Читать книгу "Небесные магниты. Природа и принципы космического магнетизма - Дмитрий Соколов"

Магнитное поле Солнца мы видим тоже с некоторым запаздыванием: и от Солнца свет идет до нас конечное время, но это запаздывание ничтожно. Однако длина солнечного цикла умеренна – по масштабам жизни одного человека, но довольно мала по масштабам существования астрономии в современных формах: мы узнали о нескольких десятках циклов из данных прямых наблюдений. Пусть этот временной ряд неоднороден, но в физике галактик о нем можно только мечтать.

Внешние оболочки Земли твердые, поэтому в принципе возможно, что горные породы сохранили память о магнитном поле, которое было на Земле в момент их образования, то есть много сотен миллионов лет назад. Возраст самых древних пород, которые внушают подобные надежды, – больше миллиарда лет. История геомагнитного поля расшифрована примерно до возраста 250 млн лет (еще недавно можно было назвать цифру 168 млн лет – наука быстро прогрессирует). Было бы странно ожидать, что далекие эпохи мы изучим столь же подробно и достоверно, как и недавнее – по геологическим меркам – прошлое. Однако все равно эта реконструкция истории магнитного поля Земли беспрецедентно длинная по меркам космического магнетизма.

Продолжить реконструкцию магнитного поля Земли и отодвинуться в истории со 168 до 250 млн лет назад удалось благодаря коллективным усилиям геологов всего мира, но стоит упомянуть, что большой вклад в это достижение внесли отечественные палеомагнитологи. Отчасти это связано просто с размером нашей страны: отбирать образцы надо повсюду, по всей Земле. Я смею уверить, что организовать экспедицию, скажем, на Таймыр намного труднее, чем писать теоретические статьи, сидя за компьютером. Важно, однако, что отечественный вклад совсем не ограничился отбором образцов, хотя без этого тоже не обошлось. Несколько лет назад мне посчастливилось оппонировать докторскую диссертацию В. Э. Павлова из Института физики Земли в Москве, как раз и посвященную обоснованию этого расширения шкалы. Приятная обязанность!

Мы уже говорили о том, что обсуждаемая реконструкция – это, собственно, указание тех моментов времени, в которые магнитный диполь Земли практически мгновенно (по геологическим меркам) изменил свою ориентацию на противоположную. Такие изменения ориентации в палеомагнитологии называются инверсиями геомагнитного поля. Эти моменты наносят на шкалу времени, которую принято изображать в виде вертикальной полосы, – сказывается привычка геологов рисовать разрезы изображений и керны, которые достают из скважин. Промежутки между инверсиями – их называют хронами – закрашивают в белый и черный цвета попеременно. Так возникает шкала полярностей геомагнитного поля.

В чередовании хронов не усматривается никакой периодичности. Она, по крайней мере на первый взгляд, кажется хаотической. В такой ситуации обычно спрашивают, является ли она совершенно случайной или в ней усматриваются элементы порядка. К сожалению, теория вероятностей не содержит такого понятия (ученые люди говорят «концепта»), как совершенно случайная последовательность. Можно предполагать, что под этим словом скрывается то, что называется пуассоновским потоком событий. В такой последовательности на каждый отрезок в среднем приходится число событий, пропорциональное его длине. Оказывается, последовательность инверсий устроена существенно по-другому: в ней эпохи очень частых инверсий сменяются длинными промежутками без или почти без инверсий – эти промежутки называются суперхронами. Один из таких суперхронов относится к меловому периоду и известен уже долгое время, а другой выделен недавно и как раз находится в недавно реконструированном участке шкалы. Именно для выделения этого суперхрона много сделал В. Э. Павлов.

Оказывается, само понятие средней длительности хрона плохо определено. Можно просто разделить длительность эпохи, для которой реконструирована шкала, на число известных инверсий. Получившаяся величина имеет размерность времени, но сильно зависит от того, какой отрезок шкалы мы возьмем для ее подсчета. Происходит нечто подобное тому, что мы видели раньше, обсуждая напряженность магнитного поля на Солнце или длину береговой линии Англии. Можно сказать, что шкала является фракталом. Правда, не очень понятно, стали ли мы лучше понимать ее природу, воспользовавшись этим современным термином.

Можно сказать и по-другому: на шкале виден пуассоновский поток событий, но средняя длина хрона меняется со временем. Еще, вероятно, можно сказать, что синус – это линейная функция, только параметры, определяющие кривую, меняются с изменением аргумента синуса.

Так или иначе, шкала геомагнитных полярностей устроена сложно, и эта сложность тоже нуждается в объяснении. Пора переходить к вопросу о том, что, собственно, определяет природу и свойства магнетизма небесных тел.

Глава 3

Откуда берутся магнитные поля небесных тел

1. В мире больших магнитных чисел Рейнольдса

Рассказ о природе магнитных полей галактик, Солнца и Земли нужно начать с того, что космический магнетизм очень необычен для мира земной, повседневной физики. В этой привычной физике мы сталкиваемся с магнетизмом в двух ситуациях.

Не упоминая о магнитном поле Земли, можно сказать, что исторически люди впервые столкнулись с магнетизмом, заметив поведение ферромагнитной стрелки. Стрелка реагирует на магнитное поле Земли, которое относится к предмету нашего разговора, но сама она сделана из материала, свойства которого определяются сложными квантово-механическими процессами. Ферромагнетизм чем-то похож на сверхтекучесть и сверхпроводимость – это явление существует только при достаточно низких температурах. Когда температура превышает некоторое критическое значение (оно называется точкой Кюри), ферромагнетизм исчезает и магнит превращается просто в немагнитный кусок металла. То, что точка Кюри, скажем, для железа довольно высокая по человеческим меркам (для чистого железа справочник дает 1043° Кельвина), по меркам физики не так существенно.

Ферромагнетизм связан со сложным строением кристаллической решетки магнитного материала. Это совсем не вяжется с представлением о солнечной плазме, не говоря уже об очень разреженном межзвездном газе галактик. С точкой Кюри тоже возникают проблемы: Солнце и недра Земли очень горячие. Ясно, что ответ нужно искать не в области квантовой физики твердых тел.

Другое знакомое нам проявление магнетизма – электромагниты. Вспоминается знакомый из школьной программы опыт Эрстеда с магнитным полем вокруг провода с током. В данном случае магнитное поле возникает в конечном счете благодаря тому, что где-то далеко находится электростанция, которая гонит по проводам электрический ток.

Допустим, в аудитории, где мы обсуждаем эти вопросы, горит свет. По проводам течет ток. Он создает магнитное поле. Представим на минуту, что среди нас нашелся любознательный человек, который перерезал провод ножницами. Во-первых, его ударит током, что будет, возможно, поучительно для остальных: не стоит портить университетское имущество. Но гуманизм рекомендует ограничиться здесь мысленным экспериментом. Свет погаснет, а магнитное поле исчезнет. Это произойдет практически мгновенно, потому что коэффициент магнитной диффузии среды (величина, обратно пропорциональная проводимости) довольно велик.