Природа – сфинкс. И тем она верней
Своим искусом губит человека,
Что, может статься, никакой от века
Загадки нет и не было у ней.
Ф.И.Тютчев
Часть 1. Геомагнетизм.
Акт 1. Происхождение и особенности.
Мне так небесный свод сказал: "О человек,
Я осуждён судьбой на этот страшный бег."
О.Хайям
Согласно современным научным представлениям ядро нашей планеты состоит из твёрдой части и жидкой поверхностной. Это жидкое вещество ядра подогревается твёрдой и одновременно охлаждается расположенной над ним мантией, таким образом вовлекаясь в кругооборот, то есть в конвекцию, которая в свою очередь распадается на отдельные циркулирующие потоки.
Ядро, в котором давление и температура очень высоки, состоит в основном из хорошо проводящих электрический ток железа и никеля. А если проводник движется в магнитном поле, пересекая его линии, то в нём возбуждается электродвижущая сила. Стало быть, если Земля обладала неким первоначальным слабым магнитным полем, то во взаимодействие с ним могли вступить конвекционные токи жидкого ядра планеты, порождая известное нам мощное магнитное поле, кольцами окружающее нашу планету. Правда, неясна природа этого первоначального поля. Возможно, взаимодействие происходило со слабым межпланетным полем.
Земля не обладает исключительным правом на магнитное поле. Самые сильные поля, зарегистрированные во Вселенной, создаются нейтронными звёздами и пульсарами. Большинство звёзд имеют магнитные поля. Поле у некоторых носит локальный и нерегулярный характер, а крупномасштабное поле слабо. У других же, наоборот, доминируют регулярные поля. Это так называемые магнитные звёзды, среднее поле которых составляет десятки тысяч гауссов. На белых карликах поле еще сильнее – десятки миллионов гауссов, а магнетизм радиопульсаров и рентгеновских пульсаров просто грандиозен.
Но такие объекты как магнитные звёзды редки, в настоящее время известно лишь порядка сотни. Следовательно, при образовании звезды магнитное поле либо как-то разрушается, либо каким-то образом покидает вещество звезды.
Магнитное поле звезды порождает звёздный ветер, аналогичный солнечному, который, уменьшая массу и момент инерции звезды, изменяет ход её развития.
Магнитные поля обнаруживаются во всех классах астрономических образований, от планет до галактик и их скоплений. Может ли быть намагниченным такой сверхобъект как наша Вселенная? Однородное космологическое магнитное поле вморожено в расширяющуюся плазму и меняется только вследствие хаббловского расширения в поперечном направлении. Загадочен механизм генерации магнитных полей в ранней Вселенной. Анализ полученных данных наблюдений показывает, что во Вселенной нет магнитных полей, требуемых гипотезой реликтового происхождения магнитных полей Галактик.
Ситуация в Солнечной системе неоднозначна. Магнитное поле Сатурна примерно такое же, как и Земли, а вот на Юпитере уже превышает земное в 10-20 раз. Магнетизм Луны и ближайших к нам планет земной группы почти незаметен.
Магнитное поле на ближайшей к нам звезде – Солнце – было обнаружено ещё в 1908 году американским астрономом Дж. Хейлом. Согласно современным измерениям, максимальная напряжённость магнитного поля солнечных пятен примерно 4000 Э. Единица измерения носит имя шведского физика Х.К.Эрстеда и обозначается Э. Поле в пятнах есть проявление общего азимутального магнитного поля Солнца, силовые линии которого имеют различное направление в Северном и Южном полушариях Солнца.
Напряжённость поля Земли меняется от 0,24 Э ( в Бразилии ) до 0,68 Э ( в Антарктиде ). Таким образом усреднённое геомагнитное поле равно 0,5 эрстеда. Однако же на поверхности Земли немало и магнитных аномалий, которые в зависимости от своих масштабов подразделяются на локальные, региональные и мировые. Во всех этих аномалиях магнитное поле необычно велико и его напряжённость ( по вертикали ) достигает 1-2 Э.
Причина локальных аномалий – присутствие в данном районе больших залежей намагниченных пород.
На общей магнитной карте Земли выделяют три мировые аномалии – одна в Канаде, вторая в Антарктиде, а третья на территории Российской Федерации, между реками Енисей и Лена. Их происхождение не ясно. Возможно, их существование связано с физическими особенностями глубоких слоёв земной коры и верхней мантии. Установлено, что мировые аномалии медленно перемещаются в западном направлении со скоростью 0.2 градуса долготы в год.
Одна из самых известных, крупная региональная Курская магнитная аномалия, напряжённость которой равна 2 Э, 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 может показывать и на запад, и на восток, и даже на юг.
Однако не все железные руды усиливают магнитное поле Земли. Некоторые ослабляют его, что связано с обратным намагничиванием этих пород. К числу таких необычных магнитных аномалий принадлежит Ангаро-Илимская аномалия, обнаруженная в 1923 г. Есть отрицательные аномалии в Южной Африке и на севере Великобритании, на территории обеих Америк и в других местах земного шара.
Землю можно представить в виде гигантского магнита с двумя полюсами (диполь), ось которого в настоящее время составляет с осью вращения Земли угол 11 градусов 30 минут. Точки, в которых ось диполя пересекает земную поверхность, называют геомагнитными полюсами, Северным и Южным. Северный находится в северо-западной Гренландии, Южный - в Антарктиде. Геомагнитный экватор – это окружность на поверхности Земли, находящаяся на одинаковом расстоянии от обоих геомагнитных полюсов.
Акт 2. Магнитосфера – защитная оболочка Земли.
Этот свод голубой и таз на нём золотой
Долго будет кружиться ещё над земной суетой.
О.Хайям
Шаровое биполярное магнитное поле Земли отличается своим постоянством. Изменчивость его параметров главным образом обусловлена неравномерной активностью Солнца.
Наша планета обдувается потоком ионизированного газа – плазмой. Этот поток называют солнечным ветром. Обладая огромным запасом кинетической энергии, плазма редко бывает спокойной. Время от времени она переходит в возмущённое состояние, известное как плазменная буря. Вспышки на Солнце, взрывы сверхновых звёзд – всё это примеры плазменных бурь.
Солнечный ветер сжимает магнитное поле Земли на дневной стороне и вытягивает его на ночной – возникает протяжённый геомагнитный хвост. Сжатое магнитное поле играет роль своеобразного препятствия для солнечного ветра. В итоге образуется область, куда не проникает солнечный ветер, - её и называют магнитосферой. При их взаимодействии возникает ударная волна. Земля, обладая магнитной защитой от вредоносного влияния солнечного ветра и космических лучей, движется относительно окружающей межпланетной плазмы со сверхзвуковой скоростью, вызывая тем самым «носовую» ударную волну.
Осознаем, насколько велика и уникальна роль магнитосферы Земли! Она является тем щитом, который заслоняет нас от космического воздействия. Кто знает, каким путём пошла бы эволюция на нашей планете, и под большим вопросом вообще возникновение жизни на ней. По крайне мере в форме, понятной и доступной нам, нынешним.
Итак, магнитосфера Земли выступает препятствием солнечному ветру. Достигнув её орбиты, из-за взаимодействия с геомагнитным полем поток отклоняется от своего первоначального направления, образуя вокруг Земли полость – каверну. В силу сверхзвукового обтекания между границей магнитосферы (магнитопаузой) и солнечным ветром образуется та самая ударная волна, граничащая с магнитопаузой через турбулентный переходный слой. За ударным фронтом поток огибает Землю, вызывая сжатие геомагнитного поля на дневной стороне и его вытягивание в виде «кометного» хвоста в антисолнечном направлении.
Пространство вблизи нашей планеты оказывается разделённым на внешнюю область, где движутся частицы солнечного ветра, и внутреннюю (своего рода магнитную полость) – магнитосферу. В ней движение заряжённых частиц преимущественно атмосферного происхождения, в первую очередь определяется геомагнитным полем, которое «управляет» пространственным распределением плазмы.
Название магнитосферы предполагает, что она имеет сферическую форму. Однако это вовсе не так. Если в направлении к Солнцу магнитосфера простирается на расстояние в 8-10 земных радиусов, то в противоположном направлении она гораздо более вытянута и выходит далеко за орбиту Луны (на 900-1000 радиусов).
Взаимодействие магнитного поля солнечного ветра и магнитного поля Земли можно представить себе как встречу потока вещества, летящего в межпланетном пространстве с огромной скоростью (около 500 км/сек) и обладающего электромагнитными свойствами, с упругим магнитным полем Земли. Магнитопауза должна рассматриваться как граница земного пространства и космоса. Внутри магнитосферы, в непосредственной близости к магнитопаузе, напряжённость магнитного поля Земли составляет 50-80 гамм, а по ту сторону магнитопаузы, т.е. в самом ближнем космосе, уже всего 3-5 гамм.
Магнитосфера напоминает огромную лабораторную установку, в которой взаимодействуют магнитные поля, плазма, потоки заряжённых частиц и связанные с ними электрические поля, различные волны.
И всё же это описание даёт лишь упрощённую статическую картину. Структура магнитосферы значительно более сложна и изменчива. На неё влияют флуктуации солнечного ветра, ей присущи суточные вариации и ежегодные, вызываемые обращением нашей планеты вокруг Солнца.
Быстрые частицы, захваченные магнитным полем Земли, образуют вокруг неё радиационный пояс. Каким же образом частицы, рождённые при ядерных реакциях на Солнце, могут проникать через магнитный барьер и оказываются в магнитосфере? Наполнение радиационного пояса происходит из хвоста магнитосферы. Часть магнитных силовых линий хвоста магнитосферы представляет собой продолжение линий поля Солнца. Двигаясь вдоль таких линий, рождённая на поверхности Солнца заряжённая частица может попасть внутрь магнитосферы Земли.
Итак, определённая часть солнечного ветра прорывается через магнитные щели в магнитосферу, обнаруживая тем самым неидеальность магнитной защиты Земли. Улавливая и удерживая в течении длительного времени заряжённые частицы высоких энергий, магнитосфера становится чем-то вроде энергетической ловушки, которая при определённых обстоятельствах может высвобождать энергию и тем самым вызывать ряд геофизических явлений (геомагнитные бури, полярные сияния), ответственных за помехи в ионосферном распространении радиоволн.
Структура силовых линий магнитного поля в хвосте магнитосферы такова, что заряжённые частицы поступают в атмосферу не на любых высоких широтах, а преимущественно на геомагнитных широтах примерно около 70 градусов северной и южной широты. Ширина дневной и ночной областей, которые уязвимы для солнечных заряжённых частиц, невелика – всего несколько градусов, т.е. несколько сотен километров.
Заряжённые частицы, которые вторгаются в атмосферу Земли в высоких широтах, не только вызывают там полярные сияния. Они производят ионизацию атомов и молекул, в результате атмосферный газ становится способным проводить электрический ток. Точнее, его возможность проводить ток становится больше, поскольку ионизацию атомов и молекул атмосферного газа производят не только заряжённые частицы, но и волновое излучение Солнца. А те области, где ионизацию производят не только волновое излучение нашей звезды, но и заряжённые частицы, где плотность создаваемых при этом ионов и электронов больше, - это овалы полярных сияний в Северном и Южном полушариях. Эти овалы связаны друг с другом магнитными силовыми линиями, являясь магнитосопряжёнными.