Александр Городницкий - Тайны и мифы науки. В поисках истины
А также возможным источником глобальной катастрофы, как это ни покажется странным, может стать земное магнитное поле. Характерной особенностью магнитного поля Земли, природа которого до сих пор остается дискуссионной, является наличие систематических инверсий его полярности. В настоящее время общепринятой дежурной моделью геомагнитного поля является модель гидромагнитного динамо. Физической основой этой модели является предположение о наличии в Земле квазижидкого проводящего ядра, вращающегося вместе с Землей. Так, Э. Буллард предполагает, что вращение в жидком земном ядре неоднородно и возможно проскальзывание его внешней части относительно внутренней, что и приводит к образованию тороидального поля в силу «вмороженности» магнитных силовых линий в высокопроводящее вещество. При этом первичное слабое полоидальное поле, необходимое как «пусковое» в теории гидромагнитного динамо, связывается с гиромагнитным эффектом, состоящим в том, что вращающееся тело намагничивается в направлении оси вращения.
В первом приближении магнитное поле Земли аппроксимируется полем магнитного диполя, который создает 78 % общей напряженности. Следует отметить, что реальные процессы, идущие в ядре Земли, значительно сложнее. Кроме того, существует теорема Т. Каулинга, показывающая невозможность стационарного магнитного гидродинамо, в котором магнитное поле и проводящая жидкость имеют ось симметрии. Это значительно усложняет модели магнитного гидродинамо, описанные трехмерными уравнениями.
Наиболее разработанной моделью магнитного динамо, лучше других согласующейся с экспериментальными данными, является модель советского физика С.И. Брагинского, которая наряду с генерацией главного поля дает возможность объяснить вековые вариации с периодом порядка тысяч лет. Эта модель объясняет также наклон оси геомагнитного диполя относительно оси вращения Земли, имеющий случайный характер. Отсюда делается вывод о совпадении оси магнитного диполя с осью земного вращения за время более тысячи лет, что хорошо подтверждается палеомагнитными данными.
Существование инверсий магнитного поля Земли, систематической и многократной перемены его знака в течение геологической истории нашей планеты, впервые установленное еще в начале прошлого века П. Давидом и Б. Брюнесом, убедительно подтверждено многолетними экспериментальными палеомагнитными исследованиями на суше, а также данными геомагнитных съемок и глубоководного бурения в океанических областях. Исследования эти на базе огромного фактического материала показали, что одновозрастные осадочные и вулканогенные породы, независимо от места их залегания, в пределах больших территорий обладают первичной намагниченностью, соответствующей одной и той же полярности геомагнитного поля. Работы Р. Вилсона и других палеомагнитологов дали свидетельства того, что эти глобальные закономерности не могут быть объяснены явлениями самопроизвольного обращения намагниченности.
На основании многочисленных экспериментальных данных была построена магнитохронологическая шкала инверсий геомагнитного поля в фанерозое. Открытие в 1960-е годах британскими учеными Фредериком Вайном и Драммондом Метьюзом системы линейно-полосчатых магнитных аномалий в океанах и установление их связи с формированием блоков новообразованной океанической коры с прямой и обратной магнитной полярностью легло в основу теории тектоники литосферных плит, совершившей революцию в науках о Земле.
Наибольший интерес для изучения механизма геомагнитных инверсий и морфологии поворота вектора магнитного поля вызвали переходные слои, обнаруженные вскоре после открытия чередования знака в зонах прямой и обратной полярности. Ведущую роль здесь играет изучение зон геомагнитной полярности в донных осадках Мирового океана. Дело в том, что палеомагнитное изучение лавовых потоков и покровов на суше не может дать непрерывную картину поворота знака магнитного поля в силу неравномерности вулканических процессов, в то время как детальное палеомагнитное исследование ненарушенных осадков в глубоководных частях океанов дает более полную информацию.
При скорости накопления осадков от 0,1 до 1,0 сантиметра за тысячу лет ближайшая граница перемены палеомагнитных эпох Брюнес – Матуяма (700 тысяч лет назад) должна лежать на глубине 0,7-7,0 метра, а граница Гаусс – Гильберт – на глубине 3,3-33 метров. Это позволяет проводить детальные исследования тонкой временной структуры геомагнитного поля и механизма инверсий.
Палеомагнитные исследования глубоководных донных осадков Индийского и Тихого океанов дали возможность продолжить непрерывную магнито-геохронологическую шкалу сначала до середины позднего миоцена (9 миллионов лет), а затем и на весь неоген. Изучение тонкой структуры геомагнитного поля во времени позволило также выявить в областях быстрого осадконакопления краткосрочные инвенты и отклонения геомагнитного поля для эпохи Брюнес.
Для описания поведения геомагнитного поля в период инверсий в настоящее время имеется довольно много данных по всей шкале инверсий для фанерозоя. Наиболее полно исследованы кайнозойские инверсии, менее – мезозойские и палеозойские. Полученные данные позволили выявить некоторые общие закономерности механизма геомагнитных инверсий и их морфологии.
Одним из наиболее важных открытий является изменение напряженности магнитного поля Земли во время самой инверсии и в смежные отрезки времени, то есть между двумя стабильными его состояниями. Так, для раннепалеозойских инверсий, продолжительность цикла которых колеблется от 10 до 300 тысяч лет, отмечается резкое падение напряженности магнитного поля. Аналогичная картина наблюдается для частых инверсий магнитного поля в пермо-триасе, на рубеже палеозоя и мезозоя, в так называемом «критическом» интервале Иллавара, а также для инверсий в мезозое и кайнозое.
Анализ результатов исследований особенностей геомагнитного поля во время инверсий, проведенный Г.Н. Петровой и Г.В. Русановой, позволил установить, что средний уровень напряженности поля во время инверсии как по осадочным, так и по изверженным породам понижается в 5-7 раз, а в отдельные интервалы времени – в 10 и более раз. При этом время понижения напряженности в два-три раза превышает время изменения полярности. Средняя продолжительность самих инверсий меняется от 10 до 50 тысяч лет. Следует отметить, что эти особенности являются наиболее общими и имеются исключения. Так, существуют отдельные определения, свидетельствующие о росте напряженности магнитного поля в период инверсий. Есть примеры изменения временных соотношений между периодом инверсии и интервалом изменения напряженности. В целом, однако, указанная закономерность сохраняется.
Наряду с резкими понижениями модуля геомагнитного поля в период его инверсий, работами А.С. Большакова с соавторами выявлены также его существенные изменения на протяжении фанерозоя. Согласно полученным ими данным, своих максимальных значений напряженность геомагнитного поля достигала в позднем палеозое и триасе (в полтора раза больше, чем сейчас) и в венде (в два раза больше современной). После венда магнитное поле понижается до современного уровня в кембрии и далее до минимальных значений в девоне (в пятнадцать раз меньше современного).
С конца среднего палеозоя напряженность поля снова увеличивается, достигая максимума на границе карбона и перми. В середине мезозоя – в поздней юре модуль снова снижается в два раза ниже современных значений и с конца мела приближается к современным значениям – 0,6 эрстеда. Имеющиеся предварительные данные дают возможность предположить, что изменения модуля геомагнитного поля носят циклический характер с периодом около 250 лет. По-видимому, они связаны с глубинными процессами в недрах нашей планеты и, в первую очередь, с перестройкой структуры конвективных течений в мантии и на границе мантия – ядро. Представляется неслучайным поэтому, что максимум модуля геомагнитного поля в пермо-карбоне приурочен к времени существования объединявшего почти всю сушу Земли суперматерика Пангея.
Существенное падение напряженности магнитного поля нашей планеты не может не отразиться на строении магнитосферы, защищающей поверхность Земли от действия так называемого солнечного ветра. Еще в 1958 году американский астроном Юджин Паркер показал, что в солнечной короне, где газ обладает тепловыми скоростями порядка 180 км/с, солнечное вещество может преодолевать поле тяготения Солнца и непрерывно поступать в космическое межпланетное пространство со скоростью порядка 400-500 километров в секунду, образуя так называемый «солнечный ветер». Красивое название, не правда ли?
К сожалению, ничего красивого, кроме названия, в солнечном ветре нет. Это поток заряженных частиц, перемещающихся с гигантской скоростью и убивающих все на своем пути. В связи с упомянутой выше «вмороженностью» магнитных силовых линий, солнечный ветер должен увлекать с собой магнитные поля с Солнца. Встречая на своем пути геомагнитное поле Земли, солнечный ветер будет продвигаться до тех пор, пока его давление не станет равным противостоящему давлению геомагнитного поля. При таком взаимодействии потока солнечной плазмы с геомагнитным полем образуется полость, где газодинамическое давление солнечной плазмы уравновешивается давлением геомагнитного поля.
