенностями состава земной коры — как, например, Курская магнитная аномалия, возникшая благодаря гигантским залежам железной руды.

Словом, механизм, порождающий магнитное поле Земли, устойчив, надёжен, и в нём нет, кажется, деталей, которые способны внезапно выйти из строя. Более того, по мнению профессора мюнхенского университета Г. Зоффеля, электропроводность жидкого материала в недрах так велика, что если по какой-либо причине гидромагнитное динамо вдруг «выключится», магнитные силы на поверхности планеты просигналят нам об этом только через многие тысячелетия.

Но одно дело «поломка» природного механизма, другое — постепенное затухание его действия, подобное похолоданиям, породившим оледенения планеты.

Чтобы проанализировать это обстоятельство, нам понадобится более детальное знакомство с поведением магнитного поля: как и почему изменяется оно во времени.

Любая горная порода, любое вещество, содержащее железо или другой ферромагнитный элемент, всегда находится под воздействием магнитного поля Земли. Элементарные магнитики в этом материале стремятся ориентироваться подобно стрелке компаса вдоль силовых линий поля.

Однако если материал нагревать, то наступит момент, когда тепловое движение частиц станет столь энергичным, что оно разрушит магнитную упорядоченность. Затем, когда наш материал будет остывать, начиная с определённой температуры (её называют точкой Кюри) магнитное поле одержит верх над силами хаотического движения. Элементарные магнитики снова выстроятся так, как велит им поле, и останутся в этом положении, если тело не будет снова нагрето. Поле оказывается как бы «замороженным» в материале.

Это явление позволяет уверенно судить о прошлом земного магнитного поля. Учёным удаётся проникать в такие дали времён, когда на юной планете остывала твёрдая кора Минералы, сохранившиеся с той поры, рассказывают о том, каким было магнитное поле два миллиарда лет назад.

Когда же дело касается исследований периодов, значительно более близких к нам по времени — в пределах последних 10 тысяч лет, — учёные предпочитают брать для анализа материалы искусственного происхождения, а не природные лавы или осадки. Это обожжённая человеком глина — посуда, кирпичи, ритуальные фигурки и т. п., которые появились с первыми шагами цивилизации. Преимущество искусственных поделок из глины в том, что археологи могут их достаточно точно датировать.

В Институте физики Земли РАН исследованиями изменений магнитного поля занималась лаборатория археомагнетизма. Там были сосредоточены обширные данные, добытые в лаборатории и в ведущих зарубежных научных центрах. Занимаются этим и российские учёные.

Действительно, эти данные подтверждают, что в наше время магнитное поле ослабевает. Но здесь необходима оговорка: точные измерения поведения поля на больших отрезках времени говорят, что магнитное поле планеты подвержено многочисленным колебаниям с разными периодами. Если мы их все сложим, то получим так называемую «сглаженную кривую», которая достаточно хорошо совпадает с синусоидой, имеющей период 8 тысяч лет.

В данное время суммарное значение магнитного поля находится на нисходящем отрезке синусоиды. Вот это и вызвало беспокойство некоторых авторов. Позади более высокие значения, впереди — дальнейшее ослабление поля. Оно будет продолжаться примерно ещё две тысячи лет. Но затем начнётся усиление поля. Эта фаза продлится 4 тысячи лет, чтобы потом снова наступил спад. Предыдущий максимум пришёлся на начало нашей эры. Множественность колебаний магнитного поля объясняется, по-видимому, отсутствием сбалансированности движущихся частей гидромагнитного динамо, различной их электропроводностью.

Важно отметить, что амплитуда синусоиды составляет менее половины средней величины напряжённости поля. Иными словами, эти колебания никак не могут свести значение поля к нулю. Таков ответ тем, кто считает, будто нынешнее ослабление поля в конце концов откроет поверхность земного шара для обстрела частицами из космоса.

Как уже говорилось, кривая представляет собой сумму накладывающихся друг на друга различных колебаний магнитного поля Земли — всего их выявлено пока около десятка. Хорошо выражены периоды, имеющие длительность 8000, 2700, 1800, 1200, 600 и 360 лет. Менее чётко прослеживаются периоды в 5400, 3600 и 900 лет.

С некоторыми из этих периодов связаны существенные явления в жизни планеты.

Период в 8000 лет имеет несомненно глобальный масштаб в отличие от колебаний, например, в 600 или 360 лет, имеющих региональный, локальный характер.

Интересны взаимосвязи со многими природными явлениями периода в 1800 лет. Географ А. В. Шнитников провёл сопоставление различных природных ритмов Земли и обнаружил их привязанность к астрономическому явлению, названному. Большой сарес, когда Солнце, Земля и Луна оказываются на одной прямой и при этом Земля расположена на наименьшем удалении и от светила, и от спутника. В этом случае достигают наибольшего значения приливные силы. Большой сарес повторяется через 1800 лет (с отклонениями) и сопровождается расширением земного шара в экваториальной полосе — за счёт приливной волны, в которой участвуют Мировой океан и земная кора. Как следствие этого происходит изменение момента инерции планеты, и она замедляет своё вращение. Изменяется также положение границы полярного ледового покрова, происходит подъём уровня океана. Большой сарес отражается на климате Земли — по-иному начинают чередоваться засушливые и влажные периоды. Такие перемены в природе в прошлом отражались и на населении планеты: усиливалась, например, миграция народов…

В Институте физики Земли задались целью выяснить, не существует ли связей между явлениями, вызванными Большим саресом, и поведением магнитного поля. Оказалось, что именно 1800-летний период колебаний поля хорошо согласуется с ритмом явлений, вызванных взаиморасположением Солнца, Земли и Луны. Совпадают начала и концы изменений и их максимумы… Это можно объяснить тем, что в жидкой массе, окружающей ядро планеты, во время Большого сареса приливная волна также достигала наибольшей величины, следовательно, взаимодействие потоков вещества с внутренним полем также менялось.

В последние 10 тысяч лет земная природа не терпела каких-либо бедствий по вине беспокойного магнитного поля. Но что скрывает более глубокое прошлое? Как известно, наиболее драматические события в биосфере Земли лежат далеко за пределами 10 тысяч лет. Может быть, их причиной были какие-либо изменения в магнитном поле?

Здесь мы должны будем заняться фактом, который встревожил некоторых учёных.

Магнитные поля прошлого оказались «вмороженными» ещё и в вулканические лавы, когда те, остывая, проходили точку Кюри. Запечатлены магнитные поля и в донных осадках: опускающиеся на дно частицы, если они содержат ферромагнетики, подобно стрелкам компасов ориентируются по линиям магнитного поля. Оно сохраняется вечно в окаменевших осадках, если только осадки не подвергались сильному нагреву…

Исследованием древних магнитных полей занимаются палеомагнитологи. Им удалось обнаружить поистине грандиозные изменения, которые претерпевало в далёком прошлом магнитное поле. Было открыто явление инверсии — смены магнитных полюсов. Северный перемещался на место южного, южный — на место северного.

Кстати, полюса меняются не так уж быстро — по некоторым оценкам, смена длится 5 или даже 10 тысяч лет.

Последнее такое перемещение произошло 700 тысяч лет назад. Предыдущее — ещё на 96 тысяч лет раньше. В истории планеты таких смен насчитывают сотни. Какой-либо регулярности здесь не обнаружено — известны длительные спокойные периоды, их сменяли времена частых инверсий.

Были открыты также так называемые «экскурсы» — уход магнитных полюсов от географических на большие расстояния, завершавшиеся, однако, возвращением к своему прежнему месту.

Объяснить переполюсовки пытались многие. Американские учёные Р. Мюллер и Д. Моррис, например, считают первопричиной этого удары гигантских метеоритов. «Встряска» планеты заставляла менять характер движения расплавов в её глубине. Авторы этой гипотезы основывались на том, что 65 миллионов лет назад одновременно произошли инверсия и падение на Землю большого космического тела, о чём говорят отложения того времени, богатые космическим иридием. Гипотеза выглядела эффектной, но была малоубедительной хотя бы потому, что временная связь между этими событиями доказана весьма слабо. По другой гипотезе, к инверсиям побуждают глубинные потоки расплава, когда в них попадают гигантские комья ферромагнитного материала. Эти комья, концентрируя в себе линии магнитного поля, как бы «тянут» его за собой.

И эта гипотеза вызывает возражения.

Очевидно, что за миллиарды лет своего существования ядро Земли должно было увеличиваться в размерах. Казалось бы, это не могло не отразиться на магнитном поле Земли. Между тем учёные, располагающие сведениями о том, каким было магнитное поле планеты два миллиарда лет назад, сравнивают эти данные с сегодняшними и не находят даже следов влияния роста ядра на магнитное поле. Может ли отразиться на состоянии поля явление куда более скромных масштабов, какое представляют собой гипотетические «комья»?

Принятая ныне теория гидромагнитного динамо способна объяснить инверсию, но эта теория не говорит о том, что смена полюсов обязательна, она только не противоречит этому явлению.

Причиной инверсий служат всё те же «конструктивные несовершенства» природного гидромагнитного динамо. Но это иные дефекты, нежели те, которые вызывают уже знакомый нам спектр из десяти колебаний магнитного поля, колебаний, однообразно повторяющихся через те или иные отрезки времени. Инверсии не имеют такого регулярного систематического характера.

Можно было бы полагать, что явление инверсии, поиски её причин и её последствий вызовут интерес одних лишь исследователей земного магнетизма. Но нет, это явление привлекло внимание широкого круга учёных и в том числе тех, кто изучает развитие земной биосферы.

В последнее время в нескольких научных статьях было высказано предположение, что при инверсиях магнитное поле Земли исчезает. Таким образом, речь идёт о том, что планета на какое-то время теряет свою невидимую броню. А это, видимо, может повлечь за собой гибель многих видов растений и животных. Вот почему в переменах, которым подвержено магнитное поле, некоторые видят опасность более грозную, чем та, которую несёт разрушительное трио: землетрясения, цунами, тайфуны.

Авторы этого предположения в доказательство своей правоты приводят взаимосвязь между вымиранием динозавров, исчезнувших с лица Земли 65 миллионов лет назад и частыми инверсиями, характерными для того периода.

Гипотезу о таком радикальном влиянии переполюсовок на развитие всей живой природы Земли с особенным удовлетворением встретили эволюционисты, которые в недавнем прошлом моделировали с помощью компьютера историю биосферы нашей планеты, начиная от первичных форм живой материи. В программу были заложены все известные к тому времени факторы, влияющие на мутации и естественный отбор. Результаты исследования оказались неожиданными: эволюция от первой клетки до человека в математической интерпретации шла много медленнее, чем в реальных условиях земной природы.

Очевидно, заключили учёные, в программе не были учтены какие-то энергичные факторы, заставляющие природу одномоментно сменять виды. Теперь, считают они, найден один из таких сильных ускорителей эволюции — это воздействие на органический мир космических излучений в те периоды, когда полюса обменивались местами… Что-то подобное, по меньшей мере, чернобыльской катастрофе.

То ли тревожно, то ли обнадёживающе на этом фоне звучит утверждение американских геофизиков, что ими обнаружены в штате Орегон слои лавы, по которым видно, что «вмороженное» в них поле повернулось на 90 градусов в течение всего двух недель. Иначе говоря, перемены не обязательно требуют тысячелетий, а могут быть почти мгновенными. То есть время губительного воздействия космических излучений невелико, что уменьшает их опасность. Непонятно только, почему поле повернулось не на 180 градусов, а всего на 90.

Однако предположение о том, что при переполюсовках магнитное поле исчезает, всего лишь предположение, а не истина, опирающаяся на достоверные факты. Напротив, некоторые палеомагнитные исследования говорят о том, что поле сохраняется и при инверсиях. Оно, правда, имеет не дипольное строение и много слабее — в 10, и даже в 20 раз. Серьёзные возражения вызвала трактовка резких перемен поля, обнаруженных в лавах из штата Орегон. Упоминавшийся нами профессор Г. Зоффель считает, что открытие американских коллег можно объяснить совсем иначе, например, так: в остывающую лаву «вморозилось» магнитное поле, рождённое ударившей в этот момент молнией.

Но эти возражения не исключают вероятность прямого, может быть, ослабленного воздействия космических частиц на растительный и животный мир. В поиски ответов на вопросы, поставленные этой гипотезой, включились многие учёные.

Заслуживают внимания соображения, высказанные в своё время сотрудником Института физики Земли АН СССР В. П. Щербаковым. Он считал, что при инверсиях магнитное поле планеты, пусть и ослабленное, сохраняет своё строение, в частности, магнитные силовые линии в районе полюсов по-прежнему упираются в поверхность планеты. Над движущимися полюсами в периоды инверсии в магнитосфере существуют постоянно, как и в наши дни, воронки, в которые словно бы ссыпаются космические частицы.

В периоды инверсий, при ослабленном поле они могут здесь подлететь к поверхности зелёного шара на самые близкие расстояния, возможно и достигают её.

В поиски включились и палеонтологи. Например, германский профессор Г. Херм, который в сотрудничестве со многими зарубежными лабораториями изучал донные отложения, приуроченные к концу мелового периода. Он нашёл доказательства, что в эти времена произошёл скачок в развитии видов. Однако этот учёный считает тогдашние инверсии всего лишь одним из факторов, подтолкнувших эволюцию. Г. Херм не находит никаких оснований для тревог за будущую жизнь на планете в случае, если в магнитном поле наступят резкие перемены.

Профессор МГУ Б. М. Медников, биолог-эволюционист, также не считает их опасными и поясняет, почему. Основной защитой от солнечного ветра, говорит он, нам служит всё же не магнитное поле, а атмосфера. Протоны и электроны теряют свою энергию в её верхних слоях над полюсами планеты, заставляя светиться, «сиять» молекулы воздуха. Если вдруг магнитного поля не станет, то сияния, вероятно, будут не только над полюсами, куда магнитосфера теперь сгоняет частицы, а на всём небосводе — но на тех же больших высотах. Солнечный ветер по-прежнему останется безопасным для живого.

Б. М. Медников говорит и о том, что эволюция не нуждается в «подхлёстывании» космическими силами. Последние, более совершенные компьютерные модели эволюции убеждают: её реальная скорость вполне объясняется внутренними для организма молекулярными причинами. Когда при зарождении нового организма создаётся его аппарат наследственности, в одном из ста тысяч случаев копирование родительских признаков происходит с ошибкой. Этого вполне достаточно, чтобы виды животных и растений поспевали за изменениями в окружающей среде. Не стоит забывать и о механизме массового распространения генных мутаций посредством вирусов.

По мнению магнитологов, возражения Б. М. Медникова не могут зачеркнуть проблему. Если маловероятно прямое влияние перемен в магнитном поле на биосферу, то есть ещё и косвенное. Есть, например, несомненные взаимосвязи магнитного поля планеты и её климата…

Как видите, в проблеме взаимосвязи магнитного поля с биосферой немало серьёзных противоречий. Противоречия, как всегда, побуждают исследователей к поиску.