"Щит и меч Земли"

Магнитное поле предохраняет нас от космической радиации и солнечного ветра. Без него не было бы жизни на нашей планете. Что будет, если случится инверсия магнитного поля?

Оказывается, инверсия магнитного поля – реальная опасность. Как избежать губительных для всего живого последствий? На эти вопросы отвечает Валерий Прохорович Щербаков, заведующий лабораторией палеомагнетизма и исследования вещества горных пород Геофизической обсерватории «Борок» Института физики Земли Российской академии наук, доктор физико-математических наук, профессор.

– Валерий Прохорович, чем занимается ваша лаборатория, какие научные проблемы решает?

– Лаборатория со дня своего основания 60 лет тому назад занимается двумя темами – изучение поведения геомагнитного поля в геологическом прошлом и исследование вещества горных пород с помощью электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа и других аналитических методов.

Лаборатория была основана Александром Сергеевичем Большаковым, который приехал в Борок вскоре после того, как наш поселок организовался как научный центр. Первое время наши приборы собирались из подручного материала. Особенность палеомагнетизма и магнетизма горных пород заключается в том, что для наших целей  не годятся стандартные физические приборы, используемые в физике магнетизма, потому что то, что мы измеряем, – это породы с очень слабой намагниченностью и со слабыми полями, индуцирующими эту намагниченность. А физики обычно имеют дело с сильными материалами и сильными магнитными полями, поэтому их приборы нам, как правило, просто не подходили.

– Как же вы решаете эту проблему?

– Сначала просто искали хороших инженеров, которые приходили сюда работать. Они строили самодельные приборы, учитывая иностранный опыт. Вообще геофизика – наука по определению международная. Мы не можем существовать в изоляции, и мы не существовали в изоляции даже тогда, когда Советский Союз был сильно закрыт от иностранных ученых. У нас были достаточно сильные связи по разным каналам, в том числе, и по приборостроению. Тогда нами были построены самодельные астатические магнитометры, а позже так называемый рок-генератор, который делали уже в массовом порядке в Баку. Этот прибор был страшно тяжелый, переносить его можно было только вдвоем, но, тем не менее, свою функцию он выполнял. Поскольку у нас в те года была большая дружба со странами социалистического лагеря, в частности, с Чехословакией, то в Брно взяли этот проект и сделали из него уже достаточно хорошо смотрящийся прибор, который теперь называется JR. Сейчас  это – современный прибор высокой чувствительности, и его в различных модификациях продают в достаточно больших количествах по всему миру. Хотя фактически он первоначально был сконструирован у нас. Вот так мы и выживали.

– Валерий Прохорович, я знаю, что в вашей лаборатории до сих пор находятся уникальные приборы, которыми вы активно пользуетесь, и они вас не подводят. Расскажите, пожалуйста, что это за аппаратура.

– Как я уже сказал, для того чтобы измерять слабую по величине намагниченность горных пород, были изобретены рок-генераторы. Но для наших целей нужно измерять намагниченность образцов не только при комнатной температуре, но и при нагреве при высоких температурах, при этом одновременно прикладывать к образцам магнитное поле. А для этого нужны были печки. Печку сделать – ну, кажется, что такого сложного. Сложил ее – да и все. Это не так. У нас должна быть печка, помещённая в немагнитный экран, так как эксперименты нужно проводить в немагнитном пространстве. Для экранов есть хорошо известный в физике материал – пермаллой. Таким образом, эксперимент получался достаточно громоздким – сначала образец греем до какой-то определённой температуры, охлаждаем, измеряем его намагниченность в этом самом рок-генераторе при комнатной температуре, греем до более высокой температуры и т.д. – этот цикл повторяется 10-20 раз. 

Такая ситуация никого не устраивала, было понятно, что надо как-то совместить нагрев и измерения, имея при этом возможность измерять намагниченность образца непрерывно в ходе всего цикла (нагрев – охлаждение). И вот для этого Константин Бураков из нашего Института физики Земли ещё в прошлом веке изобрёл термомагнитометр с вибрирующим образцом (внутри печки в пермаллоевом немагнитном экране вибрировал вертикально расположенный образец). Этот прибор довольно долго и успешно работал в московской лаборатории нашего института.

В это же время у нас в Борке появился талантливый инженер Юрий Виноградов, который повторил и модернизировал прибор Буракова. В новом варианте термомагнитометр теперь «умеет» измерять полный вектор намагниченности во время  нагрева и охлаждения  образца. Ну, а поскольку связи с иностранцами у нас всегда были, в Борок нередко приезжали наши коллеги специально работать на этих уникальных приборах, которые им очень нравились. Надо сказать, что конструкторская мысль на Западе тоже не стояла на месте, и независимо от нас в Париже несколько лет назад был сконструирован их собственный вариант подобного термомагнитометра специально под задачи археомагнетизма.

Сейчас наш прибор модернизирован и целиком управляется компьютером, так что мы ставим образец в державку, запускаем программу, и после её выполнения берём уже готовые для обработки файлы. А для наиболее трудоёмких экспериментов по определению палеонапряжённости, где требуется выполнить десятки последовательных нагревов, варьируя величину поля и измеряя намагниченность после каждого цикла нагревов, мы оставляем прибор работать на ночь,  утром приходим и собираем уже готовый результат. Как народ шутит, хорошо бы он еще и статьи писал, этот прибор. Статьи он, к сожалению, не пишет, но такого рода приборы, действительно, уникальные.

Виноградова, к сожалению, уже нет с нами, но в лаборатории остались его коллеги. Они помогают нам в эксплуатации уже имеющихся приборов, а в последнее время  изготовили и новые экземпляры для нужд нашего Института. Как я уже сказал, подобные же приборы в единичных экземплярах сделаны и за границей (Париж), но наши приборы по-прежнему более чувствительны и надёжны.

– Валерий Прохорович, давайте поговорим с вами о результатах ваших научных исследований, которые с помощью этих приборов удается получить. Особенно интересно узнать о тайнах геологического прошлого и различиях в магнитном поле Земли, которые вы наблюдаете. Получается, что магнитное поле все время меняется, и сейчас оно совсем не такое, каким было, например, там 2000 или 5000 лет назад. Это так?

– Совершенно верно. Магнитное поле Земли меняется каждую секунду, хотя, конечно, каждую секунду не так сильно изменяется. Надо сказать, что магнитное поле Земли стали на постоянной основе изучать с тех пор, как началось мореплавание в открытом океане.  И постепенно заметили: поле непостоянно, его направление меняется, за 100 лет эти изменения становятся вполне заметными, в результате приходилось постоянно корректировать магнитные карты.

А в конце 19 и начале 20 веков начали исследовать магнитные свойства горных пород. В то время еще не очень ясно было, какого они возраста, насколько это старые породы, поскольку исследование возраста пород началось позже в 20-ом веке. И вот в начале 20-го века японцами было обнаружено, что существуют породы, намагниченность которых направлена обратно современному полю. Стало понятно, что направление геомагнитного поля со временем может изменяться очень сильно, вплоть до обратной полярности. Дальнейшие исследования подтвердили факт наличия пород с обратной полярностью, тогда и возникло понятие «инверсия геомагнитного поля».

Исследование инверсий оказалось очень интересной и плодотворной областью, в которой трудилось и трудится множество как отечественных, так и зарубежных ученых. В результате в настоящее время мы имеем, кроме стандартной геологической стратиграфической шкалы, также и магнитостратиграфическую шкалу, у истоков которой стоял наш выдающийся палеомагнитолог Алексей Никитич Храмов (Санкт-Петербург). Согласно этой шкале, в течение последних полмиллиарда лет инверсии происходили не менее тысячи раз.

При этом последние 160 миллионов лет изучены достаточно подробно, и с высокой степенью надёжности можно сказать, что за это время в среднем каждые 200 тысяч лет происходила инверсия, когда полюса менялись местами.

– Каким образом это происходит?

– Это важный вопрос, который напрямую связан с вопросом об эволюции геомагнитного поля в течении жизни Земли как планеты.  Основными его характеристиками являются направление и напряжённость, и наша лаборатория всегда специализировалась именно на изучении напряжённости поля как во время инверсии, так  и во всей геологической истории Земли.

Надо сказать, что исследование палеонапряженности – самый трудоемкий процесс в паолеомагнетизме. Почти как по Маяковскому – «изводишь единого слова ради тысячи тонн словесной руды». А мы ради одного факта изводим многие килограммы горных пород, потому что горные породы, несмотря на свою кажущуюся твёрдость и постоянство, на самом деле очень капризный объект. Чтобы измерить напряженность, нужно, чтобы горная порода сохранила до настоящего времени запись о величине и направлении геомагнитного поля, которое было во время её формирования, и чтобы сама порода  не изменялась в процессе лабораторных нагревов. Эти требования достаточно жесткие. Поэтому мы исследуем не только намагниченность породы, но и её физико-химические свойства, и  здесь нам в помощь различного рода микроскопы, рентген, достаточно прецизионная магнитометрическая аппаратура и т.д. Одним словом, это просто отдельная область физики магнетизма, называемая магнетизмом горных пород.

Но, к сожалению, в отличие от обычных физических наук, у нас невозможно проверить с помощью прямого эксперимента, что мы получили. Например, мы говорим о том, что магнитное поле пару миллионов или миллиардов  лет тому назад имело такую-то напряженность, такое-то направление, но мы ведь не можем провести прямое измерение поля в те необозримо далёкие эпохи, а делаем выводы на основе только косвенных измерений, полученных при исследовании намагниченности горных пород. А это, как уже сказано, достаточно непростые и капризные вещи. Поэтому большая часть статей по палеомагнетизму посвящена тому, чтобы доказать: то, что мы измерили, действительно надежно, именно на это уходит значительная часть работы с коллекциями.

– Какие же данные вы получили?

– Очень обсуждаемая тема – напряжённость геомагнитного поля во время его инверсии, т.е. смены знака магнитных полюсов. Надо понимать, что инверсия происходит вовсе не так, что магнитный диполь Земли поворачивается на манер поворота стрелки компаса. В реальности это процесс, занимающий примерно 10000 лет, в течение которого происходит следующее: положение магнитных полюсов постепенно смещается от полярных областей в сторону средних и экваториальных широт,  параллельно этому напряжённость поля убывает до значений, раз в 10 меньше её современной величины.

Через несколько тысяч лет поле начинает восстанавливаться по величине и стабилизироваться по направлению, но только с обратным расположением геомагнитных полюсов. Таким образом, в самый разгар инверсии геомагнитный диполь как бы «исчезает», остаются только мультипольные составляющие геомагнитного поля с достаточно сложной геометрией. 

Если сейчас (в нормальный период), благодаря дипольному характеру поля,  имеются хорошо выраженные северный и южный магнитные полюса, то во время инверсии, при слабой дипольной компоненте, их может быть, например, четыре. Они к тому же быстро перемещаются по земной поверхности в силу высокой нестабильности поля.

Что же касается геологических эпох, то напряжённость поля и в стабильные периоды по ходу эволюции Земли как планеты могла существенно изменяться. Скажем, часть мезозоя, в интервале от 130 до 250 миллионов лет тому назад, характеризуется напряжённостью примерно в три раза меньше, чем в настоящее время. Если же уходить вглубь времён на миллиарды лет, то возникает другой интересный вопрос: когда  вообще возникло геомагнитное поле? Согласно современным данным, это случилось достаточно рано. Если самой Земле как планете примерно 4 миллиарда 500 миллионов лет, то уже 4 миллиарда лет тому назад геомагнитное поле уже точно генерировалось. Это на самом деле экзистенциальное событие, потому что, если бы не было магнитного поля, то не было бы и атмосферы на Земле.

– И не было бы жизни…

– Да, это была бы безжизненная пустыня вроде Марса. Потому что солнечный ветер, особенно на ранних стадиях, когда Земля зарождалась, снес бы всю эту атмосферу. А магнитное поле – это тот самый пресловутый экран, который защищает нас от солнечного ветра. И тот факт, что у нас очень рано возникло магнитное поле, – это большое счастье и необходимое условие для того, чтобы вообще на Земле возникла достаточно сложная жизнь.

Конечно, существенно и то, что это магнитное поле продолжает непрерывно существовать со времени его возникновения,  но и здесь в последнее время обнаруживаются интересные вещи. При исследовании развития земной биоты всегда выделяют так называемый кембрийский взрыв, случившийся  примерно 540 миллионов лет тому назад, когда произошла смена геологических эпох – протерозой сменился на фанерозой – эру жизни. Нельзя сказать, что жизни не было в протерозое – она была, но настоящие сложные многоклеточные организмы возникли как раз на рубеже протерозой/фанерозой, в так называемое кембрийское время. Этот переход к разнообразию жизненных форм и называется «кембрийским взрывом», потому что развитие жизни от простейших форм до большого разнообразия организмов произошло за короткое, по геологическим понятиям, время – 10-20 миллионов лет.

Так вот, случайно или нет, но последние исследования, которые проводились в нашей лаборатории и, как оказалось,  параллельно – в США известным геомагнитологом Джоном Тардуно, показали одно и то же – на каком-то этапе на границе протерозоя и фанерозоя напряжённость геомагнитного поля была меньше его современной величины примерно в 10 раз, то есть поле было слабым и переменчивым, подобно полю во время инверсии.

– Не могло ли именно это явление и спровоцировать кембрийский взрыв?

– Такая гипотеза имеет место, точнее, предполагается, что слабое поле – один из многих факторов планетарного масштаба, описывающих происходившее на Земле в этот период. Причины кембрийского взрыва – это интересная и горячая междисциплинарная проблема, и влияние особенностей поведения геомагнитного поля в эту эпоху также заслуживает тщательного изучения. Кроме того, мы активно занимаемся вопросом возможного существования так называемых аномальных эпох, когда в истории Земли работа геомагнитного динамо давала сбой, приводя к аномальному поведению геомагнитного поля на поверхности Земли типа того, что происходит во время инверсии. Возможно, в это время что-то необычное происходило в ядре Земли.

Например, по одной из гипотез предполагается, что именно к моменту кембрийского взрыва стало возникать твердое ядро внутри жидкого ядра Земли, а это очень сильно меняет работу геомагнитного динамо, поэтому характеристики геомагнитного поля на поверхности Земли, естественно, будут претерпевать большие изменения.

Иными словами, все в Земле взаимосвязано. То, что происходит в ядре Земли, может влиять и на её биоту. С другой стороны, возможны и  обратные процессы, например, ход жизненных процессов на Земле может  существенно повлиять на её климат.

– Валерий Прохорович, периодически ходят слухи о том, что нас скоро ждет инверсия магнитного поля. Так ли это, и что будет, если это произойдет?

– Здесь есть разные спекуляции. Но, тем не менее, пренебрегать этим эффектом нельзя, как нельзя и исключать такую возможность. О необычной структуре магнитосферы (то есть нашего магнитного щита) мы с моим коллегой написали теоретическое исследование еще в 1991-ом году. Позже, примерно в 2000 году, на нее обратили внимание коллеги в Германии, и эта тема интенсивно разрабатывалась специалистами в области магнитосферы и ионосферы.

Что может происходить в период инверсии? Магнитосфера как магнитный экран в это время совсем не исчезнет, поскольку геомагнитное поле, хотя и сильно ослабленное, и, возможно, мультипольное по своей геометрии, всё же останется существовать. Однако его защитные силы в плане экранирования от солнечного ветра и космической радиации, сильно упадут. Действительно, сейчас геомагнитные полюса находятся в районе географических полюсов. Земля вращается, но оба магнитных полюса направлены в сторону, перпендикулярную Солнцу, поэтому конфигурация магнитосферы мало меняется, несмотря на суточное вращение Земли, что и обеспечивает магнитное экранирование от внешних воздействий.  

Но если произойдет инверсия, то геомагнитные полюса смогут «гулять» по всей Земле и наверняка какой-то из полюсов попадёт в подсолнечную точку, расположенную в районе экватора.

– И что тогда случится? Белые медведи и пингвины совершенно растеряются и не поймут, куда им бежать?

– В образовавшуюся «дыру» в магнитосфере (так называемый касп) ринется солнечный ветер, и его набьется столько, сколько в нормальной магнитосфере никогда не бывает. Полярные сияния будут сиять по всей Земле, солнечная плазма начнет бомбардировать непосредственно ионосферу. В результате возникнут такие магнитные бури, на фоне которых нынешние покажутся песчинкой в пустыне. Сейчас то, что называется  магнитной бурей, на самом деле представляет собой лишь слабое возмущение геомагнитного поля, когда его напряженность в средних широтах даже в сильную бурю меняется не более чем на одну десятую процента. А во время инверсии возникнут реальные бури, потому что поле будет изменяться за счёт суточного вращения Земли на такую же величину, как и сама величина поля. При этом могут возникнуть сильные ионосферные токи, Земля окажется набитой электронной и ионной плазмой, напряжённость электрических полей в атмосфере и ионосфере Земли, скорее всего, сильно возрастёт, что может привести к мощнейшей грозой активности по всей Земле. Иначе говоря, необычные геофизические процессы, происходящие в период инверсии, а это тысячи лет! – могут существенно изменить климат Земли и повлиять на эволюцию земной  биосферы.

– Звучит пугающе. Возможно ли здесь прогнозирование?

– Как я уже говорил, за последние 160 млн. лет в среднем каждые 200 тысяч лет происходила инверсия, когда полюса менялись местами, при этом последняя инверсия была уже 780 тысяч лет тому назад, то есть наступление следующей инверсии несколько   задержалось. Соответственно, по теории вероятностей, пора бы ей и произойти в скором времени.

– В любой момент?

– Нет, это не так просто. Анализ статистики инверсий показывает, что на самом деле вероятность того, что она начнётся в обозримом будущем, мала, хотя полностью и этого исключить нельзя. Как показывают расчёты, статистическая вероятность того, что она произойдет в ближайшие 30 тысяч лет – примерно 5 процентов. Не так уж и мало. А к тому же, как известно из инструментальных наблюдений, в последние 400 лет напряжённость магнитного поля Земли падает примерно на 5 % за столетие. Остановится ли это падение в последующие несколько столетий – большой вопрос. Иначе говоря, человечеству, вообще-то говоря,  нужно быть готовым к тому, что в ближайшие 200-300 лет поле может сильно измениться.

– Валерий Прохорович, самый главный вопрос: а каким образом человечество может к этому подготовиться?

– Не так давно я оказался в жюри Всероссийской олимпиады школьников, и там был задан такой вопрос: если сейчас наступает инверсия, что вы будете делать? И школьники предлагали свои варианты. Наиболее популярное предложение было примерно такое: «А давайте мы сделаем такой большой ток, который сгенерирует сильное  магнитное поле и компенсирует отсутствие геомагнитного».

– Но, наверное, не хватит у нас для этого мощности.

– Да, пришлось им объяснить, что это на настоящем этапе технологического развития это абсолютно невозможно, потому что вы не представляете себе энергетических масштабов стихийных процессов, связанных с Землей.

– Может быть, какие-то подземные бункеры создавать?

– Подземные бункеры – это был второй вариант. Однако, вариант спрятаться от космического излучения в подземных убежищах вряд ли кого устроит, если иметь цель обеспечения нормальной жизни людей. На самом деле, не обязательно по всей Земле делать немагнитное пространство. Достаточно сделать большие немагнитные купола, под которыми можно жить. В этих куполах вполне технологически возможно создать ситуацию, когда мы будем жить в искусственном магнитном поле, защищающем нас от разного рода катаклизмов. Так или иначе, но проблема остается открытой, и пока что приемлемого варианта её решения нет – не привыкли люди строить долгосрочные планы. Поэтому важно об этом рассказывать, предупреждать о возможной опасности и необходимости поиска решений, которые помогут предстоящие риски минимизировать.

Фотографии из личного архива Валерия Прохоровича Щербакова