ЭСБЕ/Земной магнетизм
Земной магнетизм. — Астрономические задачи движения небесных тел в пространстве сравнительно легко решаются, главным образом потому, что тела эти друг от друга очень отдалены и подобны атомам, плавающим в громадной вселенной. Иначе обстоит дело с многими физическими задачами, при которых тела значительного объема в малом расстоянии действуют друг на друга, чем законы взаимодействия весьма усложняются. Небесные тела движутся по строгим, беспрерывным простым законам, метеорологические же и магнитные явления гораздо более сложны: их ход состоит обыкновенно из одной строго законной и одной случайной части, так как он зависит от многих различных причин (см. Магнетизм). Земля есть как бы громадный магнит; в сев. полушарии преобладает южн. магнетизм, а в южном — северный; около экватора магнетизм слабее, чем на север и юг от него. Магнитная стрелка, подвешенная в центре тяжести и могущая свободно вращаться вокруг него, получает под влиянием земного магнетизма определенное направление, изменяющееся по известному закону от места до места на поверхности земли. Магнитная сила земли сравнительно мала; напр. в СПб. она приблизительно только 1/2000 силы притяжения Земли (тяготения). Направление и сила З. магнетизма определяется с помощью трех элементов: склонения, наклонения и напряжения. Склонение δ есть угол между северною половиною стрелки компаса и астрономическим меридианом (его считают от 0° до 180° от севера к востоку отрицательным и от севера к западу — положительным), а наклонение i — угол между горизонтом и направлением магнитной силы (напряжения) Земли; склонение и наклонение определяюсь направление всего напряжения J, а одно склонение — направление горизонтальной части (горизонтальной слагающей) τ всего напряжения. Склонение измеряется с помощью компаса или теодолита, стрелка которых вращается свободно в горизонте, а наклонение — посредством инклинатора, стрелка которого вращается в вертикальной плоскости, и, наконец, горизонтальная сила τ, из которой можно вычислить полную силу J, — посредством прибора отклонения и колебания. Что касается вопроса, где находятся магнитные массы, которые производят явления З. магнетизма, то сначала ученые (напр. Эйлер, Ганстин, около конца XVIII ст.) старались найти простые формулы для точного вычисления трех магнитных элементов — склонения, наклонения и напряжения, предполагая, что все магнитные силы земли соединены только в малом числе точек (так назыв. полюсах). Но эти попытки не привели к желанному результату, т. е. величины элементов, вычисленных из формул, далеко расходились с наблюденными величинами магнитных элементов Земли. После того, в конце 30-х гг. нынешнего столетия, занимался этой весьма трудной задачей знаменитый математик Гаусс и получил математические выражения, с помощью которых можно было вычислить на основании наблюдений, сделанных на известном числе мест земной поверхности, все элементы З. магнетизма для всего земного шара гораздо точнее, чем по вычислениям прежних ученых (напр. Ганстина). Однако не следует думать, что Гаусс, выражая с точностью до нескольких градусов результаты всех наблюдений посредством своих формул, дал этою теориею верное представление о местах, из которых исходят магнитные силы, и о ее сущности. Из его исследований мы только с достоверностью узнаем, что З. магнетизм либо совсем, либо большей частью находится под поверхностью Земли.

Теория Гаусса, к сожалению, теперь мало применима, ибо лишь малое число ее коэффициентов определено, и мы поэтому не имеем составленных по ней точных магнитных карт земного шара. Существующие магнитные карты основаны большею частью непосредственно на многочисленных наблюдениях, о которых впоследствии будет сказано подробнее. Магнитные элементы — склонение δ, наклонение i и все напряжение J — подвергаются разным периодическим и непериодическим переменам: вековым, суточным и пр., и, наконец, магнитным бурям. Вековыми изменениями называются систематические перемены магнитных элементов из года в год, из века в век, достигающие значительных размеров. Так, напр., в Париже наблюдалось склонение уже в течение 350 л., так что там северный конец стрелки переходил от восточного наибольшего δ = −9,°5 (в 1580 г.) до западного maximum’a = +22°,3 (в 1810 г.), следовательно, 31°,8 в 230 лет. В промежутке между 1858-90 гг. годовая перемена Δδ склонения, напр. в Англии = — 9', в Германии — 7' и в Москве — 5', т. е. северный полюс стрелки отходит ежегодно относительно на 9 ', 7' и 5' на восток. В других областях земной поверхности величины Δδ — другие и заключаются для нашего века почти везде между 0' и ±10'. Вековые изменения магнитного наклонения заключаются в наше время почти все между 0' и ± 6' в год; и, наконец, годовые изменения всего и горизонтального напряжения между 0,0000 и ±0,0030 в абсолютной мере Гауссовых единиц. Вековые изменения магнитных элементов для большей части земного шара определены из наблюдений разных эпох с удовлетворительной точностью только в нашем веке; прежние же (до 1800 г.) наблюдения были слишком неточны, и число их незначительно. Теорию и объяснение вековых изменений магнитных элементов до сих пор не удалось найти; быть может, что в них играют важную роль небольшие перемены в температуре земной коры, представляющей как бы сложный магнит, подобно тому как изменяется с температурою сила стальных магнитов, которые служат для наших наблюдений. После вековых изменений магнитных элементов самые значительные перемены суть дневные, периоды которых — сутки или солнечный день. Они вообще летом больше, чем зимой, и больше около полюсов Земли, чем около экватора. На сев. полушарии сев. конец компасной стрелки около 8 ч. утра (местного времени) представляет наибольшее отклонение на В. от сев. части астрономического меридиана, а на южн. полушарии — на З.; около 2 ч. пополудни сев. конец стрелки отклоняется наиболее от астрономического меридиана на З. на сев. полушарии и на В. на южн. полушарии. Средняя суточная амплитуда изменений склонения в полярной зоне достигает 1/2 градуса, в умеренной зоне (летом) 1/5 град. и под тропиками 1/20 град. Дневное среднее склонение бывает утром между 10-11 ч. и вечером около 7 ч. Суточная амплитуда склонения имеет еще период 10-11 лет; она немножко больше во время maximum’a солнечных пятен, чем во время их minimum’a. Магнитное наклонение достигает наибольшей своей величины около 10 ч. утра; оно уменьшается мало-помалу до 10 ч. вечера и потом опять увеличивается постепенно ночью и быстрее с 5 ч. у. до 10 ч. у., до maximum’a. Средняя величина наклонения бывает в суточном периоде в 7 ч. и 8 ч. утра и 3 1/2 ч. пополудни. При этом надо заметить, что движение сев. конца стрелки в двух полушариях противоположно, так как maximum сев. наклонения почти совпадает по времени с maximum’ом южн. наклонения, т. е. сев. конец стрелки на сев. магнитном полушарии идет вниз, между тем как тот же самый конец в южн. магнитном полушарии подвигается вверх; сходство, только в противоположном смысле, заключается в времени наступления дневного minimum’a. Что касается суточного хода всего напряжения З. магнетизма, то оно достигает во многих местах maxunum’a около 5 ч. вечера и minimum’a ок. 10 ч. утра. Дневное движение магнитной стрелки зависит, без сомнения, преимущественно от солнца, которое частью непосредственно, как магнитное тело, частью посредственно, через свою теплоту, действует на поверхность земли, следовательно, и на магнитную стрелку, находящуюся на этой поверхности. Величина движения стрелки изменяется ежедневно, как и температура воздуха. Непременно существует связь между магнитными и метеорологическими явлениями, и магнитные элементы имеют характер, сходный с метеорологическими явлениями, т. е. их ход состоит из строго законной части и из случайной. Главное движение стрелки происходит в то время, когда солнце над горизонтом, а ночью ее движение незначительно. Случайный характер обнаруживается особенно при так называемых бурях или возмущениях (см. Бури). Часто эти бури распространены одновременно на громадном пространстве земной поверхности, иногда же бывают только местными; около магнитных полюсов Земли они случаются чаще и бывают сильнее, чем около экватора. Эти возмущения имеют свой дневной период: каждому времени дня присущи свои особенные возмущения, проявляющиеся обыкновенно в виде увеличения дневного движения. Так, наприм., если стрелка находится в западном движении, то она получает побуждение сильнее двигаться к З., а когда она движется к В., то получает стремление к усиленному движению в этом направлении. Магнитные бури распространяются на большую часть поверхности Земли мгновенно и замечаются везде почти одновременно, но проявляются в разных местах неодинаково и не имеют одинакового хода. Они усиливаются от экватора к полюсам Земли; в экваториальной же зоне бывают только незначительные возмущения. При больших возмущениях происходит собственно только колебание склонения около его среднего значения, а самое склонение остается при этом почти без перемены. Иное происходит во время бурь с другими магнитными элементами: каждое большое возмущение производит уменьшение горизонтального напряжения и увеличение склонения, так что среднее значение его обыкновенно возвращается только через несколько дней; большое возмущение часто повторяется и на следующие дни, но наступает все раньше и раньше и теряет мало-помалу свою силу. Кроме солнца, никакое другое небесное тело не имеет значительного влияния на магнитные явления на поверхности Земли.

Начало сведений о магнетизме и в частности о З. магнетизме, неизвестно. По китайским историческим источникам II века до Р. Х. можно заключить, что китайцы знали уже за 1100 лет до нашей эры компас, состоявший из легкой магнитной стрелки, державшейся на пробке на воде; после того они стали подвешивать стрелку на шелковой нити, и в XII веке по Р. Х. европейцы получили компас, вероятно, от китайцев, через посредство арабов или крестоносцев. Европейским народам до XII века по Р. Х. не было известно, что подвешенный магнит принимает определенное направление; но около 1200 по Р. Х. компас в Европе уже был в употреблении при мореплавании, следовательно, знаменитый путешественник Марко Поло едва ли вывез его в Европу, потому что его путешествие совершилось позже, именно между 1271—1295 годами. Магнитное склонение европейцы начали определять довольно рано, хотя только приблизительно по полярной звезде, наприм. Колумб в Атлантическом океане в 1492 г. Инструменты для наблюдения склонения изобретены раньше, чем инструменты для определения наклонения и напряжения, ибо исследование склонения менее затруднительно, чем двух других элементов, и склонение оказалось очень важным для разных практических целей, как то — для мореплавания, съемок, рудничных работ и т. п. Наклонение первый открыл Г. Гартман (Gr. Hartmann) в 1535 году, а первый прибор для измерения наклонения устроил Норман (Norman) в 1576 году — прибор, который и теперь в употреблении. Третий элемент — магнитную силу Земли — стали определять позже других двух; только в 1785 году, во время экспедиции Лаперуза, Ламаноном (Lamanon) установлен факт, что напряжение переменяется от места до места. Карты склонения впервые составлены Галлеем (Edmund Halley) в 1683 г.; он соединял линиями точки равных склонений и, таким образом, первый предложил графический способ изогон, примененный впоследствии и к обозначению распределения температуры, давления воздуха и т. п. Для проверки карты Галлее английское правительство дало ему средства на три поездки, 1698—1702, в Атлантический океан южн. полушария, в котором он достиг 52° южн. широты. Вековые изменения склонения и наклонения были замечены уже в XVI веке и точнее узнаны в XVII столетии. Так, наприм., Бонд (Bond) определил вековые изменения наклонения в Лондоне и вычислил в 1668 г. таблицу для наклонения будущих десятилетий. Суточное движение стрелки замечено было только в 1683 г. Ташардом (Tachard) в Сиаме и в 1722 году Грагамом (Graham) в Англии. Около 1749 года Цельсий и Гюртер (Celsius, Hiorter) в Упсале сделал подробные исследования над дневным ходом стрелки склонения и подметили связь между северным сиянием и неправильным движением стрелки. Итак, до наступления нынешнего столетия были уже известны: магнитное склонение, а также его вековые изменения, дневные правильные и неправильные колебания, и сделано значительное число наблюдений наклонения. Успехи науки о З. магнетизме в XIX-м столетии очень велики: возросло значительно не только число обсерваторий и наблюдателей элементов З. магнетизма и число ученых экспедиций для этой цели, но и самые методы наблюдений и инструменты в нынешнем столетии достигли большого совершенства.

Из ученых, трудившихся по этому предмету в текущем столетии, в особенности выдаются: А. Гумбольдт (Alexander v. Humboldt, Berlin, Paris), сделавший магнитные наблюдения 1799—1829 г. в экваториальной Америке, Европе и Западной Сибири; Ганстин (Hansteen), автор многих сочинений о З. магнетизме, напр. сочинения «Untersuchung über den Magnetismus der Erde» (Христиания, 1819, с атласом); сделал много магнит. наблюдений, напр. в Сибири, в 1828—1829 гг. Гаусс (Gauss, Göttingen), великий математик и астроном, споспешествовал изучению З. магнетизма изобретением точных инструментов для наблюдения перемены склонения и напряжения (магнитометры), установлением точного метода для абсолютного (т. е. независимого от качества магнитных стрелок) определения магнитной силы Земли (1832); при помощи своей теории З. магнетизма (1838) Гаусс на основании наблюдений, сделанных в ограниченном числе мест, вычислил магнитные элементы для всей поверхности Земли и составил по этим данным атлас земного магнетизма («Atlas des Erdmagnetismus, von Gauss und Weber», 1840). Ламонт (Lamont) изобрел хорошие инструменты для абсолютных определений магнитных элементов, особенно в путешествиях — магнитный теодолит, индукционный прибор для измерения наклонения и пр., сделал сам много наблюдений в Европе и написал, между прочим, два прекрасных сочинения, «Handbuch des Erdmagnetismus» (1849) и «Handbuch des Magnetismus» (1867), которые имели большое влияние на развитие науки. Эрман известен своими многочисленными магнитными наблюдениями, сделанными во время кругосветного путешествия в 1828—1830 гг. («Reise um die Erde durch Nord-Asien und die beiden Oceane in den Jahren 1828—1830», ausgeführt von Adolph Erman). Сэбайн (Edward Sabine) оказал услуги науке З. магнетизма наблюдениями в путешествиях в 1822, 1823 и 1827 годов и своими магнитными картами всей земной поверхности, основанными на всех наблюдениях, сделанных между 1820—1871 годами («Contributions to Terrestrial Magnetism 1868—1872»). Крейль сделал в Австрии много магнитных наблюдений в 1843—1848 гг. Неимайер сделал много магнит наблюдений в Австралии и составил карты З. магнетизма за 1885 год («Bergbau’s Physikalischer Atlas», ч. IV).

Из русских ученых работами по З. магнетизму известны: Фусс, путешествие через Сибирь и Монголию в Пекин 1830—1832. Р. Ленц: путешествие в Персию 1858—1859 г., исследование магнитной аномалии около Юссарэ (в Южной Финляндии) 1860 г. и пр. Г. Фритче сделал магнитные наблюдения в 386 местах в Германии, Европейской России; Сибири и Китае, исследовал вновь магнитную аномалию около Юссарэ, открыл магнитную аномалию около Москвы, его главное сочинение по З. магнетизму: «Ueber die Bestimmung der geographischen Lange und Breite und der drei Elemente des Erdmagnetismus etc. ausgeführt in den Jahren 1867—1891». И. Н. Смирнов сделал магнитные наблюдения в 1871—1878 гг. в 291 месте Европейской России. А. А. Тилло известен своими магнитными картами Европейской России за 1880 г. Кроме названных русских ученых, в этой области работали также: Кемц, бывший директор Главной физической обсерватории в СПб.; Ковальский, бывший директор астрономической обсерватории в Казани; Ф. Ф. Миллер; Ф. Шварц сделал наблюдения в Ташкенте и Центральной Азии; М. В. Певцов сделал наблюдения в Монголии, в Джунгарии и Вост. Туркестане и др.; мореплаватели: Крузенштерн (пут. вокруг света 1803—1806); Врангель (пут. север. Сибири 1820—1824); Коцебу (пут. 1815—1818, 1823—1826); Литке (пут. 1826—1829); и в последнее время наблюдали в русских морях: Диков, барон Майдель, Пущин, Рыкачев, Иващинцов, Зарудные, Жданко, Вилькицкий и др. В течение 1817—1848 г. французское правительство снарядило для определения элементов З. магнетизма целый ряд научных экспедиций на больших военных судах, под начальством капитанов: Фрейсине (Freycinet, 1817—1820, Corvette Uranie); Дюперрея (Duperrey, 1822—1825, Fregatte la Coquille); Бугенвиля (Bougainville, 1824—1826, Fregatte Thetis); Д’Юрвилля (d’Urville 1826—1829, Fregatte Astrolabe); Блоссевиля (Blosseville, 1828); Вальяна (le Vaillant, 1836—1837 Freg. Bonite); Берарда (Bérard 1838, 1842 и 1846); Кастельно (Francis de Castelnau, Voyage dans les parties centrales de l’Amèrique du sud 1847—1850"). В Соединенных Штатах Северной Африки магнитная съемка сделана большею частью государственным учреждением: United States Coast and Geodetic Survey. Английское правительство снаряжало множество морских экспедиций, чтобы (в совокупности с определениями на суше) получить достаточное количество наблюдений на море для составления магнитных карт всего земного шара, что и было исполняемо генералом Сэбайном (Е. Sabine) с 1840 по 1845 г. (см. его «Contributions to Terrestrial Magnetism 1868—1872»). Главные экспедиции англичан: путешествия Росса (Sir James C. Ross) и Крозье (Captain Francis Rawdon Crozier) в антарктическую зону, в 1837—1843 годах, на судах Erebus и Terror; двух офицеров, Мура (Moore) и Клерка (Clerk), на судне Pagoda в 1845 году, и капитана Крика (Creak) на пароходе Challenger в 1873—1876 год. Наконец, следует здесь упомянуть о научной экспедиции германского судна Gazelle в 1874—1876 гг. и о наблюдениях, сделанных Rijkeworsel’ем на Малайских островах и в Южн. Америке в 1874—85 г. Для полноты истории изучения З. магнетизма следует сказать еще несколько слов о Геттингенском магнитном обществе, основанном знаменитым Гауссом (Gauss) в 1834 году. Главная задача, которую поставило себе это общество, — наблюдения над переменами склонения и напряжения З. магнетизма посредством гауссовых магнитометров для объяснения сущности З. магнетизма. Хотя эти наблюдения делались одновременно на 30 обсерваториях, но простой закон магнитных явлений Земли еще не открыт.

Прилагаемые карты З. магнетизма I, II, III, IV, V и VI извлечены из «Berghaus' Pbysikal. Atlas, Erdmagnetismus» (1891) и составлены Неймайером на основании наблюдений, сделанных большей частью между 1870—1888 годами.

Они представляют магнитное состояние Земли в 1885 году, и карты I, III и V построены по проекции Меркатора, а II, IV и VI — по полярной проекции. Из карт I и II, на которых начерчены линии равных склонений (изогонические), видно, что склонение в двух пунктах земной поверхности неопределенное (не существует), именно под северн. шир. 70° и долг. 96° к З. от Гринвича, и под южн. широтой 73° и долготой 147° к В. от Гринвича; что эти две точки совпадают с магнитными полюсами земли на карте IV, в которых наклонение = 90° и где, следовательно, вся сила Земли вертикальна и в горизонтальном направлении никакой магнитной силы нет, которая могла бы удержать компасную стрелку в определенном положении. На южн. и северн. астрономических полюсах склонения нет, потому что меридиан там неопределенный, но компасная стрелка все-таки имеет определенное направление, именно направление изогонической линии 0°. Между магнитными и астрономическим полюсами на северн. полушарии и между двумя этими точками на южн. полушарии встречаются склонения всякой величины от −180° до +180°; но для самой большой части земной поверхности склонение редко превосходит +20°. В наше время восточные склонения (красные линии карт I и II) занимают беспрерывную область на В. и З. от двух нулевых линий склонения, которые соединяют северн. и южн. полюсы. Запада, склонение (синие линии карт I и II) распространено на две области: одна (главная) обнимает Атлантический океан, Африку, почти всю Европу и пр., а другая, которая поменьше, — находится в Восточн. Азии и имеет эллиптическую форму. Карты III и IV показывают наклонение для всего земного шара (синие линии). Стрелка, подвешенная в центре тяжести, принимает вертикальное положение в двух магнитных полюсах земли (сев. шир. +70°, долг. 96° к З. от Гринвича; южн. шир. 73, долг. 147° к В. от Гринвича). При приближении стрелки инклинатора от северн. полюса к экватору ее наклонение к горизонту уменьшается и северный конец стрелки поднимается вверх; вблизи самого экватора находится линия, проходящая кругом всего земного шара, которая называется магнитным экватором и на которой наклонение равняется нулю, так что стрелка инклинатора, подвижная в вертикальной плоскости, параллельна к горизонту, подобно компасной стрелке. Далее, к югу от магнитного экватора, южн. конец стрелки наклоняется под горизонт ее, следовательно, сев. конец станет выше горизонта, и, наконец, в южн. магнитном полюсе продолжение стрелки проходит через зенит, и ее южный конец обращен книзу, между тем как на северном магнитном полюсе Земли южный конец стрелки обращен кверху. Наклонениям на С. от магнитного экватора мы даем положительный знак +, а на юг — отрицательный знак (-). Касательные к красным линиям карты III дают направление компасной стрелки, т. е. магнитное склонение. По картам V и VI полное напряжение (электр. единицы: 1 цтм., 1 гр., 1 секунда, сред. солнечн. вр.) около экватора меньше, чем на сев. и юге его: в южн. Атлантическом океане мы встречаем абсолютный minimum 0,28, а в Северн. Америке область абсолютного maximum’a 0,70, к югу от Австралии, под южн. широтою, 50°; величина другого абсолютн. maximum’a 0,69. При этом надо заметить, что положение этих двух maximum’ов полного напряжения не совпадает с местами двух магнитных полюсов, где наклонение +90°. См. также Земные токи.

.

Примечания 

ЭСБЕ:Геофизика