Земной магнетизм


Одну из интереснейших страниц научных исследований в Арктике составляет изучение явлений земного магнетизма в центральной части Северного Ледовитого океана.

Еще в самом начале XVII века была впервые высказана мысль, что земной шар представляет собой огромный магнит, полюсы которого не совпадают с географическими полюсами. Влияние магнитного поля Земли на магнитную стрелку использовалось мореплавателями уже в весьма отдаленные времена. Пожалуй, мореплаватели первыми начали изучать явления земного магнетизма, обратив прежде всего внимание на определение магнитного склонения, то есть угла между географическим меридианом и направлением магнитной стрелки.

Магнитное склонение обычно отсчитывается (по направлению от севера) к востоку (восточное склонение) и к западу (западное склонение). Величина магнитного склонения неодинакова: она медленно и довольно плавно изменяется от одного места к другому, за исключением районов, где наблюдаются магнитные аномалии.

Наряду с магнитным склонением изучались и другие элементы земного магнетизма: величина напряжения, которая разлагается на горизонтальную и вертикальную составляющие силы земного магнетизма; наклонение, под которым принято понимать угол между направлением магнитной стрелки и горизонтальной плоскостью. Наибольшее практическое значение для мореплавания и воздухоплавания имеет изучение магнитного склонения.

Д. К. Росс открывает магнитный полюс северного полушария
Д. К. Росс открывает магнитный полюс северного полушария

Первоначально магнитные наблюдения производились преимущественно в умеренных широтах; Арктика, и в особенности центральная часть ее, в течение многих лет представляла собой огромное белое пятно. Наблюдения, произведенные ранними полярными экспедициями, позволили составить первые карты магнитного склонения, на которых были вычерчены изогоны — линии, соединяющие пункты с равным магнитным склонением.

Было установлено, что все изогоны в северном полушарии сходятся в одной точке, получившей название магнитного полюса. Вначале местонахождение магнитных полюсов вычислили теоретическим путем. Было установлено, что магнитный полюс должен находиться на 73°35' северной широты и 95°39' западной долготы, а магнитный полюс южного полушария — на 72°35' южной широты и 152°30' восточной долготы.

В июне 1831 года английский полярный исследователь капитан Д. К. Росс, участвуя в одной из полярных экспедиций по отысканию Северо-Западного прохода, на 70°05' северной широты и 96° западной долготы обнаружил, что свободно подвешенная магнитная стрелка становится вертикально. Так был открыт магнитный полюс в северном полушарии. Р. Амундсен на основании большого числа магнитных наблюдений, произведенных в 1903-1904 годах во время зимовки на судне «Йоа» в районе полуострова Бутия, уточнил положение магнитного полюса и нашел, что он находится на 73°30' северной широты и 95°30' западной долготы.

По данным Маккинли (начальника воздушной полярной экспедиции на бомбардировщике «Ланкастер» — «Эриис»), который произвел наблюдения над распределением элементов земного магнетизма в Арктическом бассейне и на севере Канады, выяснилось, что в последнее время произошло некоторое смещение магнитного полюса северного полушария. Он находится теперь на острове Принца Уэльского (Канадский Арктический архипелаг), на 74° северной широты и 100° западной долготы.

Канадские магнитологи, на основании анализа наблюдений за последние 10 лет, определили, что магнитный полюс северного полушария находится на 74°48' северной широты и 93°36' западной долготы.

Вопрос о перемещении магнитного полюса — не новый; но в современных условиях, благодаря большому количеству наблюдений над элементами земного магнетизма, он может быть решен более определенно. По последним данным канадских ученых, магнитный полюс в каждые 10 лет смещается на север на 102 километра.

Карта магнитных меридианов на 1950 год
Карта магнитных меридианов на 1950 год

Давно было известно, что магнитная сила в том или другом пункте Земли непрерывно изменяется как по величине, так и по направлению. При этом магнитологами было установлено, что магнитное поле Земли обусловлено не только внутренними массами, но и некоторыми иными, внешними силами. В результате были введены понятия о внутренних и внешних полюсах Земли, которые не остаются постоянными, а изменяют свое положение в зависимости от ряда уже известных и еще не известных нам причин. Так, были установлены изменения элементов земного магнетизма — вековые, годовые и суточные.

Отмечены, например, одиннадцатилетние периоды колебания элементов земного магнетизма, совпадающие с такими же периодами колебания солнечной деятельности.

Помимо плавных, спокойных колебаний земного магнетизма, временами наблюдаются резкие изменения, которые продолжаются обычно несколько часов, очень редко несколько дней; они охватывают большие районы земной поверхности, а иногда и весь земной шар. Это — магнитные возмущения, или, как их иногда называют, магнитные бури. Чаще всего они наблюдаются в полярных странах, причем отмечено, что сильные магнитные бури сопровождаются полярными сияниями. По наблюдениям экспедиции на «Г. Седове», магнитная буря, разыгравшаяся 17 апреля 1939 года на 86°16' северной широты и 87°50' восточной долготы, продолжалась несколько дней. Амплитуда склонения во время этой бури за сутки достигала 52°16', в то время как в более южных районах амплитуда колебания магнитной стрелки во время магнитных бурь обычно не превышает 10-15°.

Наблюдения, проведенные воздушными высокоширотными экспедициями и дрейфующими станциями над элементами земного магнетизма, в частности над магнитными возмущениями, имеют важное практическое значение для мореплавания и аэронавигации, а также для радиосвязи, потому что распространение коротких радиоволн в значительной степени зависит от состояния магнитного поля (в периоды сильных магнитных возмущений радиосвязь на коротких волнах иногда полностью прекращается на несколько дней).

До организации воздушных высокоширотных экспедиций магнитные наблюдения были проведены только в отдельных небольших районах Центральной Арктики, поэтому в большинстве случаев магнитные карты (карты магнитного склонения, наклонения и др.) для Центральной Арктики строились на основе теоретических соображений.

Схема одновременного появления максимума утренних магнитных возмущений (по А. П. Никольскому); цифры у линий показывают часы мирового времени
Схема одновременного появления максимума утренних магнитных возмущений (по А. П. Никольскому); цифры у линий показывают часы мирового времени

До советских высокоширотных экспедиций среди некоторых ученых все еще существовало мнение о том, что горизонтальная составляющая земного магнитного поля в Центральной Арктике постепенно уменьшается к северу и у магнитного полюса становится равной нулю; что магнитные меридианы распределяются более или менее равномерно, имеют радиальное направление и сходятся у магнитного полюса, подобно географическим меридианам, сходящимся у географических полюсов. Однако наряду с этим некоторые ученые, главным образом на основании довольно скудных данных непосредственных наблюдений над элементами земного магнетизма, уже давно указывали, что магнитные меридианы вследствие неоднородности земной коры имеют тенденцию на севере Евразии сходиться и идти к полюсу более или менее параллельными пучками.

Магнитный меридиан — линия, совпадающая с направлением, которое показывает магнитная стрелка в данном месте. Обычно магнитный меридиан не совпадает с географическим меридианом и отклоняется от него либо к западу, либо к востоку, образуя угол магнитного склонения.

Анализируя магнитные наблюдения дрейфующей станции «Северный полюс-1», экспедиции на «Г. Седове» и экспедиции на самолете «Н-169», советские ученые установили, что к северу от Таймырского полуострова и Северной Земли и к северо-западу от Новосибирских островов магнитные меридианы действительно имеют тенденцию близко сходиться между собой и что значения горизонтальной составляющей земного магнитного поля в этих районах настолько резко уменьшаются, что где-то здесь можно было ожидать ее нулевых значений. На основании этих данных советские ученые Б. П. Вейнберг и М. Е. Острекин выдвинули гипотезу о существовании в Арктике (в районе 86° северной широты и 178° западной долготы) второго магнитного полюса.

Анализ магнитных наблюдений, произведенных на обширных пространствах Центральной Арктики воздушными высокоширотными экспедициями в 1948-1954 годах, показал, что второго магнитного полюса в действительности здесь не существует. Вместо этого, как и предполагали ранее, здесь имеется своеобразное распределение элементов магнитного поля Земли, заключающееся в том, что магнитные меридианы на огромном расстоянии, от Таймырского полуострова через околополюсные районы до Канадского Арктического архипелага, идут почти параллельным пучком и очень близко друг к другу. В этой области отмечаются сильно пониженные значения горизонтальной составляющей, и показания магнитного компаса вследствие этого оказываются весьма неустойчивыми.

Так научные исследования воздушных высокоширотных экспедиций и дрейфующих станций убедительно подтвердили одну из интереснейших гипотез о магнитном поле в Арктике.

До последнего времени вопрос о характере магнитных возмущений в Центральной Арктике оставался невыясненным, а те материалы, которыми располагали геофизики и которые относились преимущественно к более низким широтам (южнее 80° северной широты), еще не позволяли перейти к широким обобщениям.

Анализ наблюдений над изменением во времени элементов магнитного поля (так называемыми магнитными вариациями) позволил установить, что в суточном ходе магнитных возмущений в центральной части Северного Ледовитого океана наблюдаются три максимума — в утренние, дневные и ночные часы. Советские ученые (А. П. Никольский, Н. А. Миляев, П. К. Сенько) обнаружили, что линии одновременного появления максимума утренних магнитных возмущений представляют собой систему спиралей, идущих от северо-западной оконечности Гренландии. Этим была доказана правильность теоретических взглядов на природу магнитных возмущений в высоких широтах, высказанных в свое время норвежскими учеными Штермером и Биркеландом, и подтверждены результаты некоторых лабораторных исследований.

Опыты эти состояли в следующем. Намагниченный шар помещали в вакуум и направляли на него пучок катодных лучей (поток электронов). При некоторых условиях этот пучок отклонялся к магнитному полюсу шара и располагался на его поверхности в виде спирали, которая выходила из полюса. Такое расположение электронов обнаруживалось в виде свечения, которое возникало в результате бомбардировки электронами специального состава, покрывавшего поверхность намагниченного шара.

Направление, в котором развертывалась спираль, зависело от того, на какой полюс намагниченного шара падали катодные лучи. На южном магнитном полюсе, который соответствует магнитному полюсу, находящемуся в северном полушарии Земли, эта спираль развертывалась против часовой стрелки. Направление развертывания спирали зависело и от знака заряда электрических частиц, которыми облучалась поверхность намагниченного шара: при бомбардировке ее положительно заряженными частицами спираль развертывалась в обратном направлении, то есть по часовой стрелке.

Сопоставляя эти данные с непосредственными наблюдениями в высоких широтах, советские ученые пришли к выводу, что утренние магнитные возмущения вызываются солнечными корпускулами, имеющими, по-видимому, положительный заряд, скорее всего, протонами.

Но наряду с этим в последние годы выдвигаются новые гипотезы, на основании которых пытаются объяснить механизм возникновения магнитных возмущений и полярных сияний как явлений, тесно связанных между собой. Шведский ученый X. Альфвен объясняет их эффектом газового разряда в электрическом поле. Проанализировав результаты лабораторных опытов К. Мальмфорса, он пришел к выводу, что возникновение светящихся колец на «терреле» Биркеланда нельзя объяснить только воздействием катодных лучей, движущихся по штермеровским орбитам, и допускает, что данное явление вызывается разрядом, который происходит в электрическом поле вблизи «террелы». В заключение своего анализа Альфвен пишет: «Мы старались быть очень осторожными при применении результатов, полученных с помощью масштабной модели, к явлениям природы, но все же..., по-видимому, допущение, что магнитные бури и полярные сияния порождаются механизмом Мальмфорса, не встречает существенных возражений». Таким образом, можно допустить, что в механизме возникновения магнитных бурь одновременно действуют два фактора: солнечные корпускулы и эффект газового разряда в электрическом поле. Роль каждого из них еще недостаточно выяснена.

Результаты исследования магнитных возмущений в Центральной Арктике позволили советским ученым вскрыть также некоторые закономерности поглощения радиоволн в высоких широтах. В частности, было установлено, что время появления максимума поглощений радиоволн в течение суток совпадает (с точностью до получаса) с моментами наступления максимума утренних магнитных возмущений.

В настоящее время хорошо известно, что распространение коротких радиоволн зависит от состояния верхних слоев атмосферы (ионосферы) и что при сильных возмущениях в ионосфере посылаемые вертикально коротковолновые сигналы не отражаются и радиосвязь становится практически невозможной. При этом было установлено, что поглощение радиоволн часто сопровождается сильными магнитными возмущениями. Однако вопрос о зависимости времени наступления максимума поглощений от географического положения в достаточной мере решен не был.

Так результаты работ воздушных высокоширотных экспедиций и дрейфующих станций позволили во многом раскрыть природу изменений элементов земного магнетизма в Центральной Арктике.