Мы поставили себе целью… начать с общеизвестных каменных и железных магнитов, магнитных тел и наиболее близких к нам частей Земли, которые можно ощупывать руками и воспринимать чувствами; затем продолжить это при помощи наглядных опытов с магнитами и, таким образом, впервые проникнуть во внутренне части Земли.

В. Гильберт (XVII век)

 

Магнитное поле Земли

Трудно сказать, кто первый изобрел компас. Если верить китайским легендам, еще 4000 лет назад император Хуанг-Ти пользовался повозкой, на которой была установлена фигурка китайца с вытянутой вперед рукой. Эта фигурка с запрятанным внутри магнитом была одним из древнейших компасов: свободно вращаясь вокруг вертикальной оси, она указывала направление на север.

Само слово «магнит», по-видимому, произошло от названия местности (холмы магнезии в Малой Азии), где добывали железную руду. Естественный магнит — это черный с коричневатым оттенком минерал магнетит, называемый иначе магнитным железняком. Иногда он встречается в виде залежей, чаще присутствует в изверженных породах — базальте, диабазе, граните. Знаменитая гора Магнитная на Южном Урале состоит из магнетита.

Магнетит содержит около 70 % железа. Если к магнетиту прикоснуться чистым железом, то он становится намагниченным. Подобным способом можно изготовить стрелки компасов и другие магниты.

На уроках физики в школе употребляют линейные магниты. Это полоска железа, имеющая два магнитных полюса, условно называемых северным и южным. Одну половину магнита, ту, где находится северный полюс, окрашивают в синий цвет, другую половину — в красный. Если такой магнит покрыть бумагой, а на бумагу посыпать мелкие железные опилки, они намагнитясь, расположатся вдоль силовых линий магнитного поля. Так выглядит магнитное поле линейного магнита с двумя полюсами, называемого иначе диполем.

Земля — исполинский «шаровой» магнит. В первом приближении магнитное поле Земли равноценно магнитному полю линейного магнита, ось которого наклонена к оси вращения Земли под углом 12°. Любопытно, что ось этого воображаемого линейного магнита (она называется магнитной осью Земли) не проходит через центр Земли, а смещена по отношению к нему на 400 км (в сторону Тихого океана). Точки, в которых магнитная ось пересекает земную поверхность, называются геомагнитными полюсами.

Не следует путать идеализированные магнитные полюса Земли с реальными магнитными полюсами. Последние определяются как точки, в которых стрелка компаса занимает вертикальное положение. Один из них находится в Канадском архипелаге, противоположный— в Антарктиде. То, что реальное магнитное поле Земли отличается от ее теоретического магнитного поля, вызвано не только местными магнитными аномалиями, т. е. искажениями геомагнитного поля теми магнитными полями, которые создаются залежами магнитных пород. Есть и причины космического характера.

Земной шар постоянно «обдувается» «солнечным ветром», т. е. потоками выброшенных Солнцем корпускул (электронов, протонов и ядер атомов других, более тяжелых, чем водород, элементов). «Солнечный ветер» — это электропроводящая плазма или в целом электрически нейтральная смесь положительно и отрицательно заряженных частиц. Она всегда переносит с собой слабое (напряженностью 0,8·10-3 А/м) магнитное поле. Хотя магнитное поле Земли имеет значительно большую напряженность (около 40 А/м), под воздействием «солнечного ветра» оно заметно искажается и на больших расстояниях от Земли приобретает вид, изображенный на рис. 18.

Рис. 18. Магнитосфера Земли. Числа указывают расстояния в радиусах Земли. Заштрихованы радиационные пояса.

Уточним некоторые детали этой картины.

Пространство, в котором напряженность магнитного поля Земли не уступает напряженности межпланетного магнитного поля (0,8·10-7 А/м), называется магнитосферой. В наиболее удаленных частях граница магнитосферы проходит на расстоянии 10–15 земных радиусов от центра Земли. Со стороны, обращенной к Солнцу, магнитосфера сжата магнитным давлением «солнечного ветра». С противоположной стороны ее силовые линии разомкнуты и образуют так называемый магнитный хвост Земли. Внутри этого хвоста обнаружен нейтральный слой, где напряженность магнитного поля близка к нулю.

Вся эта картина весьма изменчива во времени. Когда Солнце активно и его поверхность усеяна пятнами, в атмосфере Солнца часто происходят взрывы, именуемые солнечными вспышками. При этом Солнце «выстреливает» в межпланетное пространство облака корпускул — корпускулярные потоки. Они более плотны и более намагничены (до 0,8·10-3 А/м), чем «солнечный ветер». Когда облака корпускул долетают до Земли, магнитосфера «будоражится» ими, и происходят заметные возмущения магнитного поля Земли — так называемые магнитные бури. В такие периоды стрелки компасов быстро колеблются, и их показания становятся неточными.

Однако и тогда, когда Солнце спокойно, магнитное поле Земли не остается неизменным. Ультрафиолетовые лучи Солнца ионизируют верхние слои атмосферы (ионосферу), причем днем ионов там гораздо больше, чем ночью. По действием солнечных и лунных приливов ионосферные слои непрерывно движутся в магнитном поле Земли, и в них индуцируются, как в роторе динамо-машины, свои ионосферные токи, изменяющие магнитное поле Земли и заставляющие стрелки компасов хотя и незначительно, но беспрерывно колебаться. Наконец, существуют очень медленные, но тем не менее непрерывно продолжающиеся вековые изменения земного магнитного поля.

Согласитесь, что Земля по своим магнитным свойствам мало напоминает школьный постоянный магнит.

 

Земные недра и магнитные аномалии

Для главной темы этой книги — знакомство с земными недрами — особенно интересны местные земные магнитные аномалии. В зависимости от масштабов их делят на локальные, региональные и мировые. Первые имеют в поперечнике всего несколько километров, вторые — десятки и сотни километров, а третьи — тысячи километров. Во всех этих аномалиях магнитное поле необычно велико и его напряженность (по вертикали) достигает 1–2 эрстед.

Причина локальных аномалий — присутствие в данном районе больших залежей намагниченных пород. Самые заметные магнитные аномалии порождаются железными рудами, менее значительные— изверженными (базальты, диабазы) и метаморфическими (железистые кварциты) породами. Что касается мировых и крупных региональных магнитный аномалий, то их существование связано, по- видимому, с физическими особенностями глубоких слоев земной коры и даже верхней мантии. В последнем случае изучение аномалий особенно перспективно — ведь самая глубокая буровая скважина прошла более 11 км, тогда как при детальном изучении земного магнетизма можно узнать о свойствах вещества, находящегося на гораздо больших глубинах. Лишь на глубине 40—100 км температура становится такой высокой, что о намагничивании земных пород не может быть и речи.

Магнитные карты Земли, на которых изображены кривые равной напряженности, по существу напоминают рентгенограмму нашей планеты. Вся территория Советского Союза покрыта аэромагнитной съемкой, причем среднее расстояние между маршрутами полетов не превышает нескольких километров. Все, даже небольшие аномалии на этой карте должны получить объяснение и помочь разведке полезных ископаемых. В сущности, глубинная «магнитная разведка» преследует три цели: региональное изучение глубинного строения Земли, прослеживание различных структур в кристаллическом фундаменте земной коры и, наконец, поиски железорудных месторождений.

На общей магнитной карте Земли выделяются три мировые аномалии — одна в Канаде, вторая в Антарктиде, третья в нашей стране, между Енисеем и Леной. Происхождение их пока не совсем ясно, но зато в других случаях «холмы» магнитной карты привели к открытию мощных залежей очень полезных для промышленности пород. Классический пример — Курская магнитная аномалия (КМА), огромная кладовая железа, разработке которой В. И. Ленин уделял исключительное внимание. Открытие Курской аномалии В. В. Маяковский приветствовал стихами:

Ленинский декрет 1919 г. об изучении Курской магнитной аномалии ознаменовал собой рождение советской разведочной геофизики.

Ныне известно, что КМА представляет собой два подземных почти параллельных железорудных хребта. Один из них имеет ширину около 25 км и тянется к югу на 400 км, другой на 5 км шире и на 200 км длиннее. Стрелка компаса в этих районах вместо севера иногда показывает на восток, запад и даже на юг!

Однако не все железные руды усиливают магнитное поле Земли, некоторые ослабляют его, что связано с обратным намагничиванием этих пород. Значит, не только «холмы», но и «впадины» на магнитных картах могут указывать на залежи полезных ископаемых. К числу таких необычных магнитных аномалий принадлежит Ангаро-Илимская аномалия, обнаруженная в 1923 г. Есть отрицательные аномалии в Южной Африке и Северной Англии, на территории обеих Америк и в других местах земного шара.

Происхождение отрицательных магнитных аномалий пока неизвестно. Но это, конечно, не мешает разведке полезных ископаемых, вызывающих столь непонятное явление природы.

Существуют различные приборы для измерения напряженности магнитного поля Земли и магнитные обсерватории, где внимательно следят за изменениями земного магнетизма. Магнитные измерения проводят и на суше, и на море, с самолетов и даже с помощью искусственных спутников Земли. Организуются международные исследования, позволяющие в глобальных масштабах выявлять все особенности земного магнетизма и его изменчивости. И вся эта огромная работа очень полезна не только для разведки полезных ископаемых. По характеру магнитных свойств Земли можно судить и о далеком прошлом нашей планеты, и о природе ее ядра, недоступного для прямых исследований.

 

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.

Хотя динамо-гипотеза в настоящее время победила всех своих конкурентов и признается наиболее правдоподобной, она не свободна от недостатков. Неизвестно, например, откуда взялось первоначальное магнитное поле, нужное для возбуждения электротоков в ядре. Далеко не очевидно, что земное ядро обладает высокой электропроводностью и имеет железо-никелевый состав (некоторые исследователи полагают, что в земном ядре немало силикатов). Непонятно, чем поддерживается на протяжении многих сотен миллионов лет работа земной динамо-машины. Предполагают, что для этого используется энергия радиоактивного распада тяжелых элементов внутри Земли или энергия, выделяющаяся при гравитационной дифференциации вещества Земли, т. е. при перемещении тяжелых масс к ее центру с «выдавливанием» легких масс наружу. Все это, однако, лишь предположения, пока что мало обоснованные. Таким образом, тайна земного магнетизма остается пока неоткрытой.