Магнитные секреты старинных кораблей

Магнитные полюса Солнца меняются местом друг с другом с регулярностью часового механизма — каждые одиннадцать лет. На Земле это проиходит гораздо реже. В последний раз земные магнитные полюса поменялись местами более полумиллиона лет назад. Ослабление его в последние полтораста лет может означать приближение глобальной катастрофы

Судовые журналы старинных кораблей подтверждают: магнитное поле Земли постепенно ослабевает

Ожидание катастроф лежит в человеческой природе. Начиная, как минимум, с библейских времен, наши предки ждали чего-то плохого: конца света, страшного суда, второго пришествия.

Компьютерное моделирование позволяет представить себе, как изменяется магнитное поле Земли при смене полярности. Прежде чем южный магнитный полюс станет северным, а северный южным, они оба на некоторое время исчезнут, или, что то же самое, их станет много. Credits Gary Glatzmaier, Paul Roberts

Речь вот о чем. Магнитное поле нашей планеты имеет довольно сложную форму, которую принято представлять в виде так называемого мультипольного разложения – то есть бесконечной суммы элементарных в определенном смысле слагаемых. Первое слагаемое в этой сумме называется монопольным, но для Земли (а также для любого другого известного нам космического тела) оно равно нулю. Попросту говоря, это означает, что всякая магнитная линия, начавшаяся на поверхности Земли, на поверхности Земли и заканчивается. Следующее по величине слагаемое – дипольное. Его создает два бесконечно больших по заряду магнитных монополя, расположенных бесконечно близко друг к другу, или кольцевой электрический ток бесконечно большой силы и бесконечно малого радиуса. Для Земли это слагаемое значительно больше всех остальных, потому что, как сейчас принято считать, ее магнитное поле создается вихревыми движениями жидкого земного ядра. Заряды в нем перемещаются не очень быстро, так что ток получается не очень большой, зато очень большой радиус. Но даже этот большой радиус мал по сравнению с радиусом Земли.

Это не означает, что дипольный момент обязательно самое большое слагаемое в этой сумме. При некоторых обстоятельствах он пропадает совсем. Так произошло, например, на Солнце пять лет назад. На протяжении почти целого года – с марта 2000 по февраль 2001 года – на Солнце не было ни северного, ни южного магнитного полюса, или, если формально считать магнитным полюсом то место, где магнитная силовая линия пересекает поверхность звезды или планеты параллельно ее радиусу, то их было одновременно как минимум по два. Магнитное поле при этом ведет себя в высшей степени беспокойно, и в среднем сильно ослабевает. Происходи нечто подобное на Земле, нас ждало бы много неприятностей: затяжная и необычно сильная магнитная буря сопровождалась бы ослаблением магнитного поля в среднем. Магнитосфера хуже справлялась бы со своей важнейшей для биосферы функцией – защищать ее от потоков заряженных частиц из космоса и с Солнца.

Но и на Земле нечто подобное время от времени происходит. Правда, гораздо реже, чем на Солнце. На Солнце магнитные полюса меняются местами каждые одиннадцать лет. На Земле в последний раз магнитные полюса менялись местами 740 000 лет назад. И есть некоторые указания на то, что настало время пережить это вновь. На протяжении последних ста пятидесяти лет магнитное поле Земли заметно ослабевает. Может быть, оно ослабевало и раньше, но теперь выяснилось, что в период с 1590 года по 1840-й оно менялось значительно медленнее. Об этом свидетельствуют старые судовые журналы, исследованные Дэвидом Габбинсом и его коллегами из университета города Лидс (отчет об их исследовании был опубликован в журнале Science. 2006. Vol. 312. No. 5775. P. 900-902)

Их идея заключалась в том, чтобы восстановить значение дипольного момента магнитного поля Земли во времена предшествовавшие 1837 году. Именно в этом году великий немецкий математик Карл Гаусс открыл способ непосредственного измерения дипольного момента. И с тех пор его более или менее регулярно мерили. Но до того представления людей о магнитном поле были самыми расплывчатыми. Оказалось, что выход есть. Старые моряки с большим вниманием относились к показаниям компаса. Во-первых, уже во времена позднего Средневековья было известно, что компас почти никогда не показывает точно на Север. Легендарный итальянский врач, поэт и астроном Джироламо Фракасто (Girolamo Fracastoro, 1478–1553) предложил даже самое древнее дошедшее до нас теоретическое тому объяснение: магнитную стрелку компаса притягивают огромные железные горы на севере Атлантического океана. Именно поэтому она никогда не смотрит точно на север. С тех пор моряки внимательно регистрировали, насколько показание компаса отличается от истинного направления на север. Проблема, правда, в том, что они редко могли проделать это с нужной точностью и часто ошибались.

Но в конце XVII века моряки обнаружили новую неожиданность: магнитная стрелка не только «смотрит» мимо полюса, она еще и не параллельна поверхности Земли. На северном магнитном полюсе стрелка компаса вообще встает вертикально (если, конечно, предоставить ее самой себе). Тогда справедливо полагали, что знание такого «наклонения» (как его принято называть) позволяет уточнять направление на север по показанию компаса. А Дэвиду Габбинсу оно позволило уточнить само отличие между направлением на север и показанием компаса. Но несмотря ни на что всех собранных данных было недостаточно для восстановления полной картины изменения дипольного момента до 1840 года. Однако их было достаточно для принципиального вывода: магнитное поле нашей планеты ослабевает с возрастающей скоростью. Возможно она испытала несколько скачков за это время.

В настоящее время, то есть в течение последних ста пятидесяти лет, дипольный момент магнитного поля Земли убывает примерно на 0,5% каждые 10 лет. Нетрудно посчитать, что эта компонента поля обратится в ноль через две тысячи лет. Возможно, это и есть момент начала следующей смены полюсов. Новые результаты Габбинса показывают, что эту оценку следует пересмотреть. Дипольный момент обратится в ноль примерно вдвое быстрее.

Исследованием изменения магнитного поля занимались в университете штата Калифорния, восстанавливая данные о силе магнитного поля по ориентации магнитных частиц в горной породе и в осколках глиняной посуды. Геофизик Гэри Глацмайер (Gary Glatzmaier) использует эти данные для моделирования процессов, происходящих глубоко под поверхностью Земли и участвующих в создании магнитного поля. Он считает, что новое исследование, выполненное в Англии, подтверждает его принципиальную идею о неравномерности изменения магнитного поля, которое может увеличиваться, уменьшаться или оставаться неизменной на протяжении неопределенного периода времени. Вполне вероятно, что предположение о линейном изменении дипольного момента между 1590-м и 1840 годом слишком грубое. В конце концов, совпадение резкого изменения скорости ослабления дипольного момента магнитного поля и открытия Гаусса выглядит немного подозрительно. С равным успехом можно допустить, что по большей части и в период 1590–1840 поле ослабевало примерно с той же скоростью, но в некоторые, относительно короткие промежутки времени оно не ослабевало, а наоборот быстро росло. Из-за этого средняя скорость оказалась в два раза ниже. Вполне возможно, что за 740 тысяч лет, прошедших с момента последней «переполюсовки» Земля не раз начинала этот процесс вновь, но потом возвращалась к исходному состоянию.