WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
Библиотека <Математическое просвещение> Выпуск 24 А. И. Дьяченко МАГНИТНЫЕ ПОЛЮСА ЗЕМЛИ Издательство Московского центра непрерывного математического образования Москва • 2003 УДК 550.38 ББК 26.21 Д93 Аннотация Географические полюса нашей планеты располагаются в Арктике и Антарктиде. А куда мы в конце концов придём, если будем идти по компасу точно на север На северный географический полюс Нет, магнитный северный полюс не совпадает с географическим. И в разные годы стрелка компаса может привести нас в разные места: магнитные полюса, в отличие от географических, не стоят на месте! В брошюре рассказывается о магнитном поле Земли, об истории изучения магнитных полюсов, а также об истории перемещения полюсов и нынешнем их движении.

Текст брошюры подготовлен по материалам лекции, прочитанной автором 5 октября 2002 года на Малом мехмате для школьников 7—8 классов.

Брошюра рассчитана на широкий круг читателей: школьников, студентов, учителей.

Издание осуществлено при поддержке Департамента образования г. Москвы и Московской городской Думы.

ISBN 5-94057-080-1 © А. И. Дьяченко, 2003.

© МЦНМО, 2003.

Антон Иванович Дьяченко.

Магнитные полюса Земли.

(Серия: <Библиотека,,Математическое просвещение“>).

М.: МЦНМО, 2003. — 48 с.: ил.

Редактор Р. О. Алексеев. Техн. редактор М. Ю. Панов.

Лицензия ИД № 01335 от 24/III 2000 года. Подписано в печать 6/V 2003 года.

1 Формат бумаги 6088 /. Бумага офсетная № 1. Печать офсетная. Физ. печ. л. 3,00.

16 Усл. печ. л. 2,93. Уч.-изд. л. 3,81. Тираж 0000 экз. Заказ 0000.

Издательство Московского центра непрерывного математического образования.

119002, Москва, Г-2, Бол. Власьевский пер., 11. Тел. 241 05 00.

Отпечатано с готовых диапозитивов в ФГУП <Производственно-издательский комбинат ВИНИТИ>.

140010, г. Люберцы Московской обл., Октябрьский пр-т, 403. Тел. 554 21 86.

Спросите любого человека, где находятся полюса Земли, и он безошибочно укажет вам на две противоположные точки планеты в Арктике и Антарктиде. О них знают даже дети — простой школьный глобус, и тот продырявлен в этих полюсах металлической осью. Вопрос посложнее: куда мы в конце концов придём, если будем точно следовать указаниям стрелки компаса. Не будет ничего удивительного, если даже образованный человек ошибочно ответит: <на северный полюс>. К сожалению, о существовании магнитных полюсов, которые в реальности не совпадают с географическими, люди знают гораздо хуже. И уж совсем редко в качестве ответа вы услышите встречный вопрос: <в какое время>. Будьте уверены, такой собеседник прекрасно разбирается в проблеме. Оказывается, в разные годы стрелка компаса приведёт нас в различные точки планеты — магнитные полюса, в отличие от географических, не стоят на месте! В ГЛУБЬ ВЕКОВ История знакомства человечества с магнитным полем Земли уходит в такую древность, что вряд ли мы когда-нибудь точно установим момент, когда люди впервые научились пользоваться магнитной стрелкой. Одно из первых достоверных письменных упоминаний о <магнитной игле, которая может свободно вращаться> приходит из китайской энциклопедии, составленной Гуи-Чином в 121 г. н. э. Есть свидетельства и постарше. Древний китайский рисунок, датируемый 220 г. до н. э., изображает изящный компас, сделанный в виде небольшой ложечки, свободно вращающейся посередине отлитой из бронзы квадратной пластины (рис. 1).

Пластина эта называлась небесным столиком. На ней были нанесены 8 триграмм, 24 направления, связанных с созвездиями, и 28 лунных секторов. О том, что ложечка действительно использовалась Рис. 1. Китайский компас в вив качестве компаса, историки узна- де ложечки из магнетита, помещённой на бронзовую пластину (220 г.

ли из манускрипта эпохи династии до н. э.). Квадрат символизирует Хань, написанного в 83 г. н. э.

Землю, круг в центре — небеса.

В нём говорилось, что ручка такой В центре круга часто изображали Большую Медведицу.

ложки всегда выбирает только южное направление горизонта.

Множество китайских легенд повествует о том, что ещё до нашей эры мастера Востока владели секретом изготовления чудесных повозок с установленными на них человеческими фигурками с указывающей на юг вытянутой рукой. Интересно, что и легендарные китайские фигурки, и магнитные ложки указывали именно на юг, а не на север. Дело в том, что истинный северный магнитный полюс, т. е. то место, где силовые линии магнитного поля Земли <выходят на поверхность>, располагается как раз в южном полушарии, а истинный южный магнитный полюс, где они <уходят под землю> — в северном. Но так уж исторически сложилось, что южный магнитный полюс для удобства стали называть северным, и наоборот. Этого правила будем придерживаться и мы.

Вот интересный фрагмент из библиотеки старинной летописи китайского фольклориста Су Матзена, которой как минимум две тысячи лет:

<Идут караваны по бескрайним гобийским пескам. Направо, налево — унылые жёлтые барханы. Солнце скрыто жёлтой пеленой пыли. Далёк путь из императорских пагод на берегах Янцзы до минаретов кушанских царств. Трудно пришлось бы караванщикам, если бы не было в караване белого верблюда. Белого верблюда с его бесценным грузом. Бесценным, хотя это не золото, не жемчуг и не слоновая кость. Защищённый деревянной резной клеткой, между горбами белого верблюда совершает свой путь через пустыню глиняный сосуд, в котором на пробке плавает в воде небольшой продолговатый кусок намагниченного железа. Края сосуда выкрашены в четыре цвета. Красный обозначает юг, чёрный — север, зелёный — восток и белый — запад...>.

А что европейцы Узнали ли они о компасе из Китая или додумались сами — этого мы точно не знаем. В труде английского монаха Александра Некэма <О природе вещей>, написанном, вероятно, в Париже в 1190 г., о магнитной игле говорится уже как об известном феномене. По-видимому, некоторые европейские мореплаватели в то время уже умели пользоваться этим инструментом. Ещё в конце I тысячелетия н. э. на южных берегах Гренландии появились первые поселения викингов, прибывших сюда на длинных остроносых дракарах. Для этого им пришлось пересечь Атлантику (через Исландию), а сделать это без помощи компаса едва ли возможно. Тем не менее считается, что повсеместное использование компаса как навигационного инструмента началось в Старом Свете лишь в XIII—XIV вв.



Один из самых замечательных европейских научных трудов той эпохи, касающихся магнетизма, — письмо, написанное в 1269 г. военным инженером Петрусом Перегрини своему коллеге во время армейских манёвров в Италии. В нём излагались практические наблюдения и теоретические размышления, касающиеся магнетизма, включая такие понятия как магнитные полюса, притяжение и отталкивание. Перегрини, в частности, придерживался мнения, что стрелка компаса указывает на Полярную звезду, хотя общепринятым в то время взглядом на причину её удивительного поведения было поверье об огромной магнитной горе, находящейся где-то на северном полюсе и притягивающей к себе стрелку компаса из любой точки Земли. Вплоть до конца XVI столетия моряки свято верили в существование этой горы и считали, что для заблудившихся в арктических водах кораблей она представляет серьёзную опасность: ведь сделаны они не только из дерева и канатов — одних гвоздей и заклёпок сколько! Перегрини допускает ту же ошибку, что и современный человек, называющий географический полюс точкой, куда указывает стрелка компаса. Отклонение магнитной стрелки от направления на Полярную звезду в большинстве мест на земном шаре слишком велико, чтобы оставаться незамеченным. Величина этого расхождения называется магнитным склонением данного места. При всём несовершенстве первых компасов китайцы заметили это явление ещё в XII в.

Обычно считается, что для Старого Света феномен магнитного склонения открыл Христофор Колумб во время своего первого плавания в Америку в 1492 г. В действительности же моряки центральной Европы знали о нём и раньше. Первое достоверное свидетельство об этом дают нам переносные солнечные часы XV столетия (рис. 2). Такие Рис. 2. Солнечные часы, полуденчасы совмещали в себе два инструная ось которых смотрит строго на мента: компас и собственно солсевер, показывают точное местное солнечное время. Для правильной нечные часы. Сделаны они так для ориентации переносных солнечных того, чтобы при установке в любом часов необходимо знать магнитное месте Земли их можно было прасклонение, т. е. угол между направлением на истинный север и навильно сориентировать по сторонам правлением, указываемым стрелгоризонта. Так вот, конструкция кой компаса в данной местности.

этих часов, изготовлявшихся в Германии ещё в середине XV столетия, ясно говорит нам о том, что их создателям явление магнитного склонения было уже известно.

Конечно, для правильной ориентации часов моряки должны были знать его в местах, где пролегали их маршруты. И в самом деле, оказалось, что на немецких мореходных картах того времени магнитное склонение уже отмечено.

Со временем картирование магнитных склонений стало для мореплавателей важной задачей, и в 1530-х гг. португальцы разработали для этого специальный метод, основанный на наблюдениях Солнца. Пионером этого метода был морской офицер Жан де Кастро (1500—1548). В его на редкость аккуратных бортовых журналах за 1538—1541 гг. содержится целый ряд высокоточных измерений магнитных склонений. Впоследствии этот метод широко использовался во время многочисленных морских путешествий, и именно благодаря картам того времени, дающим нам в руки целый ряд замеров магнитного склонения (геофизик бы добавил — с длинной базой), мы можем сегодня с достаточной точностью реконструировать картину геомагнитного поля начиная с 1500-х гг.;

в частности, косвенным образом установить приблизительное местоположение магнитных полюсов в те эпохи.

<ЗЕМЛЯ — БОЛЬШОЙ МАГНИТ> Ближе к концу XVI столетия стало очевидно, что стрелка компаса может дать нам ещё одну характеристику магнитного поля.

Обладая, помимо горизонтальной, ещё одной степенью свободы — вертикальной, она почти во всех точках земного шара (за исключением магнитного экватора) установится наклонно, т. е. сделает то, чего никогда бы не сделала аналогичная немагнитная стрелка. Эту вторую характеристику магнитного поля в выбранной точке земной поверхности называют магнитным наклонением данного места (рис. 3). Её открыл в 1576 г. англичанин Роберт Норман, экспериРис. 3. Карта магнитных склонений на 2000 г. по всемирной магнитной модели WMM-2000. Интервал между соседними контурами равен 5. Штрих-пунктиром обозначено положительное (восточное) магнитное склонение, пунктиром — отрицательное (западное) магнитное склонение.

ментируя с плавающей в жидкости магнитной иглой (рис. 4). Потрясённый открытием, он ещё целых пять лет изучал этот феномен, прежде чем опубликовал результаты своих наблюдений в книге <Новое притяжение>.

С этого момента в руках исследователей оказались уже и магнитное склонение, и магнитное наклонение, и знание сил, которые действуют между магнитами. Этого было вполне достаточно, чтобы сделать самый важный вывод о магнитном поле Земли, и он не замедлил появиться. В книге, опубликованной в 1600 г. в Лондоне, была наконец высказана революционная мысль о том, что Земля сама по себе — огромный магнит. В магнитной горе Рис. 4. С помощью больше не было необходимости! Эта книга, изплавающей в жидковестная под названием <О магните, магнитных сти магнитной иглы английский исследо- телах и о великом магните — Земле>, была ватель Роберт Норопубликована английским физиком Уильямом ман в 1576 г. обнаружил явление магнит- Гильбертом (1544—1603) за год до его назнаного наклонения.





чения личным доктором английской королевы Елизаветы I. Используя крошечную модель Земли, сделанную из природного магнитного материала, он показал, что её свойства удивительно совпадают с теми, которые в реальности наблюдали исследователи на разных широтах. Сегодня лабораторную установку, моделирующую Землю с её магнитным полем, физики называют <таррелла>, что в переводе с итальянского означает буквально <маленькая земля>.

Гильберт также заметил, что у его тарреллы имеется два полюса, т. е. места, в которых магнитная стрелка должна установиться точно вертикально (рис. 5).

Так родилось понятие истинных маг- Рис. 5. Эскиз Гильберта демонстрирует, как ориентируются нитных полюсов, фактически, Гильберт магнитные иглы на поверхнодал их определение, которое с тех пор сти тарреллы. На магнитном экваторе они ложатся горизонуже не менялось.

тально, но по мере удаления Его книга привлекла внимание от него наклоняются всё сильмногих современников, в частности, нее и сильнее, до тех пор, пока не достигнут полюса. Здесь очень похвальные отзывы о ней дали они устанавливаются перпенГалилей и Кеплер. Однако Церковь отдикулярно поверхности.

неслась к ней весьма строго — в книге поддерживалась гелиоцентрическая картина мира. Сегодня появление книги Гильберта <О магните...> считается рождением геомагнетизма как систематической дисциплины. С этого времени Земля получила два совершенно новых атрибута: северный и южный магнитные полюса. Они располагались где-то в Арктике и Антарктике, но где точно — тогда ещё никто не знал.

Гильберт заложил тот фундамент, на котором можно было начинать строить. Медленно, но верно стала вырисовываться полная картина земного магнитного поля. В 1701 г. после длительного путешествия по Атлантике английский астроном Эдмон Галлей (1656—1742) опубликовал первую настоящую карту магнитных склонений (рис. 6), покрывшую весь Атлантический океан (по экономическим и военным причинам англичанам была важна беспрепятственная навигация именно в этом районе). Ещё раньше, в XVII столетии стал очевиден другой, крайне важный факт — магнитное поле не постоянно, и склонение из года в год постепенно меняется. Отсюда вытекало, что нужно не только картировать земное магнитное поле, но и обновлять эти карты со временем. Несмотря на это, первая карта Галлея (рис. 6) завоевала такую популярность у моряков, что использовалась и через сто лет после своего опубликования. К концу XVIII столетия она лишилась уже не только первой, но и вообще всякой свежести, однако привязанность моряков оказалась сильнее: карту правили, но не выбрасывали.

Вскоре после выхода в свет книги Гильберта моряки стали всё чаще и чаще заплывать в высокие приполярные широты. Это позволяло измерять магнитное поле Земли гораздо ближе к магнитным полюсам, чем раньше. Очевидно, эти измерения заронили мысль о нахождении точного местоположения северного магнитного полюса. Галлей, например, придерживался мнения, что он лежит где-то к северу от Шпицбергена. Это было грубой ошибкой, но Галлея легко оправдать, — дело в том, что стрелка компаса в действительности указывает отнюдь не на магнитный полюс, а всего лишь выравнивается вдоль горизонтальной компоненты магнитных силовых линий в данной местности. Если бы Земля была идеальным дипольным магнитом (ах, если бы!), между этими двумя направлениями не было бы никакой разницы. Но она им далеко не является, и разница велика! Иными словами, строго следуя показаниям стрелки компаса, вы в конце концов действительно придёте к магнитному полюсу, но сделаете это не по прямой, а по сложной изогнутой линии. Поэтому любые попытки судить о местоположении северного магнитного полюса по показаниям компаса в далёких от него точках без учёта сложной структуры земного магнитного поля приводят к огромным ошибкам. У Галлея было ещё очень мало данных (его вины в этом нет), отчего судить о полюсе ему пришлось <слишком издалека>.

Справедливости ради надо заметить, что эту ошибку Галлей совершил не первым, и не последним. Впервые это сделал знамеРис. 6. Предварительная версия карты магнитных склонений, опубликованной в 1701 г. Эдмоном Галлеем после атлантического путешествия на судне <Парамур>.

На этой карте хорошо видно, что 300 лет назад линия нулевого магнитного склонения в западном полушарии () проходила приблизительно посередине Атлантического океана, а не через Америку, как сегодня. Это объясняется постепенным западным дрейфом элементов геомагнитного поля.

нитый фламандский картограф Герард Меркатор ещё в 1546 г. (!).

В то время Гильберту было всего лишь два года, и понятия геомагнитного поля просто ещё не существовало. Общепринятая гипотеза о том, что где-то на севере находится некий магнитный полюс (магнитная гора в представлении моряков), который притягивает стрелку компаса непосредственно, подтолкнула Меркатора к мысли найти на карте точку пересечения направлений стрелки компаса из разных, удалённых друг от друга мест северного полушария Земли. Эта точка была им найдена и нанесена на карту под названием полюса. Как вы понимаете, к магнитному полюсу Гильберта она имела очень далёкое отношение.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.