Год науки и технологий 2021

Что будет, когда Северный и Южный полюсы поменяются местами?

Как можно узнать, что у Земли есть магнитное поле, ведь органам чувств человека оно не подвластно? У Романа Витальевича Веселовского есть ответ на этот вопрос. Наличие магнитного поля в определённом месте вычисляется с помощью компаса. Он был изобретён ещё до нашей эры в Китае и до сих пор активно используется. 400 лет назад у учёных было предположение, что стрелка магнитного компаса притягивается к некой Магнитной горе, которая находится на Северном полюсе. Магнитная гора интересовала всех, к ней хотели приблизиться и изучить её особенности, однако экспедиции достигли этих мест относительно недавно – около 200 лет назад. В 1831 году экспедицией Джона и Джеймса Россов был достигнут Северный магнитный полюс. Изучая фьорды Канадского архипелага, они добрались до той точки, где стрелка компаса показала ровно вниз, то есть вертикально, и это не ошибка. Обычные компасы ориентируются только в горизонтальной плоскости – измеряют магнитное склонение, но специальные приборы, способные ориентироваться в вертикальной плоскости, вычисляют магнитное наклонение. Его можно измерить и в домашних условиях: подвесить магнитную стрелку на ниточке и дать спокойно сориентироваться в пространстве. Таким образом, магнитный полюс определяется магнитным наклонением: на Северном полюсе стрелка компаса будет смотреть вертикально вниз, а на Южном – вверх. Южный полюс был достигнут экспедицией Джеймса Росса в 1839-1843 годах, но мореплаватели не смогли добраться до точного места, где он располагался: до заветной точки не хватило около 200 километров. В 1843 году Джеймс Росс математически вычислил местоположение Южного магнитного полюса, с этого времени стали известны точные координаты обоих полюсов.

Издавна люди заметили, что если на долгое время положить компас на одно место и не давать ему двигаться, то его стрелка изменяет своё направление. Сейчас это называется дрейфом магнитного поля. За несколько лет можно заметить, что стрелка значительно меняет своё направление, следовательно, то место, куда она показывала, перемещается, то есть магнитный полюс перемещается в пространстве с течением времени. Сложно ожидать от инертной на первый взгляд Земли настолько быстрый дрейф магнитного полюса – за последние 20 лет он пробежал расстояние около 1000 километров. За каждый год магнитный полюс в среднем пробегает около 50 километров.

В дискуссиях об изменении магнитного поля родились вопросы: «Откуда берётся магнитное поле? Что является источником магнитного поля у Земли?» Физик Уильям Гильберт предположил, что Земля – это однородно намагниченная сфера. Эта гипотеза основывалась на том, что магнитная сфера, как и магнитный брусок, создаёт вокруг себя магнитное поле той же конфигурации, что мы наблюдаем посредством измерения магнитного поля компасом. Концентрические силовые линии магнитного поля нельзя увидеть, их возможно определить с помощью специального прибора. Эти линии имеют такую же конфигурацию, что и у магнитного диполя (прим. ред. диполя - маленького плоский витка с током; размеры витка намного меньше расстояния, на котором наблюдается его магнитное поле). Однако дальнейшие исследования показали, что Земля не может быть однородно намагниченной сферой, поэтому следующим направлением в исследовании магнитного поля нашей планеты был поиск механизма внутри Земли, генерирующего магнитное поле по принципу катушки с током, поскольку она создаёт такие же по конфигурации силовые линии. Если смотреть на внутреннее строение Земли, внешнее ядро планеты – единственная её часть, которая находится в жидком состоянии; следовательно, от него можно ожидать быстрых изменений и процессов. Течение вещества во внешнем ядре происходит буквально на наших глазах, поэтому, возможно, генерация магнитного поля происходит именно в нём. Два главных условия существования магнитного поля на Земле: её быстрое вращение вокруг своей оси и конвекция (прим. ред. конвекция - это явление переноса теплоты в жидкостях или газах, или сыпучих средах потоками вещества) во внешнем ядре. В результате кристаллизации внутреннего ядра, его увеличения и роста выделяется большое тепло, передающееся веществу внешнего ядра, оно подогревается и в нем происходит тепловая конвекция. Эти особенности были выявлены с помощью численного моделирования магнитного геодинамо (прим. ред. геодинамо - это эффект самогенерации магнитного поля при определённом движении проводящей жидкости) Земли.

Магнитное поле фиксируется на протяжении нескольких сотен лет, а что было до этого – неизвестно. Одна из наиболее неисследованных особенностей магнитного поля – это переполюсовка, или инверсия. Два года назад в СМИ по поводу инверсии поднялся шум, эта тема привлекла большое внимание. Поскольку Северный полюс перемещается очень быстро, это может являться скорым предвестником переполюсовки магнитного поля. Помимо того, что быстро перемещается магнитный полюс, ещё и напряжённость магнитного поля сильно падает. Длина магнитного поля измеряется магнитометрами, она и характеризует его напряжённость. Её показатели показывают, что магнитное поле стало резко сокращаться, если так пойдёт и дальше, то, чисто теоретически, через тысячу лет магнитное поле может исчезнуть. Эти смелые предположения взволновали общество. Инверсия магнитного поля действительно существует. Эти процессы наблюдались в прошлом: последняя инверсия магнитного поля произошла 780 тысяч лет назад. Всего за историю Земли мы знаем несколько сотен, если не тысяч инверсий магнитного поля. За последние 5 млн лет произошло 20 инверсий. Следовательно, инверсия – это такое свойство магнитного поля, которое мы должны учитывать в своих моделях, уметь прогнозировать её в будущем и изучать её влияние на живые организмы. Об инверсии стало известно благодаря так называемому дну океанов. В 50-е годы двадцатого века было доказано, что дно океанов расширяется, и при внедрении магматических пород в срединно-океанических хребтах формируется запись магнитного поля Земли на тот момент, когда вводились эти магматические породы. Эти записи показывают неоднократные инверсии на Земле, к тому же по ним можно определить, что инверсии происходили нерегулярно. Кроме того, интервалы времени, когда Земля имела одинаковую полярность, имели совсем разную продолжительность: от нескольких десятков тысяч до десятков миллионов лет. Из этого следует интересный вывод: мы не знаем, когда произойдёт следующая инверсия.

Магнитное поле детально изучается последние 100 лет, что представляет собой момент для геологической науки, однако непонятно, как оно выглядело в момент появления Земли. Реконструкцией вида магнитного поля несколько миллионов или даже миллиардов лет назад занимается специальная наука – палеомагнитология. Магнитные минералы, наиболее часто встречающийся из них в природе – магнетит, или магнитный железняк, фиксируют и хранят магнитный сигнал. Если горная порода после своего образования не нагревается, не деформируется и не испытывает химических превращений, то она может записать, сохранить и донести до наших дней сведения о магнитном поле Земли в прошлом вплоть до 4 млрд лет. Палеомагнитология занимается считыванием информации с этих горных пород. Самый яркий выход из палеомагнитных исследований – восстановление облика Земли в прошлом. Это важно для того, чтобы спрогнозировать положение континентов в будущем. Пангея Проксима, объединяющая практически все континенты, – модель внешнего облика Земли через 250 млн лет. Детально реконструировать магнитное поле можно с помощью археомагнетизма, то есть артефактов – черепков, обожжённой керамики. В них присутствуют магнитные материалы, поэтому, выпилив из этих артефактов кубики, можно считывать с этих предметов магнитную информацию, реконструировать поведение магнитного поля в прошлом с точностью до определённого возраста этой керамики.

Биомагнетизм – особое направление науки. Человек не может осязать магнитное поле, но, как выяснилось, у многих мигрирующих представителей биосферы – рыб, птиц, бабочек, китов, дельфинов – имеются такие рецепторы, они ощущают его. Например, у голубей в ухе обнаружены клетки, которые особым образом определяют направление магнитного поля земли. Такие же клетки есть у рыб и других перечисленных ранее животных. Даже такие простейшие одноклеточные вещества, как магнитотактические бактерии, могут ориентироваться по магнитному полю Земли.

Палеомагнитолог из Калифорнийского университета Джо Киршвинг интересуется тем, может ли всё-таки человек распознать магнитное поле. Он посадил себя в кольца Гельмгольца, которые могут создавать магнитное поле определённого направления и напряжённости в определённом объёме пространства, надел много датчиков и попытался найти в себе шестое чувство – способность определять магнитное поле Земли. Киршвинг предположил, что у некоторых людей есть этот дар. Например, у своего студента, которого он посадил за эту установку, он не нашёл его, а у себя что-то обнаружил: при изменении магнитного поля в мозге учёного что-то шевелилось. Джо Киршвинг продолжает эксперименты, может быть, это выльется в новое научное открытие.