Источник энергии этого магнитного поля
Планета Земля имеет твердую кору (почва, каменистая), но металлическое сердце, состоящее из железа и никеля, частично жидкого, расплавленного из-за жары. Железо и никель, очень плотные, оказались там под действием силы тяжести при образовании Земли.
Важно то, что ядро Земли является частично жидким: это означает, что внутри нашей планеты происходят движения тепловой конвекции. Тот факт, что ядро металлическое, также имеет решающее значение, потому что это означает, что ядро Земли является проводником электричества и магнитных полей.
В дополнение к этой информации о внутренней структуре Земли, мы должны добавить тот факт, что планета вращается вокруг оси. Это тривиально, но важно по двум основным причинам.
Во-первых, вращение Земли (как и ее внутреннее тепло) — это запас энергии. Если у вас есть огромная вращающаяся масса, вы можете прикрепить к ней шестерню с резиновыми лентами и использовать ее для подъема предметов для питания динамо-машины и выработки электроэнергии, по крайней мере, до тех пор, пока вращающаяся масса не исчерпает свое вращение и не перестанет вращаться. В йо-йо, например, именно вращение йо-йо позволяет ему подняться.
Во-вторых, подобно тому, как вращение Земли является причиной появления циклонов в атмосфере, так и появление вращающихся столбов лавы в жидкой части земного ядра.
Подводя итог: Земля вращается, и это создает вращающиеся массы жидкого и проводящего железа в ядре. Если вы видите механизм формирования магнитного поля с этим, это нормально! Но пока еще не все.
Динамо-эффект
На данный момент мы имеем вращающуюся жидкую проводящую массу. Однако этого недостаточно для создания и поддержания магнитного поля. Потребовалось бы, например, внешнее магнитное поле, омывающее Землю: последнее вызывало бы ток в металлическом ядре, который производил бы магнитное поле Земли.
Проблема в том, что Земля не купается во внешнем магнитном поле. Не достаточно мощное поле во всяком случае.
Таким образом, если бы был точечный магнитный импульс, электрический ток появится в ядре Земли, но он будет рассеиваться очень быстро, и магнитное поле Земли также будет быстро исчезать.
Очевидно, что Земля обладает очень реальным магнитным полем. Современное объяснение магнитного поля Земли — эффект динамо.
Он еще не объясняет происхождение магнитного поля, но он объясняет, как это поле — настоящее — удается поддерживать, не исчезая.
Итак, давайте возьмем планету Земля, как это описано выше: с жидким, вращающимся металлическим сердечником.
Предположим, что Земля была в прошлом в ранее существовавшем внешнем магнитном поле. Как было сказано выше, это поле вызовет ток в жидких частях ядра, и этот ток создаст магнитное поле Земли, противоположное внешнему полю.
Теперь мы должны учитывать конвекционные явления, связанные с внутренним теплом Земли, и явления вращения жидких масс, связанные с вращением Земли. Это два первичных источника энергии, которые будут постепенно преобразовываться в электромагнитную энергию и излучать магнитное поле.
Эти металлические «циклоны», расплавленные во внешнем ядре, принимают форму вращающихся цилиндров, которые будут выравниваться с осью вращения Земли (таким образом, по оси Север-Юг). Делая это, линии электрического тока, индуцированные магнитным полем, будут как бы наматываться на себя, образуя катушку, и растягиваться в длину конвекцией. Линии электрического тока удлиняются : это если индуктивная катушка становится больше, а магнитное поле сильнее.
Таким образом, возникает эффект, когда катушка растягивается и позволяет увеличить количество магнитной энергии от тепловой конвекции и эффекта Кориолиса за счет вращения Земли.
В результате магнитное поле Земли, в противоположность рассеиванию, умудряется поддерживать себя: вращение и конвекция Земли в ядре постоянно накачивают энергию в электромагнитную систему, чтобы компенсировать потери.
Теперь, когда производится магнитная энергия, первоначальное магнитное поле, в котором, как говорят, купалась Земля, может исчезнуть: в этом больше нет необходимости.
Создаваемое магнитное поле поддерживается слоями расплавленного жидкого металла, которые поднимаются на поверхность.
Когда эти слои достигают внешнего предела ядра, конвекции (в этом слое) больше нет, и поле исчезает. Тем не менее это поле будет иметь наведенные электрические токи в нижних слоях, которые также будут производить свое магнитное поле, и увековечить производство магнитного поля.
Таким образом, пока существует конвекция в ядре и вращение нашей планеты, производящее силы Кориолиса, магнитное поле будет существовать.
Конвекционные движения сложны, имеют хаотические составляющие и иногда могут менять направление. Поэтому возможно, что магнитное поле Земли изменится и магнитные полюса будут двигаться и могут даже повернуть вспять. В истории нашей планеты эти инверсии происходили 300 раз за последние 200 миллионов лет, примерно каждые 660 000 лет; последняя произошла около 780 000 лет назад.
Феномен, который до сих пор плохо объяснен
Как было сказано во введении, если источник планетарного магнитного поля называется динамо-эффектом и существуют хорошие теории для его объяснения, то его происхождение остается неизвестным. Как уже говорилось, для этого потребовалось начальное магнитное поле, даже слабое или локальное.
Этот источник остается неизвестным, но если бы его не было с самого начала, жизнь, вероятно, не развивалась бы, по крайней мере, не так сильно и не так хорошо на этой планете. Это один из многих параметров, которые дали Земле необходимые ингредиенты для появления и поддержания жизни, и которые могут объяснить, почему жизнь, наконец, является чем-то гораздо более редким, чем первоначально представлялось.
Кроме того, форма магнитного поля и линии поля сложны и зависят от многих факторов: текучести магмы, локальных изменений температуры, химического состава магмы.
Численное моделирование все еще с трудом учитывает реальные наблюдения, несмотря на то, что мы постепенно приближаемся к функциональной модели.
Кто изобрёл компас?
Просвещённые жители Европы знали о магнитных свойствах некоторых веществ и предметов ещё с античных времён. Римский историк Плиний Старший рассказывал о некоем пастухе, жившем на Крите. Тот подбил железом свои сандалии, и к ним стали прилипать мелкие чёрные камушки, которые валялись на склонах горы Идо. Имя пастуха было Магнис
, от него возникло слово «магнит
«.
В то же самое время китайцы пользовались магнитами, которые называли чу-ши
, что в переводе означало «любящие камень». Жители Поднебесной изобрели компас на тысячу лет раньше европейцев. Это была полоска намагниченного железа, закреплённая на куске плавающей в воде пробки. Им пользовались купцы, гонявшие караваны по пустыне.
Придумали китайцы и более изощрённые навигационные приборы. Это компас лопань
, дошедший до наших дней. На нём, в отличии от европейского, имеется много колец. Называются они тсэн или слои и разделены на 24 сектора, по 15 градусов каждый.
Данный компас взяли на вооружение последователи системы фен-шуй. Она учитывается при строительстве домов и обустройстве внутренних помещений. С помощью иероглифов, которые нанесены на сектора колец, определяются благоприятные и негативные направления в помещениях.
А вот в Европе честь изобретения компаса присвоили себе итальянцы. Якобы в начале XIV века в приморском городе Амальфи жил мастер Флавио Джойя. Он был влюблён в дочь богатого Доменико, жившего в этом же городе. Тот хотел выдать свою любимую и красивую дочку за обеспеченного судовладельца, а бедный мастер мешал его планам.
И тогда хитрый и коварный Доменико поставил, как ему казалось, невыполнимую задачу перед влюблённым Флавио. Он сказал, что муж его дочери должен в совершенстве владеть лоцманским искусством и потребовал провести лодку ночью в тумане из одной рыбацкой деревушки в другую. Мастер Джойя взял иголку, сделанную из магнитного железняка, и, сверяя по ней путь, блестяще справился с заданием.
Итальянцы поставили Флавио памятник. Мастер стоит на вершине небольшой скалы в просторной накидке по моде XIV века. В левой руке он держит компас и сверяет по нему направление.
Памятник нравится всем, кроме немцев. Те считают, что компас изобрели древние тевтоны. В этом утверждении есть доля истины, так как слово «компас» произошло из немецкого языка, а не из итальянского.
Одно дело изобрести компас, а другое дело объяснить, почему его стрелка всё время указывает строго на север. Определённую ясность в этот вопрос внёс в XVI веке придворный врач Елизаветы I Уильям Гильберт. Помимо медицины он увлекался многими другими вопросами и, прочитав всё, что известно о магнитах, занялся собственными опытами. В 1601 году увидел свет его научный труд под названием «О магните, магнитных телах и большом магните — Земле». Автор высказал догадку, что голубая планета представляет собой огромный магнит, а его ось проходит через полюса.
Гильберт даже сделал миниатюрную модель Земли. Он намагнитил стальной шар и назвал его Тереллой, то есть маленькой Землёй. Когда к поверхности этого шара подносили магнитную стрелку, то она своим остриём всегда указывала на полюса. После этого Гильберта стали считать основоположником науки о магнитных свойствах нашей планеты.
Впоследствии стало ясно, что стрелка компаса всегда стремится занять положение вдоль магнитных силовых линий Земли. А те веерообразно расходятся из одного полюса и вновь сходятся в другом полюсе.
Однако после этого открытия сразу же встал вопрос: почему Земля является магнитом? Магнетит, который является магнитной породой, составляет ничтожную часть земной коры. Другие породы, за редким исключением, ярко выраженными магнитными свойствами не обладают.
Ядро Земли и магнитные свойства
До недавнего времени превалировала гипотеза, что магнитные свойства планеты обусловлены её жидким железо-никелевым ядром. Но почему оно порождает магнетизм — оставалось неясным. В XX веке было установлено, что остывающая лава запечатлевает в себе направление и силу магнитного поля Земли. Были исследованы тысячи образцов лавы и определён их возраст. В результате этого специалисты пришли к выводу, что в истории планеты случались периоды, когда интенсивность магнитного поля резко падала.
В гипотезе о ядре был ещё один существенный недостаток. Как известно, магнитное поле Земли очень чутко реагирует на солнечную активность. Здесь имеются в виду вспышки на Солнце, которые порождают магнитные бури. Многие люди проявляют к ним повышенную чувствительность.
Отсюда напрашивается вывод: если бы источник земного магнетизма находился в ядре планеты, то вряд ли солнечная активность могла бы на него существенно влиять. И ещё один интересный факт. У таких космических тел как Луна, Венера, Марс ядра есть, а магнитного поля практически нет. И как это объяснить?
Эффект геомагнетизма и водно-воздушный океан Земли
Совсем недавно в научном мире появилась новая гипотеза, которая пытается объяснить существование у голубой планеты сильного магнитного поля. Она гласит, что важнейшую роль в формировании геомагнетизма играет водно-воздушный океан планеты.
Под воздействием солнечной энергии с голубой планеты за сутки испаряется 1 триллион кубометров воды. При этом капли воды электризуются и приобретают положительный заряд. А отрицательный заряд уходит в земную твердь. А в тех местах планеты, где царит ночь, наблюдается конденсация жидкости.
Воздушная среда непостоянно, то есть всё время находится в движении. В результате этого и в атмосфере, и в земной коре возникают потоки ионов. Это и является причиной магнетизма. А дело тут в том, что магнитное поле создаётся тогда, когда электропроводящий материал окружает переменное или вращающееся электрическое поле. В качестве такого поля выступает воздушная среда, содержащая в себе различные заряды.
Данная гипотеза прекрасно объясняет, почему у планет, на которых нет атмосферы и океанов, отсутствует магнитное поле. Также понятно, почему вспышки на Солнце существенно влияют на земной магнетизм. Можно также объяснить, почему в геологической истории голубой планеты происходило резкое изменение магнитного поля.
Это, скорее всего, было связано с катастрофами, вызванными падением крупных метеоритов. При этом глобально менялись прозрачность атмосферы и уровень испарения воды. Всё это в комплексе и воздействовало на магнитное поле Земли.
Магнитное поле
В 1905 году Эйнштейн назвал одной из пяти главных загадок тогдашней физики причину земного магнетизма.
В том же 1905 году французский геофизик Бернар Брюнес провел в южном департаменте Канталь замеры магнетизма лавовых отложений эпохи плейстоцена. Вектор намагниченности этих пород составлял почти 180 градусов с вектором планетарного магнитного поля (его соотечественник П. Давид получил аналогичные результаты даже годом раньше). Брюнес пришел к заключению, что три четверти миллиона лет назад во время излияния лавы направление геомагнитных силовых линий было противоположным современному. Так был обнаружен эффект инверсии (обращения полярности) магнитного поля Земли. Во второй половине 1920-х годов выводы Брюнеса подтвердили П. Меркантон и Монотори Матуяма, но эти идеи получили признание лишь к середине столетия.
Сейчас мы знаем, что геомагнитное поле существует не менее 3,5 млрд лет и за это время магнитные полюса тысячи раз обменивались местами (Брюнес и Матуяма исследовали последнюю по времени инверсию, которая сейчас носит их имена). Иногда геомагнитное поле сохраняет ориентацию в течение десятков миллионов лет, а иногда — не более пятисот веков. Сам процесс инверсии обычно занимает несколько тысячелетий, и по его завершении напряженность поля, как правило, не возвращается к прежней величине, а изменяется на несколько процентов.
Механизм геомагнитной инверсии не вполне ясен и поныне, а уж сто лет назад он вообще не допускал разумного объяснения. Поэтому открытия Брюнеса и Давида только подкрепили эйнштейновскую оценку — действительно, земной магнетизм был крайне загадочен и непонятен. А ведь к тому времени его исследовали свыше трехсот лет, а в XIX веке им занимались такие звезды европейской науки, как великий путешественник Александр фон Гумбольдт, гениальный математик Карл Фридрих Гаусс и блестящий физик-экспериментатор Вильгельм Вебер. Так что Эйнштейн воистину глядел в корень.
Как вы думаете, сколько у нашей планеты магнитных полюсов? Почти все скажут, что два — в Арктике и Антарктике. На самом деле ответ зависит от определения понятия полюса. Географическими полюсами считают точки пересечения земной оси с поверхностью планеты. Поскольку Земля вращается как твердое тело, таких точек всего две и ничего другого придумать нельзя. А вот с магнитными полюсами дело обстоит много сложнее. Например, полюсом можно счесть небольшую область (в идеале опять-таки точку), где магнитные силовые линии перпендикулярны земной поверхности. Однако любой магнитометр регистрирует не только планетарное магнитное поле, но и поля местных пород, электрических токов ионосферы, частиц солнечного ветра и прочих дополнительных источников магнетизма (причем их средняя доля не так уж мала, порядка нескольких процентов). Чем точнее прибор, тем лучше он это делает — и потому все больше затрудняет выделение истинного геомагнитного поля (его называют главным), источник которого находится в земных глубинах. Поэтому координаты полюса, определенные с помощью прямого измерения, не отличаются стабильностью даже в течение короткого отрезка времени.
Можно действовать иначе и установить положение полюса на основании тех или иных моделей земного магнетизма. В первом приближении нашу планету можно считать геоцентрическим магнитным диполем, ось которого проходит через ее центр. В настоящее время угол между нею и земной осью составляет 10 градусов (несколько десятилетий назад он был больше 11 градусов). При более точном моделировании выясняется, что дипольная ось смещена относительно центра Земли в направлении северо-западной части Тихого океана примерно на 540 км (это эксцентрический диполь). Есть и другие определения.
Но это еще не все. Земное магнитное поле реально не обладает дипольной симметрией и потому имеет множественные полюса, причем в огромном количестве. Если считать Землю магнитным четырехполюсником, квадруполем, придется ввести еще два полюса — в Малайзии и в южной части Атлантического океана. Октупольная модель задает восьмерку полюсов и т. Современные наиболее продвинутые модели земного магнетизма оперируют аж 168 полюсами. Стоит отметить, что в ходе инверсии временно исчезает лишь дипольная компонента геомагнитного поля, а прочие изменяются много слабее.
Магнитный полюс, как его ни определяй, не стоит на месте. Северный полюс геоцентрического диполя в 2000 году имел координаты 79,5 N и 71,6 W, а в 2010-м — 80,0 N и 72,0 W. Истинный Северный полюс (тот, который выявляют физические замеры) с 2000 года сместился с 81,0 N и 109,7 W к 85,2 N и 127,1 W. В течение почти всего ХХ века он делал не более 10 км в год, но после 1980 года вдруг начал двигаться гораздо быстрее. В начале 1990-х годов его скорость превысила 15 км в год и продолжает расти.
Как рассказал «Популярной механике» бывший руководитель геомагнитной лаборатории канадской Службы геологических исследований Лоуренс Ньюитт, сейчас истинный полюс мигрирует на северо-запад, перемещаясь ежегодно на 50 км. Если вектор его движения не изменится в течение нескольких десятилетий, то к середине XXI столетия он окажется в Сибири. Согласно реконструкции, выполненной несколько лет назад тем же Ньюиттом, в XVII и XVIII веках северный магнитный полюс преимущественно смещался на юго-восток и лишь примерно в 1860 году повернул на северо-запад. Истинный южный магнитный полюс последние 300 лет движется в эту же сторону, причем его среднегодичное смещение не превышает 10–15 км.
Откуда вообще у Земли магнитное поле? Одно из возможных объяснений просто бросается в глаза. Земля обладает внутренним твердым железо-никелевым ядром, радиус которого составляет 1220 км. Поскольку эти металлы ферромагнитны, почему бы не предположить, что внутреннее ядро имеет статическую намагниченность, которая и обеспечивает существование геомагнитного поля? Мультиполярность земного магнетизма можно списать на несимметричность распределения магнитных доменов внутри ядра. Миграцию полюсов и инверсии геомагнитного поля объяснить сложнее, но, наверное, попытаться можно.
Однако из этого ничего не получается. Все ферромагнетики остаются таковыми (то есть сохраняют самопроизвольную намагниченность) лишь ниже определенной температуры — точки Кюри. Для железа она равна 768°C (у никеля много ниже), а температура внутреннего ядра Земли значительно превышает 5000 градусов. Поэтому с гипотезой статического геомагнетизма приходится расстаться. Однако не исключено, что в космосе имеются остывшие планеты с ферромагнитными ядрами.
Рассмотрим другую возможность. Наша планета также обладает жидким внешним ядром толщиной приблизительно в 2300 км. Оно состоит из расплава железа и никеля с примесью более легких элементов (серы, углерода, кислорода и, возможно, радиоактивного калия — в точности не знает никто). Температура нижней части внешнего ядра почти совпадает с температурой внутреннего ядра, а в верхней зоне на границе с мантией понижается до 4400°C. Поэтому вполне естественно предположить, что благодаря вращению Земли там формируются круговые течения, которые могут оказаться причиной возникновения земного магнетизма.
Именно такую схему ученые-геофизики обсуждали лет 80 назад. Они считали, что потоки проводящей жидкости внешнего ядра за счет своей кинетической энергии порождают электрические токи, охватывающие земную ось. Эти токи генерируют магнитное поле преимущественно дипольного типа, силовые линии которого на поверхности Земли вытянуты вдоль меридианов (такое поле называется полоидальным). Этот механизм вызывает ассоциацию с работой динамо-машины, отсюда и произошло его название.
Описанная схема красива и наглядна, но, к сожалению, ошибочна. Она основана на предположении, что движение вещества внешнего ядра симметрично относительно земной оси. Однако в 1933 году английский математик Томас Каулинг доказал теорему, согласно которой никакие осесимметричные потоки не способны обеспечить существование долговременного геомагнитного поля. Даже если оно и появится, то век его окажется недолог, вдесятки тысяч раз меньше возраста нашей планеты. Нужна модель посложнее.
«Мы не знаем точно, когда возник земной магнетизм, однако это могло произойти вскоре после формирования мантии и внешнего ядра, — говорит один из крупнейших специалистов по планетарному магнетизму, профессор Калифорнийского технологического института Дэвид Стивенсон. — Для включения геодинамо требуется внешнее затравочное поле, причем не обязательно мощное. Эту роль, к примеру, могло взять на себя магнитное поле Солнца или поля токов, порожденных в ядре за счет термоэлектрического эффекта. В конечном счете это не слишком важно, источников магнетизма хватало. При наличии такого поля и кругового движения потоков проводящей жидкости запуск внутрипланетной динамомашины становился просто неизбежным».
Вот общепринятое объяснение такого запуска. Пусть для простоты затравочное поле почти параллельно оси вращения Земли (на самом деле достаточно, если оно имеет ненулевую компоненту в этом направлении, что практически неизбежно). Скорость вращения вещества внешнего ядра убывает по мере уменьшения глубины, причем из-за его высокой электропроводности силовые линии магнитного поля движутся вместе с ним — как говорят физики, поле «вморожено» в среду. Поэтому силовые линии затравочного поля будут изгибаться, уходя вперед на больших глубинах и отставая на меньших. В конце концов они вытянутся и деформируются настолько, что дадут начало тороидальному полю, круговым магнитным петлям, охватывающим земную ось и направленным в противоположные стороны в северном и южном полушариях. Этот механизм называется w-эффектом.
По словам профессора Стивенсона, очень важно понимать, что тороидальное поле внешнего ядра возникло благодаря полоидальному затравочному полю и, в свою очередь, породило новое полоидальное поле, наблюдаемое у земной поверхности: «Оба типа полей планетарного геодинамо взаимосвязаны и не могут существовать друг без друга».
15 лет назад Гэри Глатцмайер вместе с Полом Робертсом опубликовал очень красивую компьютерную модель геомагнитного поля: «В принципе для объяснения геомагнетизма давно имелся адекватный математический аппарат — уравнения магнитной гидродинамики плюс уравнения, описывающие силу тяготения и тепловые потоки внутри земного ядра. Модели, основанные на этих уравнениях, в первозданном виде очень сложны, однако их можно упростить и адаптировать для компьютерных вычислений. Именно это и проделали мы с Робертсом. Прогон на суперкомпьютере позволил построить самосогласованное описание долговременной эволюции скорости, температуры и давления потоков вещества внешнего ядра и связанной с ними эволюции магнитных полей. Мы также выяснили, что если проигрывать симуляцию на временных промежутках порядка десятков и сотен тысяч лет, то с неизбежностью возникают инверсии геомагнитного поля. Так что в этом отношении наша модель неплохо передает магнитную историю планеты. Однако есть затруднение, которое пока еще не удалось устранить. Параметры вещества внешнего ядра, которые закладывают в подобные модели, все еще слишком далеки от реальных условий. Например, нам пришлось принять, что его вязкость очень велика, иначе не хватит ресурсов самых мощных суперкомпьютеров. На самом деле это не так, есть все основания полагать, что она почти совпадает с вязкостью воды. Наши нынешние модели бессильны учесть и турбулентность, которая несомненно имеет место. Но компьютеры с каждым годом набирают силу, и лет через десять появятся гораздо более реалистичные симуляции».
«Работа геодинамо неизбежно связана с хаотическими изменениями потоков железо-никелевого расплава, которые оборачиваются флуктуациями магнитных полей,– добавляет профессор Стивенсон. — Инверсии земного магнетизма — это просто сильнейшие из возможных флуктуаций. Поскольку они стохастичны по своей природе, вряд ли их можно предсказывать заранее — во всяком случае мы этого не умеем».
Магнитное поле Земли слабеет
Магнитное поле Земли представляет из себя настоящую защиту планетарного масштаба, которая надежно оберегает нас от вредного солнечного излучения. Несмотря на это, недавние исследования ученых зафиксировали его существенное ослабление, вызванное неизвестными причинами. Исследователями был также обнаружен возможный источник возникновения данной проблемы, которой стала так называемая Южно-атлантическая аномалия. В этой области планеты солнечные частицы опускаются ближе к Земле, чем обычно, что никак не увязывается со стандартными законами физики.
Важно понимать, что даже если магнитное поле постепенно ослабевает, оно не исчезнет навсегда из-за оказываемого влияния расплавленного внешнего ядра Земли, которое состоит преимущественно из никеля и железа. Ученые считают, что внешнее ядро двигается за счет конвекции тепла, которое выделяется по мере роста и затвердевания центра планеты. Такой двигатель с магнитным полем известен нам как динамо-механизм и работает уже миллиарды лет. Ученые предполагают, что нынешняя структура ядра установилась около 1,5 миллиардов лет назад, однако геофизик Джон Тардуно и его команда нашли доказательства существования магнитного поля на Земле в древнейших минералах планеты, так называемых цирконах, которые появились 4,2 миллиарда лет назад. Данная находка позволяет предположить, что активность в ядре планеты создавала магнетизм в течение очень долгого времени.
Ученые предполагают, что изменение мантии под Южной Африкой могло вызвать инверсию магнитного поля. По результатам исследования, к 2019 году полюс сместился более чем на 2300 км, по сравнению с измерениями 1831 года. Помимо смещения магнитного полюса, увеличивается и скорость перемещения: с 15 км до 55 км в год. Такое быстрое движение вынуждает нас чаще корректировать навигационные системы, например, компасы в смартфонах или системы навигации самолетов и кораблей. Но даже в том случае, если магнитное поле готовится к глобальному перевороту, оно не исчезнет полностью, а лишь значительно ослабнет.
Несмотря на то, что ослабление магнитного поля повлечет за собой мощную бомбардировку земной атмосферы солнечными заряженными частицами, ощутить на себе их вредное воздействие мы попросту не успеем. Так, в первую очередь, нас чаще будут подводить компасы, которые перестанут выполнять свою функцию и будут показывать на область самого высокого магнитного поля, которое может оказаться совсем рядом с нами. Северное и южное сияние было бы видно из более низких широт, ведь их возникновение происходит в результате взаимодействия заряженных солнечных частиц и магнитосферы Земли.
Влияние южно-атлантической аномалии на спутники может распространиться по всей Земле, что приведет к техническим сбоям планетарного масштаба. В момент взаимодействии ионосферы и солнечных частиц, последние также выделяют электроны из своих молекулярных орбит. Новообразованные электроны оказывают негативное влияние при передаче высокочастотных радиоволн, которые в настоящее время используются для связи.
Если вам нравится данная статья, приглашаю вас присоединиться к нашему официальному каналу на Яндекс. Дзен, где вы сможете найти еще больше полезной информации из мира популярной науки и техники.
Вместе с тем, исследователи точно не знают, сколько же именно времени может потребоваться для полного разрушения магнитного поля планеты. Аналогичный процесс однажды происходил на Марсе, который приблизительно 4 миллиарда лет назад столкнулся с массивным космическим телом и потерял возможность вырабатывать собственное магнитное поле и, как следствие, большую часть атмосферы. Пример Марса может показать нам процессы, которые испытывает на себе планета при постепенном разрушении на ней магнитного поля. Так, долговременное воздействие солнечного излучения и земной атмосферы может постепенно разрушить нашу основную защиту — озоновый слой. Существенное нарушение внутри этого слоя способно значительно повысить уровень воздействия ультрафиолетового излучения на человека, что повлечет за собой увеличение риска возникновения рака кожи.
От гипотезы Лармора – к теории динамо
Проблема происхождения геомагнитного поля — проблема давняя. В свое время появилось много различных гипотез, пытающихся объяснить его причину, но все они были отвергнуты, за исключением одной. Согласно этой гипотезе, которой теперь придерживается большинство исследователей, магнитное поле Земли создается в планетном ядре механизмом гидромагнитного динамо. Теория, развивающаяся на основе этой гипотезы, необычайно интересна, и задачи, возникающие при ее разработке, представляют собой замечательное сочетание математических и физических проблем. В чем же суть механизма гидромагнитного динамо?
Исходную идею, давшую толчок развитию теории, высказал известный английский физик Дж. Лармор еще в 1919 году. Если жидкое проводящее вещество земного ядра находится в движении, то там может генерироваться электрический ток, а следовательно, создается и магнитное поле. Это предположение основано на аналогии между земным ядром и хорошо известной инженерам динамомашиной с самовозбуждением. В принципе она тоже представляет собой систему движущихся проводников и без каких-либо внешних «затравочных» полей создает ток и магнитное поле.
Здесь проявляется электромагнитная индукция: при движении проводника в магнитном поле генерируется электродвижущая сила индукции, пропорциональная векторному произведению скорости движения на магнитное поле. Эта электродвижущая сила вызывает электрический ток, создающий магнитное поле. Суть гипотезы заключается в том, что предполагается возможность самоподдержания поля, когда генерируемый в поле ток создает то самое поле, в котором он генерируется.
Гипотеза Лармора как будто бы выглядела просто, но довольно долго ее не могли ни подтвердить, ни опровергнуть. Развитие теории пошло сначала по линии кинематической теории динамо, в которой наличие некоторой скорости вещества предполагается заранее и решается вопрос о самоподдержании магнитного поля.
Первый серьезный успех в теории динамо был достигнут в 1934 году, когда Т. Каулинг доказал свою знаменитую теорему запрета: осесимметричное гидромагнитное динамо не способно «работать» — в простой симметричной системе нет самоподдержания поля. Этот отрицательный результат сразу же показал, что теория не может быть простой. Нужно было решать уравнение индукции для магнитного поля — сложное уравнение математической физики, причем надо было искать трехмерные решения сложного вида. Осуществить это было трудно, и появились даже сомнения, можно ли здесь вообще что-либо сделать. Поэтому в теории гидромагнитного динамо приобрела большой интерес теорема существования решения — ситуация, которая в физике бывает нечасто. (Теоремами существования в физике обычно не занимаются: как правило, известно, что решение существует, нужно только найти его
Довольно долго задачу о самоподдержании поля не удавалось решить. Попытки ее численного решения давали своеобразный результат. С помощью компьютера получалось некоторое приближенное решение в виде рядов конечной длины. По мере того, как совершенствовались вычислительные компьютеры, ряды удавалось продлевать. Но при этом обнаруживалось: то, что раньше считалось решением, в действительности представляло собой лишь начальные члены расходящегося ряда. Дальнейшее усовершенствование численного счета опять, таки давало лишь кажущееся решение. Был даже период опасений, что существует некая супертеорема запрета, «закрывающая» всю проблему.
Опасения исчезли только тогда, когда были найдены некоторые решения, хотя и искусственные, но зато убедительно показывающие принципиальную возможность работы механизма динамо. Подобрали скорости движения вещества, которые хотя и не соответствовали конкретным процессам в глубине Земли, но математически были удобны. Для частного случая этих движений удалось найти такие решения уравнения индукции, которые соответствуют самоподдержанию магнитного поля.
Через некоторое время появились два подхода к решению проблемы, которые уже имеют общий характер. Один из них становится очевидным, если задать вопрос: поскольку нельзя создать осесимметричное динамо, почему бы не построить динамо с малым отклонением от осевой симметрии? В этом случае появляется возможность найти решение в виде быстро сходящихся рядов. Выяснилось, что сделать это действительно можно, но не всегда, а лишь при соблюдении некоторых требований, которые и дают условия для работы самоподдерживающегося динамо.
Другой успешный подход заключался в том, что рассматривались ситуации, когда в проводящей жидкости происходят мелкомасштабные турбулентные движения. Удалось показать, что усредненное индуктивное действие мелкомасштабных движений определенной (винтовой) структуры способно создавать самоподдерживающееся крупномасштабное магнитное поле. В обоих случаях оказалось, что для эффективного самовозбуждения магнитного поля нужны движения спирального вида.
Модели земного динамо
После того, как эти два подхода были развиты, появилось множество моделей земного динамо. Удалось также усовершенствовать численные методы, так что и на компьютере, наконец, были получены положительные результаты. В теории магнитного поля Земли наступил период оптимизма, даже, может быть, чрезмерного. Стало ясно, например, что имеется очень много различных движений, способных приводить к самовозбуждению магнитного поля. Для выяснения истинной природы земного динамо это не предвещало ничего хорошего — ведь оказалось, что можно построить множество разных моделей, которые дают на поверхности Земли магнитное поле, похожее на существующее в действительности.
Сейчас выделяют два основных типа моделей динамо — модели со слабым и модели с сильным полем. Наличие этих двух типов моделей связано с тем, что не все поле, генерируемое в ядре Земли, проявляется на ее поверхности. Здесь наблюдается магнитное поле напряженностью около 0,5 Гс, его экстраполяция внутрь Земли дает поле, составляющее несколько гаусс. Если отсутствует магнитное поле какой-либо другой природы, то все компоненты поля, даже усиленные движением жидкости, имеют одинаковый порядок величины, скажем, около десяти гаусс. Это — «динамо со слабым полем».
Модели другого типа основаны на том, что внутри ядра, кроме поля, которое проявляется снаружи и наблюдается нами, может быть еще и замкнутое кольцеобразное поле. «Спрятанное» внутри ядра, оно совсем не выходит наружу, подобно полю замкнутого соленоида. Обычно в таких моделях кольцевое поле на полтора-два порядка больше, чем экстраполированное, и модели эти называют «динамо с сильным полем». И хотя энергия, необходимая для поддержания механизма генерации в этих моделях, различается на три-четыре порядка, и те, и другие могут давать поля, которые снаружи выглядят похожими на фактически наблюдаемое.
Механизмы генерации в моделях со слабым и в моделях с сильным полем различны. Винтовые вихри могут генерировать и меридиональное магнитное поле Земли из кольцевого, и кольцевое магнитное поле из меридионального. В результате такой генерации возникает динамо со слабым полем. Если, однако, в ядре имеется быстрое неоднородное вращение, то его действие оказывается гораздо эффективнее, чем действие вихрей. В этом случае винтовые вихри генерируют меридиональное поле из кольцевого, а неоднородное вращение создает гораздо более сильное кольцевое поле из меридионального, и получается динамо с сильным полем. При большом числе очень мелких вихрей создается мелкомасштабное динамо, а при небольшом числе крупных вихрей — крупномасштабное.
Другой признак, по которому различают модели динамо,— это масштаб генерирующих движений (с ним обычно связана и степень их упорядоченности). В одних моделях поле генерируется крупномасштабными упорядоченными движениями, а в других — мелкомасштабными турбулентными, причем и те, и другие модели могут быть как с сильным, так и со слабым магнитным полем.
Дальнейшее развитие теории земного динамо связано с переходом от кинематической теории динамо к полной теории, где кроме закона электромагнитной индукции используются также законы механики и термодинамики земного ядра.
«Двигатель» земного динамо
Кинематическую теорию динамо, в которой скорость жидкости считается заданной и используется только уравнение индукции, определяющее магнитное поле, можно назвать теорией земной «динамомашины». Необходима, однако, также и теория «двигателя», приводящего ее в движение. Совместно они образуют полную теорию гидромагнитного динамо Земли.
Для описания «двигателя» используется гидродинамическое уравнение движения жидкости, представляющее собой, по существу, примененный к жидкости второй закон Ньютона. На жидкость в земном ядре кроме силы гидростатического давления и силы вязкости действуют и более специфические силы. К ним относятся, во-первых, сила Кориолиса, связанная с суточным вращением Земли вокруг своей оси, во-вторых, сила, действующая со стороны магнитного поля на токи, текущие в земном ядре, и, наконец, сила Архимеда, которая вызывается влиянием гравитационного поля Земли на неоднородности плотности вещества ядра. (Эти неоднородности могут создаваться разностями температуры в ядре — более нагретые области имеют меньшую плотность из-за теплового расширения вещества, а также неоднородностями химического состава — области с повышенной концентрацией легких примесей имеют меньшую плотность
Именно сила Архимеда может вызвать конвекцию в ядре. Действие силы Архимеда и вызываемую ею тепловую конвекцию легко наблюдать, например, в сосуде с кипящей водой. Видны всплывающие струи более нагретой жидкости и опускающиеся струи менее нагретой. Другой пример — струи теплого воздуха и образующиеся в них смерчи в жаркий летний день. В действительности, циркуляция атмосферы и океана, ветры и морские течения, движения воздушных масс, определяющие погоду планеты,— все это приводится в движение силой Архимеда. Эта же сила заставляет двигаться и жидкость в земном ядре.
Кориолисова сила играет другую важную роль — она влияет на форму движения жидкости. Эта сила направлена всегда перпендикулярно скорости движения жидкости, поэтому она «закручивает» жидкие струи и способствует возникновению спиральных течений, что как раз и требуется для механизма самовозбуждения магнитного поля в динамо. Наконец, магнитная сила мала, пока мало само магнитное поле, но если благодаря эффективному самовозбуждению в динамо поле становится большим, то становится большой и магнитная сила (она пропорциональна квадрату величины поля). При этом магнитная сила оказывает на движение, которым возбуждается поле, обратное тормозящее действие и, частично ослабляя генерацию поля, приводит всю систему в некоторое равновесие. В равновесном состоянии работа силы Архимеда расходуется на преодоление диссипации энергии в динамо. Такое «распределение ролей», конечно, весьма схематично и лишь грубо отражает разнообразное действие основных трех сил в земно динамо.
Полная теория земного динамо включает также уравнения, описывающие перенос тепла и примесей в ядре. Ведь от температуры и концентрации примесей зависит плотность вещества в том или ином месте ядра, а следовательно, и действующая там сила Архимеда.
Совместное действие многих различных сил, перенос тепла и примесей, зависящий от движения и сам влияющий на движение,— все это делает полную теорию земного динамо весьма сложной. Сложность усугубляется еще и тем, что в ядре одновременно происходят движения и существуют поля различных пространственных и временных масштабов, к тому же важную роль там играет турбулентность весьма необычного вида. Естественно, что в такой системе возникает много интересных новых физических эффектов, необычных движений.
Например, показано, что в земном ядре могут существовать волновые движения нового типа. Эти движения названы МАК-волнами, потому что в них существенную роль играют все три силы: сила, действующая на жидкость со стороны магнитного поля, сила Архимеда и сила Кориолиса. Полная теория земного динамо сейчас активно развивается, несмотря на серьезные трудности.
