Притягательная планета. Почему земля магнит Проект земля большой магнит
Открыли новый этап в развитии науки о земном магнетизме, науки, насчитывающей уже четыре столетия своего существования.
Как известно, еще в 1600 году в Лондоне вышла знаменитая книга Вильяма Гильберта «О магните», где впервые было установлено, что наша планета представляет собой большой шарообразный магнит, ничем не отличающийся по своим проявлениям на поверхности от любого другого сферического магнита. Шаровые магниты вытачивались Гильбертом из природной намагниченной железной руды (магнетита) и исследовались в качестве моделей Большой Земли. Такая малая модель земного шара была названа Гильбертом терреллой - землицей.
В последующие столетия изучение магнетизма нашей планеты интенсивно развивалось. В настоящее время учение о земном магнитном поле представляет собой разветвленную область знаний, связанных со многими науками о Земле и Солнце. Благодаря новейшим научным исследованиям в самое последнее время были намечены пути, позволяющие хотя бы в общих чертах выяснить происхождение магнетизма Земли. Впервые после многих десятков лет напряженных поисков и исканий ученые получили возможность измерения напряженности геомагнитного поля не только на поверхности планеты, но и на больших расстояниях от Земли. В настоящее время приборы, установленные на искусственных спутниках и ракетах, открывают завесу над тайнами распределения магнитного поля на больших расстояниях от центра Земли. Теперь мы можем на основе тщательных наблюдений утверждать, что источники земного магнетизма находятся в основном в трех сферах нашей планеты: в ядре, коре и высокой атмосфере. Главное магнитное поле Земли более или менее постоянно. Это объясняется большинством современных исследований как результат действия замкнутых систем электрических токов в жидкообразном ядре, внешняя оболочка которого отстоит на 3 000 километров от земной поверхности. Внутри ядра имеется как бы катушка из проводника, обтекаемая электрическим током. Она создает первичное магнитное поле, наблюдаемое на Земле и управляющее перемещением стрелки компаса. Но первичное поле не строго постоянно: оно меняется, отражая изменения в силе и в направлении электрических токов . Такие изменения бывают, по-видимому, двух родов: одни - очень медленные, обнаруживаемые по истечении десятков тысяч лет, и другие - более быстрые, вековые изменения. Последние объясняются наложением на поле главных токовых систем в жидком ядре полей от мелких вихревых токов, образующихся на его поверхности и быстро перемещающихся с востока на запад.
Как известно, географические и магнитные полюсы Земли не совпадают, а углы между магнитными и географическими меридианами, называемые склонением, с течением времени изменяются вследствие векового хода поля. Но для использования компаса в морской и воздушной навигации надо точно знать распределение склонения на всей поверхности земного шара. Для этой цели во многих странах создана государственная служба земного магнетизма, которая следит за состоянием магнитного поля Земли, составляет карты распределения этого поля, необходимые для штурманской службы и других практических нужд.
Второй областью источников геомагнитного поля является земная кора. Горные породы, содержащие окислы железа и других ферромагнитных металлов, остывая в первичном магнитном поле Земли, могут приобретать весьма сильную намагниченность. Интересно отметить, что именно этот вторично образовавшийся магнетизм железных руд и создал первое представление о том, что Земля является ферромагнитным намагниченным шаром (Гильберт). Но ферромагнитные элементы неравномерно распределены в земной коре. Там, где их скопилось больше, в распределении магнитного поля обнаружены значительные отклонения от нормального. Такие места поверхности Земли получили название магнитных аномалий. В нашей стране имеется много магнитных аномалий. На одной из них - Курской магнитной аномалии - напряженность магнитного поля в пять раз больше средней напряженности поля Земли. Проведение магнитной съемки имеет, таким образом, огромное научное и практическое значение, ибо оно связано с планомерным использованием полезных ископаемых земной коры и выяснением структуры геомагнитного поля в целом.
Следует также отметить, что исследования магнитного поля, возникающего в земной коре, служат в настоящее время выяснению многих вопросов геологической истории. В далекие геологические времена, отстоящие от нас на сотни миллионов лет, происходили вулканические извержения; лавы остывали в магнитном поле Земли, и при этом они намагничивались по направлению существовавшего тогда земного магнитного поля. Если с тех пор породы не подвергались серьезным дислокациям и сдвигам, то, выбирая куски этих пород и измеряя направление остаточной намагниченности, можно выяснить, как было направлено геомагнитное поле в эпоху остывания лав. Оказалось также, что осадочные породы, включая в себя крупинки ранее намагниченных ферромагнитных горных пород, при осаждении их в водоемах закрепляли в себе направление геомагнитного поля, которое существовало во время образования пород. Исследования горных пород, позволяющие определить, как было направлено геомагнитное поле в отдаленные геологические эпохи, называются палеомагнитными. В течение последних лет выполнен обширный цикл таких работ. В результате ученые пришли к выводу, что земное поле во все геологические эпохи имело такое же строение, как и в настоящее время, то есть оно являлось полем намагниченного шара с двумя полюсами (дипольным); однако в разные времена эти полюса меняли свое место на поверхности Земли; например, в докембрийское время северный магнитный полюс перемещался с северо-запада на восток и далее в юго-восточном направлении.
МАГНЕТИЗМ НУЖЕН ЧЕЛОВЕКУ Представьте себе, что железо, никель и другие материалы неожиданно потеряли свои магнитные свойства. Остановились бы все фабрики и заводы, погасло бы электрическое освещение; телеграф, телефон и радио перестали бы действовать; остановились бы трамваи, троллейбусы и электропоезда. На кораблях и самолетах компасы вышли бы из строя и т. д. Произошла бы страшная катастрофа, потому что буквально вся техника применяет магнитные материалы. Они нужны при изготовлении важнейших машин и приборов; из них делают статоры и сердечники гигантских динамомашин и трансформаторов, изготовляют мельчайшие детали сложных приборов, применяемых в военном деле, в лабораториях и на заводах. Вот какое огромное значение в нашей жизни играет магнит. ЧТО ЗНАЛИ В СТАРИНУ О МАГНЕТИЗМЕ? Удивительная способность магнита притягивать железо была известна еще в глубокой древности. Индусские врачи две с половиной тысячи лет назад рекомендовали пользоваться магнитом для вытаскивания железных наконечников стрел, вонзившихся в тело. Но ни римляне, ни греки, ни египтяне, ни индусы не знали, что магнит может быть указателем юга и севера и служить в качестве компаса. Это открытие было сделано китайцами. В каком веке китайцы начали пользоваться компасом, сказать трудно. Но во всяком случае за 200 лет до нашей эры в знаменитом китайском словаре «Шо-вэнь» слово «магнит» было объяснено так: «Магнит-камень, который может дать направление». В Европу компас привезли арабы. Они заимствовали его у китайцев и в IX веке начали им пользоваться для мореплавания. В европейских книгах в XII веке компас впервые описывается так: «Кусок магнитной руды на поплавке». Но никаких теорий, объясняющих свойства магнита, не существовало до начала XIX века. Если, конечно, не считать таких объяснений, которые предлагались, например, древнегреческими философами - Фалесом Милетским и Платоном. Фалес считал, что в магните есть «душа», от которой исходит притяжение. В то время думали, что только одушевленные предметы могут приводить в движение окружающие их тела. Платон наделял магнит «божественной силой», которая порождает притяжение. Замечательный римский поэт Лукреций Кар в своей книге «О природе вещей», написанной 2100 лет назад, пытался объяснить все явления природы, в том числе и магнетизм, «истечением» из тел материальных частиц, летящих во все стороны. Не только в глубокой древности, но и в средние века высказывались совершенно фантастические мнения по поводу свойств магнита. Автор одного из средневековых трактатов о магнетизме пишет: «Магнит любит красный цвет и обернутый в красную фланель он лучше сохраняет силу, чем без такого одеяния», «Магнит не любит чесноку и луку», «Гроб Магомета магнитной силой держится в воздухе» и т. д.
Магнитное поле Земли - это образование, порождаемое источниками внутри планеты. Оно является объектом исследования соответствующего раздела геофизики. Далее рассмотрим подробнее, что собой представляет магнитное поле Земли, как оно образуется.
Общая информация
Недалеко от поверхности Земли, примерно на расстоянии трёх её радиусов, силовые линии от магнитного поля располагаются по системе "двух полярных зарядов". Здесь располагается область, называемая "плазменной сферой". С удалением от поверхности планеты нарастает влияние потока ионизированных частиц из солнечной короны. Это ведёт к сжатию магнитосферы со стороны Солнца, и напротив, магнитное поле Земли вытягивается с обратной, теневой стороны.
Плазменная сфера
Ощутимое воздействие на поверхностное магнитное поле Земли оказывает направленное движение заряженных частиц в верхних слоях атмосферы (ионосферы). Месторасположение последней - от ста километров и выше от поверхности планеты. Магнитное поле Земли удерживает плазмосферу. Однако её структура сильно зависит от активности солнечного ветра и взаимодействия его с удерживающим слоем. И частота магнитных бурь на нашей планете обусловлена вспышками на Солнце.
Терминология
Существует понятие "магнитная ось Земли". Это прямая, которая проходит через соответствующие полюсы планеты. "Магнитным экватором" называется большая окружность плоскости, перпендикулярная этой оси. Вектор на ней имеет приближенное к горизонтальному направление. Усреднённая напряжённость магнитного поля Земли значительно зависима от географического положения. Приблизительно она равна 0,5 Э, то есть 40 А/м. На магнитном экваторе этот же показатель равен примерно 0,34 Э, а вблизи полюсов он близок к 0,66 Э. В некоторых аномалиях планеты, например, в пределах Курской аномалии, показатель увеличен и составляет 2 Э. Силовые линии магнитосферы Земли со сложным строением, спроецированные на её поверхность и сходящиеся на её же полюсах, носят название "магнитных меридианов".
Природа возникновения. Предположения и догадки
Не так давно получило право на существование предположение о связи возникновения магнитосферы Земли с течением тока в жидкометаллическом ядре, находящемся на расстоянии четверти-трети радиуса нашей планеты. У учёных есть предположение и о так называемых "теллурических токах", протекающих вблизи земной коры. Следует сказать, что с течением времени происходит трансформация формирования. Магнитное поле Земли неоднократно изменялось в последние сто восемьдесят лет. Это зафиксировано в океанической коре, и об этом свидетельствуют исследования остаточной намагниченности. Путём сопоставления участков по обе стороны хребтов океана определяют время расхождения этих участков.
Сдвиг магнитных полюсов Земли
Местоположение этих участков планеты непостоянно. Регистрируется факт их смещений уже с конца девятнадцатого века. В Южном полушарии магнитный полюс сместился за это время на 900 км и оказался в акватории Индийского океана. В Северной части происходят аналогичные процессы. Здесь полюс смещается по направлению к магнитной аномалии в Восточной Сибири. С 1973 по 1994 годы расстояние, на которое сдвинулся здесь участок, составило 270 км. Эти предварительно рассчитанные данные подтвердились позже замерами. По последним данным, скорость движения магнитного полюса Северного полушария значительно увеличилась. Она выросла с 10 км/год в семидесятых годах прошлого века до 60 км/год в начале нынешнего. При этом напряжённость у земного магнитного поля неравномерно уменьшается. Так, за последние 22 года она в отдельных местах снизилась на 1.7%, а где-то на 10%, хотя есть и участки, где она, напротив, возросла. Ускорение в смещении магнитных полюсов (приблизительно на 3 км в год) даёт повод предположить, что наблюдаемое сегодня их перемещение не есть экскурс, это очередная инверсия.
Это косвенно подтверждается и увеличением так называемых "полярных щелей" на юге и севере магнитосферы. В образовавшиеся расширения стремительно проникает ионизированный материал солнечной короны и космоса. От этого в приполярных областях Земли собирается всё большее количество энергии, что само по себе чревато дополнительным разогревом полярных ледяных шапок.
Координаты
В науке, изучающей космические лучи, используют координаты геомагнитного поля, названные в честь учёного Мак-Илвайна. Он первым предложил использовать их, поскольку они основаны на изменённых вариантах активности заряженных элементов в магнитном поле. Для точки используются две координаты (L, B). Они характеризуют магнитную оболочку (параметр Мак-Илвайна) и индукцию поля L. Последний - параметр, равный соотношению среднего удаления сферы от центра планеты к его радиусу.
"Магнитное наклонение"
Несколько тысячелетий назад китайцы сделали удивительное открытие. Они выяснили, что намагниченные предметы способны располагаться в определённом направлении. А в середине шестнадцатого века Георг Картманн - немецкий учёный - сделал очередное открытие в этой области. Так появилось понятие "магнитное наклонение". Под этим названием подразумевается угол отклонения стрелки вверх либо вниз от горизонтальной плоскости под влиянием магнитосферы планеты.
Из истории исследований
В области северного магнитного экватора, отличного от географического, северный конец отходит вниз, а в южном, наоборот, - вверх. В 1600 году английским врачом Уильямом Гильбертом впервые были сделаны предположения о наличии магнитного поля Земли, вызывающего определённое поведение предметов, предварительно намагниченных. В своей книге он описал опыт с шаром, снабжённым железной стрелкой. В результате исследований он пришёл к выводу о том, что Земля представляет собой большой магнит. Эксперименты проводил и английский астроном Генри Геллибрант. В результате своих наблюдений он пришёл к выводу о том, что магнитное поле Земли подвержено медленным изменениям.
Хосе де Акоста описал возможность использования компаса. Он также установил, чем отличаются Магнитный и Северный полюсы, а в его знаменитой Истории (1590) была обоснована теория о линиях без магнитного отклонения. Значительный вклад в изучение рассматриваемого вопроса внес и Христофор Колумб. Ему принадлежит открытие непостоянства магнитного склонения. Трансформации поставлены в зависимость от изменения географических координат. Магнитное склонение - это угол отклонения стрелки от направления Север-Юг. В связи с открытием Колумба активизировалось исследование. Сведения о том, что собой представляет магнитное поле Земли, крайне необходимы были мореплавателям. Работал над этой проблемой и М. В. Ломоносов. Он для изучения земного магнетизма рекомендовал вести системные наблюдения, используя для этого постоянные пункты (подобие обсерваторий). Также очень важно было, по мнению Ломоносова, это осуществлять и на море. Эта мысль великого учёного была реализована в России спустя шестьдесят лет. Открытие Магнитного полюса на Канадском архипелаге принадлежит полярному исследователю англичанину Джону Россу (1831 год). А в 1841 он же открыл другой полюс планеты, но уже в Антарктиде. Гипотезу о происхождении магнитного поля Земли выдвинул Карл Гаусс. Вскоре он же доказал, что большая часть его питается из источника внутри планеты, но причина его незначительных отклонений находится во внешней среде.
Мне осталось рассказать вам о последнем из намеченных свойств Земли – о ее магнитном поле. Это явление люди тоже заметили довольно давно. Сначала находили какие‑то камни, которые притягивались один к другому и неодолимо влекли к себе железо. Потом обратили внимание и на то, что маленькая стрелочка из магнитного железа, насаженная на иглу, всегда смотрит одним своим концом в одну и ту же сторону, в направлении путеводной Полярной звезды. Даже когда небо бывало закрыто тучами.
Мудрецы считали, что там, возле Малой Медведицы, находится на небе большой магнитный камень. К нему‑то и тянутся все магниты Земли. Трудно сегодня сказать, кто первым надумал использовать магнит для указания пути. Может быть, финикийские мореплаватели, а может, китайцы. В Европу компас попал довольно поздно. Попал вместе с арабской легендой о высоких горах из железного камня, что стоят на Крайнем Севере. Будто эти магнитные горы притягивают к себе корабли и вырывают из них все гвозди.
И хотя сила магнита не без основания казалась довольно таинственной, компас пришелся морякам по вкусу.
В конце XVI века английский строитель компасов Роберт Норман описал свойства магнитной стрелки. Он обнаружил наклонение ее к горизонту и возражал тем, кто по‑прежнему верил, что «магнитный камень», притягивающий магниты Земли, находится на небе. Басни о магнитных горах его тоже не удовлетворяли. В конце концов Норман ограничился тем, что описал устройство «инклинаториума» – то есть стрелки, вращающейся вокруг горизонтальной оси в направлении магнитного меридиана.
В те времена не меньше моряков и путешественников свойствами магнитов интересовались медики. Они прописывали толченый магнит как слабительное. Представляете, какое нужно было иметь здоровье, чтобы выдержать подобное лечение.
Доктор Гильберт, или сэр Уильям Джильберт Колчестерский, как называли в то время англичане лейб‑медика Елизаветы – королевы Англии, не зря занимался магнитами. Семидесятилетнюю королеву не могли не интересовать проблемы сохранения, если не молодости и красоты, то хотя бы здоровья.
Гильберт был умен, учен и весьма осторожен. В 1600 году из‑под печатного пресса вышел его обширный труд: «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле». Шесть книг, написанных прекрасной латынью и снабженных гравированными рисунками. Бессмертный труд.
«Гильберт будет жить, пока магнит не перестанет притягивать»
Елизавета вошла и тихо опустилась в приготовленное для нее кресло возле камина. Вечером особенно заметно, как она немолода. Кажется, что веснушки и темные пятна с возрастом расплылись, усугубив общий нездоровый фон и без того не слишком привлекательного ее лица. Рыжеватые, густо выбеленные сединой волосы, перевитые жемчугом, поредели. Правда, голова ее все еще высоко поднята. Но не заслуга ли это воротника? И не тяжелое ли платье, расшитое золотом, не дает согнуться стану этой пожилой и усталой женщины? Впрочем, глаза у королевы зорки и светятся любопытством. Она машет платком, давая знак начинать…
Лейб‑медик берет со стола каменный шар.
– Ваше величество, я не намерен прибегать к голым и утомительным умозаключениям или измышлениям. Мои аргументы, как вы легко можете видеть, основаны только на опыте, разуме и демонстрации. Этот шар, выточенный с немалыми расходами и трудами из магнитного камня, я назвал «тереллой», что означает «маленькая земля», «земелька». Я подношу к ней магнитную стрелку. Смотрите, ваше величество. Я надеюсь, что все леди и джентльмены ясно видят, как один ее конец притягивается к одному полюсу тереллы, а другой к другому. Не так ли ведут себя и стрелки компасов, установленные иждивением адмиралтейства на кораблях флота ее величества? Если не так, то боюсь, что немногие корабли, посланные в неведомые страны, воротятся в свои порты… Но не доказывает ли это, что причина притяжения скрывается не в небе? Не является ли вся наша Земля неким «большим магнитом»?
Придворные переговариваются: «Сэру Вильяму не откажешь в проницательности и ловкости в доказательствах. А как он срезал этого надутого индюка лорда Н., браво! Давно пора. Пожалуй, с этим лекарем опасно спорить…» Между тем Гильберт продолжает:
– Век мудрого правления вашего величества даровал человечеству неисчислимые богатства; открыт Новый Свет, изобретено книгопечатание, телескоп, компас… Эти открытия стали источником нового могущества, открыли новые горизонты и в то же время предложили человеческому гению новые задачи. Здесь поможет только опыт!..
Гильберт стал водить магнитной стрелкой по поверхности тереллы.
– Взгляните, ваше величество, на разных удалениях от полюсов магнитная стрелка по‑разному отклоняется от своего горизонтального положения. Ее наклонение уменьшается у экватора, и, напротив, на магнитных полюсах тереллы она стремится стать вертикально…
Эти слова заставили двух адмиралов флота протиснуться к столу. Нельзя ли использовать эту способность магнитной стрелки, чтобы решить проблему определения местонахождения корабля в открытом море?..
А Гильберт уже кладет небольшие магнитные стерженьки в легкие кораблики и пускает их плавать в узкое корыто с водой. Всплескивают руками дамы, наблюдая, как устремляются навстречу суденышки со стерженьками, повернутыми друг к другу разноименными полюсами. И как расходятся те, на которых стержни выставлены вперед одноименными концами. Присутствующие в восторге. Королева улыбалась.
– Если ваше величество соблаговолит согласиться с выводом, что Земля – магнит, то остается сделать один шаг и для допущения, что и другие небесные тела, в особенности Луна и Солнце, наделены такими же магнитными силами. А коль скоро так, то не причина ли приливов и отливов, не причина ли движения небесных тел заключается в магнетизме?
Вряд ли кто‑нибудь из присутствующих мог понять всю глубину высказанного Гильбертом предположения.
Лорд‑канцлер снял с пальца перстень с крупным бриллиантом.
– Прошу вас, сэр Вильям, проверьте, не пропадет ли сила вашего магнита, если положить рядом этот камень? Кажется, существует мнение, что алмазы уничтожают притяжение…
– Милорд, – отвечает врач, – боюсь, что одного камня, даже с вашей руки, недостаточно, чтобы проверить это утверждение. А у меня таких драгоценностей нет.
Взгляды присутствующих обратились к королеве. Поколебавшись, Елизавета приказала принести несколько крупных камней из сокровищницы. Королева была скуповата. Но ей всегда доставляло удовольствие любоваться игрой своих бриллиантов. Тут было несколько возможностей: похвастаться перед придворными, посмотреть на бриллианты и, конечно, не лишено интереса убедиться в том, не уничтожат ли драгоценные камни силу магнита.
Гильберт обложил магнит семнадцатью крупными алмазами и поднес к нему другой магнит. Все затаили дыхание. А вдруг камни исчезнут или испортятся? Но раздался щелчок, и оба стержня слиплись. Присутствующие захлопали в ладоши.
– Ваше величество может убедиться, что и это мнение древних оказывается ложным. Можно уничтожить, конечно, намагниченность железной стрелки. Для этого ее следует нагреть…
Королева зевнула. Ученая беседа утомила всех.
Врач тоже устал. Не доверяя слугам, он сам собрал свои приборы и откланялся почти незамеченный.
«Из доказательства наилучшее – есть доказательство опытом. – Эти слова напишет Бэкон несколько лет спустя после описанного вечера и тут же добавит: – Однако нынешние опыты бессмысленны. Экспериментаторы скитаются без пути, мало продвигаясь вперед, а если найдется серьезно отдающийся науке, то и он роется в одном каком‑нибудь опыте, как Гильберт в магнетизме». Странное высказывание для того, кто во главу угла всей новой науки требовал поставить экспериментальный метод. Впрочем, сегодня нам трудно понять, насколько принципиальные побуждения двигали непоследовательным Бэконом в оценке трудов лейб‑медика Елизаветы.
Рудоподъемник в шахте. Со старинной гравюры.
Зато совсем иначе звучит отзыв другого современника Гильберта итальянского ученого Галилео Галилея: «Величайшей похвалы заслуживает Гильберт… за то, что он произвел такое количество новых и точных наблюдений. И тем посрамлены пустые и лживые авторы, которые пишут не только о том, чего сами не знают, но и передают все то, что пришло им от невежд и глупцов».
Жаль, что сам Гильберт не узнал об этой блестящей оценке. В марте 1603 года умерла королева, а несколько месяцев спустя за нею последовал и ее врач. Перед смертью он завещал все свою научное имущество Лондонскому обществу медиков. Но страшный пожар уничтожил дом и приборы Гильберта. Осталось лишь сочинение «О магните…» да имя. Много это или мало?
Пожалуй, лучше других на этот вопрос ответил английский поэт Джон Драйден, написавший: «Гильберт будет жить, пока магнит не перестанет притягивать».
А какой памятник мы, потомки, поставили великому созидателю науки о магнетизме Земли? В память о нем единица магнитодвижущей силы в системе единиц СГС носит сегодня название гильберт!
«О сходстве электрической силы с магнитною»
Гильберт доказал, что Земля – магнит. Он изучил поведение магнитной стрелки возле выточенной из магнитного камня тереллы и показал на своей модели причину магнитных наклонений. В двух точках шара стрелки Роберта Нормана становились торчком. Стрелки лучших компасов, помещенные в те же точки, бессильно крутились, не способные выбрать никого направления.
Как же выглядит Земля‑магнит? Какую картину имеет ее магнитное поле? Ведь мы, люди, его не видим, не слышим и вообще никак не ощущаем… Правда, есть один очень древний опыт. Он такой старый, что даже неизвестно, кто его проделал первым. Делается он так. На обыкновенный линейный магнит вы кладете листок плотной бумаги и насыпаете на него железные опилки. Потом стучите пальцем по листу и опилки послушно распределяются вдоль силовых линий магнитного поля, показывая их направление. Простой опыт, но исключительно наглядный. Каждая крупинка железа, попав в магнитное поле, сразу же намагничивается, становится как бы маленькой компасной стрелкой. Как и полагается «нормальному» магниту, она тут же сцепляется своим северным концом с южным полюсом соседнего магнитика, тот со следующим и так далее, располагаясь по направлению действия магнитных сил.
У полюсов, где опилки налипли гуще, магнитное поле сильнее. А там, где опилки распределились пореже, и поле слабее. Так же, как у линейного магнита, выглядит магнитное поле и нашей Земли.
«А не спрятан ли внутри планеты, где‑нибудь в центре ее, этакий „магнитный столб“, величиной с вавилонскую башню?» – рассуждали знатоки, пораженные небывалой картиной. Долгое время никто не мог придумать ничего лучшего для объяснения. Но тут стали накапливаться факты совсем из другой области, но тоже связанные с магнитом.
Как правило, как раз самые обычные явления и говорят о глубинных тайнах и загадках природы. Одним из наиболее ярких примеров является притяжение Земли. На первый взгляд привычное дело, когда предметы падают на землю. Но потребовался гений Эйнштейна, чтобы объяснить гравитацию искривлением пространства и времени. То же самое можно сказать и про магнитное поле Земли, разговор о котором пойдёт ниже.
Кто изобрёл компас?
Просвещённые жители Европы знали о магнитных свойствах некоторых веществ и предметов ещё с античных времён. Римский историк Плиний Старший рассказывал о некоем пастухе, жившем на Крите. Тот подбил железом свои сандалии, и к ним стали прилипать мелкие чёрные камушки, которые валялись на склонах горы Идо. Имя пастуха было Магнис , от него возникло слово "магнит ".
В то же самое время китайцы пользовались магнитами, которые называли чу-ши , что в переводе означало "любящие камень". Жители Поднебесной изобрели компас на тысячу лет раньше европейцев. Это была полоска намагниченного железа, закреплённая на куске плавающей в воде пробки. Им пользовались купцы, гонявшие караваны по пустыне.
Придумали китайцы и более изощрённые навигационные приборы. Это компас лопань , дошедший до наших дней. На нём, в отличии от европейского, имеется много колец. Называются они тсэн или слои и разделены на 24 сектора, по 15 градусов каждый.
Данный компас взяли на вооружение последователи системы фен-шуй. Она учитывается при строительстве домов и обустройстве внутренних помещений. С помощью иероглифов, которые нанесены на сектора колец, определяются благоприятные и негативные направления в помещениях.
А вот в Европе честь изобретения компаса присвоили себе итальянцы. Якобы в начале XIV века в приморском городе Амальфи жил мастер Флавио Джойя. Он был влюблён в дочь богатого Доменико, жившего в этом же городе. Тот хотел выдать свою любимую и красивую дочку за обеспеченного судовладельца, а бедный мастер мешал его планам.
И тогда хитрый и коварный Доменико поставил, как ему казалось, невыполнимую задачу перед влюблённым Флавио. Он сказал, что муж его дочери должен в совершенстве владеть лоцманским искусством и потребовал провести лодку ночью в тумане из одной рыбацкой деревушки в другую. Мастер Джойя взял иголку, сделанную из магнитного железняка, и, сверяя по ней путь, блестяще справился с заданием.
Итальянцы поставили Флавио памятник. Мастер стоит на вершине небольшой скалы в просторной накидке по моде XIV века. В левой руке он держит компас и сверяет по нему направление.
Памятник нравится всем, кроме немцев. Те считают, что компас изобрели древние тевтоны. В этом утверждении есть доля истины, так как слово "компас" произошло из немецкого языка, а не из итальянского.
Одно дело изобрести компас, а другое дело объяснить, почему его стрелка всё время указывает строго на север. Определённую ясность в этот вопрос внёс в XVI веке придворный врач Елизаветы I Уильям Гильберт. Помимо медицины он увлекался многими другими вопросами и, прочитав всё, что известно о магнитах, занялся собственными опытами. В 1601 году увидел свет его научный труд под названием "О магните, магнитных телах и большом магните - Земле". Автор высказал догадку, что голубая планета представляет собой огромный магнит, а его ось проходит через полюса.
Гильберт даже сделал миниатюрную модель Земли. Он намагнитил стальной шар и назвал его Тереллой, то есть маленькой Землёй. Когда к поверхности этого шара подносили магнитную стрелку, то она своим остриём всегда указывала на полюса. После этого Гильберта стали считать основоположником науки о магнитных свойствах нашей планеты.
Впоследствии стало ясно, что стрелка компаса всегда стремится занять положение вдоль магнитных силовых линий Земли. А те веерообразно расходятся из одного полюса и вновь сходятся в другом полюсе.
Однако после этого открытия сразу же встал вопрос: почему Земля является магнитом? Магнетит, который является магнитной породой, составляет ничтожную часть земной коры. Другие породы, за редким исключением, ярко выраженными магнитными свойствами не обладают.
Ядро Земли и магнитные свойства
До недавнего времени превалировала гипотеза, что магнитные свойства планеты обусловлены её жидким железо-никелевым ядром. Но почему оно порождает магнетизм - оставалось неясным. В XX веке было установлено, что остывающая лава запечатлевает в себе направление и силу магнитного поля Земли. Были исследованы тысячи образцов лавы и определён их возраст. В результате этого специалисты пришли к выводу, что в истории планеты случались периоды, когда интенсивность магнитного поля резко падала.
В гипотезе о ядре был ещё один существенный недостаток. Как известно, магнитное поле Земли очень чутко реагирует на солнечную активность. Здесь имеются в виду вспышки на Солнце, которые порождают магнитные бури. Многие люди проявляют к ним повышенную чувствительность.
Отсюда напрашивается вывод: если бы источник земного магнетизма находился в ядре планеты, то вряд ли солнечная активность могла бы на него существенно влиять. И ещё один интересный факт. У таких космических тел как Луна, Венера, Марс ядра есть, а магнитного поля практически нет. И как это объяснить?
Эффект геомагнетизма и водно-воздушный
океан Земли
Совсем недавно в научном мире появилась новая гипотеза, которая пытается объяснить существование у голубой планеты сильного магнитного поля. Она гласит, что важнейшую роль в формировании геомагнетизма играет водно-воздушный океан планеты.
Под воздействием солнечной энергии с голубой планеты за сутки испаряется 1 триллион кубометров воды. При этом капли воды электризуются и приобретают положительный заряд. А отрицательный заряд уходит в земную твердь. А в тех местах планеты, где царит ночь, наблюдается конденсация жидкости.
Воздушная среда непостоянно, то есть всё время находится в движении. В результате этого и в атмосфере, и в земной коре возникают потоки ионов. Это и является причиной магнетизма. А дело тут в том, что магнитное поле создаётся тогда, когда электропроводящий материал окружает переменное или вращающееся электрическое поле. В качестве такого поля выступает воздушная среда, содержащая в себе различные заряды.
Данная гипотеза прекрасно объясняет, почему у планет, на которых нет атмосферы и океанов, отсутствует магнитное поле. Также понятно, почему вспышки на Солнце существенно влияют на земной магнетизм. Можно также объяснить, почему в геологической истории голубой планеты происходило резкое изменение магнитного поля.
Это, скорее всего, было связано с катастрофами, вызванными падением крупных метеоритов. При этом глобально менялись прозрачность атмосферы и уровень испарения воды. Всё это в комплексе и воздействовало на магнитное поле Земли.
Заключение
Многие экологи считают, что нынешняя деятельность человеческой цивилизации начинает негативно сказываться на состоянии атмосферы голубой планеты. Это может отразиться и на силе магнитного поля. А ведь оно защищает Землю от губительного солнечного ветра. Так что людям есть о чём подумать и, пока не поздно, принять соответствующие меры.
Cтатью написал Максим Шипунов