Чем схожи и чем отличаются процессы магнетизма на Земли и на Солнце

В природе ведущую роль играю четыре силы:

  • ядерная сила, удерживающая протоны и нейтроны в ядре атомов
  • атомная сила, удерживающая вмести частицы и атомы
  • сила тяжести.
  • электромагнитная сила, электричество и магнетизм.

Однако, если с первыми тремя все ясно, значение магнетизма часто недооценивают. Просто потому, что мы не ощущаем магнетизм в обычной жизни, не чувствуем магнитные поля, да и самый мощный магнит не оказывает на нас никакого влияния. Иными словами, мы даже не задумываемся о нем.

А ведь на самом деле, магнетизм в нашей жизни играет огромную роль. Скажем, вы знали, что единственное, что мешает людям проходить через стены или проваливаться сквозь пол, это магнитное поле? Скорее всего не знали. А почему так происходит?

Молекулы и атомы невероятно малы, а расстояние между атомами невероятно широко. Если бы мы уменьшились до размеров атомов, то обнаружили бы, что пространство вокруг нас будто бы состоит из сплошной пустоты.

Расстояние между электронами, которые вращаются вокруг протонов в ядре, также довольно велико. Для примера, представим себе “атомный вентилятор”, где электроны – это лопасти, а ядро – центральная часть к которой прикреплены лопасти. Когда наш “вентилятор” не работает, между лопастями можно свободно просунуть что угодно, но стоит его включить, вращающие лопасти словно бы сольются в сплошной круг. Иными словами, пустота вдруг обретает плотность!

Происходит это потому что между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными протонами возникает электромагнитное притяжение, и они начинают вращаться. А когда они вращаются также быстро, как лопасти вентилятора, атомы начинают всё от себя отталкивать. То есть мы видим ту же картину – за счет магнетизма “атомная пустота” вдруг обретает плотность, а масса атомов соединенных вместе, начинают вести себя как твердое тело. Поэтому нам и не удается пройти сквозь стену.

Иными словами плотность материи, её осязаемость, создают не сами атомы из которых эта материя состоит, а магнитное поле.

Можно представить себе силовые линии магнитного поля, как полосы движения на автомагистрали. Хотя они и лежат рядом, но никогда не пересекаются. Между ними как бы лежит дорожная разделительная полоса.

выброс коронарной массы на Солнце

выброс коронарной массы на Солнце

Эта аналогия позволяет объяснить некоторые процессы, происходящие на Солнце. Представьте себе шоссе, в котором есть центральная полоса для движения автомобилей сразу в двух направлениях. Если нет правил, которые регулируют движение по такой полосе, то все захотят поехать по этой полосе “в свою” сторону, начнется хаос и, обязательно случится грандиозная авария.

А теперь представьте, что это шоссе – на Солнце, а длина скопления автомобилей составляет 35 тыс. километров. Колоссальное количество горящего материала после такой “аварии” взлетит вверх и устремится прямо в космос. Это и есть выброс коронарной массы. Обычно выброс имеет гигантский размер, сосредотачивая в себе более 10 млрд. тонн солнечной плазмы. При этом, выброс коронарной массы это не “местное” явление, его размеры таковы, что он представляет серьезную угрозу даже для жителей Земли.

А ведь кроме коронарных выбросов, Солнце постоянно “балует” нас не только вспышками, но и постоянным излучением инфракрасных и рентгеновских лучей, иными словами, довольно странно, почему нашему “источнику жизни” до сих пор не удалось нас убить!

К нашему счастью, Земля весьма неплохо защищена от космических невзгод, причем природа её защиты также основана на принципах магнетизма. Сам земной шар представляет собой громадный магнит, за счет чего Земля окружена мощным магнитным полем, которое, как щитом защищает нас от “шалостей” Солнца.

Магнитосфера – гигантское магнитное поле, создаваемое вращающимся ядром планеты. Оно простирается на 70 тыс. км. вокруг планеты. Также как одно магнитное кольцо силовых линий отталкивает другое (то есть они никогда не пересекаются), так и магнитосфера Земли отталкивает магнитную плазму Солнца.

Обычно, миллиарды тонн раскаленной и заряженной плазмы поражают нашу планету, но, не долетев до нее, улетают прочь. Только крошечная часть магнитной бури просачивается сквозь небольшое открытое пространство полюсов, и мы можем любоваться полярным сиянием. Без магнитосферы Земли опасные радиоактивные частицы давно убили бы все формы жизни на ней. К счастью, к нам проходит только полезные солнечные волны – свет и тепло.

Может возникнуть вопрос: как наша магнитосфера защищает нас от выбросов коронарной массы, но пропускает солнечный свет. Все дело в том, что коронарные выбросы – это заряженные частицы, и магнитное поле “ловит” эти электрические заряды. У света электрического заряда нет, поэтому он проходит сквозь магнитное поле, как ни в чем не бывало.

Магнитное поле Земли

Магнитное поле Земли

Но откуда берутся мощные магнитные силы Земли? Ответ может дать один из самых старых и простейших магнитометров – компас. Многие считают, что компас всегда указывает на север, но это утверждение не верно. Компас указывает на источник мощного магнитного поля, и в условиях Земли, таким источником будет ничто иное как северный полюс планеты. Проверьте это и сами – разместите рядом с компасом мощный магнит, и стрелка немедленно повернется с “севера” по направлению к нему.

Впрочем, даже если принять условность, что компас показывает на северный полюс, это утверждение все равно не будет полностью верным. Компас указывает не на географический полюс планеты (тот самый, северный), а на  магнитный северный полюс, по сравнению с географическим, несколько смещенный в сторону, и находящийся на самом севере Канады.

Магнитный полюс не является магнитом сам по себе. Магнитное поле создают силы глубоко внутри нашей планеты. Магнитные поля порождаются двигающимися электрическими потоками, а Земля – это «один большой поток». Металлическое ядро планеты также вертится и за счет этого происходит генерация магнитного поля.

Магнитное поле Земли – это не статичная устойчивая вещь. Со временем оно может измениться. Потоки в недрах Земли могут сменить направление, а значит изменится и направление магнитного поля. Северный и Южный полюса могут попросту перевернуться, причем такое на нашей планете уже случалось.

Мы знаем, что ориентация магнитных полюсов Земли меняется каждые 100 тыс. лет. Глубоководная и ледовая геология свидетельствует, что 780 тыс. лет стрелка компаса указывала на юг, а за 50 тыс. лет до этого компас указывал на север. Явление внезапного переворота полюсов называется магнитной инверсией , и когда оно случится в следующий раз, мы пока сказать не в состоянии.

Никто не знает, как магнитная инверсия повлияет на жизнь людей. Компасы будут указывать на юг, миграция птиц будет нарушена, GPS-навигация будет бесполезна. Но могут быть и более тяжелые последствия. Смена геомагнитных полюсов может ослабить или вообще убрать магнитное поле. Проблема в том, что слабое магнитное поле не сможет защитить нас от смертельной радиации Солнца.

 

Солнечный магнетизм создается движением плазмы по поверхности Солнца. Магнетизм, как мы вспоминали, порождается движущимися потоками электрических зарядов. А Солнце, как и Земля – это один большой нескончаемый поток заряженных частиц. С Земли можно разглядеть один магнитный феномен – пятна на Солнце.

Любое такое пятно, это магнитный вихрь на поверхности Солнца, именно такие мощные магнитные вихри вызывают вспышки на Солнце. Фактически, каждая вспышка – это гигантский термоядерный взрыв, мощностью далеко превосходящий все ядерные арсеналы землян.

Вспышки и вызываемые ими магнитные бури так мощны, что оказывают влияние не только на Землю, но и на соседние планеты. Не даром говорят, что магнитные возмущения на Солнце, создают атмосферу во всей нашей Солнечной системе и называются космической погодой.

Рентгеновское излучение чрезвычайно опасно для электроники и могут причинить миллиардный ущерб спутникам связи и навигации. Поэтому уметь предсказывать “космическую погоду” – вещь жизненно важная для освоения космоса.

В некотором роде, мы уже умеем предсказывать особо сильные бури на Солнце. Гигантские выбросы коронарной массы происходят каждые 11 лет, когда солнечные пятна, вспышки и прочая активность достигает максимума. Однако, точно предсказать нельзя, когда произойдет выброс массы и с какой-либо группы пятен.

Если у Земли есть магнитное поле, то есть ли оно у других планет? С началом космических полетов в 60-е годы мы смогли обнаружить магнитные поля других планет, и это были удивительные открытия. У всех четырех гигантских планет – Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна – есть активные магнитные поля.

Самое мощное магнитное поле в нашей системе – у Юпитера. Оно в 10 раз больше земного и протянулось на 6 млн. км. вокруг планеты. Мы наблюдаем полярные сияние на Юпитере и Сатурне и знаем, что они возникают там точно так же как и на Земле – магнитосфера этих планет отклоняет частички Солнца на полюса и они светятся там так же, как и на Земле.

Но ближе к Солнцу, магнитные поля встречаются реже. На Меркурии очень слабое магнитное поле, всего 1% от земного. У Венеры его вообще нет. Но загадочнее всех – красная планета Марс.

В конце 90-х космический аппарат Mars Global Surveyor  вышел на орбиту Марса с магнетометром, и он показал, что на Марсе нет глобального магнитного поля.  Зато Surveyor обнаружил, что по всей планете разбросаны маломощные магнитные поля. НАСА полагает, что это полеомагнетизм, то есть остатки магнитного поля, существовавшего миллиарды лет тому назад. Было ли на Марсе магнитное поле, как на Земле? Если было, то что с ним случилось?

К счастью нам не нужно отправляться на красную планету, чтобы выяснить это, потому что кусочек красной планеты уже у нас. У нас есть образцы камней с Марса, это метеориты выбитые с его поверхности после удара астероида или кометы миллионы лет назад. Осмотр одного из таких камней – ALH84001, с помощью квантового микроскопа Массачусетского университета (SQUID microscope) показал, что камень намагничен, и этому магнетизму  4 млрд. лет. То есть под поверхностью метеорита оказались следы былой магнитосферы Марса.

Это дало нам неожиданные открытие: в начале истории Марс был совершенно иным, чем сейчас. Атмосфера была значительно плотнее, вероятно, по поверхности текла вода, а температура была намного выше. В общем, он был похож на Землю. Что случилось потом мы не знаем, но примерно 4,1 млрд. лет магнитное поле планеты вдруг исчезло. Поразительно, но по времени это совпало с началом превращения Марса из теплой и влажной планеты в нынешнюю сухую и холодную.

Одна из гипотез, почему исчезло магнитное поле Марса предполагает, что у него не было мощной магнитосферы для защиты от космического излучения, и солнечные ветра уносили прочь от Марса его атмосферу. Атмосфера становилась все тоньше и потом совсем исчезла. Марс, фигурально выражаясь, умер.

Может ли такое случиться на Земле? Да. Большей проблемой здесь предстает инверсия магнитного поля Земли, о которой мы говорили выше. Во время геомагнитной инверсии Земля может остаться без защиты магнитосферы не несколько дней или дольше. И это может привести планету к марсианскому сценарию, когда мы вдруг окажемся полностью беззащитны перед космическими бурями.

Магнитные бури уже поражали Землю прежде. В 1989 году солнечная вспышка ударила по  Северной Америке и оставила без электричества весь Квебек.  Но эта буря была сравнительно слабой по сравнению с событиями разыгравшимися в 1859 году (“Событие Кэррингтона”) – тогда полярное сияние видели даже на юге Кубы, а телеграфные провода и трансформаторы заискрились по всему Американскому континенту.

Что случилось бы, если бы буря 1859 года произошла сейчас? Гамма- и рентгеновские лучи уничтожили бы практически все искусственные спутники, по линиям электропередач прошли бы заряды индуцированного тока, что вывело бы из строя все электроподстанции, а все подключенное к сети электрооборудование мгновенно вышло бы из строя.
Воду пришлось бы по старинке качать не электронасосом, а вручную, пользоваться не электролампочкой, а свечкой. В общем, мы вернулись бы в доэлектрические времена. Но развитый мир настолько привык и приспособился к электросетям, что вряд ли сможет дальше существовать.

Чтобы избежать подобных катастроф, сегодня ученые стараются разработать защиту от подобной бури – придумывают предохранители для трансформаторов на подстанциях, пытаются предсказывать магнитные вспышки. Но как эффективно все это сработает в “час Х”, покажет только время.