«ОПУСЫ». Часть 5

Загадка магнитного поля Земли

Впервые измерять величину магнитного поля Земли мне пришлось во время лабораторной работы по физике, которую я выполнял на первом курсе Рязанского радиотехнического института. Причём, собственно лабораторную работу, как и ещё несколько других, я по какой-то причине пропустил, и мне пришлось выполнять эти работы в компании таких же, как и я, прогульщиков в специально выделенный для этого день. Нужно было за одно занятие выполнить сразу несколько лабораторных работ, поэтому особо вдаваться в теорию исследуемых физических процессов желания не было. Но именно эта лабораторная работа пользовалась дурной славой. Получить отличную оценку за её выполнение было практически невозможно. Поэтому мы с товарищами сосредоточились на строгом соблюдении методического руководства. Сделав замеры и сделав расчёты по приведённым в методичке формулам, мы понесли результаты преподавателю, чтобы скорее начать следующую работу. Каково же было моё удивление, когда преподаватель, лишь взглянув на наши результаты, сразу же поставил отличные оценки. Закончив другие работы, я всё же решил задать ему вопрос о том, почему мы получили отличные оценки, несмотря на то, что были прогульщиками, а на обычных занятиях практически никто не смог заслужить такой оценки. Преподаватель улыбнулся и рассказал забавную историю.

Когда перед началом учебного года он готовил стенды и методические рекомендации, ему приходилось проделывать все те работы, которые предлагались студентам. Все стенды работали нормально, но только тот, на котором производилось измерение магнитного поля, работал как-то странно. Он показывал значение поля, завышенное более чем в 10 раз! Учебный год приближался, и разбираться в причинах было некогда. Однако первая же группа студентов, выполнявшая измерения магнитного поля, принесла результаты, которые достаточно хорошо соответствовали теоретическим значениям. Вечером преподаватель ещё несколько раз сам провёл измерения. Уровень поля продолжал быть завышенным. Студенты, получив не соответствующие теории экспериментальные результаты, очевидно, подогнали результаты замеров под нужные цифры, так как вряд ли могли подумать, что стенд будет давать неверный уровень сигналов. И так продолжалось весь год… И лишь мы, которые в конце учебного года сдавали задолженности по учёбе, именуемые среди студентов «хвостами», принесли такие же результаты, которые получал сам преподаватель, продемонстрировав тем самым добросовестное отношение к эксперименту. Нам помогло то, что мы просто не знали, какая величина напряжённости поля должна быть. Рассказал же он нам об этом, открыв свой секрет, потому, что учебный год заканчивался, и они собирались перенести измерительную установку в другое помещение, в котором не было дополнительного наведённого поля от металлических конструкций вблизи лабораторного стенда.

Позднее, конечно, я узнал о том, какая напряжённость поля должна быть, и какую информацию учёные извлекают с помощью регулярных измерений этого поля на огромнейшем количестве измерительных станций, разбросанных по всему земному шару. Также узнал я и о том, что до настоящего момента учёные не могут достоверно сказать о том, что же является причиной возникновения магнитного поля Земли и почему оно такое, каким мы его наблюдаем. На первом же заседании Петербургской Академии Наук в 1724 году проблема земного магнетизма была признана одной из самых важнейших. Этой проблемой занимались крупнейшие учёные мира. Теории высказывались и опровергались, и снова высказывались, и вновь опровергались… Так продолжается и поныне. Из достаточно строго установленных фактов можно, пожалуй, выделить только три: 1) поле Земли представляет собой сумму нескольких полей, у которых разные источники; 2) основной источник земного магнетизма находится внутри Земли; 3) геомагнитное поле, в общем, похоже на магнитное поле, созданное неким гипотетическим стержневым магнитом, расположенным вблизи от центра Земли. Скажем прямо, не густо…

Очень многие учёные пытались связать создание основного магнитного поля нашей планеты с её вращением. Но другие планеты ещё добавляют загадок. Юпитер, Уран, Сатурн и Нептун имеют магнитные поля, близкие по уровню к земному полю, а у Венеры магнитного поля нет вообще. У Юпитера оно в 10 раз больше земного, а у Меркурия оно в 100 раз меньше. Хотя у всех этих планет магнитная ось близка или совпадает с осью вращения планеты. Что-то, вращаясь вместе с планетами, и создаёт некий загадочный ток, который и порождает магнитное поле. Но что же это такое? Токов заряженных частиц такой огромной интенсивности, которая требуется для создания имеющегося магнитного поля, на Земле до сих пор не обнаружено. А если этот ток создают незаряженные частицы? Например, молекулы воды?

Вода – уникальное вещество. Именно вода является основой жизни, поддерживая температурный баланс на нашей планете. Но как же её молекулы могут создавать электрический ток, ведь молекулы воды электрически нейтральны? И всё-таки это возможно. Дело в том, что молекула воды H2O структурно несимметрична. И отрицательно заряженный атом кислорода смещён относительно двух положительно заряженных атомов водорода. Смещён незначительно, всего лишь на 0,06 нанометра, но это всё же создаёт так называемый дипольный момент величиной 6,13·10^-29 кулона на метр. При этом атомный вес кислорода в 8 раз больше атомного веса двух атомов водорода. А при такой разнице в весе в гравитационном поле земли атом кислорода, подобно маятнику, должен быть направлен к центру Земли. Значит, движение молекулы воды вокруг оси Земли мы можем представить как движение двух зарядов по кругу с радиусом близким к радиусу Земли, при этом положительный заряд будет иметь радиус на 0,06 нанометра больше. А это означает, что хотя заряды и равны, но магнитное поле заряд с меньшим радиусом будет создавать чуть-чуть более интенсивное. Но молекул то очень много!.. Общая масса воды на планете – около 1,46·10²¹ кг. Так как один граммоль воды равен 18 граммам, то на планете 4,86*10⁴⁶ молекул воды, и каждая создаёт небольшое магнитное поле.

Чтобы воспользоваться формулой для расчёта напряжённости поля, в которой используется понятие сила тока, нам необходимо уменьшить число молекул воды в 86400 раз. Именно столько секунд в земных сутках, а сила тока определяется как количество заряженных частиц, прошедших за одну секунду через поперечное сечение. А вот и результат – 1,56 * 10-6 тесла. Но это составляет лишь около 2% наблюдаемого в реальности значения. И что хуже того, другой полярности. Какое разочарование… Прощай, Нобелевская премия!

А может быть, не всё ещё потеряно? Теперь мы знаем, что нам необходима молекула вещества обладающего дипольным эффектом, у которой более тяжёлый атом должен нести положительный заряд и этих молекул должно быть существенно больше, чем молекул воды. И такое вещество есть! Это самый распространённый на земле окисел – диоксид кремния, более известный под названием «кварц». И хотя его дипольный момент в 3,7 раза ниже момента, которым обладает вода, но его существенно больше. В земной коре его около 60%, а в твёрдой части мантии Земли (верхняя мантия) – около 46%. При этом, земная кора составляет лишь 1% от массы Земли, а верхняя мантия – 26,5%. Простые расчёты, при учёте того, что граммоль SiO2 весит 60 граммов, покажут, что молекул кварца в коре в 10 раз больше чем молекул воды, а в верхней мантии – в 200 раз.

А теперь посчитаем поля. Опуская сами расчёты, покажем, что кварц верхней мантии создаёт поле интенсивностью 84,2 *10-6 тесла, а кварц земной коры 4,21 *10-6 тесла. Отнимем поле в 1,56 *10-6 тесла, создаваемое водой, и получим 86,85 *10-6 тесла!!! Это, конечно, несколько больше, чем имеется в реальности. Но ведь не все молекулы ориентированы идеально…

В заключение поясню, что минералы нижней мантии не принимались во внимание, так как температура там выше температуры плавления кварца, и под действием теплового броуновского движения молекулы не могут быть сориентированы гравитационным полем. Вероятно, именно это и происходит на Венере, магнитное поле которой пока не обнаружено. В то же время на Юпитере, масса которого в 300 раз больше массы Земли, а скорость вращения вокруг оси в 2,4 раза большая – и поле более сильное, чем на Земле, и полярность оно имеет противоположную земному. А как же этому не быть, если там основную роль в образовании поля играют аммиак, сероводород и вода, у молекул которых атомы с отрицательными зарядами более тяжёлые, чем положительно заряженные атомы водорода.

Иван Васильев