02.07.2009

Этому вопросу больше двух тысяч лет. Человечество использовало компас веками, но понимание, куда именно указывает стрелка компаса, появилось совсем недавно. Компас – древнее изобретение. Одно из первых упоминаний о «магнитной игле» найдено в древнекитайском альманахе, составленном во втором веке. «Магнит следует материнскому принципу. Игла выкована из железа (а оно первоначально было камнем) и суть матери и сына состоит в том, что они оказывают взаимное влияние, они общаются. Суть иглы состоит в том, чтобы вернуться к первоначальной полноте. Тело её очень легкое и прямое, оно должно отражать прямые линии. Оно реагирует на Ци своей ориентацией».

В XI веке ученый, политик и философ Шэнь Ко обнаруживает, что в некоторых местах компас не всегда указывает на север: «смещается немного к востоку вместо того, чтобы указать точно на юг», но объяснить причины этого явления он не может. Поэтому, в поисках объяснения не всегда одинакового поведения компаса нужно обратиться к истории изучения магнетизма учеными Европы, куда китайский компас попал в XII веке благодаря арабским купцам и путешественникам. И хотя Шэнь Ко еще в XI веке предложил ввести двадцать четыре деления направлений вместо восьми приняных в Китае в то время, и это нововведение «прижилось» в китайских мореходных компасах начиная с XII века, в Европу компас попал в более примитивном виде. Поэтому, европейской науке предстояло фактически открыть все заново.

Появление компаса в Европе

Первая «европейская» трактовка принципа действия компаса обнаружена в письме военного инженера Петруса Перегринуса, написанном в 1269-м году. Перегринус не только описывал свои эксперименты с компасом, но и размышлял о природе магнетизма и магнитных полюсах, отталкивании и притяжении. Невероятно, но ему удалось выдвинуть сразу три гипотезы, которые подтвердились спустя века:

1. Двуполярность земного магнетизма
2. На полюсах магнитные силы направлены вертикально
3. Магнитная сила растет при приближении к полюсу.

Именно Перегринус предложил названия полюсов магнита. Конец стрелки, указывающий на Север, он предложил называть северным полюсом, а противоположный – южным. Он доработал компас. В то время компас представлял собой плавающий в сосуде магнит, без какой либо разметки. Перегринус добавил в компас градуированную шкалу и соединил компас с морской астролябией, что дало возможность определять с помощью такого компаса азимуты небесных светил. Наряду с этими удивительными догадками и нововведениями, он допускал и ряд заблуждений. В частности, он не считал способность магнитной стрелки указывать на север следствием фундаментальных свойств магнита или Земли. Он склонялся к тому, что магнитная стрелка указывает на Полярную звезду. Его мысль заключалась в том, что Полярная звезда расположена на небесной оси, вокруг которой вращаются 10 небесных сфер. Если эта звезда настолько сильна, что вокруг нее вращаются звезды, то и магнитная стрелка занимает положение в соответствии с направлением на неё. Эта теория сейчас нам может показаться наивной, но для того времени (напоминаю, XIII век) она была смелой и прогрессивной. В те времена было принято считать, что стрелка компаса притягивается находящейся на Северном полюсе огромной магнитной горой. Это поверье бытовало вплоть до XVI-го века.

И теория Полярной звезды, и теория магнитной горы были ошибочными. Сомнения зародились, когда компас стал широко использоваться в качестве морского навигационного прибора. Моряки заметили, что в некоторых местах стрелка компаса сильно отклоняется от направления на Полярную звезду, и это вызывало проблемы в навигации. Но моряки – народ сообразительный, они стали отмечать на картах значения отклонения. Первые мореходные карты с отметками магнитного склонения появились в Германии в XV веке.

Начало массового наблюдения за магнитным склонением

XV-XVI века – эпоха великих открытий мореплавателей. После открытия Америки внимание Европы было устремлено за океан, а чем дальше в море уходили корабли, тем выше становилась цена ошибки в навигации, и тем большее внимание стало уделяться картированию магнитных склонений. Были разработаны специальные приборы, облегчающие эту задачу. Явление стало массовым, и благодаря этому довольно быстро удалось собрать значительное количество измерений. Измерения показывали, что в разных местах компас по-разному отклоняется от направления на Полярную звезду, и в большинстве случаев указывает не на нее. Наука конца XV – начала XVI века еще не «разгадала» явление магнетизма и поэтому искала разные пути объяснить отклонение компаса от Севера.

Первая попытка «вычислить» магнитный полюс

В 1546-м году известный картограф Меркатор предпринял первую попытку «вычислить» местоположение Северного полюса, нанеся на карту линии, соответствующие показаниям компаса в разных точках. Он полагал, что эти линии должны пересечься в одной точке – Полюсе. Попытка оказалась безуспешной, линии не сошлись в одну точку, Полюс найти не удалось. Но Меркатор не оставлял идею и искал другие подходы к задаче. Спустя два с лишним десятка лет, в 1569-м году он впервые опубликовал карту, на которой был показан полюс, да еще как! Он изобразил приполярные области в виде огромного материка, разделенного четырьмя протоками, в центре, на полюсе, огромная чёрная гора, в отдалении, за пределами полярного материка, еще одна гора, поменьше, а не некотором расстоянии от нее маленькая точка. Еще один полюс. Первая гора обозначена как Северный полюс, вторая – как «Polus magnetis respectu insularum capitis Viridis», а возле точки написано «Polus magnetis respectu Corui insule». И пусть Меркатор поместил свой Магнитный полюс «между Сибирью и Калифорнией», но сама идея разделить географический и магнитный полюса вызывает уважение, а введение дополнительного магнитного полюса - восхищение. Как-никак, это было в середине XVI века, когда еще была в ходу теория «магнитной горы».

Развитие науки о земном магнетизме

XVI век в истории изучения геомагнетизма ознаменован не только картой Меркатора, но и открытием еще одной характеристики магнитного поля – магнитного наклонения. В 1576-м году английский физик Роберт Норман, экспериментируя с плавающей в жидкости магнитной иглой, заметил, что игла изменяет свое положение не только в горизонтальной плоскости, но и вертикальной. Т.е. к концу XVI века исследователи знали о магнитном склонении, магнитном наклонении и о силах, действующих между магнитами. До главного вывода о причинах поведения магнитной стрелки оставалось рукой подать, и в 1600-м году это наконец произошло.

Английский физик Уильям Гилберт опубликовал книгу «De Magnete. О магните, магнитных телах и о великом магните - Земле», в которой высказал революционную мысль, о том, что Земля сама по себе – большой магнит. Используя небольшую модель Земли, сделанную из природного магнитного материала, Гилберт продемонстрировал, что ее свойства и поведение вблизи нее магнитной стрелки в точности совпадают с тем, что наблюдают исследователи в разных точках планеты. Гилберт отметил, что вблизи полюсов модели магнитная стрелка занимает вертикальное положение и тем самым дал определение истинного магнитного полюса.

Гилберт верил в то, что магнитный и географический полюса совпадают. На его модели Земли они совпадали. Конечно, он знал о магнитном склонении, но объяснял его не различными координатами полюсов, а тем, что в материках содержится больше магнитных элементов, чем в океане.

Открытие Гилберта вызвало переворот в подходах к изучению земного магнетизма и привлекло новых ученых к этой задаче. Возросшее количество измерений и данных о магнитном склонении указывало на несостоятельность теории магнитного поля как пары полюсов. Математик Леонард Эйлер попытался объяснить феномен магнитного склонения «сдвинув» ось магнитного поля так, чтобы она проходила не через центр Земли, но и этого оказалось недостаточно. Похоже, что нужно было больше полюсов.

Несколько полюсов?

В 1701-м году, известный астроном Эдмон Галлей опубликовал первую карту магнитных склонений в Атлантическом океане. В ходе многолетнего плавания Галлей собирал и обобщал данные измерений и убедился в замеченном ранее факте – показания компаса в одних и тех же местах меняются со временем, т.е. значение магнитного склонения непостоянно. Пытаясь найти объяснение этому явлению, он выдвинул теорию о том, что существует два северных полюса и два южных. Одну пару полюсов он поместил на поверхность Земли, а вторую – на внутреннюю сферу, находящуюся в 800-х километрах вглубь. Такая модель позволила ему объяснить имеющиеся данные о магнитном склонении, а характер их изменений со временем объяснялась разными скоростями смещения полюсов на внешней и внутренней сферах.

Идея множественности магнитных полюсов получила развитие в начале XIX века. В 1819-м году норвежский ученый Кристофер Ханстин опубликовал трактат «Исследования магнетизма Земли», в котором обобщил все известные к тому времени данные об измерениях и попытался построить математическую модель, которая объясняла бы имеющиеся данные. По этой модели было видно, что одной пары полюсов недостаточно, нужна еще одна пара. В дополнение к паре «первичных» полюсов расположенных на севере Канады и в восточной части Антарктиды он ввел еще два полюса: в Сибири и в юго-восточной части Тихого океана.

Математические модели магнитного поля

Идея Ханстина построить математическую модель магнитного поля Земли была подхвачена Великим Гауссом. Будучи математиком, он решил не пытаться разобраться в устройстве магнитного поля, а разработать исключительно эмпирическую модель, которая описывает результаты измерений. В 1839-м году Гаусс опубликовал сразу две работы: «Напряженность земной магнитной силы, приведенная к абсолютной мере» и «Общая теория земного магнетизма», в которых представил как теоретическое обоснование метода измерения, так и совершенно новую модель магнитного поля Земли, основанную на его методе сферического гармонического анализа. Для этой модели не важно, сколько у Земли магнитных полюсов, сами полюса не играют никакой роли при анализе. Существование двух магнитных полюсов, по одному в каждом полушарии, являлось следствием анализа, а определялись полюса как «область на поверхности Земли, в которой горизонтальная составляющая поля равна нулю, а наклонение равно 90°». Тогда не все согласились с концепцией Гаусса, но сейчас его метод сферического гармонического анализа является универсальным, как и его определение магнитного полюса.

Построенная по модели Гаусса карта напряженности магнитного поля Земли показывает, что версии о нескольких магнитных полюсах имели под собой почву, а Ханстин вообще попал в точку с расположением своих дополнительных полюсов.

То, что они считали дополнительными полюсами сейчас называют крупнейшими магнитными аномалиями. Восточно-Сибирская магнитная аномалия – область с повышенным значением напряженности геомагнитного поля (по этому параметру превосходит даже Северный полюс), а в Южно-Атлантической напряженность поля, наоборот, самая низкая. Напряженность магнитного поля – только одна из его характеристик, есть еще магнитное склонение и магнитное наклонение, а сама напряженность раскладывается на составляющие – вертикальную и горизонтальную, которая в свою очередь раскладывается на северную и восточную. Карта значений магнитного склонения наглядно демонстрирует, что попытки «вычислить» Магнитный полюс по показаниям компаса были обречены на неудачу, компас не показывает на Север.

Гаусс был прав в том, что не стал тратить время на разгадывание устройства магнитного поля, геофизикам удалось это сделать только в следующем веке, когда были найдены объяснения, почему магнитное поле Земли неоднородно и меняется со временем.

Что влияет на магнитное поле Земли

Согласно сегодняшним представлениям, магнитное поле Земли является комбинацией нескольких магнитных полей, порождаемыми различными источниками.

1. Главное поле. Более 90% общего магнитного поля порождается во внешнем жидком ядре планеты. Главное поле меняется очень медленно.

2. Магнитные аномалии земной коры, вызванные остаточной намагниченностью горных пород. Изменения очень медленные.

3. Внешние поля, порожденные токами в ионосфере и магнитосфере Земли. Изменения очень скоротечные.

4. Электрические токи в коре и внешней мантии возбуждаемые изменениями внешних полей. Изменения быстрые.

5. Влияние океанических течений.

Существующие математические модели магнитного поля позволяют рассчитывать только вековые изменения. Краткосрочные возмущения, вызываемые изменяющеся Солнечной активностью этими моделями не учитываются, но учитывая то, что вековым изменениям подвержены как раз самые значимые составляющие, точность моделей очень высокая. Например, точность магнитного склонения в моделях WMM и IGRF до 30’, т.е. 0.5°. Конечно, существуют небольшие по плошади магнитные аномалии, которые не вписываются в глобальные модели, но их немного.

И не стоит думать, что термин «вековые изменения» говорит об их медлительности или незначительности. В качестве иллюстрации характера вековых изменений приводится таблица изменения магнитного склонения в четырех городах.

	Киев	Москва	Пекин	Санкт-Петербург
1900	1°44’W	3°20’E	2°40’E	0°11’E
1910	0°50’W	4°10’E	2°58’E	0°57’E
1920	0°30’E	5°18’E	3°27’E	2°13’E
1930	1°48’E	6°18’E	3°45’E	3°33’E
1940	2°49’E	7°06’E	3°52’E	4°45’E
1950	3°37’E	7°52’E	4°09’E	5°56’E
1960	4°14’E	8°24’E	4°22’E	6°38’E
1970	4°22’E	8°17’E	4°29’E	6°36’E
1980	4°35’E	8°17’E	4°46’E	6°49’E
1990	5°00’E	8°39’E	4°59’E	7°24’E
2000	5°32’E	9°16’E	5°08’E	8°16’E
2010	6°28’E	10°16’E	5°46’E	9°28’E

По этой таблице видно, что даже за такой непродолжительный в масштабах истории отрезок времени магнитное склонение в Пекине изменилось на 3°, в Москве – на 7°, в Киеве – на 8°, а в Санкт-Петербурге – на 9°. Что примечательно, в Киеве склонение поменяло направление с западного на восточное.

Направление магнитного склонения

Говоря о магнитном склонении, нужно понимать, что значит направление склонения. Посмотрите на следующий рисунок, на нем изображена взаимосвязь между склонением, магнитным азимутом (то, что мы определяем по компасу) и истинным азимутом (угол к направлению на географический Север). Проще говоря, если склонение восточное (на рисунке справа), то стрелка компаса смещается к востоку от направления на Истинный (географический) Север, а если склонение западное (на рисунке слева), то стрелка смещается к западу.

Как измененилось магнитное поле Земли за несколько столетий

Как видно из таблицы, магнитное поле Земли заметно изменилось за сто с небольшим лет, но еще интереснее выглядит картина изменений за более продолжительный срок. Как уже было сказано выше, наблюдение за компасными показаниями началось на рубеже XV-XVI веков и с тех пор не прекращалось, и благодаря этому мореходные карты сохранили бесценные для современной науки данные, по которым можно составить модель изменений магнитного поля Земли за четыре столетия. Этим воспользовались геофизики Эндрю Джексон и Метью Уокер из Университета Лидса совместно с историком Артом Йонкерсом из Университета Амстердама, которые в 2000-м году представили новую модель магнитного поля Земли gufm1, построенную по данным, собранным с 1590 по 1990 год. Впечатляет объем данных, которые они для этого обработали. К примеру, за период до 1800-го года – более 83 тысяч индивидуальных измерений магнитного склонения в более чем 64 тысячах мест, и из них более 8 тысяч измерений относятся к XVII-му веку.

Наиболее наглядно данные модели gufm1 выглядят в виде видеоролика. Посмотрите, как изменялось магнитное склонение с 1590 по 1990 год. Оттенками желтого цвета закрашены области с западным склонением (чем темнее, тем больше склонение), а оттенками синего – области с восточным склонением. Градации цвета соответствуют 20° изменения магнитного склонения, т.е. показаны именно глобальные изменения.

Хорошо видно, что за четыре века на территории Центральной Европы сначала действовало восточное склонение, потом западное, и сейчас опять восточное. Интересная ситуация с территорией восточного Китая, линия нулевого склонения долгое время балансировала на побережье, но в последнее время  наметилась четкая тенденция в сторону увеличения магнитного склонения в сторону восточного. А если вспомнить, что XI веке Шэнь Ко зафиксировал некоторое западное склонение, то тенденция станет еще более очевидной.

Выводы

Используя компас для определения направлений на местности нужно помнить, что:

1. В общем случае стрелка компаса не указывает ни на Северный, ни на Магнитный полюс, она показывает направление линий магнитного поля в данном месте.

2. Магнитное склонение – это угол между направлением на Северный полюс и направлением стрелки компаса. 

3. Показания компаса в одном и том же месте могут меняться со временем.

Количество показов: 48819
Рейтинг:  2.8