3. Как изменялось магнитное поле Земли, и какие изменения претерпевает сейчас?

Земной магнетизм обусловлен действием постоянных источников, расположенных внутри Земли и испытывающих лишь медленные вековые изменения (вариации), и внешних (переменных) источников, расположенных в магнитосфере Земли и ионосфере. Соответственно различают основное (главное, ~99%) и переменное (~1%) геомагнитные поля.

Основное (постоянное) геомагнитное поле имеет сложную картину распределения. В первом приближении его можно представить полем диполя (эксцентричного, со смещением от центра Земли приблизительно на 436 км) или однородного намагниченного шара, магнитный момент которого направлен под углом 11,5° к оси вращения Земли. Отклонения действительного распределения геомагнитного поля от дипольного (нормального) называют магнитными аномалиями. В зависимости от интенсивности и величины занимаемой площади различают мировые аномалии глубинного происхождения, например Восточно-Сибирскую, Бразильскую и др., а также аномалии региональные и локальные (Курская). Последние могут быть вызваны, например, неравномерным распределением в земной коре ферромагнитных минералов.

Изучение магнитного поля Земли и составление карт всех его элементов играет важную роль для морской и воздушной навигации, в геодезии, маркшейдерском деле.

В океанической коре и осадочных породах можно проследить непрерывную хронику земного магнетизма. На огромных площадях океанического дна обнаружены магнитные аномалии, которые образуют систему параллельных полос чередующегося знака. Аномалии представляют собой как бы захороненную историю инверсий магнитного поля Земли. Полосы интенсивных положительных и отрицательных аномалий протягиваются вдоль океанических хребтов. Они образовались в результате подъема новой лавы и ее остывания в магнитном поле - нормальном или обращенном, смотря по тому, какое преобладало в то время. С 1838 г. напряженность магнитного поля Земли убывает приблизительно на 4% за столетие. Можно лишь предполагать, что и этот процесс свидетельствует о возможной смене полярности, инверсии. Последняя инверсия магнитного поля Земли произошла 700 тыс. лет назад. Хотелось бы отметить еще одну особенность магнитного поля Земли - его величина не остается постоянной. Это подтверждается археомагнитными данными. Остаточная намагниченность искусственных изделий (печных кирпичей, изделий из обожженной глины) является предметом исследования археомагнетизма. Оказалось, что примерно 6 тыс. лет назад он составлял 0,4 современного, 2,5 тыс. лет назад - 2,5 современного значения. В настоящее время магнитный момент Земли уменьшается, и через 2000 лет он может оказаться равным нулю, а в таком случае исчезнет магнитное поле Земли и все живое вновь окажется один на один с потоком космических лучей и солнечной плазмы.

Часть II. Влияние возмущений геомагнитного поля на жизнедеятельность человека

1. Магнитосфера Земли и ее роль в защите от космических излучений. Возмущения геомагнитного поля и солнечная активность.

Еще в средние века мореплаватели обратили внимание, что бывают дни, когда стрелка компаса вдруг начинает беспорядочно колебаться в продолжение нескольких часов и даже нескольких суток, делая компас совершенно непригодным для навигационных расчетов. Это явление моряки и окрестили магнитной бурей. Но только в XVIII в. французский астроном Лемонт заметил, что интенсивность и частота магнитных бурь тем больше, чем больше на Солнце пятен. Это стало первым открытием связи земных явлений с солнечной активностью.

Сейчас, когда космические аппараты непрерывно следят за «погодой» в космическом пространстве, мы уже хорошо представляем всю цепочку солнечно-земных связей, приводящих к магнитным бурям. По современным представлениям, основанным на исследованиях межпланетного пространства с помощью различных инструментов, магнитные бури происходят в результате взаимодействия высокоскоростных потоков намагниченной солнечной плазмы (протонов и электронов) с магнитосферой Земли. Поскольку температура верхних слоев атмосферы Солнца (корона) около миллиона градусов, атомы водорода и гелия (основные ее составляющие) приобретают такие громадные скорости, что при столкновениях выбивают друг у друга электроны и оказываются буквально «голыми». Благодаря этой так называемой «столкновительной ионизации» в короне Солнца остаются только «голые» ядра атомов — протоны и выбитые из атомов электроны. Эта смесь частиц и есть плазма. В результате многочисленных столкновений некоторые частицы развивают такие большие скорости, что им удается преодолеть притяжение Солнца и навсегда уйти в окружающее космическое пространство. Происходит как бы «испарение» протонов и электронов. Эти потоки плазмы, берущие свое начало в короне Солнца и двигающиеся в обычных условиях со скоростью около 300 км/с, и получили название «солнечный ветер». Солнечный ветер сравнительно недавно был обнаружен космическими аппаратами даже у самых границ Солнечной системы.

Когда плазма солнечного ветра встречает на своем пути магнитное поле Земли (как известно, оно напоминает поле плоского магнита), она, повинуясь законам физики, сначала сжимает магнитные силовые линии, а затем начинает обтекать Землю, как поток воды обтекает твердое препятствие. На обращенной к Солнцу стороне Земли граница обтекания устанавливается на расстоянии 10—12 радиусов Земли (примерно 70 тыс. км). На ночной стороне магнитное поле вытягивается в виде шлейфа, похожего на хвост кометы, до расстояний около 1000 радиусов Земли (примерно 6 млн. км). Вся эта область, в которой заключено магнитное поле и околоземная плазма, называется магнитосферой Земли.

Пока «дует» регулярный солнечный ветер со скоростью около 300 км/с, никаких возмущений в магнитосфере Земли не происходит, это так называемый геомагнитный «штиль». Но вот на Солнце появилась большая группа пятен, представляющая собой всплывшее из недр Солнца сильно намагниченное вещество (магнитное поле пятен в тысячи раз сильнее магнитного поля Земли). При случайном сближении пятен с различной магнитной полярностью происходит нечто похожее на гигантское «короткое замыкание» с выделением поистине космического количества энергии. Оно сравнимо с извержением 10 млн. вулканов или взрывом нескольких десятков водородных бомб. Астрономы называют это явление солнечной вспышкой.

Чаще всего вспышки происходят вблизи максимума 11-летнего цикла солнечной активности. До недавнего времени самыми мощными за 25 лет наблюдений были вспышки 16 августа 1989 г. и 2 апреля 2001 г. Они имели рентгеновский балл Х20. Однако 4 ноября 2003 г. произошла, по-видимому, самая мощная за всю историю наблюдательной астрономии вспышка в Х28 балла, энергии которой, как показывают расчеты, могло бы хватить для снабжения электроэнергией такого города, как Москва, в течение 200 млн. лет!

Учеными установлено, что во время вспышки происходит взрывное преобразование магнитной энергии пятен в энергию гамма-излучения, рентгеновского излучения и излучения в ультрафиолетовой и видимой областях спектра. Рентгеновское излучение от вспышек представляет реальную угрозу для космонавтов, находящихся в это время на околоземной орбите на Международной космической станции (МКС). Чтобы уменьшить дозу облучения, космонавтам обычно рекомендуют перейти в спускаемый аппарат, обшивка которого более надежно защищает от всех вредных излучений. В такие периоды также лучше отказаться от полетов на гражданских авиалайнерах, поскольку на высотах около 10 км, где проходят их трассы, можно получить довольно заметную дозу облучения.

В это время также происходит выброс высокоскоростных потоков заряженных частиц — электронов и протонов. Когда этот возмущенный солнечный ветер, несущий с собой магнитное поле, встречает на своем пути магнитосферу Земли, в месте контакта начинают происходить беспорядочные и порой очень сильные изменения напряженности магнитного поля Земли, что и составляет суть магнитной бури.

Поскольку скорость такого возмущенного солнечного ветра от вспышек колеблется в диапазоне от 500 до 1000 км/с, магнитная буря обычно начинается через сутки — двое после вспышки на Солнце. Именно столько времени требуется плазме, чтобы пройти 150 млн км от Солнца до Земли. Однако не всякая вспышка обязательно дает магнитную бурю. Как выяснилось, траектория движения выброшенного вспышкой вещества напоминает так называемую спираль Архимеда, в результате чего «геоэффективными» оказываются только вспышки, происходящие в западном полушарии Солнца в течение примерно пяти суток после прохождения активной области через центральный меридиан Солнца Оказалось, что довольно часто магнитные бури происходят и в такие периоды, когда на Солнце вспышки не наблюдаются. В середине XX в., когда за Солнцем велись только наземные наблюдения, эти факты ставили астрономов в тупик. К концу XX в., когда на искусственных спутниках Земли (ИСЗ) стали работать рентгеновские телескопы (с поверхности Земли такие наблюдения невозможны, поскольку земная атмосфера полностью поглощает рентгеновское излучение), было установлено, что временами на Солнце образуются громадные области, протяженностью в сотни тыс. км, где силовые линии общего магнитного поля Солнца, напоминающего магнитное поле Земли, попросту разорваны. Это приводит к тому, что заряженным частицам здесь значительно легче покидать Солнце, чем в областях с регулярным магнитным полем. Такие области, откуда непрерывно вытекают высокоскоростные потоки солнечного ветра, получили название «корональные дыры». Обычно они «живут» в течение нескольких оборотов Солнца (2, 3 и более месяцев) и на каждом обороте обязательно вызывают магнитные бури.