Магнитные бури обычно не считаются грозным явлением природы, таким как землетрясения, цунами, тайфуны. Правда, они срывают радиосвязь в высоких широтах планеты, заставляют плясать стрелки компасов. Сейчас эти помехи уже не страшны. Дальнюю связь всё чаще ведут через спутники, с их же помощью штурманы задают курс кораблям и самолётам.

Казалось бы, капризы магнитного поля уже могут никого не беспокоить. Но именно теперь некоторые факты дали почву опасениям, что перемены в магнитном поле Земли способны вызвать катастрофы, перед которыми побледнеют самые грозные силы природы!

Одно из таких изменений поля происходит в наши дни… С тех пор как немецкий математик и физик Карл Гаусс впервые дал математическое описание магнитного поля, последующие измерения — на протяжении 150 лет до сегодняшних дней — показывают, что магнитное поле Земли неуклонно ослабевает.

В связи с этим кажутся естественными вопросы: не исчезнет ли магнитное поле совсем, и чем это может грозить землянам?

Вспомним, что нашу планету непрерывно бомбардируют космические частицы, особенно интенсивно — протоны и электроны, излучаемые Солнцем, так называемый солнечный ветер. Мимо Земли они проносятся со средней скоростью 400 км/с. Магнитосфера Земли не пропускает заряженные частицы к поверхности планеты. Она направляет их к полюсам, где в верхней атмосфере те рождают фантастические сияния. Но если магнитного поля не будет, если растительный и животный мир окажется под таким непрерывным обстрелом, то можно предположить, что радиационное повреждение организмов самым губительным образом скажется на судьбе всей биосферы.

Чтобы судить о том, насколько реальна такая угроза, надо вспомнить, как возникает магнитное поле Земли и нет ли в этом механизме ненадёжных звеньев, способных выйти из строя.

По современным представлениям, ядро нашей планеты состоит из твёрдой части и жидкой оболочки. Подогреваемое твёрдым ядром и охлаждаемое расположенной выше мантией, жидкое вещество ядра вовлекается в кругооборот, в конвекцию, распадающуюся на многие отдельные циркулирующие потоки.

Такое же явление знакомо земным океанам, когда источники глубинного тепла оказываются близко ко дну океана, благодаря чему оно нагревается. Тогда в толще воды возникают вертикальные течения. Хорошо исследовано, например, такое течение в Тихом океане неподалёку от берегов Перу. Оно выносит из глубин к поверхности вод огромную массу питательных веществ, благодаря чему этот район океана особенно богат рыбой…

Вещество жидкой части ядра — это расплав с большим содержанием металлов, и потому он обладает хорошей электропроводностью. Из школьного курса мы знаем, что если проводник движется в магнитном поле, пересекая его линии, то в нём возбуждается электродвижущая сила.

Во взаимодействие с потоками расплава могло первоначально вступить слабое межпланетное магнитное поле. Порождённый этим ток, в свою очередь, создал мощное магнитное поле, которое кольцами окружило ядро планеты.

В недрах Земли в принципе всё происходит так, как в динамо-машине с самовозбуждением, схематическую модель которой имеет обычно каждый школьный кабинет физики. Отличие в том, что вместо проводов в недрах действуют потоки жидкого электропроводящего материала. И, по-видимому, вполне правомерна аналогия между секциями ротора динамо и конвекционными потоками расплава в недрах. Механизм, создающий магнитное поле Земли, назвали поэтому гидромагнитное динамо.

Но картина, конечно, сложнее: кольцевые, иначе их называют тороидальные, поля не выходят на поверхность планеты. Взаимодействуя стой же электропроводной подвижной жидкой массой, они порождают другое, внешнее поле, с которым мы на поверхности Земли и имеем дело.

Нашу планету с её внешним магнитным полем схематически обычно изображают как симметрично намагниченный шар с двумя полюсами. В действительности внешнее поле не столь идеально по форме. Симметрию нарушает множество магнитных аномалий.

Некоторые из них очень значительны и получили название континентальных. Одна такая аномалия находится в Восточной Сибири, другая — в Южной Америке. Подобные аномалии возникают потому, что гидромагнитное динамо в недрах Земли «сконструировано» не столь симметрично, как электрические машины, построенные на заводе, где обеспечивают соосность ротора и статора и на специальных станках тщательно балансируют роторы, добиваясь совпадения их центров масс (точнее, главной центральной оси инерции) с осью вращения. И мощность потоков вещества, и температурные условия, от которых зависит скорость их движения, далеко не одинаковы в различных зонах земных недр, где действует природное динамо. Скорее всего, глубинное динамо можно сравнить с машиной, у которой секции в обмотке ротора разной толщины и зазор между ротором и статором меняется.

Аномалии меньших масштабов — региональные и локальные — объясняются особенностями состава земной коры — как, например, Курская магнитная аномалия, возникшая благодаря гигантским залежам железной руды.

Словом, механизм, порождающий магнитное поле Земли, устойчив, надёжен, и в нём нет, кажется, деталей, которые способны внезапно выйти из строя. Более того, по мнению профессора мюнхенского университета Г. Зоффеля, электропроводность жидкого материала в недрах так велика, что если по какой-либо причине гидромагнитное динамо вдруг «выключится», магнитные силы на поверхности планеты просигналят нам об этом только через многие тысячелетия.

Но одно дело «поломка» природного механизма, другое — постепенное затухание его действия, подобное похолоданиям, породившим оледенения планеты.

Чтобы проанализировать это обстоятельство, нам понадобится более детальное знакомство с поведением магнитного поля: как и почему изменяется оно во времени.

Любая горная порода, любое вещество, содержащее железо или другой ферромагнитный элемент, всегда находится под воздействием магнитного поля Земли. Элементарные магнитики в этом материале стремятся ориентироваться подобно стрелке компаса вдоль силовых линий поля.

Однако если материал нагревать, то наступит момент, когда тепловое движение частиц станет столь энергичным, что оно разрушит магнитную упорядоченность. Затем, когда наш материал будет остывать, начиная с определённой температуры (её называют точкой Кюри) магнитное поле одержит верх над силами хаотического движения. Элементарные магнитики снова выстроятся так, как велит им поле, и останутся в этом положении, если тело не будет снова нагрето. Поле оказывается как бы «замороженным» в материале.

Это явление позволяет уверенно судить о прошлом земного магнитного поля. Учёным удаётся проникать в такие дали времён, когда на юной планете остывала твёрдая кора Минералы, сохранившиеся с той поры, рассказывают о том, каким было магнитное поле два миллиарда лет назад.

Когда же дело касается исследований периодов, значительно более близких к нам по времени — в пределах последних 10 тысяч лет, — учёные предпочитают брать для анализа материалы искусственного происхождения, а не природные лавы или осадки. Это обожжённая человеком глина — посуда, кирпичи, ритуальные фигурки и т. п., которые появились с первыми шагами цивилизации. Преимущество искусственных поделок из глины в том, что археологи могут их достаточно точно датировать.

В Институте физики Земли РАН исследованиями изменений магнитного поля занималась лаборатория археомагнетизма. Там были сосредоточены обширные данные, добытые в лаборатории и в ведущих зарубежных научных центрах. Занимаются этим и российские учёные.

Действительно, эти данные подтверждают, что в наше время магнитное поле ослабевает. Но здесь необходима оговорка: точные измерения поведения поля на больших отрезках времени говорят, что магнитное поле планеты подвержено многочисленным колебаниям с разными периодами. Если мы их все сложим, то получим так называемую «сглаженную кривую», которая достаточно хорошо совпадает с синусоидой, имеющей период 8 тысяч лет.

В данное время суммарное значение магнитного поля находится на нисходящем отрезке синусоиды. Вот это и вызвало беспокойство некоторых авторов. Позади более высокие значения, впереди — дальнейшее ослабление поля. Оно будет продолжаться примерно ещё две тысячи лет. Но затем начнётся усиление поля. Эта фаза продлится 4 тысячи лет, чтобы потом снова наступил спад. Предыдущий максимум пришёлся на начало нашей эры. Множественность колебаний магнитного поля объясняется, по-видимому, отсутствием сбалансированности движущихся частей гидромагнитного динамо, различной их электропроводностью.

Важно отметить, что амплитуда синусоиды составляет менее половины средней величины напряжённости поля. Иными словами, эти колебания никак не могут свести значение поля к нулю. Таков ответ тем, кто считает, будто нынешнее ослабление поля в конце концов откроет поверхность земного шара для обстрела частицами из космоса.

Как уже говорилось, кривая представляет собой сумму накладывающихся друг на друга различных колебаний магнитного поля Земли — всего их выявлено пока около десятка. Хорошо выражены периоды, имеющие длительность 8000, 2700, 1800, 1200, 600 и 360 лет. Менее чётко прослеживаются периоды в 5400, 3600 и 900 лет.

С некоторыми из этих периодов связаны существенные явления в жизни планеты.

Период в 8000 лет имеет несомненно глобальный масштаб в отличие от колебаний, например, в 600 или 360 лет, имеющих региональный, локальный характер.

Интересны взаимосвязи со многими природными явлениями периода в 1800 лет. Географ А. В. Шнитников провёл сопоставление различных природных ритмов Земли и обнаружил их привязанность к астрономическому явлению, названному. Большой сарес, когда Солнце, Земля и Луна оказываются на одной прямой и при этом Земля расположена на наименьшем удалении и от светила, и от спутника. В этом случае достигают наибольшего значения приливные силы. Большой сарес повторяется через 1800 лет (с отклонениями) и сопровождается расширением земного шара в экваториальной полосе — за счёт приливной волны, в которой участвуют Мировой океан и земная кора. Как следствие этого происходит изменение момента инерции планеты, и она замедляет своё вращение. Изменяется также положение границы полярного ледового покрова, происходит подъём уровня океана. Большой сарес отражается на климате Земли — по-иному начинают чередоваться засушливые и влажные периоды. Такие перемены в природе в прошлом отражались и на населении планеты: усиливалась, например, миграция народов…

В Институте физики Земли задались целью выяснить, не существует ли связей между явлениями, вызванными Большим саресом, и поведением магнитного поля. Оказалось, что именно 1800-летний период колебаний поля хорошо согласуется с ритмом явлений, вызванных взаиморасположением Солнца, Земли и Луны. Совпадают начала и концы изменений и их максимумы… Это можно объяснить тем, что в жидкой массе, окружающей ядро планеты, во время Большого сареса приливная волна также достигала наибольшей величины, следовательно, взаимодействие потоков вещества с внутренним полем также менялось.

В последние 10 тысяч лет земная природа не терпела каких-либо бедствий по вине беспокойного магнитного поля. Но что скрывает более глубокое прошлое? Как известно, наиболее драматические события в биосфере Земли лежат далеко за пределами 10 тысяч лет. Может быть, их причиной были какие-либо изменения в магнитном поле?

Здесь мы должны будем заняться фактом, который встревожил некоторых учёных.

Магнитные поля прошлого оказались «вмороженными» ещё и в вулканические лавы, когда те, остывая, проходили точку Кюри. Запечатлены магнитные поля и в донных осадках: опускающиеся на дно частицы, если они содержат ферромагнетики, подобно стрелкам компасов ориентируются по линиям магнитного поля. Оно сохраняется вечно в окаменевших осадках, если только осадки не подвергались сильному нагреву…

Исследованием древних магнитных полей занимаются палеомагнитологи. Им удалось обнаружить поистине грандиозные изменения, которые претерпевало в далёком прошлом магнитное поле. Было открыто явление инверсии — смены магнитных полюсов. Северный перемещался на место южного, южный — на место северного.

Кстати, полюса меняются не так уж быстро — по некоторым оценкам, смена длится 5 или даже 10 тысяч лет.

Последнее такое перемещение произошло 700 тысяч лет назад. Предыдущее — ещё на 96 тысяч лет раньше. В истории планеты таких смен насчитывают сотни. Какой-либо регулярности здесь не обнаружено — известны длительные спокойные периоды, их сменяли времена частых инверсий.

Были открыты также так называемые «экскурсы» — уход магнитных полюсов от географических на большие расстояния, завершавшиеся, однако, возвращением к своему прежнему месту.

Объяснить переполюсовки пытались многие. Американские учёные Р. Мюллер и Д. Моррис, например, считают первопричиной этого удары гигантских метеоритов. «Встряска» планеты заставляла менять характер движения расплавов в её глубине. Авторы этой гипотезы основывались на том, что 65 миллионов лет назад одновременно произошли инверсия и падение на Землю большого космического тела, о чём говорят отложения того времени, богатые космическим иридием. Гипотеза выглядела эффектной, но была малоубедительной хотя бы потому, что временная связь между этими событиями доказана весьма слабо. По другой гипотезе, к инверсиям побуждают глубинные потоки расплава, когда в них попадают гигантские комья ферромагнитного материала. Эти комья, концентрируя в себе линии магнитного поля, как бы «тянут» его за собой.

И эта гипотеза вызывает возражения.

Очевидно, что за миллиарды лет своего существования ядро Земли должно было увеличиваться в размерах. Казалось бы, это не могло не отразиться на магнитном поле Земли. Между тем учёные, располагающие сведениями о том, каким было магнитное поле планеты два миллиарда лет назад, сравнивают эти данные с сегодняшними и не находят даже следов влияния роста ядра на магнитное поле. Может ли отразиться на состоянии поля явление куда более скромных масштабов, какое представляют собой гипотетические «комья»?

Принятая ныне теория гидромагнитного динамо способна объяснить инверсию, но эта теория не говорит о том, что смена полюсов обязательна, она только не противоречит этому явлению.

Причиной инверсий служат всё те же «конструктивные несовершенства» природного гидромагнитного динамо. Но это иные дефекты, нежели те, которые вызывают уже знакомый нам спектр из десяти колебаний магнитного поля, колебаний, однообразно повторяющихся через те или иные отрезки времени. Инверсии не имеют такого регулярного систематического характера.

Можно было бы полагать, что явление инверсии, поиски её причин и её последствий вызовут интерес одних лишь исследователей земного магнетизма. Но нет, это явление привлекло внимание широкого круга учёных и в том числе тех, кто изучает развитие земной биосферы.

В последнее время в нескольких научных статьях было высказано предположение, что при инверсиях магнитное поле Земли исчезает. Таким образом, речь идёт о том, что планета на какое-то время теряет свою невидимую броню. А это, видимо, может повлечь за собой гибель многих видов растений и животных. Вот почему в переменах, которым подвержено магнитное поле, некоторые видят опасность более грозную, чем та, которую несёт разрушительное трио: землетрясения, цунами, тайфуны.

Авторы этого предположения в доказательство своей правоты приводят взаимосвязь между вымиранием динозавров, исчезнувших с лица Земли 65 миллионов лет назад и частыми инверсиями, характерными для того периода.

Гипотезу о таком радикальном влиянии переполюсовок на развитие всей живой природы Земли с особенным удовлетворением встретили эволюционисты, которые в недавнем прошлом моделировали с помощью компьютера историю биосферы нашей планеты, начиная от первичных форм живой материи. В программу были заложены все известные к тому времени факторы, влияющие на мутации и естественный отбор. Результаты исследования оказались неожиданными: эволюция от первой клетки до человека в математической интерпретации шла много медленнее, чем в реальных условиях земной природы.

Очевидно, заключили учёные, в программе не были учтены какие-то энергичные факторы, заставляющие природу одномоментно сменять виды. Теперь, считают они, найден один из таких сильных ускорителей эволюции — это воздействие на органический мир космических излучений в те периоды, когда полюса обменивались местами… Что-то подобное, по меньшей мере, чернобыльской катастрофе.

То ли тревожно, то ли обнадёживающе на этом фоне звучит утверждение американских геофизиков, что ими обнаружены в штате Орегон слои лавы, по которым видно, что «вмороженное» в них поле повернулось на 90 градусов в течение всего двух недель. Иначе говоря, перемены не обязательно требуют тысячелетий, а могут быть почти мгновенными. То есть время губительного воздействия космических излучений невелико, что уменьшает их опасность. Непонятно только, почему поле повернулось не на 180 градусов, а всего на 90.

Однако предположение о том, что при переполюсовках магнитное поле исчезает, всего лишь предположение, а не истина, опирающаяся на достоверные факты. Напротив, некоторые палеомагнитные исследования говорят о том, что поле сохраняется и при инверсиях. Оно, правда, имеет не дипольное строение и много слабее — в 10, и даже в 20 раз. Серьёзные возражения вызвала трактовка резких перемен поля, обнаруженных в лавах из штата Орегон. Упоминавшийся нами профессор Г. Зоффель считает, что открытие американских коллег можно объяснить совсем иначе, например, так: в остывающую лаву «вморозилось» магнитное поле, рождённое ударившей в этот момент молнией.

Но эти возражения не исключают вероятность прямого, может быть, ослабленного воздействия космических частиц на растительный и животный мир. В поиски ответов на вопросы, поставленные этой гипотезой, включились многие учёные.

Заслуживают внимания соображения, высказанные в своё время сотрудником Института физики Земли АН СССР В. П. Щербаковым. Он считал, что при инверсиях магнитное поле планеты, пусть и ослабленное, сохраняет своё строение, в частности, магнитные силовые линии в районе полюсов по-прежнему упираются в поверхность планеты. Над движущимися полюсами в периоды инверсии в магнитосфере существуют постоянно, как и в наши дни, воронки, в которые словно бы ссыпаются космические частицы.

В периоды инверсий, при ослабленном поле они могут здесь подлететь к поверхности зелёного шара на самые близкие расстояния, возможно и достигают её.

В поиски включились и палеонтологи. Например, германский профессор Г. Херм, который в сотрудничестве со многими зарубежными лабораториями изучал донные отложения, приуроченные к концу мелового периода. Он нашёл доказательства, что в эти времена произошёл скачок в развитии видов. Однако этот учёный считает тогдашние инверсии всего лишь одним из факторов, подтолкнувших эволюцию. Г. Херм не находит никаких оснований для тревог за будущую жизнь на планете в случае, если в магнитном поле наступят резкие перемены.

Профессор МГУ Б. М. Медников, биолог-эволюционист, также не считает их опасными и поясняет, почему. Основной защитой от солнечного ветра, говорит он, нам служит всё же не магнитное поле, а атмосфера. Протоны и электроны теряют свою энергию в её верхних слоях над полюсами планеты, заставляя светиться, «сиять» молекулы воздуха. Если вдруг магнитного поля не станет, то сияния, вероятно, будут не только над полюсами, куда магнитосфера теперь сгоняет частицы, а на всём небосводе — но на тех же больших высотах. Солнечный ветер по-прежнему останется безопасным для живого.

Б. М. Медников говорит и о том, что эволюция не нуждается в «подхлёстывании» космическими силами. Последние, более совершенные компьютерные модели эволюции убеждают: её реальная скорость вполне объясняется внутренними для организма молекулярными причинами. Когда при зарождении нового организма создаётся его аппарат наследственности, в одном из ста тысяч случаев копирование родительских признаков происходит с ошибкой. Этого вполне достаточно, чтобы виды животных и растений поспевали за изменениями в окружающей среде. Не стоит забывать и о механизме массового распространения генных мутаций посредством вирусов.

По мнению магнитологов, возражения Б. М. Медникова не могут зачеркнуть проблему. Если маловероятно прямое влияние перемен в магнитном поле на биосферу, то есть ещё и косвенное. Есть, например, несомненные взаимосвязи магнитного поля планеты и её климата…

Как видите, в проблеме взаимосвязи магнитного поля с биосферой немало серьёзных противоречий. Противоречия, как всегда, побуждают исследователей к поиску.

| |
Самые мощные грозы — внутри земли? Самые непредсказуемые процессы

В нашем мире существуют масса разных вещей, происхождение которых имеет вполне научное объяснение. Но несмотря на это, они все еще вызывают массу споров и колоссальный интерес у многих людей. Одним из таких наболевших вопросов считается использование самых мощных магнитов. В мире существует масса магнитов, каждый из которых по-своему уникален. Но какой из них самый мощный?

Необычная и мощная звезда-магнит

Магнитная нейтронная звезда, именуемая «Гамма-ретранслятор 1806-20», является самым мощным магнитным объектом во Вселенной. Она подавляет достаточную магнитную силу, чтобы замедлить локомотив с расстояния в четверть миллиона миль (путь от Земли к Луне).

На данный момент обнаружено только десять таких необычных объектов. При магнитном поле в 100 млрд тесла звезда затмевает Землю. Магнитное поле Земли составляет 0,00005 тесла. Маловероятно, что какое-нибудь рукотворное устройство когда-нибудь приблизится к силе этого самого мощного магнита из космоса.

Мощнейший американский магнит

Самый мощный магнит, разработанный во Флориде, представляет собой технический рубеж по порядку строительства космической станции и является инженерным подвигом. Исследователи из штата Флорида (США), в настоящее время ведут запись с использованием гибридной магнитной системы, введенной в эксплуатацию в девяностых годах. Мощная магнитная система, массой в 35 тонн, имеет магнитное поле в миллион раз превышающее магнитное поле Земли.

Необычный магнит или гигантская подкова

Услышав такое название, сразу приходит на ум огромная подкова. Однако в данном случае все не совеем так. Речь идет об универсальной магнитной системе из Флориды. Она состоит из двух огромных магнитов изогнутой формы, работающих вместе. Наружный слой - это самый мощный магнит имеющий сверхохлаждение и сверхпроводимость. Ему нет равных среди подобных устройств когда-либо созданных человеком. Магнит постоянно охлаждают сверхтекучим гелием до температурных показателей близких к абсолютному нулю. В центре системы расположен огромный резистивный магнит.

Несколько интересных моментов из испытаний

Этот огромный резисторный магнит представляет собой устройство, расположенное в центре комплексного приспособления. Но, несмотря на его размеры, этот супермагнит редко используется. Все дело в том, что для его испытаний была выделена очень маленькая тестовая площадка. Из-за этого испытуемые объекты крохотные и не превышают размеров кончика обычного карандаша.

Более того, в процессе тестирования испытуемый образец необходимо охлаждать до определенной температуры. Для этого он опускается в специальный цилиндрический резервуар с охлаждающей жидкостью.

Применение магнита в медицине

Любой самый мощный магнит с легкостью найдет свое применение в медицине. Использование этих устройств позволяет решить проблему модернизации современного медицинского оборудования.

К примеру, во Флориде находится самый большой магнит, используемый для томографии. Этот 24-тонный гигант позволяет исследовать головной и спинной мозг, выявив не только различные заболевания, но и некогда полученные пациентом травмы. Чем выше магнитное поле, тем точнее результаты. В университете мозга считают, что использование сверхмощных магнитов поможет в исследованиях травм головного и спинного мозга.

В рамках одного из проектов планируется использовать функциональную визуализацию живых клеток при помощи мощного магнита. В ходе эксперимента ученые узнают, насколько повреждается мозговая ткань с течением времени и как лекарственные средства могут на это повлиять.

Технология МРТ, где также нашлось место магнитам, использует мощное магнитное поле для выравнивания клеточных ядер тела. При этом один магнит находится в неподвижном состоянии, а другой вращает ядра и генерирует сигнал. Его-то и считывают компьютеры. Затем они перерабатывают и преобразовывают полученный сигнал в трехмерный визуальный образ.

Влияют ли магниты на человека?

Расширяющееся медицинское использование магнитов вызывает очевидный вопрос: являются ли магнитные поля хорошими или плохими для человеческого тела? В последние годы было много дебатов по поводу последствий жизни вблизи высоковольтных линий электропередач.

Но так как поля падает довольно быстро, кто-то, живущий всего в 50 футах от линии электропередачи, вероятно, испытает не более двух миллигауссов. В последнем исследовании не было оснований полагать, что этот уровень воздействия может оказать пагубное воздействие на организм.

Неодимовые магниты: что и как

Эти магниты являются очень мощными. Они сильные и довольно безопасные, но тяжелые. Некоторые из них могут весить сотни килограммов. Это своеобразные куски из магнитного сплава, наделенного сверхмощной силой сцепления. Такие устройства могут быть облачены в дополнительный стальной корпус, что усилит их вес и сцепление. Также они могут быть лишены подобной дополнительной оболочки. Соответственно, будут обладать меньшим сцеплением и весом.

Благодаря мощи и силе подобных устройств появилась возможность поднимать вверх грузы с весом до 1000 кг.

Для чего нужны поисковые магниты?

Самые мощные поисковые магниты представляют собой небольшие по размеру устройства, используемые для поиска ценных металлических предметов и объектов. Такие находки всегда имеют историческое значение и важны для разного рода исследовательских компаний, археологических обществ и других любителей старинных вещей.

Как правило, они состоят из мощных неодимовых магнитов, резиновых и стальных корпусов, других компонентов. Размеры устройств довольно компактные, поэтому их можно носить в руках. Использовать их можно не только на поверхности, но и в колодцах, болотах, реках. Они могут быть двусторонними и односторонними, а также отличатся своим весом и мощностью.

Мощные и сильные неодимовые магниты

Есть постоянные магниты, которые могут иметь такую же привлекательную силу, как и самые мощные неодимовые магниты. Они называются магнитами AlNiCo. Создаются такие устройства обычно на базе алюминия, кобальта и никеля. При большего размера используется отливка и ее сложные формы.

По словам экспертов, данные виды магнитов обладают прекрасными термическими характеристиками. Благодаря этому они нашли свое применение в производстве тормозных автомобильных систем ABS, изделий с герконовыми переключателями (к примеру, датчиками топливной подачи) и гитарных звукоснимателей.

Как видите, магниты - это важная часть нашей жизни. Они используются в различных сферах нашей деятельности и с разными целями.

Для создания сверхмощных магнитных полей необходимы сверхнизкие температуры

Центр управления экспериментами с высоты птичьего полета

Центр управления экспериментами в лаборатории NHMFL

Пока открыто всего десять таких звезд. Сила поля у этой звезды составляет 100 млрд Тл (в международной системе единиц магнитное поле измеряется в теслах). Для сравнения — у Земли всего 0,00005 Тл. Вряд ли мы когда-нибудь создадим магнит сопоставимой с магнетаром мощности. Но это не значит, что мы не пытаемся. Причины, по которым ученые упорно пытаются построить все более и более мощные магниты, варьируются от «а что будет, если?..» до реальной необходимости улучшить медицинское проекционное оборудование.

Рекорд пока принадлежит специалистам из Национальной лаборатории высоких магнитных полей (NHMFL), расположенной в городе Таллахасси (Флорида). В декабре 1999 года они запустили гибридный магнит. Он весит 34 т, высота его — почти 7 м, и он может создать магнитное поле в 45 Тл, что примерно в миллион раз больше, чем у Земли. Этого уже достаточно, чтобы свойства обычных электронных и магнитных материалов сильно изменились.

Этот магнит, разработанный NHMFL, представляет собой очень важную веху в строительстве МКС, считает руководитель лаборатории Джек Кроу.

Это вам не подкова

Если вы представили себе гигантскую подкову, вас ждет разочарование. Флоридский магнит (см. фото сверху) фактически представляет собой два, работающие в системе. Внешний слой — это сверхохлажденный, сверхпроводящий магнит. Он самый большой из когда-либо созданных такого рода. Его все время охлаждают до температуры, близкой к абсолютному нулю. Используется для этого система со сверхтекучим гелием — единственная в США, специально созданная для охлаждения данного магнита. А в центре хитрой штуковины заключен массивный электромагнит, то есть очень большой резистивный магнит.

Несмотря на гигантские размеры системы, построенной в NHMFL, площадка для экспериментов чрезвычайно мала. Обычно эксперименты проводят над объектами размером не больше кончика карандаша. При этом образец заключают в бутылочку, вроде термоса, чтобы сохранить низкую температуру.

Когда материалы подвергаются воздействию сверхвысоких магнитных полей, с ними начинают твориться очень странные вещи. Например, электроны «танцуют» на своих орбитах. А когда напряженность магнитного поля превышает 35 Тл, свойства материалов становятся неопределенными. Например, полупроводники могут менять свойства туда-сюда: в один момент проводить ток, в другой — нет.

Кроу говорит, что мощность флоридского магнита в течение пяти лет будет постепенно увеличена до 47, затем 48 и в конечном счете до 50 Тл, а результаты исследований уже превзошли самые смелые его ожидания: «Мы получили все, на что надеялись, и гораздо больше. Наши коллеги теперь одолевают нас просьбами предоставить им возможность тоже экспериментировать».

Применение в медицине

В то время как NHMFL концентрирует свои усилия на «чистых» исследованиях, большая часть разработок в сфере мощных магнитов продиктована необходимостью развития медицинской техники. Институт мозга при Университете штата Флорида утверждает, что ему принадлежит самый большой магнит из всех используемых в томографии. Этот 24-тонный «бегемот» может обнаружить в мозгу и позвоночнике длинный список болезней и изъянов. Его мощность 11,7 Тл, что в 234 тысячи раз больше, чем у Земли.

Чем сильнее магнитное поле, тем точнее и детальнее результаты, которые можно получить при использовании технологий вроде ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Один из текущих проектов призван показать влияние паралича и лекарств, применяемых для его излечения, на клетки мозга. Исследование функционального ЯМР (фЯМР) покажет, сколько лекарства в точности потребили какие клетки.

Технологии ЯМР и фЯМР работают так. Сначала при помощи мощного магнитного поля ядра клеток выстраиваются в ряд, как иглы компаса. Затем менее мощный магнит поворачивает ядра. При этом вырабатывается измеримый сигнал, который фиксируется и при помощи компьютеров преобразуется в трехмерное изображение. Чем мощнее магниты, тем больше ядер среагируют на сигнал. В отличие от рентгеновских лучей, которые показывают кости и твердые ткани, ЯМР концентрируется на тканях мягких.

Все расширяющееся использование магнитов в медицине вызывает естественный вопрос — а полезно ли это? В последние годы было много споров на тему влияния близлежащих линий электропередач на людей и животных. Но изза того, что сила магнитного поля падает очень быстро, человек, живущий в какихнибудь 15 м от линии электропередач, получает всего два миллигаусса (мГс). Последние исследования говорят в пользу версии, что это не оказывает никакого влияния на человека.

С другой стороны, не обнаружено и абсолютно никакого положительного влияния от «нательных» магнитов, которые часто продают как универсальное средство от всех болезней — в том числе, артрита. Но миллионы людей по всему земному шару это не останавливает.

В науке всегда есть некоторый элемент состязательности - кто в данном виде спорта самый-самый. Естественно, не остается без внимания и вопрос, какой магнит самый большой. Ответ на него совершенно неожидан для человека, привыкшего к миру технических магнитов: самыми большими по размеру магнитами, известными современной науке, оказываются звездные острова - спиральные галактики. В частности, гигантский магнит представляет из себя та галактика, в которой мы живем, - Млечный Путь. Впервые об этом догадался в конце 40-х годов прошлого века великий Э. Ферми, размышляя о том, что может удерживать космические лучи в Галактике. Он правильно оценил напряженность магнитного поля Млечного Пути и в общих чертах верно представлял себе его конфигурацию. Можно только позавидовать способности классиков науки делать правильные выводы из очень ограниченного набора фактов и, самое главное, удерживаться от беспочвенных спекуляций на его основе. Примерно тогда же замечательный отечественный астроном Б. А. Воронцов-Вельяминов включил эти результаты Ферми в свой учебник по астрономии для 11-го класса средней школы, причем включил так, что его текст практически без правки можно вносить в современные обзоры по магнитным полям галактик. Сейчас данный предмет почему-то в школе не преподают.

Рождение представлений

Вообще говоря, магнетизм широко распространен в космосе. Магнитное поле есть у Солнца, у многих звезд и планет. Магнитом, в конце концов, является Земля. Обычно говорят, что магнитные поля в небесном теле и космической среде обнаруживают по расщеплению в их присутствии спектральных линий электромагнитного излучения, т. е. по эффекту Зеемана. Именно так было открыто магнитное поле Солнца. Однако наблюдать магнитные поля галактик с помощью эффекта Зеемана удается лишь в исключительных случаях, в тех областях, где эти поля аномально велики. Дело в том, что из-за движений излучающих атомов спектральные линии уширяются благодаря эффекту Доплера. Так что сравнительно небольшое расщепление, вызванное магнитным полем галактики, обычно не удается заметить. И тут на помощь приходит другой эффект - эффект Фарадея. Он состоит в том, что в зеркально-асимметричной среде (например, в растворе сахара - в органических веществах есть лишь сахара одной из двух зеркально-симметричных конфигураций) по мере прохождения через нее света плоскость поляризации последнего вращается. Оказывается, что магнитное поле тоже делает среду зеркально-асимметричной, а синхротронное излучение, присутствующее во многих небесных телах, поляризовано. Угол поворота пропорционален проекции напряженности магнитного поля на луч зрения, плотности тепловых электронов среды, длине пути и квадрату длины волны излучения. Длина пути в галактиках огромная, поэтому даже при небольшом магнитном поле набегает существенный поворот плоскости поляризации. Правда, этот поворот не должен быть и очень большим, поскольку тогда плоскость поляризации поворачивается много раз, и наблюдения трудно интерпретировать. В итоге выходит, что лучше всего наблюдать фарадеевское вращение в радиодиапазоне, на длинах волн сантиметрового масштаба.

Говоря, что магнитное поле галактик слабое, мы сравниваем его с полем технических устройств или Земли. На самом деле это сравнение не показательно - в мире галактик свои масштабы. Лучше сравнить плотность энергии магнитного поля и, например, плотность энергии случайных движений межзвездного газа, в котором и находится само поле. Оказывается, что эти энергии приблизительно одинаковы. Другими словами, магнитное поле галактики в своем естественном масштабе гораздо сильнее большинства привычных для нас магнитных полей - оно в состоянии влиять на динамику среды. Это же можно сказать и, например, о магнитном поле Солнца. Специалисты полагают, что магнитное поле в глубине Земли тоже способно существенно воздействовать на течения в жидком внешнем ядре планеты.

Перед тем как указать, каково же магнитное поле галактик количественно, нужно упомянуть о еще одном отличии таких полей в космосе и в технических устройствах. Мы обычно связываем явление магнетизма с ферромагнетиками - в детстве его начинают изучать на примере подковообразного магнита. В космической среде ферромагнетизм - большая редкость. Поэтому нет смысла различать напряженность магнитного поля и магнитную индукцию, а магнитное поле принято измерять не в эрстедах, а в гауссах. Эксперимент показывает, что зарубежные редакторы относятся к такой практике терпимо, а отечественные - не очень. Итак, напряженность магнитного поля галактик порядка нескольких микрогауссов.

За 30 лет после догадки Ферми накопился большой объем данных о фарадеевском вращении излучения внегалактических (по отношению к нам) радиоисточников и пульсаров, т. е. галактических источников поляризованного излучения. В результате на рубеже 80-х годов XX в. открылась возможность более-менее детально изучить строение магнитного поля Млечного Пути. Оказалось, что это магнитное поле лежит в плоскости Галактики, оно примерно симметрично относительно центральной плоскости галактического диска и примерно перпендикулярно направлению на центр Галактики (рис. 1). Эта симметрия очень приблизительная - на среднее магнитное поле наложены разнообразные возмущения. Такое строение магнитного поля кажется естественным. Однако привычное нам дипольное магнитное поле, скажем, Земли, имеет совсем другое строение - оно перпендикулярно экваториальной плоскости нашей планеты. Другими словами, магнитное поле Млечного Пути имеет симметрию квадрупольного, а не дипольного типа, т. е. оно не идет от одного магнитного полюса к другому (как полоидальное магнитное поле), а направлено почти по азимутальному направлению (как тороидальное поле). На самом деле отклонения от тороидального магнитного поля тоже есть, есть и полоидальная составляющая, но они сравнительно слабы.

К сожалению, мы видим Млечный Путь изнутри, так что за близкими деревьями легко теряется образ всего леса. Очень полезно взглянуть на ситуацию со стороны, поэтому особенно ценны наблюдения внешних галактик. Такие результаты появились в 80-х годах прошлого века. Львиную долю этих наблюдений выполнили немецкие радиоастрономы из Института радиоастрономии Общества им. Макса Планка в Бонне. Заслуга в их организации принадлежит Р. Вилебинскому - чрезвычайно колоритному человеку, выходцу из Польши, прошедшему школу радиоастрономии в Австралии, и, между прочим, деятельному стороннику международного сотрудничества, включавшего и нашу страну. В то время Германия уже залечила наиболее заметные раны, нанесенные военной катастрофой, однако немецкая наука еще была далека от довоенных стандартов. Требовалось определить участки, на которых можно было бы достичь лидирующих позиций с помощью разумных усилий. В частности, начинал работу новый современный радиотелескоп в Эффельсберге, недалеко от Бонна (рис. 2). Первые наблюдения показали, что радиоизлучение внешних галактик поляризовано. Оно имеет синхротронную природу, т. е. вызвано движением релятивистских электронов в магнитном поле. Синхротронное излучение поляризовано в высокой степени (около 70% поляризации). Наличие в галактиках каких-то магнитных полей никого не удивляло - астрономы привыкли объяснять ими все непонятное. Но традиционно считалось, что эти поля имеют очень мелкий пространственный масштаб и связаны не со всей галактикой, а с какими-то ее локальными объектами. Тогда излучение, приходящее из разных частей галактики, должно было иметь самые разные ориентации плоскости поляризации, так что в целом оно оказывалось неполяризованным. На деле же поляризация наблюдалась. Конечно, не 70% - процент поляризации был около 10%, но по астрономическим меркам это много. Вилебинский правильно угадал здесь перспективное направление исследования. Подчеркнем, что от наблюдения поляризации до восстановления структуры магнитного поля внешних галактик дистанция большого масштаба. Важно, что была правильно распознана перспектива, а первоначальный импульс исследования оказался настолько сильным, что он во многом определяет ситуацию в данной области до сих пор (хотя, конечно, постепенно подрастают другие группы-конкуренты, прежде всего в Голландии).

Другим удачным обстоятельством, определившим ситуацию в изучении магнитных полей галактик, было то, что в это время в Москве интенсивно работала группа теоретиков, интересовавшихся происхождением таких полей. Научным лидером этой группы был замечательный отечественный физик Я. Б. Зельдович, вокруг которого собирались молодые люди, занимавшиеся различными вопросами астрофизики.

Происхождение магнитных полей небесных тел и прежде всего Солнца давно интересовало теоретиков. Уже в 1919 г. Дж. Лармор понял, что в качестве механизма, способного создать магнитное поле Солнца, не видно ничего, кроме электромагнитной индукции. В самом деле, представление о куске ферромагнетика в центре Солнца не хочется рассматривать даже в виде шутки. По аналогии с тем, что тогда называлось динамо-машиной, механизм получил имя «динамо». Чтобы подчеркнуть, что данный механизм не предполагает наличия на Солнце твердых проводников и других не относящихся к делу деталей, к этому слову прилагают эпитет гидромагнитное . К началу 80-х теория солнечного динамо была хоть в какой-то мере разработана. Было понятно, что в других небесных телах объяснять происхождение магнитных полей тоже естественно с помощью механизма динамо. Вышло несколько работ о том, как могло бы работать динамо в диске галактик. Первая из них, написанная С. И. Вайнштейном и А. А. Рузмайкиным, опубликована в 1972 г. одновременно с работой замечательного американского астронома Ю. Паркера - то были первые работы по галактическому динамо.

Зельдович был человеком, ориентированным на международную научную кооперацию, как бы трудно ни было осуществить это намерение. Одним из результатов его усилий стала публикация в 1983 г. в Нью-Йорке в издательстве «Гордон энд Брич» книги «Магнитные поля в астрофизике», написанной им вместе с молодыми сотрудниками А. А. Рузмайкиным и автором данной статьи. Понятное дело, что мы писали о том, в чем разбирались сами, поэтому значительная часть книги была посвящена галактическому динамо. Книга произвела впечатление на читателя. В то время наши соотечественники редко публиковали книги сразу на английском языке и за границей, но, пожалуй, важнее было то, что впервые вопрос о магнитных полях Млечного Пути занял такое место в книге. Другие группы, работавшие в этой области, больше занимались солнечным динамо.

Нам тоже стало ясно, что открывается новая область исследований. Хорошо помню, как мы слушали доклад замечательного радиоастронома из Бонна Р. Бека, который только что открыл поляризованное радиоизлучение от туманности Андромеды - галактики M31. Это излучение было не размазано по всему диску галактики, а сконцентрировано в кольце (рис. 3). Вероятно, именно там и расположено магнитное поле этой галактики. Но почему оно собирается в кольцо, наблюдателям было совершенно непонятно. Мы-то знали, что студент Саши Рузмайкина Анвар Шукуров только что написал статью о том, какое распределение магнитного поля ожидается в M31 - сосредоточенное именно в кольце, которое располагалось как раз там, где было кольцо поляризованного излучения.

Тогда было не так просто подойти к гостю, приехавшему из далекой Западной Германии, и рассказать ему о своих идеях. Однако Саша - человек, который способен пройти сквозь стену, так что через несколько месяцев удалось довести изыскания нашей группы до сведения немецких коллег. В результате этих усилий мы получили предложение написать книгу о магнитных полях галактик (всяких, а не только Млечного Пути) для голландского издательства «Дурнебааль Райдель» из Дордрехта. В ту пору город Дордрехт, как и вся Голландия, воспринимался как нечто нереальное. Много лет спустя я оказался там и специально поехал в выходной день в этот город, где в 1988 г. вышла наша с Рузмайкиным и Шукуровым книга «Магнитные поля галактик» (правда, издательство уже стало называться «Клувер» - законы бизнеса, ничего не поделаешь). В этот раз русскую версию удалось немедленно издать дома, в издательстве «Наука» . Русского же издания первой из книг пришлось ждать четверть века .

Счастливым для нас образом теория происхождения магнитных полей галактик не входила в качестве неотъемлемой части в концепцию исследователей из Бонна. Поэтому быстро (по масштабам того времени) установилось тесное сотрудничество между нашими группами, так что уже в 1989 г. мы выпустили первый совместный препринт. Во времена перестройки научные связи бурно росли, а многие члены нашей группы стали зарубежными учеными. Поэтому следующий большой обзор по магнитным полям галактик, который вышел в 1996 г. и до сих пор остается стандартной ссылкой по данному вопросу, писала довольно большая группа авторов из многих европейских стран . Отметим, что в Германии была признанная группа, работавшая в области динамо. Правда, эта группа работала в ГДР, в Потсдаме. Это не исключало сотрудничества с Бонном, но делало его не таким простым. Кроме того, часто легче сотрудничать с коллегой из далекой страны, чем со своим соседом. Так или иначе, среди участников обзора был и А. Бранденбург, вышедший из потсдамской группы и работавший тогда в Копенгагене. Сейчас этот ведущий специалист по прямому численному моделированию космических магнитных полей работает в Стокгольме, в Институте теоретической физики северных стран (НОРДИТА).

Первые результаты по магнитным полям галактик вызвали заметный, хотя и не всегда ожидаемый общественный интерес. В те годы не было Интернета, но существовала практика запросов на оттиски статей, причем считалось, что не ответить на такой запрос неприлично. Припоминаю, как отправлял оттиск на запрос из Каирского зоопарка.

Как возникают магнитные поля галактик

Галактическое динамо работает на тех же принципах, что и солнечное. Главная трудность на пути работы этого механизма в том, как обойти известное из школы правило Ленца - электромагнитная индукция создает новое магнитное поле так, чтобы оно не увеличивало, а уменьшало начальное, затравочное магнитное поле. Следовательно, для самовозбуждения магнитного поля (а это и есть динамо) нужно, чтобы в процессе было задействовано два эффективных контура. Тогда первый из них создает магнитное поле во втором, а второй использует это возникшее поле и порождает новое в первом контуре. При этом правило Ленца не запрещает, чтобы новое поле складывалось с исходным.

Специалистам по динамо понадобилось примерно полвека для того, чтобы понять, как можно реализовать эту возможность в природных условиях. Магнитное поле первого контура можно представлять себе как поле магнитного диполя или магнитного квадруполя. Его называют полоидальным. Оно вморожено в хорошо проводящую вращающуюся среду. Вращение это практически никогда не является твердотельным - твердые тела в космосе редкость. Поскольку разные части магнитной линии вращаются с разной угловой скоростью, из полоидального магнитного поля рождается тороидальное магнитное поле, направленное по азимуту. Эта часть устройства динамо особого сомнения не вызывает.

Проблема в том, как восстановить полоидальное магнитное поле из тороидального. К 60-м годам прошлого века стало ясно, что единственный реалистический путь для этого в космических условиях связан с нарушением зеркальной симметрии конвекции (или турбулентности) во вращающемся теле. Благодаря отсутствию симметрии возникает компонента электрического тока, направленная не перпендикулярно, а параллельно магнитному полю. В ясной форме, доступной количественному изучению, данная мысль была высказана и разработана учеными из тогдашней ГДР М. Штеенбеком, Ф. Краузе и К.-Х. Рэдлером. Это, пожалуй, самое известное и важное открытие восточно-германских физиков. Оно получило название альфа-эффекта. Конечно, со временем физики научились описывать альфа-эффект на должном математическом уровне. Но главная проблема с ним все-таки психологическая. Весь опыт школьной, университетской, да и вообще стандартной физики сформирован при молчаливом предположении, что мы имеем дело с зеркально-симметричными средами. Эффекты зеркальной асимметрии начинают играть существенную роль в микромире. Они были обнаружены приблизительно тогда же, когда сформировалось и представление об альфа-эффекте. В то время физики уже привыкли к тому, что поведение элементарных частиц плохо укладывается в категории здравого смысла, однако то, что это случается и в мире больших масштабов, было трудно себе представить. На самом деле зеркальную симметрию нарушает общее вращение тела, в данном случае галактики. Забавно, что в географии этот факт считается очевидным - там есть закон Бэра: согласно ему, реки, текущие в противоположных полушариях, подмывают разные берега. В динамо в совершенно другом контексте используется ровно та же идея.

Подчеркнем, что динамо - пороговое явление. Индукционные эффекты должны перебороть омические потери магнитного поля, связанные с конечной проводимостью среды. В мире галактик этот порог генерации преодолевается за счет огромных пространственных масштабов последних.

В рамках свойств галактического динамо понятно, почему магнитные поля возникают в галактиках спиральных и некоторых других близких типов - именно эти галактики вращаются.

Удалось разобраться и в том, почему конфигурация магнитных полей галактик совсем не похожа на то, как устроено магнитное поле Солнца и Земли. Оказалось, что во всех случаях динамо работает в некотором слое, однако угловая скорость в галактиках меняется вдоль этого слоя, а в других случаях - поперек него. Заранее было, мягко говоря, неочевидно, что такая на первый взгляд несущественная деталь приводит к совершенно различным результатам. Конечно, очень важно и то, что условия наблюдения магнитных полей во всех этих ситуациях очень различны - мы видим прежде всего легко наблюдению поддающееся.

Новые идеи и старые иллюзии

Первые модели генерации магнитного поля в галактиках были, естественно, обобщенными и однообразными. Конечно, крупно повезло, что в них сразу же нашлось место яркой детали (кольцу в M31), которую удается увидеть и в наблюдениях. Этой детали даже была посвящена одна из почтовых марок, выпущенных немецкой почтой (рис. 4).

За годы, прошедшие с тех пор, наблюдатели обнаружили много разнообразных и красивых деталей, а теоретики в той или иной степени научились их объяснять.

Оказалось, что в некоторых спиральных галактиках (например, в NGC 6946) магнитные поля собраны в своеобразные магнитные рукава, которые расположены между спиральными рукавами, образованными газом и звездами (рис. 5). Теоретики склонны трактовать эти магнитные рукава как своеобразный транзиент, т. е. магнитную структуру, которая еще не успела достичь своего равновесного состояния . Известны и другие примеры подобных транзиентов. Например, магнитное поле нашего Млечного Пути несколько раз меняет свое направление вдоль галактического радиуса. Простейшие модели галактического динамо предсказывают, что конечная стадия эволюции магнитного поля галактик не должна обладать подобными чертами. Их появление в реальных галактиках объясняется тем, что эти очень старые по человеческим меркам небесные тела в магнитном смысле совсем молоды. В самом деле, оказывается, что характерное время, за которое галактическое динамо может существенно перестроить магнитное поле в данной области галактического диска, составляет порядка 0,5 млрд лет. Это, конечно, существенно меньше, чем возраст галактик, сравнимый с 10 млрд лет, однако разрыв между данными временны ми масштабами не такой уж большой. Важно и то, что на протяжении своей жизни галактика не оставалась неизменной. В ней происходили разнообразные явления вроде вспышек звездообразования, появления и исчезновения газовых спиральных рукавов, взаимодействий с соседними галактиками и т. д. Сравнительно неторопливое галактическое динамо не успевает сгладить следы этих событий. В итоге в разных частях галактического диска образуются фрагменты финальной магнитной конфигурации, которые плохо стыкуются друг с другом. Это и есть транзиенты. Особенно помогает их образованию то, что магнитное поле - псевдовектор. Это значит, что можно предсказать лишь величину вектора магнитного поля и ту прямую, на которой он лежит, а физической причины, которая выделяла бы направление поля, существовать не может. Поэтому в разных фрагментах магнитной конфигурации магнитное поле способно иметь противоположные направления, а на стыке фрагментов возникают долгоживущие обращения магнитного поля .

Подобные внутренние пограничные слои (их еще называют контрастными структурами) известны во многих областях физики (например, в физике полупроводников). Для изучения контрастных структур замечательным отечественным математиком А. Б. Васильевой и ее школой разработаны мощные методы расчета. Мы, естественно, широко пользовались идеями этой группы, однако обнаруженная формальная аналогия между полупроводниками и галактиками была, разумеется, совершенно неожиданной.

Конечно, спиральные галактики - не просто вращающиеся газовые и звездные диски. В них выделяются различные структуры. Например, в центральных частях некоторых галактик видна своеобразная линейная структура, которая протыкает центральную область, как спица. От ее концов отходят спиральные рукава, поэтому по-русски ее положено называть перемычкой, хотя в живой речи ее обычно обозначают английским словом bar . Магнитные поля в галактиках с баром были изучены в рамках специального немецко-российского проекта РФФИ и Немецкого научного общества, за который мы очень благодарны обоим учредителям. Оказалось, что вращающийся бар сильно изменяет стандартную конфигурацию магнитного поля, а главное, возникают такие магнитные линии, вдоль которых может течь вещество и питать черную дыру, находящуюся, видимо, в центре галактики (рис. 6). До сих пор галактики с перемычками - единственный детально исследованный (как наблюдательно, так и теоретически) морфологический класс галактик.

Описание результатов этого детального и кропотливого исследования вызвало к жизни публикации в разнообразных научных (и популярных) журналах, включая самые престижные, а практика написания отчетов по проектам позволила прийти к неожиданным наукометрическим выводам. Мы и раньше догадывались, что неплохо публиковать свои результаты в самых высокоцитируемых журналах, например, в Nature . И по мере поступления соответствующих результатов делали это. Практика же показывает, что (по крайней мере в астрономии) такая престижная публикация сама по себе не производит особенного впечатления на научное сообщество и не вызывает, в частности, потока ссылок. Гораздо важнее поддержать эту пилотную статью последовательной развернутой публикацией результатов во всей линейке научных журналов по данной тематике - от престижного журнала, обращенного к широкой научной аудитории, до более локальных журналов, адресованных кругу узких специалистов. Тогда оказывается, что и индекс цитирования специальных статей примерно такой же, как и у статьи в Nature . Как говорят футболисты, порядок бьет класс.

Не все первоначальные ожидания подтвердились в ходе исследований. Например, часто создается впечатление, что магнитное поле галактик связано не столько с галактическим диском как целым, сколько со спиральными рукавами в этом диске. В самом деле, направления магнитных векторов близки к направлению спиральных рукавов. Близки, но не совпадают. Конечно, газовые рукава искажают распределение магнитного поля, однако, как выяснилось, сами по себе они его не вызывают.

Другое заблуждение, рассеявшееся в ходе исследований, состоит в представлении, что магнитное поле галактик образовалось при закручивании первоначально однородного магнитного поля, вмороженного в вещество, из которого образовалась галактика. Такое гипотетическое магнитное поле называют реликтовым. Это представление поначалу казалось очень притягательным - не нужно думать о какой-то зеркальной асимметрии и других сложностях. Однако расчеты показывают, что такое реликтовое поле не выживает во вращающихся галактиках, а если бы оно каким-то чудом и выживало, его конфигурация получалась бы непохожей на наблюдаемую.

Магнитные поля в контексте современности

Развитие конкретной области науки далеко не всегда определяется только чисто научными соображениями. Строительство новых радиотелескопов, без которых трудно улучшать возможности наблюдений, - сложный и дорогостоящий процесс, требующий очень серьезной международной и междисциплинарной кооперации. Невозможно представить, чтобы новый мощный радиотелескоп был построен для выполнения одной научной задачи. Поэтому подготовка к наблюдениям на новом приборе занимает не один год и приводит к перестройке всей системы групп, занимающихся данной областью науки.

Сейчас ясно, что следующими радиотелескопами, которые будут наблюдать магнитные поля галактик, станут телескопы LOFAR (от английского LOw Frequency ARray - низкочастотный комплекс) и SKA (Square Kilometre Array - комплекс километровой площади). Особенность первого из них, который уже в основном построен в Голландии, заключается в том, что он состоит из центрального ядра и вспомогательных станций, расположенных в различных европейских странах. Одна из этих станций находится в окрестностях Кракова, в форте времен Первой мировой войны. Поучительно присмотреться к опыту этой обсерватории Ягеллонского университета (Польша). Четверть века назад, когда я впервые увидел эту обсерваторию, в ней не было ни одного более-менее современного инструмента, не было ни денег, ни специалистов-наблюдателей, которые могут проводить современные наблюдения. Зато было четкое осознание того, что из этого сложного положения можно выйти только собственными усилиями. За прошедшие годы руководители этой группы, которыми были последовательно М. Урбаник и К. Отмяновска-Мазур, наладили тесное сотрудничество студентов-астрономов с наблюдателями из Бонна, прежде всего с уже знакомым нам Беком. Молодые ребята выросли в опытных исследователей и переняли у немецких коллег многие наблюдательные проекты. Постепенно нашлись деньги для строительства станции LOFAR, тем более что технически подобная станция достаточно проста. Я хорошо помню, как еще в аспирантские годы был на подобном же радиотелескопе под Харьковом. Усилия краковских астрономов-наблюдателей были поддержаны теоретиками из польского города Торунь. В итоге Польша вышла на лидирующие позиции в данной области, затратив на это минимальные ресурсы. Может быть, стоит поучиться?

Техническая идея, заложенная в радиотелескопе LOFAR, предполагает наблюдения на волнах существенно более длинных, чем на радиотелескопах, выполнивших основные имеющиеся наблюдения. Это значит, что плоскость поляризации радиоизлучения, приходящего от удаленной галактики, может совершать полный оборот много раз. Наблюдения эти полные обороты не замечают, а для восстановления магнитного поля их число нужно знать. Возникает очень непростая задача расшифровки сигнала, претерпевшего многократные повороты плоскости поляризации. Задача трудная, но не безнадежная. Над ее решением бьются сейчас радиоастрономы многих стран. Прогресс есть, но до полной ясности еще далеко .

Для радиотелескопа SKA запланирован гораздо более широкий диапазон длин волн, который включает и короткие волны. Это очень обнадеживающий факт. Плохо только, что строительство инструмента оттягивается все дальше и дальше, его разработчикам приходится экономить средства, а экономия во многом происходит за счет предполагаемого изучения магнетизма галактик. Ясно, что моему поколению уже не придется работать с данными SKA.

На еще бо льших масштабах

Галактики очень велики по сравнению с Землей, но по масштабам космологии это очень маленькие объекты. Есть ли магнитные поля с еще бо льшими пространственными масштабами, чем в галактиках?

Хорошо известно, что магнитные поля присутствуют в скоплениях галактик. Эти скопления, естественно, намного больше составляющих их элементов. Однако, насколько известно сейчас, магнитные поля в них имеют примерно те же пространственные масштабы, что и галактические магнитные поля.

В мире галактик есть и образования, существенно более впечатляющие, чем спиральные галактики со своими магнитными полями. Это квазары, различные струи (джеты), вытекающие из галактических объектов, и другие активные образования. Во многих из них есть или предполагается магнитное поле. Однако пока не сложились уверенные представления о магнитных полях подобных образований, сопоставимых по масштабам со всем небесным телом. Очень хочется надеяться, что такие поля есть, а опыт изучения магнитных полей спиральных галактик окажется полезным для их изучения.

Можно ли говорить о магнитных полях еще большего, космологического пространственного масштаба? На первый взгляд кажется, что никаких надежд на существование таких магнитных полей нет - Вселенная однородна и изотропна с очень высокой степенью точности, а магнитное поле выделяло бы в ней некоторое направление, нарушая изотропию.

На самом деле в этом наивном рассуждении есть сразу два пробела, которые маскируют возможность бытия для космологических магнитных полей. Во-первых, космологическое магнитное поле может быть мелкомасштабным по космологическим меркам, но будет ли справедливо то же по отношению к галактическим масштабам, заранее неясно. Исследования специалистов по космологии показывают, что в ранней Вселенной действительно могли быть и, по-видимому, образовывались магнитные поля. В самом грубом приближении логика здесь такая. Считается, что первоначально Вселенная была заполнена вакуумом, из которого по мере расширения Вселенной и падения ее температуры рождались всевозможные частицы. В рамках квантовой физики магнитное поле тоже можно трактовать как некоторые частицы. Их образование и есть формирование магнитного поля.

Гораздо более сложен вопрос, являются ли эти магнитные поля крупномасштабными. В определенном смысле ответ положительный. Зеркальная симметрия нарушается не только во вращающейся турбулентности, но и в ядерных реакциях. Это тоже приводит к альфа-эффекту и образованию крупномасштабного магнитного поля. Проблема лишь в том, что данное поле крупномасштабно лишь по меркам той геометрии, которая существовала во время его образования. По меркам же современных галактик пространственный масштаб таких магнитных полей оказывается очень маленьким.

Конечно, проследить, что происходит с магнитным полем, рожденным на самых ранних этапах жизни Вселенной, до настоящего времени, - очень нелегкая задача. Мнения специалистов тут расходятся, но все-таки более вероятным кажется, что подобные космологические магнитные поля прямо не связаны с магнитными полями современных галактик. В частности, этим полям трудно пережить эпоху, когда температура Вселенной уже упала, а галактики еще не родились. В то время галактическое динамо еще не работает, а магнитное поле уже затухает в силу закона Ома - электрическое сопротивление среды становится заметным.

На другую, гораздо более экзотическую возможность обратил в свое время внимание Зельдович. Если однородное магнитное поле достаточно слабое, оно мало нарушает изотропию Вселенной. Конечно, магнитное поле может быть настолько слабым, что оно вообще не представляет никакого интереса для физических процессов в галактиках. Оказывается, что есть зазор между верхней оценкой однородного магнитного поля, которая получается из изотропии Вселенной, и той нижней оценкой, которая сохраняет значение поля для жизни галактик. Этот зазор постепенно сужается, но еще остается значительным.

До недавнего времени наука располагала лишь верхними наблюдательными оценками космологического магнитного поля, поэтому казалось, что идея Зельдовича, оставаясь очень красивой, представляет лишь чисто академический интерес. Однако несколько лет воспитанники отечественной школы физики, работающие сейчас в различных европейских научных центрах, А. Неронов и Д. В. Семикоз привели убедительные наблюдательные аргументы в пользу существования космологического магнитного поля и дали его нижние оценки . Они заметно ниже, чем напряженность магнитных полей галактик, но вполне достаточны для того, чтобы эти магнитные поля остались игроками в астрофизике.

Эти оценки основаны на достаточно сложном анализе реакций элементарных частиц, происходящих в космической среде, и не позволяют судить о пространственном строении магнитного поля. Конечно, не исключено, что данное поле попадает в пространство между галактиками с помощью каких-то физических процессов из самих галактик, но в целом проблема космологических магнитных полей приобрела совсем иное звучание, чем в прежние годы.

Зачем все это знать?

Среди наших современников есть некоторая группа людей, для которых слова магнетизм галактик кажутся достаточно притягательными сами по себе для того, чтобы оправдать исследования в данной области науки. Это можно только приветствовать - наука как область интеллектуальной деятельности людей и способ познания мира не ставит перед собой непосредственных утилитарных целей, практические результаты получаются как побочные продукты ее деятельности. Однако все-таки интересно узнать, есть ли какие-нибудь шансы на то, что изучение магнетизма галактик окажет какое-то воздействие на нашу повседневную жизнь.

Оказывается, дело не так безнадежно, как можно было бы подумать. Попытки воспроизвести механизм динамо в лабораторных условиях предпринимаются начиная с 60-х годов прошлого века. Первые опыты были выполнены отечественными учеными и учеными из ГДР. В качестве проводящей среды, где должно действовать динамо, использовались жидкие металлы, прежде всего натрий, который становится жидким при сравнительно невысоких температурах. Сейчас непросто понять, почему было принято решение организовать работы в Латвии. Задача оказалась очень сложной технически, но упорный труд специалистов увенчался успехом в последние недели истекшего тысячелетия - удалось получить самовозбуждающееся магнитное поле. Правда, специалисты, достигшие успеха, хотя и работали по-прежнему в окрестностях Риги, но представляли иные страны.

Примерно в то же время был запущен и российский экспериментальный проект по изучению динамо. Он реализуется в Перми, в Институте механики сплошных сред. В ходе этого проекта удалось, в частности, впервые в лабораторных условиях измерить альфа-эффект. Экспериментальные проекты по динамо сейчас работают в нескольких странах: во Франции, Германии, России, Латвии и США. Конечно, до технических устройств, использующих механизм динамо, еще очень далеко, однако создание экспериментальной базы по работе с потоками жидких металлов нужно и для многих технических задач. Поэтому у проекта в Перми есть и непосредственная практическая составляющая, но это уже тема другого рассказа 5

Именно от этого показателя зависят его эксплуатационные качества и сфера применения. Силу магнитов измеряют в единицах тесла (Тл). То есть, чтобы узнать, какой магнит самый мощный, нужно провести сравнение различных материалов по этому показателю.

Самый мощный электромагнит

Ученые в разных странах стараются создать самый мощный магнит в мире и порой добиваются очень любопытных результатов. На сегодняшний день статус самого сильного электромагнита удерживает за собой установка в национальной лаборатории в Лос-Аламосе (США). Гигантское устройство из семи наборов катушек общей массой 8,2 тонны вырабатывает магнитное поле мощностью 100 Тл. Этот впечатляющий показатель в 2 миллиона раз превышает силу магнитного поля нашей планеты. Стоит отметить, что соленоид магнита-рекордсмена произведен из российского нанокомпозита медь-ниобий. Этот материал разработан учеными Курчатовского института при содействии ВНИИ неорганических материалов им. А. А. Бочвара. Без этого сверхпрочного композита новый самый мощный магнит в мире не сумел бы превзойти рекорд предшественника, поскольку главная техническая сложность при работе установок такого уровня – сохранение целостности при воздействии сильнейших магнитных импульсов. Максимальная зафиксированная сила поля электромагнита, который был разрушен импульсами во время эксперимента, составила 730 Тл. В СССР ученые, используя магнит особой конструкции и взрывчатые вещества, сумели создать импульс в 2800 Тл.

Полученные в лабораториях магнитные импульсы в миллионы раз превосходят магнитное поле Земли. Но даже самый мощный магнит, который удалось построить на сегодняшний день, в миллионы раз слабее нейтронных звезд. Магнетар SGR 1806-20 обладает магнитным полем силой 100 миллиардов Тесла.

Самый сильный магнит для бытового использования

Конечно, магнитная сила звезд и эксперименты ученых – это интересно, но большинство пользователей хочет узнать, какой магнит самый мощный для решения конкретных прикладных задач. Для этого нужно провести сравнение силы магнитного поля различных видов магнитов:

1) Ферритовые магниты – 0,1..0,2 Тл.

2) Альнико и самариевые магниты – 0,4..0,5 Тл.

3) Неодимовые магниты – до 2 Тл (при сложении в структуру Хабальта).

Итак, самый сильный магнит – это редкоземельный супермагнит , главными составляющими которого являются неодим, железо и бор. Сила его поля сопоставима с мощностью электромагнитов с ферритовым сердечником. Магнитный сплав на основе неодима может похвастаться непревзойденными показателями по таким важным параметрам:

1) Коэрцитивная сила. Это свойство позволяет использовать материал в зоне действия внешних магнитных полей.

2) Усилие на отрыв. Благодаря максимальной магнитной силе удается уменьшить размер изделий при сохранении высокой мощности сцепления.

3) Остаточная магнитной индукции. Высокий показатель остаточной намагниченности обеспечивает очень важное свойство неодимового магнита – длительность сохранения магнитных качеств. По сути, теряя всего несколько процентов своей силы за столетие, магнитный сплав неодим-железо-бор является вечным магнитом.

Чтобы сохранить сильное магнитное поле редкоземельного супермагнита на основе неодима, следует помнить о его уязвимых местах. В частности, материал имеет порошковую структуру, поэтому сильные удары и падения могут привести к потере его свойств. Также сплав размагничиваются при нагреве до +70 ? C (термостойкие версии сплавов выдерживают до +200 ? C ). Просто учитывайте эти особенности и тогда изделия будут приносить вам пользу максимально долго.

Кстати, заказать неодимовые магниты различных форм и размеров по лучшей стоимости вы можете в интернет-магазине «Мир магнитов».