Читатель уже, видимо, заметил, что обращение к процессам, протекающим в дренажной оболочке, позволяет по-новому, без натяжек объяснить многие, казалось бы, не имеющие никакого отношения к водам земным большие и важные для науки вопросы. Поэтому мы надеемся, что он не будет удивлен попыткой дать объяснение причин возникновения и существования земного магнитного поля.
Академик В. В. Шулейкин, посвятивший свою жизнь разработке проблем физики моря, так характеризует положение: «Полное неведение природы земного магнитного поля плохо вяжется не только с совершенством методов электрических и магнитных измерений, но также и с тем, что практическое применение первого магнитного прибора — компаса — известно людям более трех тысяч лет: «указателем направления на юг» снабжались колесницы в Китае и во Вьетнаме, во всяком случае ранее 1100 г. до нашей эры».
До XV века основной причиной ориентации северной стрелки считалось притяжение ее Полярной звездой. Сделанное Колумбом в XV веке открытие отклонения стрелки компаса от направления меридианов заставило отказаться от этой гипотезы. В 1600 году английский математик Уильям В. Гильберт обосновал новую гипотезу, по которой Земля представляет собой магнит, и подтвердил свою идею с намагниченным железным шаром. Отклонение магнитной стрелки от меридианного направления, которое не укладывалось в гипотезу большого магнита, Гильберт предложил объяснять намагниченностью материков, которые и отклоняют стрелку. Предположение о том, что магнитное поле Земли вызывается источником, находящимся в ее недрах, разработанное профессором Казанского
университета И. М. Симоновым в 1835 году, через 3 года нашло подтверждение в расчетах великого немецкого математика Гаусса. Им были проведены расчетные определения силы магнитного поля для любой точки земного шара. Она оказалась мизерной. Даже обычный магнит небольшого размера создает магнитное поле напряженностью в несколько десятков гаусс, а Земля имеет всего лишь 0,3 гаусса вблизи экватора и около 0,7 — в полярных районах.
Одной из причин земного магнетизма считали намагниченность железного ядра Земли. Однако точка Кюри — температура, при которой железо перестает быть магнитом, — вскоре выбила почву у сторонников объяснять магнетизм наличием железного ядра. Стало ясно, что температура 500—600° С достигается уже в нижних слоях земной коры или в верхних слоях мантии, и гипотеза о постоянном магните в недрах Земли — железном ядре — отпала.
Дальнейшее изучение земного магнетизма показало, что кроме постоянных магнитных аномалий, находящихся в одних и тех же местах, имеется большое число других — непрерывно изменяющихся и даже перемещающихся преимущественно на запад.
По существующим представлениям о внутреннем оболочечном строении земного шара перемещения жидкого вещества возможны только на границе между твердой мантией и ядром Земли, то есть на глубине 2900 километров от поверхности. Поэтому сегодня в науке о земном магнетизме популярна гипотеза о возможном отставании скорости вращения земного ядра от скорости вращения мантии примерно на один оборот за 2000 лет. Считается, что это отставание и создает магнитное поле и вызывает перемещение магнитных аномалий на запад.
Однако земное магнитное поле не только «плывет» на запад, но оно, еще способно и переворачиваться, меняя положение своих полюсов. Изучая остаточный магнетизм, сохраняющийся в горных породах, исследователи пришли к выводу, что магнитные полюса только за последние 76 миллионов лет ни много ни мало 171 раз менялись местами: северный магнитный полюс становился южным и, наоборот, южный становился северным.
Другие исследователи обнаружили следы около 400 инверсий магнитного поля на протяжении последних 100 миллионов лет.
Магнитное поле Земли, как и других космических тел солнечной системы и самого Солнца, остается в числе явлений, до полного понимания причин которых еще далеко.
Крупный специалист по земному магнетизму Б. М. Яновский в 1964 году так характеризовал состояние разработки вопроса о магнитном поле Земли: «Вплоть до последнего десятилетия не было ни одной гипотезы и ни одной теории, которые удовлетворительно объяснили бы постоянный магнетизм земного шара, и лишь за последние годы в науке о земном магнетизме установилась более или менее приемлемая теория, основанная на гипотезе вихревых токов в ядре».
За последние годы опубликовано много работ по теории земного магнетизма. Выдвинуты новые представления, и среди них наибольшим признанием сейчас пользуется гипотеза, по которой магнитное поле Земли возникает в результате электрических токов, связанных с перемещениями масс вещества внутри или на поверхности ядра Земли. Эта гипотеза, получившая название «динамо» по аналогии с возбуждением магнитного поля в динамо-машинах, дает лишь качественное объяснение некоторых особенностей магнитного поля Земли.
Однако остаются вопросы, на которые обязательно должны ответить существующие гипотезы происхождения магнитного поля, если они претендуют на признание.
Прежде всего это вопрос о совпадении или, вернее, о близости оси вращения Земли и оси того геомагнитного диполя, который создает поле. Такая близость осей обнаружена не только у Земли, она имеется у Солнца, Юпитера и у Звезды 78 в созвездии Девы.
Предполагалось, что даже только само вращение твердых, жидких и газообразных тел может вызвать как разделение электрических зарядов, так и намагниченность вращающегося предмета.
Еще в 1911 году крупный русский физик П. Н. Лебедев считал, что совпадение осей не случайность, и проводил эксперименты по вращению колец из различных материалов — эбонита, латуни, воды, бензола. Опыты дали отрицательный результат, однако П. Н. Лебедев не отказался от убеждения в том, что именно вращение вызывает магнитное поле.
В результате проведения больших теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в Мировом океане, В. В. Шулейкин получил убедительные свидетельства о коренном различии между магнитными полями океана и материков. Электропроводность коры под океанами значительно больше, чей под материками.
Проследив дрейф магнитного поля в западном направлении, В. В. Шулейкин отмечает, что дрейф возможен только в том случае, если магнитное поле вызывается электрическими токами.
Если бы магнитное поле вызывалось твердыми намагниченными породами, то дрейф был. бы невозможен. Не могло бы происходить и снижение поля до нуля, и возникновение его вновь в тех же местах.
В. В. Шулейкин экспериментальными исследованиями показал, что определенную роль в создании западной составляющей магнитного поля играют электрические токи в самой воде океана. Появление существующего магнитного поля В. В. Шулейкин объясняет токами в мантии, так как, по господствующим в геологии гипотезам, в земной коре токов нет, поскольку сухие породы не проводят электричества.
Приливы и магнетизм
Приливная волна перекачивает растворы по дренажной оболочке (А), как насос перекачивает жидкость (Б)
Таким образом, помимо тех гипотез, которые ищут причины земного магнетизма в глубинах мантии и даже в глубинах ядра, разрабатываются и гипотезы, видящие причины в электрических токах.
Если следовать идее, выдвинутой еще Ампером, то для создания такого магнитного поля, какой имеет Земля, надо допустить существование электрического тока огромнейшей силы, постоянно текущего в широтном направлении. Под каждым метром полосы с общей шириной 10 000 километров должен был бы течь ток силой 100 ампер, а на всей полосе — общей силой 1 миллиард ампер. Занимая область от 45° северной широты до 45° южной, такой гигантский поток электричества смог бы создать как главное, так и переменное магнитное поле Земли, особенно при условии, что токи будут проходить на небольшой глубине, близкой к земной поверхности. Однако ученые не располагали данными, которые позволили бы допустить существование таких слоев, где эти токи могли бы циркулировать вокруг земного шара. Может ли представление о дренажной оболочке быть полезным при объяснении причины возникновения магнитного поля Земли? Безусловно, может!
Ведь растворы, заполняющие дренажную оболочку, не могут быть электрически нейтральными.
Кроме того, они обязательно перемещаются с востока на запад. Но перемещение зарядов равноценно электрическому току, текущему вокруг земного шара. Не ясен лишь вопрос: достаточно ли в растворах электрических зарядов и могут ли они перемещаться со скоростью, способной создать электрический ток нужной силы?
Сначала рассмотрим причины, которые могут вызывать такое перемещение растворов. По-видимому, главной из них надо признать перемещение приливной волны литосферы. Известно, что в результате притяжения Луны и Солнца на земном шаре существуют два приливных горба и две впадины. Они давно известны в морях и океанах, так как их учет совершенно необходим морскому флоту. Возникают и обегают земной шар приливные волны в атмосфере, обнаружены они и в твердой оболочке — литосфере. Наибольшие подъемы и опускания земной поверхности имеют место вблизи экватора, тогда как у полюсов их может вовсе не быть. Если подъемы приливной волны в океане достигают нескольких метров, то изменения уровня поверхности материков измеряются десятками сантиметров. Главное отличие в процессах образования приливных подъемов и опусканий состоит в том, что в атмосфере и гидросфере они происходят за счет перемещения масс воды или воздуха из мест, где уровень опускается, туда, где он поднимается, тогда как в литосфере они работают как механизм, способный перемещать только жидкости и пары, заполняющие свободные пространства земной коры и ее дренажную оболочку. Твердые породы не перемещаются, изменяется только объем коры.
Приливные силы оказывают наибольшее влияние на слои пород у самой земной поверхности. Легче всего изменять свой объем под влиянием притяжения Луны должна обводненная и пористая дренажная оболочка земной коры. Изменение ее толщины может происходить за счет изменения объема разломов, трещин и других полостей и пустот в оболочке и в слагающих ее породах.
Во время подъема дневной поверхности и увеличения объема пустот дренажной оболочки в данном месте происходит подсасывание подвижных жидких и паровых растворов со стороны, то есть из впадин, идущих впереди и позади приливных горбов. Следующие за приливами отливы производят выжимание подвижных растворов и паров и перемещение их на запад.
Откуда берутся заряды
Для появления электрических токов в растворах дренажной оболочки имеются благоприятные условия. Эти растворы всюду и везде находятся в постоянной вертикальной циркуляции и медленно передвигаются из-под материков в пространство дренажной оболочки коры океанов, взаимодействуя с породами оболочки. Здесь протекают окислительно-восстановительные реакции, особенно в осадочных слоях, где больше органических веществ, много газов, способных восстанавливать трехвалентные соединения железа, марганца и другие соединения. Слои пород различного состава, существующие при разных температурах и давлениях, создают в недрах земной коры своеобразные гальванические батареи, в которых могут возникать электрические заряды и электрические токи.
В разделении электрических зарядов участвуют и различные ионообменные процессы (когда анионы удерживаются во вмещающих породах, а катионы уходят в растворы). Разделению зарядов может способствовать также и то, что подвижные растворы движутся между кровлей и подошвой дренажной оболочки, которые могут играть роль пластин конденсатора, по емкости ни с чем не соизмеримого. Возможно появление избытка электрических зарядов и в тех химических реакциях, которые происходят при взаимодействии поднимающейся кверху окиси кремния с различными соединениями, с образованием силикатов и вытеснением углекислоты, как это происходит при образовании гранитов, а также с вытеснением серной, азотной и других кислот.
Известно, что кристаллы кварца являются пьезоэлектриками. При их сжатии возникают электрические заряды. Высказаны предположения, что такие кристаллы кварца имеются в недрах земной коры и что сжатия коры, которые происходят при землетрясениях, могут приводить к возникновению таких электрических зарядов, как молнии и свечение неба.
Возможно, что и с этим связано возникновение электрических зарядов в растворах дренажной оболочки, перемещение которых имеет отношение к генерированию магнитного поля Земли.
О скоплении огромного количества электричества в недрах земной коры свидетельствуют многочисленные факты. Известно, что при извержениях вулканов и при землетрясениях, а часто и перед извержениями возникают грозы, наблюдается свечение неба и истечение электричества с возвышенностей и высоких сооружений. Известно также, что между земной поверхностью и нижней границей ионосферы постоянно существует разность потенциалов, близкая к 400 тысячам вольт. Отрицательный заряд находится на земной поверхности. Это вызывает постоянный ток положительных зарядов из ионосферы к Земле мощностью 70 тысяч киловатт. Такая сила тока могла бы разрядить конденсатор Земля — ионосфера за несколько минут. Однако этого не происходит. Чем поддерживается постоянная разность потенциалов, еще не ясно.
Предполагается, что большая роль в этом принадлежит грозам, когда положительные заряды уносятся вверх; но само происхождение гроз не имеет приемлемого объяснения. На земную поверхность ежесекундно во время гроз приходит 1800 разрядов молний, но почему-то грозы характерны преимущественно для весны и лета, то есть для тех времен года, когда интенсивны процессы фотосинтеза.
Не ясно, что именно в совпадении интенсивности процессов фотосинтеза с процессами грозообразования является причиной, а что следствием. Может быть, оба эти явления зависят от температуры или продолжительности светового дня. Может быть, количество электричества, накапливающегося в атмосфере, зависит от количества выделяющегося в атмосферу кислорода при фотосинтезе. Ясно лишь то, что обратной зависимости, то есть зависимости количества продукции фотосинтеза от количества молний, быть не может, хотя и это не вполне ясно. Интересно также, что грозовая деятельность больше проявляется над сушей. Над океанами она менее активна. Так или иначе, на Земле существуют постоянно действующие процессы, создающие^ и поддерживающие разделение электрических зарядов.
Если земная кора является в какой-то мере заряженным конденсатором, то растворы, заполняющие дренажную оболочку, не могут быть электрически нейтральными, а если они заряжены, то их перемещение равноценно электрическому току, и оно обязательно должно вызывать появление магнитного поля Земли.
Наконец, если растворы дренажной оболочки содержат в основном положительные заряды, то магнитное поле Земли должно иметь свой нынешний реальный вид. Преобладание же отрицательных зарядов должно привести к перемене мест магнитных полюсов Земли. Северный магнитный полюс станет южным, и наоборот.
И много ли их надо?
Теперь займемся несложными расчетами, которые позволят детальнее оценить роль дренажных растворов в образовании земного магнитного поля.
Выше указано, что для создания существующего магнитного поля нужен ток силой 100 ампер на каждой полосе дренажной оболочки шириной всего 1 метр и глубиной 3—5 километров. Сколько же потребуется электрических зарядов для образования такого тока? Напомним: 1 грамм-эквивалент водорода, образующегося при электролизе воды, несет общий заряд, названный фарадеем и равный 96 494 кулонам. В дренажной оболочке кроме ионов водорода содержатся положительные ионы (катионы) лития, натрия, кальция, магния, железа и других элементов. Все они, будучи в избытке по отношению к отрицательным ионам (анионам) и передвигаясь, участвуют в создании магнитного поля. Для получения 100-амперного тока в каждом однометровом поперечном сечении дренажной оболочки (длиной 40 000 километров) за секунду должно проходить 100 кулонов, или около одной тысячной доли грамм-эквивалента избыточных катионов.
Теперь можно прикинуть, какие необходимы объемы растворов и с какими скоростями они должны перемещаться по дренажной оболочке, чтобы могло возникнуть существующее ныне магнитное поле Земли.
Если в секунду растворы должны перемещать через поперечное. сечение однометровой полосы дренажной оболочки 100 кулонов, то на протяжении года — 3,15 миллиарда кулонов, или 32,7 тысячи грамм-эквивалентов ионов. Отсюда, принимая средний вес грамм-эквивалента равным 25 граммам, получим, что ежегодно сквозь каждое такое поперечное сечение должно проходить 820 килограммов ионов, а за 12 часов (время, приходящееся на перемещение каждой приливной волны вокруг земного шара) — 1125 граммов ионов, несущих положительные заряды.
Сечение дренажной оболочки шириной 1 метр при мощности 3—5 километров равно 3—5 тысячам квадратных метров, а свободное сечение при пяти объемных процентах пустот составляет в нем 150—250 квадратных метров. Масса растворов, заполняющих пустоты оболочки вокруг земного шара в однометровой полосе, составляет 6—10 кубических километров, или миллиардов тонн, а в полосе шириной 10 тысяч километров — 606—1006 миллиардов тонн. Значит, на протяжении одного перемещения приливной волны вокруг земного шара (а такие перемещения ежегодно происходят 730 раз) в любом поперечном сечении дренажной оболочки шириной 10 000 километров растворы должны переносить 11,25 тонны положительных зарядов. Такое по существу мизерное количество может постоянно перемещаться в растворах, движущихся всего со скоростями в единицы или первые десятки метров в год и несущих в себе лишь небольшой избыток положительных или отрицательных зарядов, измеряемый малыми долями процента.
Что вызывает смену полюсов?
По-видимому, гораздо труднее представить возможность наличия в дренажной оболочке растворов, которые в своем движении были бы нейтральными в таких условиях, когда давление и температура в ней меняются непрерывно от места к месту. Но если это так, то есть если они не нейтральны, в наиболее проницаемой оболочке коры появление магнитного поля неизбежно. Возникновение магнитного поля при учете геологической работы воды делает понятным происхождение той огромной энергии, которая необходима для постоянного генерирования электрических токов в миллиарды ампер. Становятся понятными также и многократные обращения магнитного поля, когда магнитные полюса менялись местами. Для. этого достаточно, чтобы изменился знак избыточных зарядов. Если вместо избытка положительных зарядов в растворах накопятся отрицательные, то произойдет инверсия земного магнетизма. Во время такого обращения возможен период, когда главное магнитное поле на Земле исчезнет совсем.
Чтобы объяснить смену магнитных полюсов с помощью других гипотез, исследователям порой приходится прибегать к менее обоснованным допущениям. Взять хотя бы идею о возникновении магнитного поля в результате отставания скорости вращения ядра от скорости вращения мантии. Многократная инверсия магнитного поля требует, чтобы ядро в земном шаре могло вращаться то быстрее мантии, то медленнее, и так много раз.
Поэтому простые и естественные свойства дренажной оболочки, объясняющие магнетизм, выглядят приемлемыми и более убедительными.
У земного магнетизма существует главная, так называемая дипольная, часть и переменное магнитное поле, к которому относят различные аномалии, бури, быстротечные вариации.
На материках и океанах обнаружены удивительные магнитные аномалии. Создается впечатление, что материки обладают своей собственной намагниченностью. Имеется 6—7 крупных областей на материках и океанах, где магнитная стрелка поворачивается к земной поверхности почти вертикально северным либо южным полюсом.
Можно думать, что и эти аномалии рождены своеобразным движением растворов. Естественно, что из-под материков глубинные воды расходятся в океаны по периферии во всех направлениях, превращая, таким образом, материк в самостоятельный магнит. Движение растворов неравномерно, значит, существуют участки, где движение (на материках нисходящее, а в океанах восходящее) заряженных потоков особенно интенсивно, что и может вызвать появление аномалий.
Становятся более понятными и другие характерные особенности магнитного поля Земли — те, что проявляются на ее поверхности в виде узких и длинных полос или в виде локальных, относительно небольших площадей. Ведь дренажные «реки», несущие электрические заряды, тоже имеют определенную ориентацию в недрах земной коры. Между движением несущих заряды дренажных вод и проявлением самых различных магнитных аномалий тесная связь обязательна.
Уже давно было замечено, что движение аномалий магнитного поля зависит и от геологических особенностей строения земной коры. Например, в магнитном поле Памира одни фокусы магнитных аномалий движутся на запад быстрее, другие медленнее, а иные имеют и обратное направление — перемещаются на восток. Хотя в целом магнитное поле Земли подвержено западному дрейфу, но на ход некоторых фокусов магнитных аномалий должны влиять еще какие-то локальные источники.
Особенность переменного магнитного поля Земли заключена в его тесной связи с электрическими токами в высоких слоях атмосферы и индукционными токами в недрах земного шара. Эту подвижную, изменчивую часть обычно называют электромагнитным полем Земли.
Активность магнитного поля — свойство необычно капризное. Она меняется в течение часов, суток, недель, лет. Только длительные наблюдения могут дать представление о закономерностях ее изменений.
Но магнитные проявления сильно зависят и от Солнца. Магнитная активность растет в периоды осенних и весенних равноденствий и падает во время солнцестояний. Наибольшие амплитуды суточных вариаций зависят от времени года: максимум приходится на июнь, наименьшее значение — в декабре (зимнее солнцестояние).
Влияние Солнца связывают с атмосферными вихревыми токами в северном и южном полушариях планеты. Вихревые токи зафиксированы в пространстве, обращенном к Солнцу. Зато там, где Солнца нет, на противоположной стороне Земли солнечно-суточные перемены в магнитном поле очень малы. Солнце играет роль главного возмутителя магнитного спокойствия.
Установлено, что активность магнитного поля в периоды зимнего и летнего солнцестояния не только количественно, но и качественно отличается от активности в периоды весеннего и осеннего равноденствия. Эти отличия хорошо объясняются особенностями перемещения приливных волн в земной коре. При равноденствиях наивысшие точки гребней и наинизшие положения впадин приливных волн перемещаются в экваториальных широтах. Гребни идут, следуя друг за другом, 2 раза в сутки. Во время же солнцестояний, когда Земля наклонена к Солнцу южным или северным полюсом, приливная волна обегает Землю южнее и севернее экватора, периодичность максимальных приливных гребней разделена сутками. В этих двух случаях приливные волны «работают» по-разному. В периоды равноденствий они ограничиваются приэкваториальной областью, а в периоды солнцестояний захватывают дренажные растворы от северного полярного круга до южного. При таком широком захвате частота перемещения гребней уменьшается вдвое.
Наибольшими приливы бывают, когда Солнце и Луна находятся на одной линии и с одной стороны от Земли, тогда их притяжения складываются.
Большая группа магнитных возмущений наблюдается на территории, расположенной между северными и южными сорок пятыми магнитными параллелями. Здесь проходят так называемые синфазные магнитные бури. Есть еще и так называемые локальные магнитные возмущения. Они проявляются обычно в полосе между сорок пятыми и семидесятыми градусами магнитной широты. От синфазных бурь они отличаются фазой и интенсивностью.
Виновником этих явлений геофизики считают в первую очередь бурную активность Солнца. Если же солнечная активность не совпадает с магнитными бурями, приходится объяснять их особыми токами вблизи этих районов. Но на Земле нет места для таких глобальных токов, кроме вод дренажной оболочки земной коры. И если учесть, что приливная волна сильнее всего сказывается на интенсивности перемещения растворов как раз в полосе между сорок пятыми широтами и меньше всего у полюсов, станет ясной причина локализации синфазных магнитных бурь.
Источник: С.М. Григорьев, М.Т. Емцев. Скульптор лика земного. Изд-во «Мысль». Москва. 1977