Магнитное поле нашими органами эмоций не регится — оно неосязаемо, невидимо, неслышимо, не имеет вкуса и аромата. Хотя население земли стало использовать его за длительное время до того, как выяснило о самом его существовании. Измеренное тыщи раз на всех материках и океанах, разложенное на составляющие, пронизывающее все сущее на земле, магнитное поле как и раньше хранит внутри себя массу загадок, ожидающих будущих исследователей. Одна из самых заветных загадок нашей планетки — природа земного магнетизма.
По сопоставлению с магнитными полями, с которыми мы сталкиваемся в ежедневной жизни (сердечники акустических колонок, магнитные импульсы переменного тока в бытовых устройствах, лампы, полосы электропередач и др.), магнитное поле Земли относится к уровню очень слабеньких полей. Так, например, магнитный элемент защелки книжного шкафа делает магнитное поле напряженностью 5—10 эрстед, в то время как магнитное поле Земли изменяется в границах от 0,3 до 0,7 эрстед от экватора до полюса. Все же это, так называемое главное геомагнитное, поле, имеющее планетарную природу, существует на Земле везде. Некие его элементы люди научились определять еще до открытия самого магнитного поля. Так, 1-ые карты магнитного склонения, доставлявшего столько бед мореплавателям древности, появились еще посреди XVI века.
Понимание того факта, что магнитные полюса не совпадают с географическими, расставило все по своим местам и позволило осознать, что склонение — это угол меж направлением на север и магнитным меридианом, повдоль которого устанавливается стрелка компаса. Настолько же издавна измеряется и величина наклонения — угла меж горизонтальной плоскостью и магнитной стрелкой.
Сейчас магнитное поле на поверхности нашей планетки исследовано довольно тщательно. Оказалось, что оно никак не повсевременно, а безпрерывно изменяется. Круглый год сотки магнитных обсерваторий, 10-ки особых судов и самолетов, бессчетные отряды магнитологов в самых различных точках земного шара ведут наблюдения за геомагнитным полем. Измеренные его элементы анализируются, обрабатываются, по ним составляют магнитные карты, при помощи которых и изучают пространственное рассредотачивание магнитного поля.
Выяснилось, что магнитное поле подвержено самым различным изменениям. Некие из их являются постоянными и наблюдаются раз в день, а именно так именуемые дневные варианты, для которых свойственны циклические колебания напряженности магнитного поля и магнитного склонения. Более отлично известны и другие варианты — короткопериодические колебания, длительность которых не превосходит нескольких минут, также магнитные бури, чья продолжительность может измеряться днями.
Все эти варианты конкретным образом связаны с деятельностью Солнца. В «спокойные магнитные дни» взаимодействие солнечного ветра с ионосферными токами вызывает плавные, постоянные конфигурации компонент магнитного поля с периодом, близким к 24 часам. Магнитные бури, упомянутые выше, — это нерегулярные спорадические возмущения магнитосферы Земли. Они начинаются в момент, когда резко меняется давление солнечного ветра на магнитосферу и она оказывается не в состоянии «отвести» поток высокоэнергетических частиц от Земли. В итоге они пронизывают ионосферу, нарушая регулярную структуру околоземных электронных токов. Магнитные бури бывают разной интенсивности и продолжительности, но, обычно, полное восстановление «спокойствия» геомагнитного поля происходит через 2—3 суток после начала бури.
В этом случае, если скачок давления (плотность) солнечного ветра не в состоянии «пробить» магнитосферу, то преломления магнитных силовых линий носят локальный нрав и магнитные возмущения обхватывают не весь земной шар, а только некий отдельный район. Такие возмущения именуют суббурями. Они очень нередкие «гости» в северных районах земного шара. Полярные сияния также в большинстве случаев связаны с суббурями.
В течение года наблюдается два периода резкого увеличения магнитной активности — это периоды вешнего и осеннего солнцестояния, другими словами март и сентябрь. В это время количество магнитных бурь существенно растет. Если в среднем за месяц происходит 1—2 магнитные бури, то в марте и сентябре их число растет в пару раз, при этом осенний пик магнитной активности более энергичный — осенью количество магнитных бурь больше, чем весной, и может доходить до 7—8 за месяц.
Очень сильное воздействие оказывает на частоту появления бурь глобальный 11-летний цикл солнечной активности, который почти во всем определяет все природные процессы на Земле. Кстати, 2003-й — год максимума солнечной активности, и потому значимого роста количества магнитных бурь можно ждать в течение всего года.
Кроме таких краткосрочных колебаний магнитного поля есть и еще более неспешные, плавные конфигурации его характеристик, с периодом в несколько сотен лет. Они связаны с процессами, происходящими снутри Земли, и названы вековыми вариантами. Вековые варианты можно уподобить дыханию магнитного поля — в каждой точке земной поверхности временами изменяется направление магнитного поля, не остается неизменной и величина намагниченности планетки в целом. История постоянных магнитных наблюдений насчитывает немногим более 100 лет, потому сведения о вековых вариациях, приобретенные на базе этих измерений, естественно, не были бы полными. Длительное время казалось, что любые пробы магнитологов заглянуть в отдаленное прошедшее нашей планетки, узнать, как изменялось со временем ее магнитное поле, обречены на провал. Но сама Природа запасла для людей восхитительную подсказку, которая посодействовала разрешить одну из более коварных загадок эволюции Земли.
Посреди XIX века было найдено явление термоостаточного намагничивания лав — палеомагнетизм. Равномерно, шаг за шагом, ученые установили, что носителями старого геомагнитного поля могут быть горные породы самого различного происхождения, как магматические, так и осадочные. Оказалось, что излившиеся во время извержений вулканов в виде лавы горные породы владеют умопомрачительной способностью хранить внутри себя информацию о магнитном поле Земли. Породы, нагретые до температуры 500—700°С, по мере остывания получают намагниченность, величина и направление которой соответствуют магнитному полю Земли, действовавшему на породу во время остывания. Эта намагниченность сохраняется в течение миллионов лет и, как будто магнитофонная лента, доносит до нас свидетельства из отдаленного прошедшего планетки. Определив геологическими способами возраст лавовых образований и «прочитав» лежащую в их палеомагнитную информацию, можно доподлинно вернуть историю магнитного поля Земли.
Палеомагнитные исследования выявили неоспоримые свидетельства многократных инверсий (воззваний полюсов) геомагнитного поля в прошлые эры. Оказалось, что магнитные полюса не раз изменялись местами. Благодаря достижениям физиков, разработавших способы определения абсолютного возраста горных пород, у палеомагнитологов появилась возможность не только лишь фиксировать главные действия в истории геомагнитного поля (сначала инверсии), да и найти их продолжительность и абсолютное время начала и окончания инверсий — другими словами сделать шкалу времени (временную шкалу) инверсий геомагнитного поля. Магнитологи именуют такую шкалу магнитохронологической.
1-ая схожая шкала была достаточно «куцей» — обхватывала период только в 3,5 млн. лет и не отличалась большой детальностью. Дело в том, что лавы в большинстве собственном извергались исключительно в определенные тектономагматические эры, в сравнимо узеньком временном интервале. А поэтому стало ясно, что, исследуя только лавы вулканических извержений, «прочесть» всю историю магнитного поля Земли не получится.
Ситуация поменялась конструктивным образом, как начались масштабные исследования магнитного поля океанов. 1-ые же непрерывные измерения повдоль линий, пересекающих Атлантический океан, выявили резкие отличия в строении магнитного поля океана по сопоставлению с сушей. Итог оказался воистину сенсационным. Выяснилось, что заместо сложной формы магнитных аномалий на суше, которая очень изменяется от района к району, океанические магнитные аномалии во всех океанах имеют постоянный, периодический нрав.
Магнитное поле Мирового океана представляет собой параллельные полосы с чередующимся направлением намагниченности горных пород — оно попеременно то совпадает с направлением современного магнитного поля (ровная намагниченность), то прямо ему обратно (оборотная намагниченность). Эти аномалии протягиваются на тыщи км, время от времени без всяких искажений. К примеру, в Атлантическом океане они выслеживаются от Исландии до мыса Горн.
Океанические аномалии имеют огромную интенсивность и большие размеры. Но, пожалуй, более поразительной чертой этих магнитных полос является их зеркальная симметрия относительно срединно-океанического хребта, другими словами неважно какая положительная либо отрицательная аномалия с одной стороны хребта непременно имеет собственного «близнеца» — с другой. При этом размещены аномалии-«близнецы» от оси хребта на схожем расстоянии.
Геофизики-магниторазведчики, привыкшие разъяснять аномалии магнитного поля особенностями геологического строения и вещественного состава горных пород в районе исследовательских работ, были в недоумении: обычные, отлично разработанные для суши модели и схемы приложительно к океану не «работали». Вобщем, разъяснения этого парадокса не принудили себя ожидать — произошедшая в геологии революция построила на пьедестал наук о Земле глобальную тектонику литосферных плит. Она и преподнесла магнитологам воистину неоценимый дар — возможность изучить историю геомагнитного поля за всегда существования океанов.
Совместными усилиями палеомагнитологов и морских магнитометристов была сотворена детальнейшая магнитохронологическая шкала — история инверсий геомагнитного поля за 4 млрд лет. При этом довольно легко беглого взора на эту шкалу для того, чтоб увидеть, что жизнь магнитного поля Земли — довольно бурная.
Магнитные полюса нашей планетки временами изменяются местами — происходит инверсия магнитного поля. Южный магнитный полюс становится Северным, и напротив. В такие периоды направление магнитного поля оказывается обратным современному. Процесс «ротации» полюсов занимает более 10 тыщ лет. И невзирая на большие заслуги магнитологии и геофизики последних десятилетий, предпосылки схожих трансформаций все еще остаются загадкой.
Вобщем, периодические детальные исследования инверсий позволили высказать предположение о том, что, может быть, существует связь меж повторяющейся сменой растительного и животного мира на Земле и повторяющимися переменами магнитного поля. Многие исследователи считают, что в период смены полярности магнитное поле очень значительно слабеет либо даже исчезает совсем, а Земля в это время остается беззащитной перед потоками галлактического излучения, которое оказывает колоссальное воздействие на биосферу планетки. Более же смелые догадки связывают со сменой полярности магнитных полюсов даже возникновение человека.
Как справедливы те либо другие догадки, гласить пока заблаговременно. Непременно одно — само существование жизни на нашей планетке нереально без магнитного поля, защищающего все живое от гибельного воздействия галлактических излучений.
Происхождение поля
C момента превосходной гипотезы основоположника магнитологии Уильяма Гильберта, высказавшего предположение о том, что сама Земля является магнитом, прошло уже более 400 лет, но до сего времени население земли сумело выработать только более либо наименее достоверную догадку, объясняющую механизм появления геомагнитного поля. На сегодня этот механизм более много обрисовывает модель самовозбуждающегося динамо, «работающего» во наружном ядре Земли. С развитием геофизических способов исследовательских работ появилась возможность заного посмотреть на внутреннее строение нашей планетки. А именно, выяснилось, что наружняя оболочка ядра находится в водянистом состоянии. Это событие, по воззрению большинства ученых, и является ключом к осознанию природы земного магнетизма. Распад радиоактивных частей снутри ядра приводит к разогреву его вещества, в то время как наружняя оболочка сохраняет несколько более низкую температуру. Естественно, при всем этом появляются конвективные потоки — прохладные массы с периферии ядра стремятся опуститься к его центру, а им навстречу из глубины ядра подымается горячее вещество.
Вращение Земли по-разному сказывается на скорости движения масс в ядре. При этом на наружной оболочке вещество перемещается резвее, чем в глубине ядра, потому жидкость, поднимающаяся от центра ядра, тормозит его периферийные слои, а нисходящие прохладные потоки, напротив, докладывают ускорение внутренним слоям. Из-за этого внутренняя часть ядра крутится резвее наружной и в итоге формируется подобие динамомашины, в какой происходит самовозбуждение электронных токов, создающих магнитное поле нашей планетки.
История вопроса
Знакомство человека с необычными качествами земного магнетизма состоялось еще на заре исторического времени. Уже в древнюю эру людям был известен магнитный железняк — магнетит. А вот кто и когда обусловил, что природные магниты всегда ориентируются идиентично в пространстве по отношению к географическим полюсам Земли, точно непонятно. В китайских трактатах, датированных XII веком до н. э., встречаются куски, которые можно объяснить как свидетельства внедрения компаса для целей навигации. 1-ые из узнаваемых описаний компаса появились в Китае только спустя 23 столетия — в XI, а в Европе еще позднее — в XII веке. Первым же достоверным сообщением о магнитном компасе, показавшемся в Европе, мы должны британскому монаху Александру Некэму. Он около 1187 года обрисовал устройство, состоящее из стрелки, указывающей направление, при этом в его компасе стрелка плавала, а не была подвешена на нити. Очередной принципиальной вехой в истории геомагнетизма является письмо, написанное в 1269 году Пьером де Мерикуром. В этом послании, а именно, говорилось, что природный магнит имеет два полюса и что полюсы эти стремятся установиться повдоль географического меридиана, указывая на полюса Земли — северный и южный. Но в 1544 году Гартман, пастор из Нюрнберга, установил, что направление на географический и на магнитный полюсы отличаются, при этом угол меж этими направлениями (склонение) находится в зависимости от координат места наблюдений.
Последующий важный шаг сделал Роберт Норман, открывший очередной параметр геомагнитного поля, а конкретно — наклонение. Норман нашел, что свободно подвешенная стрелка магнита не только лишь устанавливается по направлению магнитных полюсов, да и наклоняется по отношению к горизонтальной плоскости. Благодаря этому наблюдению Норман сделал воистину базовый вывод о том, что источник силы, направляющей стрелку, размещен снутри Земли, а не во вне ее.
В 1600 году Уильям Гильберт, личный доктор британской императрицы Елизаветы I, на базе собственных нескончаемых опытов, которым он предназначил всю жизнь, пришел к мысли о том, что огромным магнитом является сама Земля.
XVII столетие ознаменовалось новыми открытиями в области геомагнетизма. И самым восхитительным из их можно считать открытие явления «векового хода». Эдмунд Галлей, царский астролог при Британском дворе, произведя бессчетные повторные измерения склонения как в Лондоне, так и в других пт, обосновал, что оно подвержено периодическим закономерным изменениям.
В XVIII — XIX веках неуввязками геомагнетизма занимались такие выдающиеся ученые-энциклопедисты, как Гумбольдт, Гей-Люссак, Максвелл и Гаусс. Посреди проектов, организованных Гауссом и Гумбольдтом, был, а именно, беспримерный по масштабам в истории геомагнетизма «Геттингенский союз». В рамках этого проекта в 50 точках земного шара в протяжении 5 лет (с 1836 по 1841 год) в течение 28 интервалов времени проводились одновременные измерения геомагнитного поля.
Сначала XX века, в 1909 году, на воду была спущена плавучая магнитная лаборатория — яхта «Карнеги», принадлежавшая Отделу земного магнетизма Института Карнеги в Вашингтоне. На ней в течение практически 20 лет выполнялись измерения магнитного поля в самых различных точках Мирового океана, а в 1953 году в собственный 1-ый рейс отправилась русская немагнитная шхуна «Заря», которая за три 10-ка лет неизменных экспедиций прошла все океаны, оставив за бортом 350 тыщ морских миль.
В 1947 году русским физиком Я.И. Френкелем для разъяснения обстоятельств появления магнитного поля была предложена догадка земного динамо, потом развитая и значительно дополненная другими учеными и превратившаяся в стройную теорию происхождения геомагнитного поля.
Эпохальным событием в истории магнитологии стало разъяснение природы магнитных аномалий океана. Честь этого открытия принадлежит двум ученым — Д. Метьюзу и Ф. Вайну. В собственной единственной совместной статье, размещенной в 1963 году в журнальчике «Nature» под заглавием «Магнитные аномалии над океаническими хребтами», они предложили модель, которая разъясняла все главные особенности океанических магнитных аномалий с необычной легкостью и изяществом. Эта работа и легла в базу всех современных исследовательских работ геомагнитного поля.
История на деньке океана
Как были сформулированы главные постулаты теории литосферных плит, стало ясно, что дно океана — это превосходный носитель инфы об инверсиях магнитного поля за многие миллионы лет.
Вправду, согласно тектонике литосферных плит — восходящие конвективные потоки мантии приподнимают литосферу и, раздвигая ее, образуют срединно-океанические хребты, через трещинкы в каких изливаются базальтовые лавы. Магма же, заполнив трещинку в срединно-океаническом хребте, остывает и преобразуется в кристаллическую горную породу — таким макаром разрастается и повсевременно обновляется океаническая литосфера. Ее формирование нереально без неизменной подпитки расплавами горных пород, поднимающимися из земных недр. А это означает, что в процессе остывания и кристаллизации изверженные расплавы безизбежно «запишут» всю информацию о магнитном поле Земли.
Таким макаром, дно океана представляет собой огромный «конвейер», две ленты которого передвигаются с схожей скоростью — от оси срединно-океанического хребта к берегам материков. Так, в Атлантическом океане одна лента сборочного потока движется от оси Срединно-Атлантического хребта к берегам Южноамериканского материка, а 2-ая — к Европе и Африке. Состоят эти ленты из изверженных горных пород, которые подымаются из глубин Земли в осевой части хребта поначалу в расплавленном состоянии. У поверхности дна океана они, соприкасаясь с морскими водами, затвердевают и начинают свое движение в сторону материков, при этом поднявшийся из глубин блок горных пород раскалывается надвое повдоль оси хребта и любая из половинок движется к «своему» берегу.
Таким макаром, расплавленные горные породы, поднимаясь ввысь по каналам к трещинкам в оси срединно-океанического хребта, остывают и намагничиваются в согласовании с направлением и величиной геомагнитного поля тогда. А литосферные плиты разъезжаются от оси срединно-океанического хребта, унося на собственных «спинах» свидетельства инверсий геомагнитного поля.
Пожалуй, важнейшим следствием этой модели явилось понимание того факта, что непрерывная последовательность магнитных аномалий от оси хребта до окраин материка — есть не что другое, как законченная, полная история инверсий геомагнитного поля за всегда жизни океанов.
Миша Лейбов
