Наука и техника, 2007 № 10 (17) - [12]
“Опять пугают, — вздохнет читатель. — Конец света, удар кометы, ядерная зима, терроризм, экстремизм, а теперь еще и инверсия!” Почему-то вспомнилась Анна Ахматова: “Конец света уже наступил, только этого никто не заметил”. Но как не заметить скоротечной инверсии магнитного поля Земли? Подсолнечная сторона магнитосферы, которую сдерживают канаты силовых линий магнитного поля, вмороженного в протонно-электронную околоземную плазму, утратит свою былую упругость, и на Землю рванет поток смертоносной солнечной и галактической радиации. Уж этого-то никак нельзя будет не заметить.
Штрихкод магнитной летописи
Редкое сочинение по геомагнетизму обходится без упоминания о трактате Вильяма Гильберта, придворного врача английской королевы Елизаветы I, — “О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле”, увидевшем свет в 1600 году. В нем показано, что магнитное поле у Земли такое же, как у магнитного диполя, то есть наша планета представляет собой как бы большую магнитную стрелку. Предваряя напутствием последнюю книгу своего знаменитого трактата, Гильберт писал: “Теперь нам следует раскрыть причины и удивительные, хотя и замеченные раньше, но необъясненные действия всего этого”.
Спустя 400 лет слова Гильберта по-прежнему не потеряли своей актуальности. Загадка геомагнетизма до сих пор не раскрыта и остается одной из важнейших нерешенных фундаментальных проблем геофизики.
Неправильным было бы полагать, что четыре столетия геомагнитологи спали мирным сном. С XVII по XX век было проведено огромное количество наблюдений за магнитным полем Земли, в результате чего выявлены основные закономерности его поведения. Нельзя не отметить огромный вклад таких знаменитых ученых, как Халли Галлей, Александр фон Гумбольдт, Жозеф Гей-Люссак, Джеймс Максвелл, Карл Гаусс.
Особо значимо создание теории электромагнетизма Максвеллом в 70-х годах XIX века. Из его уравнений следует, что магнитное поле порождается электрическим током. Далее, отсюда вытекает эквивалентность замкнутых элементарных токов и магнитных диполей, момент которых называется также магнитным моментом тока. Складываясь, эти величины образуют, например, магнитное поле цилиндрического магнита, которое приближенно совпадает с полем соленоида той же длины и того же сечения. Тем читателям, которые помнят школьный учебник физики А.В. Перышкина, я просто напоминаю прописные истины. За племя молодое отвечать не берусь.
Теперь, переходя к “большому магниту”, дело на первый взгляд представляется за малым: найти внутри планеты токовые системы подходящей конфигурации и силы, создающие на поверхности Земли поле, структуру которого мы хорошо изучили.
Если двигаться внутрь Земли, то, пройдя кору (0—15 км под океанами и 0—50 км под континентами), верхнюю мантию (глубиной до 640 км) и нижнюю мантию (640— 2885 км), мы попадем в огромное жидкое ядро (2885–4590 км), существование которого было установлено в середине XX века Гарольдом Джеффрисом из Кембриджского университета. Именно жидкое состояние значительной части ядра дает объяснение механизма генерации геомагнитного поля. Суть его в том, что постоянное магнитное поле Земли определяется электрическими токами, возникающими при движении проводящей жидкости в ядре. Альтернативы этой теории пока еще не придумали.
Если пойти дальше и попытаться понять суть процессов генерации геомагнитного поля Земли, то самое время привлечь для этой цели механизм динамо. В грубых чертах будем считать, что создание магнитного поля во внешнем жидком ядре Земли происходит так же, как и в динамо-машине с самовозбуждением, где катушка проводов вращается во внешнем магнитном поле. Тогда за счет электромагнитной индукции в катушке возникает электрический ток и создает свое магнитное поле. Оно усиливает внешнее магнитное поле, а ток в катушке тоже увеличивается.
Конечно, жидкое ядро планеты — это не динамо-машина. Но если в жидком проводнике возникает тепловая конвекция, то появляется некая система течений электропроводящей жидкости, что аналогично движению проводника. Не будет грубым насилием над природой предположение о наличии некоторых затравочных магнитных полей в ядре. Значит, когда жидкий проводник при своем относительном движении (а оно связано стем, что ядро вращается не с той же скоростью, что и кора) пересекает силовые линии этих полей, то в нем возникает электрический ток, создающий магнитное поле, которое усиливает внешнее затравочное поле, а это, в свою очередь, усиливает электрический ток и так далее, подобно песне про попа и его собаку, неосторожно съевшую кусок мяса. Процесс будет продолжаться вплоть до установления стационарного магнитного поля, когда различные динамические процессы уравновесят друг друга.
Изложенные идеи источника геомагнитного поля носят название гидромагнитного динамо (ГД) и были впервые высказаны в 1919 году Джозефом Лармором в Англии для объяснения солнечного магнетизма. В середине 40-х годов Я.И. Френкель в СССР и Вальтер Эльзассер в США предположили, что тепловая конвекция в ядре — именно та причина, которая приводит в действие ГД ядра Земли.
