Строение магнитосферы земли

ЭВОЛЮЦИЯ ПЛАНЕТЫ

Простое разделение вещества планеты по плотности так бы и происходило до сегодняшнего дня, как это случилось (на ранних стадиях) с Марсом или Венерой, Однако на их поверхности нет рифтов и движущихся континентов, хотя первичный материал, из которого сформировались эти планеты, был почти один и тот же.

На Земле, в отличие от Марса и Венеры, были водные бассейны. В них образовались осадочные породы и затем в процессе метаморфизации они превращались в граниты. Иными словами, кроме базальтовой коры, на Земле случились граниты. А гранитная кора отличается тем, что она легче и может образовывать достаточно «легкие» континенты, плавающие на более плотных базальтах.

С другой стороны, для того чтобы происходило движение плит по поверхности планеты, необходимо перемещение вещества под ней. На остывшем Марсе этот механизм не работает. На Венере работает. Но континентов, подобных земным, на ней нет. Потому что на Венере нет океанов, нет воды, нет даже льда, который лежал бы на базальтах.

Жидкая вода на поверхности оказалась только на одной планете, только на ней появились граниты, которые были включены в сложный процесс дифференциации вещества, начавшегося после массивной бомбардировки Протоземли астероидами и метеоритами. И стоило только появиться первой гранитной выплавке, как тут же из нее были «построены» первые континенты. Именно они, перемещаясь по Земле, подобно ледоколам, вспарывают ее недра до самого ядра. Только они управляют процессами возникновения или затухания потоков из самых глубин мантии. Не будь на Земле континентов, не было бы того целостного и упорядоченного механизма, который все перемешал внутри нашей планеты. С другой стороны, движение, твердых плит строго закономерно, и, однажды возникнув, они неминуемо должны были вновь и вновь образовывать суперконтененты, чтобы затем расходиться в разные стороны. Количество континентов, их форма могли быть произвольными, но, однажды образовавшись, они уже запустили современный геодинамический «котел» внутри Земли.

С этого времени начинается геологическая стадия развития Земли.

Геологические процессы можно разделить на два типа. С одной стороны, это подземные вулканические и иные силы, приводящие к излиянию лав и подъему или опусканию земной коры; с другой – процессы разрушения, эрозия горных пород, перенос их водами и ветром по земной поверхности.

Пока на Земле вода была только в парообразном состоянии, переноса горных пород практически не происходило. Вулканические горы еще не размывались, а пониженные места между вулканами не заполнялись осадками. С появлением на Земле жидкой воды впервые возникли осадочные породы, отлагавшиеся в неглубоких еще тогда морских водоемах. В результате поверхность планеты стала более ровной, поскольку высокие вулканы разрушались и постепенно исчезали с земной поверхности, если подземный очаг переставал работать. Хота поверхность планеты уже остыла, на небольшой глубине земные породы были по-прежнему разогреты и потому достаточно пластичны. В этот период земная кора еще не трескалась и крупных разломов не существовало.

Следующая стадия эволюции коры начинается 3-2 млрд. лет назад. К этому времени земная кора уже остыла на всю глубину (20–40 км) и приобрела необходимую хрупкость. В местах максимальных напряжений земная кора стала трескаться. Возникли глубинные разломы. Вдоль них образовались прогибы, где накапливались многокилометровые толщи осадков.

Геологи называют платформой область с двухъярусным строением: внизу – смятый в складки плотный фундамент; выше – полого лежащий рыхлый осадочный чехол. В пределах платформ выделяют два вида структур – щиты и плиты. Первые вплоть до настоящего времени испытывали поднятия; в их пределах осадочный чехол отсутствует. На щитах длительно (до миллиарда лет) идет размыв кристаллических пород фундамента, благодаря чему на дневную поверхность выходят породы с возрастом 2–4 млрд. лет.

Плитами называются пространства платформ, фундамент которых перекрыт осадочным слоем.

Второй класс структур земной коры – геосинклинали. Важнейшая отличительная их черта – много большая контрастность движений по сравнению с платформами. Образованию геосинклинального пояса предшествовало заложение системы разломов большей протяженности (тысячи километров) и глубокого заложения. В результате поверхность земного шара оказалась состоящей из «обломков» древних платформ, разделенных геосинклинальными поясами. Наиболее протяженным является Тихоокеанский пояс, обрамляющий с востока, севера и запада впадину Тихого океана. Следующий по величине – Средиземноморский пояс. Он начинается в районе Гибралтарского прогиба и протягивается через Средиземное море, Кавказ, Памир и Гималаи в Зондский архипелаг, где сливается с Тихоокеанским поясом. В пределах нашей страны находится большая часть Урало-Монгольского геосинклинального пояса. В него входят Урал, геосииклинальные структуры Казахстана, Тянь-Шаня, Алтая, Саян и большая часть Монголии. Этот пояс также стыкуется с Тихоокеанским. Кроме того, выделяют Атлантический и Арктический пояса, но они в значительной степени перекрыты океанами и на дневную поверхность выходят лишь их краевые части.

Между складчатыми поясами расположены платформы, которые обычно разделяются на две группы: северную и южную.

Северная именуется Лавразиатской. В нее входят три платформы: Североамериканская, занимающая большую часть континента Северной Америки и Гренландии; Восточно-Европейская, которая включает почти всю Европу (ее также называют Русской платформой). Сибирская, протягивающаяся от Енисея на западе до Алдана и Лены (на востоке).

Южная группа платформ именуется Гондванской. Геологи установили, что в конце палеозойской и в начале мезозойской эры все платформы южного полушария (Бразильская, Африканская, Индийская и Австралийская) развивались очень сходно – были близкие климатические условия, почти тождественные флора и фауна. Значит. 300–200 млн. лет назад платформы южного полушария составляли единый гигантский материк – Гондвану.

Третья стадия развития Земли до некоторой степени продолжается и сейчас, что подтверждается различными типами тектонических движений на континентах. Однако, по-видимому, с палеозойской эры, т.е. примерно 0,5-0,3 млрд. лет назад. Земля вступила в четвертую стадию эволюции, которую с полным правом можно именовать океанической. Важнейшей особенностью этой стадии жизни нашей планеты является уничтожение мощной континентальной коры и превращение ее в тонкую (5–7 км), океаническую.

Главной особенностью процесса океанообразования является то, что, начавшись, вероятно, в пределах относительно узкой, может быть линейной, зоны, он затем постепенно расширялся, захватив к настоящему времени пространство, превышающее площадь материков.

Какие глубинные условия определяли начало процесса океанообразования, остается пока неясным. Предполагают, что в основе этих процессов лежит разогревание Земли в результате радиоактивного распада.

Обширные глубоководные океанические равнины – это, очевидно, былые платформы. Недаром многие геологи по аналогии с континентами называют их талассократонами (опустившимися платформами). О сходстве океанических равнин с платформами материков свидетельствуют их огромные размеры, отсутствие в них каких-либо активных тектонических движений, например сейсмической деятельности.

Океаническую стадию следует рассматривать как завершение гигантского мегацикла в истории Земли, длившегося 4–5 млрд. лет. В течение этого периода в коре близ ее поверхности накапливались такие элементы, как кремнезем, щелочи, кальций, создавался гранитный слой, выделялась вода. Некоторое количество воды достигло земной поверхности, но большую ее часть, как губка, впитал в себя верхний слой мантии. Возник мощный слой обводненных пород. В океаническую стадию жизни Земли вода, наконец, была «выжата» на поверхность Земли. Может быть, впервые за всю многомиллиардную жизнь коры слагающие ее химические элементы расположились в закономерной последовательности: вверху самые легкие, ниже тяжелые и плотные – вода, йод ней кремнезем, еще ниже алюмосиликаты и внизу силикаты с высоким содержанием магния и железа.

Вопрос 4

Граничные поверхности Земли и их роль в «процеживании» солнечного излучения.

СТРОЕНИЕ МАНТИИ ЗЕМЛИ

О более глубоком строении планеты позволяют судить результаты сейсмической томографии. Геофизикам давно уже известно, что скорость прохождения сейсмических волн строго определяется физическими свойствами среды. Чем плотней вещество, чем оно тверже, тем больше скорость прохождения сейсмических волн, чем размягченнее, тем скорость меньше. Разные волны – продольные, поперечные – с разной скоростью проходят через твердые или жидкие вещества. Скажем, поперечные волны не проходят через земное ядро, и поэтому ученые пришли к заключению, что ядро, по крайней мере, внешнее ядро Земли, жидкое. Таково свойство поперечных волн: они не могут пройти сквозь жидкую среду.

С помощью такого зондирования была получена объемная, трехмерная картина строения внутренности Земли.

Первое: структура земных недр оказалась очень неоднородной по вертикали. Она различна в верхней и нижней мантии. И второе: структура земных слоев оказалась и по горизонтали чрезвычайно неоднородной по всему земному шару.

С помощью сейсмической томографии и были обнаружены неровности на границе ядро – мантия.

Поскольку литосферные плиты представлялись как жесткие тела, которые перемещаются по земной сфере, то это дало возможность математически описать движение литосферных плит. Была использована известная теорема Эйлера, санкт-петербургского академика XVIII века, о том, что любое перемещение тела по сфере может быть описано в виде вращения вокруг оси, проходящей через центр этой сферы. Так были получены пути движения литосферных плит.

У новой теории были свои уязвимые стороны. Тектоника литосферных плит рассматривала процессы перемещения масс вещества и. следовательно, энергии лишь в верхних оболочках Земли, почти не трогая внутренней части Земли – ее недр.

Канадский геофизик Туз Вильсон и американец Джесоп Морган предположили, что где-то в мантии Земли существуют гипотетические горячие точки. Важно, что они неподвижны. Неподвижны относительно оси Земли, относительно мантии. Значит, плита, проходя над такими горячими точками мантии, как бы прожигается ими снизу, и след движения над такой горячей точкой мы наблюдаем в виде появления на поверхности серии вулканов.

И действительно, многие современные горячие точки, Гавайи например, сопровождаются хвостами из цепочек вулканических гор, хребтов. Очень протяженные, они тянутся на две-три тысячи километров. Эти «хвосты» не обязательно прямолинейны, могут быть изгибающимися. По существу, они отражают тот путь, по которому проходила литосферная плита над горячей точкой.

Эти горячие точки до сих пор используются для того, чтобы оценить, каким образом перемещаются литосферные плиты в так называемой абсолютной системе координат. То есть не только по отношению друг к другу, а в какой-то независимой системе отсчета, которая как-то привязана к мантии Земли и, очевидно, неподвижна по отношению к оси вращения Земли.

В последнее время появилось несколько статей, посвященных статистическому анализу распределения горячих точек на земной поверхности. В них ученые пришли к тому же выводу: это не беспорядочное, а очень регулярное расположение, и грубо можно выделить четыре крупных поля распространения этих горячих точек.

Одно охватывает значительную часть Тихого океана – тихоокеанское. Второе – это африканское поле, если можно его так назвать. Оно включает в себя не только Африку, но и прилежанию часть Атлантического океана – острова Канарские, Зеленого Мыса, Вознесения, Елены, многие другие, а также Исландию и ряд островов в Индийском океане. Эти два поля, каждое из которых имеет в поперечнике девять – десять тысяч километров, охватывают четверть поверхности земного шара, не меньше.

Есть еще по меньшей мере два малых поля. Одно относится к Австралии. Другое охватывает нашу Восточную Азию. Его можно назвать байкальским, или восточно-азиатским. Возможно, оно продолжается до Юго-Восточной Азии. Эти поля имеют меньшие размеры – несколько тысяч километров в поперечнике. Но и те и другие – это очень большие области, которые не связаны с границами плит. Больше того, анализ показывает, что они остаются устойчивыми по крайней мере последние 150–160 миллионов лет. Следовательно, это устойчивые аномалии на земной поверхности, связанные с проявлением вулканизма.

Ученые пошли дальше и выяснили, что эти горячие поля отражаются и в некоторых других чертах земной поверхности. Прежде всего, оказалось, что к горячим полям приурочены очень крупные поднятия в рельефе земной поверхности. Эти своды имеют тысячи километров в поперечнике и высоту около 500 -1000 метров. Оказалось, что к горячим полям приурочены повышения геоида. А расположенным между ними холодным нолям соответствуют понижения и отрицательные искажения геоида. Это, например, районы Индии или наша Евразия.

В последние годы было закартировано положение астеносферы (слоя, который подстилает твердую оболочку Земли, в котором вещество находится в размягченном состоянии и по которому, как по смазке, перемещаются литосферные плиты).

Астеносфера картируется примерно так же, как картируется зеркало грунтовых вод. Ведь грунтовые воды мы тоже не видим, а судим о них по уровню стояния воды в колодцах и скважинах. Вот так же можно закартировать астеносферу, только колодцами будут служить кратеры вулканов или трещины на дне рифтовых долин, по которым поднимается и изливается наверх магма. Обнаружилось, что разница в положении «зеркала» астеносферы может составлять до пяти километров. Разница эта обусловлена тем, над каким полем находится астеносфера – горячим или холодным. Над горячими полями, вблизи Азорских островов например, уровень этот поднимается, над холодными, скажем, между Австралией и Антарктидой или в Центральной Атлантике, опускается.

Кроме того, магма, которая изливается в срединно–океанических хребтах, приуроченных к горячим полям, очень сильно отличается по составу от магмы, излившейся на дно океана над холодным полем. Они различны по изотопным характеристикам и по насыщенности редкими элементами (В базальтах горячих точек повышено содержание стронция и неодима).

Если совместить карту распределения горячих точек и горячих полей на поверхности Земли с данными сейсмической томографии, то обнаружится, что не меньше чем 85 % всех горячих точек и все контуры горячих полей совпадают с горячими областями в нижней мантии. Горячие точки оказываются очень тесно связанными как со структурами, расположенными на поверхности,– аномалиями в форме геоида, так и с теми, что расположены в нижней мантии, даже на границе ее с ядром. Ну, соответственно, холодные поля отражены внутри Земли холодными зонами. В эту же систему вписываются неровности поверхности «ядро – мантия».

Два миллиарда лет назад произошло какое-то катастрофическое событие, вызвавшее со временем разделение первичного вещества Земли на обогащенную элементами континентальную кору и истощенную верхнюю мантию, которой потом питаются океанические базальты. А в нижней мантии осталось первичное вещество, которое подпитывает горячие точки, горячие поля.

Если такой перенос кверху происходит в пределах горячих полей, то под холодными полями должен существовать противопоток. Это условие или состояние, отвечающее представлению о конвекции в Земле.

ЗЕМЛЯ И КОСМОС: ПЕРВЫЕ ГРАНИЧНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ

Внешний фронт земли многослоен. Земля находится в плазменной короне Солнца и постоянно им облучается. Солнце, в недрах которого царит температура порядка 13 000 000° С, а на поверхности – около 6000° С, каждую секунду излучает 3,8 1028 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. 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.

Вопрос 5

Строение магнитосферы земли

Магнитное поле Земли более сильное, чем у других присолнечных планет, но 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. Показано, что для создания наблюдаемого геомагнитного поля в центре Земли необходимо поместить гигантский цилиндрический магнит диаметром 200 км и длиной 4000 км. Ось земного магнита расположена под углом 11,5° к оси вращения Земли, поэтому магнитные полюса не совпадают с географическими. Со временем магнитные полюса меняют свое положение. Установлено, что северный магнитный полюс за сутки перемещается по поверхности Земли на 20,5 м, или 7,5 км в год, а Южный - на 30 м (11 км в год). Как у всякого магнита, магнитные силовые линии Земли выходят из одного полюса и через околоземное пространство замыкаются в другом полюсе. За счет этого явления около Земли создается магнитосфера.

Напряженность магнитного поля такова, что примерно в 90 тыс. км от Земли в сторону Солнца (что равно 14 радиусам Земли) оно уравновешивает «давление» солнечного ветра и его плазма начинает обтекать Землю. Так появляется фронт первой граничной поверхности Космос – Земля (магнитоотбойный слой), а под нею особое, образованное самой планетой, околоземное пространство. Солнечный ветер как бы огибает Землю и смещается на ночную сторону, вытягивая, в свою очередь, и магнитные силовые линии в этом же направлении. Деформация магнитных силовых линий связана с тем, что потоки солнечной плазмы несут с собой как бы «вмороженное» магнитное поле, которое и взаимодействует с магнитосферой Земли. Проникновение солнечного корпускулярного излучения к Земле приостанавливается, но не совсем, в 77 тыс. км от Земли в сторону Солнца в магнитопаузе. в которой напряженность в 10–20 раз больше, чем у первого фронта.

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, ученые рассматривают 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. Таким образом, нет сомнений в том, что основная дипольная часть магнитного поля Земли испытывает колебания, вероятно имеющие периодический характер. Спад геомагнитного поля до минимального значения происходит примерно за 2700 лет. а его восстановление – за 8700 лет, т. е. полный цикл составляет около 11 400 лет.

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 знака магнитного поля). В некоторых геологических периодах было по нескольку инверсий магнитного поля. За последние 600 тыс. лет палеомагнитологи зафиксировали 12 эпох инверсии геомагнитного поля. 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.

К этим эпохам приурочиваются геологические, климатические, биологические изменения на Земле. 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 ноля в процессе изменения его полярности. В эволюции органического мира эпохи инверсии, возможно, представляли своеобразное «сито», сквозь которое происходил естественный отбор всего живого на Земле. Г. Н. Матюшин (1982) считает, что инверсия, происшедшая 250 тыс. лет назад, привела к появлению неандертальца, обладающего зачатками речи.

Магнитное поле, кроме того, и непосредственно влияет на организм. Семена растений, ориентированные зародышевой частью к южному магнитному полюсу, прорастали более энергично, проростки росли быстрее, чем в случае противоположной или поперечной ориентации. Восприимчивость растений к магнитным воздействиям иллюстрируется рядом других факторов: изгибание корешков и проростков высших растений, спорангиев низших грибов по направлению магнитных силовых линий, получившего название «магнитотропизма». Отмечено влияние магнитного поля на преобладание особей мужского или женского пола у некоторых двудомных видов, стимулирующее действие на рост культурных растений, подавление инфекции, например у пшеницы и ячменя, грибного и бактериального характера. Впервые возможность восприятия позвоночными животными магнитного поля установлена в 1855 г. русским ученым А. Т. Миддендорфом, предположившим возможность ориентации птиц по геомагнитному полю. Позднее аналогичное предположение было высказано и в отношение рыб; оказалось, что ампулы Лоренци скатов очень чувствительны к изменению магнитного поля, вертикально пронизывающего тело.

Но, пожалуй, самое поразительное явление природы в этом плане - это магнитобактерии Aquasptrillum magnetotaecticum, которые движутся по линиям поля напряжением 40-80 А/м со скоростью 7 мкм/с. Для этого подобные кокки и спириллы путем биоконцентрации формируют внутри себя цепочки кристаллов магнетита, составляющих около 4 % их массы. На дне моря их много (до 107 кл./см3). Причем в каждом из полушарий они движутся, не шевелясь, к своему полюсу. Так почти в планетарном масштабе «оживает» магнитное поле Земли. И, наконец, влияние этих бактерий на Землю: скопления биокристаллов погибших бактерий местами прослеживаются как залежи магнетита. Не исключено, что на Земле присутствует целая сеть подобных явлений.

Таким образом, жизнь на Земле существует в условиях естественного (земного) магнитного поля. Однако напряженность его не везде одинакова. На Земле есть области сильных магнитных аномалий, например в районах залежей магнетитовых и других руд, богатых железом, где напряженность магнитного поля зачастую превышает среднюю величину в 2-3 раза (район Курской магнитной аномалии – КМА).

Ныне выясняется, что стабильности защитной системы магнитосферы от космических излучений угрожает сам Человек. Вот лишь некоторые факты. В крупных городах (а их число непрерывно растет) напряженность магнитного поля в тысячи раз превышает естественную. Глобальный характер приобретает перераспределение силовых линий магнитного поля как внутри Земли (вследствие многочисленных горных выработок), так и на. ее поверхности (например, из-за воздействия линий высокого напряжения, общая протяженность которых оценивается в 40 млн км). Прямое воздействие на магнитосферу оказывают 30 млн. радио и телепередатчиков. К 2000 г. количество электромагнитной энергии, рассеиваемой в атмосферу электростанциями, радио- и телетрансдяционными станциями, линиями электропередач составило 0,01% солнечной радиации, а следовательно, является существенным экологическим фактором. А.Н. Дмитриев [1989] полагает, что наблюдаемое снижение высот полярных сияний - это тревожный сигнал о нарушении естественных процессов формирования магнитосферы. Эти опасения заслуживают самого пристального внимания.

Вопрос 11