Вековые вариации магнитного поля

Продолжительность изменений магнитного поля различна. Есть колебания с периодом в десятые доли секунды, а есть такие, период которых составляет сотни лет. Быстрые колебания связаны непосредственно с деятельностью Солнца, медленные — с процессами, происходящими внутри Земли. Самые медленные из известных изменений, с периодом несколько сотен лет, назвали вековыми, вариациями.

Установить, где расположены причины, вызывающие изменения геомагнитного поля, — вне Земли или внутри нее, довольно легко. Для этого разработаны специальные математические приемы — так называемый сферический анализ.

Учение о магнетизме возникло всего три с половиной века назад, а регулярные исследования геомагнитного поля ведутся немногим больше ста лет. Отсюда понятно, что сведения о вековых вариациях, почерпнутые из непосредственных наблюдений, не могут быть полными. Здесь на помощь приходят палео- и археомагнитные исследования. Любая горная порода содержит небольшое количество зерен магнетита или других способных намагничиваться минералов, а значит, в магнитном поле Земли она намагнитится. Если эта порода, содержащая магнитные (точнее, ферромагнитные) зерна, будет разогрета до температуры 500—700° и потом остынет в магнитном поле Земли, она приобретет очень сильную намагниченность. Исследования говорят, что такая полученная во время охлаждения в магнитном поле намагниченность сохраняется десятки миллионов лет. Ее направление и величина соответствуют магнитному полю, действовавшему на породу во время охлаждения. Изучая эту намагниченность, можно узнать, каково было вызвавшее ее магнитное поле.

Магнитные полюсы Земли не совпадают с географическими.

Для последних 10 тыс. лет древняя намагниченность изучается по предметам из обожженной глины: вазам и кирпичам, по обожженным кострами почвам древних стоянок. Для более древних времен намагниченность устанавливается по лавам и другим горным породам. Время обжига глиняных предметов определяется археологическими методами, время образования горной породы — геологическими. Так получают картину изменения геомагнитного поля во времени.

Археомагнитные исследования восстановили картину изменений геомагнитного поля за последние 10 тыс. лет для многих районов Европы, Азии, Африки и Америки. Суммируя все, что дают археомагнитные исследования и непосредственные наблюдения, ученые пришли к выводу, что вековые вариации — это неотъемлемая особенность магнитного поля Земли, его дыхание. Изменяются и величина намагниченности Земли в целом (т. е. ее магнитного момента) и направление магнитного поля в каждой точке земной поверхности. Магнитные моменты Земли изменяются с периодом в 8 тыс. лет, а основной период изменения направления геомагнитного поля — около 500 лет.

Изменение направления магнитного поля можно объяснить вращением геомагнитной оси вокруг географической. Однако это очень грубое приближение. На самом деле вся поверхность Земли может быть подразделена на большие области, в каждой из которых вековые изменения имеют свои характерные особенности. Эти области так и называются областями векового хода.

Однако не только глиняные изделия древних намагничивались при обжиге. Как было сказано, сама природа записывала изменения магнитного поля в лавах, застывавших на поверхности Земли, и в глинах, обожженных этими лавами. Кроме того, входящие в состав осадочных пород отдельные зерна минералов магнетита и гематита, медленно опускаясь на дно водного бассейна, как стрелочки компаса, ориентировались магнитным полем Земли. По мере отвердения они на века записывали направления силовых линий. Определяя время излияния лав и образования осадочных пород геологическими методами, можно восстановить историю магнитного поля Земли за сотни миллионов лет. Такая работа проводится в лабораториях многих стран. Сведения о магнитном поле, полученные при палеомагнитных исследованиях, резко изменили наши представления о нем.

Во-первых, оказалось, что положение геомагнитной оси Земли сильно менялось. Много миллионов лет назад северный магнитный полюс Земли находился в экваториальной части Тихого океана, а потом, двигаясь вдоль восточного края Азии, через Камчатку, достиг современного положения. И хотя магнитная ось Земли не совпадает с осью ее вращения, есть основания считать, что она не может составлять с ней большой угол. Следовательно, палеомагнитные данные указывают путь перемещения не только магнитного, но и географического полюса. Это подтверждается и данными о распределении климатов на поверхности Земли в прежние эпохи. Ученые считают, что на самом деле не магнитный и географический полюсы перемещались по поверхности Земли, а верхние ее слои смещались относительно оси вращения. Этот вывод важен для изучения строения Земли и ее истории.

Во-вторых, оказалось, что при каждом положении геомагнитной оси магнитные полюсы время от времени меняются местами, или, как говорят геомагнитологи, происходит инверсия геомагнитного поля. Открытие инверсий имеет колоссальное значение как для понимания природы геомагнитного поля, так и для изучения геологической истории Земли. Изменение полярности запечатлено в горных породах всей планеты, и по этим отпечаткам сейчас можно судить об одновременности или последовательности геологических событий. Конечно, у геологов есть и другие методы для решения таких вопросов, но палеомагнитный метод, как показывает опыт, часто существенно им помогает в этом случае.

Наконец, удалось показать, что величина магнитного поля Земли всегда была примерно такой, как сейчас: она колеблется около некоторого среднего уровня, но не убывает и не увеличивается существенно. Какой-то механизм внутри Земли поддерживает ее всегда на одном уровне.