100 великих научных открытий

Однако о том, что наша планета представляет собой гигантский магнит, лишь в 1600 г. заявил британский ученый и придворный лекарь королевской семьи Уильям Гильберт (1544–1603). Ученый создал уменьшенную копию Земли из магнетита и стал экспериментировать, прикладывая к разным зонам шара магнитную стрелку. В итоге стрелка показала все варианты магнитного наклонения: на полюсах встала вертикально, в районе экватора легла горизонтально, а на промежуточных участках накренилась по диагонали. Затем Гильберт измерил склонение на своей «мини-планете» и решил, что причина его возникновения кроется в неровностях земного рельефа и залежах магнитных минералов в недрах континентов.

В 1634 г. лондонский математик и астроном Генри Геллибранд (1597–1637) подтвердил выводы Гильберта о том, что магнитные линии не стоят на одном месте. На основании собственных замеров магнитного поля, проведенных в Лондоне, а также данных других ученых за 1580―1622 гг. Генри заключил: за полвека меридианы сдвинулись на 7°.

В начале XVIII в. стараниями британского физика и астронома Эдмунда Галлея (1656–1742) была выпущена первая карта магнитного поля Земли. В середине столетия ученые смогли объяснить полярное сияние периодическими изменениями силы магнитного поля и направления его линий, хотя испокон веков небесные огни представлялись людям магией, волшебством и божественным знамением. А в XIX в. немецкие физики Карл Фридрих Гаусс (1777–1855) и Вильгельм Вебер (1804–1891) в ходе исследований геомагнетизма (которые проводились одновременно учеными 50 обсерваторий, в том числе Геттингенской) сделали целый ряд новых открытий.

Во-первых, они убедились в гильбертовской теории, согласно которой земной магнит спрятан в самых глубинных недрах планеты. Во-вторых, обнаружили два типа изменений магнитного поля: временные и постоянные. Первые — так называемые магнитные бури — вызываются всплесками активности на Солнце, когда с поверхности светила исходят мощные электромагнитные волны либо потоками извергаются ионы (положительно и отрицательно заряженные атомы) гелия и водорода, а также свободные электроны, которые создают собственное магнитное поле. Атакуя магнитную оболочку Земли, высокоэнергетические ветры словно сдувают ее, и она содрогается — с одной стороны планеты линии прижимаются к поверхности, а с другой вытягиваются. Подчас земная атмосфера насыщается электричеством, и напряженность магнитного поля усиливается.

Что же касается второй группы изменений — они происходят непрерывно, поскольку в земной коре залегают горные породы с магнитными свойствами, которые создают собственные поля, взаимодействующие с основным. Позже исследователи попытались выяснить, откуда же берется это основное поле. Одни предположили, что геомагнетизм создается внутренним земным ядром, состоящим из железа и никеля: эти металлы способны сильно намагничиваться, причем у них множество зон с разнонаправленными полями, которые могли бы образовывать на поверхности Земли бессчетное количество дополнительных полюсов. Недочетом данной версии оказалось то, что при температуре 360 °C никель уже теряет свои свойства (для железа этот порог вдвое выше), тогда как ядро раскалено до 5700 °C.

Другие ученые высказали догадку, будто магнитное поле создается поверхностью жидкого внешнего ядра. Мол, эта зона не такая горячая, как внутреннее ядро, и под воздействием вращения планеты она закручивается в круговорот, генерируя электроток, а тот, в свою очередь, возбуждает магнитные силы. Однако в 1933 г. было доказано, что сам по себе такой круговорот никогда не смог бы обеспечить постоянное магнитное поле.

Теория требовала доработки, и в начале 2000-х ученые из Калифорнийского технологического института во главе с Дэвидом Стивенсоном дополнили ее недостающим элементом — так называемым затравочным полем. Изначально слабое, это поле возникло в ядре благодаря электрическим токам, порожденным перепадами температур: из более горячей зоны электроны толпой понеслись в более холодную. Затравочное поле генерировало ток в круговоротах жидкого ядра, ток возбудил собственное магнитное поле, под его воздействием первоначальные токи усилились, повышая мощность затравочного поля… и так далее. В конечном итоге затравочное поле стало настолько мощным, что вырвалось наружу и окружило Землю петлями. Установилось равновесие.

От теории американские ученые перешли к практике и создали компьютерную модель, основанную на законах гравитации и уравнениях, которые описывают тепловые процессы в ядре и возникновение магнитного поля в электропроводящей жидкости. Модель наглядно продемонстрировала, как меняется направление поля, но из-за недостаточной мощности компьютеров исследователям пришлось подтасовать данные о консистенции внешнего ядра. Впрочем, они рассчитывают в будущем смоделировать более правдоподобную картину.