Загадка земного магнетизма или как намагнитилась Земля.

Террелла с магнитными стрелками на ней.

 

Все началось с того, что в 1600 году в Лондоне вышли шесть книг Гильберта — лейб-медика королевы Елизаветы. Гильберт был наделен талантом серьезного исследователя. Именно он впервые высказал мысль, что «Земля — это большой магнит и магнетизм Земли управляет поведением магнитной стрелки». Его книги назывались так: «О магните, магнитных телах и о большом магните Земле».

До Гильберта предполагали, что Полярная звезда и, вообще, таинственные силы, идущие с неба, заставляют стрелку компаса указывать на север и на юг. Вот как писал о Гильберте в 1920 году крупнейший ученый академик Крылов: «В течение почти двух столетий не было прибавлено ничего существенного, чего не было бы в книгах Гильберта и что не являлось бы повторением или развитием сделанного им».

По указанию королевского лекаря из естественного магнита вырезали шар, так что получился круглый магнит с двумя полюсами на противоположных сторонах. Его назвали тер-реллой, то есть маленькой Землей, или более ласково — Землицей. На ней Гильберт изучил поведение магнитной стрелки и показал, как она должна вести себя около поверхности Земли. Но в чем причина земного магнетизма? И случайно ли то, что магнитная ось Земли почти совпадает с ее осью вращения? Ответов на эти вопросы Гильберт не нашел. Они стали намечаться лишь 200 лет спустя. Вот как это происходило.

Французский математик и физик Ампер в 1820 году узнал об опыте, который поставил датчанин Эрстед. Теперь об этом опыте пишут во всех учебниках физики. Электрический ток, текущий по проволоке, отклоняет магнитную стрелку, рядом стоящую. Ампер высказал смелую гипотезу. Вот его слова, сказанные на заседании Парижской Академии наук в сентябре 1820 года: «Простейшая мысль, какая естественно могла возникнуть у того, кто захотел бы объяснить постоянное направление стрелки с юга на север, это предположить в Земле электрический ток». Ампер считал, что и внутри любого магнита текут круговые токи. Подумайте только, он догадался об этом лет за сто до того, как стало известно, что внутри атомов действительно текут электронные токи!

Гипотеза Ампера казалась правдоподобной. Ведь если в Земле циркулирует электрический ток, текущий с востока на запад, то весь земной шар будет похож на гильбертовскую терреллу: он заставит северный конец стрелки компаса указывать на север, а южный на юг. Замечательную догадку Ампера надо было подтвердить. Течет ли на самом деле ток внутри Земли? Как он возник и какая сила все время его поддерживает?

Возможные ответы на эти вопросы появились сравнительно недавно.

 

МОЛНИИ И ГРОЗЫ ЗАРЯЖАЮТ ЗЕМЛЮ

Удавалось ли кому-нибудь обнаружить электрический ток, сам по себе текущий внутри Земли? Геофизики не раз делали такие измерения. Они закапывали достаточно глубоко две металлические пластины и соединяли их телеграфными проводами над Землей, включив в цепь гальванометр. Прибор действительно обнаруживал ток, но чрезвычайно слабый и к тому же непостоянный.

На помощь слабым нерегулярным токам попробовали привлечь атмосферные электрические токи, которые текут из воздуха в землю. Посмотрим, что это дает. Известно, что на один квадратный километр поверхности Земли приходит из атмосферы ток силой в одну миллионную ампера. Значит, на всю земную поверхность

 

 

 

приходится примерно 1500 ампер. Но и этого слишком мало. Чтобы объяснить магнетизм Земли, нужны токи, текущие из воздуха в землю, в сто тысяч раз большие. Неоткуда взяться таким токам в атмосфере. Не помогут здесь и грозовые дожди и разряды молнии. Специалисты считают, что на Землю ежедневно обрушиваются сорок пять тысяч гроз с миллионами молний. В среднем за секунду над всей нашей планетой происходит сто разрядов молний. Правда, часть молний сверкает от облака к облаку, и только каждая третья бьет в Землю. Так что всего за год около трех миллиардов молний заряжают земной шар. Токи в молниях нередко превышают сотни тысяч ампер. Они перемагничивают стрелку компаса и сильно намагничивают железные предметы. И все же, как ни велики их токи, они не могут создать и поддерживать постоянное земное поле. Эти бесплодные попытки пришлось оставить еще и потому, что в конце XIX века удалось доказать, что на 99% магнитное поле Земли должно вызываться причинами, скрытыми внутри нее. Только вариации земного поля могут зависеть от внешних источников — от солнечных пятен, от токов в ионосфере и так далее.

 

НАМАГНИЧИВАЮЩИЙСЯ ВОЛЧОК

До наших дней было предложено несколько десятков теорий земного магнетизма. На их обоснование ученые затратили много усилий. Рассмотрим одну из этих теорий. Она казалась особенно обнадеживающей, так как намагничивание Земли объяснялось ее суточным вращением. Действительно, представьте себе такой опыт: заряженный электричеством шар приводится в быстрое вращение. Возле вертящегося шара появится магнитное поле, которое всегда возникает, как только электрический заряд приходит в движение. Нетрудно было подсчитать, сколько электричества должно быть размещено на земном шаре, чтобы его суточное вращение создало достаточное по величине земное магнитное поле. Оказалось, что для этого нужен заряд в 88 триллионов кулонов.

 

 

 

 

1 — волчки в неподвижной коробке;

2 — волчки во вращающейся коробке.

 

Но здесь запротестуют геофизики. Они судят о величине заряда, который действительно распределен на поверхности Земли, по тому, какое электрическое поле заряд создает. А геофизики знают, что земное поле возрастает примерно на сто вольт на каждый метр удаления от ее поверхности. Отсюда следует, что Земля должна быть заряжена электрическим зарядом в 0,5 миллиона кулонов. Как видите, получается колоссальное расхождение.

И все же физики попытались спасти гипотезу о самонамагничивании Земли из-за ее вращения. Для этого они привлекли на помощь новые сведения о строении атома. В начале XX века стало известно, что электроны в атомах вращаются по замкнутым орбитам. Оси этих орбит в различных атомах наклонены по-разному. На рисунке показано, как они расположены внутри ненамагничен-ного металлического стерженька. Но если стержень привести в быстрое вращение, то оси всех электронных орбит, как по команде, начнут пово-рачиватья и станут параллельными друг другу. Таков закон природы. Совершенно так же, подчиняясь законам механики, ведут себя обычные детские волчки, запущенные внутри вращающейся коробки.

Посмотрите на рисунок: справа — волчки вращаются в неподвижной коробке, слева — вращаются и коробка и волчки.

Счастливая мысль пришла в голову английскому физику Барнетту: он попробовал намагнитить железный стержень, быстро вращая его. И вот удача — в 1919 году вращающийся стержень намагнитился!

Не происходит ли то же самое в металлах земной коры? Ведь суточное вращение Земли с запада на восток может навести порядок в расположении орбит атомов магнитных веществ земной коры. Электронные орбиты должны, по-видимому, повернуться так, чтобы стать параллельными плоскости экватора. Легко видеть, что при этом магнитные полюсы на земной поверхности появятся там, где им полагается быть.

Но, увы, и эта теория не выдержала проверки. Зная скорость вращения нашей планеты и примерное распределение магнитных материалов в Земле, ученые определили, какая интенсивность намагничивания должна

появиться из-за ее вращения. Оказалось, что измеренная геофизиками величина поля Земли в десять миллиардов раз больше теоретически подсчитанной. Еще одна гипотеза потерпела неудачу!

 

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТОКИ В ЗЕМНОМ ЯДРЕ

В 1939 году американский физик Эльзассер нашел неожиданный выход из положения. В течение нескольких лет его гипотеза очень обнадеживала ученых. Она основывалась на современных представлениях о строении Земли. Давайте познакомимся с ними.

Как можно судить о внутреннем строении огромного земного шара, если внутрь него удается проникнуть лишь на ничтожную глубину в 10— 12 километров? Глубже скважины никто не прорывал! И все-таки достаточно хорошо известно, что делается на больших глубинах внутри Земли. Узнали об этом довольно хитро, наблюдая, как распространяются продольные и поперечные волны в Земле во время землетрясений и при мощных подземных взрывах. Геофизики при этом доказали, что внутренние части Земли имеют неоднородное строение: оказалось, что Земля у нас под ногами твердая только до глубины 2920 километров. Ее верхний слой — земная кора — совсем тонок: всего 30—50 километров. Кора покрывает твердую толщу Земли и называется мантией. Дальше, до глубины 5120 километров, идет жидкое ядро. Но у самого центра нашей планеты атомы спрессованы так, что снова образуют твердый, но горячий слой, толщина которого до центра Земли составляет 1250 километров.

Теперь представьте себе Землю в виде огромного шара, радиусом в 6370 километров. В его глубине находится расплавленный металл, окруженный сверху толстой оболоч-

кой земной мантии и корой. Снизу жидкое ядро «опирается» на плотную твердую основу центрального ядра Земли. Внутри жидкого ядра происходят очень сложные процессы, о которых мы можем только догадываться. Одну из таких догадок и высказал Эльзассер. Он считает, что земной шар намагничен термоэлектрическими токами, текущими в жидком ядре. Но почему они должны возникнуть в нем? Какой источник их поддерживает? И наконец, почему эти токи текут в ядре с востока на запад?

Хорошо известны два главных условия возникновения термотока: для этого должны соприкасаться два разнородных металла и места их контактов должны поддерживаться при неодинаковой температуре. Эльзассер считает, что сама природа устроила так, что оба эти требования выполняются в земном ядре. Конечно, условия в нем гораздо сложнее, чем в любой лаборатории! Тем не менее можно вполне правдоподобно предположить, что жидкое ядро Земли неоднородно по своему составу из-за того, что внутри него существуют колоссальные давления. Они вызывают существенную перестройку атомов и молекул, превращая одни вещества в другие. Вы, вероятно, знаете, что под высоким давлением искусственным путем превращают, например, графит в алмаз. Значит, в земном ядре из-за возможной перестройки возникает естественный контакт двух разнородных металлов, хотя и в жидком виде.

Ну, а как же может возникнуть разница в температурах на разных «этажах» внутри ядра? И здесь Эльзассер находит разумное предположение: вероятнее всего, ее создают радиоактивные примеси. Достаточно миллионных долей процента таких примесей, чтобы они своим распадом обеспечили необходимое выделение тепла. В горячем жидком ядре должны возникнуть тепловые, или

 

 

 

 

1 — термоэлектрические токи в земном ядре;

2 — магнитное поле Земли.

 

конвекционные, потоки. Они будут течь из центральных областей Земли к мантии. По дороге струи расплавленного металла разобьются на отдельные вихри. Вдоль этих неоднородных вихревых струй, как полагает Эльзассер, должны течь термоэлектрические токи. Но особые силы, возникающие при вращении Земли (их называют Кориблиссовыми силами), искривляют путь вихревых струй,превращая их в кольца, охватывающие земную ось. Это и заставляет термоток в кольцах течь как надо.

с востока на запад, намагничивая нашу Землю. Так думал Эльзассер.

На самом деле сложные движения жидкого ядра Земли и термотоков не поддавались точному расчету. Да и не все предположения теории были достаточно обоснованы. И хотя на протяжении нескольких лет делались попытки улучшить методы расчета, задача все-таки оказалась нерешенной. Зато гипотеза Эль-зассера подготовила современную, более совершенную теорию земного магнетизма, которая появилась в 1947 году у нас в стране.

 

ВНУТРИЗЕМНОИ ТУРБОГЕНЕРАТОР

Новую теорию предложил ленинградский физик Яков Ильич Френкель. Он, так же как и Эльзассер, широко использовал достоверные сведения, известные из геофизики. Френкель нашел сходство между процессами, происходящими в земном ядре, и работой динамо-машины с самовозбуждением.

Принцип действия такого генератора тока хорошо знаком электротехникам. Когда он начинает работать, его магнит — статор — совсем слабо намагничен. Но по мере того как якорь машины, на который намотаны витки проволоки, быстро вращается в слабом поле статора, в нем возникает индукционный ток — пока еще небольшой и непригодный для использования. Его заставляют течь по обмотке машины так, чтобы он подмагничивал, то есть усиливал, поле статора. Витки якоря продолжают вращаться, но теперь уже в более сильном магнитном поле, и в них наводится более сильный индукционный ток. С каждым новым оборотом машины происходит как бы «подхлестывание» — самоусиление поля. Вспомните снежный ком, который катится с горы и разрастается до огромных размеров. Таким же образом и динамо-машина с самовозбуждением доводит поле своего магнита до предельного постоянного значения. С этого момента машина начинает работать нормально.

Френкель считал, что земное ядро является своеобразным природным турбогенератором. Роль турбины в нем играют тепловые потоки: они поднимают из недр ядра во все стороны большие массы расплавленного металла. Кориолиссова сила закручивает их вокруг земной оси, образуя, таким образом, самостоятельно движущиеся гигантские витки внутриземной динамо-машины.

Но ведь в витках якоря динамо-машины не может появиться начальный индукционный ток без поля слегка намагниченного статора. И земной турбогенератор не смог бы начать работать, если бы в далеком прошлом внутри земного шара не существовало слабого магнитного поля. Таким исходным, или «затравочным», полем в природном турбогенераторе могло служить слабое межпланетное или межзвездное магнитное поле, которое во все времена пронизывало космос. Обосновать происхождение необходимого начального поля можно еще, вспомнив попытку объяснить магнетизм Земли ее суточным вращением. Она была признана неудачной только потому, что создавала незначительное намагничивание. Но, как мы знаем, затравочное поле может быть каким угодно малым. Механизм самоусиления доведет его до предельного значения, до насыщения. С этого момента дальнейшее усиление поля должно прекратиться. И хотя земной турбогенератор и сейчас продолжает свою работу, кинетическая энергия бурных потоков жидкого металла тратится теперь не на подмагничивание земного ядра, а целиком превращается в теплоту.

Ну, а как справляется теория Френкеля с такими загадками земного магнетизма, как вековые изменения поля Земли?

Давно уже замечена связь между длительностью суток и вековыми вариациями поля: сутки становятся за столетия короче или длиннее с той же периодичностью, с какой происходят вековые изменения земного поля. Единственной общей причиной для такого совпадения может быть только периодическое изменение скорости! вращения Земли. Ведь длительность суток зависит только от этого.

В самом деле, земной шар — очень сложная, многослойная механическая система. Толстостенная шаровая мантия и жидкое ядро, заполняющее внутреннюю полость, должны вращаться с неодинаковыми угловыми скоростями. Не забывайте еще и о твердом земном ядре. Оно, по-видимому, может вращаться иначе, чем мантия. Все это очень осложняет картину движения, так как вызывает перераспределение плотности жидкого металла внутри ядра. В нем могут возникнуть своеобразные «перекосы» и «вспучивания». Но если меняется характер движения потоков вязкой жидкости во вращающемся земном ядре, то изменяется и скорость вращения нашей планеты в целом. Более того, должно измениться и направление оси вращения в пространстве. Этого требуют строгие законы механики вращательного движения.

Мы можем без особого труда ответить и на вопрос о том, почему магнитные полюса Земли сдвинуты относительно географического севера и юга. Ведь иначе и быть не может: если возможны «перекосы» в распределении токов в земном ядре, естественно, что должна сместиться и магнитная ось Земли. Известное «блуждание» магнитных полюсов может иметь ту же причину: жидкое ядро, по-видимому, вращается независимо от твердых оболочек, иногда запаздывая или опережая их вращение. Это неминуемо повлечет за собой перемещение магнитных полюсов на поверхности Земли.

Одним словом, земное ядро живет своей бурной, энергичной жизнью. Жаль только, что очень многое в ней до сих пор остается недостаточно понятным.

 

МАГНЕТИЗМ НЕБЕСНЫХ ТЕЛ

Интересно, что теорию земного турбогенератора можно использовать для объяснения магнитных полей любых космических объектов: Луны, планет, Солнца, звезд. Совсем коротко познакомимся с тем, что известно о магнитных полях этих небесных тел.

Начнем с Луны. Первый космический аппарат «Луна-I», запущенный в январе 1959 года, не обнаружил в окрестностях Луны магнитного поля, отличающегося от слабого межпланетного. Это же подтвердили наш «Луноход-2» и американский искусственный спутник Луны, который вращался вокруг нее пять лет. Но вот на Землю доставили образцы лунного грунта, содержащие самородное железо. В них была обнаружена высокая остаточная намагниченность. А ведь мы знаем, что она появляется при остывании в магнитном поле ферромагнитных материалов и как бы замораживается в них. По-видимому, на ранних стадиях своей эволюции, когда она была горячей, Луна обладала сильным магнитным полем — примерно таким же, как наша планета, а возможно, и несколько большим. Некоторые исследователи считают, что это было около четырех миллиардов лет назад. Именно тогда внутри Луны мог действовать такой же механизм динамо, как и внутри Земли.

Сильными магнитными полями обладают планеты-гиганты — Юпитер и Сатурн. Их поля в десятки раз превышают земное поле. Есть основание предполагать, что они представляют собой газо-жидкие тела. Состоят они почти сплошь из водорода: в виде газа — в верхних слоях и сжиженного водорода — в недрах планеты, где газовая атмосфера под давлением уплотняется. Температура в центральных областях — 20—30 тысяч градусов. Интересно, что магнитная ось Юпитера, как и у Земли, не совпадает с осью вращения: угол между ними около десяти градусов. Наклон оси, смещение полюсов и величину магнитного поля Юпитера пытаются объяснить той же теорией гидромагнитного динамо.

Изучение магнитного поля Солнца показало, что его напряженность, на разных широтах разная, но, в общем, она в два-три раза больше поля Земли. Есть, правда, места на поверхности Солнца, где поле в десятки и сотни раз превышает земное. Не говоря о том, что в группе солнечных пятен оно в тысячи и даже в десятки тысяч раз более сильное, чем земное.

Особый интерес представляет знакомое нам блуждание полюсов на поверхности Солнца. Так, например, установлено, что с 1952 до 1957 года северный магнитный полюс находился в северном полушарии Солнца. Это означает, что магнитное поле на Солнце имело направление, обратное земному полю: ведь на Земле южный магнитный полюс находится на географическом севере. Но с 1957 года полярность изменилась. Так что теперь магнитное поле Солнца ориентировано как земное. И здесь для объяснения особенностей магнитного поля прибегают к теории гидромагнитного динамо. Так же поступают астрофизики, когда хотят понять происхождение колоссальных магнитных полей звезд.

Ученым еще не удалось полностью разгадать истинную причину магнетизма Земли и других небесных тел. Они очень близко подошли к решению этой удивительной, но трудной загадки природы.