Вам, земляне(Издание второе, переработанное)

К каким же выводам пришли магнитологи в итоге проведенных ими исследований? Оказалось, что за последние 8000 лет магнитное поле Земли изменялось периодически, со средним периодом 1200–1500 лет. Максимальной напряженности оно достигло в начале нашей эры. Трудно сказать, чем вызваны эти вековые колебания геомагнитного поля, так как общепризнанной теории земного магнетизма пока не существует. Возможно, что вековые колебания магнитного поля Земли вызываются наряду с процессами, происходящими в земном ядре, и внешними космическими причинами, например колебаниями солнечной активности.

Как бы там ни было, точно установлено, что геомагнитное поле подвержено не только вековым, но и гораздо более продолжительным и кардинальным изменениям.

Если верить палеомагнитным измерениям, то магнитные полюсы Земли непрерывно странствуют (рис. 19).

Рис. 19. Смещение геомагнитного полюса (по палеомагнитным данным).

Например, судя по данным, полученным в Африке, около 570 млн. лет назад северный геомагнитный полюс находился вблизи экватора, а затем постепенно переместился на север, к своему теперешнему местоположению. Более того, как это ни удивительно, магнитное поле Земли, по-видимому, многократно испытывало «переполюсовку» или инверсию. Говоря яснее, магнитные полюсы менялись ролями — северный становился южным, и наоборот.

Примечательно, что во время «переполюсовки», судя по остаткам ископаемых животных и растений, происходили резкие скачки в эволюции биосферы — исчезали одни виды животных, уступая место другим. Возможно, что эти скачки были вызваны временным ослаблением и даже исчезновением (перед очередной инверсией) того магнитного экрана, роль которого выполняет магнитное поле Земли. Когда оно существует и достигает значительной напряженности, магнитосфера становится ловушкой для солнечных корпускул и частиц, образующих космические лучи. Наоборот, во время инверсии, космическая корпускулярная радиация беспрепятственно достигает Земли и, возможно, губительно действует на генетический аппарат живых организмов, что ведет к их вырождению.

Мы живем «прикрытые» магнитосферой и радиационными поясами Земли. Но, как показывают измерения, за последние полтора века магнитное поле Земли стало заметно слабее. Если этот процесс будет продолжаться, то примерно через 2000 лет геомагнитное поле и вовсе исчезнет. Может быть, скоро наступит очередная инверсия геомагнитного поля, грозящая земной биосфере какими-то катаклизмами? Поставить такой вопрос, конечно, легче, чем дать на него определенный ответ: наши сведения по палеомагнетизму пока очень скудны.

Динамо-гипотеза и ее конкуренты

Что же все-таки порождает магнитное поле Земли? Почему мы вправе называть нашу планету исполинским магнитом?

Со времени В. Гильберта и до начала XX века господствовало убеждение, что где-то внутри Земли запрятан огромный естественный постоянный магнит, который и создает геомагнитное поле. Однако эта «гипотеза постоянного магнита» не выдерживает критики. Дело в том, что такие легко намагничиваемые материалы, как железо и никель, теряют свои магнитные свойства уже при температуре около 770 °C, а такую температуру Земля имеет на глубине 200 км. Так что ни о каком сильном постоянном магните, скрытом в Земле, говорить не приходится.

Происхождение геомагнитного поля пытались объяснить и по- другому: электрически заряженные частицы, находящиеся на поверхности Земли, при ее вращении, как и всякий электрический ток, порождают магнитное поле. Однако эта гипотеза явно несостоятельна: для создания наблюдаемого геомагнитного поля нужен круговой ток силой в 1 млрд, ампер. При этом на поверхности Земли существовало бы мощное электростатическое поле, чего в действительности нет.

Были предложены и другие гипотезы, также противоречащие твердо установленным фактам. В конце концов утвердилась так называемая динамо-гипотеза, в которой наша планета сравнивается с гигантской динамо-машиной.

Напомним принцип действия обычной динамо-машины. В простейшем случае между полюсами подковообразного постоянного магнита вращается виток проволоки. При пересечении магнитных силовых линий в витке возбуждается электрический ток, который создает собственное магнитное поле.

Допустим, что в раскаленном жидком металлическом ядре Земли создаются условия, благоприятные для конвекции, т. е. перемешивания вещества. При достаточной разности температур между центром ядра и его периферией конвективные движения могут стать весьма интенсивными. Предположим далее, что Земля первоначально обладала каким-то слабым магнитным полем. Тогда конвекционные перемещения железных масс в жидком земном ядре приведут к тому, что в нем возбудятся электрические токи. По мнению автора динамо-гипотезы, известного советского физика Я. И. Френкеля, впервые предложившего это объяснение в 1947 г., во вращающемся земном ядре конвекционные токи приобретают характер замкнутых вихрей. Магнитное поле этих вихрей и создает, по мнению Я. И. Френкеля, как общее геомагнитное поле, так и отдельные наиболее крупные его аномалии.

Хотя динамо-гипотеза в настоящее время победила всех своих конкурентов и признается наиболее правдоподобной, она не свободна от недостатков. Неизвестно, например, откуда взялось первоначальное магнитное поле, нужное для возбуждения электротоков в ядре. Далеко не очевидно, что земное ядро обладает высокой электропроводностью и имеет железо-никелевый состав (некоторые исследователи полагают, что в земном ядре немало силикатов). Непонятно, чем поддерживается на протяжении многих сотен миллионов лет работа земной динамо-машины. Предполагают, что для этого используется энергия радиоактивного распада тяжелых элементов внутри Земли или энергия, выделяющаяся при гравитационной дифференциации вещества Земли, т. е. при перемещении тяжелых масс к ее центру с «выдавливанием» легких масс наружу. Все это, однако, лишь предположения, пока что мало обоснованные. Таким образом, тайна земного магнетизма остается пока неоткрытой.

ЗЕМНАЯ КОРА

Изучая биосферу, геолог в своих выводах выходит за ее пределы в земную кору, которую он ошибочно представлял себе столетиями как кору застывания некогда расплавленной нашей планеты Земля и тщетно искал в течение нескольких поколений доказательства этого представления.

В. И. Вернадский

Геологическая деятельность атмосферы

Земная кора — объект непосредственных исследований. Она состоит из минералов и горных пород. Минералы — это природные химические соединения, обладающие определенными физическими и химическими свойствами. Что касается горных пород, то они представляют собой минеральные агрегаты, занимающие значительные объемы в земной коре.

Под земной корой находится астеносфера, сверху — воздушный океан нашей планеты — атмосфера. Напомним, что атмосфера — это смесь газов, называемая воздухом, в котором во взвешенном состоянии находятся мелкие жидкие и твердые частицы (аэрозоли). Основа воздуха — азот (около 78 %) и кислород (около 21 %). Примесь углекислого газа незначительна (0,03 %), более заметная доля (около 1 %) принадлежит аргону.

Такой состав имеют правда, нижние слои атмосферы. Выше 1000 км земная атмосфера состоит в основном из гелия, а выше 2000 км — из водорода.

Самый нижний, прилегающий к земной коре слой атмосферы называется тропосферой (рис. 20).

Рис. 20. Схема строения атмосферы. 1, 2 — облака разных типов; 3, 4 — полярные сияния.

Она содержит около 80 % всего воздуха и в ней совершаются все метеорологические процессы — образование облаков и туманов, выпадение дождя и снега, ветры и ураганы. Толщина тропосферы неодинакова. У полюсов Земли она равна 6–8 км, на экваторе 16–17 км. В тропосфере температура быстро падает с высотой (а в среднем 6 °C на километр). Так как в различных своих частях и на разных широтах тропосфера нагрета неодинаково, в ней постоянно происходит конвективное перемешивание воздуха — причина всех ветров и бурь.