Чи є у Марса магнітне поле

120 років тому геофізик Е. Е. Лейст, якому належить честь відкриття Курської магнітної аномалії і передбачення її найбагатших залізорудних покладів, вперше спробував виявити магнітні поля планет по їх можливого впливу на магнітне поле Землі. «Не можна допустити,— писав Лейст, – що магнетизм становить виняткову властивість нашої Землі, а скоріше можна припустити, що всі планети володіють цією силою…)»

Уявлення про загальність магнітних властивостей планет були тоді природні. Вони узгоджувалися з тим, як розуміли вчені магнітне поле Землі і будову планет Сонячної системи не тільки за часів Лейста, але і в наступні 50 років.

Потрібно планетарне динамо

Велика швидкість вікових змін магнітного поля Землі в порівнянні зі швидкістю процесів в корі і твердій мантії, факти змін полярності магнітного поля в минулий геологічний час, отримані палеомагнітними методами, змусили відмовитися від колишніх поглядів. Безнадійно застаріли гіпотези, які пов’язували магнітне поле Землі з намагніченням гірських порід, безпосередньо з обертанням Землі, струмами від хімічних і термоелектричних джерел. Прийнятною виявилася гіпотеза про самозбуджуване гідромагнітне динамо, що діє в земному ядрі.

Інженерні принципи динамо-машини з самозбудженням добре відомі в електротехніці, але чи можливо планетарне динамо? Так, можливо, – показали теоретичні роботи і, зокрема, нові моделі гідромагнітного динамо. Ці моделі забезпечували при певному, досить несиметричному полі швидкостей руху в рідкому провідному ядрі посилення початкового магнітного поля.

Сучасні кінематичні моделі виявилися в змозі описати найважливіші особливості магнітного поля Землі. До найважливіших особливостей відносяться дипольний характер головної частини поля і можливість зміни його знака, близькість, але не збіг осі диполя з віссю обертання Землі, виникнення більш складних конфігурацій поля (недипольних членів), дрейф на захід недипольної частини поля, нерегулярні флуктуації кутової швидкості обертання Землі. Однак достовірність гіпотези ще не була доведена. Фізичні умови в надрах нашої планети поки відомі досить приблизно. Стало бути, не слід дивуватися, чому до сих пір не існує повної фізичної теорії динамо, яка грунтувалася б на реальних характеристиках швидкостей і сил, що діють в земному ядрі.

Природно було сподіватися, що рішення задачі полегшиться відомостями про магнітні поля інших планет. Виявлення магнітного поля у конкретної планети або тверда переконаність, що його там немає, вже складають фундаментальну інформацію про внутрішню будову планети для теорії земного динамо.

Магнітні поля планет

Пів століття тому відкрили радіовипромінювання Юпітера в дециметровому діапазоні. Воно виявилося сильно поляризованим, а розміри джерела у багато разів перевищували розміри видимого диска планети. Це дало підставу зробити висновок, що випромінювання створюється осцилюючими електронами, захопленими магнітним полем Юпітера. Можливість захоплення електрично заряджених частинок магнітним полем була в цей час вже доведена завдяки відкриттю радіаційних поясів Землі.

Напруженість поля в центрі радіаційних поясів Юпітера оцінюється величиною 1-10 гс, тобто в 70-700 разів більше, ніж в центрі радіаційних поясів Землі. Дипольний момент Юпітера в 105 разів більше дипольного моменту Землі. Північний магнітний полюс розташований в Північній півкулі Юпітера, значить, диполь Юпітера спрямований протилежно земному диполю. Однак найбільш дивні не відмінності в інтенсивності і знаках поля, але аналогія в обох полях: вісь магнітного диполя Юпітера відхилена на кут 9-24° від осі обертання, (кут нахилу земного диполя 11°,5), а магнітні центри диполів зміщені від центрів планет.

У теорії магнітного динамо асиметрія поля (нахил осі і ексцентриситет диполя) не випадкова обставина, а найважливіша умова збудження динамотоків в ядрі. Уже в першому космічному десятилітті (1959-1967 роки) радянські і американські космічні апарати провели магнітні дослідження Місяця, Марса і Венери. Магнітометри радянських автоматичних станцій «Луна-2», «Луна-10», американського супутника Землі «Експлорер-35» і американських космічних кораблів серії «Аполлон» не виявили ознак власного дипольного поля Місяця. Запуски радянської автоматичної міжпланетної станції «Венера-4» (1967 рік) і американського космічного апарату «Марінер-5» дозволили встановити, що у Венери немає власного магнітного дипольного поля, яке було б рівне, (або перевищувало) 1/4000 магнітного поля Землі. Магнітометр апарату «Марінер-4» на відстані 13 200 км від центру Марса не знайшов ознак власного поля планети.

У всіх перерахованих експериментах вдалося зареєструвати обурення, вироблені небесними тілами в сонячному вітрі. Ударний фронт в околиці Венери був перетнутий космічними апаратами під кутами 59 і 110° до напрямку Сонце — Венера. Положення фронту цілком задовільно пояснювалося обурюючим впливом іоносфери Венери. «Марінер-4» перетнув ударний фронт під кутом 100-150° до напрямку Сонце — Марс. Положення ударного фронту при малих кутах з напрямком Сонце — Марс залишилося невизначеним. Тому виникнення фронту могло бути приписано впливу не виявленого магнітного поля або впливу іоносфери.

Такий несподіваний результат сприйняли по-різному. Оптимісти побачили позитивний результат перевірки теорії магнітного динамо. Вони міркували приблизно так. У Місяця однорідна будова. Венера, ймовірно, не позбавлена ядра, але обертається дуже повільно. У Марса кутова швидкість однакова з земною, але його ядро, існування якого ми припускаємо, мабуть, мале. Завеликий опір. Крім того, «мотор», що приводить в рух магнітне динамо, міг давно зупинитися. Песимісти дозволяли собі поставити кілька запитань. Чи існували в минулому магнітні поля Місяця, Венери, Марса? Чи немає залишкового магнетизму в гірських породах цих небесних тіл?

Може бути, існують магнітні поля, не пов’язані з механізмом динамо? Відповіді дали наступні магнітні експерименти на «Марсі-2», «Марсі-3», – кораблях «Аполлон» і автоматичній лабораторії «Місяцехід-2».

Необхідно і достатньо

Відомі кінематичні моделі магнітного динамо поєднують генерацію магнітного поля в планеті з рідким провідним ядром і обертанням планети. Це необхідні умови. Деяка кількісна характеристика загальних умов, при яких можлива генерація поля, визначається значенням числа Рейнольдса, більшим 10. Потужність, необхідна для підтримки магнітного динамо Землі, оцінюється величиною 10¹⁹ Ерг/сек. Вважають, що в ядрі Землі мізерно мало радіоактивних елементів. Для підтримки гідромагнітного динамо необхідно допустити існування інших джерел енергії.

Який «мотор» приводить в рух планетарне динамо? На думку деяких фахівців, в Землі все ще триває утворення рідкого ядра. Стікання заліза з мантії в ядро і служить джерелом енергії динамо. Інші, навпаки, вважають, що триває зростання внутрішнього твердого ядра. Прихована теплота, що виділяється служить джерелом енергії. Спливання легкого кремнію, що супроводжує процеси кристалізації, приводить в дію динамо.

Нарешті, існує припущення, що жодне з теплових джерел конвекції не може бути притягнуте в якості джерела енергії для земного динамо через низький коефіцієнт корисної дії. Згідно з цим припущенням, земне динамо приводиться в дію прецесійним рухом Землі. Прецесія осі обертання Землі з періодом 25 600 років викликана гравітаційними полями Сонця і більшою мірою Місяця. В кінцевому рахунку енергія для прецессуючого динамо йде з запасеної в земному обертанні кінетичної енергії. Оцінки потужності земного динамо в роботах різних авторів відрізняються на порядки величин. Тому поки немає підстави виключати будь-який з перерахованих механізмів. Можливо, що внесок будь-якого з них переважає.

Таким чином, моделі земного динамо обмежують поширеність магнітних полів, створених механізмом динамо, деякими умовами. Мабуть, «магнітна» планета неодмінно повинна відрізнятися великим рідким провідним ядром, значною швидкістю кутового обертання і, як наслідок,— динамічним стисненням. Крім того, необхідно допустити існування одної або сукупності наступних умов: достатня для підтримки теплової конвекції кількість радіоактивних елементів, триваюча диференціація речовини, масивний супутник у планети (або значне неоднорідне гравітаційне поле).

Магнітне поле в околиці Марса

«Марінер-4» пролетів від Марса занадто далеко. Його магнітометр не виявив ознак власного магнітного поля планети. Трикомпонентний магнітометр «Марса-3» при проходженні області перицентру орбіти (висота орбіти в періарії була 1100 км) зафіксував зміни поля. Приблизно такі ж зміни (і дещо більші) реєструвалися в області перицентру кожен раз, коли включався і магнітометр «Марса-2». Його орбіта змінювалася мало, а висота періарія також приблизно дорівнювала 1100 км.

Результати «Марса-3» укладаються в схему, що нагадує добре знайоме зміна поля при русі магнітометра з вільного космічного простору до земного магнітного поля з сонячної сторони. Так обтікання надзвуковим потоком маленької моделі літака в аеродинамічній трубі повторює процес обтікання газовим потоком великого лайнера при надзвуковому польоті.

Магнітне поле спокійного сонячного вітру на відстані орбіти Землі характеризується величиною 4-5 Y, а на відстані орбіти Марса 3-4 Y. Поле «витягнуто» з Сонця потоком протонів, швидкість яких близько 400 км/сек. Воно закручене обертанням Сонця. На орбіті Землі кут спіралі дорівнює 45°, на орбіті Марса — 59°.

У трикомпонентному магнітометрі, встановленому на «Марсі-3», два датчика вимірювали поле в площині екліптики, а третій — перпендикулярно екліптиці.

Щоб чітко зрозуміти результати спостережень магнітометра поблизу Марса, детально розберемо магнітограми, зареєстровані супутником 1рм-1 (США) при русі до земного магнітного поля з сонячної сторони. Цей супутник ніс трикомпонентний магнітометр, датчики якого були орієнтовані так само, як і на «Марсі-3».

Як відомо, супутник 1рм-1 провів тривалі, дослідження земного магнітного поля з денного і нічного боку, виявив положення ударного фронту біля Землі, перехідну область і кордон магнітосфери. Магнітограми супутника 1рм-1 інтерпретуються наступним чином. На відстані, що дорівнює приблизно 16 земним радіусам, різко збільшилися величина і флуктуації поля у всіх компонентах. У цей момент магнітометр супутника перетнув ударний фронт, що виникає попереду Землі. Значить, Сонячний вітер зустрів перешкоду – магнітне поле Землі, але не її іоносферу. Тому ударний фронт і утворився так далеко від Землі. Магнітометр, продовжуючи рухатися до Землі, зафіксував флуктуюче поле. Це все ще сонячне поле.

Після ударного фронту потік частинок з надзвукового став дозвуковим. Поле стислося, посилилося. Ступінь посилення залежить від напрямку на Сонце, кута спіралі і природи перешкоди, а ступінь флуктуації — від співвідношення щільності енергії поля і плазми. На відстані близько 10 земних радіусів в деяких компонентах поля спостерігався різкий стрибок, після чого магнітометр «зашкалився». Прилад перетнув межу магнітного поля Землі – магнітопаузу. На висхідному витку магнітограма змінилася в зворотному порядку, але тепер магнітопауза перетиналася на відстані 13,6, а ударний фронт на 19,7 земного радіуса. З сонячної сторони земне поле обмежено. Лише на нічній стороні воно витягнуто дуже далеко за орбіту Місяця. Все це нагадує добре відому сучасному читачеві модель обтікання Землі сонячним вітром.

Неважко виявити очевидну аналогію в змінах поля вздовж орбіти, якщо розглянути магнітограму «Марса-3». На магнітограмі можна виділити кілька ділянок з характерними особливостями поля. Спочатку його повна величина становила 2-3 Y і флуктуації були незначними, що добре відповідало умовам вимірювання міжпланетного поля на відстані орбіти Марса. При подальшому русі планети величина і флуктуація поля збільшилися приблизно вдвічі. Область такого збільшення аналогічна перехідній області між ударним фронтом і кордоном магнітосфери у Землі.

Різкі зміни поля за величиною і напрямком відбувалися в граничних областях магнітосфери, між якими магнітне поле досягало найбільших значень з максимумом поблизу періарія. При подальшому віддаленні від планети ситуація повторювалася до тих пір, поки магнітометр увійшов в область незворушних полів сонячного вітру.

Важливим критерієм служить положення ударного фронту. Розрахунки показують, що якщо перешкодою сонячному вітру служить іоносфера Марса, то відстань ударного фронту в сонячній точці становить приблизно 1400 км від поверхні Марса, тобто на 1000—2000 км менше відстані, визначеної по магнітометру при малих кутах до напрямку Сонце — Марс.

Нинішні моделі внутрішньої будови Марса, моделі планетарних динамо і їх рушійних джерел дозволяють пояснити сучасне мале дипольне поле Марса. Міркування зводяться до наступного. Марс має рідке провідне ядро. Природно припустити, що воно менше за розміром і значенням провідності. Якщо мотором планетарного динамо служить прецесія осі, то швидкість прецесії Марса приблизно в 7 разів менше, ніж Землі. Зазначені обставини можуть зумовити існування планетарного динамо меншої потужності, але чинне в сучасну епоху.

Менш імовірно, але все ж можливо, що Марс у своїй космічній історії проходить період обертання знака, подібно до того, як це було в земному магнітному полі.

Якщо планетарне динамо не приводиться в дію прецесією, то інші згадані вище механізми могли «зупинитися». Припустимо, що у Марса в минулому існувало поле типу динамо. Гірські породи як би «запам’ятали» цю подію в космічній історії планети, а магнітометри зареєстрували палеомагнетизм планети. Останній варіант магнітного поля не пов’язаний з механізмом магнітного динамо, а має іншу природу (поле, наприклад, може викликатися хімічними або термічними джерелами електрорушійної сили).

Деякі з перерахованих вище припущень виглядають менш правдоподібно, інші – більш правдоподібно. Майбутні експерименти скоротять кількість припущень.

Автор: Ш. Ш. Долгінов.