В майском номере журнала вы упоминали молекулярные и магнитные часы. Что это такое и как они работают?
Вероника Залётова, 11 лет (из письма в редакцию)
Вероника, привет и огромное тебе спасибо за интересный вопрос! Точнее, за два вопроса. Потому что отвечать сразу и про то, и про другое не получится. Так что по частям. Сперва расскажем о магнитных часах, хорошо? А прежде чем рассказывать про магнитные часы, надо заполучить магнит...
Самодельный магнит
Само собой, магнит (и даже два) можно найти в коробке с набором «Юный Физик» из магазина. Но это недёшево. Можно использовать распространённые везде магнитики, которые цепляют на дверцу холодильника. Дешевле, но магнитики там слабенькие. А можно выпросить у кого-нибудь старые звуковые колонки (например, от компьютера). Внутри каждой такой колонки – динамик, а в задней части такого динамика находится мощный кольцевой магнит. Чтобы его «отломать», возможно, понадобится помощь; однако приложенные усилия того будут стоить – потому что в итоге мы получим магнит для опытов одновременно и мощный, и бесплатный!
Самодельный компас
Попросим у бабушки или мамы железную иглу – с иглой, уверяем, ничего плохого не произойдёт, она останется совершенно целой, надеемся, что то же самое можно будет сказать про ваши пальцы. Поднесём иглу к магниту, она к нему притянется. Подождём какое-то время (несколько часов). После этого аккуратно оторвите иголку от магнита (это может быть непросто!) и поднесите её к маленькому металлическому предмету – гаечке от конструктора или стальному шарику от пневматического пистолета. Вы увидите, что гаечка начинает притягиваться к иголке, что иголка намагнитилась, то есть сама стала магнитом – хотя, конечно, не таким сильным, как «магнит-папа». Теперь аккуратно приклейте намагниченную иглу на лёгкую пробку, налейте в глубокую миску воды и осторожно уложите пробку с иглой на воду. (Можно использовать кусочек пробки в качестве поплавка, как показно на картинке.)
Вы увидите, как плавающая иголка медленно повернётся и покажет на север – ура, мы сделали самодельный магнитный компас!
Магнитометр и гауссы
Нетрудно сообразить, что самодельный компас может не только «показывать на север», но и служить прибором для обнаружения и измерения магнитных полей – магнитометром. Поднесите наш компас к магниту, к массивному металлическому предмету, к работающей звуковой колонке от вашего музыкального центра – и увидите, как стрелка вдруг изменит своё направление! Почему? Потому что она попала в магнитное поле предмета и вытягивается уже вдоль его силовых линий (а не вдоль силовых линий магнитного поля Земли)!
Силу магнитного поля физики, кстати, измеряют в особых единицах – гауссах. Скажем, магнитное поле Земли – то самое, которое отклоняет стрелку компаса – обладает силой примерно в пол-гаусса. Магнитик для холодильника – 50 гаусс. Сильный магнит из динамика – 200 гаусс и больше.
Чудо-шхуна
В 1952 году на воду было спущено уникальное, совершенно необычное судно – деревянная трёхмачтовая парусная шхуна «Заря». При постройке этой шхуны не было использовано ни одного гвоздя. Да что там гвоздя – ни единой детали, сделанной из железа или стали! Обшивка подводной части была сделана из латуни, абсолютно все лебёдки, цепи и якоря – из сплавов цветных металлов: алюминия, меди, цинка и других. В качестве балласта в трюме использовались, как в глубокой древности, гранитные булыжники. Это было первое в мире научно-исследовательское немагнитное судно.
На нём были установлены самые разные магнитометры, невероятно чувствительные – именно поэтому на «Заре» не было ни одной железной детали! Ведь любая такая деталь могла «наследить», испортить результаты измерений. А измеряла «Заря» ни много ни мало магнитное поле Земли и его характеристики!
Что случилось с Колумбом
С первого класса школьники заучивают правило: «стрелка компаса указывает на север». Это правило знакомо мореплавателям уже давным-давно: стрелка компаса указывает на Полярную звезду, то есть на север. В 1492 году началось знаменитое плавание Христофора Колумба на запад – то самое, в результате которого была открыта Америка. Во время плавания произошёл странный случай: стрелка компаса начала медленно, но верно «отклоняться» от направления на Полярную звезду, перестала показывать на север! Суеверные матросы перепугались, запаниковали и чуть было не устроили бунт.
Хитроумный Колумб, чтобы избежать бунта, тайком от команды просто взял и повернул компас так, чтобы стрелка снова начала показывать на Полярную звезду... Считается, что именно так европейцы познакомились с магнитным склонением.
О магнитном склонении
Наша с вами планета Земля – гигантский магнит. Именно поэтому упрямо разворачивается на север стрелка компаса – как самодельного, так и купленного в магазине. Однако северный и южный полюса этого магнита вовсе не совпадают с географическими северным и южным полюсами! Именно поэтому в разных местах Земного шара направление на истинный север (то есть географический полюс) может очень сильно отличаться от направления, которое показывает магнитная стрелка (то есть на магнитный полюс).
Эту разницу мореплаватели назвали «магнитным склонением». Именно магнитное склонение тщательно измеряла во время своих плаваний шхуна «Заря» (и другие научно-исследовательские суда и сухопутные экспедиции). За много лет наблюдений учёные поняли: магнитные полюса Земли постоянно движутся! А следом за ними изменяется и магнитное склонение...
На дне морском
Перенесёмся с поверхности воды глубоко вниз, скажем, на дно Атлантического океана. На большой глубине постоянно извергаются подводные вулканы, из недр Земли поднимается раскалённая лава; лава охлаждается и застывает, образуя горную породу – базальт. Внутри базальта всегда есть очень мелкие «зёрнышки», вкрапления магнетита (он же магнитный железняк, он же оксид железа).
Когда температура падает, эти вкрапления намагничиваются в магнитном поле Земли – в точности так же, как намагнитилась игла в нашем опыте с самодельным магнитом. И, подобно миллионам стрелок компаса, поворачиваются в направлении на магнитный полюс, и навсегда застывают в таком положении... Проходят тысячи лет, миллионы, магнитные полюса Земли продолжают двигаться, а вот микроскопические «стрелочки» внутри горной породы своё направление не меняют, продолжают «показывать на древний полюс»...
И не только на дне
Сверхчувствительные магнитометры позволяют учёным очень точно определить направление на магнитные полюса в тот момент, когда образовалась горная порода. Впрочем, не только горная порода – скажем, ещё тысячи лет назад люди строили себе дома из высыхающего на солнце глиняного кирпича – «кирпича-сырца». Такие кирпичи тоже могут, подобно базальтам, навсегда «запоминать» направление на магнитный полюс в прошлом, то есть тогда, когда происходил процесс застывания глины. Анализируя десятки тысяч образцов – и застывших глин, и базальтов, и других горных пород – учёные смогли составить подробные карты изменений магнитного поля Земли в прошлом.
Что такое инверсия?
При составлении таблиц и карт изменений магнитного поля было совершено удивительнейшее открытие. Оказалось, что время от времени магнитные полюса нашей планеты... меняются местами! Да-да, вы не ослышались – северный магнитный полюс в один прекрасный момент (ну, по меркам геологии) – ррррраз! – и превращается в южный, а южный становится северным. Это природное явление было названо «инверсией», то есть «перестановкой», «превращением». По какой именно причине происходит смена полярности у магнитного поля Земли, почему полюса берут и меняются местами, иногда раз в несколько миллионов лет, иногда раз в несколько тысяч, – наука пока ответа не знает. Но зато магнитные инверсии (по-другому – «магнитные аномалии») очень чётко прослеживаются по образцам горных пород! Скажем, дно Атлантического океана буквально «разрисовано» полосами магнитных инверсий, то есть представляет собой самую настоящую «магнитную ленту»...
Итак...
Теперь, думаем, вы уже начинаете догадываться, как именно работают «магнитные часы». Допустим, измерение магнитного поля для раскопанной или поднятой со дна океана горной породы показало нам определённые направление и полярность. По уже имеющимся таблицам инверсий и картам учёные смотрят – а когда именно в этой точке Земного шара направление на магнитный полюс совпадало с тем, которое показал образец? На основе этого и делается предположение о том, сколько тысяч (или миллионов) лет назад происходило застывание данной горной породы, то есть каков её возраст. Более тщательное изучение древней намагниченности (палеомагнетизма) позволяет вполне неплохо определить древнее расположение и – главное! – движение материков и континентов.
Посмотрите на карту. Северная часть Атлантики между Европой и Гренландией буквально «разрисована» полосами магнитных аномалий. Причём «посредине», там где проходит подводный Срединно-Атлантический хребет, возраст аномалий совсем молодой – «всего» 5 миллионов лет. А у побережий – порядка 90 миллионов лет. А более древних аномалий нет. Вообще. Что это означает?
Да то, что 90 миллионов лет назад, в меловом периоде, Северная Европа и Гренландия были единым целым, одним континентом! Северного Атлантического океана не было! Но затем возник узкий разлом, в котором стала образовываться океаническая кора, разлом заполнило водой, и Гренландия начала очень медленно (примерно с такой скоростью у нас растут ногти) плыть на запад, а Европа – на восток, оставляя за собой бесчисленные следы в виде магнитных инверсий.
А вот вам другое удивительное открытие, которое помог сделать палеомагнетизм. Во время измерений магнитного поля на дне Каспийского моря были обнаружены всё те же самые характерные «полосы» инверсий. Но учёные уже твёрдо знали к тому моменту – такие полосы образуются только в океанической коре и никогда не образуются в континентальной! И всем стало ясно, что Каспийское море, которое сейчас со всех сторон окружено сушей – это не просто море-озеро, не впадина-разлом, заполненный водой (как, например, Байкал), а окружённый поднявшимися горами самый настоящий остаток очень и очень древнего океана – этот древний океан, ныне исчезнувший, назывался Тетис...
А что там с точностью?
Последний вопрос – а насколько точны магнитные часы? Могут ли они ошибаться?
Конечно могут, как и любые другие часы. Мы же ещё в самом начале проводили опыт – направление магнитной стрелки может измениться, если поднести её, скажем, к крупному металлическому предмету. Так и в природе: повлиять на направление магнитной стрелки может, например, расположенное поблизости крупное месторождение железной руды. А «сохранённое» в высохших на солнце кирпичах направление магнитного поля может перемагнититься в результате сильного пожара. Поток горячей лавы во время извержения вулкана также сильно нагревает более древние породы и может заставить их «забыть» направление на древний магнитный полюс.
В общем, данные магнитных часов и карт не идеальны, не достоверны на 100% – их нужно постоянно сверять с другими источниками информации. Только тогда будет получена полная картина событий, происходивших миллионы лет назад...
Продолжение следует...