Журнал «Вокруг Света» №3 за 2003 год

Журнал Вокруг Света

Магнитное поле нашими органами чувств не регистрируется – оно неосязаемо, невидимо, неслышимо, не имеет вкуса и запаха. Хотя человечество стало использовать его задолго до того, как узнало о самом его существовании. Измеренное тысячи раз на всех континентах и океанах, разложенное на составляющие, пронизывающее все сущее на земле, магнитное поле по-прежнему хранит в себе массу загадок, ожидающих будущих исследователей. Одна из самых сокровенных тайн нашей планеты – природа земного магнетизма.

По сравнению с магнитными полями, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни (сердечники акустических колонок, магнитные импульсы переменного тока в бытовых приборах, лампы, линии электропередач и др.), магнитное поле Земли относится к разряду очень слабых полей. Так, к примеру, магнитный элемент защелки книжного шкафа

создает магнитное поле напряженностью 5—10 эрстед, в то время как магнитное поле Земли меняется в пределах от 0,3 до 0,7 эрстед от экватора до полюса. Тем не менее это, так называемое главное геомагнитное, поле, имеющее планетарную природу, существует на Земле повсеместно. Некоторые его элементы люди научились измерять еще до открытия самого магнитного поля. Так, первые карты магнитного склонения, доставлявшего столько бед морякам древности, появились еще в середине XVI века.

Осознание того факта, что магнитные полюса не совпадают с географическими, расставило все по своим местам и позволило понять, что склонение – это угол между направлением на север и магнитным меридианом, вдоль которого устанавливается стрелка компаса. Столь же давно измеряется и величина наклонения – угла между горизонтальной плоскостью и магнитной стрелкой.

Ныне магнитное поле на поверхности нашей планеты изучено достаточно подробно. Оказалось, что оно отнюдь не постоянно, а непрерывно меняется. Круглый год сотни магнитных обсерваторий, десятки специальных судов и самолетов, многочисленные отряды магнитологов в самых разных точках земного шара ведут наблюдения за геомагнитным полем. Измеренные его элементы анализируются, обрабатываются, по ним составляют магнитные карты, с помощью которых и изучают пространственное распределение магнитного поля.

Выяснилось, что магнитное поле подвержено самым разным изменениям. Некоторые из них являются регулярными и наблюдаются ежедневно, в частности так называемые суточные вариации, для которых характерны циклические колебания напряженности магнитного поля и магнитного склонения. Не менее хорошо известны и другие вариации – короткопериодические колебания, продолжительность которых не превышает нескольких минут, а также магнитные бури, чья длительность может измеряться сутками.

Все эти вариации непосредственным образом связаны с деятельностью Солнца. В «спокойные магнитные дни» взаимодействие солнечного ветра с ионосферными токами вызывает плавные, регулярные изменения компонентов магнитного поля с периодом, близким к 24 часам. Магнитные бури, упомянутые выше, – это нерегулярные спорадические возмущения магнитосферы Земли. Они начинаются в момент, когда резко изменяется давление солнечного ветра на магнитосферу и она оказывается не в состоянии «отвести» поток высокоэнергетических частиц от Земли. В результате они пронизывают ионосферу, нарушая регулярную структуру околоземных электрических токов. Магнитные бури бывают разной интенсивности и длительности, но, как правило, полное восстановление «спокойствия» геомагнитного поля происходит через 2—3 суток после начала бури.

В том случае, если скачок давления (плотность) солнечного ветра не в состоянии «пробить» магнитосферу, то искажения магнитных силовых линий носят локальный характер и магнитные возмущения охватывают не весь земной шар, а лишь какой-то отдельный район. Такие возмущения называют суббурями. Они очень частые «гости» в северных районах земного шара. Полярные сияния также чаще всего связаны с суббурями.

В течение года наблюдается два периода резкого повышения магнитной активности – это периоды весеннего и осеннего солнцестояния, то есть март и сентябрь. В это время количество магнитных бурь значительно возрастает. Если в среднем в месяц происходит 1—2 магнитные бури, то в марте и сентябре их число возрастает в несколько раз, причем осенний пик магнитной активности более энергичный – осенью количество магнитных бурь больше, чем весной, и может доходить до 7—8 в месяц.

Очень сильное влияние оказывает на частоту возникновения бурь глобальный 11-летний цикл солнечной активности, который во многом определяет все природные процессы на Земле. Кстати, 2003-й – год максимума солнечной активности, и поэтому значительного увеличения количества магнитных бурь можно ожидать в течение всего года.

Помимо таких кратковременных колебаний магнитного поля

существуют и гораздо более медленные, плавные изменения его параметров, с периодом в несколько сотен лет. Они связаны с процессами, происходящими внутри Земли, и названы вековыми вариациями. Вековые вариации можно уподобить дыханию магнитного поля – в каждой точке земной поверхности периодически меняется направление магнитного поля, не остается постоянной и величина намагниченности планеты в целом. История регулярных магнитных наблюдений насчитывает немногим более 100 лет, поэтому сведения о вековых вариациях, полученные на основе этих измерений, конечно, не могли быть полными. Долгое время казалось, что любые попытки магнитологов заглянуть в отдаленное прошлое нашей планеты, выяснить, как менялось с течением времени ее магнитное поле, обречены на провал. Однако сама Природа припасла для людей замечательную подсказку, которая помогла разрешить одну из наиболее каверзных загадок эволюции Земли.

В середине XIX века было обнаружено явление термоостаточного намагничивания лав – палеомагнетизм. Постепенно, шаг за шагом, ученые установили, что носителями древнего геомагнитного поля могут быть горные породы самого разного происхождения, как магматические, так и осадочные. Оказалось, что излившиеся во время извержений вулканов в виде лавы горные породы обладают удивительной способностью хранить в себе информацию о магнитном поле Земли. Породы, разогретые до температуры 500—700°С, по мере остывания приобретают намагниченность, величина и направление которой соответствуют магнитному полю Земли, действовавшему на породу во время охлаждения. Эта намагниченность сохраняется в течение миллионов лет и, словно магнитофонная лента, доносит до нас свидетельства из отдаленного прошлого планеты. Определив геологическими методами возраст лавовых образований и «прочитав» хранящуюся в них палеомагнитную информацию, можно доподлинно восстановить историю магнитного поля Земли.

Палеомагнитные исследования выявили неопровержимые свидетельства неоднократных инверсий (обращений полюсов) геомагнитного поля в прошлые эпохи. Оказалось, что магнитные полюса не раз менялись местами. Благодаря достижениям физиков, разработавших методы определения абсолютного возраста горных пород, у палеомагнитологов появилась возможность не только фиксировать главные события в истории геомагнитного поля (прежде всего инверсии), но и определить их длительность и абсолютное время начала и окончания инверсий – то есть создать шкалу времени (временную шкалу) инверсий геомагнитного поля. Магнитологи называют такую шкалу магнитохронологической.

Первая подобная шкала была довольно «куцей» – охватывала период лишь в 3,5 млн. лет и не отличалась большой детальностью. Дело в том, что лавы в большинстве своем извергались только в определенные тектономагматические эпохи, в сравнительно узком временном интервале. А потому стало ясно, что, исследуя лишь лавы вулканических извержений, «прочесть» всю историю магнитного поля Земли не удастся.

Ситуация изменилась радикальным образом, как только начались масштабные исследования магнитного поля океанов. Первые же непрерывные измерения вдоль линий, пересекающих Атлантический океан, выявили резкие отличия в строении магнитного поля океана по сравнению с сушей. Результат оказался поистине сенсационным. Выяснилось, что вместо сложной формы магнитных аномалий на суше, которая сильно меняется от района к району, океанические магнитные аномалии во всех океанах имеют регулярный, систематический характер.

Магнитное поле Мирового океана представляет собой параллельные полосы с чередующимся направлением намагниченности горных пород – оно попеременно то совпадает с направлением современного магнитного поля (прямая намагниченность), то прямо ему противоположно (обратная намагниченность). Эти аномалии протягиваются на тысячи километров, иногда без всяких искажений. Например, в Атлантическом океане они прослеживаются от Исландии до мыса Горн.

Океанические аномалии имеют большую интенсивность и огромные размеры. Но, пожалуй, наиболее поразительной чертой этих магнитных полос является их зеркальная симметрия относительно срединно-океанического хребта, то есть любая положительная или отрицательная аномалия с одной стороны хребта обязательно имеет своего «близнеца» – с другой. Причем расположены аномалии-«близнецы» от оси хребта на одинаковом расстоянии.