Небесные магниты. Природа и принципы космического магнетизма

Оказывается, само понятие средней длительности хрона плохо определено. Можно просто разделить длительность эпохи, для которой реконструирована шкала, на число известных инверсий. Получившаяся величина имеет размерность времени, но сильно зависит от того, какой отрезок шкалы мы возьмем для ее подсчета. Происходит нечто подобное тому, что мы видели раньше, обсуждая напряженность магнитного поля на Солнце или длину береговой линии Англии. Можно сказать, что шкала является фракталом. Правда, не очень понятно, стали ли мы лучше понимать ее природу, воспользовавшись этим современным термином.

Можно сказать и по-другому: на шкале виден пуассоновский поток событий, но средняя длина хрона меняется со временем. Еще, вероятно, можно сказать, что синус – это линейная функция, только параметры, определяющие кривую, меняются с изменением аргумента синуса.

Так или иначе, шкала геомагнитных полярностей устроена сложно, и эта сложность тоже нуждается в объяснении. Пора переходить к вопросу о том, что, собственно, определяет природу и свойства магнетизма небесных тел.

Глава 3 Откуда берутся магнитные поля небесных тел

1. В мире больших магнитных чисел Рейнольдса

Рассказ о природе магнитных полей галактик, Солнца и Земли нужно начать с того, что космический магнетизм очень необычен для мира земной, повседневной физики. В этой привычной физике мы сталкиваемся с магнетизмом в двух ситуациях.

Не упоминая о магнитном поле Земли, можно сказать, что исторически люди впервые столкнулись с магнетизмом, заметив поведение ферромагнитной стрелки. Стрелка реагирует на магнитное поле Земли, которое относится к предмету нашего разговора, но сама она сделана из материала, свойства которого определяются сложными квантово-механическими процессами. Ферромагнетизм чем-то похож на сверхтекучесть и сверхпроводимость – это явление существует только при достаточно низких температурах. Когда температура превышает некоторое критическое значение (оно называется точкой Кюри), ферромагнетизм исчезает и магнит превращается просто в немагнитный кусок металла. То, что точка Кюри, скажем, для железа довольно высокая по человеческим меркам (для чистого железа справочник дает 1043° Кельвина), по меркам физики не так существенно.

Ферромагнетизм связан со сложным строением кристаллической решетки магнитного материала. Это совсем не вяжется с представлением о солнечной плазме, не говоря уже об очень разреженном межзвездном газе галактик. С точкой Кюри тоже возникают проблемы: Солнце и недра Земли очень горячие. Ясно, что ответ нужно искать не в области квантовой физики твердых тел.

Другое знакомое нам проявление магнетизма – электромагниты. Вспоминается знакомый из школьной программы опыт Эрстеда с магнитным полем вокруг провода с током. В данном случае магнитное поле возникает в конечном счете благодаря тому, что где-то далеко находится электростанция, которая гонит по проводам электрический ток.

Допустим, в аудитории, где мы обсуждаем эти вопросы, горит свет. По проводам течет ток. Он создает магнитное поле. Представим на минуту, что среди нас нашелся любознательный человек, который перерезал провод ножницами. Во-первых, его ударит током, что будет, возможно, поучительно для остальных: не стоит портить университетское имущество. Но гуманизм рекомендует ограничиться здесь мысленным экспериментом. Свет погаснет, а магнитное поле исчезнет. Это произойдет практически мгновенно, потому что коэффициент магнитной диффузии среды (величина, обратно пропорциональная проводимости) довольно велик.

Совершенно по-другому обстоит дело в космической среде. Прежде всего, из-за колоссальных размеров небесных тел (по сравнению с земными масштабами) магнитное поле в них затухает очень медленно. Возможно, в недрах Солнца существует область, в которой совершенно нет движений. В этом случае магнитное поле в ней может существовать практически вечно и его не нужно поддерживать внешними источниками. Ключевые слова тут: совершенно нет движений.

Если диффузия, которая размазывает в пространстве магнитное поле, мала, то магнитное поле «приклеено» к среде, в которой находится. Если среда движется, то вместе с ней движется и магнитное поле. Красивым образом вмороженным магнитным полем, да и многими вытекающими из этого образа идеями наука обязана замечательному шведскому физику, лауреату Нобелевской премии Ханнесу Альвену.

Если диффузия мала, то в среду вморожено не только магнитное поле, но и температура и примесь, то есть частицы, находящиеся в среде. В таком случае говорят, что магнитное поле можно рассматривать как примесь.