Вам, земляне(Издание второе, переработанное)

Зигель Феликс Юрьевич

Загадки палеомагнетизма

Если обыкновенный гвоздь поднести к магниту или тем более потереть о него, гвоздь сам становится магнитом. Он как бы сохраняет память о пребывании в магнитном поле, поэтому это явление остаточного магнетизма, свойственного очень многим телам, иногда образно называют его «магнитной памятью».

Магнитологи неожиданно обнаружили, что обыкновенные кирпичи и древние керамические изделия также обладают остаточным магнетизмом, следами воздействия земного магнитного поля. Этот факт сначала показался удивительным, так как глина и песок принадлежат к практически немагнитным материалам. Однако выяснилось, что во время обжига в печах высокая

температура сообщает им значительную магнитную восприимчивость, благодаря чему древние кирпичи и глиняные изделия хранят в себе следы, указывающие на состояние магнитного поля Земли в далеком прошлом, т. е. на палеомагнетизм.

Подобные сведения можно получить и другим путем. Частицы магнетитовых пород, образовавшиеся в процессе их выветривания (разрушения), переносятся реками в океан. Опускаясь на дно океана, они, как крошечные магнитики, ориентируются вдоль магнитных меридианов. Степень намагниченности осадочных пород указывает на напряженность геомагнитного поля в прошлом. Значит, и в этом случае можно выяснить, каким (по направлению и интенсивности) было магнитное поле Земли в разные эпохи ее эволюции.

Источником данных о палеомагнетизме служат также застывшие лавовые потоки. Лава содержит соединения железа и в раскаленном состоянии сравнительно легко намагничивается. А затем, остывая, она сохраняет на долгое время свою «магнитную память».

Разумеется, при всех исследованиях палеомагнетизма надо точно фиксировать положение изучаемого образца на современной Земле. Если речь идет о керамическом изделии, то магнитолог должен установить, каким было положение этого изделия в момент обжига. Затем особыми приемами («магнитной чисткой» с помощью переменного магнитного поля) удаляют ту часть остаточного магнетизма, которая, быть может, была приобретена образцом после обжига. И только тогда, когда «магнитная память» выявлена в чистом виде, можно изучать параметры древнего магнитного поля. Таким образом, кропотливая работа магнитолога напоминает труд художника-реставратора, восстанавливающего истинный облик какой-нибудь древней картины.

К каким же выводам пришли магнитологи в итоге проведенных ими исследований? Оказалось, что за последние 8000 лет магнитное поле Земли изменялось периодически, со средним периодом 1200–1500 лет. Максимальной напряженности оно достигло в начале нашей эры. Трудно сказать, чем вызваны эти вековые колебания геомагнитного поля, так как общепризнанной теории земного магнетизма пока не существует. Возможно, что вековые колебания магнитного поля Земли вызываются наряду с процессами, происходящими в земном ядре, и внешними космическими причинами, например колебаниями солнечной активности.

Как бы там ни было, точно установлено, что геомагнитное поле подвержено не только вековым, но и гораздо более продолжительным и кардинальным изменениям.

Если верить палеомагнитным измерениям, то магнитные полюсы Земли непрерывно странствуют (рис. 19).

Рис. 19. Смещение геомагнитного полюса (по палеомагнитным данным).

Например, судя по данным, полученным в Африке, около 570 млн. лет назад северный геомагнитный полюс находился вблизи экватора, а затем постепенно переместился на север, к своему теперешнему местоположению. Более того, как это ни удивительно, магнитное поле Земли, по-видимому, многократно испытывало «переполюсовку» или инверсию. Говоря яснее, магнитные полюсы менялись ролями — северный становился южным, и наоборот.

Примечательно, что во время «переполюсовки», судя по остаткам

ископаемых животных и растений, происходили резкие скачки в эволюции биосферы — исчезали одни виды животных, уступая место другим. Возможно, что эти скачки были вызваны временным ослаблением и даже исчезновением (перед очередной инверсией) того магнитного экрана, роль которого выполняет магнитное поле Земли. Когда оно существует и достигает значительной напряженности, магнитосфера становится ловушкой для солнечных корпускул и частиц, образующих космические лучи. Наоборот, во время инверсии, космическая корпускулярная радиация беспрепятственно достигает Земли и, возможно, губительно действует на генетический аппарат живых организмов, что ведет к их вырождению.

Мы живем «прикрытые» магнитосферой и радиационными поясами Земли. Но, как показывают измерения, за последние полтора века магнитное поле Земли стало заметно слабее. Если этот процесс будет продолжаться, то примерно через 2000 лет геомагнитное поле и вовсе исчезнет. Может быть, скоро наступит очередная инверсия геомагнитного поля, грозящая земной биосфере какими-то катаклизмами? Поставить такой вопрос, конечно, легче, чем дать на него определенный ответ: наши сведения по палеомагнетизму пока очень скудны.

Динамо-гипотеза и ее конкуренты

Что же все-таки порождает магнитное поле Земли? Почему мы вправе называть нашу планету исполинским магнитом?

Со времени В. Гильберта и до начала XX века господствовало убеждение, что где-то внутри Земли запрятан огромный естественный постоянный магнит, который и создает геомагнитное поле. Однако эта «гипотеза постоянного магнита» не выдерживает критики. Дело в том, что такие легко намагничиваемые материалы, как железо и никель, теряют свои магнитные свойства уже при температуре около 770 °C, а такую температуру Земля имеет на глубине 200 км. Так что ни о каком сильном постоянном магните, скрытом в Земле, говорить не приходится.

Происхождение геомагнитного поля пытались объяснить и по- другому: электрически заряженные частицы, находящиеся на поверхности Земли, при ее вращении, как и всякий электрический ток, порождают магнитное поле. Однако эта гипотеза явно несостоятельна: для создания наблюдаемого геомагнитного поля нужен круговой ток силой в 1 млрд, ампер. При этом на поверхности Земли существовало бы мощное электростатическое поле, чего в действительности нет.

Были предложены и другие гипотезы, также противоречащие твердо установленным фактам. В конце концов утвердилась так называемая динамо-гипотеза, в которой наша планета сравнивается с гигантской динамо-машиной.

Напомним принцип действия обычной динамо-машины. В простейшем случае между полюсами подковообразного постоянного магнита вращается виток проволоки. При пересечении магнитных силовых линий в витке возбуждается электрический ток, который создает собственное магнитное поле.

Допустим, что в раскаленном жидком металлическом ядре Земли создаются условия, благоприятные для конвекции, т. е. перемешивания вещества. При достаточной разности температур между центром ядра и его периферией конвективные движения могут стать весьма интенсивными. Предположим далее, что Земля первоначально обладала каким-то слабым магнитным полем. Тогда конвекционные перемещения железных масс в жидком земном ядре приведут к тому, что в нем возбудятся электрические токи. По мнению автора динамо-гипотезы, известного советского физика Я. И. Френкеля, впервые предложившего это объяснение в 1947 г., во вращающемся земном ядре конвекционные токи приобретают характер замкнутых вихрей. Магнитное поле этих вихрей и создает, по мнению Я. И. Френкеля, как общее геомагнитное поле, так и отдельные наиболее крупные его аномалии.