Однако наличие жидкого ядра открыло новые возможности. В 1820 году датский физик Ганс Христиан Эрстед (1777—1851) открыл возможность производить магнитные эффекты с помощью электричества (электромагнетизм). Если электрический ток проходит по проволочной спирали, возникает магнитный эффект, очень похожий на тот, который производил бы обычный брусочный магнит, если бы мы мысленно разместили его вдоль оси спирали.
Основываясь на этом, американский геофизик немецкого происхождения Вальтер Мориц Эльзассер (р. 1904) в 1939 году высказал предположение, что вращение Земли может образовывать в ее жидком ядре завихрения, своего рода обширные, медленные водовороты расплавленного никелевого железа. Атомы состоят из электрически заряженных субатомных частиц, и из-за определенной структуры атома железа такие водовороты могли бы создавать эффект электрического тока, текущего по кругу.
Поскольку водовороты образуются благодаря вращению с запада на восток, они бы тоже восприняли движение с запада на восток, и железо-никелевое ядро тогда бы действовало как брусок магнита, поставленный по вертикали север-юг.
Магнитное поле Земли, однако, не всегда постоянно. Магнитные полюса с годами меняют свое положение и по какой-то причине, которую мы пока не можем объяснить, находятся примерно в 1600 километрах от географических полюсов. К тому же магнитные полюса расположены не точно на противоположных сторонах Земли. Линия, опущенная от северного магнитного полюса к южному, пройдет приблизительно в 1100 километрах в стороне от центра Земли. Вдобавок магнитное поле изменяется из года в год по напряженности.
Сопоставив все эти вещи, можно задуматься над тем, что же произошло с магнитным полем в прошлом и что может произойти с ним в далеком будущем. К счастью, есть способ разобраться по крайней мере с прошлым.
Среди компонентов лавы, извергаемой вулканами, обнаруживаются различные слабо магнитные минералы. Молекулы этих минералов имеют свойство ориентироваться вдоль магнитных силовых линий. Пока минералы в жидком виде, это свойство преодолевается беспорядочным движением молекул, связанным с высокой температурой. Однако, когда вулканическая порода медленно остывает, беспорядочное движение молекул замедляется, и в конечном счете молекулы ориентируются на север и юг. Когда лава застывает, эта ориентация фиксируется. Молекула за молекулой застывают, и наконец образуются целые кристаллы, в которых мы можем обнаружить их магнитные полюса: северный полюс, указывающий на север, и южный полюс, указывающий на юг, точно так же как и магнитный компас. (Мы можем установить, где северный полюс кристалла или любого другого магнита, так как он отталкивает северный полюс стрелки компаса.) В 1906 году французский физик Бернар Брюнес обнаружил, что некоторые вулканические кристаллы намагничены в направлении, противоположном нормальному. Их северные магнитные полюса (как установлено стрелкой компаса) указывали в южном направлении. Спустя годы после оригинального открытия Брюнеса было изучено огромное количество вулканических пород и установлено, что хотя во многих случаях у кристаллов северные магнитные полюса указывают на север, как и обычно, во многих других случаях у кристаллов их северные магнитные полюса указывают на юг. Очевидно, магнитное поле Земли периодически меняется на противоположное.
Измеряя возраст изучаемых горных пород (всеми известными методами), установили, что последние 700 000 лет магнитное поле находилось в его настоящем положении, которое мы назовем «нормальным». До этого в течение примерно миллиона лет оно было в «противоположном» положении, за исключением двух периодов по 100 000 лет, в течение которых оно было нормальным.
В общем, за последние 76 миллионов лет установлено не менее 171 перемены расположения магнитного поля. Средняя продолжительность периода полной перемены положения составляет около 450 000 лет, а два возможных положения, нормальное и противоположное, занимают в конечном счете такое же количество времени. Однако время между переменами положения сильно изменяется. Самое продолжительное время между переменами положения составляет 3 миллиона лет, самое короткое – 50 000 лет.
Каким же образом происходит перемена положения на обратное? Неужели магнитные полюса Земли только и знают, что все время гуляют по земному шару, один прогуливается от Арктики до Антарктики, другой – в обратном направлении? В таком случае должны быть обнаружены кристаллы, которые ориентированы примерно на восток или на запад, а их нет.
Более вероятным представляется то, что просто изменяется напряженность магнитного поля. Она падает порой до нуля, а затем снова растет, но уже в другом направлении. Со временем она опять падает до нуля и опять начинает расти уже в первоначальном направлении, и так далее.
Это некоторым образом похоже на то, что происходит с циклом солнечных пятен. Солнечные пятна увеличиваются количественно, затем уменьшаются, затем начинают увеличиваться снова в обратном направлении по отношению к своему магнитному полю. Затем они уменьшаются опять и снова начинают увеличиваться в первоначальном направлении. Как пики солнечных пятен попеременно нормальные и обратные, точно так и пики магнитного поля Земли попеременно нормальные и обратные. Только изменения магнитного поля Земли намного менее регулярны, чем цикл солнечных пятен.
Представляется вероятным, что изменение напряженности магнитного поля Земли и перемена его ориентации на противоположную связаны с самой Землей, с изменением скорости и направления вращения вещества в жидком ядре Земли. Иначе говоря, жидкое ядро вращается в каком-то определенном направлении, затем вращение замедляется до кратковременной полной остановки, после чего начинается вращение в другом направлении, затем вращение опять замедляется до полной остановки и опять начинается в другом направлении, и так далее. Отчего направление меняется, отчего изменяется скорость и отчего так неправильно, – мы пока сказать не можем. Но зато мы очень хорошо знаем, как магнитное поле Земли влияет на ее бомбардировку космическими лучами.
В 20-х годах XIX века английский ученый Майкл Фарадей (1791—1867) разработал теорию «силовых линий». Это воображаемые линии, идущие по кривой от северного магнитного полюса и отмечающие путь, вдоль которого напряженность магнитного поля имеет постоянное значение.
Намагниченная частица может свободно двигаться вдоль силовых линий. Но чтобы пересечь силовые линии, требуется энергия.
Магнитное поле Земли окружает Землю магнитными силовыми линиями, соединяющими ее магнитные полюса. Любая заряженная частица, летящая из открытого космоса, чтобы достигнуть поверхности Земли должна пересечь эти силовые линии, а при этом она теряет энергию. Если вначале она обладает небольшим количеством энергии, она может лишиться ее, так и не достигнув земной поверхности. В таком случае она способна двигаться только вдоль силовой линии, по спирали, вплотную к ней и переходя от северного магнитного полюса Земли к южному, снова к северному, и снова к южному, и так далее.
Это происходит со многими частицами солнечного ветра, поэтому всегда существует большое количество заряженных частиц, двигающихся вдоль силовых линий магнитного поля Земли и образующих то, что мы называем «магнитосферой», которая находится далеко вне атмосферы.
Силовые линии сходятся у двух магнитных полюсов, и там частицы, следуя по этим линиям, движутся к поверхности Земли и ударяют в верхние слои атмосферы. В процессе столкновения с атомами и молекулами они отдают свою энергию и порождают изумительное по красоте явление ночного полярного неба: на севере – северное сияние, на юге – южное сияние.
Частицы, которые особенно энергетичны, могут пересечь все силовые линии и нанести удар по поверхности Земли, но всегда с меньшей энергией, чем начальная. Кроме того, они отклоняются на север и юг, и чем меньшей энергией они обладают, тем дальше они отклоняются.
Космические частицы достаточно энергетичны, чтобы пробить земную поверхность, но они при этом сильно ослабевают и тоже отклоняются, так как существует «широтный эффект». Космические лучи наименее интенсивно проникают к Земле у экватора и наиболее интенсивно на севере и юге.
