ГЕОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ЗЕМЛИ

 

 

Мы знаем о магнитном поле Земли (геомагнитном поле), что оно ориентирует стрелку компаса в направлении север-юг, благодаря ему совершены великие физические открытия, до сих пор геомагнитное поле используется для воздушной, водной, подводной и космической навигации.

Однако далеко не все знают, что геомагнитное поле оказывает очень глубокое влияние на геофизические, биофизические и экологические процессы на Земле. Оно сыграло выдающуюся роль в эволюции Земли, в происхождении и защите жизни на Земле.

Поэтому ниже будет рассказано об основных свойствах геомагнитного поля и о его влиянии на эволюцию нашей планеты.

Напряжённость геомагнитного поля невелика, на поверхности Земли она изменяется от 0.3 эрстед на магнитном экваторе до 0.6 эрстед на магнитных полюсах, которые, не совпадают с соответствующими географическими полюсами. Отклонение магнитных полюсов от географических в настоящее время достигает 2000-3000 км. Геомагнитное поле пронизывает все три оболочки Земли: литосферу, гидросферу и атмосферу, воздействует на живую и неживую природу, на все четыре царства природы: растительное, животное, минеральное и, конечно, человеческое. Магнитное поле Земли также оказывает существенное влияние на климат и погоду. Изменения его интенсивности могут привести к значительным колебаниям в температуре, в атмосферном давлении и в частоте выпадения осадков, а также к бурям, ураганам и другим стихийным бедствиям.

         Геомагнитное поле намагничивает все минералы и горные породы. Магнитную память о древнем геомагнитном поле сохраняют входящие в состав всех горных пород ферримагнитные минералы. Их естественная остаточная намагниченность появляется во время их образования и сохраняется полностью или частично до нашего времени. Оно также намагничивает почвы, оказывая заметное влияние на плодородие последних. Проведённые эксперименты показали, что подмагничивание почв в более сильных, чем земное, полях может ускорить рост растений. Этот любопытный факт прямой связи подмагничивания почв с их плодородием может иметь важное прикладное значение для сельского хозяйства.

Геомагнитное поле состоит из главного геомагнитного поля, источники которого находятся во внешнем электропроводящем ядре Земли, аномального, создаваемого намагниченными горными породами, и внешнего геомагнитных полей. Вклад главного геомагнитного поля составляет более 95%. В соответствии с общей теорией геомагнетизма Гаусса главное геомагнитное поле состоит из дипольной и недипольной частей. В первом приближении теории геомагнитное поле является полем диполя, наклоненного к оси вращения Земли на угол 10-12 градусов. Аномальное поле составляет около 3% геомагнитного поля, а внешнее, связанное с солнечно-земными взаимодействиями, – менее 1%. Измерения магнитного поля Земли выполняются на магнитных обсерваториях, магнитные съемки бывают сухопутными, водными, воздушными и спутниковыми.

Силовые линии и напряжённость геомагнитного поля  находятся в непрерывном изменении. Изменения (вариации) геомагнитного поля имеют периоды как в сотни и тысячи лет, так и от нескольких месяцев, до долей секунд. Кроме того, имеется тенденция смещения силовых линий геомагнитного поля на запад со скоростью 0.2 градуса в год (так называемый западный дрейф). Длиннопериодные вариации с периодом от 60 до 1800 и более лет называются «вековыми», короткопериодные  (с периодом меньше одного года) очень различны как по своим периодам, так и по своей природе. Источники вековых вариаций, по современным представлениям, находятся в ядре Земли, источники короткопериодных – в верхних слоях атмосферы, в ионосфере и магнитосфере. Интенсивность короткопериодных вариаций зависит от активности солнечно-земных взаимодействий.

На Земной поверхности существуют так называемые магнитные аномалии, напряженность которых существенно превышает среднее аномальное геомагнитное поле. Магнитные аномалии во многих случаях связаны с залежами полезных ископаемых. Таким образом, непосредственные измерения геомагнитного поля прямо связаны с поиском полезных ископаемых (включая алмазы) как на суше, так и на дне мирового океана.

Согласно современным представлениям, геомагнитное поле образовалось приблизительно через 1 миллиард лет после образования самой планеты Земля, возраст которой составляет около 4,5 миллиарда лет. В результате дифференциации вещества Земли возникла различные по физическим свойствам оболочки. В результате Земля состоит из земной коры, мантии, внешнего жидкого электропроводящего металлического ядра и внутреннего твёрдого ядра. Геомагнитное поле оказало влияние на эволюцию и свойства тела Земли, биосферу и человека. В последнее время было убедительно доказано, что у различных организмов – от бактерий до позвоночных – выявляются поведенческие реакции на изменения геомагнитного поля. Это свидетельствует о том, что геомагнитное поле воспринимается этими организмами и является существенным компонентом их среды обитания. Всё это в полной мере относится и к человеку. Ведь нам известно, как люди реагируют на изменения магнитной активности, многие люди очень чувствительны к магнитным бурям. Поэтому магнитное поле Земли имеет огромное экологическое значение. Более того, оно делает возможной саму жизнь на Земле.

Последнее связано с тем, что геомагнитное поле образует магнитосферу Земли, которая является природным барьером на пути солнечного ветра и космического излучения к поверхности Земли. Радиационные зоны магнитосферы захватывают и удерживают частицы высоких энергий солнечного и космического излучений за пределами атмосферы Земли. Магнитосфера простирается на расстояние порядка десяти земных радиусов (радиус Земли составляет 6371 км) в направлении Солнца и на расстояние порядка 1000 земных радиусов в противоложном направлении. Солнечный ветер представляет собой постоянный поток плазмы, состоящей из высокоэнергетических протонов, электронов, и небольшого количества ядер гелия, ионов кислорода, кремния, серы, железа и др., которые ежедневно с огромной скоростью приближаются к нашей планете. Скорости этих частиц у орбиты Земли достигают 350 и даже 700 километров в секунду, что в тысячи раз больше скорости звуковых волн в сухом воздухе.

         Итак, именно геомагнитное поле является одним из обязательных условий существования и развития жизни на Земле, потому что, как уже было сказано выше, оно, наравне с атмосферой, защищает Землю от пагубного разрушительного воздействия солнечного ветра и космических лучей. Более того, жизнь на Земле могла возникнуть только после дифференциации вещества Земли, возникновения ядра и, соответственно, геомагнитного поля. До появления геомагнитного поля поверхность Земли подвергалась непрерывному воздействию «стерилизующей» космической радиации, которая препятствовала началу биогенеза.

После возникновения жизни она миллиарды лет развивалась в присутствии различных геомагнитных явлений: магнитных вариаций и пульсаций разных периодов, магнитных бурь, полярных сияний. Ко всем этим магнитным эффектам живые организмы приспосабливались и эволюционировали таким образом, чтобы использовать их для улучшения своего существования.

Вспышки на солнце вызывают изменения интенсивности солнечного ветра, что в свою очередь является основной причиной возмущения геомагнитного поля и магнитосферы. А эти возмущения являются источником наиболее интенсивных геомагнитных сигналов на Земле – магнитных бурь и суббурь. Суббурей называется магнитная буря, имеющая локальный географический характер и меньший в сравнении с магнитной бурей «размах».  Всем известно, что магнитные бури вызывают у многих людей плохое самочувствие, связанное с повышением или понижением давления, и другие побочные эффекты. Учёные установили, что в состав человеческой крови и лимфы входят ионы железа, а, как известно, железо обладает магнитным моментом и способностью намагничиваться в магнитном поле. Может быть именно поэтому человек так чувствителен к любому, даже самому незначительному изменению интенсивности геомагнитного поля.

         Любопытно отметить ещё один факт. При использовании биомагнитных изображений учёным удалось показать, что частота «мозговых» волн человека охватывает диапазон геомагнитных микропульсаций и осцилляций геомагнитных бурь. Конечно, магнитное поле Земли более интенсивно, чем волны мозга, но вопрос о возможной реакции мозга на стимуляцию внешним магнитным полем остаётся открытым. Есть ещё много загадок, связанных с геомагнитным полем. Некоторые исследования показали, что навигация птиц, пчел и других представителей фауны тесно связана с направлением геомагнитного поля.

Следует обратить особое внимание на то, что прямые измерения геомагнитного поля в магнитных обсерваториях проводятся только на протяжении последних 400 лет. Полученных данных явно недостаточно для изучения вековых вариаций с периодами 600, 900, 1800 и более лет, а тем более для познания эволюции геомагнитного поля, которое существует не менее четырёх миллиардов лет. В связи с этим в середине 50-ых годов ХХ века был разработан так называемый палеомагнитный метод исследования древнего геомагнитного поля. Палеомагнитный метод основан на так называемой магнитной памяти горных пород: способности «запоминать» величину и направление древнего геомагнитного поля, в котором намагничивалась горная порода во время своего образования. Палеомагнитные данные получаются при «считывании» магнитной информации, которую несёт горная порода и датирования горной породы радиоактивными методами, позволяющее примерно определить возраст исследуемой породы (эпоху её образования). При изучении большого числа разновозрастных горных пород и обобщении полученной таким образом палеомагнитной информации была создана так называемая магнито-хронологическая шкала инверсий, указывающая нам, в какие геологические эпохи направление древнего геомагнитного поля совпадало с современным, а когда оно было ему прямо противоположно.

Палеомагнитные исследования показали, что изменяется не только интенсивность геомагнитного поля, но и знак. То есть, регулярно происходят инверсии (переполюсовки) магнитного поля Земли, при которых северный и южный магнитный полюса меняются местами. За последние 600 миллионов лет геологической истории инверсий насчитывается более тысячи.

Инверсии магнитных полюсов не являются отличительной особенностью нашей планеты. На Солнце смены полярности магнитного поля происходят регулярно, каждые 11 лет. Это является доказанным фактом в физике космоса. Инверсии магнитного поля Земли в среднем происходят с периодом около 1 миллион лет, а продолжительность инверсии составляет в среднем 5000 лет.

Описанные выше палеомагнитные исследования привели также к созданию так называемой концепции тектоники литосферных плит, согласно которой восстановленное по палеомагнитным данным (наблюдаемое) движение магнитных полюсов Земли трактуется как движение в противоположную сторону соответствующих блоков земной коры (континентов, литосферных плит и т.п.) при неподвижных магнитных и географических полюсах. Согласно концепции вся литосфера Земли состоит из 10-12 крупных плит, которые перемещаются относительно друг друга со скоростью от одного до десяти сантиметров в год. При масштабном раздвижении литосферных плит возникают океаны, при сжатии – горные массивы. Концепция объясняет современную структуру материков как следствие раскола древнего праматерика Пангеи и раздвижения его отдельных частей под действием силы вращения Земли. При раздвижении обломков Пангеи (современных материков) между ними образовались Атлантический, Индийский и др. океаны.

Кстати, учёные обнаружили интереснейший факт: на континентах слои с прямо и обратно намагниченными горными породами[1] чередуются вглубь по вертикали, а на океанском дне такое чередование происходит по горизонтали, по обе стороны от срединных океанских хребтов. То есть если по одну сторону от океанского хребта есть обратнонамагниченный слой горных пород, то по другую сторону океанского хребта есть такой же «слой-близнец», расположенный симметрично относительно хребта. Аналогично для прямонамагниченных слоёв. Это было установлено при исследовании аномального геомагнитного поля океана в окрестности подводных срединных океанских хребтов. Измерения показали, что по обе стороны подводного хребта наблюдаются симметричные системы положительных и отрицательных геомагнитных аномалий, источниками которых и являются прямо и обратно намагниченные слои подводных пород. Такую магнитную структуру дна мирового океана в рамках тектоники плит можно объяснить, связав образование в центрах срединных хребтов новых горных пород в результате магмоизвержений и их движение в стороны от хребтов с инверсиями геомагнитного поля. То есть, на осях подводных срединно-океанских хребтов в результате магмоизвержений происходит образование новой океанской коры, которая симметрично растекается в стороны. Эта кора намагничивается в действующем в эпоху её образования геомагнитном поле. Если после этого происходит инверсия геомагнитного поля, то следующий, образованный в результате нового магмоизвержения, слой океанской коры будет намагничен противоположно предыдущему. Отсюда такая интересная магнитная структура дна мирового океана, которая может образоваться, если наряду с инверсией геомагнитного поля происходит и расширение (спрединг) дна мирового океана.

Однако, следует отметить, что с точки зрения геомагнетизма концепцию тектоники литосферных плит нельзя считать окончательно научно обоснованной, так как все расчеты движения плит выполнялись при предположении, что магнитные полюса Земли неподвижны и совпадают с географическими. Однако, в настоящее время северный магнитный полюс смещен на 2000 км от географического, а южный магнитный – на 3000 км от южного географического. Кроме того, измерения показывают, что силовые линии магнитного поля непрерывно перемещаются по поверхности Земли, при этом изменяются и напряженность геомагнитного поля и положения магнитных полюсов.

Во время инверсий геомагнитного поля, продолжительность которых составляет тысячи лет, напряжённость магнитного поля близка к нулю. Как было сказано выше, в отсутствие геомагнитного поля деструктивные высокоэнергетические частицы солнечного ветра смогут достигнуть поверхности Земли и уничтожить всё живое. Конечно, в отсутствие магнитного поля частицы солнечного и космического излучений могут частично тормозиться в верхних слоях атмосферы и, при достижении поверхности Земли, частично терять свои разрушающие свойства. Но, тем не менее, магнитный барьер в верхней атмосфере отсутствует.

         Инверсии геомагнитного поля, в процессе протекания которых могут произойти непредсказуемые изменения в  живой и неживой природе на поверхности Земли, являются своеобразными революциями и могут оказывать огромное влияние на ход эволюции Земли. Значит ли это, что во время следующей инверсии геомагнитного поля на Земле исчезнет вся биосфера и прекратится всякая жизнь?...

Здесь следует упомянуть, что за время прямых измерений геомагнитного поля (последние 400 лет) ни одной инверсии мы пока не наблюдали. Все инверсии были восстановлены по косвенным признакам: измерениям магнитного сигнала древних горных пород. При этом предполагается, что этот магнитный сигнал остаётся неизменным в течение тысяч и миллионов лет со времени формирования и намагничивания горной породы в древнем геомагнитном поле и что он несёт нам информацию о величине и направлении древнего геомагнитного поля соответствующей геологической эпохи. Эти предположения не всегда выполняются. Помимо прочего в некоторых случаях благодаря своим физико-химическим свойствам горная порода намагничивается в направлении, обратном направлению намагничивающего поля, то есть прямо противоположно приложенному полю. Это необычное, но, тем не менее, реально встречающееся явление получило название самообращения намагниченности. В связи с существованием феномена самообращения, палеомагнитные данные, несущие информацию об обратнонамагниченных горных породах и трактующиеся как инверсии геомагнитного поля, требует более тщательной проверки.

Геомагнитное поле «пронизывает» все сферы жизни человека. Стоит ли говорить, что вся современная морская и воздушная навигация осуществляется при использовании компаса, который, как известно, всегда ориентируется по направлению юг-север. Конечно, помимо компаса при навигации  используются и геодезические измерения. А вот подводные лодки при движении ориентируются только на направление геомагнитного поля. Измерения геомагнитного поля также широко используются в сейсмологии в качестве предвестников землетрясений.

 

Список рекомендуемой литературы:

В.И. Трухин и др. Магнетизм почв. Ярославль, 1995.

В.И. Трухин, К.В. Показеев, В.Е. Куницын. Общая и экологическая геофизика, Москва, Физматлит, 2005.

Дж. Джекобс. Земное ядро, Москва, Мир, 1979.

Jacobs. Reversals of the Earth’s magnetic field. Cambridge, Cambridge University Press, 1994.

 

декан физического факультета МГУ профессор В.И.Трухин

аспирантка физического факультета МГУ Н.С. Безаева