14
Земной магнетизм
На протяжении многих столетий мореплаватели использовали для прокладки курса и следования ему магнитный компас. Заучивание наизусть тридцати двух румбов компаса было непременной частью обучения каждого моряка – пока на смену румбам не пришли градусы. Теперь север – это просто нуль, восток – 90 градусов, юг – 180, запад – 270 и так далее, до 359. Хотя мы по-прежнему говорим о «юго-востоке» или даже «северо-северо-западе», более сложные румбы по большей части уже забыты.
Природные магниты – кусочки постоянно намагниченной породы (магнетита), притягивающие железо, – были описаны еще в Античности, и их способность «искать север» в свободно подвешенном состоянии, вероятнее всего, была открыта вскоре после этого. По-видимому, китайцы изобрели своего рода компас около двух тысяч лет назад. Неясно, когда именно они начали применять этот чудесный прибор в навигации, но к XI веку он, несомненно, уже использовался. К XII веку компас появился и в Европе, хотя вопрос о том, был ли он изобретен там независимо, по-прежнему остается предметом споров.
В исследовательских путешествиях европейцев, начавшихся в XV веке, компас играл не менее важную роль, чем приборы, использовавшиеся для измерения высоты солнца и звезд, и проложенные вскоре после этого трансокеанские торговые пути не могли бы существовать без его помощи. Кое-кто утверждает, что до появления систем спутниковой навигации он был самым важным навигационным прибором, и даже сейчас не бывает судов без путевых компасов.
Глубоко под нами твердое ядро Земли (температура которого составляет почти 6000 градусов Цельсия) нагревает бурные вихри расплавленного металла, создающие магнитное поле, которое окружает всю планету.
Без защиты геомагнитного поля на нашей планете не могла бы существовать никакая жизнь. Распространяясь далеко в космос, это поле отклоняет высокоэнергетические частицы, летящие от Солнца: в противном случае они разорвали бы в клочья защитный озоновый слой атмосферы. Тогда все на Земле подвергалось бы воздействию смертоносного потока солнечного излучения, который стерилизовал бы всю ее поверхность.
Геомагнитное поле похоже на поле, окружающее обычный стержневой магнит, только, разумеется, в гораздо большем масштабе. У него есть два полюса, соединенные силовыми линиями. Магнит, имеющийся в компасе, поворачивается вдоль этих линий: один его конец направлен к северному, а другой – к южному геомагнитному полюсу. Другими словами, он чувствителен к магнитной полярности. Но существует одна проблема: магнитные полюса редко совпадают с полюсами географическими. Более того, сейчас они находятся в нескольких сотнях километров от них и постоянно перемещаются.
В результате почти в любой точке поверхности Земли направление на истинный (географический) север или юг отличается от направления на север или юг магнитный. Угловую разницу между этими направлениями называют магнитным склонением. При навигации по компасу чрезвычайно важно учитывать склонение, так как без этого вы можете оказаться совершенно не там, где рассчитываете. А вблизи любого из двух магнитных полюсов, где склонение весьма резко изменяется на очень коротких расстояниях, магнитный компас становится практически бесполезным.
В 1699 году блестящий английский астроном Эдмунд Галлей (1656–1742), именем которого названа знаменитая комета, отправился в долгое и трудное плавание по Атлантическому и Индийскому океанам (причем даже достиг той области на юге, где уже наблюдаются крупные айсберги), в ходе которого он произвел серию измерений магнитного склонения. По возвращении он опубликовал подробную карту зарегистрированных линий равного склонения, надеясь, что это поможет мореплавателям в определении их долготы. Теоретически это была хорошая идея, но она так и не прижилась. Хотя Галлей доказал, что в открытом море можно определять магнитное склонение, его точное измерение – дело совсем не простое, а кроме того, величины склонения постоянно изменяются. В результате карта Галлея – хотя она была замечательным достижением в области картографии – никогда широко не применялась.
Величина магнитного склонения сильно различается в разных точках. В точке А склонение равно нулю. Углы х и у соответствуют расхождению в точках B и C
Силовые линии, выходящие вертикально вверх из одного полюса и снова стремящиеся к вертикальности при снижении ко второму, становятся более пологими, огибая Землю; в экваториальных областях они проходят параллельно ее поверхности. Изменяющийся угол наклона геомагнитного поля относительно поверхности Земли называется его наклонением. Если установить магнитную стрелку так, чтобы она могла поворачиваться в вертикальной плоскости, то вблизи экватора она будет оставаться горизонтальной, но по мере приближения к одному из полюсов тот ее конец, который притягивается к этому полюсу, будет опускаться все ниже и ниже относительно второго конца.
Магнитное наклонение полезно с точки зрения навигации, но не дает однозначной информации. Оно последовательно увеличивается по мере приближения к любому из магнитных полюсов и уменьшается по мере приближения к экватору, но по нему нельзя определить, идет ли речь о Северном или Южном полюсе.
Другая важная характеристика геомагнитного поля – его сила, или напряженность. Эта величина достигает максимального значения вблизи полюсов и постепенно уменьшается по мере приближения к экватору. В направлении с востока на запад она также изменяется, но гораздо слабее (и менее регулярным образом). Ее абсолютные значения совсем не велики. Она измеряется в нанотеслах (нТл) и составляет от 25 000 до 60 000 нТл – для сравнения можно сказать, что маленький сувенирный магнит для холодильника создает магнитное поле порядка 10 000 000 нТл.
Силовые линии, соединяющие северный и южный магнитные полюса
Напряженность магнитного поля Земли также в высшей степени неравномерна и непостоянна во времени. Каждый год, каждый день, каждый час и даже каждую минуту напряженность поля изменяется в разных местах совершенно непредсказуемым образом. Более протяженные во времени колебания («вековые вариации») порождаются все еще отчасти загадочными процессами, происходящими вокруг земного ядра, а более быстрые изменения, случающиеся в течение суток, связаны с электрическими процессами в ионосфере, вызванными воздействием на нее солнечных лучей. Также следует учитывать трехмерную структуру геомагнитного поля, так как его напряженность быстро падает по мере подъема над поверхностью Земли.
В связи со сложной и в высшей степени подвижной природой магнитного поля Земли любая двумерная карта градиентов его напряженности может давать лишь очень грубое приближение реальных значений в любой точке. Намагниченные горные породы, случайным образом распределенные в земной коре, также порождают локальные флуктуации напряженности магнитного поля, которые могут подавлять фоновые меридиональные градиенты. Иногда такие локальные аномалии бывают настолько сильны, что мешают работе путевых компасов; поэтому места их расположения отмечают на морских картах. По всем этим причинам получить достоверную информацию о своем местоположении только из измерений напряженности магнитного поля весьма трудно.
Следует учитывать и еще один фактор. Время от времени, через нерегулярные интервалы, геомагнитное поле полностью переворачивается (происходит инверсия геомагнитного поля): северный полюс становится южным, а южный – северным. Последняя такая смена полярности произошла около 780 000 лет назад, но в более отдаленном прошлом случалось много других таких же «обращений поля». Мы знаем об этих событиях по окаменелым следам, которые они оставили в породах морского дна.
Такое обращение обычно занимает несколько тысяч лет, и в течение этого периода распад существовавшего ранее двухполюсного поля может сопровождаться возникновением причудливых многополюсных полей. Это было бы чрезвычайно неудобно с точки зрения прокладывания курса при помощи какого бы то ни было магнитного компаса.
