Великий магнит земли

И. ФАЙНБОЙМ

«Джильберт будет жить, пока магнит не перестанет притягивать».

Так писал в XVII в. английский поэт Драйден о своем знаменитом современнике.

Вильям Джильберт, английский врач, положил начало изучению земного магнетизма, результат которого он изложил в книге «О магните и великом магните Земли».

Он рассматривал Землю как большой магнит, имеющий, подобнo стальному магниту, северный и южный полюсы. Чтобы доказать правильность этой мысли, Джильберт намагнитил стальной шар так, что в нем получилось два полюса в двух диаметрально противоположных точках. Этот шарообразный магнит он назвал терреллой, т. e. маленькой землей. Приближая к различным точкам терреллы легкоподвижную магнитную стрелку, он заметил, что положения ее аналогичны положениям, которые стрелка принимает в различных точках земной поверхности. Все сделанные Джильбертом заключения оказались верными.

В любой точке земной поверхности постоянно существует магнитное поле. Земля как бы является гигантским магнитом, которому подобны все магниты, встречающиеся в обыденной жизни.

Сила магнитного поля любого магнита максимальна у его полюсов и уменьшается по мере приближения к нейтральной линии. Южный магнитный полюс Земли находится вблизи северного географического полюса, в Северном полярном море, около острова Мельвилл; местонахождение северного магнитного полюса — в Антарктике, в районе вулкана Эребус.

Нейтральная же линия земного магнита почти совпадает с экватором.

Направление магнитных силовых линий, указываемое магнитной стрелкой, образует с направлением земных меридианов некоторый угол. Угол этот называется склонением магнитной стрелки.

Если дать возможность магнитной стрелке свободно вращаться в вертикальной плоскости, то можно заметить, что северный ее конец опустится вниз. Образуемый при этом угол с горизонтальной плоскостью называется наклонением магнитной стрелки. В различных точках земного шара наклонение имеет различную величину.

Компас, при помощи которого измеряют магнитное наклонение.

Существование склонения магнитной стрелки было известно европейским мореплавателям еще до Колумба. Об этом свидетельствуют мореходные карты, сохранившиеся с времен, предшествующих путешествиям великого генуэзца, открывшего Америку. Несмотря на важность этого открытия, к концу XVI в. было произведено всего лишь 81 определение склонения. Известный немецкий философ Лейбниц в 1711 г. писал русскому царю Петру I: «Известно, что магнит большей частью не направляется прямо на север, обыкновенно несколько отклоняется к востоку или западу, притом в разных местах на различные величины. Некоторая сила, подверженная изменениям, производит из года в год перемены в этих отклонениях так, что необходимо время от времени повторять их определения. Если бы Ваше царское величество повелеть изволили учредить таковые наблюдения, то тем оказали бы важное пособие к усовершенствованию мореплавания и пользу всем морякам».

Наклонение магнитной стрелки было открыто в середине XVI в. Хартман, викарий из Нюрнберга, писал: «Беру стрелку в палец длиной и тщательно устанавливаю ее (пока она еще не намагничена) на острие так, что ни тот, ни другой конец не наклоняются к земле и стоят на одном уровне. Но как скоро я натру тот или другой конец (стрелка, следовательно, намагнитится), то она не останется более горизонтальной, но наклонится на несколько градусов. Причину, почему так случается, указать не умею». Это письмо Хартмана очень характерно для XVI в. Это была эпоха зарождения экспериментальной науки, когда большей частью производились случайные наблюдения, при которых роль наблюдателя сводилась к умению добросовестно и тщательно записывать их. Лишь немногие могли делать выводы из своих наблюдений — давать им научные обоснования. Так случайно были открыты многие явления, получившие научное объяснение лишь спустя несколько веков.

*

Данные определений величины магнитного склонения в различных пунктах земного шара наносятся на географическую карту, — таким образом составляют магнитную карту.

На магнитной карте все пункты, имеющие одинаковое склонение, соединяются линиями — изогонами. Пункты, где склонение равно нулю, соединяются линией, называющейся агонической линией.

Современная карта. На ней точки с одинаковым магнитным склонением соединены сплошными линиями — изогонами. Эта карта составлена для обычных широт и не включает полярных областей.

На магнитные карты иногда наносят магнитные наклонения в различных пунктах Земли, причем пункты равного наклонения соединяются линиями — изоклинами, а пункты с наклонением, равным нулю, соединяются линией, называющейся магнитным экватором. Магнитный экватор Земли приблизительно совпадает с географическим,

Точки Земли, где сходятся все изогоны, а наклонение равно 90°, т. e. магнитная стрелка принимает строго вертикальное положение, носят название магнитных полюсов Земли.

Наклонение магнитной стрелки в различных пунктах земного шара. На южном и северном магнитных полюсах угол между магнитной стрелкой и горизонтальной плоскостью равен 90°.

На южном магнитном полюсе впервые побывал англичанин Джемс Росс в 1831 r., на северном — английская антарктическая экспедиция Шеклтона в 1909 г.

Мировая магнитная карта склонения была впервые составлена в 1701 г. известным астрономом Галлеем по поручению английского адмиралтейства. Эту карту Галлей составил частично на основании своих измерений (в Тихом и Атлантическом океанах), а частично на основании измерений, произведенных до него. В отличие от современных старинные карты страдали неполнотой, так как определения склонения производились преимущественно на морях и океанах. Современные же магнитные карты хорошо разработаны для всего земного шара, за исключением полярных областей.

Имея пред собой магнитную карту, штурман парохода, водитель воздушного корабля, путешественник могут точно следовать по заданному курсу.

*

Магнитное поле в каждой точке земной поверхности непрерывно меняется как по силе, так и по направлению, причем эти изменения периодически повторяются. Таковы, например, вековые изменения с периодом в 500 лет, годичные и суточные. Иногда происходят внезапные сильные изменения, возмущения магнитного поля, они называются магнитными бурями.

Изменения магнитного поля Земли были впервые обнаружены в середине XVII в. математиком Гиллебрандом. Он производил измерения близ Лондона, и, сравнивая их с измерениями своих предшественников, нашел, что за 54 года склонение изменилось на несколько градусов. В конце этого же века священник Гюи-Ташар в Сиаме впервые подметил суточные изменения (вариации) склонения. Это явление подтвердили знаменитые шведские ученые Цельзий и Гиортер, проделавшие более 10 тыс. наблюдений. Наряду с этим они обнаружили связь между магнитными возмущениями (бурями) и полярным сиянием. В последующее время магнитные бури явились предметом изучения многих ученых. Парижский астроном Кассини в конце XVIII в. производил в течение 5 лет систематические наблюдения, которые подтвердили связь между полярными сияниями и магнитными возмущениями. Было замечено, что особенно сильные магнитные бури случаются в годы максимального количества солнечных пятен. Причины этого до сих пор еще недостаточно изучены, по видимому, они связаны с явлениями, происходящими на Солнце. Поверхность Солнца представляет собой огненное море, необъятные массы раскаленных газов; время от времени там происходят мощные взрывы, выбрасывающие громадные потоки мельчайших частиц материи, несущих на себе электрический заряды.

Полярные сияния, наблюдаемые в арктических странах, бывают самой причудливой формы и окраски. На рисунках показаны два вида полярных сияний.

Эти заряженные частицы разлетаются по всему мировому пространству. Некоторые из них попадают в сферу действия магнитного поля Земли. В результате взаимодействия магнитного и электрического полей получается притягивание частиц «солнечного вещества» к полюсам. Возможно, что это и вызывает сильные магнитные бури в полярных зонах.

Полагают, что магнитные бури вызывают появление электрических токов в земной коре, имеющих вредное влияние на телеграфную и радиосвязь.

В некоторых местах магнитное поле Земли сильно отклоняется от нормы, т. e. наблюдается магнитная аномалия (ненормальность).  Аномалии объясняются тем, что в том месте, может быть, даже на большой глубине, есть залежи значительных масс железной руды —  магнитного железняка.

Несколько десятков лет назад в районе Курска была обнаружена магнитная аномалия, а затем огромные залежи магнитного железняка.

Земной магнетизм играет существенную роль в жизни человека. Компас, без которого невозможно осмыслить морскую и воздушную навигацию, магнитные инструменты, широко использующиеся, напримеp, в топографии, при геологических разведках, направляются силой земного магнетизма.

*

Компас был известен человечеству в отдаленной древности. Он употреблялся в Китае за 3 тыс. лет до нашей эры при путешествиях по обширным степям. В Европе компас стал известен в более поздние времена, примерно в XII в. В те времена он представлял coбой кусочек магнитного железняка, положенного на кусочек дерева плавающего в сосуде с водой.

Древний китайский компас.

В Неаполе сохранилась медная статуя, изображающая Флавио Джойя, неаполитанского мореплавателя начала XIV в. Надпись на памятнике гласит, что Джойя —  изобретатель компаса. Это неверно. Он только распространил употребление компаса среди соотечественников и усовершенствовал его устройство: поместил стрелку на острие и снабдил компас картушкой, деленной на 32 румба. Таким компасом пользуются и в настоящеe время.

Современный морской компас.

Весьма важным этапом в изучении земного магнетизма было открытие Кулоном закона взаимодействия магнитов и введение понятия о количестве магнетизма, или магнитной массы. Открытие Кулона дало возможность производить измерения силы магнитного поля Земли. Впервые такое измерение было произведено по поручению Французской академии наук Полем де Ламаноном во время экспедиции в Тихий океан в 1785-1788 гг. Все участники экспедиции погибли, но в одном из писем Ламанона упоминается о том, что магнитная сила Земли под тропиками меньше, нежели в высоких широтах. Через несколько лет ученый Гумбольдт обнаружил в Перуанских Альпах (Южная Америка) линию без магнитного наклонения и с минимумом магнитной силы —  магнитный экватор.

В начале XIX в. великий математик Гаусс, известный также своими работами по магнетизму, вместе с физиком Вебером основали в Геттингене первую магнитную обсерваторию. Для этой обсерватории Гаусс сконструировал ряд магнитных приборов, с помощью которых велись наблюдения. В 1838 г. Гаусс издал свой известный труд «Общая теория земного магнетизма», в котором он гениально обобщил эмпирические данные о земном магнетизме, накопленные предыдущими поколениями исследователей.

*

Современная наука о земном магнетизме идет по пути дальнейшего развития исследований, начатых в прошлые века, и вместе с тем выдвигает ряд новых крупных проблем в этой области. Среди них представляет большой научный и практический интерес влияние магнитного поля Земли на радиосвязь. Не менее важно также изучение связи земного магнетизма с солнечной деятельностью и космическими лучами, приходящими к нам из других звездных систем, а также его взаимодействие с атмосферным электричеством.

Решение этих проблем весьма затруднительно при отсутствии полных данных о земном магнетизме в полярных районах. Естественно, что проявления земного магнетизма наиболее ярко выражены у полюсов, и поэтому получение научных данных об этих районах весьма ценно и актуально.

Большинство экспедиций к Северному и Южному полюсам, снаряженных капиталистическими странами, не давало и не могло дать значительного научного материала. Участники этих экспедиций, измученные тяжелыми переходами, плохим снаряжением и недостатком пищи, в лучшем случае могли дать весьма скудный и отрывочный материал.

*

Наши герои — летчики и ученые —  совершили небывалое в истории завоевание Северного полюса. В результате длительной подготовки и блестящего снаряжения советская экспедиция смогла поставить перед собой задачу систематического и всестороннего изучения ряда важнейших научных вопросов в районе полюса.

В области земного магнетизма исследования экспедиции дрейфующей станции «Северный полюс» пойдут по двум основным путям. Во-первых, будет определено магнитное склонение в различных точках этого района (через каждые 20—30 миль дрейфа) для составления магнитной карты. Вторая задача экспедиции — изучение магнитных колебаний (вариаций). Магнитные вариации мало изучены в Арктике, а между тем магнитное поле там наиболее беспокойное. Северная часть Гренландии является центром кольцевой области максимальной активности магнитного поля. Экспедиция будет также наблюдать полярные сияния с целью выяснения их взаимодействия с колебаниями земного магнетизма.

Наконец, на полюсе будут изучать влияние магнитных отклонений на радиосвязь.

Для осуществления этих задач в распоряжении участников экспедиции имеется миниатюрная магнитная обсерватория; оборудование этой обсерватории состоит из новейших магнитных приборов.

Величайший интерес представляют результаты этих исследований; с большим нетерпением их ждет наука нашей социалистической родины и всего прогрессивного человечества.

ЛИТЕРАТУРА

Свердловская магнитная и метеорологическая обсерватория (Сборник). Свердловск, 1936 г.

H. ЛЮБИМОВ. История физики. СПБ 1894 г.

АППЕЛЬ и ЛАКУР. Историческая физика.