Загадки магнитного поля

Это было соблазнительным предположением. Оно очень просто объясняло бы, почему все другие планеты тоже должны иметь магнитные поля. И в самом деле, изучение других планет Солнечной системы показало, что магнитные поля у них есть. Но, по Эйнштейну, сила этих полей должна была бы возрастать с их массой. И при первом взгляде на Юпитер мы видим, что это вроде бы действительно так: магнитное поле Юпитера в 50 раз больше земного (правда, оно почему-то направлено в противоположную сторону относительно оси планеты). Но вот у Сатурна поле почти такое же, как у Земли, хотя и он много массивней, чем она. А у Урана и Нептуна (которые тоже больше Земли) поле меньше земного. У Меркурия оно в 100 раз меньше земного, у Марса – в 500 раз меньше, а у Венеры поля нет совсем.

Загадочный разброс. Небольшая Земля со своим большим магнитным полем выглядит на этом общем фоне особенной. И мы знаем, что это поле действительно помогло ей стать особенной – единственной носительницей жизни в Солнечной системе. Именно это большое магнитное поле только и способно было защитить жизнь на Земле от того губительного потока заряженных частиц, который непрерывно испускается Солнцем и который при отсутствии такого поля не дал бы этой жизни даже появиться. Но почему такое же поле не появилось у Марса и Венеры, очень сходных с Землей по физическим параметрам?

Как бы то ни было, этот разброс делает гипотезу Эйнштейна весьма сомнительной. А последующее изучение магнитных свойств элементарных частиц и вообще показало, что его исходное предположение было неверно. Неверным оказалось и предположение другого Нобелевского лауреата, английского физика Блекетта, который искал источник земного магнитного поля во вращении Земли (эту теорию – сам, видимо, того не зная, «воскресил» в наше время некто Владимир Данилов в своей статье «Природа магнитного поля».

Выдвигались (и выдвигаются по сей день) также многие другие гипотезы (циркуляция ионов в соленой воде океанов и т.п.), но победила в этом «сражении идей» т.н. «теория динамо», выдвинутая в 1946/7 гг. выдающимся американским ученым Уолтером Эльзассером, выходцем из Германии. Два слова о нем. Это был человек с интересной научной биографией. До того, как заняться геофизикой, он успел внести заметный вклад в квантовую теорию (ему, в частности, принадлежит предсказание «островков устойчивости» в ряду трансурановых элементов), потом переключился на геофизику, а последние 40 лет жизни - он умер ровно четверть века назад - посвятил биологии, в которой тоже выдвинул ряд оригинальных идей. (О трудном пути этого еврея в немецкой физике 1920-х годов есть интересный рассказ в интернет-журнале Евгения Берковича "Семь искусств".

Да, так вот о «теории динамо». Идея Эльзассера восходила к давним опытам Эрстеда, Ампера и Фарадея, в которых было показано, что ток, идущий в проводнике, порождает вокруг него магнитное поле; магнитное поле, в свою очередь, может воздействовать на движение носителей тока в проводнике; и поэтому, если вращать металлический диск в магнитном поле, в этом диске может возникнуть электрический ток. И так далее.

Внутри Земли есть «проводник» - это расплавленное окружение ее ядра, то, что называют «внешним ядром», которое содержит жидкие металлы (преимущественно железо); это ядро вращается (благодаря вращению Земли); а внутреннее ядро планеты непрерывно передает энергию в жидкость внешнего ядра, что создает в этой жидкости движение заряженных частиц, т.е. ток.

Откуда берется энергия? Ну, тепло, необходимое для поддержания внешнего ядра в жидком состоянии, поставляют ему, во-первых, распад радиоактивных веществ, находящихся во внутреннем ядре (в основном, соединений урана и тория), во-вторых, тепло, выделяющееся внутри Земли при торможении ее внешних слоев относительно внутренних за счет тяготения Луны (т.н. приливные взаимодействия). Кстати, такие крупные спутники есть у планет-гигантов, но отсутствуют у Марса, Венеры и Меркурия, что хорошо согласуется с малостью или отсутствием у них магнитных полей.

Еще две добавки тепла внешнее ядро получает за счет интересного процесса, происходящего на границе с внутренним ядром. Поскольку внутренне ядро отдает наружу тепло радиоактивного распада, оно само охлаждается, и поэтому непосредственно прилегающий к нему жидкий нижний слой внешнего ядра затвердевает и кристаллизуется. За счет затвердевания этой слой отдает в более высокие слои внешнего ядра свою теплоту плавления. Кроме того, при затвердевании этот слой становится частью внутреннего ядра и за счет этой добавки давление во внутреннем ядре возрастет, и оно сжимается, а, сжимаясь, отдает наружу, во внешнее ядро, часть своей потенциальной энергии (так камень, падая, выделяет потенциальную энергию, которая может произвести полезную работу).

Главное, однако, состоит в том, что по мере затвердевания нижнего слоя внешнего ядра находящиеся в этом слое легкие химические элементы (сера, кислород, кремний) всплывают в более высокие слои внешнего ядра и это всплывание производит непрерывное перемешивание жидкого железа во внешнем ядре. Эта конвекция, т.е. передача тепла посредством движения вещества, очень важна. Расчеты показывают, что если бы магнитное поле Земли возникало лишь за счет проводимости электронов железа, оно сошло бы на-нет за каких-нибудь 20 тысяч лет, в силу сопротивления (по закону Ома).

Теперь - несколько цифр для оценки масштабов всех этих явлений. Сейсмические измерения показывают, что затвердевание слоев происходит довольно быстро: масса внутреннего ядра увеличивается на 6000 тонн каждую секунду. Но объемы внутри Земли так огромны, что за то время, которое прошло с начала этого процесса (а по последним оценкам, опубликованным в июле 2015 года группой Джона Тардуно из США, он начался, как минимум 4.2 млрд лет назад), затвердело лишь 4% внешнего ядра. Так что этого динамо хватит еще на много миллиардов лет.

По тем же оценкам (полученным с помощью измерений магнетизма древнейших скал в Австралии) за эти 4.2 млрд лет магнитное поле Земли колебалось в пределах от 12 до 100% от сегодняшнего. Кстати, эти вариации продолжаются и сегодня, вызывая порой панические слухи о том, что «магнитное поле Земли грозит вот-вот исчезнуть». Теперь вы видите, насколько основательны эти слухи. Столь же нелепы страхи перед «переворачиванием магнитных полюсов»: изучение древнего магнетизма, подобные исследованиям Тардуно, показали, что такие явления происходят очень давно и без всяких последствий.

Итак, со времен Эльзассера геофизика получила удовлетворивший ее ответ на вопрос о происхождении магнитного поля Земли: оно возникает за счет самовозбуждения, как в динамо-машине. При температуре в несколько тысяч градусов проводимость жидкого железа во внешнем ядре достаточно высока, чтобы – при наличии его конвективного движения и даже самой слабой исходной намагниченности - породить электрические токи, способные, по законам электромагнитной индукции, создать новое магнитное поле, усиливающее исходное. Это усиление будет происходить до тех пор, пока потери на сопротивление его не остановят, переведя процесс в стационарное состояние. Это главное; детали (роль силы Кориолиса, вихревой характер движения проводящей жидкости, «захват» магнитных линий, возникновение кольцевых токов и т.д.) сути дела не меняют.

«Теория динамо» объяснила не только появление магнитного поля у Земли, но и его отсутствие или малость у Венеры, Марса и Меркурия, которые, судя по их физическим параметрам, не имеют достаточно большого, способного к конвекции жидкого металлического ядра (в отличие от планет-гигантов, у которых оно, видимо, есть). С помощью этой теории удалось объяснить также магнитные поля у Солнца и звезд. Здесь тоже самоусиливающиеся токи порождают вторичное магнитное поле дипольного характера (т.е. подобное полю магнитной полоски с двумя полюсами), которое сменяет собою начальное («зародышевое») поле.

Но у звездного динамо есть важное отличие от земного: земное динамо возникает в очень вязкой жидкости внешнего ядра, а звездное – в высоко подвижной (близкой к газу) плазме. За счет такой подвижности отдельные объемы плазмы с захваченными в ней «местными» магнитными полями могут выноситься на поверхность звезды и создавать там места высокой концентрации магнитных полей – то, что у Солнца мы называем «пятнами». В этих местах силовые линии магнитного поля поднимаются над поверхностью звезды и разгоняют тамошние электроны до чудовищных скоростей; а потом выход этих электронов в корону разогревает ее до миллионов градусов и вызывает выброс «факелов» вещества.

Итак, «теория динамо» успешно объясняет многие загадки планетарных и звездных магнитных полей. Но – не все, как о том свидетельствуют трудности, с которыми она столкнулась недавно. В 2012 году появились новые расчеты, показавшие, что проводимость в жидком внешнем ядре Земли должна быть втрое больше, чем считалось ранее. Это означало бы, что роль проводимости в земном динамо выше, чем роль конвекции, а это, в свою очередь, приводило к выводу, что первоначальный эффект самоусиления не мог быть достаточно большим и магнитное поле ранней Земли должно было оставаться очень малым. Но этот вывод противоречит упоминавшимся выше палеомагнитным данным Тардуно.

Возникшее противоречие побудило геофизиков к новым расчетам. В 2015 году было показано, что при тех высоких температурах, которые царят во внешнем ядре, сопротивление току оказывают не только столкновении электронов с ядрами атомов, но и друг с другом. С учетом этого проводимость внешнего ядра стала несколько иной, но все еще недостаточной для устранения противоречия. Однако затем проведенные группой Хирози прямые измерения проводимости листка металла в условиях экстремальных давлений и температур не обнаружили такого вида сопротивления и, напротив, показали даже, что проводимость при повышении температуры лишь возрастает. Компенсировать этот эффект могло бы дополнительное тепло, приходящее во внешнее ядро, но это требует принять, что во внутреннем ядре ранней Земли было много больше радиоактивных веществ, чем считается сейчас.

Короче, геомагнитодинамика вошла в некий тупик, из которого пока не видно выхода, и кое-кто уже поговаривает о возможной необходимости пересмотреть теорию динамо. Снова всплыли альтернативные гипотезы и в геофизике наступили, как говорится, интересные времена. Чем сердце успокоится, мы узнаем нескоро. Но чем-то успокоится, это точно.

Рафаил Нудельман
"Окна", 26.5.2016