Магнітне поле Землі
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Те, що у нашої Землі є власне магнітне поле, відомо всім з самого дитинства – компас, очевидно, самий звичний з геофізичних приладів. Набагато менш відомо, що це геомагнітне поле не є чимось застиглим, незмінним. Його напрямок систематично відхиляється від суворої лінії, що з’єднує північний і південний полюси, – це називається девіацією. Певні складові поля повільно дрейфують у напрямку зі сходу на захід, а дані палеомагнетизму (науки, що вивчає магнітне поле давно минулих епох) свідчать про те, що час від часу магнітне поле нашої планети зовсім зникало, а потім з’являлося знову, але вже мало інший знак: південний полюс ставав північним, і навпаки.
Саме походження і фізична природа стійкого і сильного земного магнітного поля до сих пір не ясна, тому і вважалося, що зрозуміти механізм його малих і великих відхилень поки неможливо. Однак зовсім недавно опублікована наукова робота, в якій робиться смілива спроба довести, що це не так. Автори її, Штеенбек та Хелміс, висувають зовсім нову ідею, яка здатна пояснити всі перераховані складні варіації земного магнітного поля, зовсім не торкаючись питання про його природу.
Вони розглянули абстрактну, чисто фізичну задачу: всередині сферичної порожнини швидко обертається тверде, теж сферичне тіло, пов’язане з цією порожниною досить слабкою взаємодією типу ізотропної, тобто рівномірного з усіх боків, тертя. Виявляється, можна отримати суворе і, отже, кількісне, а не тільки якісне, рішення такої чисто механічної задачі. Автори показують, що подібне обертання буде не зовсім стійким, в результаті чого тіло своєрідного гіроскопа – внутрішньої сфери – має відчувати систематичні відхилення типу девіацій.
Обурення, що накопичуються час від часу повинні призводити до втрати стійкості, і гіроскоп може швидко перевернутися «догори ногами». Якщо прикласти результати розгляду такої надзвичайно простої моделі до Землі, вийде ось що. За сучасними поняттями всередині Землі дійсно є тверде ядро, яке можна розглядати як гіроскоп-дзигу. Воно дійсно знаходиться всередині кулястої порожнини – це зовнішні шари. Між ними насправді існує не дуже сильна взаємодія, яке гальмує справжнє обертання ядра. Ця взаємодія виникає через те, що ядро є хорошим провідником, що обертається в магнітному полі. Вісь обертання ядра повинна лежати в площині земного екватора і повільно переміщатися по ній зі сходу на захід – це пояснює спостережуваний в дійсності західний дрейф.
Нехай в ядрі є яке-небудь джерело магнітного поля. Тут принципово не важливо, яка природа цього джерела, – наприклад, це може бути просто гігантський постійний магніт. Тоді зміни в русі ядра, описувані простою теорією гіроскопа, дадуть всі спостережувані варіації геомагнітного поля, аж до змін його знака, які в рамках даної гіпотези пояснюються просто переворотом ядра на 180 градусів.
Нова теорія має певні неясності. Наприклад, переміщення мас матерії в різних шарах повинні викликати тертя, яке, звичайно, не можна вважати слабким. І вже, безумовно, воно не буде рівномірним з усіх боків. Але, можливо, це лише приватні деталі, що не міняють суті того, що запропонована теорія дозволяє досить просто пояснювати варіації геомагнітного поля і навіть висловлювати про них кількісні припущення, які буде неважко перевірити на практиці.
Автор: І. Первушин.