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.

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.

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.

Идея о том, что животные могут использовать в навигации геомагнитное поле, активно обсуждалась в XIX веке. Российский зоолог и путешественник Александр Миддендорф (1815–1894) высказал такое предположение в 1855 году; затем, в 1882-м, никому не известный француз по фамилии Вигье, живший в Алжире, исследовал возможности использования животными для ориентирования магнитного наклонения и напряженности магнитного поля. Он прозорливо описал гипотетический эксперимент, в котором к голубям можно было бы прикрепить магнитные или немагнитные металлические бруски, чтобы проверить, как это скажется на их способности находить обратную дорогу к дому.

Но эта идея не укоренилась, и научное сообщество по большей части не обращало внимания на гипотезу магнитной навигации до самых 1960-х годов. К тому времени появился небольшой, но устойчивый поток открытий, которые заставили до тех пор скептически настроенных исследователей вернуться к этой теме. Все больше становилось данных о чувствительности к магнитным полям поразительно разных животных, в том числе термитов, мух, акул и улиток, а вскоре к этому списку также добавились медоносные пчелы и птицы.

Первые свидетельства, позволявшие предположить, что пчелы могут чувствовать магнетизм, были получены в эксперименте, в котором естественное магнитное поле вокруг улья подавлялось системой электромагнитных обмоток. При этом направление, о котором сообщал виляющий танец пчел-разведчиков, чуть заметно изменялось. Еще интереснее было то открытие, что казавшиеся дезориентированными танцы, которые исполняли пчелы, лишенные всех небесных ориентиров (как солнца, так и «Е-векторов»), на самом деле следовали некой закономерности: они по большей части указывали на направления, соответствующие четырем главным румбам магнитного компаса. При отключении окружающего улей магнитного поля этот любопытный «бессмысленный» рисунок пропадал.

Медоносные пчелы явно способны воспринимать магнитное поле Земли, но, возможно, не используют это чувство в навигации, по меньшей мере непосредственно. Более вероятно, что они используют регулярные ежедневные изменения напряженности геомагнитного поля, происходящие около восхода и заката солнца, для калибровки внутренних часов, которые управляют их солнечным компасом. Возможно также, что так поступают и другие животные. Кроме того, магнитное чувство пчел помогает им строить ульи с регулярными массивами ячеек. Пока что неясно, используют ли они магнитную информацию для навигации, когда небо покрывается облаками и их солнечный компас выходит из строя.

Свидетельства наличия магнитного чувства у птиц начали появляться в 1960-х годах благодаря новаторским работам Фридриха Меркеля и Вольфганга Вилчко. Но самый революционный результат был получен в важнейшем эксперименте, который провели в 1971 году Вольфганг Вилчко и его жена Росвита. Они поместили перелетных зарянок в восьмиугольную клетку с восемью насестами, равномерно распределенными по ее периметру. Затем они стали воздействовать на птиц, находившихся в состоянии Zugunruhe (это очаровательное немецкое слово означает беспокойство, которое птицы демонстрируют перед самым сезонным перелетом), магнитными полями с разными характеристиками и отмечать, на какие из насестов они садились. Целью этого эксперимента было определить, какие именно параметры магнитного поля влияют на поведение птиц – его напряженность, наклонение или полярность.

Супруги Вилчко последовательно и систематически меняли эти параметры на противоположные в разных сочетаниях. Результаты эксперимента оказались весьма удивительными. Птицы выбирали направление в зависимости не от полярности поля, а от его наклонения. Таким образом, они могли найти направление на ближайший магнитный полюс, но были неспособны отличить юг от севера. То есть их компас был совершенно не похож на тот, который использует человек. Однако это не означает, что они были способны лететь только на юг или на север: откалибровав свой магнитный компас, они могли прокладывать курс в любом направлении по своему выбору.

Такого рода компас наклонения предположительно должен хорошо работать в средних и высоких широтах, где угол наклонения достаточно велик и птице легко его заметить. Однако там, где силовые линии магнитного поля становятся горизонтальными, как это происходит вблизи экватора, его показания становятся неоднозначными, и именно это и доказали Вилчко. Когда они включали горизонтальное магнитное поле, зарянки понятия не имели, куда лететь, и теряли ориентацию. Из этого открытия можно сделать важные выводы. Оно означает, что птицы, перелетающие из Северного полушария в Южное (и обратно), не могут пользоваться своим магнитным компасом при приближении к магнитному экватору.

Результаты супругов Вилчко были с тех пор воспроизведены во многих других лабораториях и считаются одним из самых важных открытий в истории исследования бионавигации.

Компас наклонения был обнаружен у 20 разных видов птиц (а также у многих других животных) и вполне может быть даром, которым обладают все пернатые. У некоторых перелетных птиц он, по-видимому, является основным механизмом ориентации в дневное время, хотя его калибровка производится по поляризационным рисункам солнечного света. Птицы, совершающие ночные перелеты, также могут использовать компас наклонения, который они калибруют по азимуту солнца в сумерках, – эта методика позволяет им сохранять прямой курс, даже при пересечении экватора. Но точность, которую обеспечивает компас наклонения, остается предметом некоторых споров. Для попадания в целевую область малых размеров при дальних перелетах – например, остров, расположенный посреди океана, – одного этого механизма, несомненно, недостаточно, так как такой компас не способен предупреждать о боковом смещении относительно курса.

По мере публикации результатов все новых и новых исследований становится все яснее, что органы чувств, работающие в качестве магнитного компаса, – далеко не редкость. Помимо птиц и рифовых рыб магнитные компасы, по-видимому, также есть у самых разнообразных беспозвоночных, в том числе, например, дрозофил и жуков.

Горбатые киты  совершают дальние переходы от мест летней кормежки в холодных, но богатых пищей водах вокруг Антарктиды до теплых тропических вод центральных частей Тихого и Атлантического океанов, где самки производят на свет детенышей. Дальность таких путешествий может превышать 8000 километров.

Предлагалось множество возможных объяснений этого явления, в том числе возмущающее воздействие громких подводных шумов, порожденных деятельностью человека. Однако на Восточном побережье США киты, по-видимому, в основном выбрасываются на берег в местах с относительно низкой напряженностью магнитного поля, так что возможно, что в их навигационной системе играют какую-то роль градиенты напряженности. Следуя аналогичной логике, другие ученые предположили, что недавние выбрасывания кашалотов в южной части Северного моря могли быть вызваны мощной солнечной бурей, которая вызвала возмущения в магнитном поле Земли.