Зачем человеку знать почему земля магнит. Земля — большой магнит

Читатель!
Прежде всего я должен честно тебя предупредить: вопрос, который ты только что прочёл на обложке, - «Почему Земля - магнит?» - ужасно сложный. Мало того, признаюсь тебе по секрету: окончательного ответа на него нет до сих пор. Но разве не интересно попытаться самому раскрыть тайну, которую не разгадал ещё никто на свете? Я знаю, трудности тебя не испугают! Однако ты, как человек разумный, хорошо понимаешь: с налёту, эдаким лихим наскоком, тайну природы не раскроешь. Нужно как следует подготовиться, изучить со всех сторон вопрос, которым тебе предстоит заняться. Но у сложного вопроса много сторон. В каком порядке их изучать?
Давай наметим план действий. Раз ты решил выяснить, почему Земля - магнит, тебе не мешает сначала познакомиться со свойствами магнитов. Вооружившись этими сведениями, ты сможешь исследовать и магнитные свойства нашей чудесной планеты. А затем попробуешь найти этим свойствам объяснение.
Для опытов тебе понадобится немного: магнит, иголки, гвоздь, железные опилки (их ты можешь получить, опилив над листком бумаги тот же гвоздь напильником с мелкой насечкой), кусок провода и батарейка для карманного фонарика.
Итак, за дело!

КАК СДЕЛАТЬ МАГНИТНЫЙ КОМПАС?

Прикоснись иголкой к любому магниту, какой найдётся в квартире: к магнитному держателю для мыла, магниту громкоговорителя или, на худой конец, к магнитной резине на дверце холодильника.
Положи иголку на железные опилки. Смотри: крупинки железа сразу же прилипли к ней! Раньше не прилипали, а теперь прилипли. Выходит, стоило иголке «пообщаться» с магнитом, как она и сама стала магнитом - намагнитилась!
Но обрати внимание: посредине иголки крупинок прилипло немного, зато концы облеплены так, что получились «ёжики»! Значит, на концах магнит притягивает намного сильнее, чем в середине.
Можно убедиться в этом и с помощью другого опыта: прикоснись гвоздём к середине намагниченной иголки - она не притянется, а прикоснёшься к концам - притянется. То место, где магнит притягивает сильнее всего, называется ПОЛЮСОМ.
Сколько у иголки таких мест? Считать недолго - два.
Значит, и полюса два. Есть ли между ними какая-нибудь разница?
Укрепи иголку-магнит на поплавке (можно попросту проткнуть кусочек пробки или пенопласта) и пусти плавать в тарелке.
Смотри: иголка повернулась так, что одним концом смотрит на север, а другим на юг. Ты можешь это проверить по Солнцу (в полдень оно точно на юге) или с помощью компаса.
Попробуй повернуть иголку-магнит наоборот. Видишь - она тут же вернулась в прежнее положение. И упрямо возвращается, как бы ты её ни крутил.
Но раз один магнитный полюс всё время смотрит на север, а другой - на юг, значит, полюсы магнита отличаются друг от друга!
Естественно, что тот полюс, который смотрит на север, назвали СЕВЕРНЫМ ПОЛЮСОМ, а тот, что на юг - ЮЖНЫМ ПОЛЮСОМ.
Магнитный компас, которым пользовались в давние времена моряки, очень похож на твой самодельный компас: это был просто магнит на поплавке.
В современном корабельном компасе тоже есть поплавок, но художник его не нарисовал, чтобы тебе видны были магниты. Их в морском компасе несколько (четыре или шесть).
Как бы сильно ни накренилось судно при качке, магниты останутся в горизонтальном положении.

МОЖНО ЛИ ОТДЕЛИТЬ СЕВЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ ПОЛЮС ОТ ЮЖНОГО?

Переломи свою иголку-магнит посредине (что поделаешь, наука требует расходов!). Только осторожно, не уколись: оберни иголку мокрой тряпочкой или бумажкой и тогда уже ломай. Готово? Теперь положи обе половинки на железные опилки. И у той, и у другой, как ни в чём не бывало, притягивают оба конца!
Пусти плавать на поплавке ту половинку иглы, которую ты хотел лишить южного полюса, оставив ей только северный. Он и смотрит по-прежнему на север, а другой конец половинки - тот, что жил прежде посредине иглы, - на юг. Значит, это южный полюс!
Таким же образом ты убедишься, что вторая половинка, которой ты хотел оставить только южный полюс, «отрастила» себе новый северный полюс.
Оказывается, магниты даже ящериц перещеголяли: ящерица отращивает только хвост, да и то ей нужно на это время, а магнит восстанавливает взамен утраченного любой полюс, с какого угодно конца, и притом мгновенно!
До каких пор он сохраняет эту необыкновенную способность?
Ломать иголку на ещё более мелкие части трудно, да и опасно - можно поранить руки. А вот если тебе удастся раздобыть пилку для лобзика (она длинная, тонкая, хрупкая и к тому же хорошо намагничивается), ты быстро убедишься, что, сколько её ни ломай, у любого её обломочка, даже самого маленького, обязательно есть оба магнитных полюса - и северный, и южный.
Я уверен, что когда ты подумаешь над этим, тебе придёт в голову (а может, уже пришла) мысль, которая позволит очень просто объяснить этот удивительный факт: «Наверное, всякий магнит состоит из множества крошечных магнитиков, и у каждого магнитика есть оба полюса - и северный, и южный».

КАК УСТРОЕН МАГНИТ?

Итак, ты предположил, что всякий магнит состоит из множества микроскопических магнитиков, северные полюсы которых смотрят в одну сторону, а южные в другую.
Представь себе - учёным удалось доказать, что магнит устроен именно так.
Но вот что интересно: оказывается, крошечные магнитики - их называют ДОМЕНАМИ - есть даже в ненамагниченном железе! А почему же оно никак не проявляет своих магнитных свойств, хотя прямо-таки «набито» магнитиками-доменами? Вероятно, ты сам догадался: пока железо не намагнитили, его домены располагаются «кто в лес, кто по дрова». А вот когда железо намагничивают, все его домены поворачиваются, словно миниатюрные магнитные стрелочки, и начинают смотреть своими северными полюсами в одну сторону, южными в другую.
Теперь тебе понятно, как намагнитилась твоя иголка - она ведь железная! Стоило тебе прикоснуться иголкой к магниту, как все её домены повернулись в одну сторону, словно по команде: «Рравняйсь!!!» Да так и остались. Иголка сама превратилась в магнит! И будет оставаться магнитом, пока что-нибудь не нарушит строй магнитиков-доменов.
В ненамагниченном железе магнитики-домены располагаются как попало...
...но магнит, пообщавшись с железом, наводит среди доменов «железный» порядок.

КАК РАЗМАГНИТИТЬ МАГНИТ?

Попроси кого-нибудь из взрослых нагреть намагниченную иголку так, чтобы она раскалилась (нагревать лучше не спичкой, а в пламени кухонной горелки). Дай иголке остыть и снова опусти в железные опилки. Концы иголки больше не притягивают! Иголка размагнитилась! Почему?
Ты знаешь, конечно, что все на свете вещества состоят из крошечных-прекрошечных частичек - атомов. Разумеется, из атомов состоит и железо. В каждом домене ни много, ни мало - тысяча миллиардов атомов железа! Причём атомы железа в домене подчинены такой же «железной дисциплине», как и сами домены в магните. Но даже в твёрдом теле, и в иголке тоже, атомы непрерывно колеблются, слегка «приплясывают» на месте. Чем сильнее нагрето тело, тем быстрее и беспорядочнее это приплясывание.
Раскалив намагниченную иголку, ты довёл приплясывание атомов железа до бешеной пляски. Понятно, что «железная дисциплина» атомов в доменах нарушилась - домены исчезли, а вместе с ними исчезла и намагниченность. Правда, потом, когда
иголка остыла, домены в ней появились снова, но теперь они смотрят куда попало. Чтобы опять заставить их повернуться в одну сторону, нужна новая «магнитная команда», то есть, иголку придётся намагничивать заново.

ЧТО ОКРУЖАЕТ МАГНИТ?

Опусти гвоздь остриём в железные опилки и приближай к шляпке магнит. Он ещё не прикоснулся к шляпке, а крупинки уже прилипают к острию! Значит, магнитные силы действуют на расстоянии.
Пространство вокруг магнита, где действуют магнитные силы, называют МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ.
Исследуй, как ведёт себя в магнитном поле твоя намагниченная иголка на поплавке. Поднеси к ней магнит северным полюсом. Она сразу «заволновалась» и повернулась к нему... каким полюсом? Южным! Теперь поднеси магнит южным полюсом - иголка повернулась и поплыла к нему северным полюсом. Ясно, какой ты сделаешь из этого вывод: разные полюсы испытывают друг к другу явную симпатию - притягиваются. Южный к северному, северный к южному.

Но вернёмся к магнитному полю. К сожалению, мы его не ощущаем и не видим. И всё-таки ты можешь сделать его видимым! Положи на магнит лист плотной бумаги или тонкого плексигласа и насыпь сверху ровным слоем железные опилки. Теперь постучи слегка по листу пальцем. Смотри, какая картинка получилась!
Каждая крупинка железа, попав в магнитное поле, намагнитилась, «приобрела» северный и южный полюсы и стала как бы малюсенькой магнитной стрелочкой. Тысячи таких стрелочек и нарисовали картинку: на ней сразу видно, в каком направлении действуют магнитные силы. Обрати внимание: у полюсов, где магнитное поле сильнее всего, линии, вдоль которых действуют магнитные силы - их называют МАГНИТНЫМИ СИЛОВЫМИ ЛИНИЯМИ, - идут густо-прегусто.
Глянешь на картинку, и магнитное поле как на ладони! Сразу становится ясно, где оно сильнее, где слабее и в каком направлении магнитные силы повернут магнитную стрелку в той или иной точке этого поля.
Вот как выглядит магнитное поле магнита в форме цилиндра. А как оно выглядит у магнита в форме подковы? Это ты можешь увидеть на третьей странице обложки (в самом конце книги).

КАК ВЫГЛЯДИТ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ?

Теперь ты можешь приступить ко второй части своего плана: исследовать магнитные
свойства нашей планеты. Картонку с железными опилками на Земной шар не положишь, но о магнитном поле Земли можно судить по поведению двух магнитных стрелок. Одна стрелка - обычного компаса, она способна поворачиваться только влево-вправо. Её дополняет другая магнитная стрелка, которая способна поворачиваться вверх и вниз - её называют СТРЕЛКОЙ НАКЛОНЕНИЯ.
Облазав с этими двумя стрелками весь Земной шар, а также облетав его со всех сторон и на разных высотах в космическом корабле (как жаль, что всё это только в воображении!), ты нарисуешь магнитные силовые линии Земли и увидишь, как выглядит её магнитное поле.
Во время этого путешествия ты обнаружишь на Земле две замечательные точки: стрелка
наклонения здесь становится вертикально и показывает остриём вниз, а стрелка обычного компаса вообще ничего не показывает - она крутится, как ей вздумается. Эти две точки - магнитные полюсы Земли!

ПОЧЕМУ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ «КУВЫРКАЕТСЯ»?

Нам с тобой повезло - в наши дни геофизики, то есть физики, изучающие Землю, умеют выстукивать её, просвечивать и взвешивать не хуже, чем врач больного. И вот многие из них предполагают, что в глубинах Земного шара, особенно в сердцевине Земли - её ядре, действительно много богатых железом веществ и даже чистого железа! Правда, в глубинах нашей планеты ужасно жарко - на очень большой глубине температура такая высокая, что железо там находится в расплавленном состоянии, словно в доменной печи.
«Но разве расплавленное железо способно намагнититься? - удивишься ты. - Я просто раскалил иголку, и то она потеряла магнитные свойства!»
Видишь ли, твоё возражение было бы правильным, если бы речь шла не о ядре Земли. Там ведь царят совсем другие условия! На вещество ядра давит вся земная толща. Колоссальное давление «притискивает» друг к другу атомы железа с такой неимоверной силой, что в середине ядра жидкое железо снова становится твёрдым, хотя температура там четыре тысячи градусов. У нас, на поверхности, железо при такой температуре давно превратилось бы в пар!
Что если в таких необычных условиях магнитные свойства у железа тоже необычные? Вполне возможно (учёные это допускают), что оно всё-таки способно намагничиваться, несмотря на адскую жару. Но если даже твёрдое железное ядро Земли намагничено, всё равно сейчас можно уверенно сказать: не железный магнит внутри нашей планеты главный «виновник» того, что у Земного шара есть магнитное поле!
Откуда такая уверенность? Она появилась не так давно - после того, как геофизики ухитрились узнать, каким было магнитное поле Земли тысячи и даже миллионы лет назад. У многих горных пород (особенно у тех, что содержат железо) оказалась отличная магнитная память! Допустим, вылилась когда-то во время извержения вулкана лава, и пока она остывала, магнитное поле Земли её намагнитило. Потом оно изменилось, но у затвердевшей лавы осталось «воспоминание» о том магнитном поле, которое её первым намагнитило - ОСТАТОЧНАЯ НАМАГНИЧЕННОСТЬ. Её-то и научились измерять геофизики. И обнаружили невероятную вещь: магнитные полюсы.
Земли много раз менялись местами! Скажем, за последний миллион лет это случилось семь раз. Причём седьмой раз они поменялись местами примерно десять тысяч лет назад. И вот что удивительно: «обмен» магнитными полюсами совершался прямо-таки с фантастической быстротой - магнитному полю Земли, чтобы перевернуться, требовалось всего-навсего несколько десятков лет! Для нас с тобой это срок немалый, а для нашей планеты, которая живёт больше четырёх миллиардов лет, - краткий миг!
Такой прыти от «спрятанного» в ядре Земли магнита никто не ожидал. Вообще-то учёным давно было известно, что магнитные полюсы Земли путешествуют. Но чтобы Северный магнитный полюс переехал на место Южного и наоборот? Да ещё так быстро? Нет, ни у одного уважающего себя железного магнита магнитное поле не станет кувыркаться, как акробат! Да и не сможет: перемагнитить железный магнит можно только «насильно» - с помощью более сильного магнита (ты можешь это проделать со своей намагниченной иголкой). Однако никто никогда не видел, чтобы железный магнит вдруг сам ни с того ни с сего поменял местами полюсы - недаром его называют ПОСТОЯННЫМ МАГНИТОМ.

Некоторые геофизики сравнивают нашу планету с доменной печью: тяжёлое железо стекает вниз, к сердцевине Земли - её ядру, а более лёгкий «шлак» всплывает. Мы с тобой живём на тоненькой корочке застывшего сверху «шлака».
И в наше время после каждого извержения вулкана лава, остывая, намагничивается в магнитном поле Земли...

Но если не железный магнит в ядре Земли - главный виновник того, что у неё есть магнитное поле, то кто же?
Теперь ты перейдёшь к третьей, самой трудной части своего плана: попробуешь объяснить магнитные свойства Земли.

МОЖЕТ ЛИ МАГНИТ БЫТЬ «НЕПОСТОЯННЫМ»?

Протяни над стрелкой компаса (всё равно какого - покупного или своего, самодельного, на поплавке) провод и прикоснись на мгновение его концами к «плюсу» и «минусу» батарейки для карманного фонарика. Стрелка отклонилась, словно к ней поднесли магнит!
Ещё сильнее будет эффект, если ты намотаешь на картонную или бумажную трубку с полсотни витков тонкого провода и подключишь его концы к батарейке. Проволочная катушка, по которой идёт электрический ток, ведёт себя как настоящий магнит! Она не только поворачивает магнитную стрелку, но может и намагнитить железные предметы - в этом ты можешь убедиться, поместив внутрь катушки гвоздь и сунув его конец в железные опилки.
Проволочная катушка с электрическим током называется ЭЛЕКТРОМАГНИТОМ. Но какой же это удивительный магнит - электромагнит! Его можно включать и выключать, его магнитным полем очень просто управлять. Увеличил ток, подсоединив ещё одну батарейку, - магнитное поле усилилось. Уменьшил ток, пустив его через лампочку, - поле стало слабее. Поменял местами концы катушки, магнитное поле тут же «перевернулось» - это легко обнаружит магнитная стрелка. Так и хочется назвать катушку с током «непостоянным магнитом»!
А как выглядит её магнитное поле? Накрой катушку листком бумаги с железными опилками и пощёлкай по листку.
Смотри: силовые линии магнитного поля у катушки с током в точности такие, как у магнита тех же размеров в форме цилиндра! Но ведь и у Земли - помнишь? - магнитное поле такое, как если бы внутри неё был магнит в форме цилиндра...
А спорим, что я знаю, о чём ты сейчас подумал! «Вот если бы в ядре Земли был не железный магнит, а катушка с электрическим током, то странное поведение земного магнитного поля легче было бы объяснить... Только откуда в ядре Земли катушка из проволоки?»
Ты прав, не может её там быть. И всё-таки твоя мысль заслуживает серьёзного обсуждения! Что, если электрический ток способен течь по кругу без всякой катушки?
Однако прежде чем решить, способен он так течь или не способен, надо сначала выяснить, что же это такое - электрический ток.

ЧТО ТАКОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК?

«Ток» - значит, что-то течёт. По трубам текут жидкости и газы: вода, нефть, воздух, горючий газ...
А что и куда течёт по проводу, когда ты подключаешь его концы к батарейке?
Долгое время учёные думали, что по проводам течёт особая электрическая жидкость. Что представляет собой эта загадочная жидкость, из чего состоит, никто не мог толком объяснить. Но вот в самом конце прошлого века английский физик Джозеф Джон Томсон открыл невероятно лёгкие и малюсенькие электрические частички. Они оказались намного меньше даже крошечных-прекрошечных атомов! Томсон назвал открытые им частицы ЭЛЕКТРОНАМИ.
Вскоре после этого открытия другой английский физик, Эрнест Резерфорд, установил, что электроны «живут» в каждом атоме - они непрерывно кружатся вокруг атомного ядра.
Но вот какая интересная особенность оказалась у атомов металлов: самые дальние от атомного ядра электроны легко покидают свои атомы и начинают бродить по всему металлу. В любом металле полным-полно таких беспризорных, или, как называют их физики, свободных электронов. И конечно, в любом металлическом проводе их тоже великое множество. Они беспорядочно мечутся между атомами металла... пока не появится сила, которая заставит их двигаться в каком-нибудь одном направлении.
Подключил ты, например, концы провода к «плюсу» и «минусу» батарейки - и сразу же появилась сила, которая заставила электроны двигаться к «плюсу» батарейки. По проводу пошёл ток.
Правда, свободные электроны - «существа» настолько непоседливые, что даже во время этого направленного движения продолжают метаться из стороны в сторону. Словом, ведут себя, как рой мошек, когда его сдувает ветерком: каждая мошка в рое мечется туда-сюда вроде бы беспорядочно, но в целом рой всё-таки движется под действием ветерка в одном направлении! Вот что такое электрический ток - это направленное движение электронов!

КАК ЗАСТАВИТЬ ЭЛЕКТРОНЫ ДВИГАТЬСЯ ПО КРУГУ?

Теперь мы с тобой можем вернуться к вопросу: способен ли электрический ток течь по кругу без проволочной катушки? Выясним сначала, нельзя ли создать направленное движение электронов прямо в толще металла - твёрдого или жидкого? Говоря о толще металла, мы, само собой, имеем в виду железное ядро Земли.
В толще океана подобные вещи бывают. Взять хотя бы знаменитое течение Гольфстрим: мощная струя воды течёт в океане словно по гигантской невидимой трубе, хотя на самом деле никакой трубы, конечно, нет. Не могло ли и в Земном ядре возникнуть могучее «течение» электронов? Причём течение в форме кольца, чтобы электроны двигались словно по виткам гигантской проволочной катушки, хотя никакой катушки там, конечно, нет. Что может заставить электроны двигаться таким образом?
Вспомни свой опыт - «провод с током над магнитной стрелкой». Проделав его, ты обнаружил, что электрический ток создаёт магнитное поле. Потом ты узнал, что электрический ток - это направленное движение электронов. Значит, это движущиеся электроны создают вокруг себя магнитное поле! Каждый электрон, когда он движется, превращается в крошечный магнитик!
Но в таком случае на электрон-магнитик должны как-то влиять другие магниты. Они и в самом деле влияют! Если электрон вторгается во владения какого-нибудь магнита, то есть в его магнитное поле, оно сбивает пришельца с пути. Посмотри на картинку: электрон собирался пересечь «чужое» магнитное поле и влетел в него поперёк магнитных силовых линий, но не тут-то было! Магнитное поле искривило путь «нарушителя», и он вместо прямой полетел... как? По кругу!

ПОЧЕМУ ЖЕ ЗЕМЛЯ - МАГНИТ?

Попробуем представить, как могло возникнуть у нашей планеты магнитное поле...
У ядра Земли, как ты помнишь, сердцевина из твёрдого железа, нагретого до очень высокой температуры. И вот однажды во время беспорядочной тепловой пляски атомов-магнитиков железа какое-то их число, пусть небольшое, случайно оказалось повёрнутым в одну сторону. Могло это произойти? Вполне! Такое и с танцорами-людьми бывает. Немедленно у ядра появилось магнитное поле - слабое-преслабое, но появилось. Оно бы тут же исчезло, но в этот момент началось самое интересное...
Сердцевина из твёрдого железа окружена в ядре толщей жидкого железа. А жидкость может течь! Даже в застойном пруду вода хоть медленно, да перемешивается. А жидкая толща ядра и подавно живёт бурной жизнью: Земля ведь вращается, словно волчок, - уже от одного этого в жидкой части ядра наверняка возникают потоки.
Представь, что какой-то из этих потоков течёт поперёк слабого-преслабого случайно возникшего магнитного поля. Что произойдёт со свободными электронами, которых в железе, как и во всяком металле, полным-полно? Ясно что: когда они вместе с потоком начнут пересекать магнитное поле, оно искривит их путь и заставит двигаться по кругу, словно по виткам гигантской катушки! Но ведь у этой невидимой катушки сразу появится и собственное магнитное поле, верно?
Теперь внимание! Посмотри, как направлено собственное магнитное поле «катушки»: в точности так же, как слабое-преслабое случайно возникшее поле, которое искривило путь электронов и заставило их двигаться по кругу! Оба поля сложились - магнитное поле стало сильнее. Оно уже способно искривить путь большего числа электронов, вовлечь их в «хоровод» вокруг ядра - круговой электрический ток усилился, усилилось и его магнитное поле.
Всё больше электронов бегает по кругу, всё сильнее круговой ток, всё сильнее его магнитное поле - пока в хоровод вокруг ядра не будут вовлечены все пересекающие магнитное поле электроны.
В глубинах Земли появился мощный электромагнит, который к тому же «сам себе электростанция» - он ведь сам «гонит» электроны по кругу, то есть сам питает себя электрическим током! А всё началось со случайно возникшего слабого-преслабого магнитного поля и с пересекающих это поле потоков жидкого железа.
Но потоки в жидкости - штука довольно неустойчивая. В океане, например, течения нередко меняют направления. Могут они менять направление и в жидкой части ядра. К чему это может привести, ты сам догадался: электроны начнут кружиться вокруг ядра в обратную сторону, магнитное поле Земли «перевернётся»!
Вот ты и выполнил свой план: познакомился со свойствами магнитов, исследовал магнитные свойства Земли и попытался найти этим свойствам объяснение. Но чтобы доказать, что магнитное поле у Земли появилось именно так, как мы с тобой предположили, необходимо точно выяснить, что представляют собой потоки жидкого железа в глубинах Земли, как они возникают и как текут. Кроме того, нужно сравнить магнитные свойства Земли с магнитными свойствами её сестёр - других планет Солнечной системы, и узнать, что у них внутри - есть ли жидкое ядро, какие потоки возникают в нём из-за вращения планеты?
Словом, дел ещё невпроворот. Послушай, а вдруг ты окажешься тем самым человеком, который окончательно разгадает вековую тайну природы: почему Земля - магнит?
Желаю успеха!

_____________________

Распознавание - БК-МТГК.

В 1905 году Эйнштейн назвал одной из пяти главных загадок тогдашней физики причину земного магнетизма.

В том же 1905 году французский геофизик Бернар Брюнес провел в южном департаменте Канталь замеры магнетизма лавовых отложений эпохи плейстоцена. Вектор намагниченности этих пород составлял почти 180 градусов с вектором планетарного магнитного поля (его соотечественник П. Давид получил аналогичные результаты даже годом раньше). Брюнес пришел к заключению, что три четверти миллиона лет назад во время излияния лавы направление геомагнитных силовых линий было противоположным современному. Так был обнаружен эффект инверсии (обращения полярности) магнитного поля Земли. Во второй половине 1920-х годов выводы Брюнеса подтвердили П. Л. Меркантон и Монотори Матуяма, но эти идеи получили признание лишь к середине столетия.

Сейчас мы знаем, что геомагнитное поле существует не менее 3,5 млрд лет и за это время магнитные полюса тысячи раз обменивались местами (Брюнес и Матуяма исследовали последнюю по времени инверсию, которая сейчас носит их имена). Иногда геомагнитное поле сохраняет ориентацию в течение десятков миллионов лет, а иногда - не более пятисот веков. Сам процесс инверсии обычно занимает несколько тысячелетий, и по его завершении напряженность поля, как правило, не возвращается к прежней величине, а изменяется на несколько процентов.

Механизм геомагнитной инверсии не вполне ясен и поныне, а уж сто лет назад он вообще не допускал разумного объяснения. Поэтому открытия Брюнеса и Давида только подкрепили эйнштейновскую оценку - действительно, земной магнетизм был крайне загадочен и непонятен. А ведь к тому времени его исследовали свыше трехсот лет, а в XIX веке им занимались такие звезды европейской науки, как великий путешественник Александр фон Гумбольдт, гениальный математик Карл Фридрих Гаусс и блестящий физик-экспериментатор Вильгельм Вебер. Так что Эйнштейн воистину глядел в корень.

Как вы думаете, сколько у нашей планеты магнитных полюсов? Почти все скажут, что два - в Арктике и Антарктике. На самом деле ответ зависит от определения понятия полюса. Географическими полюсами считают точки пересечения земной оси с поверхностью планеты. Поскольку Земля вращается как твердое тело, таких точек всего две и ничего другого придумать нельзя. А вот с магнитными полюсами дело обстоит много сложнее. Например, полюсом можно счесть небольшую область (в идеале опять-таки точку), где магнитные силовые линии перпендикулярны земной поверхности. Однако любой магнитометр регистрирует не только планетарное магнитное поле, но и поля местных пород, электрических токов ионосферы, частиц солнечного ветра и прочих дополнительных источников магнетизма (причем их средняя доля не так уж мала, порядка нескольких процентов). Чем точнее прибор, тем лучше он это делает - и потому все больше затрудняет выделение истинного геомагнитного поля (его называют главным), источник которого находится в земных глубинах. Поэтому координаты полюса, определенные с помощью прямого измерения, не отличаются стабильностью даже в течение короткого отрезка времени.

Можно действовать иначе и установить положение полюса на основании тех или иных моделей земного магнетизма. В первом приближении нашу планету можно считать геоцентрическим магнитным диполем, ось которого проходит через ее центр. В настоящее время угол между нею и земной осью составляет 10 градусов (несколько десятилетий назад он был больше 11 градусов). При более точном моделировании выясняется, что дипольная ось смещена относительно центра Земли в направлении северо-западной части Тихого океана примерно на 540 км (это эксцентрический диполь). Есть и другие определения.

Но это еще не все. Земное магнитное поле реально не обладает дипольной симметрией и потому имеет множественные полюса, причем в огромном количестве. Если считать Землю магнитным четырехполюсником, квадруполем, придется ввести еще два полюса - в Малайзии и в южной части Атлантического океана. Октупольная модель задает восьмерку полюсов и т. д. Современные наиболее продвинутые модели земного магнетизма оперируют аж 168 полюсами. Стоит отметить, что в ходе инверсии временно исчезает лишь дипольная компонента геомагнитного поля, а прочие изменяются много слабее.

Полюса наоборот

Многие знают, что общепринятые названия полюсов верны с точностью до наоборот. В Арктике расположен полюс, на который указывает северный конец магнитной стрелки, - следовательно, его стоило бы считать южным (одноименные полюса отталкиваются, разноименные притягиваются!). Аналогично, северный магнитный полюс базируется в высоких широтах Южного полушария. Тем не менее по традиции мы именуем полюса в соответствии с географией. Физики давно условились, что силовые линии выходят из северного полюса любого магнита и входят в южный. Отсюда следует, что линии земного магнетизма покидают южный геомагнитный полюс и стягиваются к северному. Такова конвенция, и нарушать ее не стоит (самое время припомнить печальный опыт Паниковского!).

Магнитный полюс, как его ни определяй, не стоит на месте. Северный полюс геоцентрического диполя в 2000 году имел координаты 79,5 N и 71,6 W, а в 2010-м - 80,0 N и 72,0 W. Истинный Северный полюс (тот, который выявляют физические замеры) с 2000 года сместился с 81,0 N и 109,7 W к 85,2 N и 127,1 W. В течение почти всего ХХ века он делал не более 10 км в год, но после 1980 года вдруг начал двигаться гораздо быстрее. В начале 1990-х годов его скорость превысила 15 км в год и продолжает расти.

Как рассказал «Популярной механике» бывший руководитель геомагнитной лаборатории канадской Службы геологических исследований Лоуренс Ньюитт, сейчас истинный полюс мигрирует на северо-запад, перемещаясь ежегодно на 50 км. Если вектор его движения не изменится в течение нескольких десятилетий, то к середине XXI столетия он окажется в Сибири. Согласно реконструкции, выполненной несколько лет назад тем же Ньюиттом, в XVII и XVIII веках северный магнитный полюс преимущественно смещался на юго-восток и лишь примерно в 1860 году повернул на северо-запад. Истинный южный магнитный полюс последние 300 лет движется в эту же сторону, причем его среднегодичное смещение не превышает 10–15 км.

Откуда вообще у Земли магнитное поле? Одно из возможных объяснений просто бросается в глаза. Земля обладает внутренним твердым железо-никелевым ядром, радиус которого составляет 1220 км. Поскольку эти металлы ферромагнитны, почему бы не предположить, что внутреннее ядро имеет статическую намагниченность, которая и обеспечивает существование геомагнитного поля? Мультиполярность земного магнетизма можно списать на несимметричность распределения магнитных доменов внутри ядра. Миграцию полюсов и инверсии геомагнитного поля объяснить сложнее, но, наверное, попытаться можно.

Однако из этого ничего не получается. Все ферромагнетики остаются таковыми (то есть сохраняют самопроизвольную намагниченность) лишь ниже определенной температуры - точки Кюри. Для железа она равна 768°C (у никеля много ниже), а температура внутреннего ядра Земли значительно превышает 5000 градусов. Поэтому с гипотезой статического геомагнетизма приходится расстаться. Однако не исключено, что в космосе имеются остывшие планеты с ферромагнитными ядрами.

Рассмотрим другую возможность. Наша планета также обладает жидким внешним ядром толщиной приблизительно в 2300 км. Оно состоит из расплава железа и никеля с примесью более легких элементов (серы, углерода, кислорода и, возможно, радиоактивного калия - в точности не знает никто). Температура нижней части внешнего ядра почти совпадает с температурой внутреннего ядра, а в верхней зоне на границе с мантией понижается до 4400°C. Поэтому вполне естественно предположить, что благодаря вращению Земли там формируются круговые течения, которые могут оказаться причиной возникновения земного магнетизма.

Конвективное динамо

«Чтобы объяснить возникновение полоидального поля, необходимо принять во внимание вертикальные потоки вещества ядра. Они образуются благодаря конвекции: нагретый железно-никелевый расплав всплывает из нижней части ядра по направлению к мантии. Эти струи закручиваются силой Кориолиса подобно воздушным потокам циклонов. В Северном полушарии восходящие потоки вращаются по часовой стрелке, а в Южном - против, - объясняет профессор Калифорнийского университета Гэри Глатцмайер. - При подходе к мантии вещество ядра остывает и начинает обратное движение вглубь. Магнитные поля восходящих и нисходящих потоков гасят друг друга, и поэтому по вертикали поле не устанавливается. А вот в верхней части конвекционной струи, там, где она образует петлю и недолго движется по горизонтали, ситуация иная. В Северном полушарии силовые линии, которые до конвекционного восхождения смотрели на запад, поворачиваются по часовой стрелке на 90 градусов и ориентируются на север. В Южном полушарии они поворачиваются с востока против часовой стрелки и тоже направляются на север. В результате в обоих полушариях генерируется магнитное поле, указывающее с юга на север. Хоть это отнюдь не единственное возможное объяснение возникновения полоидального поля, его считают самым вероятным».

Именно такую схему ученые-геофизики обсуждали лет 80 назад. Они считали, что потоки проводящей жидкости внешнего ядра за счет своей кинетической энергии порождают электрические токи, охватывающие земную ось. Эти токи генерируют магнитное поле преимущественно дипольного типа, силовые линии которого на поверхности Земли вытянуты вдоль меридианов (такое поле называется полоидальным). Этот механизм вызывает ассоциацию с работой динамо-машины, отсюда и произошло его название.

Описанная схема красива и наглядна, но, к сожалению, ошибочна. Она основана на предположении, что движение вещества внешнего ядра симметрично относительно земной оси. Однако в 1933 году английский математик Томас Каулинг доказал теорему, согласно которой никакие осесимметричные потоки не способны обеспечить существование долговременного геомагнитного поля. Даже если оно и появится, то век его окажется недолог, вдесятки тысяч раз меньше возраста нашей планеты. Нужна модель посложнее.

«Мы не знаем точно, когда возник земной магнетизм, однако это могло произойти вскоре после формирования мантии и внешнего ядра, - говорит один из крупнейших специалистов по планетарному магнетизму, профессор Калифорнийского технологического института Дэвид Стивенсон. - Для включения геодинамо требуется внешнее затравочное поле, причем не обязательно мощное. Эту роль, к примеру, могло взять на себя магнитное поле Солнца или поля токов, порожденных в ядре за счет термоэлектрического эффекта. В конечном счете это не слишком важно, источников магнетизма хватало. При наличии такого поля и кругового движения потоков проводящей жидкости запуск внутрипланетной динамомашины становился просто неизбежным».

Магнитная защита

Мониторинг земного магнетизма производят с помощью обширной сети геомагнитных обсерваторий, создание которой началось еще в 1830-х годах.

Для этих же целей используют корабельные, авиационные и космические приборы (к примеру, скалярный и векторный магнитометры датского спутника «Эрстед», работающие с 1999 года).

Напряженность геомагнитного поля варьирует приблизительно от 20 000 нанотесла вблизи побережья Бразилии до 65 000 нанотесла в районе южного магнитного полюса. С 1800 года его дипольная компонента сократилась почти на 13% (а с середины XVI века - на 20%), в то время как квадрупольная несколько возросла. Палеомагнитные исследования показывают, что в течение нескольких тысячелетий перед началом нашей эры напряженность геомагнитного поля упорно лезла вверх, а потом начала снижаться. Тем не менее нынешний планетарный дипольный момент значительно превышает свое среднее значение за последние полтораста миллионов лет (в 2010 году были опубликованы результаты палеомагнитных измерений, свидетельствующие, что 3,5 млрд лет назад земное магнитное поле было вдвое слабее нынешнего). Это означает, что вся история человеческих обществ от возникновения первых государств до нашего времени пришлась на локальный максимум земного магнитного поля. Интересно задуматься над тем, повлияло ли это на прогресс цивилизации. Такое предположение перестает казаться фантастическим, если учесть, что магнитное поле защищает биосферу от космического излучения.

И вот еще одно обстоятельство, которое стоит отметить. В юности и даже отрочестве нашей планеты все вещество ее ядра пребывало в жидкой фазе. Твердое внутреннее ядро сформировалось сравнительно недавно, возможно, всего лишь миллиард лет назад. Когда это произошло, конвекционные потоки стали более упорядоченными, что привело к более устойчивой работе геодинамо. Из-за этого геомагнитное поле выиграло в величине и стабильности. Можно предположить, что это обстоятельство благоприятно сказалось на эволюции живых организмов. В частности, усиление геомагнетизма улучшило защиту биосферы от космических излучений и тем самым облегчило выход жизни из океана на сушу.

Вот общепринятое объяснение такого запуска. Пусть для простоты затравочное поле почти параллельно оси вращения Земли (на самом деле достаточно, если оно имеет ненулевую компоненту в этом направлении, что практически неизбежно). Скорость вращения вещества внешнего ядра убывает по мере уменьшения глубины, причем из-за его высокой электропроводности силовые линии магнитного поля движутся вместе с ним - как говорят физики, поле «вморожено» в среду. Поэтому силовые линии затравочного поля будут изгибаться, уходя вперед на больших глубинах и отставая на меньших. В конце концов они вытянутся и деформируются настолько, что дадут начало тороидальному полю, круговым магнитным петлям, охватывающим земную ось и направленным в противоположные стороны в северном и южном полушариях. Этот механизм называется w-эффектом.

По словам профессора Стивенсона, очень важно понимать, что тороидальное поле внешнего ядра возникло благодаря полоидальному затравочному полю и, в свою очередь, породило новое полоидальное поле, наблюдаемое у земной поверхности: «Оба типа полей планетарного геодинамо взаимосвязаны и не могут существовать друг без друга».

15 лет назад Гэри Глатцмайер вместе с Полом Робертсом опубликовал очень красивую компьютерную модель геомагнитного поля: «В принципе для объяснения геомагнетизма давно имелся адекватный математический аппарат - уравнения магнитной гидродинамики плюс уравнения, описывающие силу тяготения и тепловые потоки внутри земного ядра. Модели, основанные на этих уравнениях, в первозданном виде очень сложны, однако их можно упростить и адаптировать для компьютерных вычислений. Именно это и проделали мы с Робертсом. Прогон на суперкомпьютере позволил построить самосогласованное описание долговременной эволюции скорости, температуры и давления потоков вещества внешнего ядра и связанной с ними эволюции магнитных полей. Мы также выяснили, что если проигрывать симуляцию на временных промежутках порядка десятков и сотен тысяч лет, то с неизбежностью возникают инверсии геомагнитного поля. Так что в этом отношении наша модель неплохо передает магнитную историю планеты. Однако есть затруднение, которое пока еще не удалось устранить. Параметры вещества внешнего ядра, которые закладывают в подобные модели, все еще слишком далеки от реальных условий. Например, нам пришлось принять, что его вязкость очень велика, иначе не хватит ресурсов самых мощных суперкомпьютеров. На самом деле это не так, есть все основания полагать, что она почти совпадает с вязкостью воды. Наши нынешние модели бессильны учесть и турбулентность, которая несомненно имеет место. Но компьютеры с каждым годом набирают силу, и лет через десять появятся гораздо более реалистичные симуляции».

«Работа геодинамо неизбежно связана с хаотическими изменениями потоков железо-никелевого расплава, которые оборачиваются флуктуациями магнитных полей,– добавляет профессор Стивенсон. - Инверсии земного магнетизма - это просто сильнейшие из возможных флуктуаций. Поскольку они стохастичны по своей природе, вряд ли их можно предсказывать заранее - во всяком случае мы этого не умеем».

МАГНЕТИЗМ НУЖЕН ЧЕЛОВЕКУ Представьте себе, что железо, никель и другие материалы неожиданно потеряли свои магнитные свойства. Остановились бы все фабрики и заводы, погасло бы электрическое освещение; телеграф, телефон и радио перестали бы действовать; остановились бы трамваи, троллейбусы и электропоезда. На кораблях и самолетах компасы вышли бы из строя и т. д. Произошла бы страшная катастрофа, потому что буквально вся техника применяет магнитные материалы. Они нужны при изготовлении важнейших машин и приборов; из них делают статоры и сердечники гигантских динамомашин и трансформаторов, изготовляют мельчайшие детали сложных приборов, применяемых в военном деле, в лабораториях и на заводах. Вот какое огромное значение в нашей жизни играет магнит. ЧТО ЗНАЛИ В СТАРИНУ О МАГНЕТИЗМЕ? Удивительная способность магнита притягивать железо была известна еще в глубокой древности. Индусские врачи две с половиной тысячи лет назад рекомендовали пользоваться магнитом для вытаскивания железных наконечников стрел, вонзившихся в тело. Но ни римляне, ни греки, ни египтяне, ни индусы не знали, что магнит может быть указателем юга и севера и служить в качестве компаса. Это открытие было сделано китайцами. В каком веке китайцы начали пользоваться компасом, сказать трудно. Но во всяком случае за 200 лет до нашей эры в знаменитом китайском словаре «Шо-вэнь» слово «магнит» было объяснено так: «Магнит-камень, который может дать направление». В Европу компас привезли арабы. Они заимствовали его у китайцев и в IX веке начали им пользоваться для мореплавания. В европейских книгах в XII веке компас впервые описывается так: «Кусок магнитной руды на поплавке». Но никаких теорий, объясняющих свойства магнита, не существовало до начала XIX века. Если, конечно, не считать таких объяснений, которые предлагались, например, древнегреческими философами - Фалесом Милетским и Платоном. Фалес считал, что в магните есть «душа», от которой исходит притяжение. В то время думали, что только одушевленные предметы могут приводить в движение окружающие их тела. Платон наделял магнит «божественной силой», которая порождает притяжение. Замечательный римский поэт Лукреций Кар в своей книге «О природе вещей», написанной 2100 лет назад, пытался объяснить все явления природы, в том числе и магнетизм, «истечением» из тел материальных частиц, летящих во все стороны. Не только в глубокой древности, но и в средние века высказывались совершенно фантастические мнения по поводу свойств магнита. Автор одного из средневековых трактатов о магнетизме пишет: «Магнит любит красный цвет и обернутый в красную фланель он лучше сохраняет силу, чем без такого одеяния», «Магнит не любит чесноку и луку», «Гроб Магомета магнитной силой держится в воздухе» и т. д.

Как правило, как раз самые обычные явления и говорят о глубинных тайнах и загадках природы. Одним из наиболее ярких примеров является притяжение Земли. На первый взгляд привычное дело, когда предметы падают на землю. Но потребовался гений Эйнштейна, чтобы объяснить гравитацию искривлением пространства и времени. То же самое можно сказать и про магнитное поле Земли, разговор о котором пойдёт ниже.

Кто изобрёл компас?

Просвещённые жители Европы знали о магнитных свойствах некоторых веществ и предметов ещё с античных времён. Римский историк Плиний Старший рассказывал о некоем пастухе, жившем на Крите. Тот подбил железом свои сандалии, и к ним стали прилипать мелкие чёрные камушки, которые валялись на склонах горы Идо. Имя пастуха было Магнис , от него возникло слово "магнит ".

В то же самое время китайцы пользовались магнитами, которые называли чу-ши , что в переводе означало "любящие камень". Жители Поднебесной изобрели компас на тысячу лет раньше европейцев. Это была полоска намагниченного железа, закреплённая на куске плавающей в воде пробки. Им пользовались купцы, гонявшие караваны по пустыне.

Придумали китайцы и более изощрённые навигационные приборы. Это компас лопань , дошедший до наших дней. На нём, в отличии от европейского, имеется много колец. Называются они тсэн или слои и разделены на 24 сектора, по 15 градусов каждый.

Данный компас взяли на вооружение последователи системы фен-шуй. Она учитывается при строительстве домов и обустройстве внутренних помещений. С помощью иероглифов, которые нанесены на сектора колец, определяются благоприятные и негативные направления в помещениях.

А вот в Европе честь изобретения компаса присвоили себе итальянцы. Якобы в начале XIV века в приморском городе Амальфи жил мастер Флавио Джойя. Он был влюблён в дочь богатого Доменико, жившего в этом же городе. Тот хотел выдать свою любимую и красивую дочку за обеспеченного судовладельца, а бедный мастер мешал его планам.

И тогда хитрый и коварный Доменико поставил, как ему казалось, невыполнимую задачу перед влюблённым Флавио. Он сказал, что муж его дочери должен в совершенстве владеть лоцманским искусством и потребовал провести лодку ночью в тумане из одной рыбацкой деревушки в другую. Мастер Джойя взял иголку, сделанную из магнитного железняка, и, сверяя по ней путь, блестяще справился с заданием.

Итальянцы поставили Флавио памятник. Мастер стоит на вершине небольшой скалы в просторной накидке по моде XIV века. В левой руке он держит компас и сверяет по нему направление.

Памятник нравится всем, кроме немцев. Те считают, что компас изобрели древние тевтоны. В этом утверждении есть доля истины, так как слово "компас" произошло из немецкого языка, а не из итальянского.

Одно дело изобрести компас, а другое дело объяснить, почему его стрелка всё время указывает строго на север. Определённую ясность в этот вопрос внёс в XVI веке придворный врач Елизаветы I Уильям Гильберт. Помимо медицины он увлекался многими другими вопросами и, прочитав всё, что известно о магнитах, занялся собственными опытами. В 1601 году увидел свет его научный труд под названием "О магните, магнитных телах и большом магните - Земле". Автор высказал догадку, что голубая планета представляет собой огромный магнит, а его ось проходит через полюса.

Гильберт даже сделал миниатюрную модель Земли. Он намагнитил стальной шар и назвал его Тереллой, то есть маленькой Землёй. Когда к поверхности этого шара подносили магнитную стрелку, то она своим остриём всегда указывала на полюса. После этого Гильберта стали считать основоположником науки о магнитных свойствах нашей планеты.

Впоследствии стало ясно, что стрелка компаса всегда стремится занять положение вдоль магнитных силовых линий Земли. А те веерообразно расходятся из одного полюса и вновь сходятся в другом полюсе.

Однако после этого открытия сразу же встал вопрос: почему Земля является магнитом? Магнетит, который является магнитной породой, составляет ничтожную часть земной коры. Другие породы, за редким исключением, ярко выраженными магнитными свойствами не обладают.

Ядро Земли и магнитные свойства

До недавнего времени превалировала гипотеза, что магнитные свойства планеты обусловлены её жидким железо-никелевым ядром. Но почему оно порождает магнетизм - оставалось неясным. В XX веке было установлено, что остывающая лава запечатлевает в себе направление и силу магнитного поля Земли. Были исследованы тысячи образцов лавы и определён их возраст. В результате этого специалисты пришли к выводу, что в истории планеты случались периоды, когда интенсивность магнитного поля резко падала.

В гипотезе о ядре был ещё один существенный недостаток. Как известно, магнитное поле Земли очень чутко реагирует на солнечную активность. Здесь имеются в виду вспышки на Солнце, которые порождают магнитные бури. Многие люди проявляют к ним повышенную чувствительность.

Отсюда напрашивается вывод: если бы источник земного магнетизма находился в ядре планеты, то вряд ли солнечная активность могла бы на него существенно влиять. И ещё один интересный факт. У таких космических тел как Луна, Венера, Марс ядра есть, а магнитного поля практически нет. И как это объяснить?

Эффект геомагнетизма и водно-воздушный
океан Земли

Совсем недавно в научном мире появилась новая гипотеза, которая пытается объяснить существование у голубой планеты сильного магнитного поля. Она гласит, что важнейшую роль в формировании геомагнетизма играет водно-воздушный океан планеты.

Под воздействием солнечной энергии с голубой планеты за сутки испаряется 1 триллион кубометров воды. При этом капли воды электризуются и приобретают положительный заряд. А отрицательный заряд уходит в земную твердь. А в тех местах планеты, где царит ночь, наблюдается конденсация жидкости.

Воздушная среда непостоянно, то есть всё время находится в движении. В результате этого и в атмосфере, и в земной коре возникают потоки ионов. Это и является причиной магнетизма. А дело тут в том, что магнитное поле создаётся тогда, когда электропроводящий материал окружает переменное или вращающееся электрическое поле. В качестве такого поля выступает воздушная среда, содержащая в себе различные заряды.

Данная гипотеза прекрасно объясняет, почему у планет, на которых нет атмосферы и океанов, отсутствует магнитное поле. Также понятно, почему вспышки на Солнце существенно влияют на земной магнетизм. Можно также объяснить, почему в геологической истории голубой планеты происходило резкое изменение магнитного поля.

Это, скорее всего, было связано с катастрофами, вызванными падением крупных метеоритов. При этом глобально менялись прозрачность атмосферы и уровень испарения воды. Всё это в комплексе и воздействовало на магнитное поле Земли.

Заключение

Многие экологи считают, что нынешняя деятельность человеческой цивилизации начинает негативно сказываться на состоянии атмосферы голубой планеты. Это может отразиться и на силе магнитного поля. А ведь оно защищает Землю от губительного солнечного ветра. Так что людям есть о чём подумать и, пока не поздно, принять соответствующие меры.

Cтатью написал Максим Шипунов