Магнитные полюса Земли

Магнитные полюса — фокусы силовых линий магнитного поля нашей планеты. Изучение миграции полюсов, происходившей в далекие геологические эпохи, приводит к интересным выводам об эволюции Земли.

История открытия

Экспедиции, снаряжавшиеся для достижения полюсов,— интересные, а порой и трагические страницы истории человечества. Северный магнитный полюс открыла в 1831 году английская экспедиция Джона Росса на полуострове Бутия в Канадском Арктическом архипелаге. Координаты полюса были 70°05′ с. ш. и 96°46′ з. д. (В этой экспедиции участвовал племянник Джона Росса Джемс Кларк Росс, который и определил положение полюса.) Экспериментальные данные показывают, что магнитный полюс представляет собой некоторую область, где наклонение (угол между направлением магнитного поля и плоскостью горизонта) в пределах возможных ошибок равно 90°. Чтобы измерить наклонение, нужно свободно подвесить магнитную стрелку — на полюсе она установится строго вертикально.

В 1904 году великий норвежский полярный исследователь Руал Амундсен открыл северный магнитный полюс вторично, и в другом месте. Оказалось, полюс мигрирует. В настоящее время северный магнитный полюс находится примерно в районе с координатами 75° с. ш. и 99° з. д. Уместно вспомнить гипотезу о втором магнитном полюсе в северном полушарии. Во время легендарного дрейфа ледокольного парохода «Георгий Седов» в Центральном Арктическом бассейне (1938—1940 гг.) было обнаружено, что магнитная стрелка ведет себя необычно. На протяжении большого участка дрейфа она упорно указывала на одну и ту же точку, находящуюся совсем не там, где расположен магнитный полюс. Координаты этой точки были: широта северная 86°, долгота западная 178°. Такой факт, подтвержденный позднее, в 1941 году, наблюдениями советской воздушной экспедиции в районе «Полюса относительной недоступности» на самолете СССР Н-169, был положен в основу гипотезы о двух полюсах.

Этот гипотетический полюс назвали «полюс Седова», в отличие от «полюса Росса». Гипотеза продержалась около 15 лет. Последующие массовые наблюдения советских дрейфующих станций не подтвердили существования «полюса Седова». Однако они обнаружили протяженную аномалию магнитного склонения. Начиная от точки с координатами 86° с. ш., 178° з. д. до «полюса Росса», магнитные меридианы сходятся пучком. Ось аномалии примерно параллельна подводному хребту Ломоносова, также открытому в начале 50-х годов полярниками по наблюдениям с дрейфующих станций.

Местоположение южного магнитного полюса было определено значительно позже северного. Несколько экспедиций, снаряженных разными странами, поставили своей целью достичь южного магнитного полюса.

Это выглядело, как солидное международное предприятие, правда, с элементами соперничества и спортивного азарта.

В начале XIX века изучение земного магнетизма оформляется как самостоятельная область науки. Большую роль в этом сыграли великие немецкие ученые Александр Гумбольдт и Фридрих Гаусс. Во время своих путешествий в разных частях Земли Гумбольдт собрал ценные данные об элементах магнитного поля. Гаусс более известен как математик, но он много и плодотворно занимался также геофизикой, когда был директором Геттингенской обсерватории. Гаусс обобщил имеющиеся в то время материалы магнитных наблюдений и рассчитал положение южного магнитного полюса. Германия проявляла большой интерес к геомагнитным исследованиям: немцы основали «Магнитное общество», которое поддерживало работы по земному магнетизму. Такая постановка дела была вызвана нуждами мореплавания. Морская навигация требовала изучения магнитного склонения (угол между географическим и магнитным меридианами), которое главным образом определяется взаимным расположением двух полюсов — географического и магнитного.

Почти одновременно в начале 40-х годов XIX столетия южного магнитного полюса стремились достичь несколько экспедиций — французская экспедиция Дюмон-Дюрвиля, американская Чарльза Уилкса и английская Джемса Кларка Росса (он стал старше на десять лет со времени открытия им северного магнитного полюса). Эти экспедиции довольно близко подошли к цели, в те места, где магнитное наклонение равно 89°. В суровой Антарктиде преодолеть оставшийся один градус оказалось далеко не просто. Южный магнитный полюс был открыт много лет спустя, в 1909 году, тремя отважными исследователями Т. Дейвидом, Д. Моусоном и С. Маккеем в экспедиции, которой руководил Эрнст Генри Шеклтон.

Перед экспедицией стояли задачи достижения двух южных полюсов — географического и магнитного. Экспедиции Шеклтона оставалось 180 км до географического полюса, что уже было рекордом, но подойти к самому полюсу не удалось.

Научными работами в экспедиции руководил известный австралийский геолог Томас Эджуорт Дейвид, который взял с собой любимого ученика Дугласа Моусона. Моусон, как бы сейчас сказали, был геологом широкого профиля. Но в экспедиции он занимался в основном геофизическими и астрономическими наблюдениями. Моусон был в той самой группе, состоявшей из трех человек, которая должна была отыскать магнитный полюс. О том, что полюс движется, в ту пору уже знали. Произведя на пути следования магнитные наблюдения, Моусон пришел к выводу, что полюс перемещается не к востоку, как предполагалось, а к северо-западу. Были внесены коррективы в маршрут, благодаря чему группа Дейвида достигла магнитного полюса (72°25′ ю. ш., 155°16′ в. д.).

В настоящее время считается, что южный магнитный полюс находится приблизительно в районе 66° ю. ш. и 140° в. д. Судя по скорости и направлению его перемещения, предполагалось, что сейчас полюс должен находиться у самого берега или даже в море.

Как найти полюс

Попробуем проследить, как мигрировали полюсы, используя немногочисленные прямые измерения. Северный полюс за 120 лет переместился более чем на 300 км к северо-западу. Южный прошел за это же время еще больше: почти 1000 км и тоже на северо-запад. Ну, что же, скажет читатель, скорость известна, направление тоже — задача школьная! Не тут-то было! Задача эта пока что не решена! Дело в том, что полюсы движутся неравномерно по сложной кривой.

Проследим за траекторией южного магнитного полюса в течение 110 лет. За первые 70 лет полюс переместился к северу примерно на 3°, а следующие 40 лет двигался на северо-восток с удвоенной скоростью. Таким образом, вычислить координаты полюса по отдельному известному отрезку траектории далеко не просто. Но, может быть, в течение геологических эпох полюсы движутся по замкнутым траекториям? Тогда, установив циклические закономерности, можно было бы прогнозировать местонахождение полюсов. Такое предложение выдвинул магнитолог Н. Д. Медведев. Он предложил организовать международную службу магнитных полюсов. В задачу такой службы должно входить постоянное измерение магнитного поля в районах магнитных полюсов, предвычисление и контроль их положения.

Однако решающее слово принадлежит палеомагнитологам. Это они, изучая остаточную древнюю намагниченность горных пород, определяют структуру магнитного поля Земли в отдаленные геологические эпохи. В основе палео- или ископаемого магнетизма лежит замечательное свойство горных пород: при застывании раскаленных лав они воспринимают и сохраняют направление вектора геомагнитного поля той эпохи. Подобным же свойством обладает обжигаемая керамика, например кирпич. Исследуя намагниченность кирпичной кладки старинных зданий и очагов с помощью археомагнитных методов, можно восстановить направление геомагнитного поля в историческом прошлом. В последнее время архео- и палеомагнитологи научились определять не только направление, но и интенсивность «ископаемого» поля.

Появилась реальная возможность восстановить движение магнитных полюсов в далеком прошлом. И вот выяснилось, что за 600 млн. лет северный магнитный полюс прошел почти 90° от экватора до географического северного полюса по довольно сложной траектории. Казалось бы все хорошо и остается только объяснить причину дрейфа магнитного полюса. Но дело в том, что траектория полюса построена по палеомагнитным данным только одного материка — Европы и северной Азии. Попытки привлечь результаты измерений на разных материках (Америка, Австралия, южная Азия) дали такой разнобой направлений, что в некоторые эпохи движение полюса для разных материков получалось противоположным. Правда, согласия траекторий можно достичь, если соответствующим образом сместить материки со своих теперешних мест…

Дрейф полюсов или дрейф материков

Итак, не передвинув материки, невозможно однозначно восстановить движение магнитного полюса в прошлом. Этот факт — один из важных геофизических аргументов в пользу теории материкового дрейфа. Здесь мы затрагиваем животрепещущую тему, которая, однако, выходит за рамки нашего рассказа.

Но, как известно, движение материков столь медленно, что на протяжении всей истории человечества не происходило сколько-нибудь значительного их смещения. В то же время заметные перемещения магнитного полюса были установлены даже со времени первых прямых измерений. Если перемещение материков происходит примерно со скоростью 2—3 см в год, то современная скорость перемещения магнитных полюсов 5— 10 км в год! Значит, быстрые современные смещения полюса не могут быть связаны с дрейфом материков, подобно миграциям палеомагнитного полюса, и вероятно, вызваны другими причинами.

Как же так?! — ведь речь идет о движении одного и того же магнитного полюса, почему же за последние 100 лет он продвинулся больше, чем за древние десятки миллионов лет? Попробуем разобраться.

Диполь или мультиполь

Еще в древности земной магнетизм пытались объяснить существованием одного сильного магнита, помещенного где-то в недрах Земли так, что один его полюс находится вблизи Северного, а другой вблизи Южного географического полюсов. По наименованию географических полюсов, на которые, как считали моряки и географы, показывает магнитная стрелка, были названы ее концы. Когда выяснилось, что магниты притягиваются разноименными полюсами, пришлось констатировать общеизвестный сейчас факт, что вблизи Северного полюса располагается южный магнетизм, а вблизи Южного — северный. Очевидно, по традиции мы теперь продолжаем называть магнитные полюсы по их географическому положению.

Еще древние мореплаватели замечали, что далеко не везде северный конец магнитной стрелки указывает на север. Это свойство магнитного поля Земли (магнитное склонение) открыл Христофор Колумб в своем первом знаменитом плавании. Вскоре моряки и сухопутные путешественники начали систематически измерять склонение магнитной стрелки и отмечать на картах его величину. Проведенные на картах магнитные меридианы пересекались (в среднем) около географических полюсов в точках магнитных полюсов. Оказалось, однако, что далеко не все меридианы проходят рядом с полюсом. Кроме того, направление магнитных меридианов сильно изменялось от точки к точке, и, в отличие от географических, они представляли собой довольно извилистые линии.

Стало быть, магнитное поле Земли нельзя представить полем одного магнита. Может быть, поле Земли не дипольное, а более сложное? Теоретически можно отделить поле диполя от недипольной части. Довольно хорошо соответствует реальному поле диполя, несколько смещенного от центра Земли, ось которого составляет угол 11° с осью ее вращения.

Если основные, дипольные полюсы дрейфуют по незамкнутой траектории уже полмиллиарда лет, то недипольное поле, вероятно, меняется циклически, хотя и с очень большим периодом. Известно, например, что теперь магнитное поле Земли дрейфует с востока на запад со скоростью 0,2° в год. С этим дрейфом, по-видимому, и связано современное быстрое перемещение полюсов с юго-востока на северо-запад. Но это еще не последняя трудность и загадка в поведении магнитного поля Земли. Мало того, что оно меняется во времени и пространстве — оно еще изменяет свою полярность! Это значит, что существовали периоды, когда северный магнитный полюс был южным, а южный — северным.

Исследуя образцы древних горных пород и магнитные аномалии океанского дна, ученые подтвердили факт инверсий геомагнитного поля и время этих инверсий. Например, около 700 тыс. лет назад поле имело полярность, обратную современной, а 2,5 млн. лет тому назад — такую же, как сейчас. Еще ранее также обнаруживали инверсию поля. Кроме того, на фоне продолжительных эпох определенной полярности наблюдались относительно кратковременные эпизоды перемагничивания длительностью в несколько тысячелетий. В сумме же за последние 4,5 млн. лет периодов с той и другой полярностью было примерно поровну. Вот эти-то факты и заставили магнитологов отойти от гипотезы магнитного поля как поля одного или многих постоянных магнитов и искать другие причины земного магнетизма.

Все глубже и глубже…

Уже давно ученые сомневаются в возможности существования постоянного магнита в центре Земли из-за господствующих там высоких температур. Как известно, при нагреве постоянного магнита до температуры выше «точки Кюри» его магнитный момент резко уменьшается. Поэтому некоторые ученые стали разрабатывать гипотезу об источниках поля в холодной оболочке Земли — ее коре. Однако значительные изменения, которые испытывает магнитное поле во времени, вызывают серьезные возражения против этой гипотезы. Проведенные недавно измерения с помощью искусственных спутников Земли указывают на глубинное положение источников поля.

Таким образом, мнение о глубинных источниках получило серьезную экспериментальную поддержку. Примирить кажущиеся противоречия теории и эксперименте помогло представление о глубинных электрических токах. Внутри Земли природа построила своеобразную электростанцию. Работает она подобно обычной динамо-машине с самовозбуждением. Для начала работы «земного динамо» необходимо слабое «затравочное» магнитное поле. В дальнейшем индуцированный в «динамо» ток, а значит, и поле усиливаются до некоторой постоянной величины. Ротор — твердая оболочка Земли — вращается относительно статора — земного ядра с некоторым опережением. Процессы на границе ядра и мантии являются определяющими для работы «земного динамо», а конвективные потоки вещества, возникающие в Земле под действием разностей температур и плотностей, служат дополнительным источником тока.

«Земное динамо» работает с перебоями в геологических масштабах времени. Его функционирование зависит от многих параметров, изменение которых нарушает режим работы динамо и влечет за собой колебания величины магнитного поля и, как следствие, — миграцию полюсов.

В принципе, ток «в обмотках» земного динамо может течь равновероятно в обе стороны, то есть северный и южный магнитные полюсы могут меняться местами. Следовательно, эпизодическая смена полярности геомагнитного поля не противоречит принципам работы «земного динамо». Этот же механизм может объяснить колебания магнитных полюсов около некоторого среднего положения. В свою очередь, среднее положение полюса должно, согласно этому механизму, совпадать с полюсом вращения Земли. По-видимому, за 600 млн. лет дрейф главного дипольного полюса действительно соответствовал в общих чертах дрейфу географического полюса. Последний же перемещается в результате долгопериодических изменений угла наклона земной оси к плоскости эклиптики.

Можно считать, что в настоящее время мы знаем наиболее вероятные принципы генерации магнитного поля Земли, однако полной количественной теории земного магнетизма пока еще нет.

Взгляд из космоса…

Итак, мы знаем, как ведут себя магнитные полюсы на поверхности Земли во времени и пространстве и где находятся источники главного геомагнитного поля. А как все это выглядит из космоса? Как далеко от Земли космонавт может обнаружить геомагнитное поле и его полюсы своим магнитометром?

В Солнечной системе существует межпланетное магнитное поле, напряженность которого примерно в 10 000 раз меньше земного. Земное поле имеет довольно четкую границу на стороне, обращенной к Солнцу («граница магнитосферы»). Космонавт, подлетая к Земле со стороны Солнца, может по магнитометру определить момент прохождения этой границы. На больших высотах магнитометр чувствителен лишь к дипольному геомагнитному полю, так как недипольная его часть, меньшая по величине и протяженности, быстро затухает с высотой. Если же на этих высотах определить положение магнитного полюса, то его проекция на земную поверхность и будет дипольным полюсом Земли. Дипольные полюсы не совпадают с магнитными, они располагаются примерно в точках с координатами 78° 5′ с. ш., 69° 3′ з. д.; 78° 5′ ю. ш. и 110° 9′ в. д. Это — геомагнитные полюсы. Казалось бы, что эти полюсы, которые на Земле и обнаружить-то нельзя, представляют чиста абстрактный интерес. Но это не так.

С геомагнитными полюсами связано большинство явлений, происходящих в магнитосфере Земли. Например, геомагнитные полюсы контролируют захват частиц солнечной радиации магнитосферой Земли; на них центрируются «зоны наибольшей повторяемости и интенсивности полярных сияний» и т. д. Недаром геомагнитные полюсы так интересуют магнитологов. В этих точках организованы обсерватории Туле (Гренландия) и Восток (Антарктида).

Изучение геофизических процессов на геомагнитных полюсах играет очень важную роль в космических полетах. Поскольку магнитные силовые линии воронкой расходятся из геомагнитных полюсов, там отсутствует опасная для космонавтов радиация, захваченная магнитным полем. При вылете в космос через такую воронку можно уменьшить меры по радиационной защите космонавтов. Наблюдения за магнитным полем на геомагнитных полюсах дают сведения о «погоде» в околоземном космическом пространстве, используются для диагноза и прогноза явлений в полях и частицах наших космических окрестностей. Так изучение сокровенных глубинных процессов Земли сомкнулось с космическими исследованиями.

Автор: Г. А. Фонарев, кандидат физико-математических наук.