Книга: Небесные сполохи и земные заботы

3. Полярная звезда и маленькие упрямые стрелки

3. Полярная звезда и маленькие упрямые стрелки

Незримое присутствие магнитного поля Земли люди ощущали давно. В их руках был простенький прибор — компас. Если держать его на ладони, то стрелка, установившись, всегда показывает одно направление. Упрямство стрелки производило впечатление чуда.

«Чудо такого рода, — пишет великий физик А. Эйнштейн в своей «Творческой биографии», — я испытал ребенком 4 или 5 лет, когда мой отец показал мне компас. То, что эта стрелка ведет себя так определенно, никак не подходило к тому роду явлений, которые могли найти себе место в моем неосознанном мире понятий (действие через прикосновение). Я помню еще и сейчас — или мне кажется, что помню, — что этот случай произвел на меня глубокое и длительное впечатление. За вещами должно быть что–то еще, глубоко скрытое».

И здесь же он отмечает, что наука представляется ему в известном смысле как непрерывное бегство от «удивительного», от «чуда».

Научному выявлению магнитного поля нашей планеты помог тот же компас. Он оказался незаменимым при быстром ориентировании в пути. В самом деле, определить направление на север можно, например, по полуденному положению Солнца. Это удается проделать без сложных приборов, просто проследив за движением тени от, скажем, воткнутой в землю палки. Но тень движется из–за суточного вращения Земли. Чтобы ее смещение оказалось достаточно большим, как это необходимо для измерений, нужно по крайней мере несколько часов — время, сравнимое с сутками. В пути, особенно в морском, такое измерение нереально. И люди давно заметили на небе одну–единственную звездочку, Полярную звезду, которая всегда была на одном месте (вернее, почти на одном месте: в науке о Земле все — почти, особенно для современного человека с его точными приборами). Она и помогала держать курс. Но нельзя же двигаться только по ночам, да и то выбирая ясную погоду! Упрямая магнитная стрелка готова была работать всегда, круглосуточно.

Вряд ли мы узнаем когда–нибудь, кто открыл ее чудесное свойство. Самые ранние источники — китайская энциклопедия, составленная между 265 и 419 годами новой эры, а в Европе записки английского монаха Некэма, относящиеся к XII веку, — описывают компас как прибор, уже употребляемый моряками.

Русские использовали компас еще в XV веке. С его помощью они устанавливали свои навигационные знаки — приметные кресты. Таких крестов было очень много на побережье Северного Ледовитого океана. В XVI–XVII веках их видели и описывали западные путешественники. Крестов стало гораздо меньше после 1628 года, когда во исполнение царского приказа «О запрещении морского хода в Мангазею» большая часть крестов была сожжена, «чтоб однолично в Сибирь, в Мангазею, немецкие люди (иностранцы. — Л. А.) водяным путем и сухими дорогами ходу не проискали» — так говорится в отчете непосредственного исполнителя — тобольского воеводы. Эти кресты, сделанные из огромных бревен, своей поперечиной указывают направление магнитной стрелки, а не направление на географический полюс, которое определяется по движению Солнца или звезд (угол между этими направлениями называют углом магнитного склонения).

Что магнитная стрелка отклоняется от географического направления север — юг, китайцы заметили еще в XII веке. Но люди долго не придавали этому значения. Считалось, что магнитную стрелку притягивает Полярная звезда и поэтому стрелка должна указывать на географический полюс, отклонение же ее от этого направления объясняли техническим несовершенством компаса. При недалеких плаваниях это отклонение почти не изменялось, да и ввести на него поправку ничего не стоило.

Всерьез задуматься о причинах такого отклонения пришлось знаменитому Колумбу при обстоятельствах весьма драматических. Он вел свои корабли на запад к берегам еще не открытой Америки. С компасом творилось что–то неладное: угол отклонения его стрелки от направления на Полярную звезду постепенно уменьшался. Потом компас стал указывать точно на нее, и затем стрелка сдвинулась совсем уж в немыслимую сторону! Такое поведение компаса вызывало страх у суеверных моряков. Им хотелось повернуть назад. Назревал бунт. Колумб, решив, что в этих условиях «полезная ложь лучше. вредной правды», незаметно для других повернул картушку — циферблат компаса и объяснил экипажу, что сместилась не магнитная стрелка компаса, а Полярная звезда. Вера моряков в свой компас была так сильна, что им оказалось легче представить себе сдвиг Полярной звезды, чем отклонение стрелки компаса. Они приняли всерьез слова капитана и успокоились. Колумб же стал первооткрывателем переменного магнитного склонения и уже потом — Америки.

Рис. 1. Силовые линии дипольного поля

Этот эффект связан отчасти с несовпадением точек магнитного и географического полюсов нашей планеты — в Северном полушарии расстояние между ними без малого 1600 километров. Осознали это несовпадение не сразу. Человек, введший понятие магнитного полюса Земли, считал, что он совпадает с географическим, а различие в величине магнитного склонения между разными точками на поверхности Земли объясняется расположением материков и океанов: океаны немагнитны, тогда как материки могут быть сложены из магнитных материалов (таких, например, из которых делают магнитные стрелки). Этим человеком был В. Гильберт, ученый и придворный врач английской королевы Елизаветы. В 1600 году вышел его фундаментальный труд по земному магнетизму. Слова «Земля — большой магнит» принадлежат ему.

Для подтверждения этой мысли Гильберт намагнитил железный шар и показал, что на маленькую магнитную стрелку он действует подобно Земле. Теперь физики называют такие лабораторные установки, моделирующие Землю с ее магнитным полем и окружающую часть ближнего космоса, «терреллами»: в переводе с итальянского «террелла» значит «маленькая Земля», «Земелька». Магнитное поле однородно намагниченного шара, изображавшего в опытах Гильберта Землю, имеет характерный вид (рис. 1): каждая силовая линия — это дуга, которая выходит из поверхности шара в Южном полушарии, проходит над экватором и снова входит в шар, но уже в Северном полушарии. Над двумя точками поверхности шара силовые линии поднимаются вертикально (перпендикулярно поверхности, по радиусу) — это точки магнитных полюсов. Чтобы каждый раз не возвращаться к описанию такого магнитного поля, нам придется запомнить его название–термин: дипольное поле.

Магнитное поле, как известно теперь всем, создается электрическими токами. Токи, текущие в глубине нашей планеты, отвечают за ее дипольное магнитное поле.

Но токи на Земле текут не только в ее глубине. Из школьного курса физики мы помним, что микроскопические электрические токи есть внутри всех молекул и атомов, а в намагниченных телах эти токи ориентированы так, что действуют как общий макроскопический ток. Залежи природных магнитных материалов создают аномалии магнитного поля на Земле. Гильберт не зря придавал большое значение их существованию. Они действительно могут быть очень велики: например, в разных точках Курской магнитной аномалии угол магнитного склонения может отличаться на ±180°, а величина поля в два–три раза превосходить величину магнитного дипольного поля Земли. Однако аномальности чувствуются лишь в определенных районах и убывают по мере того, как мы отъезжаем от них. Общее диполь–ное магнитное поле Земли ощутимо по всей планете; Это фоновое поле по отношению к аномалиям. Аномалиями магнитного поля Земли интересуются в первую очередь геологи, ведущие по ним разведку полезных ископаемых, а дипольным, фоновым полем планеты — космофизики. И не только потому, что по мере удаления от поверхности Земли в космос магнитные поля аномалий перестают чувствоваться гораздо раньше, чем диполь–ное поле.

Вернемся еще раз к террелле Гильберта. Хотя магнитное поле однородно намагниченного шара и общее магнитное поле земного шара вне этих шаров одинаковые — дипольные, сами шары «сделаны» из разных материалов. И это принципиально важно. В самом деле, намагниченность постоянного магнита — любого куска магнитного материала — это отражение высокой упорядоченности составляющих его частиц: настолько высокой, что их «микротоки» действуют как один общий ток — настолько они согласованы между собой. Тепловое движение частиц расстраивает эту упорядоченность. Стоит постоянный магнит, в данном случае, терреллу, как следует нагреть или тем более расплавить, как исчезнет ее намагниченность, а значит, и магнитное поле. Но известно, что температура нарастает по мере углубления в недра нашей планеты. В больших пещерах всегда тепло: даже зимой здесь (если нет особых сквозняков) температура не бывает ниже 10–12 градусов. В шахтах — жарко. По современным представлениям, через один километр глубины температура увеличивается примерно на 33 градуса, а по косвенным, но внушающим доверие данным, внутри Земли находится расплавленное, жидкое, ядро. Почему же тогда Земля — большой магнит? И тем более почему Солнце — магнит? Все помнят «пейзажную» зарисовку в стихах Ломоносова:

Какая уж тут, казалось бы, намагниченность! Но магнитные поля на Солнце есть. Есть общее магнитное поле, есть гигантские магнитные аномалии — темные пятна на Солнце. Мы и видим их как темные благодаря магнитному полю: оно здесь настолько велико, что сковывает свободное движение солнечного вещества (это вещество проводит электрический ток, а движение всякого проводника поперек магнитного поля затруднено), и в область солнечного пятна меньше поступает горячего, а следовательно, ярко светящегося вещества из глубин Солнца. И пятна эти появляются, движутся, исчезают и появляются вновь.

«Космос становится лабораторией, в которой мы заново открываем магнитное поле, узнаем о нем нечто новое и тем самым постигаем его роль во Вселенной», — сказал астрофизик Е. Паркер.

Вопрос, как меняется магнитное поле Земли, затрагивает эту собственную, почти еще не понятую людьми жизнь планеты как космического тела. И Земля продолжает жить этой жизнью.

Точные магнитные карты требуют обновления из–за изменений магнитного поля Земли каждые 5–10 лет. Но систематические наблюдения за магнитным полем люди ведут от силы лет 300. И все же есть возможность судить об изменениях его и в более далекие времена. Ученые заметили, что керамические изделия — кирпичи, различные сосуды и т. д. — заметно намагничены. В то же время необработанные глина и песок — практически немагнитные материалы. Оказывается, свою намагниченность керамика приобретает в печи во время обжига и намагничивает ее магнитное поле Земли. Приобретенная намагниченность сохраняется потом очень долго. Это свойство керамических изделий «запоминать» магнитное поле, существовавшее в момент их изготовления, очень полезно для ученых. Особенно надежно удается провести археомагнитные измерения, когда известно, как именно стоял сосуд или лежал кирпич в тот момент, когда производился обжиг. Так бывает, например, когда археологи при раскопках обнаруживают старую печь с невынутой керамикой.

О полях в более далекие времена узнают по аналогичной «магнитной памяти» некоторых геологических пород. Но при таких палеомагнитных измерениях точность определения магнитного поля намного ниже, поскольку за долгие геологические времена «запомнивший» кусок материала успел принять участие хотя и в медленных, но запутанных перемещениях и теперь уже трудно сказать, как именно он был ориентирован, когда «запоминал» магнитное поле.

Все эти прямые, археомагнитные, палеомагнитные данные говорят о том, что магнитный полюс движется, то есть меняются токи внутри нашей планеты, отвечающие за ее общее дипольное поле. Магнитный полюс Северного полушария примерно 570 миллионов лет назад находился возле экватора, потом постепенно смещался на север, пока не достиг своего нынешнего положения между северной оконечностью Гренландии и ближайшей к этой оконечности точкой берега Северной Америки. как уже говорилось, от северного географического полюса его отделяет примерно 1600 километров. И надо заметить, что прошлые положения магнитного полюса, определенные по геологическим образцам, взятым на территории Европы, отличаются от определенных по образцам из Америки. Эту разницу, а она весьма заметна, можно объяснить с точки зрения гипотезы о дрейфе континентов, согласно которой материки движутся друг относительно друга подобно плавающим льдинам. Палеомагнитные измерения заставляют многих ученых поддерживать эту гипотезу.

Перемещается магнитный полюс, и вместе с ним «гуляет» овал полярных сияний.

Во времена морских походов викингов (это примерно 700 год) сияния часто наблюдались над Норвегией и Данией, но в XIII веке это было уже не так. Автору «Королевского зерцала» не зря приходилось расспрашивать о них людей, «длительное время проживших в Гренландии»: сияния в то время были часты именно над Гренландией. Ушли в XIII веке сияния от берегов Европы, но интерес к ним у скандинавов остался.

Любопытно отметить, что, когда вслед за появлением спутников пошла в рост молодая наука космофизика, печаталось множество оригинальных научных работ и историческими обзорами поначалу никто себя не утруждал. Первыми их начали делать скандинавы — сказалась, видимо, древняя викинговская любовь к обстоятельному всестороннему обдумыванию деталей «пожара небес». Недавно доктор Альв Эгеланд, профессор физики университета в Осло, до 1978 года — глава Норвежского комитета по космическим исследованиям, поднял исторические материалы по изучению полярных сияний в Скандинавских странах. Его данные я частично использовала в этой книге.

Специалисты по современным полярным сияниям принимают собственное магнитное поле нашей планеты неизменным: все, что прямо связано с полярными сияниями, длится часы, дни, по отношению к этим, как говорят i науке, «событиям» дипольное магнитное поле Земли можно рассматривать как постоянное. Именно оно важно при изучении процессов, текущих на большой высоте, где даже самые крупные аномалии уже чувствуются слабо. Это дипольное магнитное поле планеты — как бы главный блок в устройстве нашего космического телевизора, для которого экран — небо высоких широт. И хотя, конечно, «на пазорях матка дурит», но эти изменения магнитного поля при телепередачах–сияниях намного меньше собственного дипольного поля, в большинстве случаев — меньше одной сотой его величины.

Первым ученым, сопоставившим полярные сияния и собственное постоянное магнитное поле Земли, был, по–видимому, английский астроном и геофизик Э. Галлей. Это произошло в 1716 году. Этому же исследователю принадлежит заключение, что видимое схождение лучей полярного сияния обусловлено законом перспективного сокращения, а сами лучи направлены по силовым линиям магнитного поля. Галлей был замечательным ученым, наделенным редкостной интуицией и прекрасно чувствующим направление развития науки. О нем вспоминают сейчас все чаще, поскольку подходит срок очередного сближения Земли и кометы, носящей его имя, — встреча произойдет в 1986 году. Галлей произвел сильное впечатление на общественное мнение, рассчитав движение этой кометы и предсказав время ее появления. Своим расчетом он хотел продемонстрировать всем правильность закона всемирного тяготения и вообще законов, открытых его близким другом И. Ньютоном: в них тогда еще сомневались. Галлей помогал делу Ньютона чем мог: так, за свой счет он впервые издал книгу своего друга «Математические начала натуральной философии».

Магнитное поле нашей планеты было объектом пристального интереса Галлея. В 1698 году английское адмиралтейство назначило его, тогда еще молодого офицера и уже ученого, командиром военного судна и поручило ему исследовать магнитное склонение в Атлантическом и Тихом океанах. Им и была построена первая в мире магнитная карта.

Люди все лучше узнавали свою планету. В 1745 году А. де Уллоа во время своего путешествия вокруг мыса Горн видел «северные» сияния в Южном полушарии. Позже обратили внимание, что сияния, которые наблюдал капитан Кук, плавая по южным морям в 1773 году, совпа дали по времени с сияниями, виденными над Европой

Накапливалось все больше фактов, и исследователи начали отчасти тонуть в них. Появилась масса статистических исследований. Главное в статистике — это суммирование, наложение множества данных друг на друга. Далеко не всегда это помогает выяснению истины, а суммирование, выполненное вслепую, даже затемняет ее. В самом деле, направим объектив фотоаппарата на экран домашнего телевизора и сделаем длительную выдержку Потом, проявив кадр, посмотрим, что «в среднем» было видно на экране. Если мы сфотографируем так какой–то кусок программы «Время», это статистическое исследование может еще что–то дать: в центре кадра будет пятно — «образ ведущего», и это отражает действительность. Но если мы не знаем, когда что передают и ведем наблюдения просто всякий раз, когда есть такая возможность, какое представление составится у нас о происходящем на экране? Артист эстрады, любимец публики, — и башни новостроек, лицо комментатора — и размазанные фигуры быстро движущихся хоккеистов — все смешается при наложении, потеряется главное: «сущностный» портрет происходящего. А в геофизике ценятся самые длинные ряды таких наблюдений! Хуже того, порой работают с «изображением» не на всем «экране», а на маленьком его кусочке; другими словами, работают с данными наблюдений из одного пункта. Конечно, некоторые количественные закономерности, и даже объективные, можно подметить и при статистическом подходе. Только как понять, к чему относятся эти закономерности? К самим ли сияниям? К распределению ли по поверхности Земли наблюдательных станций? К изменениям ли космической обстановки — к тем разнообразным и сложным процессам, которые люди смогли изучать лишь гораздо позже, когда появились спутники? Можно, поражая посторонних интеллектуальностью, обсуждать все это и подчеркивать сложность науки, но истину это мало проясняет.

Наука стала буксовать.

Норвежец, автор «Королевского зерцала», живший в XIII веке, удивлялся, что люди, часто видевшие полярные сияния, не имеют четкого представления об их природе. Его соотечественник Ф. Нансен, составляя 750 лет спустя отчет о знаменитом дрейфе зажатого во льдах «Фрама», по существу, вторит ему: «Для объяснения причин северного сияния наши наблюдения дали так же мало, как и наблюдения других экспедиций». И это при том, что один из участников экспедиции — С. Скотт — Гансен по поручению Нансена специально следил за сияниями, которые, как отмечает Нансен, горели над «Фрамом» почти каждые сутки в течение трех долгих полярных ночей!

И что обидно, в массе материалов по полярным сияниям совершенно терялись наблюдения и научные выводы, намного опередившие свое время. Им суждена была лишь судьба подтвердить известное изречение: «Новое — это хорошо забытое старое». Взять ту же экспедицию Нансена на «Фраме»…

Всего несколько лет назад изображения аврорального овала, полученные с помощью спутников, открыли интересное явление, тонкое даже по понятиям современной космофизики: дуги сияний расходятся от обращенной к Солнцу, полуденной, точки овала, как усы у кошки. А вот что сообщает Нансен (его книга вышла в 1897 году под русским названием «В стране льда и ночи»): Скотт — Гансен наблюдал сразу после захода солнца, что «северное сияние распространялось от солнца по всему небесному своду, как полосы на внутренней стороне апельсинной кожицы». Это несомненно то же самое явление.

Впрочем, на это наблюдение Скотт — Гансена обратил внимание Д. И. Менделеев, составлявший программу русской арктической экспедиции. Он полностью занес его в свой конспект.

А сама идея аврорального овала! Мы уже говорили, с каким трудом пробивала себе дорогу идея «мгновенного портрета» системы полярных сияний в 60?х годах нашего века. Но, по свидетельству А. Эгеланда, вывод о том, что полярные сияния образуют светящееся кольцо вокруг Северного полюса, содержался еще в диссертации, защищенной шведским ученым П. В. Варгентином более 200 лет назад! Не так уж много материалов было в его распоряжении, но он сумел обобщить их и сделать правильные выводы.

Однако впереди науку о полярных сияниях ждали два рывка. Один из них был связан с великим переворотом в физике, приведшим к появлению квантовой механики. В 1897 году Дж. Дж. Томсон, исследуя газовый разряд, понял, что существует элементарный носитель электрического заряда — электрон, который и вызывает свечение газа при разряде. X. А. Лоренц ввел представление об электроне в теоретическую физику. Нильс Бор сделал важный шаг к пониманию устройства атома, разобравшись, почему один и тот же атом может светиться разными цветами. Теперь ученые могли узнавать атом по его цветовой палитре — спектру (набору длин электромагнитных волн, которые может «высвечивать» атом, включая и те, которые не воспринимаются человеческим глазом).

Стало ясно, откуда берутся разные цвета, — вопрос, который безуспешно пытался решить еще Ньютон.

Ломоносов думал над происхождением цветов полярных сияний. Теперь, после знаменитого переворота в физике, все становилось на место. Стал ясен принцип свечения полярного неба, стало ясно, что свечение это вызывается отдельными заряженными частицами. Можно было выяснять и обсуждать происхождение и движение этих частиц, другими словами, исследовать процессы, текущие за экраном космического телевизора — над полярным небом.

Второй рывок — появление космических аппаратов, позволивших исследовать это все там, на месте.