Магнітні полюси Землі

Магнітні полюси – фокуси силових ліній магнітного поля нашої планети. Вивчення міграції полюсів, що відбувалася в далекі геологічні епохи, призводить до цікавих висновків про еволюцію Землі.

Історія відкриття

Експедиції, що споряджалися для досягнення полюсів, — цікаві, а часом і трагічні сторінки історії людства. Північний магнітний полюс відкрила в 1831 році англійська експедиція Джона Росса на півострові Бутія в Канадському Арктичному архіпелазі. Координати полюса були 70°05′ пн. ш. і 96°46′ з. д. (У цій експедиції брав участь племінник Джона Росса Джемс Кларк Росс, який і визначив положення полюса.) Експериментальні дані показують, що магнітний полюс являє собою деяку область, де нахил (кут між напрямком магнітного поля і площиною горизонту) в межах можливих помилок дорівнює 90°. Щоб виміряти нахил, потрібно вільно підвісити магнітну стрілку – на полюсі вона встановиться строго вертикально.

У 1904 році великий норвезький полярний дослідник Руал Амундсен відкрив північний магнітний полюс вдруге, і в іншому місці. Виявилося, полюс мігрує. В даний час північний магнітний полюс знаходиться приблизно в районі з координатами 75° пн. ш. і 99° з. д. Доречно згадати гіпотезу про другий магнітний полюсі в Північній півкулі. Під час легендарного дрейфу криголамного пароплава «Георгій Сєдов» в Центральному Арктичному басейні (1938-1940 рр.) було виявлено, що магнітна стрілка поводиться незвично. Протягом великої ділянки дрейфу вона наполегливо вказувала на одну і ту ж точку, що знаходилася зовсім не там, де розташований магнітний полюс. Координати цієї точки були: широта Північна 86°, довгота Західна 178°. Такий факт, підтверджений пізніше, в 1941 році, спостереженнями радянської повітряної експедиції в районі «Полюса відносної недоступності» на літаку СРСР Н-169, був покладений в основу гіпотези про два полюси.

Цей гіпотетичний полюс назвали «полюс Сєдова», на відміну від «полюса Росса». Гіпотеза протрималася близько 15 років. Наступні масові спостереження радянських дрейфуючих станцій не підтвердили існування «полюса Сєдова». Однак вони виявили протяжну аномалію магнітного відміни. Починаючи від точки з координатами 86° пн. ш., 178° з. д. до «полюса Росса», магнітні меридіани сходяться пучком. Вісь аномалії приблизно паралельна підводному хребту Ломоносова, також відкритому на початку 50-х років полярниками за спостереженнями з дрейфуючих станцій.

Місце розташування Південного магнітного полюса було визначено значно пізніше Північного. Кілька експедицій, споряджених різними країнами, поставили собі за мету досягти Південного магнітного полюса.

Це виглядало, як солідне міжнародне підприємство, правда, з елементами суперництва і спортивного азарту.

На початку XIX століття вивчення земного магнетизму оформляється як самостійна область науки. Велику роль в цьому зіграли великі німецькі вчені Олександр Гумбольдт і Фрідріх Гаусс. Під час своїх подорожей в різних частинах Землі Гумбольдт зібрав цінні дані про елементи магнітного поля. Гаусс більш відомий як математик, але він багато і плідно займався також геофізикою, коли був директором Геттінгенської обсерваторії. Гаусс узагальнив наявні в той час матеріали магнітних спостережень і розрахував положення Південного магнітного полюса. Німеччина виявляла великий інтерес до геомагнітних досліджень: німці заснували «магнітне товариство», яке підтримувало роботи по земному магнетизму. Така постановка справи була викликана потребами мореплавання. Морська навігація вимагала вивчення магнітного схилення (кут між географічним і магнітним меридіанами), яке головним чином визначається взаємним розташуванням двох полюсів — географічного і магнітного.

Майже одночасно на початку 40-х років XIX століття Південного магнітного полюса прагнули досягти кілька експедицій – французька експедиція Дюмон-Дюрвіля, американська Чарльза Вілкса і англійська Джемса Кларка Росса (він став старше на десять років з часу відкриття ним північного магнітного полюса). Ці експедиції досить близько підійшли до мети, в ті місця, де магнітний нахил дорівнює 89°. У суворій Антарктиді подолати останній один градус виявилося далеко не просто. Південний магнітний полюс був відкритий багато років по тому, в 1909 році, трьома відважними дослідниками Т. Дейвідом, Д. Моусоном і С. Маккеєм в експедиції, якою керував Ернст Генрі Шеклтон.

Перед експедицією стояли завдання досягнення двох південних полюсів – географічного і магнітного. Експедиції Шеклтона залишалося 180 км до географічного полюса, що вже було рекордом, але підійти до самого полюса не вдалося.

Науковими роботами в експедиції керував відомий австралійський геолог Томас Еджуорт Дейвід, який взяв з собою улюбленого учня Дугласа Моусона. Моусон, як би зараз сказали, був геологом широкого профілю. Але в експедиції він займався в основному геофізичними та астрономічними спостереженнями. Моусон був у тій самій групі, що складалася з трьох осіб, яка повинна була відшукати магнітний полюс. Про те, що полюс рухається, в ту пору вже знали. Провівши на шляху проходження магнітні спостереження, Моусон прийшов до висновку, що полюс переміщається не на схід, як передбачалося, а на північний захід. Були внесені корективи в маршрут, завдяки чому група Дейвіда досягла магнітного полюса (72°25′ пд. ш., 155°16′ сх. д.).

В даний час вважається, що південний магнітний полюс знаходиться приблизно в районі 66° пд. ш. і 140° сх. д. Судячи по швидкості і напрямку його переміщення, передбачалося, що зараз полюс повинен знаходитися біля самого берега або навіть в морі.

Як знайти полюс

Спробуємо простежити, як мігрували полюси, використовуючи нечисленні прямі вимірювання. Північний полюс за 120 років перемістився більш ніж на 300 км на північний захід. Південний пройшов за цей же час ще більше: майже 1000 км і теж на північний захід. Ну, що ж, скаже читач, швидкість відома, напрямок теж — завдання шкільне! Не тут-то було! Завдання це поки що не вирішене! Справа в тому, що полюси рухаються нерівномірно по складній кривій.

Простежимо за траєкторією Південного магнітного полюса протягом 110 років. За перші 70 років полюс перемістився на північ приблизно на 3°, а наступні 40 років рухався на північний схід з подвоєною швидкістю. Таким чином, обчислити координати полюса по окремому відомому відрізку траєкторії далеко не просто. Але, можливо, протягом геологічних епох полюси рухаються по замкнутих траєкторіях? Тоді, встановивши циклічні закономірності, можна було б прогнозувати місцезнаходження полюсів. Таку пропозицію висунув магнітолог Н. Д. Медведєв. Він запропонував організувати міжнародну службу магнітних полюсів. У завдання такої служби має входити постійне вимірювання магнітного поля в районах магнітних полюсів, що вираховує і контроль їх положення.

Однак вирішальне слово належить палеомагнітологам. Це вони, вивчаючи залишкову давню намагніченість гірських порід, визначають структуру магнітного поля Землі у віддалені геологічні епохи. В основі палео- або викопного магнетизму лежить чудова властивість гірських порід: при застиганні розпечених лав вони сприймають і зберігають напрямок вектора геомагнітного поля тієї епохи. Подібною же властивістю володіє кераміка, що обпалюється, наприклад цегла. Досліджуючи намагніченість цегляної кладки старовинних будівель і вогнищ за допомогою археомагнітних методів, можна відновити напрямок геомагнітного поля в історичному минулому. Останнім часом архео- і палеомагнітологи навчилися визначати не тільки напрямок, а й інтенсивність «викопного» поля.

З’явилася реальна можливість відновити рух магнітних полюсів в далекому минулому. І ось з’ясувалося, що за 600 млн. років Північний магнітний полюс пройшов майже 90° від екватора до географічного Північного полюса по досить складній траєкторії. Здавалося б все добре і залишається тільки пояснити причину дрейфу магнітного полюса. Але справа в тому, що траєкторія полюса побудована за палеомагнітними даними тільки одного материка — Європи і Північної Азії. Спроби залучити результати вимірювань на різних материках (Америка, Австралія, Південна Азія) дали такий різнобій напрямків, що в деякі епохи рух полюса для різних материків виходив протилежним. Правда, згоди траєкторій можна досягти, якщо відповідним чином змістити материки зі своїх теперішніх місць…

Дрейф полюсів або дрейф материків

Отже, не пересунувши материки, неможливо однозначно відновити рух магнітного полюса в минулому. Цей факт – один з важливих геофізичних аргументів на користь теорії материкового дрейфу. Тут ми зачіпаємо животрепетну тему, яка, однак, виходить за рамки нашої розповіді.

Але, як відомо, рух материків настільки повільний, що протягом всієї історії людства не відбувалося скільки-небудь значного їх зміщення. У той же час помітні переміщення магнітного полюса були встановлені навіть з часу перших прямих вимірювань. Якщо переміщення материків відбувається приблизно зі швидкістю 2-3 см на рік, то сучасна швидкість переміщення магнітних полюсів 5-10 км на рік! Значить, швидкі сучасні зміщення полюса не можуть бути пов’язані з дрейфом материків, подібно міграціям палеомагнітного полюса, і ймовірно, викликані іншими причинами.

Як же так?! – адже мова йде про рух одного і того ж магнітного полюса, чому ж за останні 100 років він просунувся більше, ніж за стародавні десятки мільйонів років? Спробуємо розібратися.

Диполь або мультиполь

Ще в давнину земний магнетизм намагалися пояснити існуванням одного сильного магніту, поміщеного десь в надрах Землі так, що один його полюс знаходиться поблизу Північного, а інший поблизу Південного географічного полюсів. За найменуванням географічних полюсів, на які, як вважали моряки і географи, показує магнітна стрілка, були названі її кінці. Коли з’ясувалося, що магніти притягуються різнойменними полюсами, довелося констатувати загальновідомий зараз факт, що поблизу Північного полюса розташовується південний магнетизм, а поблизу Південного — північний. Очевидно, за традицією ми тепер продовжуємо називати магнітні полюси за їх географічним положенням.

Ще стародавні мореплавці помічали, що далеко не скрізь північний кінець магнітної стрілки вказує на північ. Цю властивість магнітного поля Землі (магнітне схилення) відкрив Христофор Колумб у своєму першому знаменитому плаванні. Незабаром моряки і сухопутні мандрівники почали систематично вимірювати схилення магнітної стрілки і відзначати на картах його величину. Проведені на картах магнітні меридіани перетиналися (в середньому) близько географічних полюсів в точках магнітних полюсів. Виявилося, однак, що далеко не всі меридіани проходять поруч з полюсом. Крім того, напрямок магнітних меридіанів сильно змінювався від точки до точки, і, на відміну від географічних, вони представляли собою досить звивисті лінії.

Стало бути, магнітне поле Землі не можна уявити полем одного магніту. Може бути, поле Землі не дипольне, а більш складне? Теоретично можна відокремити поле диполя від недипольної частини. Досить добре відповідає реальному поле диполя, дещо зміщене від центру Землі, вісь якого становить кут 11° с віссю її обертання.

Якщо основні, дипольні полюси дрейфують по незамкненій траєкторії вже півмільярда років, то недипольне поле, ймовірно, змінюється циклічно, хоча і з дуже великим періодом. Відомо, наприклад, що тепер магнітне поле Землі дрейфує зі сходу на захід зі швидкістю 0,2° на рік. З цим дрейфом, мабуть, і пов’язано сучасне швидке переміщення полюсів з південного сходу на північний захід. Але це ще не остання складність і загадка в поведінці магнітного поля Землі. Мало того, що воно змінюється в часі і просторі — воно ще змінює свою полярність! Це означає, що існували періоди, коли північний магнітний полюс був південним, а південний — північним.

Досліджуючи зразки стародавніх гірських порід і магнітні аномалії океанського дна, вчені підтвердили факт інверсій геомагнітного поля і час цих інверсій. Наприклад, близько 700 тис. років тому поле мало полярність, зворотну сучасній, а 2,5 млн. років тому — таку ж, як зараз. Ще раніше також виявляли інверсію поля. Крім того, на тлі тривалих епох певної полярності спостерігалися відносно короткочасні епізоди перемагнічування тривалістю в кілька тисячоліть. У сумі ж за останні 4,5 млн. років періодів з тією й іншою полярністю було приблизно порівну. Ось ці-то факти і змусили магнітологів відійти від гіпотези магнітного поля як поля одного або багатьох постійних магнітів і шукати інші причини земного магнетизму.

Все глибше і глибше…

Вже давно вчені сумніваються в можливості існування постійного магніту в центрі Землі через панівні там високі температури. Як відомо, при нагріванні постійного магніту до температури вище «точки Кюрі» його магнітний момент різко зменшується. Тому деякі вчені стали розробляти гіпотезу про джерела поля в холодній оболонці Землі – її корі. Проте значні зміни, які зазнає магнітне поле в часі, викликають серйозні заперечення проти цієї гіпотези. Проведені нещодавно вимірювання за допомогою штучних супутників Землі вказують на глибинне положення джерел поля.

Таким чином, думка про глибинні джерела отримала серйозну експериментальну підтримку. Примирити уявні протиріччя теорії та експерименту допомогло уявлення про глибинні електричні струми. Всередині Землі природа побудувала своєрідну електростанцію. Працює вона подібно звичайній динамо-машині з самозбудженням. Для початку роботи «земного динамо» необхідне слабке магнітне поле. Надалі індукований в «динамо» струм, а значить, і поле посилюються до деякої постійної величини. Ротор – тверда оболонка Землі – обертається щодо статора – земного ядра з деяким випередженням. Процеси на кордоні ядра і мантії є визначальними для роботи «земного динамо», а конвективні потоки речовини, що виникають в Землі під дією різниць температур та щільності, служать додатковим джерелом струму.

«Земне динамо» працює з перебоями в геологічних масштабах часу. Його функціонування залежить від багатьох параметрів, зміна яких порушує режим роботи динамо і тягне за собою коливання величини магнітного поля і, як наслідок, — міграцію полюсів.

В принципі, струм «в обмотках» земного динамо може текти рівно в обидві сторони, тобто північний і південний магнітні полюси можуть мінятися місцями. Отже, епізодична зміна полярності геомагнітного поля не суперечить принципам роботи «земного динамо». Цей же механізм може пояснити коливання магнітних полюсів близько деякого середнього положення. У свою чергу, середнє положення полюса має, згідно з цим механізмом, збігатися з полюсом обертання Землі. Мабуть, за 600 млн. років дрейф головного дипольного полюса дійсно відповідав в загальних рисах дрейфу географічного полюса. Останній же переміщається в результаті довгоперіодичних змін кута нахилу земної осі до площини екліптики.

Можна вважати, що в даний час ми знаємо найбільш ймовірні принципи генерації магнітного поля Землі, проте повної кількісної теорії земного магнетизму поки ще немає.

Погляд з космосу…

Отже, ми знаємо, як поводяться магнітні полюси на поверхні Землі в часі і просторі і де знаходяться джерела головного геомагнітного поля. А як все це виглядає з космосу? Як далеко від Землі космонавт може виявити геомагнітне поле і його полюси своїм магнітометром?

У Сонячній системі існує міжпланетне магнітне поле, напруженість якого приблизно в 10 000 разів менше земного. Земне поле має досить чітку межу на стороні, зверненої до Сонця («межа магнітосфери»). Космонавт, підлітаючи до Землі з боку Сонця, може по магнітометру визначити момент проходження цієї межі. На великих висотах магнітометр чутливий лише до дипольного геомагнітного поля, так як недипольна його частина, менша за величиною і протяжністю, швидко загасає з висотою. Якщо ж на цих висотах визначити положення магнітного полюса, то його проекція на земну поверхню і буде дипольним полюсом Землі. Дипольні полюси не збігаються з магнітними, вони розташовуються приблизно в точках з координатами 78° 5′ пн. ш., 69° 3′ з. д.; 78° 5′ пд. ш. і 110° 9′ с. д. Це — геомагнітні полюси. Здавалося б, що ці полюси, які на Землі і виявити-то не можна, представляють чисто абстрактний інтерес. Але це не так.

З геомагнітними полюсами пов’язана більшість явищ, що відбуваються в магнітосфері Землі. Наприклад, геомагнітні полюси контролюють захоплення частинок сонячної радіації магнітосферою Землі; на них центруються «зони найбільшої повторюваності та інтенсивності полярних сяйв» і т. д. Недарма геомагнітні полюси так цікавлять магнітологів. У цих точках організовані обсерваторії Туле (Гренландія) і Схід (Антарктида).

Вивчення геофізичних процесів на геомагнітних полюсах відіграє дуже важливу роль у космічних польотах. Оскільки магнітні силові лінії воронкою розходяться з геомагнітних полюсів, там відсутня небезпечна для космонавтів радіація, захоплена магнітним полем. При вильоті в космос через таку воронку можна зменшити заходи з радіаційного захисту космонавтів. Спостереження за магнітним полем на геомагнітних полюсах дають відомості про «погоду» в навколоземному космічному просторі, використовуються для діагнозу і прогнозу явищ в полях і частинках наших космічних околиць. Так вивчення потаємних глибинних процесів Землі зімкнулося з космічними дослідженнями.

Автор: Г. А. Фонарьов, кандидат фізико-математичних наук.