Лазер и черепахи раскроют тайны магнитного поля

Недавно американские ученые предложили новый, более простой и экономичный способ изучения магнитного поля Земли. Для этого нужен всего лишь небольшой лазерный генератор и самый простой телескоп. Уже ведутся работы по созданию передвижной исследовательской станции, с помощью которой будет возможно разгадать все загадки магнитного поля нашей планеты.

Все знают, что наша планета может генерировать собственное магнитное поле. Однако до сих пор ученые очень мало знают о том, что оно собой представляет и как изменяется под воздействием внешних факторов. И это несмотря на то, что подобная информация зачастую весьма необходима людям — ведь изменения магнитного поля воздействуют как на живые, так и на неживые объекты. Также давно назрела необходимость в магнитных картах, которые дали бы точную информацию о залегании нефти и минералов, помогли бы климатологам следить за океаническими и атмосферными течениями, метеорологам рассказывали бы о "космической погоде", а геофизикам помогали исследовать структуру поверхности нашей планеты.

Пока ученые могут достаточно точно сказать лишь о том, что на небольшом удалении от поверхности Земли, порядка трех ее радиусов, магнитные силовые линии имеют диполеподобное расположение. Напомню, магнитным диполем физики называют гипотетический аналог электрического, который можно представить себе как систему двух "магнитных зарядов" (эта аналогия условна, так как магнитных зарядов, с точки зрения современной электродинамики, не существует). Область, где наблюдается подобное, называется плазмосферой Земли.

Также установлено, что по мере удаления от поверхности Земли усиливается воздействие солнечного ветра (потоков плазмы, излучаемых нашей звездой): со стороны Солнца геомагнитное поле сжимается, а с противоположной, ночной, стороны оно вытягивается в длинный хвост. Также предполагается, что заметное влияние на магнитное поле на поверхности Земли оказывают токи в ионосфере (это область верхней атмосферы, простирающаяся от высот порядка 100 километров и выше и содержащая большое количество ионов). Плазма удерживается магнитным полем Земли, но ее состояние определяется взаимодействием магнитного поля Земли с солнечным ветром, чем и объясняется связь магнитных бурь на Земле с солнечными вспышками.

Считается, что возникновение магнитного поля Земли связано с протеканием токов в жидком металлическом ядре планеты. Подсчитано, что зона, в которой действует механизм "магнитное динамо", находится на расстоянии 0,25-0,3 радиуса Земли. Аналогичный механизм генерации поля может иметь место и на других планетах, в частности, в ядрах Юпитера и Сатурна (по некоторым предположениям, состоящих из жидкого металлического водорода), а также на нашем спутнике, Луне (подробнее об этом читайте в статье "Железное ядро раскроет лунные тайны").

Собственно говоря, на этом область точных знаний о магнитном поле Земли заканчивается. Почему же ученые до сих пор знают о нем так мало? Дело в том, что изучать магнитное поле достаточно сложно. Обычно для этого используются спутники или самолеты c дорогостоящим оборудованием на борту.

И вот недавно группа американских физиков из Беркли (Калифорнийский университет США) предложила весьма простой и экономичный способ изучения магнитного поля нашей планеты — с помощью лазера и телескопа. Причем эти измерения можно будет проводить прямо с поверхности Земли.

На высоте около 90 километров Землю окружает слой атмосферы, наполненный атомами натрия. Эти атомы можно заставить светиться с помощью лазера, если подстроить его частоту под частоту линий излучения данного металла. При этом его атомы переходят в возбужденное состояние и светятся.

Установлено, что локальное магнитное поле влияет на яркость этого свечения (кстати, именно на этом основан метод адаптивной оптики — создания "лазерных опорных звезд" в астрономии). Именно эта идея вдохновила физика Дмитрия Будкера из Беркли, который и предложил заменить дорогие и не всегда точные спутниковые измерения магнитного поля Земли на наземные. Это позволило бы проводить необходимые измерения с гораздо меньшими затратами.

Яркость натриевого пятна при освещении лазером может изменяться примерно на десять процентов. Такие колебания невозможно заметить невооруженным глазом. Лабораторные измерения и результаты компьютерного моделирования, которые провел коллега Будкера Джеймс Хигби, показали, что воздействие лазера можно обнаружить с помощью небольшого наземного телескопа. Он обрабатывает спектральный анализ излучения, помогая определить конфигурацию магнитного поля в месте измерения.

Интересно, что для подобных исследований вовсе не требуются мощные лазерные генераторы, которым необходимо много энергии. По расчетам ученых, будет вполне достаточно 20-50-ваттные лазеры, настроенные на оранжевую спектральную линию натрия. Эти генераторы, кстати, достаточно легко устанавливаются на автомобиль. Таким образом, можно создать передвижную исследовательскую лабораторию. Сейчас, пока его коллеги продолжают изучать поглощение и излучение света атомами натрия, сам Будкер приступил к созданию 20-ваттного лазерного генератора для телескопа VLA (Very Large Array), который сможет подтвердить или опровергнуть его теорию.

В то же время американские зоологи говорят, что некоторые характеристики магнитного поля можно измерить и еще более простым способом. Недавнее исследование Кеннета Ломана из Университета Северной Каролины (США) показало, что огромные морские черепахи логгерхеды (Caretta caretta) могут во время своих странствий использовать сразу две характеристики магнитного поля — силу и угол наклона магнитных силовых линий к земной поверхности.

Значения этих параметров в разных точках планеты изменяются по-разному и независимо друг от друга, что и позволяет логгерхедам довольно точно ориентироваться в пространстве. При этом если необходимые им параметры изменяются, то черепахи также меняют направления своего движения. По мнению Ломана, постоянно наблюдая за несколькими черепахами, к которым прикреплены маленькие спутниковые маячки, можно, не отходя от компьютера, сделать точные выводы о том, как именно меняется в данном районе в настоящий момент времени магнитное поле.

Однако, скорее всего, эти два метода следует использовать не независимо, а параллельно, для того чтобы создавалась комплексная картина. То, о чем не смогут рассказать черепахи, поведает телескоп, и наоборот. Возможно, именно благодаря такому подходу многие загадки магнитного поля Земли в ближайшее время будут разгаданы…

Антон Евсеев