Есть ли у Марса магнитное поле

120 лет тому назад геофизик Э. Е. Лейст, которому принадлежит честь открытия Курской магнитной аномалии и предсказания ее богатейших железорудных залежей, впервые попытался обнаружить магнитные поля планет по их возможному влиянию на магнитное поле Земли. «Нельзя допустить,— писал Лейст,— что магнетизм составляет исключительное свойство нашей Земли, а скорее можно предположить, что все планеты обладают этой силой…)»

Представления о всеобщности магнитных свойств планет были тогда естественны. Они согласовывались с тем, как понимали ученые магнитное поле Земли и строение планет Солнечной системы не только во времена Лейста, но и в последующие 50 лет.

Требуется планетарное динамо

Большая скорость вековых изменений магнитного поля Земли по сравнению со скоростью процессов в коре и твердой мантии, факты изменений полярности магнитного поля в прошлое геологическое время, полученные палеомагнитными методами, заставили отказаться от прежних взглядов. Безнадежно устарели гипотезы, которые связывали магнитное поле Земли с намагничением горных пород, непосредственно с вращением Земли, токами от химических и термоэлектрических источников. Приемлемой оказалась гипотеза о самовозбуждающемся гидромагнитном динамо, действующем в земном ядре.

Инженерные принципы динамо-машины с самовозбуждением хорошо известны в электротехнике, но возможно ли планетарное динамо? Да, возможно,— показали теоретические работы и, в частности, новые модели гидромагнитного динамо. Эти модели обеспечивали при определенном, достаточо несимметричном поле скоростей движения в жидком проводящем ядре усиление начального магнитного поля.

Современные кинематические модели оказались в состоянии описать важнейшие особенности магнитного поля Земли. К важнейшим особенностям относятся дипольный характер главной части поля и возможность смены его знака, близость, но не совпадение оси диполя с осью вращения Земли, возникновение более сложных конфигураций поля (недипольных членов), дрейф на запад недипольной части поля, нерегулярные флуктуации угловой скорости вращения Земли. Однако достоверность гипотезы еще не была доказана. Физические условия в недрах нашей планеты пока известны весьма приблизительно. Стало быть, не следует удивляться, почему до сих пор не существует полной физической теории динамо, которая основывалась бы на реальных характеристиках скоростей и сил, действующих в земном ядре.

Естественно было надеяться, что решение задачи облегчится сведениями о магнитных полях других планет. Обнаружение магнитного поля у конкретной планеты или твердая убежденность, что его там нет, уже составляют фундаментальную информацию о внутреннем строении планеты для теории земного динамо.

Магнитные поля планет

Пол века назад открыли радиоизлучение Юпитера в дециметровом диапазоне. Оно оказалось сильно поляризованным, а размеры источника во много раз превышали размеры видимого диска планеты. Это дало основание заключить, что излучение создается осциллирующими электронами, захваченными магнитным полем Юпитера. Возможность захвата электрически заряженных частиц магнитным полем была в это время уже доказана благодаря открытию радиационных поясов Земли.

Напряженность поля в центре радиационных поясов Юпитера оценивается величиной 1—10 гс, то есть в 70—700 раз больше, чем в центре радиационных поясов Земли. Дипольный момент Юпитера в 105 раз больше дипольного момента Земли. Северный магнитный полюс расположен в северном полушарии Юпитера, значит, диполь Юпитера направлен противоположно земному диполю. Однако наиболее удивительны не различия в интенсивности и знаках поля, но аналогия в обоих полях: ось магнитного диполя Юпитера отклонена на угол 9—24° от оси вращения, (угол наклона земного диполя 11°,5), а магнитные центры диполей смещены от центров планет.

В теории магнитного динамо асимметрия поля (наклон оси и эксцентриситет диполя) не случайное обстоятельство, а важнейшее условие возбуждения динамотоков в ядре. Уже в первом космическом десятилетии (1959—1967 годы) советские и американские космические аппараты провели магнитные исследования Луны, Марса и Венеры. Магнитометры советских автоматических станций «Луна-2», «Луна-10», американского спутника Земли «Эксплорер-35» и американских космических кораблей серии «Аполлон» не обнаружили признаков собственного дипольного поля Луны. Запуски советской автоматической межпланетной станции «Венера-4» (1967 год) и американского космического аппарата «Маринер-5» позволили установить, что у Венеры нет собственного магнитного дипольного поля, которое было бы равно, (или превышало) 1/4000 магнитного поля Земли. Магнитометр аппарата «Маринер-4» на расстоянии 13 200 км от центра Марса не нашел признаков собственного поля планеты.

Во всех перечисленных экспериментах удалось зарегистрировать возмущения, производимые небесными телами в солнечном ветре. Ударный фронт в окрестности Венеры был пересечен космическими аппаратами под углами 59 и 110° к направлению Солнце — Венера. Положение фронта вполне удовлетворительно объяснялось возмущающим влиянием ионосферы Венеры. «Маринер-4» пересек ударный фронт под углом 100—150° к направлению Солнце — Марс. Положение ударного фронта при малых углах с направлением Солнце — Марс осталось неопределенным. Поэтому возникновение фронта могло быть приписано влиянию не обнаруженного магнитного поля или влиянию ионосферы.

Столь неожиданный результат восприняли по-разному. Оптимисты увидели позитивный результат проверки теории магнитного динамо. Они рассуждали приблизительно так. У Луны однородное строение. Венера, вероятно, не лишена ядра, но вращается очень медленно. У Марса угловая скорость одинакова с земной, но его ядро, существование которого мы предполагаем, видимо, мало. Великовато сопротивление. Кроме того, «мотор», приводящий в движение магнитное динамо, мог давно остановиться. Пессимисты позволяли себе задать несколько вопросов. Существовали ли в прошлом магнитные поля Луны, Венеры, Марса? Нет ли остаточного магнетизма в горных породах этих небесных тел?

Может быть, существуют магнитные поля, не связанные с механизмом динамо? Ответы дали последующие магнитные эксперименты на «Марсе-2», «Марсе-3», — кораблях «Аполлон» и автоматической лаборатории «Луноход-2».

Необходимо и достаточно

Известные кинематические модели магнитного динамо сочетают генерацию магнитного поля в планете с жидким проводящим ядром и вращением планеты. Это необходимые условия. Некоторая количественная характеристика общих условий, при которых возможна генерация поля, определяется значением числа Рейнольдса, большим 10. Мощность, необходимая для поддержания магнитного динамо Земли, оценивается величиной 10¹⁹ эрг/сек. Полагают, что в ядре Земли ничтожно мало радиоактивных элементов. Для поддержания гидромагнитного динамо необходимо допустить существование других источников энергии.

Какой «мотор» приводит в движение планетарное динамо? По мнению некоторых специалистов, в Земле все еще продолжается образование жидкого ядра. Стекание железа из мантии в ядро и служит источником энергии динамо. Другие, наоборот, считают, что продолжается рост внутреннего твердого ядра. Выделяющаяся скрытая теплота служит источником энергии динамо. Всплытие легкого кремния, сопровождающее процессы кристаллизации, приводит в действие динамо.

Наконец, существует предположение, что ни один из тепловых источников конвекции не может быть привлечен в качестве источника энергии для земного динамо из-за низкого коэффициента полезного действия. Согласно этому предположению, земное динамо приводится в действие прецессионным движением Земли. Прецессия оси вращения Земли с периодом 25 600 лет вызвана гравитационными полями Солнца и в большей степени Луны. В конечном счете энергия для прецессирующего динамо идет из запасенной в земном вращении кинетической энергии. Оценки мощности земного динамо в работах различных авторов отличаются на порядки величин. Поэтому пока нет основания исключать любой из перечисленных механизмов. Возможно, что вклад какого-либо из них преобладает.

Таким образом, модели земного динамо ограничивают распространенность магнитных полей, созданных механизмом динамо, некоторыми условиями. По-видимому, «магнитная» планета непременно должна отличаться большим жидким проводящим ядром, значительной скоростью углового вращения и, как следствие,— динамическим сжатием. Кроме того, необходимо допустить существование одного или совокупности следующих условий: достаточное для поддержания тепловой конвекции количество радиоактивных элементов, продолжающаяся дифференциация вещества, массивный спутник у планеты (или значительное неоднородное гравитационное поле).

Магнитное поле в окрестности Марса

«Маринер-4» пролетел от Марса слишком далеко. Его магнитометр не обнаружил признаков собственного магнитного поля планеты. Трехкомпонентный магнитометр «Марса-3» при прохождении области перицентра орбиты (высота орбиты в периарии была 1100 км) зафиксировал изменения поля. Примерно такие же изменения (и несколько большие) регистрировались в области перицентра каждый раз, когда включался и магнитометр «Марса-2». Его орбита изменялась мало, а высота периария также приблизительно равнялась 1100 км.

Результаты «Марса-3» укладываются в схему, напоминающую хорошо знакомое изменение поля при движении магнитометра из свободного космического пространства к земному магнитному полю с солнечной стороны. Так обтекание сверхзвуковым потоком маленькой модели самолета в аэродинамической трубе повторяет процесс обтекания газовым потоком большого лайнера при сверхзвуковом полете.

Магнитное поле спокойного солнечного ветра на расстоянии орбиты Земли характеризуется величиной 4—5 Y, а на расстоянии орбиты Марса 3—4 Y. Поле «вытянуто» из Солнца потоком протонов, скорость которых около 400 км/сек. Оно закручено вращением Солнца. На орбите Земли угол спирали равен 45°, на орбите Марса — 59°.

В трехкомпонентном магнитометре, установленном на «Марсе-3», два датчика измеряли поле в плоскости эклиптики, а третий — перпендикулярно эклиптике.

Чтобы отчетливо понять результаты наблюдений магнитометра вблизи Марса, подробно разберем магнитограммы, зарегистрированные спутником 1РМ-1 (США) при движении к земному магнитному полю с солнечной стороны. Этот спутник нес трехкомпонентный магнитометр, датчики которого были ориентированы так же, как и на «Марсе-3».

Как известно, спутник 1РМ-1 провел длительные, исследования земного магнитного поля с дневной и ночной стороны, обнаружил положение ударного фронта у Земли, переходную область и границу магнитосферы. Магнитограммы спутника 1РМ-1 интерпретируются следующим образом. На расстоянии, равном примерно 16 земным радиусам, резко увеличились величина и флуктуации поля во всех компонентах. В этот момент магнитометр спутника пересек ударный фронт, возникающий впереди Земли. Значит, солнечный ветер встретил препятствие — магнитное поле Земли, но не ее ионосферу. Поэтому ударный фронт и образовался так далеко от Земли. Магнитометр, продолжая двигаться к Земле, зафиксировал флуктуирующее поле. Это все еще солнечное поле.

После ударного фронта поток частиц из сверхзвукового стал дозвуковым. Поле сжалось, усилилось. Степень усиления зависит от направления на Солнце, угла спирали и природы препятствия, а степень флуктуации — от соотношения плотности энергии поля и плазмы. На расстоянии около 10 земных радиусов в некоторых компонентах поля наблюдался резкий скачок, после чего магнитометр «зашкалился». Прибор пересек границу магнитного поля Земли — магнитопаузу. На восходящем витке магнитограмма изменилась в обратном порядке, но теперь магнитопауза пересекалась на расстоянии 13,6, а ударный фронт на 19,7 земного радиуса. С солнечной стороны земное поле ограниченно. Лишь на ночной стороне оно вытянуто очень далеко за орбиту Луны. Все это напоминает хорошо известную современному читателю модель обтекания Земли солнечным ветром.

Нетрудно обнаружить очевидную аналогию в изменениях поля вдоль орбиты, если рассмотреть магнитограмму «Марса-3». На магнитограмме можно выделить несколько участков с характерными особенностями поля. Вначале его полная величина составляла 2—3 -у и флуктуации были незначительными, что хорошо соответствовало условиям измерения межпланетного поля на расстоянии орбиты Марса. При дальнейшем движении планеты величина и флуктуация поля увеличились примерно вдвое. Область такого увеличения аналогична переходной области между ударным фронтом и границей магнитосферы у Земли.

Резкие изменения поля по величине и направлению происходили в граничных областях магнитосферы, между которыми магнитное поле достигало наибольших значений с максимумом вблизи периария. При дальнейшем удалении от планеты ситуация повторялась до тех пор, пока магнитометр вошел в область невозмущенных полей солнечного ветра.

Важным критерием служит положение ударного фронта. Расчеты показывают, что если препятствием солнечному ветру служит ионосфера Марса, то расстояние ударного фронта в подсолнечной точке составляет приблизительно 1400 км от поверхности Марса, то есть на 1000— 2000 км меньше расстояния, определенного по магнитометру при малых углах к направлению Солнце — Марс.

Нынешние модели внутреннего строения Марса, модели планетарных динамо и их движущих источников позволяют объяснить современное малое дипольное поле Марса. Рассуждения сводятся к следующему. Марс имеет жидкое проводящее ядро. Естественно допустить, что оно меньше по размеру и значению проводимости. Если мотором планетарного динамо служит прецессия оси, то скорость прецессии Марса примерно в 7 раз меньше, чем Земли. Указанные обстоятельства могут обусловить существование планетарного динамо меньшей мощности, но действующее в современную эпоху.

Менее вероятно, но все же возможно, что Марс в своей космической истории проходит период обращения знака, подобно тому, как это было в земном магнитном поле.

Если планетарное динамо не приводится в действие прецессией, то другие упомянутые выше механизмы могли «остановиться». Допустимо, что у Марса в прошлом существовало поле типа динамо. Горные породы как бы «запомнили» это событие в космической истории планеты, а магнитометры зарегистрировали палеомагнетизм планеты. Последний вариант магнитного поля не связан с механизмом магнитного динамо, а имеет другую природу (поле, например, может вызываться химическими или термическими источниками электродвижущей силы).

Некоторые из перечисленных выше предположений выглядят менее правдоподобно, другие — более правдоподобно. Будущие эксперименты сократят число предположений.

Автор: Ш. Ш. Долгинов.