Естественные электромагнитные поля
Земной шар обладает собственными электрическим и магнитным полями, а ещё вблизи поверхности Земли наблюдается некий фон электромагнитных волн низких и сверхнизких частот. Итак, по порядку.
Электрическое поле Земли
Земля – это огромный заряженный шар, имеющий большой отрицательный заряд (почти полмиллиона кулон). Но из космоса этот заряд не заметен, так как он компенсируется таким же по величине положительным зарядом, сосредоточенным, в основном, в ионосфере на высоте около 50 км от земной поверхности; избыток положительных ионов имеется также в нижних слоях атмосферы. В целом Земля со своей атмосферой имеют нулевой суммарный заряд.
Но около поверхности земли имеется электрическое поле. В ясную погоду над пустынной равниной его средняя напряженность равна 100–130 В/м, над океанами 80–90 В/м. Почему мы говорим о пустынной равнине? Потому что присутствие предметов и живых существ сильно изменяет земное электрическое поле. С высотой электрическое поле Земли быстро убывает (так, на высоте 1,5 км оно уже в 4 раза слабее) и исчезает на расстоянии 50–60 км от поверхности.
Заряд Земли и её поле изменяются в течение суток: они минимальны в 3–4 часа по Гринвичу и максимальны около 19 часов – на всей Земле!
Из-за избытка положительных ионов в воздухе к земле постоянно течёт слабый ток. Полный ток, достигающий поверхности земли, равен 1800 А, то есть ежесекундно отрицательный заряд Земли уменьшается на такое же количество кулон. Казалось бы, из-за этого Земля должна быстро потерять свой заряд, однако этого не происходит. В чём же причина?
Разгадку подсказал тот факт, что около 19 часов по Гринвичу достигает максимума степень грозовой активности на всей Земле (в основном это тропические грозы) – тогда же, когда максимально электрическое поле Земли. Именно молнии снабжают Землю отрицательным зарядом. Слабые атмосферные токи разряжают Землю, а молнии заряжают. В среднем в Землю бьёт 60–100 молний в секунду, и каждая молния приносит отрицательный заряд до 20 Кл.
Так выглядит сильно упрощённая картина. По современным представлениям электрическое поле Земли связано со множеством процессов, происходящих в атмосфере, ионосфере и даже магнитосфере Земли, и все эти процессы объединяют общим понятием – Глобальная электрическая цепь.
Во время грозы электрическое поле под грозовым облаком меняет своё направление на противоположное, а его напряженность достигает 100 тысяч В/м.
Геомагнитное поле
Земля обладает весьма сильным магнитным полем по сравнению с другими планетами земной группы. Вблизи Земли оно имеет такой вид, будто внутри земного шара находится постоянный полосовой магнит, ось которого на 10° отклонена от оси вращения Земли. Соответственно, магнитные полюса отстоят от географических на 2–3 тысячи км. Как уже говорилось, этот магнит образован токами во внешнем жидком ядре Земли. Схематично геомагнитное поле вблизи Земли изображено на рис. 19. Линии индукции магнитного поля – это как раз те воображаемые линии, вдоль которых выстраиваются стрелки компасов. Там, где линии гуще, магнитное поле сильнее. Из рисунка мы видим, что вблизи полюсов магнитное поле более сильное, чем вблизи экватора. Индукция геомагнитного поля составляет десятки микротесла (миллионных долей тесла: мкТл), и это в тысячи раз меньше, чем локальные магнитные поля, создаваемые обычными бытовыми приборами.
На экваторе магнитная индукция в настоящее время равна 34 мкТл, на широте Москвы 50 мкТл, вблизи полюсов около 66 мкТл. В области Курской магнитной аномалии магнитное поле 100 мкТл.
Геомагнитное поле в тысячи раз слабее поля постоянного магнита, который вы можете купить в магазине.
Магнитное поле, создаваемое токами в ядре, называют главным, и его вклад в общее поле составляет 95 %. Есть ещё аномальное поле, создаваемое намагниченными горными породами, и внешнее геомагнитное поле, связанное с солнечно-земными взаимодействиями (о нём поговорим чуть позже).
На большом расстоянии от Земли геомагнитное поле несимметрично: со стороны Солнца оно «сплющено» и простирается на 10 земных радиусов, а в направлении от Солнца магнитное поле образует шлейф, тянущийся на сотни тысяч километров – дальше орбиты Луны. Такая форма возникает из-за солнечного ветра. Солнечный ветер – это непрерывный поток высокоэнергетичных заряженных частиц, главным образом протонов и электронов. Эти заряженные частицы захватываются и удерживаются магнитным полем Земли, как в ловушке. Их траектории «наматываются» на линии поля, и частицы кочуют от одного полюса к другому, постепенно растрачивая свою энергию в столкновениях с молекулами атмосферы. Ближе всего они приближаются к Земле в районе полюсов, и мы видим их атаки как полярные сияния.
Рис. 19. Линии индукции магнитного поля вблизи Земли
Области околоземного пространства с повышенной концентрацией захваченных заряженных частиц образуют радиационные пояса Земли, которые окружают Землю, подобно кольцам. Таких поясов два. Внутренний радиационный пояс находится на высоте четырёх тысяч километров от поверхности Земли и состоит в основном из протонов. Внешний пояс, расположенный на высоте 17 тысяч километров, состоит в основном из электронов. Содержимое радиационных поясов постепенно «протекает» в атмосферу, но продолжает постоянно пополняться от Солнца.
Без защиты магнитного поля с его радиационными поясами жизнь на поверхности Земли была бы невозможна. Да и саму атмосферу рано или поздно «сдуло» бы солнечным ветром, как это произошло у Марса, когда он лишился своего магнитного поля.
Когда магнитные полюса меняются местами
Прямые измерения магнитного поля проводятся всего 400 лет, а о далёких временах мы узнаём, анализируя намагниченность горных пород. Оказалось, что главное геомагнитное поле не совсем стабильно: есть вековые колебания, длящиеся столетиями, а изредка случаются «геомагнитные рывки» продолжительностью не больше года. Это всё так или иначе связано с токами в ядре. Но самое интересное, что примерно раз в миллион лет северный и южный магнитные полюса меняются местами, то есть происходит инверсия магнитных полюсов. Процесс это небыстрый, длящийся несколько тысяч лет, и в течение какого-то времени геомагнитное поле становится очень слабым, так что всё живое на Земле оказывается под угрозой. Последняя такая инверсия произошла около 770 тысяч лет назад.
Возможны также ситуации, когда полюса меняются местами на короткое время порядка сотен лет, а потом возвращаются обратно. Последнее такое событие произошло 42 тысячи лет назад («событие Лашамп»). Магнитное поле имело противоположное направление в течение примерно 440 лет, а переходные периоды длились по 250 лет. Во время переходов магнитная индукция составляла всего 5–10 % от обычной! Космические частицы, проникая в атмосферу, разрушали озоновый слой, что привело к увеличению потока ультрафиолета. Древние люди вынуждены были прятаться в пещерах. Предполагают, что неандертальцы не выдержали конкуренции с гомо сапиенс в борьбе за пещеры. Серьёзные климатические изменения на Земле, вымирание мамонтов и мегафауны Австралии тоже связывают с этим событием.
Магнитные полюса всегда находятся в движении. Но с 1990-х движение северного магнитного полюса ускорилось в 4 раза. За последние 150 лет геомагнитное поле уменьшилось на 10 %. Эти изменения происходят неравномерно: где-то поле ослабевает сильнее, а где-то даже усиливается. Учёные опасаются нового «события Лошамп».
Магнитные бури
При вспышках на Солнце миллиарды тонн плазмы (заряженных протонов, ядер гелия и электронов) выбрасываются в космос. Если выброс попадает в Землю (это может произойти через 2–3 дня после вспышки), геомагнитное поле испытывает возмущения. В магнитно-спокойные дни вариации геомагнитного поля во много тысяч раз меньше постоянно действующего поля, а во время сильных вспышек всплески магнитных полей увеличиваются в десятки раз, их величина достигает 1 % от стационарного поля – это так называемые магнитные бури. При буре земное поле меняется с амплитудой в сотые доли мкТл в минуту (напомню, что в Москве магнитная индукция стационарного поля 50 мкТл). Сильные магнитные бури возникают в основном в активной фазе солнечного 11-летнего цикла. В годы минимума солнечной активности мы имеем лишь несколько бурь в течение года, при максимумах солнечной активности – до 50 бурь в год. Фаза нарастания магнитных возмущений длится около 7 часов, а возвращение поля к исходному состоянию занимает около трёх суток. Это означает, что в годы активного солнца мы чуть ли не половину времени живём в условиях умеренных и сильных бурь.
Хотя относительная величина магнитных всплесков на первый взгляд не впечатляет, они несут угрозу высокотехнологичной инфраструктуре и могут выводить из строя космические аппараты.
Самая мощная в истории наблюдений геомагнитная буря произошла в 1859 году, то есть больше 160 лет назад. Тогда северное сияние можно было увидеть даже на широте Кубы. Телеграф вышел из строя по всей Европе и Северной Америке на несколько дней. По оценкам, амплитуда всплесков достигала 0,9 мкТл. В нашу высокотехнологичную эпоху такое событие нанесло бы колоссальный ущерб экономике! К счастью, антарктические ледяные керны свидетельствуют, что столь сильные магнитные бури происходят раз в 500 лет.
Действуют ли магнитные бури на людей? Исследования дают противоречивые результаты. С одной стороны, есть свидетельства служб скорой помощи, что в течение 1–2 дней после начала бури возрастает число обращений людей с сердечно-сосудистыми проблемами. Однако строгими статистическими расчётами эти утверждения не подкреплены. Исследователям всё же удалось выявить статистически значимый тренд, связывающий геомагнитные бури с усилением психотической депрессии у мужчин. Также удалось экспериментально подтвердить, что работа сердечно-сосудистой системы зависит от геомагнитной обстановки.
В целом, российские учёные склонны допускать, что магнитные бури влияют на здоровье человека (хотя механизмы такого влияния до сих пор неясны), а западные и американские учёные отвергают эту идею. Так или иначе, исследования о воздействии солнечных вспышек на людей продолжаются.
Электромагнитные волны в атмосфере
До сих пор мы говорили о стационарных электромагнитных полях и их случайных возмущениях.
Но есть ещё один постоянно действующий фактор – это стоячие электромагнитные волны низких и сверхнизких частот, так называемые резонансы Шумана (в честь профессора Мюнхенского университета В. Шумана, теоретически предсказавшего их в 1952 году).
Дело в том, что пространство между Землёй и ионосферой представляет собой гигантский электромагнитный резонатор. Подобно звуковым резонаторам, он усиливает колебания с определёнными частотами, зависящими от размеров и формы резонатора. Основные собственные частоты электромагнитного резонатора Земля-ионосфера лежат в диапазоне от 7,83 до 50 Гц (сейчас известно восемь частот Шумана, их округлённые значения: 8, 14, 20, 26, 32, 39, 45 и 50 Гц). Ионосферный резонатор постоянно возбуждается и подпитывается энергией от молний, бьющих ежесекундно в Землю.
Человек, как и всё живое, сформировался в полости этого резонатора. И не случайно основные шумановские частоты соответствуют диапазонам альфа– и бета-волн мозга человека. Наиболее интенсивной является шумановская волна со средней частотой 7,83 Гц, соответствующая альфа-диапазону мозговых волн человека (7,5–13 Гц). Интересно, что не только у человека, но и у большинства живых существ, независимо от размера мозга, в электрической активности мозга доминирует частота около 8 Гц.
Шумановские волны необходимы для синхронизации биоритмов всего живого на Земле. Эксперименты по стимуляции мозга волнами различной частоты показали, что частота 7,83 Гц способствует переходу из активного бодрствования в спокойное, умиротворённое состояние. Стимуляции в бета-диапазоне (14–30 Гц) повышают умственную активность и внимание. У добровольцев же, помещённых в бункеры, отражающие шумановские волны, через три недели развивались эмоциональные нарушения и мигрени.
Между тем городские жители постоянно находятся в такого рода «бункерах»: ведь интенсивность шумановских волн столь невелика, что они практически полностью заглушаются электромагнитным смогом городов.
На ночной стороне Земли ионосфера редеет, из-за чего интенсивность шумановских волн ночью уменьшается в 5–10 раз. Возможно, вследствие этого ночью у бодрствующих людей снижается скорость реакции и способность к абстрактному мышлению.