«Нам необходима широкая сеть магнитных обсерваторий»

Как и когда образовалось магнитное поле Земли? Почему оно непостоянное? Когда ждать инверсию — смену полюсов — и чем нам это грозит? Для чего нужны магнитные обсерватории? Влияет ли магнитная буря на наше здоровье? Об этом рассказывает член-корреспондент РАН Анатолий Александрович Соловьев, главный научный сотрудник Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН.

Анатолий Александрович Соловьев. Фото Ольги Мерзляковой / Научная Россия

Справка

Анатолий Александрович Соловьев — геофизик, специалист в области геоинформатики, доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, профессор РАН. Главный научный сотрудник Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта. В апреле 2024 года избран директором Геофизического центра РАН. Среди научных интересов — математические методы интеллектуального анализа геофизических данных и изучение магнитного поля Земли методами геоинформатики. Разработал Атлас магнитного поля Земли, отражающий эволюцию магнитного поля с 1500 по 2010 г. Участвовал в создании новых геомагнитных обсерваторий высочайшего стандарта качества и межрегионального центра обработки геомагнитных данных. Автор более 190 статей в российских и зарубежных научных журналах. Член редколлегии журнала Data Science Journal, Russian Journal of Earth Sciences и ряда других научных изданий.

— Вы потомственный геофизик, ваш папа был выдающимся ученым в этой области. Давайте вспомним о нем.

— Отца звали Александр Анатольевич Соловьев, он был членом-корреспондентом РАН, окончил механико-математический факультет МГУ. Но судьба так распорядилась, что после защиты кандидатской диссертации в Институте прикладной математики им. М.В. Келдыша он перешел на работу в Институт физики Земли и свои математические познания стал применять в области геофизики и сейсмологии. Математическая геофизика возникла на стыке этих наук. Соответствующее отделение Института физики Земли под руководством академика В.И. Кейлиса-Борока было преобразовано в отдельный институт. Сначала он носил название «Международный институт теории прогноза землетрясений и математической геофизики АН СССР», сейчас это самостоятельный институт, которому уже больше 30 лет.

— А вы учились в Институте стали и сплавов. Почему не пошли по стопам отца?

— Я пошел по его стопам: моя специальность называется «Прикладная математика», я математик-инженер. Как и отцу когда-то, мне стало очень интересно попробовать свои навыки математика и кибернетика в науках о Земле. И до сих пор меня вдохновляет применение современных математических методов в задачах обработки, анализа данных по наукам о Земле.

— А что именно вдохновляет?

— Возможность получения новых знаний в результате обработки больших, зачастую разнородных данных по разным дисциплинам в области наук о Земле, будь то геомагнетизм, аномалии гравитационного поля, сейсмологические наблюдения, цунами и т.д. И задача геоинформатики — развивать математический аппарат, адекватный тем данным и объемам информации, которую мы получаем с недавних пор в огромных масштабах за счет современных сетей цифровой регистрации тех или иных природных процессов.

— Поговорим и о результатах, которые вам удалось получить за эти годы. Какие из них вы считаете наиболее значительными?

— Я бы отметил среди них систематическое изучение быстрых вариаций главного магнитного поля Земли. До недавних пор характерные временные изменения магнитного поля, которые подлежали исследованию, измерялись масштабами векового хода — это столетия. Не говорю о геологических временах, отражающих, скажем, инверсии магнитного поля. Это сотни тысяч лет. С недавних пор с появлением современных систем регистрации магнитного поля были обнаружены быстрые вариации главного поля на характерных временных масштабах от года до десяти лет. Мы научились фиксировать такие изменения поля, вызванные в основном процессами, проходящими на границе жидкого ядра — мантии. Их мы можем наблюдать на поверхности Земли и в околоземном пространстве при помощи высокоточных геомагнитных обсерваторий и низкоорбитальных спутниковых систем.

— Поговорим о геомагнитных обсерваториях, в строительстве которых вы участвовали. Что они собой представляют?

— Отличительная и самая главная особенность магнитной обсерватории — то, что она позволяет изучать временную изменчивость именно главного магнитного поля. На обсерватории ведутся измерения в виде непрерывных временных рядов полных значений компонентов магнитного поля.

— Как их можно измерить?

— К сожалению, общемировое геомагнитное сообщество в отличие от сейсмических станций пока еще не научилось проводить автоматические измерения геомагнитных вариаций надлежащего качества. В обсерватории всегда должен присутствовать человек, который проводит регулярно, несколько раз в неделю, измерение абсолютных значений магнитного поля, к которым уже привязываются непрерывные измерения вариаций трех компонентов магнитного поля. Без этих абсолютных привязок вариации будут нести информацию только об относительных изменениях магнитного поля. Главное магнитное поле меняется медленно и характеризуется вековым ходом, и долгосрочные тренды на масштабах 5–10–15 лет исключительно важны для понимания динамики главного поля. Если эти тренды не будут привязываться к абсолютным значениям, то они будут иметь искусственный характер, фактически искажая информацию о динамике главного магнитного поля.

— Как я понимаю, вам сейчас удалось измерить магнитное поле Земли, начиная с 1500 г. и до нашего времени. Можем ли мы теперь точно сказать, как оно меняется и что происходит с магнитным полем нашей планеты?

— Вообще, современные модели позволяют реконструировать поле на протяжении не только последних 500 лет, но и последних десятков тысяч лет по палеомагнитным и по большей части археомагнитным данным. Мы можем сказать, что за последнее время существенно ускорилось движение, например, Северного магнитного полюса. Тут есть некоторые спекуляции о том, что, возможно, в скором будущем ожидается инверсия.

— Это не так?

— Есть и контраргументы. Например, 40 тыс. лет назад произошел последний геомагнитный экскурс Лашамп, когда ось диполя сильно отклонилась от оси вращения. Тем самым Северный магнитный полюс может смещаться вплоть до угла 30–40°. Это сопровождалось сильным ослабеванием магнитного поля. 40 тыс. лет назад оно ослабело в несколько раз по сравнению с его современной напряженностью. Но тем не менее потом все вернулось на свои места.

— То есть это нормальные циклические процессы?

— Совершенно верно.

— А с чем они связаны? Почему магнитное поле вообще изменяется?

— В таких масштабах, о которых мы говорим, это связано с процессами, проходящими в жидком ядре. До конца они еще не изучены, потому что мы имеем только косвенные данные. Данных очень мало: современные системы наблюдения поля были введены в обиход только в конце 1980-х гг., когда началась цифровая регистрация данных. На низкоорбитальных спутниках векторные измерения стали систематически проводиться только с конца 1990-х гг., поэтому досконально реконструировать процессы, которые проходят в жидком ядре, особенно на таких больших интервалах, можно только с применением теоретических приближений.

Кроме того, вопрос упирается в вычислительные мощности. Например, одно из последних достижений в области численного моделирования таких процессов состояло в том, что удалось воссоздать некоторые вариации, связанные с быстрым изменением магнитного поля, так называемыми магнитными джерками, лишь за последние 50 лет. Джерк — это смена знака первой производной по времени магнитного поля.

Но есть некоторые соображения насчет того, как происходит перераспределение магнитного потока на границе жидкого ядра и мантии. Они согласуются с теоретическими представлениями, что, в частности, объясняет, почему мы наблюдаем ускорение движения Северного магнитного полюса.

Анатолий Александрович Соловьев. Фото Ольги Мерзляковой / Научная Россия

— Есть ли сегодня понимание, как вообще появилось магнитное поле Земли?

— Общее представление такое, что в оболочках Земли должны были возникнуть некоторые неоднородности, приводящие к нестационарным процессам. На них, в частности, влияют сила Кориолиса, тепловая конвекция, композиционная конвекция. Такие неоднородности в недрах Земли, по всей видимости, породили процесс зарождения геодинамо с его последующим поддержанием. Вообще геофизика — во многом наука о неоднородностях и аномалиях. Ведь все начинается с того, что наша планета состоит из разнородных оболочек и по своему составу, и по агрегатному состоянию. Отсюда возникают все эти неоднородности. Чтобы запустить динамо в том виде, в котором мы его наблюдаем сейчас, должны быть твердое и жидкое ядра. Потом происходит смена режимов работы динамо в зависимости от соотношений радиусов внутреннего и внешнего ядра. По мере того как внутреннее ядро растет, меняются и режимы в работе динамо (частота инверсий и напряженность).

— Можем ли мы сказать, что магнитное поле — это один из факторов, который способствовал формированию жизни на Земле?

— Думаю, да. Ведь фактически магнитосфера защищает нас от воздействия солнечной радиации.

— А вообще возможна какая-то жизнь без магнитного поля?

— Вопрос зарождения жизни — это очень сложное дело. Просто изучая магнитное поле, невозможно его прояснить, тут нужны знания в области геохимии, геологии, биологии…

— Вы активно сотрудничаете с одним из таких подразделений — Институтом физиологии природных адаптаций ФИЦКИА, где работают биологи. А еще в Архангельской области есть построенная вами магнитная обсерватория, с которой они тоже имеют прямой контакт. Расскажите об этом.

— Магнитная обсерватория на базе геобиостационара «Ротковец» была построена нашими силами в 2012 г., благополучно функционирует и сейчас. Это уникальная обсерватория по целому набору критериев: находится в исключительно чистом месте с точки зрения возможных электромагнитных шумов, в экологически чистом регионе. На ней проводится комплекс геофизических наблюдений, который позволяет всесторонне изучать природные процессы и их отклик в различных физических полях. В частности, там установлена сейсмическая станция, как раз принадлежащая Федеральному исследовательскому центру комплексного изучения Арктики им. акад. Н.П. Лаверова (ФИЦКИА). Там установлена полномасштабная геомагнитная обсерватория, проводятся ГНСС-наблюдения высочайшего уровня, мирового класса IGS. Все это позволяет нам изучать природные процессы во всем их многообразии.

Помимо этого, как вы правильно отметили, этот стационар долгие годы служит полигоном для изучения физиологии природных адаптаций, на нем обследуется здоровье местных жителей. Насколько я знаю, там на регулярной основе проводится комплексный анализ крови. У нас в свое время была идея провести анализ изменения магнитного поля на протяжении 11-летнего периода, соответствующего целому солнечному циклу, и соотнести с тем, как менялся кровяной состав. Но для этого нужна очень скрупулезная работа с самими данными.

— Пока не удалось ее осуществить?

— К сожалению, нет. Я не очень понимаю, в каком виде хранятся эти данные в Институте физиологии природных адаптаций, оцифрованы ли они, есть ли там сейчас молодые специалисты, кому это было бы интересно. Но с директором института такие разговоры были, возможно, это в скором времени будет сделано. Главное, чтобы эти данные не были утеряны, а бережно сохранялись, как наши данные геофизических наблюдений.

— Было бы очень интересно получить данные о том, как изменения магнитного поля влияют на наши здоровье и самочувствие. Но коль скоро мы не имеем таких объективных данных, появляется масса разного рода спекуляций. Многие люди панически боятся магнитных бурь, веря, что они вредят их здоровью. Что вы думаете по этому поводу?

— Для того чтобы ответить на ваш вопрос, должен быть проведен детальный анализ данных физиологических обследований, полученных на долгосрочной основе, данных наблюдений физических полей, чего до сих пор сделано не было. Но, например, магнитная буря может косвенно воздействовать на здоровье человека, потому что при плотном потоке солнечного ветра и увеличении его скорости при воздействии на магнитосферу может изменяться и атмосферное давление, что в свою очередь может влиять на состояние людей. Очевидно, есть факторы, влияющие на кровеносное давление сильнее, — это циклоны, антициклоны, гормональный фон. Сотрудники крупных электростанций перманентно пребывают в состоянии магнитной бури, которая во много раз сильнее той, которую мы наблюдаем в результате воздействия солнечной активности, и мы ничего не слышали об их плохом самочувствии.

— А то, что мы постоянно сидим за компьютерами, ходим с гаджетами, — это можно как-то сравнить с влияниями геомагнитного поля?

— Вполне. Другое дело, что это влияние очень сильно локализовано. Магнитная буря — это планетарное явление, а наличие гаджета — явление локальное.

— Фактически мы круглосуточно подвергаем себя таким же электромагнитным воздействиям, не задумываясь, что последствия могут быть куда серьезнее.

— Совершенно верно. На высоких широтах, где высокоэнергичные частицы проникают достаточно близко к поверхности Земли и могут достигать высот полета самолетов, влияние именно такого радиационного плана вполне может ощущаться. Поэтому центр мониторинга космической погоды дает прогноз по уровню геомагнитной активности на поверхности Земли в том числе и в интересах авиационных служб. Соответствующим образом корректируется траектория движения при трансполярных перелетах в зависимости от космической погоды. Ведь в случае мощной магнитной бури человек на этой высоте может получить за час дозу радиации, сравнимую со среднегодовой дозой облучения.

— От одного из ваших коллег я слышала мнение, что человечество не смогло бы жить без магнитных бурь, без колебания магнитного поля Земли, потому что мы формировались как вид именно в таких условиях. Что вы думаете по этому поводу?

— Я бы сказал по-другому: человеческий род эволюционировал, подстраиваясь под естественное изменение нашего геомагнитного окружения на длительных интервалах времени.

— Если бы нам создали сейчас абсолютно комфортную обстановку со стабильным магнитным полем, мы бы чувствовали себя хорошо?

— Думаю, наш организм под это подстроился бы, и через десятки тысяч лет мы бы благополучно продолжили свое существование. Так что это не так страшно.

— А что может быть страшного в плане изменения магнитного поля? Если произойдет инверсия, которой многие боятся, что будет?

— Она произойдет не мгновенно. В геологических масштабах — это мгновение, но в привычных для нас масштабах — это вполне значимый промежуток времени, составляющий тысячи лет. Длительность самой инверсии — несколько тысяч лет.

— И что будет происходить в это время?

— Магнитное поле будет постепенно ослабевать. У нас нет документальных подтверждений того, чем это сопровождается. Может быть, мы сохраним свой род, потому что останутся ионосфера и атмосфера. В ионосфере будут порождаться токи, выступающие как своего рода экран по отношению к тем вредоносным частицам, которые прилетают к нам с Солнца. Этот экран вполне может оберегать нас от солнечной радиации.

— Когда это начнется?

— В среднем инверсии происходят раз в 500 тыс. лет. Последняя инверсия случилась около 750 тыс. лет назад. Но когда ждать следующую, никто не знает. Это не происходит регулярно. Более того, были обнаружены суперхроны, когда на протяжении миллионов лет инверсии не происходило, поле имело какую-то одну фиксированную полярность. И таких суперхронов мы знаем три. Этим вопросом занимаются коллеги из лаборатории главного магнитного поля под руководством Владимира Эммануиловича Павлова Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН.

— Значит, не стоит бояться солнечных вспышек и магнитных бурь?

— Думаю, что нет. Мы знаем, например, что древний прародитель человека Homo erectus уже существовал 2 млн лет назад, а инверсия была 750 тыс. лет назад, и глобального вымирания не произошло. Некоторые глобальные вымирания приурочивают к границам суперхронов, когда в геологических масштабах резко начинает меняться полярность поля.

— Что бы важного вы еще хотели сделать в ближайшее время?

— Поскольку я имею хоть и математическое, но инженерное образование, я хотел бы существенно уплотнить сеть наблюдений магнитного поля высочайшего обсерваторского класса.

— Почему это важно — иметь большую, разветвленную сеть?

— Это дает возможность на долгосрочной основе изучать тонкие эффекты в изменении того же главного магнитного поля Земли.

— Допустим, мы знаем эти эффекты. Что это меняет в нашем мировоззрении?

— Это дает нам информацию о структуре и устройстве нашей планеты. Это, несомненно, имеет, фундаментальное значение. Мы также можем более точно решать прикладные задачи, связанные с навигацией по магнитному полю. Изучая более детально и имея возможность прогнозировать внешние вариации магнитного поля, мы можем надежнее оценивать возможное негативное воздействие на высокотехнологичные системы на высоких широтах, например воздействие на линии электропередач, на антикоррозийную защиту трубопроводов, на железнодорожные и другие транспортные системы. Мы сможем более детально, например, исследовать движение Северного магнитного полюса, вокруг которого и происходят все наиболее интенсивные изменения магнитного поля и, как следствие, наблюдаются наиболее негативные эффекты космической погоды; корректировать движение самолетов; быть готовыми к воздействию солнечной радиации на спутниковые системы. Это широчайший круг задач — от сугубо фундаментальных до важных прикладных аспектов.

Название видео

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ

Источник: scientificrussia.ru