Магнитное поле земли. Притягательная планета Зачем нам магнитное поле Земли
Земли защищает нас от смертельной космической радиации, и без него, как известно, жизнь не могла бы существовать. Движение жидкого железа во внешнем ядре планеты, явление «геодинамо», порождает это поле. Но как оно появилось и после поддерживалось на протяжении всей истории Земли - это загадка для ученых. Новая работа, опубликованная в Nature группой во главе Александром Гончаровым из Университета Карнеги, проливает свет на историю этого невероятно важного геологического образования.
Наша планета сформировалась из твердого материала, который окружал Солнце в его молодости, и со временем самый плотный материал, железо, затонул, опустился глубже, образовав слои, о которых мы знаем сегодня: ядро, мантия, кора. В настоящее время внутреннее ядро представлено твердым железом наряду с другими материалами, которые затянуло во время процесса наслоения. Внешнее ядро представлено сплавом жидкого железа, и его движение порождает магнитное поле.
Более глубокое понимание того, как проводится тепло в твердом внутреннем ядре и жидком внешнем ядре, необходимо, чтобы собрать воедино процессы, благодаря которым наша планета и ее магнитное поле эволюционировали - и, что еще более важно, энергию, поддерживающую постоянное магнитное поле. Но эти материалы, очевидно, существуют лишь при самых экстремальных условиях: при очень высокой температуре и очень высоком давлении. Выходит, на поверхности их поведение будет совершенно другим.
«Мы решили, что будет крайне необходимо напрямую измерить теплопроводность материалов ядра при условиях, соответствующих условиям ядра, - говорит Гончаров. - Потому что, разумеется, мы не можем добраться до ядра Земли и взять себе образцы».
Ученые использовали инструмент под названием ячейка с алмазными наковальнями, чтобы имитировать условия планетарного ядра и изучить, как железо проводит тепло в этих условиях. Ячейка с алмазными наковальнями сжимает крошечные образцы материала между двумя алмазами, создавая экстремальное давление глубин Земли в лаборатории. Лазер нагревает материалы до ядерных температур.
Используя такую «ядерную лабораторию», группе ученых удалось изучить образцы железа при температурах и давлении, которые можно найти внутри планет размерами от Меркурия до Земли - давление от 345 000 до 1,3 миллиона нормальных атмосфер и от 1300 до 2700 градусов по Цельсию - и понять, как они проводят тепло.
Выяснилось, что теплопроводность таких образцов железа соответствует нижнему концу предварительных оценок теплопроводности ядра Земли - между 18 и 44 Ватт на метр на градус Кельвина, в единицах, которые ученые используют для измерения подобных вещей. Это говорит о том, что энергия, необходимая для поддержания геодинамо, всегда была доступна с самого начала истории Земли.
«Чтобы лучше понять теплопроводность ядра, в дальнейшем мы будем изучать, как нежелезные материалы, которые были затянуты в ядро вместе с тонущим железом, влияют на тепловые процессы внутри нашей планеты», говорит Гончаров.
В последние дни на научных информационных сайтах появилось большое количество новостей, посвященных магнитному полю Земли. Например, новость о том, что в последнее время оно существенно изменяется, или о том, что магнитное поле способствует утечке кислорода из земной атмосферы и даже про то, что вдоль линий магнитного поля ориентируются коровы на пастбищах. Что представляет собой магнитное поле и насколько важны все перечисленные новости?
Магнитное поле Земли – это область вокруг нашей планеты, где действуют магнитные силы. Вопрос о происхождении магнитного поля до сих пор окончательно не решен. Однако большинство исследователей сходятся в том, что наличием магнитного поля Земля хотя бы отчасти обязана своему ядру. Земное ядро состоит из твердой внутренней и жидкой наружной частей. Вращение Земли создает в жидком ядре постоянные течения. Как читатель может помнить из уроков физики, движение электрических зарядов приводит к появлению вокруг них магнитного поля.
Одна из самых распространенных теорий, объясняющих природу поля, - теория динамо-эффекта - предполагает, что конвективные или турбулентные движения проводящей жидкости в ядре способствуют самовозбуждению и поддержанию поля в стационарном состоянии.
Землю можно рассматривать как магнитный диполь. Его южный полюс находится на географическом Северном полюсе, а северный, соответственно, на Южном. На самом деле, географический и магнитный полюса Земли не совпадают не только по "направлению". Ось магнитного поля наклонена по отношению к оси вращения Земли на 11,6 градуса. Из-за того что разница не очень существенная, мы можем пользоваться компасом. Его стрелка точно указывает на южный магнитный полюс Земли и почти точно на Северный географический. Если бы компас был изобретен 720 тысяч лет назад, то он бы указывал и на географический и на магнитный северный полюс. Но об этом чуть ниже.
Магнитное поле защищает жителей Земли и искусственные спутники от губительного воздействия космических частиц. К таким частицам относятся, например, ионизированные (заряженные) частицы солнечного ветра. Магнитное поле изменяет траекторию их движения, направляя частицы вдоль линий поля. Необходимость наличия магнитного поля для существования жизни сужает круг потенциально обитаемых планет (если мы исходим из предположения, что гипотетически возможные формы жизни похожи на земных обитателей).
Ученые не исключают, что часть планет земного типа не имеют металлического ядра и, соответственно, лишены магнитного поля. До сих пор считалось, что планеты, состоящие из твердых скальных пород, как и Земля, содержат три основных слоя: твердую кору, вязкую мантию и твердое или расплавленное железное ядро. В недавней работе ученые из Массачусетского технологического института предложили образования "скалистых" планет без ядра. Если теоретические выкладки исследователей подтвердятся наблюдениями, то для расчета вероятности встретить во Вселенной гуманоидов или хотя бы что-то, напоминающее иллюстрации из учебника биологии, придется переписать.
Земляне тоже могут лишиться своей магнитной защиты. Правда, точно сказать, когда это произойдет, геофизики пока не могут. Дело в том, что магнитные полюса Земли непостоянны. Периодически они меняются местами. Не так давно исследователи установили, что Земля "помнит" о смене полюсов. Анализ таких "воспоминаний" показал, что за последние 160 миллионов лет магнитные север и юг менялись местами около 100 раз. Последний раз это событие произошло около 720 тысяч лет назад.
Смена полюсов сопровождается изменением конфигурации магнитного поля. Во время "переходного периода" на Землю проникает существенно больше космических частиц, опасных для живых организмов. Одна из гипотез, объясняющих исчезновение динозавров, утверждает, что гигантские рептилии вымерли именно во время очередной смены полюсов.
Кроме "следов" плановых мероприятий по смене полюсов исследователи заметили в магнитном поле Земли опасные подвижки. Анализ данных о его состоянии за несколько лет показал, что в последние месяцы в нем начали происходить . Настолько резких "движений" поля ученые не регистрировали уже очень давно. Вызывающая беспокойства исследователей зона находится в южной части Атлантического океана. "Толщина" магнитного поля в этом районе не превышает трети от "нормальной". Исследователи давно обратили внимание на эту "прореху" в магнитном поле Земли. Собранные за 150 лет данные показывают, что за этот период поле здесь ослабло на десять процентов.
На данный момент трудно сказать, чем это грозит человечеству. Одним из последствий ослабления напряженности поля может стать увеличение (пусть и незначительное) содержания кислорода в земной атмосфере. Связь между магнитным полем Земли и этим газом была установлена с помощью системы спутников Cluster – проекта Европейского космического агентства. Ученые выяснили, что магнитное поле ускоряет ионы кислорода и "выбрасывает" их в космическое пространство.
Несмотря на то, что магнитное поле нельзя увидеть, обитатели Земли хорошо его чувствуют. Перелетные птицы, например, отыскивают дорогу, ориентируясь именно на него. Существует несколько гипотез, объясняющих, как именно они ощущают поле. Одна из последних предполагает, что птицы воспринимают магнитное поле . Особые белки – криптохромы – в глазах перелетных птиц способны менять свое положение под воздействием магнитного поля. Авторы теории считают, что криптохромы могут выполнять роль компаса.
Кроме птиц магнитное поле Земли вместо GPS используют морские черепахи. И, как показал анализ спутниковых фотографий, представленных в рамках проекта Google Earth, коровы. Изучив фотографии 8510 коров в 308 районах мира, ученые заключили, что эти животные предпочтительно (или с юга на север). Причем "реперными точками" для коров служат не географические, а именно магнитные полюса Земли. Механизм восприятия коровами магнитного поля и причины именно такой реакции на него остаются неясными.
Кроме перечисленных замечательных свойств магнитное поле способствует . Они возникают в результате резких изменений поля, происходящих в удаленных регионах поля.
Магнитное поле не обошли своим вниманием сторонники одной из "теорий заговора" – теории о лунной мистификации. Как уже упоминалось выше, магнитное поле защищает нас от космических частиц. "Собранные" частицы скапливаются в определенных частях поля – так называемых радиационных поясах Ван Алена. Скептики, не верящие в реальность высадок на Луну, считают, что во время пролета сквозь радиационные пояса астронавты получили бы смертельную дозу радиации.
Магнитное поле Земли - удивительное следствие законов физики, защитный щит, ориентир и создатель полярных сияний. Если бы не оно, жизнь на Земле, возможно, выглядела бы совсем иначе. В общем, если бы магнитного поля не было - его необходимо было бы придумать.
Магнитные полюса Земли скоро поменяются местами. Стрелки всех компасов, показывавшие раньше «север», будут показывать обратное направление. Это явление называется геомагнитной инверсией и происходит раз в несколько тысяч лет. О том, что это случится относительно скоро, ученые узнали, наблюдая, как стремительно уменьшается магнитное поле Земли. Этому посвящено исследование геофизика Дэниела Бейкера из Колорадского университета (город Боулдер), опубликованное в издании Undark Magazine . Когда намагниченность земного шара достигнет нуля, рост магнитного поля начнется снова, но в обратном направлении.
По данным американских ученых, намагниченность нашей планеты за последние 200 лет ослабла на 15%. Все бы ничего, но в последние два десятка лет этот процесс многократно ускорился. А ведь известно, что магнитное поле Земли защищает ее поверхность от жесткого космического излучения, так называемых «солнечных ветров». Так что же, наша планета может остаться совсем без своего магнитного щита? Мы движемся к катастрофе? «МИР 24» выяснил, будет ли этот процесс продолжаться и к чему это может привести.
Что будет, если магнитный щит перестанет защищать Землю
«Чисто теоретически, если магнитное поле Земли достигнет нуля, это может привести к тому, что Земля подвергнется воздействию жесткого космического излучения, – сказал корреспонденту «МИР 24» старший научный сотрудник геологического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова Александр Спиридонов . – Это приведет к мутациям среди представителей живого мира планеты. Не исключено даже вымирание одних биологических видов и появление новых. Пустующие ниши будут заполняться более совершенными организмами. Надо помнить, что именно благодаря мутациям и развивается жизнь на Земле, это часть эволюционного процесса. Такого облучения, чтобы все живое на Земле погибло, не произойдет».
По словам Александра Спиридонова, об этом можно с уверенностью судить хотя бы по тому, что уже доказано – за всю историю планеты ее полярность многократно менялась на обратную. Это происходило более сотни раз за последние два миллиона лет.
«На климат это может влиять, но разве что опосредованно, через изменения в экосистеме Земли, – считает старший научный сотрудник Института физики Земли РАН, доцент геологического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова Роман Веселовский . – Например, если поле ослабнет или вообще исчезнет, Земля станет в гораздо большей мере подвержена влиянию солнечного ветра, взаимодействие которого с атмосферой Земли может повлечь за собой изменение ее химического состава и, возможно, физических свойств. Именно эти факторы могут в конечном итоге сказаться на климате».
Правда, ослабление магнитного поля Земли все же влияет на все живое уже сейчас. Как – рассказывает Александр Спиридонов: «Ученые доказали, что птицы во время своих перелетов ориентируются именно по магнитному полю Земли. Теперь представим себе, что магнитное поле Земли отсутствуют или многократно ослабло. Куда они полетят? Так или иначе, по магнитному полю нашей планеты ориентируются все кочующие представители фауны». То есть они могут попросту заблудиться, или, во всяком случае, изменить свои обычные пути миграции и места обитания, а уж к чему это приведет – науке пока неизвестно.
Оптимистический и пессимистический сценарий
Как быстро ослабнет магнитное поле Земли? Насчет «быстро» – это сомнительное утверждение, считает Роман Веселовский. Ученые составили подробный график изменения напряженности магнитного поля Земли за последние 7000 лет. Оно действительно ослабевает, но в недалеком прошлом были периоды гораздо более стремительного уменьшения его напряженности. И ничего, потом ситуация выравнивалась.
По мнению ученого, оптимистический сценарий выглядит так: поле Земли еще немного ослабнет, а потом начнет прибавлять силу. Мы эти колебания даже не заметим. Пессимистический сценарий – это инверсия, т.е. поле ослабнет до нуля и сменит направление на противоположное. Мы (ближайшие поколения) до этого не доживем. Продолжительность инверсии составляет не менее нескольких тысяч лет.
«Наши предки так или иначе пережили инверсию магнитного поля Земли, когда напряженность поля падала почти до нуля, т.е. магнитное поле практически отсутствовало, – говорит Роман Веселовский. – Совсем недавно имел место так называемый «экскурс Лашамп» – эпизод в эволюции магнитного поля, когда оно сильно (в 4-5 раз по сравнению с современным значением его интенсивности) ослабло и, как считается, приготовилось к инверсии, но до инверсии дело не дошло и поле вернулось к своей исходной конфигурации. Каких-либо экологических катастроф в это время не происходило», – пояснил Веселовский.
«Инверсии многократно случались в прошлом Земли, однако очевидной корреляции между биосферными кризисами или стихийными бедствиями и инверсиями магнитного поля Земли не выявлено», – успокоил ученый.
Как поведет себя техника
По мнению некоторых ученых, снижение магнитного поля Земли до нуля приведет к сбоям в наземных электросистемах, во всяком случае в сложном электронном оборудовании, которое в моменты сильных солнечных бурь будет наиболее уязвимо. Об этом сообщал, в частности, геофизик Ричард Холме из Ливерпульского университета (Великобритания). Он заявил, что переворот полюсов спровоцирует массовые сбои в работе электрических систем по всей планете. Однако отечественные ученые с ним не согласны.
«Я не вижу очевидных факторов, которые могли бы повлиять на функционирование «электрических систем» при падении величины напряженности геомагнитного поля, – говорит Роман Веселовский. – В конце концов, на орбитальных станциях и искусственных спутниках Земли все работает, хотя они испытывают такое воздействие солнечного ветра, какое ожидалось бы при существенном падении интенсивности геомагнитного поля. А магнитное поле Земли нередко наоборот только мешает электронике и ее приходится от него (поля) экранировать».
Так что в ближайшем, да и в достаточно отдаленном будущем нам не следует ожидать серьезных катаклизмов в связи с изменением намагниченности нашей планеты. Деятельность человека – намного более заметный и пагубный фактор, влияющий на экосистему Земли.
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.
| |
Самые мощные грозы — внутри земли?
Самые непредсказуемые процессы
Оно окутывает все на планете, начиная от самых маленьких магнитов и заканчивая всей нашей Землей, и встречается даже в космосе. Хотя мы уже немало знаем о магнитном поле нашей планеты, оно все еще таит в себе много загадок и демонстрирует странные явления.
Недавние открытия особенно наглядно показали нам, как мало еще известно о геомагнетизме и о том, как эти силовые магнитные линии влияют не только на наш мозг, но даже причастны к созданию легендарных червоточин. Иногда где-то далеко за пределами земной атмосферы магнетические поля создают и затем сами же разрешают весьма любопытные загадки...
10. Магнетические моли
Австралийские животные - одни из самых странных созданий на планете. А теперь это материковое государство может добавить к списку своих диковинок еще и первую в мире магнетическую моль. Диковинный вид назвали Agrotis infusa или богонской молью, и это существо уникально тем, что оно первое ночное насекомое, которое во время миграции использует магнитное поле Земли.
Открытие было сделано в 2018 году, и до него ученые долгое время не могли понять, как же именно миллиарды таких молей преодолевали расстояние в почти 1000 километров, и всегда возвращались в одни и те же пещеры в австралийских штатах Новый Южный Уэльс и Виктория (New South Wales, Victoria). В итоге разгадка была найдена после проведения экспериментов над несколькими из этих насекомых в специальных заизолированных помещениях. Оказалось, что богонская моль для навигации использует как раз магнитное поле, и она обычно сопоставляет его с определенными ориентирами на местности. Если одно из условий исчезает, насекомое сбивается с пути и не понимает, куда ему следовать.
Это очень интересное открытие, хотя оно и не помогло ученым понять, как именно перелетные птицы и другие животные, мигрирующие на большие расстояния, используют магнитосферу нашей планеты. Согласно одной интересной теории световые лучи влияют на определенные способности птиц на квантовом уровне. Вероятно, птицы лучше всего ориентируются по магнитному тогда, когда их глаза воспринимают свет. В светлое время суток в мозгу птицы на молекулярном уровне возникает электрический сигнал, который и помогает животному распознавать магнитное поле. Однако богонские моли ведут ночной образ жизни, так что их способ навигации, вероятно, работает совершенно иначе.
9. Эпицентр смены полюсов геомагнитного поля
Фото: Live Science
Магнитное поле Земли слабеет и истончается, и тоньше всего оно сейчас в районе между Южной Африкой и Чили, за что эту зону даже назвали Южно-атлантической аномалией. Исследователи решили внимательнее изучить этот регион в надежде, что там они найдут разгадку на вопрос о том, почему вообще все магнитное поле нашей планеты стало слабеть.
В 2018 году эксперты обнаружили еще одну аномалию, и в этот раз она растянулась от Южной Африки до Ботсваны. Когда люди железного века строили здесь свои глиняные дома, при их обжиге огонь сохранял магнетические минералы в глине таким образом, что по этим артефактам можно было определить состояние геомагнитного поля тех лет. На протяжении 1500 лет электромагнитное поле в этой части света то истончалось, то полностью меняло свое направление, то сжималось, то выдавалось наружу над общей схемой силовых линий.
Все эти перемены дали ученым основание полагать, что Южно-атлантическая аномалия происходила и ранее, и всякий раз она была предвестницей смены полюсов магнитного поля Земли. Если это, действительно, так, тогда необычная область в районе Южной Африки может стать тем самым местом, где и начнутся эти важнейшие перемены.
Нынешнее истончение магнитного поля нашей планеты может привести к 2 разным сценариям. Либо произойдет очередная переполюсовка, либо поле снова уплотнится, чтобы воспрепятствовать смене векторов. Второй вариант намного лучше, поскольку слабое магнитное поле не способно защищать нас от сильного ультрафиолетового излучения в достаточной мере. Все может начаться с регулярных перебоев в работе электросетей, которые в случае истончения станут слишком уязвимыми перед лицом геомагнитных бурь, а продолжится куда как более неприятными последствиями.
8. Загадка головной ударной волны
Фото: Live Science
Земля вращается вокруг Солнца на скорости примерно 108 тысяч километров в час. Совсем как нос корабля, разрезающий воду на своем пути, магнитное поле нашей планеты прокладывает нам путь сквозь чрезвычайно горячий солнечный ветер, постоянно производимый нашей звездой.
Долгое время исследователи считали, что эта головная ударная волна вокруг Земли и была причиной того, что солнечный ветер обычно рассеивается, достигая поверхности нашей родной планеты уже в качестве нежного бриза, а не испепеляющей стихии. Без этого загадочного процесса наша Земля давно бы уже обуглилась. Впрочем, все детали происходящего до сих пор не до конца изучены.
В 2018 году, вероятно, было сделано одно очень важное открытие. Оказывается, магнитное поле Земли разрушает солнечные электроны. Когда ученые проанализировали данные со спутников, собранные в зоне столкновения геомагнитного поля и солнечного , они были поражены тем, как это поле буквально разрывает на части звездный ветер.
Когда солнечный ветер на сверхзвуковой скорости достигает области головной ударной волны Земли, электроны ускоряются так сильно, что они просто распадаются на части. В итоге разрушительная энергия солнечного ветра трансформируется в менее опасную теплоту.
7. Новая магнитная среда
Фото: space.com
Борьба между солнечным ветром и нашей магнитосферой не спасает Землю от солнечной радиации в полной мере. Распад частиц звездного ветра - это однозначно большая нагрузка для нашего магнитного поля, и в итоге его силовые линии периодически разрываются. Когда одна из таких линий рвется, высвобождается энергия, поглощенная полем из солнечного ветра, что приводит к неполадкам в работе электрических сетей, спутников и космических кораблей.
В 2018 году ученые решили провести очередное исследование, чтобы больше узнать о природе этой проблемы. В итоге они выяснили о магнетической активности нечто совершенно новое и абсолютно удивительное. Раньше ученые уже отмечали, что между солнечным ветром и магнитосферой существует особенная граница. Эту зону назвали магнитослоем. Однако активность в этой области была слишком повышенной, чтобы определить, не разрушаются ли заодно и линии нашего магнитного поля в этом же слое наряду с солнечными электронами. С помощью нескольких новых спутников ученые подтвердили, что процесс реконнекции (пересоединения) происходит тоже в этом магнитослое.
Когда происходит разрушение связей, частицы начинают двигаться в 40 раз быстрее, чем в обычном магнитном поле. Исследователи впервые обнаружили, что два чрезвычайно важных явления, связанных с заряженными солнечными частицами, происходят в одном и том же месте.
6. Магнитное поле Земли смещается на Запад
Фото: Live Science
Ученые наблюдают за магнитным полем нашей планеты уже больше 400 лет. Собранная за все это время информация все больше озадачивала исследователей, которые давно уже бьются над одной большой загадкой. По какой-то необъяснимой для нас причине геомагнитное поле смещается в западном направлении.
В 2018 году исследователи предложили новый и очень необычный ответ на этот вопрос. Струйные течения в воде, воздухе и даже ядре Земли создают так называемые волны Россби (Rossby). Все внешнее ядро нашей планеты - это фактически постоянно вращающаяся жидкость, и вместе с ней циркулируют эти волны.
По своей природе эти бегущие волны уже считаются довольно странным явлением, а волны Россби во внешнем ядре и вовсе ведут себя абсолютно отлично от всех остальных течений. Океанические и атмосферные волны Россби двигаются в сторону запада, а волны во внешнем ядре - на восток. Хотя ученые не могут точно вычислить направление, в котором двигается вся эта мощь из-за значительной глубины, на которой происходят эти процессы.
По мнению экспертов, вопреки восточной ориентированности волн Россби во внешнем ядре Земли, большая часть их энергии смещается на запад и оттягивает за собой магнитное поле. В любом случае у исследователей до сих пор нет четкого объяснения, почему геомагнитное поле сдвигается на запад со скоростью 17 километров в год.
5. Второе магнитное поле Земли
Фото: sciencealеrt.com
В очередной раз ученые с недоумением обнаружили нечто удивительное, что так долго находилось прямо перед их носом. Оказывается, нашу планету окружает целых 2 магнитных поля. Большинство людей знает о том, что наше главное магнитное поле своим существованием обязано процессам, происходящим в ядре Земли. Второе поле было открыто совершенно случайно, когда Европейское космическое агентство (European Space Agency) запустило на орбиту три новых спутника для изучения геомагнетизма.
После сбора данных исследователи обнаружили, что у нашей планеты есть еще один секрет. Целых 4 года ученые из ЕКА анализировали полученную информацию, пока в 2018 году они наконец-то не объявили о своей удивительной находке всему миру.
Вести о втором магнитном поле скрывались так долго потому, что его приливная сила крайне незначительна или почти незаметна. Если сравнивать ее с силой давно известного нам геомагнитного поля, она слабее его в целых 20 тысяч раз.
В любом случае ценность этого открытия для ученых крайне велика, особенно для тех из них, кто посвятил свою жизнь загадкам геомагнетизма. Каждая новая деталь дополняет общую картину, как кусочек пазла, и она вполне может помочь нам объяснить другие явления. Например, дать ответ на вопрос о том, почему магнитное поле Земли периодически меняет свои полюса, или как оба магнитных поля влияют друг на друга. Вдобавок новое открытие сможет помочь ученым лучше понять электрические свойства литосферы и земной коры.
4. Тайна Столпов Творения раскрыта
Фото: ibtimes.com
В 1995 году космический телескоп Хаббл (Hubble) засек так называемые «Столпы Творения», которые стали настолько знаменитыми, что их даже стали печатать на подставках для чашек и показывать в кино. Восхитительный образ переливающихся разными цветами колонн из межзвездного газа и пыли явно напоминает гигантские столпы, и, как известно, где-то там как раз и рождаются новые звезды.
Это скопление находится в 7 тысячах световых лет от Земли в туманности Орел, и загадка образования этих колонн оставалась нераскрытой вплоть до 2018 года. Новые наблюдения позволили ученым обнаружить поляризованное свечение, исходящее от , что и выдало присутствие там магнитного поля. Когда специалисты смогли создать карту этих полей, происхождение знаменитой тройки наконец-то было разгадано.
Магнитные силы замедлили распространение межзвездного газа и космической пыли в пределах этой туманности, и под их воздействием образовались эти знаковые колонны, узнаваемые практически во всем мире. Внушительная космическая структура долгое время остается в своей нынешней форме именно из-за влияния магнитных полей, которые фактически защищают столпы от разрушения своей приливной силой, вектор которой противоположен направлению внешних магнетических сил окружающего эту область космоса. Учитывая тот факт, что в среде Столпов Творения постоянно формируются новые звезды, понимание природы магнетизма в их случае может изменить представление ученых о процессе образования звезд.
3. Магнитное поле Урана постоянно разрушается
Фото: space.com
Когда речь заходит о магнитном поле, Урану приходится непросто. В 2017 году ученые захотели изучить магнитосферу достаточно удаленной планеты, и для этого они использовали компьютерные симуляции и данные, полученные еще в 1986 году с космического аппарата NASA – Вояджера-2 (Voyager 2). В итоге мы узнали нечто неожиданное про и без того уже довольно странную для нас планету.
Ориентация Урана в пространстве отличается от почти всех других планет Солнечной системы тем, что его ось вращения как будто лежит на боку. Из-за этого магнитное поле планеты смещено от геометрического центра довольно необычным образом. День на Уране длится 17,24 часа, и магнитосфера этой планеты за один ее оборот вокруг собственной оси сильно перегружается. В некоторых местах это магнитное поле практически полностью разрушается, пока в других происходит реконнекция. Эта постоянная балансировка как раз и объясняет частое возникновение полярных сияний.
Данные с телескопа Хаббл ранее подтвердили, что на Уране образуются авроры, весьма похожие на наши земные. Магнитосфера, как правило, создает защитный блок, а ее истончение как раз и обуславливает полярное сияние. Похоже, что за столь частое возникновение аврор на Уране отвечает именно появление брешей в его магнитном поле, и сквозь эти «пробоины» частицы солнечного ветра попадают в атмосферу планеты, производя при контакте с газами световые шоу.
2. Магнитная кротовина
Фото: Smithsonian Magazine
Физики постоянно проводят очень странные опыты. В 2015 году они создали и вовсе нечто невероятное – магнитную червоточину. Кротовые норы – популярная тема среди любителей научной фантастики, но в этот раз все может зайти несколько дальше теорий и зрелищных фильмов. Согласно известной гипотезе кротовая нора способна связать две разные области в пространственно-временном континууме. Теоретически путешественник с помощью таких червоточин способен преодолеть просто невероятные расстояния за считанные доли секунды.
В 2015 году исследователи разработали устройство, представляющее собой металлическую сферу из нескольких слоев метаматериала, которое вряд ли в ближайшем будущем поможет нам отправлять космические экспедиции на другой конец Вселенной, но уже сейчас с его помощью ученые создали магнитную червоточину.
Внутри этой сферы физики поместили свернутую магнитную трубку, а потом все это устройство скрыли в другой магнитосфере. На какой-то момент цилиндр исчез буквально в никуда, а потом снова вернулся на свое место. Исчез он не в буквальном смысле, а просто стал невидимым для магнитных сенсоров.
Интересно в этом эксперименте то, что во время манипулирования электромагнитной энергией был создан магнитно невидимый туннель между взаимосвязанными полюсами магнита. Эта кротовина создала иллюзию разделения противоположных полюсов и благодаря ей появились «монополи», которые в природе просто не существуют.
1. Контроль над мозгом
Фото: Live Science
Одно из самых тревожных и необычных свойств магнитного поля – это возможность контролировать с его помощью работу головного мозга. В 2017 году ученые провели исследование, в ходе которого было совершено новое открытие. Посредством магнитных полей экспертам удалось дистанционным образом активировать клетки мозга подопытных мышей.
Главной целью воздействия стало полосатое тело, отдел головного мозга, отвечающий за движение животного. Невероятно, но ученые заставили крыс бегать, застывать на месте и крутиться на месте. Главным интересом для исследователей представляет возможность понять, как в нашей голове протекают процессы, ответственные за определенное поведение и эмоции. Вероятно, это подскажет нам, где находятся поведенческие отделы в человеческом мозгу, и поможет лечить такие состояния, как болезнь Паркинсона (дрожательный паралич).
Если вы относите себя к поклонникам теории заговора и переживаете, что с помощью этого открытия власти получат над нами полный контроль, можете выдохнуть свободно. Магнитные поля проходят через биологические ткани без каких-либо последствий. В проведенном эксперименте участие приняли не самые обычные крысы, а животные с введенными в их мозг микроскопическими частичками магнитов. Эти частички прикреплялись к клеткам мозга, после чего их разогревали с помощью симуляции магнитного поля, и крошечные магниты вынуждали нейроны активироваться таким образом, что мышь меняла свое поведение по заданному сценарию.
