Балалайки в космосе: европейские инженеры изучают магнитное поле Земли

Наблюдения за магнитосферой Земли могут дать ученым ценную информацию и фундаментального, и сугубо прикладного характера. На смену спутнику CHAMP, недавно завершившему свою миссию, вскоре придут сразу три спутника Swarm.

Путешествие к центру Земли, описанное знаменитым французским писателем-фантастом Жюлем Верном в одноименном романе почти полтора века назад, до сих пор остается недостижимой мечтой геофизиков. Однако за минувшие годы ученым удалось узнать немало нового и интересного о строении земных недр, прежде всего, благодаря тому, что где-то там, глубоко под мантией, в самом ядре, протекают процессы, формирующие магнитное поле нашей планеты.

Как это ни парадоксально, изучение магнитосферы Земли из космоса является сегодня чуть ли не единственным эффективным методом исследования земных недр. Значительный вклад в геомагнитные наблюдения внес немецкий исследовательский спутник CHAMP (Challenging Minisatellite Payload). Он был выведен на околоземную орбиту высотой в 400 километров в июле 2000 года и, проработав десять лет вместо запланированных пяти, завершил свою миссию осенью минувшего года.

Трио космических балалаек

Но у геофизиков нет оснований унывать. В середине будущего года стартует новый проект Европейского космического агентства, в рамках которого на околоземную орбиту будут выведены сразу три спутника для измерения магнитосферы нашей планеты. Работать они будут совместно, почему проект и получил название Swarm, то есть «стая» или «рой».

Хотя до старта еще полтора года, спутники уже практически готовы. Аппараты массой в полтонны каждый имеют идентичную конструкцию и весьма необычный - по крайней мере, на взгляд дилетанта - внешний вид, напоминающий балалайку с ее треугольным корпусом-резонатором и длинным грифом.

«Что ж, балалайка - это довольно точное сравнение, - говорит Эккард Зеттельмайер (Eckard Settelmeyer), глава расположенного в Имменштаде на Бодензее филиала европейского аэрокосмического концерта Astrium, где и были разработаны и построены спутники серии Swarm. - На этих аппаратах имеется длинный кронштейн для крепления измерительных приборов. Ведь это высокочувствительные приборы, и мы стараемся вынести их как можно дальше от корпуса спутника, чтобы они регистрировали магнитные эффекты Земли, а не спутника».

Бреши в щите

Информация о состоянии геомагнитного поля чрезвычайно важна не только для ученых-геофизиков, но и для людей, весьма далеких от науки, - поясняет профессор Герман Люр (Hermann Lühr), сотрудник Геофизического центра в Потсдаме и научный руководитель проекта Swarm: «Это поле защищает нас от опасного космического излучения. Непосредственно на поверхности Земли нас защищает еще и слой земной атмосферы, но, например, во время авиаперелетов, на высоте около 10 километров, доза облучения зависит почти исключительно от состояния магнитосферы нашей планеты».

«Между тем, - отмечает ученый, - напряженность магнитного поля Земли непрерывно убывает, его защитная функция снижается, причем в последнее время это происходит с поистине умопомрачительной - по геофизическим меркам - скоростью. К тому же эти изменения происходят в географическом отношении крайне неравномерно. Если в Европе напряженность геомагнитного поля вопреки общей тенденции даже слегка увеличилась, то в ряде других регионов мира - например, в южной Атлантике, Латинской Америке и в районе Карибского бассейна, - она, можно сказать, рухнула: снизилась за последние 30 лет на 12 процентов! Поэтому там сегодня все чаще происходят сбои в работе спутников, то и дело отказывают навигационные системы. Да и для здоровья экипажей МКС ситуация постепенно становится угрожающей».

Предвестники катаклизма...

Но это еще не все. Хотя стрелка компаса по-прежнему указывает вроде бы все то же направление, что и много десятилетий назад, более чувствительные приборы свидетельствуют о том, что магнитные полюса Земли смещаются. Северный магнитный полюс, еще недавно располагавшийся под арктическими паковыми льдами в Канаде, дрейфует дальше на север, через географический северный полюс, в сторону российской территории.

Удивление вызывает не сам по себе процесс такого смещения - в этом-то как раз ничего необычного нет, - а опять же его скорость: около 40 километров в год. До 1970 года полюс дрейфовал со скоростью не более 10 километров в год. «Если нынешние темпы сохранятся, - считает Ларри Ньюитт (Larry Newitt), член Геологической комиссии Канады, - то уже к середине века северный магнитный полюс окажется в Сибири».

Многие ученые полагают, что эти явления следует считать предвестниками грядущей смены направления геомагнитного поля - так называемой инверсии. Профессор Люр поясняет: «В истории Земли это происходило уже не раз: магнитное поле планеты меняло свое направление. Сегодня многое указывает на то, что нам предстоит очередная смена полярности. Похоже, что в южной части Атлантического океана сейчас начинает формироваться регион, который в будущем может стать новым магнитным полюсом Земли».

...или возрат к норме?

Впрочем, коллега Люра - профессор геофизики Технического университета в Брауншвейге Карл-Хайнц Глассмайер (Karl-Heinz Glaßmeier) - более осторожен в прогнозах: по его мнению, сказать со всей определенностью, произойдет ли в обозримом будущем инверсия геомагнитного поля или нет, пока трудно. И уж во всяком случае, это процесс очень долгий. На протяжении последних тысячелетий напряженность магнитного поля Земли была необычно велика, так что не исключено, что теперь она просто возвращается к своему нормальному значению.

Последняя инверсия геомагнитного поля произошла около 750 тысяч лет назад. Поскольку периодичность этого процесса, как явствует из палеомагнитных исследований, в среднем составляет от 200 до 500 тысяч лет, то можно сказать, что очередное изменение направления магнитного поля Земли давно назрело. Правда, сначала двухполюсная структура геомагнитного поля должна утратить упорядоченность.

«Смене полярности всегда предшествует стадия очень слабого поля с множеством полюсов, - говорит профессор геофизики Мюнхенского университета Аксель Шульт (Axel Schult). - На протяжении 5, а то и 10 тысяч лет нашей планете придется обходиться почти совсем без магнитного поля».

Угроза нарастает

Это серьезная проблема. Уже сегодня из-за того, что в южной части Атлантики напряженность геомагнитного поля уменьшилась на 12 процентов, один трансатлантический перелет из Европы в Южную Америку означает для авиапассажира в 1000 с лишним раз большую дозу космического облучения, чем такой же по продолжительности перелет из Европы, скажем, в Японию.

Кроме того, дрейф северного магнитного полюса из Канады в Россию приведет к тому, что вместе с ним сместится в Европу и зона северного сияния. Оно, как известно, вызывается проникновением в верхние слои атмосферы протонов и электронов из космоса, а такие потоки электрически заряженных частиц являются мощным источником помех для спутникового теле- и радиовещания, для систем мобильной телефонной связи и даже для линий электроснабжения. Так что постоянный мониторинг значения и направления вектора напряженности магнитного поля Земли чрезвычайно важен…

Геофизики, климатологи, геологи...

Но вернемся к тому, с чего начали: путешествию к центру Земли. «Магнитное поле генерируется в верхних слоях жидкого металлического ядра Земли, - говорит профессор Люр. - Токи в горячем расплавленном железе создают и поддерживают магнитное поле. Но детали этого механизма, этого динамо-эффекта, науке пока неизвестны. Проект Swarm позволит нам, как мы надеемся, расширить наши познания в этой сфере».

Очередная миссия ESA интересна не только геофизикам, но и климатологам, и геологам. Дело в том, что приливы и отливы вызывают легкие колебания геомагнитного поля, которые спутники Swarm способны регистрировать. Значит, они смогут обнаружить и повышение уровня мирового океана, свидетельствующее о глобальном потеплении. Наконец, эксперты надеются на сугубо прикладной эффект миссии, - говорит профессор Люр: «Она даст возможность, исходя из намагниченности горных пород, находить месторождения руды и некоторых других минералов».

Самим верится с трудом

Конечно, это предполагает наличие на борту спутников Swarm магнетометров с исключительно высокой чувствительностью. Средняя напряженность поля на поверхности земли составляет 50 000 нанотесла, а погрешность измерения на орбите не превышает 0,1 нанотесла.

«Даже нам самим, инженерам, такая сверхвысокая точность кажется просто непостижимой, скажу честно», - признается Альберт Цаглауэр (Albert Zaglauer), сотрудник концерна Astrium, отвечающий за проект Swarm. А для того, чтобы распределение напряженности геомагнитного поля было зарегистрировано не только с высокой точностью, но и трехмерно, группировка из трех спутников будет обращаться вокруг Земли строго синхронно. Можно сказать, маленьким роем. Все три аппарата планируется вывести на орбиту высотой 490 километров одной ракетой-носителем с российского космодрома Плесецк.

Автор: Владимир Фрадкин

Редактор: Дарья Брянцева