К вопросу об инверсиях магнитного поля Земли

9

К вопросу об инверсиях магнитного поля Земли

Нет сомнений, что происхождение магнитного поля Земли связано с ее вращением. Однако ось магнитного поля Земли не совпадает с осью вращения. Координаты северного полюса: сев. шир. = 75,7 град; зап. дол.=101,5 град, а координаты южного полюса: южн. шир. = 65,5 град.; вост. дол. =140,3 град. Угол между осью вращения и осью магнитного момента Земли в настоящее время составляет около 11,5 град., а минимальное расстояние между ними равно 436 км. Кроме того, и это самое удивительное, магнитное поле Земли в прошлом многократно изменяло свою полярность.

Отсутствие магнитного поля в период смены полярности представляет существенную угрозу для человечества, поэтому знание законов формирования и эволюции магнитного поля Земли имеет огромное значение.

Любое магнитное поле обусловлено наличием соответствующего тока. Рассмотрим возможные естественные источники токов, способных формировать геомагнитное поле.

Одним из таких источников являются сосредоточенные электрические заряды, вращающиеся вместе с Землей. Это грозовые заряды, формирующиеся в атмосфере Земли и на ее поверхности, образуя, так называемый, «глобальный конденсатор». Магнитное поле в этом случае создается благодаря разнице радиусов вращения равных разноименных зарядов. Это поле является флуктуирующим, как во времени, так и в пространстве; при этом усредненные характеристики достаточно стабильны, а создаваемое поле не меняет поляризацию.

Еще одним источником магнитного поля Земли являются природные магнитные моменты некоторых атомов, молекул и кристаллов. Эти природные носители магнитного момента в естественных условиях распределяются хаотичным образом, так что суммарное поле создаваемое ими равно нулю. Однако, при вращении вместе с Землей эти элементарные носители формируют вторичное постоянное магнитное поле. Рассмотрим два атомарных магнитных диполя, находящихся в непосредственной близости, параллельных и противоположно направленных. В этих условиях они создают суммарное поле, практически равное нулю. Придадим диполям вращательное движение вокруг произвольной оси, параллельной осям диполей. Не трудно убедиться, что в этом случае орбитальные моменты электронов обоих атомов, получат некоторое приращение. Момент, орбитальный ток которого направлен одинаково с дополнительным вращением, получит положительное приращение, а момент другого атома получит отрицательное приращение. В этой ситуации суммарное приращение удваивается, и формирует суммарное, отличное от нуля магнитное поле с направленностью, определяемой направлением дополнительного вращения. Известно, что магнитный момент атомов приблизительно на 95% формируется за счет спиновых составляющих элементарных частиц, и лишь на 5% за счет орбитального движения электронов. Но именно благодаря тому, что орбитальный момент создается электрическим зарядом одного знака, становится возможным рассмотренный эффект. Аналогичный эффект для спиновой составляющей всегда равен нулю, т.к. спины электронов и протонов равны по величине и противоположны по знаку.

Магнитные моменты носителей, произвольно ориентированных относительно оси дополнительного вращения, также будут создавать вторичное поле, но с меньшей амплитудой, определяемой величиной проекции. Назовем поле, создаваемое этим эффектом, вторичным полем вращения или макроорбитальным.

Макроорбитальное поле вращения вызывает следующее вторичное явление: эффект Барнетта. Суть эффекта в том, что твердое тело, состоящее из ферромагнетика, после вращения приобретает остаточную намагниченность. Эффект особенно хорошо проявляется, если намагничивание вращением производится при температуре близкой к точке Кюри, а тело затем охлаждается.

Хорошо известно, что остаточная (наведенная) намагниченность ферромагнетиков создается также сторонним постоянным внешним полем.

Перечисленных выше естественных источников магнитного поля, вполне достаточно для адекватного описания процессов инверсии геомагнитного поля. Ниже это будет продемонстрировано. Однако, сложившиеся стереотипы о процессах намагничивания сплошного и однородного сердечника в катушке с током, который постепенно стал универсальной используемой моделью, стали преградой для понимания реальных и несколько более сложных геофизических процессов. Вследствие этого реальный процесс формирования геомагнитного поля остался незамеченным. Это можно утверждать, т. к. данный процесс нигде не описан и не обсуждается.

Создавшаяся ситуация способствует возникновению различных экзотических теорий, основанных на целом ряде произвольных допущений, которые, как правило, нельзя проверить. К таким теориям относится самая распространенная гипотеза - гипотеза природной динамо-машины, сокращенно: геодинамо или ГД. Эта гипотеза весьма сомнительна в плане реализации необходимых условий самовозбуждения: автономное вращение заряженного ядра Земли, или замкнутые вращающиеся потоки заряженного вещества в центре Земли, которые существуют миллионы лет, а затем вдруг, независимо от вращения Земли, меняют направление вращения. Гипотеза геодинамо никаких идей по поводу смены направления вращения не предлагает.

Процесс формирования магнитного поля Земли. Рассматривая естественные источники геомагнитного поля каждый в отдельности и в отрыве от эволюционных процессов, происходящих с Землей, невозможно объяснить многократные инверсии результирующего магнитного поля.

Рассмотрим формирование поля с учетом комплекса обстоятельств, возникавших и возникающих в процессе эволюции Земли.

Для начала обратимся к характерной зависимости природного магнитного момента ферромагнетика от температуры, зависимость приведена на рис. 1.

Из схемы видно, что при намагничивании ферромагнитного образца при температуре близкой к точке Кюри, (область отмечена стрелкой), после охлаждения образца поле остаточной индукции может в несколько раз превысить внешнее поле намагничивания (экспериментальный факт). В этом случае позволительно приведенную зависимость рассматривать как косвенную характеристику природного параметрического усилителя магнитного поля намагничивания. Для удобства изложения назовем эту область «особой».

Рассмотрим теперь систему, состоящую из петли замкнутого постоянного тока, которая плотно охватывает тонкое цилиндрическое кольцо из ферромагнетика внутри петли. Поле индукции кольца ферромагнетика усилит поле катушки снаружи системы и ослабит поле внутри кольца, рис. 2. Если процесс намагничивания кольца произвести в особой области, а затем систему охладить, то после этого в ближней внутренней зоне кольца может сформироваться зона с инверсным магнитным полем. Если масса ферромагнитного кольца достаточно большая, то поле кольца после охлаждения может превысить поле катушки, и тогда все внутреннее поле системы станет инверсным по отношению к полю катушки.

9

Процесс намагничивания ферромагнитных пород Земли естественным образом реализует именно эту модель, которая и является ключом к пониманию процесса инверсии. Убедимся в этом.

Рассмотрим формирование магнитного поля Земли в процессе пассивного остывания. Для упрощения анализа и для большей наглядности представим Землю в форме дисков, образованных срезами, параллельными экваториальной плоскости, и рассмотрим экваториальный диск. В первом приближении рассмотрим равномерное распределение всех магнитных и не магнитных пород Земли по всему диску.

Пока первый внешний слой остывающего диска пребывает при температуре выше точки Кюри, все природные носители магнитного момента, существующие при данной температуре, будут формировать только поле вращения, северный полюс которого будет совпадать с северным географическим полюсом. Примем направление этого поля за прямое.

После снижения температуры наружного слоя Земли ниже точки Кюри, в нем начнут формироваться еще и природные магнитные моменты кристаллов ферромагнитных пород. Эти носители создают дополнительные составляющие геомагнитного поля, а именно: приращение макроорбитальной и поле эффекта Барнетта. По мере остывания, сопровождающегося увеличением толщины первого слоя, доля поля остаточной намагниченности Барнетта будет все время расти и может превзойти (и превосходит) вклад макроорбитального поля вращения, что вызовет образование инверсного (суммарного) поля в ближней внутренней области первого слоя. Эта область также будет постоянно увеличиваться по мере дальнейшего охлаждения, создавая второй магнитный слой.

Второй слой будет формироваться уже в условиях инверсного ближнего магнитного поля, создаваемого первым слоем в ближней внутренней зоне, при этом начнется процесс инверсного намагничивания второго слоя. На этом этапе суммарное геомагнитное поле определяется следующими составляющими:

· прямое макроорбитальное поле, которое очень медленно растет за счет возникновения новых первичных носителей - кристаллов и молекул;

· прямое поле Барнетта первого слоя, которое сначала быстро, а затем все медленнее растет по мере охлаждения слоя;

· инверсное поле постоянной намагниченности второго слоя, которая растет вместе с толщиной слоя, и еще по закону параметрического усилителя (рис. 1).

При этом наружное суммарное поле двух слоев (прямое) некоторое время будет увеличиваться, т. к. приращение, постоянно создаваемое за счет охлаждения первого (уже не растущего) слоя все еще больше отрицательного приращения поля тонкого и горячего второго слоя. Пока приращение поля индукции первого слоя превышает приращение поля инверсного второго слоя, толщина второго слоя и инверсная составляющая поля будут расти. Это неизбежно приведет к ситуации, когда приращения разных знаков сравняются, а затем приращение инверсной составляющей превзойдет приращение прямой составляющей, и суммарное наружное поле начнет ослабевать. В какой-то момент во внутренней области второго слоя возникнет его инверсная область, и рост второго слоя закончится. Начнет формироваться третий слой, вновь создающий прямое поле. Суммарное геомагнитное поле изменит свою полярность, если количество ферромагнетиков во втором слое превысит их содержание в первом слое на столько, чтобы поле намагниченности второго слоя со временем (по мере охлаждения) превзошло поле первых двух составляющих. Третий слой в этом случае будет формироваться по тому же алгоритму, но в несколько изменившихся условиях, определяемых сферической симметрией. Процесс будет развиваться, пока геометрическое место точки Кюри для внутренних пород Земли будет продолжать движение к центру Земли. Внутренняя граница остывающей твердой оболочки Земли будет постепенно приближаться к ее центру, а вместе с ней, с некоторым отставанием, к центру перемещается сферическая особая зона с температурой оптимального намагничивания. Процесс прекратится, если точка Кюри достигнет центра или когда ее движение к центру прекратится, а это происходит в случае активного тепловыделения в области ядра Земли.

Таким образом, представленная модель в заданных условиях реализует работу параметрического генератора магнитных колебаний. Движителем этого генератора является тепловой поток, создающийся в процессе охлаждения Земли. Условием поддержания устойчивых колебаний является превышение эквивалентного магнитного момента последнего слоя по сравнению с суммой моментов предыдущих слоев.

Равномерное распределения пород не является оптимальным для поддержания колебаний. Колебания будут более ярко выражены, если концентрация ферромагнитных пород увеличивается с приближением к центру Земли, но именно это условие и реализовано реально.

Длительность существования поля с неизменной поляризацией зависит от множества конкретных причин и условий:

§ от скорости охлаждения каждого следующего (более глубокого) слоя, а она замедляется;

§ от толщины каждого слоя, зависящей от концентрации магнитных минералов в слое;

§ от равномерности концентрации ферромагнетиков в данном слое;

§ от замедления вращения Земли, величина которого сейчас около 1 часа за 150 млн. лет;

§ от скорости и характера охлаждения Земли в целом, которая зависит от активности Солнца и от активности Земного ядра;

§ от столкновений с крупными космическими объектами, которые вызывают скачкообразное изменение многих геофизических параметров (скорость вращения Земли, наклон оси вращения, увеличение скорости охлаждения в ледниковые периоды, смещение участков коры.

Рассмотренный процесс формирования геомагнитного поля хорошо объясняет его многочисленные инверсии и возможность незначительных перемещений за счет имеющейся асимметрии распределения магнитных пород. Однако, существующее значительное смещение магнитных полюсов заставляет искать дополнительные факторы, катастрофического характера, оказавшие влияние на это смещение. Таким фактором может быть смещение наведенного магнитного поля совместно со сместившимися континентами [7].

Проанализировав накопленные данные о Земле с учетом изложенного механизма формирования магнитного поля, можно более точно восстановить эволюцию Земли и произвести достоверные прогнозы на будущее.

Анализ возможных возражений

1) На основе данных о наклонении силовых линий на поверхности Земли принято считать, что физический источник геомагнитного поля локализован в области ядра с радиусом не более 2300 км. Этот вывод, бесспорный при применении к модели эквивалентного диполя, явно не учитывает факт, что распределенные структуры способны создавать внешние поля, совпадающие с полями локализованных объектов. Аналогия: электрическое поле шара или сферы совпадает с полем точечного заряда вне зоны сферы.

2) Исходя из оценки градиента температур (20 град/км) у поверхности Земли (по данным глубокого бурения) и значения точки Кюри (около 800 град. Цельсия) общая толщина магнитных слоев вряд ли превышает 100-200 км. По современным представлениям о концентрации ферромагнетиков в недрах Земли такой толщины может оказаться недостаточно для осуществления сотен инверсий. Однако, значение точки Кюри, получено при давлении 100 кПа. Данные сейсмических исследований свидетельствуют, что вещество в области нижней границы мантии, при температуре близкой к 5000 °С и давлении 130ГПа, предположительно имеет кристаллическую структуру, и может рассматриваться как твердое тело, тогда как верхние слои мантии, где температура меняется от 1500 °С до 2000 °С, по своим свойствам напоминают битум и подчиняются законам, справедливым для вещества в жидком состоянии. Можно предположить, что магнитные слои Земли образуют две разделенные области: поверхностную - в земной коре; и глубинную - в мантии. Для этого необходимо лишь допустить наличие свойств ферромагнетизма у кристаллов ферромагнетиков при температуре близкой к 5000 °С и давлении 130 ГПа.

9

Анализ современной ситуации. Все изменения геомагнитного поля, определяемые естественным охлаждением Земли, должны развиваться очень медленно. По оценке геофизиков смена поляризации поля происходит в среднем каждые 200-250 тыс. лет, а последние смены произошли 700 тыс. лет и 30 тыс. лет назад [4]. Однако, наблюдаемая за последнее время скорость перемещения северного магнитного полюса, см. рис. 3, не соответствует модели пассивного охлаждения Земли. (Рисунок заимствован из работы «100 знаменитых загадок природы», авторов: В. Сядро, Т. Иовлева, О. Очкурова). Кроме того, величина геомагнитного поля за последнее время ослабла почти на 10% с тех пор, как она впервые была измерена в 30_х гг. XIX в. Приведенные факты не вписываются в модель пассивного охлаждения.

Учитывая приведенные факты, в рамках рассматриваемой модели, наблюдаемый процесс можно объяснить быстрым разогревом земного ядра за счет происходящих в нем ядерных реакций (гипотеза американского геофизика М. Херндона), или других экзотермических процессов. При быстром и симметричном, относительно центра Земли, разогреве уже существующих слоев, геомагнитное поле ускоренно повторит в обратном порядке некоторую часть предшествующих состояний.

Однако характер вулканической активности Земли заставляет предположить и несимметричное прогревание существующих слоев, сопровождаемое образованием расплавленных каналов по некоторым направлениям. При этом в процессе прогрева создается эффект, имитирующий перемещение магнитной аномалии, якобы перемещающейся в направлении распространения прогрева. При пересечении нескольких слоев это может вызывать эффект колебательного перемещения магнитных полюсов со скоростью, определяемой скоростью прогрева слоев. Характер наблюдаемого перемещения северного полюса соответствуют этой модели. Если модель верна, то в ближайшем будущем полюс остановится или вновь начнет смещаться к Канаде, а напряженность поля должна при этом начать возрастать. Простая экстраполяция (пунктирная линия на рисунке) представляется не обоснованной.

Представленная модель параметрического генератора колебаний магнитного поля не может вызывать сомнений. Можно усомниться только в применимости ее к реальному магнитному полю Земли. В отличие от других гипотез, экспериментальная проверка предложенной модели представляется вполне доступной. Например, можно исследовать зависимость температуры Кюри от давления, и экстраполировать результаты.

На основе изложенной гипотезы можно сделать следующие предварительные выводы.

1) Для объяснения известных особенностей геомагнитного поля, являющихся естественным следствием комплекса взаимосвязанных геофизических процессов и явлений, реализовавшихся в процессе эволюции Земли, не требуется привлечение сверх естественных обстоятельств.

2) Наблюдаемые временные вариации геомагнитного поля в основном определяются динамикой последних самых мощных и глубинных слоев, еще не закончивших свое формирование, и испытывающих самые сильные температурные колебания.

3) Наблюдаемые аномалии геомагнитного поля вызываются неравномерностью поверхностных залежей магнитных руд, а изменения параметров некоторых аномалий вызываются движением поверхностных тепловых потоков Земли.

4) При знании состава и структуры земных пород, а также тепловых процессов, которые в ней происходят, предлагаемая модель позволит точнее определять параметры геомагнитного поля в прошлом и прогнозировать его изменения в будущем.