Рис. 49. Ламонтская палеомагнитная шкала времени. Черное - нормальная полярность.
Рисунки 42, 49 и 50 показывают, что геомагнитному полю действительно свойственны обращения полярности, так что теории, претендующие на объяснение происхождения геомагнитного поля, должны объяснять и эту способность.
Рис. 50. Фанерозойская палеомагнитная шкала времени А. Н. Храмова и Л. Е. Шолпо. Черное - нормальная полярность.
Указания на изменения геомагнитного поля со временем, могущие привести к обращению его полярности, дают измерения магнитологов, проведенные за последние 150 лет. Современное геомагнитное поле (краткие сведения о котором мы приводили в главе 2, см., в частности, рис. 2) можно приближенно описать, как поле помещенного в центр Земли магнитного диполя (двухполюсника, подобного намагниченной железной палочке или стрелке компаса); горизонтальная составляющая такого поля на поверхности Земли пропорциональна косинусу географической широты, а вертикальная - удвоенному синусу широты (причем коэффициент пропорциональности в обоих этих соотношениях равен величине магнитного момента диполя, деленной на куб радиуса Земли). Точнее, современное геомагнитное поле - сумма дипольной части и вдесятеро менее интенсивной недипольной части. Измерения последних 150 лет показывают, что дипольная часть (магнитный момент диполя) убывает со скоростью около 5% за столетие, и если этот процесс будет продолжаться с такой же скоростью и в дальнейшем, то через 2000 лет произойдет обращение полярности геомагнитного поля. Таким образом, возможно, что мы живем как раз во время обращения полярности.
Измерения показывают, что недипольная часть современного геомагнитного поля смещается на запад со скоростью около 0.18° долготы в год (полный оборот вокруг Земли за 2000 лет). С позиций изложенной в конце главы 2 современной гипотезы о динамо-механизме генерации геомагнитного поля (течениями электропроводящей жидкости во внешнем жидком слое земного ядра) западный дрейф недипольной компоненты объясяется, возможно, переносом неоднородностей поля течениями в ядре со скоростями порядка 20 км/год % 0.7 мм/сек. Такие течения могут быть проявлением небольшого отставания вращения внешнего слоя ядра вокруг земной оси от вращения мантии и коры. В то же время вращения ядра и мантии связаны друг с другом (см., например, работу автора [11]): сумма их моментов количества движения должна быть постоянной во времени. Поэтому обнаруженную Э. Вестином (1953 г.) тесную связь между неравномерностями западного Ярейфа недипольной части магнитного поля в 1905-1945 гг. и измеренными астрономами вариациями скорости вращения Земли (т. е. коры и мантии) в эти годы можно считать свидетельством в пользу гипотезы о динамо-механизме в жидком ядре.
Как следствие из этой гипотезы можно высказать следующее предположение (которое мы будем использовать ниже): поскольку на движения в жидком ядре должно влиять вращение Земли, можно ожидать, что геомагнитное поле, осредненное по временам порядка десятков тысячелетий (большим по сравнению с типичными периодами его вековых вариаций, но малым по сравнению со временами тектонических процессов), будет симметричным относительно оси вращения Земли (мгновенные же, не осредненные поля такой симметрией не обладают).
Гипотеза динамо может дать основу и для объяснения обращений полярности геомагнитного поля. В самом деле, простейший динамо-механизм, генерирующий магнитное поле, можно построить, взяв металлический диск, вращающийся на металлической же оси и помещенный в параллельное этой оси магнитное поле. По закону индукции вращение диска в магнитном поле породит в нем электрический ток, направленный от оси к ободу диска. Будем снимать этот ток с обода щеткой и отправлять его на ось по проводу, совершающему около оси один или несколько витков. Витки с током будут создавать новое магнитное поле, параллельное оси, которое будет прибавляться к начальному. В результате и магнитное поле, и ток будут расти со временем. Это дисковое динамо Э. Булларда (1955 г.) способно генерировать магнитное поле, но расчет показывает, что способностью к обращениям полярности оно не обладает. Однако стоит только взять два взаимодействующих дисковых динамо, в которых ток одного подпитывает магнитное поле другого, и наоборот (рис. 51), и расчет показывает, что здесь уже появляется способность к обращениям полярности (см. главу 10 книги [9]). На первый взгляд кажется, что механизм магнитогидродинамических движений в жидком слое земного ядра не имеет с дисковыми динамо ничего общего. Однако на самом деле описывающие этот механизм уравнения магнитной гидродинамики во многом аналогичны уравнениям для цепочек взаимодействующих дисковых динамо. С этой точки зрения способность геомагнитного поля к обращениям полярности перестает быть загадочной.
Рис. 51. Двухдисковое динамо.
Мы имеем в природе еще один великолепный пример обращений магнитного поля (более быстрых и гораздо более регулярных, чем в случае геомагнитного поля) - это знаменитый цикл солнечных пятен, имеющий в среднем продолжительность 11.5 лет. Известно, что в солнечных пятнах имеются сильные магнитные поля (с напряженностью до 4000 Гс). Пягна, кар правило, развиваются группами, причем в течение одного и того же цикла солнечных пятен полярности магнитных полей передних пятен во всех группах одного полушария Солнца (передним называют пятно, движущееся при вращении Солнца впереди остальных пятен группы) одинаковы и противоположны полярностям магнитных полей всех задних пятен; кроме того, полярности передних пятен разных полушарий противоположны. Слабыми (порядка!-2 Гс) магнитными полями (такой полярности, как передние пятна данного полушария) обладают околополярные области Солнца. При переходе от одного цикла солнечных пятен к другому у всех упомянутых здесь магнитных полей полярности заменяются на обратные. Таким образом, циклы солнечных пятен являются также циклами обращений полярности гелиомагнитного поля, которые, как и в случае геомагнитного поля, целесообразно пытаться объяснять с помощью гипотезы динамо.
Перейдем теперь ко второй группе результатов палеомагнитных исследований - определениям палеомагнитных полюсов. Пусть в выбранном пункте земной коры (с географической широтой φk) и долготой λk) определено среднее направление намагниченности породы геологического возраста t, т. е. измерено склонение Dk (t) этого направления (угол между его горизонтальной составляющей и современным направлением на север) и его наклонение Ik(t) (угол между направлением намагниченности и горизонтальной плоскостью). Определив это среднее направление по многим образцам из различных слоев данной породы, можно считать, что оно соответствует палеомагнитному полю, осредненному за большой промежуток времени и поэтому (согласно сформулированному выше следствию из гипотезы динамо) симметричному относительно оси вращения Земли того времени. Иначе говоря, можно считать, что среднее направление намагниченности породы, определяемое углами DK(t) и Ik(t), указывает на географический полюс возраста t.
Если допустить, что осредненное палеомагнитное поле не только осесимметрично, но еще и дипольно, то тангенс палеонаклонения Ik(t) будет равен удвоенному тангенсу палеошироты ~φА(t), так что последняя будет просто определяться по Ik(t) (допущение дипольности облегчает расчеты, но оно не обязательно: имея в разных пунктах серию определений направления намагниченности пород возраста t, указывающих на один и тот же палеополюс, мы тем самым получаем зависимость палеоширот от палео-наклонений). Зная же географические координаты точки измерения φk и λk), палеосклонении палеошироту Dk(t), по простым формулам сферической тригонометрии нетрудно рассчитать географические координаты палеополюса φ(t) и λ(t) (см., например, главу 9 в работе [9]). Определенный таким образом палеополюс называют виртуальным полюсом.
Рассмотрим некоторый блок земной коры, стабильный в том смысле, что во все геологические времена с возрастами от t до современного он полностью сохранял свою форму, так что все расстояния между любыми его точками оставались неизменными. Тогда ясно, что все виртуальные полюсы возраста t, определенные по пунктам в пределах этого блока, должны совпадать; их хорошая кучность будет свидетельствовать о малости ошибок, вкравшихся в измерениями расчеты, и внушать уверенность в надежности определения палеополюса как среднего из этих виртуальных полюсов. Такой результат получается, в частности, по породам позднего плейстоцена и голоцена со всех континентов: их виртуальные полюсы группируются у современного географического, а не геомагнитного полюса и оказываются более кучными, чем виртуальные полюсы современного геомагнитного поля (не осредненного по времени, так что его недипольная часть не исключена). Аналогично, лишь с чуть большим разбросом, выглядят виртуальные полюсы всех континентов с возрастами до олигоцена или даже до эоцена, свидетельствуя тем самым, что за последние 40-50 млн. лет ни распределение континентов по широтам, ни положение географического полюса не претерпевали существенных изменений. Что касается более ранних времен, то палеомагнитные данные свидетельствуют уже о заметных относительных движениях континентов и полюсов.
Одно из первых таких свидетельств было получено в 1954 г. английскими магнитологами Дж. Клеггом, М. Олмондом и П. Стаббсом в результате измерений намагниченности красных песчаников триаса Англии, показавших, что за послетриасовое время расстояние по широте между Англией и северным полюсом уменьшилось градусов на 30° и Англия повернулась относительно соединяющей ее и полюс дуги большого круга на 34° по часовой стрелке. В 1956-1958 гг. сенсационные результаты принесли измерения намагниченности базальтовых излияний - траппов Декана в Индии, возраст которых варьирует от юрского до третичного; по этим данным, палеоширота Бомбея в юре равнялась 40° ю. ш., сейчас же он находится на 19° с. ш., так что расстояние между ним и северным полюсом за последние 135 млн. лет уменьшилось на 7000 км (скорость сближения составляет около 5 см/год). В 1958 г. Э. Ирвинги Р. Грин измерили намагниченность ряда образцов различного возраста из юго-восточной Австралии и установили, что палеоширота этого блока коры в венде была близка к 70-80° ю. ш., за кембрий изменилась до 0° и в ордовике даже до 30° с. ш., после чего плавно менялась опять до 80° ю. щ. в карбоне и перми, а затем вновь стала уменьшаться до ее современного значения; эти данные позволяют толковать упоминавшееся в главе 7 пермокарбоновое оледенение Гондваны как материковое, естественное для околополярного района.