Магнитная броня земли

Обнаружение с помощью спутников радиационных поясов вокруг Земли в корне изменило наше представление о значении магнитного поля в эволюции органической жизни.

Солнце, в недрах которого царит температура порядка 13 000 000° С, а на поверхности — около 6000° С, каждую секунду излучает 3,8·10²⁶ Дж энергии. На Землю попадает лишь одна двухмиллиардная доля энергии Солнца, но ее достаточно для возникновения и развития жизни. Солнце посылает на Землю два типа излучения: электромагнитные волны длиной от миллионных долей миллиметра до десятков километров и потоки заряженных частиц — корпускул, движущихся со скоростью около 1000 км/с и через одни-двое суток достигающих Земли. Часть космического излучения приходит из-за пределов Солнечной системы.

От большей части космического излучения жители Земли надежно защищены сложной системой различных физических оболочек, через которые проникает только видимый свет, небольшая доля прилегающих к нему ультрафиолетовых и инфракрасных лучей и узкий участок радиоволн. На подступах к Земле задерживаются и корпускулы, представляющие главным образом ядра водорода (протоны) и ядра гелия (альфа-частицы), а также незначительное количество ядер тяжелых элементов.

Спасительным экраном прежде всего является земная атмосфера. Однако, задерживая одну часть космической радиации, земная атмосфера достаточно свободно пропускает другую. Существенно помогает атмосфере магнитное поле Земли, вызвавшее образование ионосферы и двух поясов заряженных частиц вокруг Земли. Внутренний экваториальный пояс с наибольшей плотностью частиц расположен на расстоянии около 3600 км от поверхности планеты. Он опоясывает Землю кольцом от 35° ю.ш. до 35° с.ш. Внешний пояс, состоящий в основном из электронов, распространяется до широт 65°. Положение в пространстве, объем и плотность частиц в нем сильно меняются, расстояние от Земли колеблется в пределах 25—50 тыс. км. Главное защитное свойство этих поясов в том, что они выполняют роль ловушек для идущих от Солнца частиц с большими энергиями. Магнитное поле, отклоняя их от направления на Землю, вовлекает в кругооборот вокруг планеты. Замечено, что если двигаться от экватора к полюсу, то число попадающих на Землю заряженных частиц несколько возрастает (примерно на 10%). В стратосфере широтный эффект в несколько раз больше, чем на уровне моря. На верхней границе атмосферы интенсивность космических лучей в районе экватора в 5 раз меньше, чем в полярных областях. В этом сказывается отсутствие постоянных поясов заряженных частиц над полярными областями. Однако это увеличение интенсивности корпускулярного потока в приполярных районах сравнительно невелико и не представляет опасности для жизни.

Благодаря магнитному полю наша планета окружена ионосферой — слоем разреженного ионизированного газа на высотах от 70 до 500 км. В этом слое текут мощные электрические токи. Ионосфера и расположенный ниже слой озона поглощают ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца, которые, дойдя до поверхности, могли бы уничтожить на ней жизнь. У ионосферы есть еще одно замечательное свойство. Подобно зеркалу, она отражает радиоволны и делает, таким образом, возможной радиосвязь на Земле на большие расстояния.

Интенсивность космического излучения, достигающего поверхности планеты, зависит как от интенсивности солнечного излучения, так и от напряженности магнитного поля Земли и вследствие этого от экранирующего влияния ионосферы и слоев заряженных частиц.

Хотя Земля находится на расстоянии около 150 млн. км от Солнца и защищена атмосферой, ионосферой и поясами заряженных частиц, мы очень тонко чувствуем, что происходит на Солнце. Каждые 11 лет потоки солнечных газов взмывают на сотни тысяч километров вверх, устремляясь в межзвездное пространство. Такая активность продолжается 2—3 года, а затем затухает. В период максимума солнечной активности на Земле наблюдаются яркие полярные сияния, длительное (до 10 дней) нарушение в полярных районах радиосвязи, разыгрываются магнитные бури, в земле начинают течь электрические токи такой силы, что нередко приборы телефонных и телеграфных станций приходят в негодность. Нередко после солнечных вспышек в околоземные пространства вторгаются потоки заряженных частиц очень больших энергий, представляющие оторвавшиеся «куски» солнечной атмосферы. А.Л. Чижевский и его последователи установили, что органическая жизнь на Земле очень чутко реагирует на 11-летний цикл солнечной активности. Периодичность эпидемических заболеваний, их начало, развитие и окончание ритмически следуют за цикличностью нашего дневного светила. Солнце оказывается великим дирижером земных жизненных процессов.

Вполне вероятно, что имеются и более крупные циклы изменения солнечной активности, воздействие которых на органическую жизнь Земли может быть еще сильнее. Однако отсутствие необходимых количественных изменений за длительный срок не позволяет говорить об этом уверенно.

Магнитное поле Земли по своей величине очень мало. Оно в сотни раз слабее, чем поле между подковами обычного школьного магнита. Однако земное поле занимает огромный объем, простираясь на десятки тысяч километров от поверхности Земли. А так как энергия магнитного поля пропорциональна объему, то влияние земного поля на процессы в окрестностях планеты очень велико. Если бы поле исчезло, Земля лишилась бы защиты от заряженных частиц, испускаемых Солнцем и захватываемых в магнитные ловушки. Земной шар подвергся бы бомбардировке космическими частицами огромных энергий. Нам не удалось бы увидеть незабываемые по красоте полярные сияния, так как они происходили бы на освещенной Солнцем стороне Земли вместо окутанных полярной ночью областей, куда отклоняются пути частиц под влиянием магнитного поля.

А есть ли у нас полная уверенность в том, что магнитное поле Земли постоянно существовало в течение всего периода ее жизни как планеты? Однозначно ответить на этот вопрос сейчас нельзя. Чтобы несколько приблизиться к его разрешению, рассмотрим изменение напряженности магнитного поля во времени. В последние годы возникла новая отрасль науки — археомагнетизм, занимающийся изучением величины и направления остаточной намагниченности, замеренной в образцах, взятых из печей (обожженных кирпичей и гончарной посуды). Во всех случаях, когда температура обжига достигала 800° С, т.е. превышала точку Кюри, имевшиеся в обожженной глине зерна магнитных минералов приобретали очень устойчивую во времени термоостаточную намагниченность. В 60-х годах геофизики Е. Телье и С.П. Бурлацкая исследовали термонамагниченность обожженных человеком образцов глины (время обжига установлено по археологическим данным). Это позволило построить кривую изменения напряженности геомагнитного поля за последние 5000—6000 лет. От наших дней в глубь веков магнитное поле плавно нарастает, достигая максимума примерно в начале новой эры. В тот период оно было в 1,5 раза больше современного. Затем поле начинает убывать вплоть до IV тыс. до н.э. Величина магнитного поля 5000—6000 лет назад была в 2 раза меньше, чем в настоящее время. Если двигаться еще дальше по шкале времени, то поле вновь начнет возрастать, хотя как отмечает С.П. Бурлацкая, для уверенных выводов данных недостаточно. Таким образом, нет сомнений в том, что основная дипольная часть магнитного поля Земли испытывает колебания, вероятно имеющие периодический характер» Возможный период изменений поля превышает 6000 лет. Следует отметить, что если максимальные значения поля заморены точно, то минимальные величины напряженности поля неизвестны.

С помощью палеомагнетизма удалось установить одно интересное физическое явление, сопровождающееся резким и значительным по величине уменьшением напряженности магнитного поля. Изучение магнитных свойств геологического разреза горных пород показало, что в процессе осадконакопления северный и южный магнитные полюсы менялись местами (происходила инверсия знако-магнитного поля). В некоторых геологических периодах было по нескольку инверсий магнитного поля. Не менее девяти инверсий поля произошло в последний плиоцен-четвертичный отрезок геологического времени, длившийся 11 млн. лет. Последняя инверсия магнитного поля на нашей планете отмечена в начале четвертичного периода, т.е. 500—800 тыс. лет назад. Считают, что в среднем поле одного знака существует не менее 500 тыс. лет.

В момент инверсии величина поля уменьшается до 0,3 от нормальной, а если учесть предшествующий уменьшению некоторый «скачок» его величины, то общая амплитуда уменьшения поля примерно равна его нормальной величине. Процесс инверсии магнитного поля Земли изучен лишь в первом приближении. Не исключено, что в период минимальных значений поля в отдельные промежутки напряженность магнитного поля на Земле была меньше 0,3 от нормального.

Легко понять, что органической жизнью нашей планеты наступление инверсии магнитного поля воспринималось как грандиозная катастрофа. Ведь уменьшение напряженности магнитного поля в 3 раза должно вызвать пропорциональное увеличение уровня космической радиации на Земле. Уменьшение напряженности поля происходило на протяжении отрезка времени, измеряемого столетиями, в течение которых животному миру было необычайно трудно приспособиться к резкому увеличению космической радиации.

Недавно канадский ученый-геолог Я. Крейн предположил, что причиной массового вымирания организмов было не влияние радиации, а непосредственно снижение напряженности магнитного поля в процессе изменения его полярности.

Крейн обосновывает свою догадку экспериментами, во время которых живые организмы помещались в искусственное магнитное поле с меньшей, чем у Земли, напряженностью. После 72-часового пребывания в таком поле способность бактерий к размножению уменьшалась в 15 раз; нарушались двигательные рефлексы у ленточных червей и моллюсков; снижалась нейромоторная активность у птиц; у мышей нарушался обмен веществ. При более длительном пребывании появлялись изменения в тканях и возникало бесплодие.

По мнению Крейна, влияние магнитного поля на организм может быть усилено климатическими изменениями, ветрами, снижением температуры плюс потоком космических лучей; и судя по древним окаменелостям, общий результат всех этих влияний на некоторые живые организмы может быть катастрофическим.

В эволюции органического мира эпохи инверсии, возможно, представляли своеобразное «сито», сквозь которое происходил естественный отбор всего живого на Земле.