История Земли в 25 камнях: Геологические тайны и люди, их разгадавшие - Дональд Протеро
Геофизическое моделирование, проведенное Эльзассером, Буллардом и многими другими учеными, показало, как внутри жидкого железоникелевого внешнего ядра Земли вращаются магнитные динамо. Подобно тому, как на гидроэлектростанции динамо вращает катушку с проводом вокруг магнита, генерируя ток в катушке, так и геодинамо вращает массу проводящего железа и никеля через магнитное поле Земли, генерируя электрический ток. Этот ток в колоссальном цикле обратной связи генерирует более сильное магнитное поле, которое дает еще более мощный ток, и так далее. Реальные математические подробности того, как работает такая система, весьма сложны, но это единственное объяснение, которое соответствует известным свойствам магнитного поля Земли.
Фрагмент головоломки № 2: Линии блуждания полюсов
К середине XIX в. ученые изобрели примитивные устройства для обнаружения магнитного поля в твердых образцах материала – например, в камне. Со временем приборы становились все более и более сложными, и к 1930-м гг. появились протонные прецессионные магнитометры, которые могли определять магнитную сигнатуру (характеристики магнитного поля) подводной лодки. К 1940-м гг. были разработаны феррозондовые магнитометры, которые обнаруживали более слабые магнитные поля в образце породы.
В 1948 г. Эллис Джонсон, Томас Мерфи и Оскар Торресон из Отдела земного магнетизма Института Карнеги в Вашингтоне опубликовали вызвавшую большой резонанс статью под названием «История магнитного поля Земли». Анализируя направления магнитного поля в слоях древних отложений одного ледникового озера, они показали, что сильный магнитный сигнал могут давать не только лавы и вулканические породы, но и осадочные породы. Им удалось проследить постепенные изменения магнитного поля планеты в интервале от 17 000 до 11 000 лет тому назад. Эта публикация побудила ученых заняться исследованиями древнего магнитного поля Земли. Данную область геофизики стали называть палеомагнетизмом, а ее представители получили прозвание палеомагов, потому что их изыскания помогли решить много интересных и сложных геологических проблем.
Эти работы привлекли внимание блестящего физика Патрика Блэкетта, который в том же 1948 г. получил Нобелевскую премию за исследование космических лучей с помощью камеры Вильсона. Блэкетт родился в Лондоне в 1897 г., служил в Королевском флоте во время Первой мировой войны, прошел несколько сражений, налаживая и улучшая артиллерийские орудия и другое военно-морское оборудование. После войны он занялся физикой в знаменитой Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, где стал учеником Эрнеста Резерфорда, пионера в изучении радиоактивности. Блэкетт и Резерфорд усовершенствовали камеру Вильсона и в конце концов открыли античастицы. Вплоть до 1947 г. Блэкетт работал над созданием магнитометра для обнаружения магнитного поля Земли, надеясь, что это поможет связать электромагнетизм с другой фундаментальной силой, а именно с гравитацией. Попытка не увенчалась успехом, но в процессе работы физик разрабатывал все более точные магнитометры, а также собрал множество палеомагнитных данных о древних горных породах. Среди студентов Блэкетта в Кембридже был Стэнли Кейт Ранкорн, который стал первопроходцем в совершенно новом направлении палеомагнетизма – наблюдениях за изменениями положения магнитного полюса, запечатленными в магнитных породах континентов в течение миллионов лет. В свою очередь, Ранкорн начал масштабную программу по палеомагнетизму, когда перешел в Ньюкаслский университет. Его учениками стали такие выдающиеся специалисты, как Тед Ирвинг, Д. Коллинсон, Кен Крир, Нил Опдайк, а также многие другие известные палеомаги. (Я сам учился у Опдайка, так что являюсь прямым интеллектуальным потомком линии Резерфорд – Блэкетт – Ранкорн.)
Ранкорн вместе со своими учениками и коллегами задался целью собрать как можно больше данных по направлениям палеомагнитного поля для разнообразных пород разного возраста на разных континентах. К середине 1950-х гг. массив информации стал очень солидным, и тогда начали проступать определенные закономерности. Прежде всего ученые смогли сказать, что положение любого из континентов относительно Северного магнитного полюса со временем менялось. Если вы изучите направление магнитного поля для очень молодых пород, то все они будут указывать на современный магнитный север. Но если станете смотреть на породы все более и более старые с одного континента, то древнее направление на магнитный север, зафиксированное в этих образцах, будет все дальше и дальше отклоняться от нынешнего направления на магнитный полюс. Зная все направления на полюс для разных эпох, вы можете выстроить кривую, по которой двигался Северный магнитный полюс относительно данного материка. Это явление назвали «блужданием полюса».
Сложности возникнут, когда вы проделаете то же упражнение с другим континентом (рис. 21.2). Самые молодые породы снова будут давать направления примерно на современный магнитный север, а более старые породы – указывать все более отклоняющийся курс. Вы можете вывести еще одну кривую блуждания полюса для этого континента. Вот только она не совпадет с первой кривой. То же самое случится, если использовать данные с третьего континента. Самые молодые породы опять будут соответствовать современному магнитному северу, а более старые породы дадут кривую перемещения полюса, которая не совпадет с линиями, построенными для первых двух материков.
Рис. 21.2 Кривые кажущегося блуждания магнитного полюса (APWP, Apparent polar wander path) для материков в неподвижном положении. Если же допустить, что континенты двигались, то кривые в точности совпадают. Составлено по нескольким источникам
Возникает дилемма. Вы можете предположить, что континенты не двигаются (в 1950-е гг. в это все еще верилось большинству геологов). Отсюда вытекает, что у каждого континента есть собственная линия движения полюса, а сегодня эти линии сошлись в одном месте – на современном магнитном полюсе. Иными словами, на протяжении всего геологического прошлого у Земли было много разных магнитных полюсов, но в наше время они случайно собрались вместе.
А если вместо этого вы позволите континентам двигаться? Если вы вернете их в исходное положение в прошлом, то все линии блуждания полюса прекрасно совпадут. Таким образом, за геологическое время сам Северный магнитный полюс не очень существенно сместился относительно полюса вращения, зато древние горные породы, фиксирующие направление на этот полюс, сместились относительно него, создавая «видимую кривую перемещения полюса».
Основную часть этих данных опубликовали в середине 1950-х гг., и они стали мощным подтверждением гипотезы дрейфа материков. Однако геологическое сообщество в целом было не готово принять эту идею и отказаться от своей давней ориентации на неподвижность континентов. Большинство считало, что палеомагнетизм – дело новое, и в палеомагнитных данных содержится слишком много провалов и подводных камней (как известных, так и неизвестных в то время), чтобы оценить, действительно ли они показывают движение континентов. Геологи, которые знали об этих исследованиях, просто заняли выжидательную позицию.
Фрагмент головоломки № 3: Магнитное поле земли изменило направление!
Кроме кажущегося движения магнитного поля Земли с течением времени, люди обратили внимание еще на одно удивительное свойство магнетизма древних горных пород: направление магнитного поля время от
