Измерение магнитных полей на Луне

17

Коротко о приборе

Еще в глубокой древности было известно, что Земля действует на магнитную стрелку, как если бы она была гигантским магнитом. И до сих пор учены не могут ответить на вопрос о причине возникновения земного магнитного поля и законах его изменения во времени (он медленно меняется на протяжении тысячелетия). Поэтому огромный интерес для науки представляет вопрос о том, есть ли магнитные поля у других космических тел — у Луны, Марса, Венеры и так далее, отличнохисся от Земли внутринем строением, размерами и периодом суточного врашения. Из сравнения магнитизма планет и магнитизма Земли можно будет понять, что явилось причиной появления магнитного поля на Земле.

Magнитные поля, правда, очень слабые — примерно в 6000 раз меньше земного, — есть и в межпланетном пространстве. Во всей Солнечной системе от Солнца и до Нептуна нельзя указать места, где бы не было этих слабых полей.

Для измерения магнитных полей на планетах и в межпланетном пространстве почти на всех космических кораблях устанавливаются специальные приборы — так называемые феррозондовые магнитометры. Это один из основных космических приборов.

Феррозондовый магнитометр СГ (название нашего советского прибора этого типа) был установлен на третьем советском искусственном спутнике Земли (он измерял магнитное поле

Рис. 1.

18

Этот прибор, по существу, — специальная разновидность трансформатора.

Объчисленный трансформатор состоит из двух обмоток, первичной и вторичной, навитых на общий ферромагнитный сердечник *. В магнитометре СГ сердечником служит тонкая лента из пермалоя—специального сплава железа (20%) и никеля (80%).

Индукция В результирующего магнитного поля в сердечнике складывается из двух частей: индукции $B_0$ поля, создаваемого током намагничивающей катушки, и индукции $B_\phi$ поля, создаваемого ориентированными элементарными токами в самом веществе. Отношение $\frac{B}{B_0} = \frac{B_0 + B_\phi}{B_0} = \mu$, называемое магнитной проницаемостью вещества, для ферромагнитков много большие единицы (то есть $B_\phi \gg B_0$) **).

Произведение индукции В на площадь S сечения сердечника, перpendикулярного вектору B, то есть BS, называется магнитным потоком.

По закону электромагнитной индукции изменение магнитного потока во времени порождает во вторичной обмотке электродвижущую силу индукции, величины которого пропорционально скорости изменения магнитного потока и числу витков во вторичной обмотке. Если число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной, мы получим в ней напряжение больше, чем в первичной (повышаюший трансформатор). Начание трансформатора — повышить (или понзить) напряжение, поданное в первичную обмотку.

*) Напомним, что ферромагнитными называют материалы, способные сильно намагничивать, даже когда они находятся в сравнительно слабом внешнем магнитном поле (в основном это железо, никель и некоторые их соединения и сплавы).

**) Величана магнитной проницаемости может сильно менять при изменении внешнего магнитного поля. В частности, пермалой отличается тем, что при очень слабых внешних полях значение μ резко изменяется с изменением внешнего поля.

В магнитометре, как и в трансформаторе, имеется perвичная и вторичная обмотки, навиты на общий пермалоевый сердечник (схему магнитометра см. на рис. 8 в Приложении). В первичную обмотку от специального генератора подается переменный ток с частотой 5000 2ц. Этот ток создает в.perмалоевом сердечнике переменный магнитный поток Ф, а изменение во времени этого потока индуирует во вторичной обмотке э. д. с. индукции. Величана э. д. с. изменяется специальными приборами, устанавливаемых на космическом аппарате, и передается по радио на Землю.

Однако цель магнитметра — не повышение или попужнение напряжения, а изменение постоянного во времени слабого внешнего магнитного поля, в котором находится прибор.

Внешнее поле изменяет магнитную проницаемость сердечника и тем влияет на вторичное напряжение (приципл действия магнитметра подробнее описан в Приложении). Сердечники трансформаторов изготавливаются из трансформаторной стали — сплава железа и кремния; слабые внешние магнитные поля не меняют магнитной проницаемости этого материалов.

Magнитометр имеет три взаимно перpendикулярные катушки; они изменяют составляющие поля в трех взаимно perpendикулярных направлениях.

Чувствительность прибора очень высока. Так, например, магнитметр, установленный на искусственном спутнике Луны «Луна-10», регистрации изменения магнитной индуктивной в 1 гамму. (γ — единица измерения магнитной индуктивции; 1γ = 10⁻⁹ mL. Magнитное поле у поверхности Земли — 30÷60 тысця гамм, междуланетное поле — 5γ.)

Первое изменение магнитных полей Луны («Луна-2»)

Стаunchя «Луна-2» была запущена в Советском Союзе 12 сентября 1959 года и достигла Луны 14 сентября 1959

19

Рис. 2.

года. На ракете был установлен магнитометр СГ.

На рисунке 2 приведены показания всех трех катушек магнитометра при padении пакеты на Луну. Вверху показан модель (абсолотная величины) поля $B = \sqrt{B_x^2 + B_y^2 + B_z^2}$. Чувствительность прибора составляет 30γ. Как видно из рисунка 2, постоянного поля, большего 100γ, прибор не обнаружил. Если бы такое поле на поверхности Луны существовало, то при чувствительной при-
рис. 3.

бора 30γ оно было обнаружено. Последнее свое показание прибор передал с высоты 55 км над лунной поверхностью. Следовательно, постоянного поля, превышающего 100γ, на участке поверхности, куда уплата пакета, нет.

В чем значение этого результата?

Во-первых, он важен для понимания внутренней структуры Луны. Земное магнитное поле создается, повышимо, сложной системой течений расплавленных металлов в ядре Земли (рис. 3). Отсутствие на Луне магнитного поля, близкого по величины к земному, говорит о том, что в ядре Луны нет токов, создающих магнитное поле.

Во-вторых, отсутствие в недрах Луны магнитного поля в корне меняет характер взаимодействия Луны с юнами и электронами, падающим на ее поверхности.

Солнце кроме видимого света, ультрафиллетовых, инфракрасных иRENTгеновских лучей испускает также потоки электронов ионов — так называемый солнечный ветер. Скорость ионов солнечного ветра (на 95% это ионы водорода — протоны) — от 300 до 700 км/c в зависимости от условий на Солнце (от его активности). Кроме этого ветра Солнце испускает и частицы города больших энергий, так называемые солнечные космические лучи. Если средняя энергия протонов солнечного ветра

$$W = \frac{mv^2}{2} \approx \frac{1,6 \cdot 10^{-24} (5 \cdot 10^7)^2}{2} = 2 \cdot 10^{-9} \text{эрэ} \approx 3200 \text{эрэ},$$

то средняя энергия частиц, входящих в состав солнечных космических лучей, — 100 ÷ 200 миллионов электрон-вольт. Солнечные космические лучи летят от Солнца во все уголки Солнечной системы, они летят и к Земле. Но на поверхности Земли эти частицы не попадают: магнитное поле Земли на высотах в 60—80 тыссч км от ее поверхности преграждает путь солнечных космических лучам. Поясним, как это происходит.

20

Рис. 4.

Движущая ноны — это ток. На ток в магнитном поле действует сила F, перpendикулярная направление поля и вектор скорости.

На рисунке 4 показано, как влияет магнитное поле Земли на движение ионов солнечного ветра. Из рисунка видно, что прямолинейная траектория она при попадании его в магнитное поле Земли искривляется и переходит в окружность.

Однако поток быстрых ионов может искажать магнитное поле, на котором он налетает. Теория показывает, что результат взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли зависит от соответствия между кинетической энергией ионов, нахо-

дяшихся в единице объема пространства, «заполненного» солнечных ветром, — $n \frac{mv^2}{2}$ (n — плотность ионов) и плотностью энергии магнитного поля (энергии, приходящей на единицу объема пространства), которая пропорциональна величины $B^2/2$ (B — величина индукции магнитного поля Земли на данной высоте от ее поверхности). Далеко от Земли, на расстояниях свыше 100 000 км, магнитное поле Земли малое и $n \frac{mv^2}{2}$ » $\frac{B^2}{2}$ — солнечный ветер движется бесплатно. На меньше расстояниях $n \frac{mv^2}{2} < \frac{B^2}{2}$, траектории ионов искривляются магнитным полем Земли, и на расстояния, меньше ~ 60 тысяч км от поверхности Земли, солнечный ветер не проникает.

Однако, не будучи в состоянии «пробить» магнитный шит, солнечный ветер деформарует магнитное поле Земли. Область магнитного поля Земли, несколько деформарованного солнечного ветром, называется магнитосферой.

За Землей магнитосфера образует магнитный хвост Земли. Искаженные силовые линии поля Земли в этой

Рис. 5.

21

области замыкаются на расстояниях порядка 1 миллиона км от ее поверхности. На рисунке 5 область магнитосферы показана голубым цветом (черные линии — магнитные силовые линии).

В области, примыкающей снаружи к границе магнитосферы, магнитное поле солнечного ветра искажено влиянием земного поля. Эта область (на рисунке 5 она более темная, чем магнитосфера) — область «возмущенного» солнечного ветра. Ее близкая к Земле внешняя граница проходит на расстоянии ~ 100 000 км от поверхности Земли. За этой границей существует невозмущенный солнечный ветер (черный цвет на рисунке 5), движущийся от Солнца прямолинейно.

Magнитосфера Земли — это внешний шит толщиной 60 000 км, предохраняющий нас как от губительного действия солнечных космических лучей, так и от менее опасныхонов солнечного ветра. Следующий, внутренний шит образует земная атмосфера.

Magнитные изменения, выполненные на пакете «Луна-2», впервые показали, что на Луне нет сильного магнитного поля. Там нет и второго шита — атмосферы. Поэтому солнечные космические лучи беспрерывственно bombardируют лунную поверхность; радиационная опасность на Луне намного больше, чем на Земле.

Измерения на искусственных спутников Луны

На рисунке 6 показаны орбиты искусственных спутников Луны. На всех этих спутников были установлены феррозондовые магнитометры.

Чувствительность магнитометра, установленного на первом в истории искусственных спутников Луны «Луна-10» (он был запущен в Советском Союз в апреле 1966 года), была 1γ. Magнитная съемка выполнялась вдоль траектории спутника на высотах от 350 до 1017 км над лунной поверхности.

В 1967 году был выведен на орбиту вокруг Луны американский спутник «Эксплореер-35». На нем был установлен феррозондовый магнитометр, аналогичный нашему СГ.

Результаты измерений «Луны-10» и «Эксплореера-35» подтвердили измерения «Луны-2». Луна не имеет собственного магнитного поля (поля ядра) и ведет себя по отношению к магнитному полю солнечного ветра как немагнитный шар с низкой электропроводностью (что указывает на отсутствие жидкого ядра). Ионы солнечного ветра и космические лучи беспрерывственно достигают ее поверхности.

В 1971 году были запущены искусственные спутники «Луна-19» и «Аполлон-15а» (на рисунке 6 орбита «Аполлон-15а» показана пунктиром; этот спутник был запущен с косми-

22

Чесского корабля «Аполлон-15»). Эти спутники летали на небольших высотах над лунной поверхностью («Аполлон-15а» — 110 ÷ 140 км) и подвергали вывод об отсутствии на Луне магнитного поля, создаваемого ядром, с еще большей точностью.

Намагничивание лунных образцов

Магнитного поля ядра на Луне нет. Но вот на Землю были доставлены образцы горных пород Луны, и измерения показали, что эти образцы намагничены.

Как возникло это намагничение?

Первое естественное объяснение — гипотеза о существовании у Луны в далеком прошлом магнитного поля, которое впоследствии исчезло. Допустим, что когда-то Луна имела расплавленное ядро, создавшее сильное магнитное поле (рис. 7a). Это поле намагнитило горные породы на поверхности, содержащие железо. Затем, при отсутствии Луны и замедления ее суточного врашения, магнитное поле ядра исчезло. Однако намагниченные толщи лунной поверхности сохранили свои магнитные свойства — так называемое остатное намагничение (рис. 76).

Основную долю остаточного намагничивания порода приобретает при оставании: следовательно, при оставании Луны поле ядра было. По остаточному намагничанию, зная состав образца, можно судить и о величины магнитного поля, в котором этот образец остывал. С другой стороны, возраст горных пород можно определить по относительной суточной среджаню радиоактивных элементов и продуктов их распада*).

Такие совместные изменения радиоактивности и намагничивание образцов лунной породы показали, что примерно 3,1 миллиарда лет назад на Луне существовало собственное магнитное поле не менее 1000γ.

Магнитометры на поверхности Луны («Аполлон-12, -14, -15», «Луноход-2»)

Возникает и новая задача — измерить распределение поля этого остаточного намагничивания по поверхности Луны.

Почему магнитометры, установленные на спутниках Луны, не за_

*) О радиоактивных методах определения возрата горных пород можно прочитать в статье: Кузнецов В. И. Часы на миллиарды лет. «Квант», 1973, № 4.

23

регистировали поля остаточного намагничивания на Луне? Дело в том, что изменения на спутников Луны для этой цели непригодны. Поле ядра, если оно существует, у поверхности планеты существенно меняется (убывает) на расстояниях порядка радиуса планеты. Поэтому магнитное поле Земли на высоте в 6000 км приблизительно в 8 раз меньше его значения у поверхности и составляет около 4000γ. И если на высотах 100—1000 км над лунной поверхности магнитного поля не обнаружено, то это означает лишь, что у Луны нет поля ядра, но ничего не говорит о поверхности магнитном поле.

Поле остаточного намагничивания — поверхности, оно быстро убывает с высотой, и для его регистрации надо установить магнитометр на поверхности Луны.

Такой эксперимент был осуществлен космонавтами космического коабля «Аполлон-12» 19 ноября 1969 года. Они установили феррозондовый магнитометр, привели его в действие. Прибор продолжал работать много месяцев и в отсутствие космонавтов, а его показания автоматически передавались радиопередатчик на Землю.

На рисунке 6 черными. точками (A-12, A-14, A-15) показаны места установки магнитометров космонавтами коабля «Аполлон».

На протяжении нескольких месяцев по лунной поверхности дивgalяса самоходный аппарат «Луноход-2», управляемый по радию с Земли. На нем также был установлен феррозондовый магнитометр СГ.

Magнитные изменения на поверхности Луны показали, что полезная лунной поверхности имеет разную величины: 38γ («Аполлон-12»), 43γ, 100γ (переносный магнитометр с «Апполона-14»).

Насколько быстро это поверхности поле убывает с высотой, показывает следующий пример. Когда спутник, запущенный с ракеты «Аполлон-15», проелал на высоте 100 км над участком лунной поверхности, где «налуний» магнитометр «Аполлон-14» зарегистрировал поле в 100γ, он не обнаружил никакого следа этого поля.

За последний, 1973 год, в результате изменения, полученных с помощью коабля «Аполлон-17», наши взгляды на строение Луны претерпели эволюцию. Получено много данных в ползу горячего ($t^\circ > 1000^\circ$ С) ядра. Но токов, которые создают бы магнитное поле, в ядре нет. Magнитное поле Луны обусловлено остатным намагничиванием коры и, возможно, процессами в слоях под корой, на глубинах 100—200 км.

Марс, Юпитер, Венера

Советский феррозондовый магнитометр СГ, установленный на станции «Венера-4», изменил магнитное поле (~ 10 γ) на расстояниях вплоть до 200 км от поверхности Венеры. Собственого магнитного поля Венеры на этих расстояниях не обнаружено.

Ценную информацию для магнитометр СГ, установленный на искусственных спутников Марса «Марс-2» и «Марс-3». На высоте 2000 км над поверхности Марса обнаружено поле в 27γ, что в 8 раз превышает межпланетное поле. Если последующие изменения подтвердают, что это собственное поле Марса, то таким может быть только поле ядра: поле поверхности на высотах 1000—2000 км исчезает.

Наряду с изменениями на Марсе на очереди изменения магнитных полей на самом большой планете — Юпитер. По спектру радионзлучения Юпитера в диапазонах метровых и сантиметровых волн можно с достающим уверенностью утверждать, что Юпитер обладает сильным магнитным полем — в сотни раз более сильным, чем поле Земли. Природа и характер поля Юпитера еще совсем неонятны. Для изменения магнитных полей на Юпитере на космических кораблях

24

ПРИЛОЖЕНИЕ

Феррозондовый магнитометр

Поле, возникающее в сердечнике, определяется суммарным полем, создаваемым током первичной катушки и тем слабым внешним постоянным (или мало меняющимся во времени) полем, в котором находится магнитометр: $B = \mu B_{\text{cym}} = \mu(B_1 \sin \omega t + B_0)$. Магнитная пропицаемость материалов сердечника—пермалоя—зависит от величины индукции $B_{\text{cym}}$: $\mu = a - b B^2_{\text{cym}}$ ($a, b$—некоторые постоянные коэффициенты, $a$—безразмерный, размерность $b$[$b] = \frac{1}{[B^2]}$). Так что магнитный поток через сердечника, перпендикулярное сливым линиям суммарного магнитного поля, равен

$$\Phi = S(a B_{\text{cym}} - b B^3_{\text{cym}}) = S[a(B_1 \sin \omega t + B_0) - b(B_1 \sin \omega t + B_0)^3] = S(a B_1 \sin \omega t + a B_0 - b B_1^3 \sin^3 \omega t - 3b B_0 B_1^2 \sin^2 \omega t - 3b B_0^2 B_1 \sin \omega t - b B_0^3).$$

Приципп действия магнитометра: он «выделяет» четвертый член $(-3b B_0 B_1^2 \sin^2 \omega t) = \frac{3}{2} b B_0 B_1^2 (1 - \cos 2\omega t)$ и по создаваемой им во вторичной обмотке электродвижущей силы изменяет $B_0$. Но как подавить остальные слагаемые потока?

Для этой цели на сердечник надеваются не одна, а две первичные обмотки, намотанные в противоположные стороны (см. рис. 8). Эти обмотки создают в вакууме поля $B_1 \sin \omega t$ и $-B_1 \sin \omega t$ соответственно. В сердечнике суммарный поток от двух обмоток $\Phi_{\text{cym}} = S[a(B_1 \sin \omega t + B_0) - b(B_1 \sin \omega t + B_0)^3] + S[a(-B_1 \sin \omega t + B_0) - b(-B_1 \sin \omega t + B_0)^3] = S(2a B_0 - 2b B_0^3 - 3b B_0 B_1^2 + 3b B_0 B_1^2 \cos 2\omega t)$ имеет частоту в два раза большею, чем частота питающего тока. Соответственно такой прибор называется датчиком второй гармоники.

Если бы прибор работал в линейном режиме (то есть магнитный поток в сердечнике был равен $\Phi = S[a(B_0 + B_1 \sin \omega t)]$, то созданный слабым механизмом полем магнитный поток $\Phi_1 = a B_0 S$ был бы трудно регистрации из-за его малости. Переменный во времени поток $\Phi_2 = a S B_1 \sin \omega t$ ничего бы для изменения поля не давал, он не зависит бы от изменяемого поля $B_0$. Кубическая (то есть нелинейная) зависимость $\Phi = \Phi(B_{\text{cym}})$ вносит в поток слагаемое $(3b B_0 B_1^2 \cos 2\omega t)$, пропорциональное как индукции $B_0$ изменяемого внешнего поля, так и квадрату индукции возбужданного поля. Это уже не малая величина, к тому же ее можно регулировать, изменяя ток возбуждения.

Почему из ряда ферромагнитных материалов выбран именно пермалой? Прежде всего, кривая намагничивающая пермалоя содержит нелинейные кубические члены. Кроме того, благодаря высокой магнитной пропицаемости пермалоя, достигающей уже в слабых полях величины $\mu = 100 000$, мы не намагничивающие поля создают в сердечнике большую индукцию. Изменение этой индукции во времени вызывает большую э. д. с. во вторичной обмотке, амплитуда которой пропорциональная велиние изменяемого поля, а частота равна удвоенной частоте питающего тока. Создаваемый этой э. д. с. ток во вторичной обмотке успешна специальной схемой, выприямыется, и его постоянная составляющая служит мерой поля $B_0$.