Выбор катастроф - Айзек Азимов

Короче говоря, атмосфера действует, как защитное одеяло, не до конца эффективное, но не такое уж и неэффективное. Астронавты на околоземной орбите или на Луне подвергаются более интенсивной бомбардировке космическими лучами, чем мы на поверхности Земли, и это приходится учитывать.

Астронавты во время сравнительно коротких выходов в космос могут получить дополнительную дозу радиации, но обитателям космических поселений такая опасность не грозит. Ведь поселения можно спроектировать со стенами, достаточно толстыми, чтобы обеспечить по крайней мере такую же защиту от космических лучей, какую дает атмосфера Земли.

Правда, если наступит время, когда основная часть человечества разместится в космических поселениях и сочтет себя свободной от перипетий Солнца – она будет безразлично относиться к тому, что Солнце превратится сначала в красного гиганта, а потом станет белым карликом, – прилив и отлив потока космических лучей может оказаться его главной заботой и главной угрозой катастрофы.

Возвращаясь снова к Земле, замечу: пока атмосфера сохраняет свою настоящую структуру и состав, нет причин полагать, что ее защитное действие ослабнет и сделает нас более уязвимыми при увеличении интенсивности космических лучей. Существует, однако, и другой вид защиты, который нам предоставляет Земля. Он более эффективен, но зато менее долговечен, и чтобы это объяснить, понадобится небольшое отступление.

Уже за 600 лет до н. э. греческий философ Фалес (624—546 до н. э.) впервые проводил опыты с естественными магнитными минералами и открыл, что они могут притягивать железо. Со временем узнали, что минерал магнитный железняк (который известен нам, как окись железа) можно использовать для притягивания тонких кусочков стали, которые потом проявляют это свойство более интенсивно, чем сам магнитный железняк.

В средние века открыли, что если намагниченную иголку поместить на легкий плавающий предмет, то эта иголка непременно остановится в направлении север-юг. Один конец иголки был поэтому назван северным магнитным полюсом, а другой – южным. Первыми, заметившими этот факт незадолго до 1100 года, были китайцы, приблизительно век спустя он стал известен и европейцам.

Именно использование намагниченной иголки в качестве «морского компаса» обезопасило европейских штурманов в море и позволило совершать дальние путешествия, а вскоре после 1400 года привело к великим географическим открытиям, которые дали Европе мировое господство почти на пять веков. (Финикийцы, викинги и полинезийцы совершали замечательные морские путешествия без компасов, но подвергались большому риску.) Способность иглы компаса казалась поначалу весьма загадочной, и наименее мистическое объяснение состояло в том, что на дальнем севере находится гора из магнитной руды и она притягивает иголки. Естественно, рождались рассказы о кораблях, рискнувших приблизиться к этому огромному магниту. В этом случае магнит вытаскивал гвозди из кораблей, корабли распадались на части и тонули. Одна из таких историй содержится в «Тысяче и одной ночи».

Английский врач Уильям Гильберт (1544—1603) дал в 1600 году гораздо более интересное объяснение. Он придал куску магнитного железняка форму шара и исследовал направления, которые указывала игла компаса рядом с этим шаром. Он установил, что она вела себя в отношении магнитного шара точно так же, как и в отношении Земли. Он заключил из этого, что Земля представляет собой огромный магнит с северным магнитным полюсом в Арктике и южным магнитным полюсом в Антарктике.

В 1831 году шотландским исследователем Джеймсом Кларком Россом (1800—1862) было определено местоположение северного магнитного полюса, он оказался на западном берегу полуострова Бутия на крайнем севере Северной Америки. На этом месте северный конец иглы компаса указал прямо вниз. Местоположение южного магнитного полюса было определено в 1909 году австралийским геологом Эджвортом Дэвидом (1858—1934) и британским исследователем Дугласом Моусоном (1882—1958), он оказался на краю Антарктиды.

Но почему Земля – магнит? С тех пор как английский ученый Генри Кавендиш (1731—1810) измерил в 1798 году массу Земли, стало ясно, что плотность Земли слишком высока, чтобы она состояла только из камня. Родилась идея, что центр ее состоит из металла. Так как уже было известно, что большинство метеоритов состоит из железа и никеля в соотношении примерно 10:1, возникла мысль, что и центр Земли может состоять из подобной же смеси металлов. Об этом впервые заявил в 1866 году французский геолог Габриэль Август Дебре (1814—1896).

В конце девятнадцатого века были детально изучены волны землетрясений, распространяющиеся по Земле. Было доказано, что эти волны, проникая на глубину до 2900 километров, резко изменяют направление.

В 1906 году предположили, что на этой глубине происходит резкое изменение химического состава, что волны здесь, пройдя каменную мантию, достигают металлического ядра. Теперь это подтвердилось. Земля имеет железо-никелевое ядро, то есть сферу приблизительно 6900 километров в диаметре. Это ядро составляет одну шестую объема Земли, а из-за своей высокой плотности – одну треть ее массы.

Есть искушение предположить, что это-то железное ядро и является магнитом, и что это объясняет поведение стрелки компаса. Однако это не так. В 1896 году Французский физик Пьер Кюри (1859—1906) доказал, что магнитная субстанция теряет магнетизм, если ее нагреть до достаточно высокой температуры. Железо теряет свои магнитные свойства в точке Кюри – 760°С. Для никеля точка Кюри составляет 356°С.

Возможно, температура железо-никелевого ядра выше точки Кюри? Действительно, волны некоторых типов землетрясений никогда не проникают в ядро из мантии. Они относятся к таким волнам, которые не могут двигаться по жидкостному телу, и выходит, что ядро – жидкое, и оно достаточно горячо, чтобы состоять из жидкого никелевого железа. Точка плавления железа 1535°С при обычных условиях и должна быть еще выше при большом давлении на границе ядра, уже только из этого следует, что ядро не может быть таким же магнитом, каким был кусок обычного железа.

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.