Когда возникло магнитное поле Земли и как это повлияло на земную жизнь? Что случится, если полюса поменяются местами? Какие методы ученые используют для того, чтобы уточнить возраст того или иного исторического здания или найти полезные ископаемые? Об этом рассуждает Роман Веселовский, заместитель директора Института физики Земли Российской академии наук по науке, профессор РАН.
– Роман, в вашем институте есть сразу две лаборатории, деятельность которых посвящена изучению магнитного поля Земли. Чем именно они занимаются?
– Да, всё верно. Одна из них – лаборатория главного геомагнитного поля и петромагнетизма. Вторая – лаборатория археомагнетизма и эволюции магнитного поля Земли.
Самая главная лаборатория, ставшая основой всего, – это лаборатория главного геомагнитного поля и петромагнетизма. Как следует из названия, мы изучаем магнитное поле Земли, причем в большей степени не его современное состояние, а то, каким оно было в далёком прошлом.
– А что значит «главное»? Есть какие-то менее главные магнитные поля?
– То магнитное поле Земли, которое мы фиксируем, например, компасом, является суммой нескольких составляющих, которыми являются: главное, аномальное и внешнее. Главное – это то поле, которое генерируется в недрах Земли. Аномальное – это поле, которое создается внешней оболочкой Земли – литосферой, а именно намагниченностью горных пород. А внешнее поле – это поле, которое возникает при взаимодействии частиц солнечного ветра с магнитным полем Земли в околоземном пространстве. Мы изучаем то поле, которое генерируется именно в недрах Земли.
– А палеомагнетизм – это, соответственно, происхождение магнитного поля, история и эволюция?
– Палеомагнитология – это раздел геофизики, особое направление, которое сформировалось где-то в начале XX века и активно развивалось в середине XX века. Основная цель палеомагнитологии – это реконструкция основных характеристик магнитного поля Земли в прошлом.
– Вы выяснили, когда же у Земли появилось магнитное поле? И как это связано с появлением жизни?
– Магнитное поле у Земли существовало уже 3,5 миллиарда лет тому назад. Но предпосылки для его появления возникли буквально через десятки миллионов лет после формирования собственно Земли, то есть около 4,5 миллиардов лет тому назад. Но пока не удается доказать, что поле тогда было. Земля и биосфера действительно обязаны существованием жизни магнитному полю, как сейчас считается. Без магнитного поля жизнь была бы, если бы она была, совсем другая.
– То есть она все-таки могла бы существовать в какой-то форме?
– Сейчас есть такое предположение. Палеомагнитологи по всему миру получают данные о том, что такое сильное магнитное поле у Земли, какое оно есть сейчас, появилось сравнительно недавно, около 540 миллионов лет тому назад. Эта цифра сопоставляется с так называемым «кембрийским взрывом», когда жизнь стала развиваться в совершенно новых формах, в тех, которые мы видим сейчас. А до этого жизнь была, но другая. Тогда и магнитное поле было на порядок слабее, чем сейчас.
– Я слышала, что до «кембрийского взрыва» существовали достаточно сложно организованные животные, но они в корне отличались от нас и не являются нашими предками.
– С «кембрийским взрывом» живые организмы обрели скелет, и это позволило жизни на Земле развиться в совершенно иной форме. Но, конечно, жизнь известна с 4 миллиардов лет, бактерии тогда уже существовали. Это, конечно, жизнь, но в довольно примитивной форме.
– Судя по тому влиянию, которое на нас оказывают бактерии и вирусы, это тоже жизнь. Что вам удалось выяснить важного за годы работы лаборатории?
– Результаты наших исследований используются как для фундаментальной науки, так и для прикладных исследований. Одна из фундаментальных целей наших исследований – реконструировать, каким было поле в прошлом. Важность таких исследований трудно переоценить. Как мы знаем сейчас, поле испытывает переполюсовки, или инверсии, и это, конечно, привлекает основное внимание исследователей, которых интересует, как часто они случаются, что происходит при этих инверсиях и так далее. Скажем, еще чуть более 100 лет назад люди и не подозревали, что магнитное поле Земли может менять свою полярность. Это открытие сделали наши предшественники – первые палеомагнитологи.
В частности, в нашей лаборатории проведены интересные исследования, которые показывают, что как раз перед тем, как магнитное поле у Земли стало сильным, на границе кембрия и докембрия 540 миллионов лет тому назад, оно испытывало очень частые инверсии – до нескольких десятков за миллион лет. Сейчас инверсии происходят в среднем раз в 250 000 лет. Последняя инверсия была 780 000 лет тому назад.
– То есть пора?
– Уже было бы пора, но это не периодический процесс, он, в нашем современном понимании, скорее хаотический, поэтому мы не знаем, когда ждать очередную инверсию. Мы не можем заранее сказать, когда она произойдет.
– То есть это может произойти в любой момент, и мы никак не можем это предсказать?
– Абсолютно верно.
– Если это произойдет, то что будет?
– Мы можем только сказать, что, возможно, инверсия уже началась. Но она, как показывают опять же результаты палеомагнитных исследований, может прерваться в любой момент. Важным признаком инверсии считается то, что напряженность поля начинает резко ослабевать и в какой-то момент даже превращается в ноль. Это самый волнительный момент инверсии – когда у Земли практически не будет магнитного поля, которое защищает её от космического излучения.
– Как долго может продлиться инверсия?
– Долгое время считалось, что инверсия длится первые тысячи лет. Но результаты последних исследований говорят о том, что инверсия может происходить за сотни лет – это очень быстро с геологической точки зрения. Сейчас наш коллега занимается очень интересной темой – изучением магнетизма натёчных образований пещер, главным образом сталагмитов. Эти уникальные хранители информации позволяют изучать магнитное поле Земли в прошлом с детальностью до года. Благодаря им мы надеемся узнать много нового о магнитном поле.
– Человечество не выживет в такой ситуации? Как вы думаете?
– Наши коллеги с физфака посчитали, что самое страшное – это увеличение радиационного фона. Чем больше в атмосферу Земли проникает частиц солнечного ветра и космического излучения, тем выше радиационный фон. Но у нас на поверхности Земли даже в случае отсутствия сильного дипольного магнитного поля радиационный фон увеличится в 2-3 раза. Он и сейчас в 2-3 раза больше в приполярных областях, где люди живут и ничего особенного не происходит. Конечно, это не очень хорошо для здоровья, в том числе поэтому многие хотят переехать в средние широты. Но тем не менее в обозримом для человечества интервале времени ничего страшного не произойдет. Если посмотреть на миллионы лет вперёд – возможно. Но здесь мы ничего не можем пока предсказать.
– Слегка успокоили. Что еще важного вам удалось выяснить?
– Могу кратко рассказать о наших прикладных исследованиях. В частности, мы активно сотрудничаем с «Норильским Никелем», где наши фундаментальные наработки находят свое применение для поиска рудных месторождений в новых районах. Наш метод значительно более дешевый по сравнению с бурением разведывательных скважин.
– А как вы это делаете?
– Если обычные скважины бурятся с помощью дорогостоящих буровых установок, то у нас есть портативная бензиновая пила, к которой приделан маленький бур, и мы выбуриваем образцы горных пород. Изучаем их намагниченность в нашем уникальном приборе – криогенном магнитометре. В результате мы составляем «магнитный портрет» горных пород, с помощью которого можем решать различные фундаментальные и прикладные задачи, в том числе определять области, перспективные для поисков руд.
– Я знаю, что у вас есть немагнитная комната, где сложены образцы горных пород, похожие на типографские литеры в старых советских типографиях. Как эта комната устроена, для чего она?
– Да, эта комната действительно интересная. Она создана для того, чтобы защитить очень чувствительное к внешним магнитным полям оборудование, в частности магнитометр. Она экранирует внешнее магнитное поле где-то в 200-300 раз. С учетом того, что каждый прибор, который мы используем, в свою очередь многократно экранирован, это позволяет выполнять измерения остаточной намагниченности очень слабых в магнитном отношении образцов. Более того, в этой комнате лежат все наши коллекции – образцы горных пород, которые мы изучаем, и эта комната предохраняет их от намагничивания. Устроена она просто. В ее стенках четыре слоя магнитомягкого железа, трансформаторное железо или пермаллой, который и экранирует внешнее магнитное поле.
– Вы не исследовали, что происходит с организмом человека, когда он находится в этой немагнитной комнате? Не сдавали анализы крови до и после входа туда, не мерили давление, пульс, сердечный ритм?
– Вопрос очень насущный. Прямых исследований не проводилось. Но наши опытные сотрудники, которые сидят в этой комнате несколько десятков лет, ближе к пенсионному возрасту говорят, что у них чаще болит голова, чем у всех остальных.
– Но это, знаете ли, у всех так.
– Вы правы, это очень субъективно. Ну, а если серьезно, то такие исследования проводились и проводятся. В частности, сейчас в Калифорнии очень известный палеомагнитолог и биолог Джо Киршвинк проводит такой эксперимент. Он прицепил себе датчики на голову, сидит в магнитной комнате, меняет магнитное поле в ней и смотрит, как мозг реагирует на изменение магнитного поля. И в некоторых случаях изменения магнитного поля приводят к реакциям мозга. Он рассказал, что у своего студента он нашел такую возможность, а у себя – нет. То есть, возможно, у людей когда-то было шестое чувство, которое позволяло регистрировать магнитное поле, как, допустим, у голубей, китов, дельфинов. Но, возможно, мы его утратили вследствие ненужности.
– А может быть, ваши сотрудники, которые работают в немагнитной комнате, тоже имеют такие экстрасенсорные способности?
– Возможно, да. Но для того, чтобы это проверить, нужен серьезный длительный эксперимент, к которому никто не готов. Я читал, что в том числе в Беларуси проводятся эксперименты по влиянию магнитного поля на ток крови. Выяснилось, что очень сильные магнитные поля способствуют образованию тромбов. К сожалению, в учебниках пока нет такого раздела, как влияние магнитного поля на жизнь.
– Мы поговорили о работе первой лаборатории, которую вы назвали. Расскажите о второй.
– Вторая лаборатория была воссоздана в рамках мегагранта Министерства образования и науки России, который мы получили десять лет тому назад. Дело в том, что археомагнетизм – это очень интересное направление, которое позволяет восстанавливать параметры магнитного поля Земли с очень высоким разрешением, с точностью до года, но в историческое время, по артефактам, то есть по тем образцам, которые сделаны человеком. Это обожженный кирпич, керамика и так далее. Интерес в том, что, скажем, работая с палеомагнитными объектами, мы имеем осреднение за очень большой интервал геологического времени. Геологи говорят о миллионах лет как о секундах, и мы можем восстановить, каким было магнитное поле Земли в далеком прошлом с очень большим осреднением во времени. А вот археомагнетизм позволяет прийти к древнему храму, взять оттуда маленький кирпич и по нему посмотреть, каким было магнитное поле в тот момент, когда этот кирпич обжигался.
Собирая в прямом смысле по кирпичикам историю магнитного поля Земли буквально за последние тысячелетия, пока существует цивилизация, мы узнаем очень много нового именно о тонкой структуре магнитного поля, его деталях.
– Вы работаете совместно с археологами в этом проекте?
– Да, эта лаборатория создавалась совместно с археологами из Института археологии РАН. Были экспедиции в Иран, в Таджикистан, в Узбекистан.
– Случались ли какие-то неожиданные открытия?
– Неожиданности нас подстерегают везде. Тем более, мы работаем с очень сложным объектом, с природой, которая непредсказуема. Скажем, были интересные исследования, которые очень сильно меняли возраст исследуемых объектов. То есть мы считали, что возраст этого объекта, скажем, 100 миллионов лет, а оказалось, что он гораздо более древний или молодой. С археологией примерно то же самое. Каждое исследование таит в себе какой-то сюрприз. Или еще хороший пример, правда из области палеомагнетизма: когда вы полетите на Дальний Восток, то будете пролетать над Сибирью, в частности над плато Путорана. Это огромное плато, сложенное лавами, которые все вместе называются «Сибирские траппы». Геологи очень долго спорили, как долго они извергались, поскольку от этого зависела оценка катастрофичности вулканических извержений: именно в это время, около 250 миллионов лет назад, на Земле произошло самое трагическое вымирание живых организмов. Так вот наши исследования показали, что миллионы кубических километров лавы изверглись буквально за десятки тысяч лет. Это очень быстро! Это доказывает, что именно такие извержения вызвали вымирание.
– А здесь есть какие-то прикладные возможности?
– Прикладные возможности здесь в том, что мы можем применять так называемое археомагнитное датирование. Когда мы изучили достаточно большое количество объектов на большом временном интервале для данного района, мы построили кривую того, как магнитное поле менялось на этом интервале времени в этом регионе. Если кто-то находит, допустим, древнюю амфору, то вместо того, чтобы тратить большие деньги на её датирование изотопными методами, мы можем взять образец, быстренько его померить и сказать, какой она имеет возраст. Такие экспресс-методы дешевы и достаточно точны.
– Давайте остановимся на вашей приборной базе. Я знаю, что она достаточно уникальна.
– Да. За средства мегагранта и проводимого в последние годы национального проекта «Наука» наша лаборатория приобрела большое количество современных приборов, в частности это наша немагнитная комната и стоящий в ней криогенный магнитометр вертикальной ориентации - единственный в своем роде в России. В целом в мире их около 100 штук. Наша лаборатория постоянно расширяется, и в ней сейчас уже есть практически все возможные приборы, которые позволяют нам проводить исследования на современном мировом уровне. Даже есть приборы, которых нет больше нигде.
Скажем, за моей спиной находится прибор, который производят инженеры в нашем филиале – в геофизической обсерватории «Борок». Там работал Юрий Виноградов, который сам делал приборы, аналогов которым нет в мире. Этот прибор, по сути, «кухонный комбайн» для нашей науки. Он умеет делать очень много из того, для чего в мире продаются отдельные дорогостоящие приборы. Также в нем есть те функции, которыми не владеет ни один прибор в мире.
– Что это за функции?
– Этот прибор (он называется трехкомпонентный термомагнитометр) совмещает в себе функцию магнитометра и прибора для петромагнитных исследований, то есть в нем можно создавать намагниченность в образцах, причем при разных температурах и в разных полях. В обычной лаборатории для этого стоит несколько разных приборов, и каждый из них стоит по 10 миллионов. А здесь все в одном. И он, конечно, бесценен.
– Давайте скажем о ваших планах. Наверняка они грандиозны.
– Сейчас мы хотим получить мегагрант, поскольку мегагранты дают мощный толчок развитию науки. За их счет нам удается покупать очень важные и недешевые приборы. Например, мы купили вибромагнитометр, который в России достаточно редок. У нас сейчас работает очень много молодежи. Вся эта молодежь пришла только за счет мегагранта. Поэтому грантовая поддержка, конечно, для нас очень важна, и мы всячески стараемся её получать.
Поэтому планы – написать грант, привлечь новую молодежь. А грант мы сейчас пишем для того, чтобы дать новый виток развитию петромагнитному направлению в нашей стране, как мы это сделали за последние 9 лет на примере археомагнитной лаборатории. Дело в том, что археомагнетизм был сильно развит в 60-е – 80-е годы, но потом с уходом старшего поколения это направление, к сожалению, практически не развивалось. И мы как раз за счет мегагранта возродили это направление, привлекли очень известного иностранного ученого Ива Галле из Франции. Он палеомагнитолог, геофизик, мы с ним давно сотрудничаем. Он приезжал сюда, передавал свой опыт нашим аспирантам и молодым сотрудникам. Мы к нему ездим, стажируемся. Интенсифицируется международный обмен, это очень удобно и интересно. А сейчас мы хотим возродить такое направление, как петромагнетизм.
– А что это такое?
– Это набор методов, которые позволяют диагностировать магнитные минералы в горных породах и изучать магнитные свойства горных пород. Чтобы получить надежный, хороший палеомагнитный результат, который может быть применен с уверенностью для решения фундаментальных и практических задач, мы должны его обосновать, доказать, что это действительно хороший результат. И вот в качестве этих доказательств чаще всего используются петромагнитные методы, которые говорят: да, в этой породе такой хороший носитель магнитной информации, что он содержит запись магнитного поля Земли с возрастом миллиарды лет. Мы можем этому верить. А может быть, не можем верить. Эти группы методов широко развиты за рубежом, надо «подтянуть» их до мирового уровня и у нас в стране.
