Вопрос 5

Строение магнитосферы земли

Магнитное поле Земли более сильное, чем у других присолнечных планет, но по своей величине очень мало. Оно в сотни раз слабее, чем поле между подковами обычного школьного магнита. Однако земное поле занимает огромный объем, простираясь на десятки тысяч километров от поверхности Земли. А так как энергия магнитного поля пропорциональна объему, то влияние земного поля на процессы в окрестностях планеты очень велико. Показано, что для создания наблюдаемого геомагнитного поля в центре Земли необходимо поместить гигантский цилиндрический магнит диаметром 200 км и длиной 4000 км. Ось земного магнита расположена под углом 11,5° к оси вращения Земли, поэтому магнитные полюса не совпадают с географическими. Со временем магнитные полюса меняют свое положение. Установлено, что северный магнитный полюс за сутки перемещается по поверхности Земли на 20,5 м, или 7,5 км в год, а Южный - на 30 м (11 км в год). Как у всякого магнита, магнитные силовые линии Земли выходят из одного полюса и через околоземное пространство замыкаются в другом полюсе. За счет этого явления около Земли создается магнитосфера.

Напряженность магнитного поля такова, что примерно в 90 тыс. км от Земли в сторону Солнца (что равно 14 радиусам Земли) оно уравновешивает «давление» солнечного ветра и его плазма начинает обтекать Землю. Так появляется фронт первой граничной поверхности Космос – Земля (магнитоотбойный слой), а под нею особое, образованное самой планетой, околоземное пространство. Солнечный ветер как бы огибает Землю и смещается на ночную сторону, вытягивая, в свою очередь, и магнитные силовые линии в этом же направлении. Деформация магнитных силовых линий связана с тем, что потоки солнечной плазмы несут с собой как бы «вмороженное» магнитное поле, которое и взаимодействует с магнитосферой Земли. Проникновение солнечного корпускулярного излучения к Земле приостанавливается, но не совсем, в 77 тыс. км от Земли в сторону Солнца в магнитопаузе. в которой напряженность в 10–20 раз больше, чем у первого фронта.

А есть ли у нас полная уверенность в том, что магнитное поле Земли постоянно существовало в течение всего периода ее жизни как планеты? Однозначно ответить на этот вопрос сейчас нельзя. Чтобы несколько приблизиться к его разрешению, ученые рассматривают изменение напряженности магнитного поля во времени. В последние годы возникла новая отрасль науки – археомагнетизм, занимающийся изучением величины и направления остаточной намагниченности, замеренной в образцах, взятых из печей (обожженных кирпичей и гончарной посуды). Во всех случаях, когда температура обжига достигала 800° С, т. е. превышала точку Кюри, имевшиеся в обожженной глине зерна магнитных минералов приобретали очень устойчивую во времени термоостаточную намагниченность. В 60-х годах геофизики Е. Телье и С. П. Бурлацкая исследовали термонамагниченность обожженных человеком образцов глины (время обжига установлено по археологическим данным). Это позволило построить кривую изменения напряженности геомагнитного поля за последние 5000–6000 лет. От наших дней в глубь веков магнитное поле плавно нарастает, достигая максимума примерно в начале новой эры. В тот период оно было в 1,5 раза больше современного. Затем поле начинает убывать вплоть до IV тыс. до н. э. Величина магнитного поля 5000–6000 лет назад была в 2 раза меньше, чем в настоящее время. Если двигаться еще дальше по шкале времени, то поле вновь начнет возрастать. Таким образом, нет сомнений в том, что основная дипольная часть магнитного поля Земли испытывает колебания, вероятно имеющие периодический характер. Спад геомагнитного поля до минимального значения происходит примерно за 2700 лет. а его восстановление – за 8700 лет, т. е. полный цикл составляет около 11 400 лет.

С помощью палеомагнетизма удалось установить одно интересное физическое явление, сопровождающееся резким и значительным по величине уменьшением напряженности магнитного поля. Изучение магнитных свойств геологического разреза горных пород показало, что в процессе осадконакопления северный и южный магнитные полюсы менялись местами (происходила инверсия знака магнитного поля). В некоторых геологических периодах было по нескольку инверсий магнитного поля. За последние 600 тыс. лет палеомагнитологи зафиксировали 12 эпох инверсии геомагнитного поля. Последняя инверсия магнитного поля на нашей планете отмечена в начале четвертичного периода, т. е. 500–800 тыс. лет назад. Считают, что в среднем поле одного знака существует не менее 500 тыс. лет.

К этим эпохам приурочиваются геологические, климатические, биологические изменения на Земле. Легко понять, что органической жизнью нашей планеты наступление инверсии магнитного поля воспринималось как грандиозная катастрофа. Ведь уменьшение напряженности магнитного поля в 3 раза должно вызвать пропорциональное увеличение уровня космической радиации на Земле. Уменьшение напряженности поля происходило на протяжении отрезка времени, измеряемого столетиями, в течение которых животному миру было необычайно трудно приспособиться к резкому увеличению космической радиации.

Недавно канадский ученый-геолог Я. Крейн предположил, что причиной массового вымирания организмов было не влияние радиации, а непосредственно снижение напряженности магнитного ноля в процессе изменения его полярности. В эволюции органического мира эпохи инверсии, возможно, представляли своеобразное «сито», сквозь которое происходил естественный отбор всего живого на Земле. Г. Н. Матюшин (1982) считает, что инверсия, происшедшая 250 тыс. лет назад, привела к появлению неандертальца, обладающего зачатками речи.

Магнитное поле, кроме того, и непосредственно влияет на организм. Семена растений, ориентированные зародышевой частью к южному магнитному полюсу, прорастали более энергично, проростки росли быстрее, чем в случае противоположной или поперечной ориентации. Восприимчивость растений к магнитным воздействиям иллюстрируется рядом других факторов: изгибание корешков и проростков высших растений, спорангиев низших грибов по направлению магнитных силовых линий, получившего название «магнитотропизма». Отмечено влияние магнитного поля на преобладание особей мужского или женского пола у некоторых двудомных видов, стимулирующее действие на рост культурных растений, подавление инфекции, например у пшеницы и ячменя, грибного и бактериального характера. Впервые возможность восприятия позвоночными животными магнитного поля установлена в 1855 г. русским ученым А. Т. Миддендорфом, предположившим возможность ориентации птиц по геомагнитному полю. Позднее аналогичное предположение было высказано и в отношение рыб; оказалось, что ампулы Лоренци скатов очень чувствительны к изменению магнитного поля, вертикально пронизывающего тело.

Но, пожалуй, самое поразительное явление природы в этом плане - это магнитобактерии Aquasptrillum magnetotaecticum, которые движутся по линиям поля напряжением 40-80 А/м со скоростью 7 мкм/с. Для этого подобные кокки и спириллы путем биоконцентрации формируют внутри себя цепочки кристаллов магнетита, составляющих около 4 % их массы. На дне моря их много (до 107 кл./см3). Причем в каждом из полушарий они движутся, не шевелясь, к своему полюсу. Так почти в планетарном масштабе «оживает» магнитное поле Земли. И, наконец, влияние этих бактерий на Землю: скопления биокристаллов погибших бактерий местами прослеживаются как залежи магнетита. Не исключено, что на Земле присутствует целая сеть подобных явлений.

Таким образом, жизнь на Земле существует в условиях естественного (земного) магнитного поля. Однако напряженность его не везде одинакова. На Земле есть области сильных магнитных аномалий, например в районах залежей магнетитовых и других руд, богатых железом, где напряженность магнитного поля зачастую превышает среднюю величину в 2-3 раза (район Курской магнитной аномалии – КМА).

Ныне выясняется, что стабильности защитной системы магнитосферы от космических излучений угрожает сам Человек. Вот лишь некоторые факты. В крупных городах (а их число непрерывно растет) напряженность магнитного поля в тысячи раз превышает естественную. Глобальный характер приобретает перераспределение силовых линий магнитного поля как внутри Земли (вследствие многочисленных горных выработок), так и на. ее поверхности (например, из-за воздействия линий высокого напряжения, общая протяженность которых оценивается в 40 млн км). Прямое воздействие на магнитосферу оказывают 30 млн. радио и телепередатчиков. К 2000 г. количество электромагнитной энергии, рассеиваемой в атмосферу электростанциями, радио- и телетрансдяционными станциями, линиями электропередач составило 0,01% солнечной радиации, а следовательно, является существенным экологическим фактором. А.Н. Дмитриев [1989] полагает, что наблюдаемое снижение высот полярных сияний - это тревожный сигнал о нарушении естественных процессов формирования магнитосферы. Эти опасения заслуживают самого пристального внимания.