Лилия Алексеева - Небесные сполохи и земные заботы
Земля потому и располагает своим телевизионным аппаратом для показа репортажей из космоса, что обладает собственным магнитным полем. У ее соседей–планет с этим обстоит по–разному. Значительные магнитные поля есть у Юпитера и Меркурия, и многие процессы вблизи этих планет идут так же, как на Земле. Открыто небольшое магнитное поле у Марса. Из исследованных пока крупных небесных тел Солнечной системы лишь Луна и Венера лишены заметного собственного магнитного поля.
3. Полярная звезда и маленькие упрямые стрелки
Ориентация стрелки не зависела от того,
кто ее подвешивал, его уровня
образования, религиозных убеждений
и характера, от высоты места,
от времени или погоды.
Е. Паркер. Космические магнитные поляНезримое присутствие магнитного поля Земли люди ощущали давно. В их руках был простенький прибор — компас. Если держать его на ладони, то стрелка, установившись, всегда показывает одно направление. Упрямство стрелки производило впечатление чуда.
«Чудо такого рода, — пишет великий физик А. Эйнштейн в своей «Творческой биографии», — я испытал ребенком 4 или 5 лет, когда мой отец показал мне компас. То, что эта стрелка ведет себя так определенно, никак не подходило к тому роду явлений, которые могли найти себе место в моем неосознанном мире понятий (действие через прикосновение). Я помню еще и сейчас — или мне кажется, что помню, — что этот случай произвел на меня глубокое и длительное впечатление. За вещами должно быть что–то еще, глубоко скрытое».
И здесь же он отмечает, что наука представляется ему в известном смысле как непрерывное бегство от «удивительного», от «чуда».
Научному выявлению магнитного поля нашей планеты помог тот же компас. Он оказался незаменимым при быстром ориентировании в пути. В самом деле, определить направление на север можно, например, по полуденному положению Солнца. Это удается проделать без сложных приборов, просто проследив за движением тени от, скажем, воткнутой в землю палки. Но тень движется из–за суточного вращения Земли. Чтобы ее смещение оказалось достаточно большим, как это необходимо для измерений, нужно по крайней мере несколько часов — время, сравнимое с сутками. В пути, особенно в морском, такое измерение нереально. И люди давно заметили на небе одну–единственную звездочку, Полярную звезду, которая всегда была на одном месте (вернее, почти на одном месте: в науке о Земле все — почти, особенно для современного человека с его точными приборами). Она и помогала держать курс. Но нельзя же двигаться только по ночам, да и то выбирая ясную погоду! Упрямая магнитная стрелка готова была работать всегда, круглосуточно.
Вряд ли мы узнаем когда–нибудь, кто открыл ее чудесное свойство. Самые ранние источники — китайская энциклопедия, составленная между 265 и 419 годами новой эры, а в Европе записки английского монаха Некэма, относящиеся к XII веку, — описывают компас как прибор, уже употребляемый моряками.
Русские использовали компас еще в XV веке. С его помощью они устанавливали свои навигационные знаки — приметные кресты. Таких крестов было очень много на побережье Северного Ледовитого океана. В XVI–XVII веках их видели и описывали западные путешественники. Крестов стало гораздо меньше после 1628 года, когда во исполнение царского приказа «О запрещении морского хода в Мангазею» большая часть крестов была сожжена, «чтоб однолично в Сибирь, в Мангазею, немецкие люди (иностранцы. — Л. А.) водяным путем и сухими дорогами ходу не проискали» — так говорится в отчете непосредственного исполнителя — тобольского воеводы. Эти кресты, сделанные из огромных бревен, своей поперечиной указывают направление магнитной стрелки, а не направление на географический полюс, которое определяется по движению Солнца или звезд (угол между этими направлениями называют углом магнитного склонения).
Что магнитная стрелка отклоняется от географического направления север — юг, китайцы заметили еще в XII веке. Но люди долго не придавали этому значения. Считалось, что магнитную стрелку притягивает Полярная звезда и поэтому стрелка должна указывать на географический полюс, отклонение же ее от этого направления объясняли техническим несовершенством компаса. При недалеких плаваниях это отклонение почти не изменялось, да и ввести на него поправку ничего не стоило.
Всерьез задуматься о причинах такого отклонения пришлось знаменитому Колумбу при обстоятельствах весьма драматических. Он вел свои корабли на запад к берегам еще не открытой Америки. С компасом творилось что–то неладное: угол отклонения его стрелки от направления на Полярную звезду постепенно уменьшался. Потом компас стал указывать точно на нее, и затем стрелка сдвинулась совсем уж в немыслимую сторону! Такое поведение компаса вызывало страх у суеверных моряков. Им хотелось повернуть назад. Назревал бунт. Колумб, решив, что в этих условиях «полезная ложь лучше. вредной правды», незаметно для других повернул картушку — циферблат компаса и объяснил экипажу, что сместилась не магнитная стрелка компаса, а Полярная звезда. Вера моряков в свой компас была так сильна, что им оказалось легче представить себе сдвиг Полярной звезды, чем отклонение стрелки компаса. Они приняли всерьез слова капитана и успокоились. Колумб же стал первооткрывателем переменного магнитного склонения и уже потом — Америки.
Рис. 1. Силовые линии дипольного поля
Этот эффект связан отчасти с несовпадением точек магнитного и географического полюсов нашей планеты — в Северном полушарии расстояние между ними без малого 1600 километров. Осознали это несовпадение не сразу. Человек, введший понятие магнитного полюса Земли, считал, что он совпадает с географическим, а различие в величине магнитного склонения между разными точками на поверхности Земли объясняется расположением материков и океанов: океаны немагнитны, тогда как материки могут быть сложены из магнитных материалов (таких, например, из которых делают магнитные стрелки). Этим человеком был В. Гильберт, ученый и придворный врач английской королевы Елизаветы. В 1600 году вышел его фундаментальный труд по земному магнетизму. Слова «Земля — большой магнит» принадлежат ему.
Для подтверждения этой мысли Гильберт намагнитил железный шар и показал, что на маленькую магнитную стрелку он действует подобно Земле. Теперь физики называют такие лабораторные установки, моделирующие Землю с ее магнитным полем и окружающую часть ближнего космоса, «терреллами»: в переводе с итальянского «террелла» значит «маленькая Земля», «Земелька». Магнитное поле однородно намагниченного шара, изображавшего в опытах Гильберта Землю, имеет характерный вид (рис. 1): каждая силовая линия — это дуга, которая выходит из поверхности шара в Южном полушарии, проходит над экватором и снова входит в шар, но уже в Северном полушарии. Над двумя точками поверхности шара силовые линии поднимаются вертикально (перпендикулярно поверхности, по радиусу) — это точки магнитных полюсов. Чтобы каждый раз не возвращаться к описанию такого магнитного поля, нам придется запомнить его название–термин: дипольное поле.
Магнитное поле, как известно теперь всем, создается электрическими токами. Токи, текущие в глубине нашей планеты, отвечают за ее дипольное магнитное поле.
Но токи на Земле текут не только в ее глубине. Из школьного курса физики мы помним, что микроскопические электрические токи есть внутри всех молекул и атомов, а в намагниченных телах эти токи ориентированы так, что действуют как общий макроскопический ток. Залежи природных магнитных материалов создают аномалии магнитного поля на Земле. Гильберт не зря придавал большое значение их существованию. Они действительно могут быть очень велики: например, в разных точках Курской магнитной аномалии угол магнитного склонения может отличаться на ±180°, а величина поля в два–три раза превосходить величину магнитного дипольного поля Земли. Однако аномальности чувствуются лишь в определенных районах и убывают по мере того, как мы отъезжаем от них. Общее диполь–ное магнитное поле Земли ощутимо по всей планете; Это фоновое поле по отношению к аномалиям. Аномалиями магнитного поля Земли интересуются в первую очередь геологи, ведущие по ним разведку полезных ископаемых, а дипольным, фоновым полем планеты — космофизики. И не только потому, что по мере удаления от поверхности Земли в космос магнитные поля аномалий перестают чувствоваться гораздо раньше, чем диполь–ное поле.
Вернемся еще раз к террелле Гильберта. Хотя магнитное поле однородно намагниченного шара и общее магнитное поле земного шара вне этих шаров одинаковые — дипольные, сами шары «сделаны» из разных материалов. И это принципиально важно. В самом деле, намагниченность постоянного магнита — любого куска магнитного материала — это отражение высокой упорядоченности составляющих его частиц: настолько высокой, что их «микротоки» действуют как один общий ток — настолько они согласованы между собой. Тепловое движение частиц расстраивает эту упорядоченность. Стоит постоянный магнит, в данном случае, терреллу, как следует нагреть или тем более расплавить, как исчезнет ее намагниченность, а значит, и магнитное поле. Но известно, что температура нарастает по мере углубления в недра нашей планеты. В больших пещерах всегда тепло: даже зимой здесь (если нет особых сквозняков) температура не бывает ниже 10–12 градусов. В шахтах — жарко. По современным представлениям, через один километр глубины температура увеличивается примерно на 33 градуса, а по косвенным, но внушающим доверие данным, внутри Земли находится расплавленное, жидкое, ядро. Почему же тогда Земля — большой магнит? И тем более почему Солнце — магнит? Все помнят «пейзажную» зарисовку в стихах Ломоносова:
