Удивительная способность магнита притягивать железо была известна еще в глубокой древности. Свойство магнита указывать юг и север было открыто позже.
Еще в III в. изготовляли особые «югоуказатели» в виде маленького человечка с вытянутой рукой.
Эта фигурка — древнейший компас—укреплялась на вращающемся магните.
Значительно позднее (в VIII — IX вв.) арабы стали применять компас для мореплавания. В то время арабские торговые корабли часто плавали из Азии в Европу.
Европейские мореплаватели пользовались компасом примерно с ХШ в., но не знали, так же как китайцы и арабы, почему один конец магнитной стрелки показывает на север, а другой — на юг.
Вплоть до начала XIX в. на вопрос о причине земного магнетизма часто отвечали так: Земля сама большой магнит. Внутри Земли как бы «спрятан» очень сильный магнит. Он и управляет поведением стрелки компаса, заставляя ее устанавливаться вдоль магнитных силовых линий, опоясывающих земной шар и создающих магнитное поле Земли.
Направление этих силовых линий и указывает стрелка компаса.
Мореплаватели, правда, давно уже заметили, что северный конец стрелки не совсем точно указывает на север, а южный — на юг. Еще Колумб, когда плыл в Америку, обнаружил, что географический меридиан не совпа-дает с магнитным, вдоль которого устанавливается стрелка компаса. Угол между этими двумя направлениями называется магнитным склонением. Каждое место на Земле имеет свой угол склонения, и штурман корабля или самолета должен иметь точную карту магнитных склонений. Такая карта составляется по показаниям компаса. Известно, например, что в районе Москвы угол склонения равен 7° к востоку, а в Якутске — около 17° к западу. Это значит, что северный конец стрелки компаса в Москве отклоняется на 7° вправо от географического меридиана, проходящего через Москву, а в Якутске — на 17° влево от соответствующего меридиана.
Магнитная ось Земли наклонена к географической примерно под углом в 11°,5, поэтому географические по-люсы также не совпадают с магнитными.
Магнитную стрелку можно заставить колебаться и не на острие, как это делается в компасе. Ее можно закре-пить на горизонтальной оси, тогда она будет качаться в вертикальной плоскости. Такую стрелку называют стрелкой наклонения. Действительно, она показывает, под каким углом к горизонту действует на нее в данном месте магнитная сила Земли, т. е. каково магнитное наклонение. На Северном и Южном магнитных полюсах острие стрелки направлено прямо вниз: магнитное наклонение здесь наибольшее— оно равно 90°. Углы магнитного наклонения хорошо изучены на всей Земле. Если обнаруживаются резкие изменения углов наклонения, то это указывает, что в данном месте под поверхностью Земли скрыты намагниченные горные породы или железные руды.
Земля представляет собой большой магнит, от полюсов которого расходятся силовые линии магнитного поля. Стрелки компаса на поверхности Земли ориентируются по направлению к магнитным полюсам.
Магнитная разведка залежей железа или других магнитных руд в сущности сводится к поискам мест резких магнитных аномалий, т. е. таких мест, где магнитная сила земного поля по величине или направлению резко отклоняется от нормы. Сейчас магнитную разведку ведут даже с самолетов. Под Курском, в Сибири, на Урале, на Кольском п-ове обнаружены сильные магнитные аномалии, там же найдены залежи железных руд.
Стрелка компаса в течение суток ведет себя неспокойно. Она сдвигается немного в сторону, колеблясь в общем около положения равновесия. Это значит, что магнитное поле Земли за сутки немного меняется. Суточные колебания магнитной стрелки всегда больше летом, чем зимой.
Причина этих изменений магнитного поля Земли — электрические токи, текущие в атмосфере на большой высоте. Вызваны они солнечным излучением.
Иногда электрические токи в атмосфере становятся особенно сильными. Происходит это, когда с поверхности Солнца с огромными скоростями выбрасываются потоки мельчайших частиц. Они проникают в земную атмосферу и
порождают в ней электрический ток. Стрелка компаса начинает вздрагивать и все больше и больше отходит от положения равновесия. Такое явление называют магнитной бурей. Она может продолжаться несколько часов и даже суток. Когда магнитная буря утихает, стрелка компаса возвращается к положению равновесия. Во время сильных магнитных бурь нарушается нормальная работа телеграфа, телефона и радио.
Магнитные бури часто наблюдаются на широте 66—67° (в зоне полярных сияний) и часто возникают одновременно с полярными сияниями. По-видимому, оба эти явления вызваны одними и теми же причинами.
За изменениями земного магнитного поля нужно постоянно наблюдать. Для этого организована специальная Служба земного магнетизма. Вот уже более ста лет по данным многочисленных экспедиций и по измерениям на магнитных станциях составляются подробные карты магнитного склонения и наклонения и таблицы суточного и годового хода изменений магнитного поля Земли.
Многолетние наблюдения показали, что положение магнитной стрелки по отношению к географическому меридиану также со временем меняется: конец стрелки медленно перемещается к западу или востоку. Это так называемые вековые изменения магнитного поля Земли. Их всегда приходится учитывать при составлении магнитных карт.
Для вождения кораблей и самолетов, разведки полезных ископаемых и для очень многих научных целей нужны точные карты магнитного склонения и наклонения.
Магнитные бури и суточные изменения магнитного поля объясняются, как мы знаем, солнечным излучением и выбрасыванием мощных фонтанов частиц с поверхности Солнца. Но до сих пор остается невыясненной основная причина, создающая постоянный магнетизм Земли. Наша планета действительно ведет себя как большой магнит.
В средние века поведение магнитной стрелки объяснялось силами, идущими с неба, при этом Полярной звезде приписывалось главное влияние на магнитную стрелку.
Серьезные исследования магнетизма начались позднее. В 1600 г. в Англии были опубликованы шесть книг Вильяма Джильберта «О магните, магнитных телах и о большом магните— Земле». Джильберт намагнитил металлический шар (он назвал его терреллой) и исследовал показания стрелки компаса возле него. И все же ответа на основной вопрос, почему Земля намагничена, Джильберт дать не мог.
В начале XIX в. французский физик Ампер высказал интересную догадку. Он знал, что электрический ток может влиять на магнитную стрелку. Ампер первый понял, что, если внутри Земли будет течь электрический ток с востока на запад, тогда вокруг Земли появится магнитное поле и земной шар будет похож на джильбертовскую терреллу. Но течет ли на самом деле ток в Земле и какая причина делает его постоянным?
Чтобы ответить на эти вопросы, геофизики зарывали глубоко в землю металлические пластины и при помощи телеграфных проводов соединяли их над землей, включив в эту цепь гальванометр. Прибор действительно обнаруживал ток, но чрезвычайно слабый и к тому же непостоянный. Тогда для объяснения источника земного магнетизма попытались привлечь на помощь атмосферные электрические токи.
Глубоко под землей закопаны две металлические пластины, соединенные проводами с телеграфной линией. К одному из проводов, ведущих к пластине, подключен миллиамперметр.
Условное изображение атомов в виде колец. Стрелками показано направление осей электронных орбит. В ненамагниченном состоянии атомы и оси орбит электронов расположены беспорядочно.
Они текут из воздуха в Землю. Однако известно, что на 1 км2 Земли приходит атмосферный ток силой всего в 0,000001 ампера. Даже если учесть, что в каждую секунду над всей Землей происходит 100 разрядов молний, все равно постоянное магнитное поле Земли такими причинами невозможно объяснить.
Теоретически удалось доказать, что на 99% магнитное поле Земли вызывают причины, скрытые внутри планеты. Внешние электрические токи могут помочь объяснить лишь различные малые изменения земного магнитного поля.
В самом начале XX в. делалась попытка объяснить магнетизм Земли ее суточным вращением. Известно, что Земля заряжена отрицательным электричеством. Ее вращение создает ток, а электрический ток всегда окружен магнитным полем. Но теоретически вычисленная напряженность такого поля оказалась в десятки миллионов раз слабее истинного магнитного поля Земли.
И все же физики попытались спасти гипотезу о самонамагничивании Земли из-за ее вращения. Для этого они привлекли на помощь новые сведения о строении атома. Как известно, электроны в атомах вращаются по замкнутым орбитам. Оси этих орбит по-разному наклонены в различных атомах. На рисунке показано, как они расположены внутри ненамагниченного металлического стерженька. Но если стержень привести в быстрое вращение, то оси электронных орбит будут стремиться стать параллельно друг другу — совершенно так же, как, подчиняясь законам механики, это делают обычные волчки, запущенные внутри вращающейся коробки. В таком случае быстро вращающийся стержень должен намагнититься, так как электронные токи в атомах окажутся из-за поворота осей одинаково направленными. Их магнитные поля будут складываться, усиливая друг друга, и на концах стержня появятся магнитные полюсы.
В 1919 г. удалось намагнитить стержень, быстро его вращая.
Не происходит ли то же самое в металлах, находящихся в земной коре? Ведь суточное вращение Земли может «навести порядок» в расположении орбит атомов магнитных веществ земной коры.
Внутри коробки запущены детские волчки. Слева — коробка неподвижна. Справа — коробка вращается. Оси волчков в ней стали параллельно оси вращения коробки.
Электронные орбиты должны, по-видимому, повернуться так, чтобы стать параллельными плоскости экватора. Легко было проверить, что при этом Южный магнитный полюс появится на географическом севере, как это имеет место на Земле.
Зная скорость вращения нашей планеты и примерное распределение магнитных материалов в Земле, удалось подсчитать интенсивность намагничивания.
Она оказалась в миллиарды раз меньше действительной. Так еще одна гипотеза потерпела неудачу.
В 1939 г. американский физик Эльзассер предложил новую теорию происхождения земного магнетизма: Земля намагничена термоэлектрическими токами, текущими в жидком земном ядре.
Температура в нем достигает нескольких тысяч градусов, а давление доходит до миллионов атмосфер.
Когда быстро вращают металлический стержень, то внутри него атомы располагаются так, что оси электронных орбит становятся параллельными друг другу и оси вращения стержня. Вокруг стержня идут силовые линии магнитного поля.
Известно, что термоэлектрический ток возникает, когда один спай двух металлов нагрет больше, чем другой. По мнению Эльзассера, в земном ядре имеются подходящие условия для возникновения термотока. В ядре перемешаны различные металлы, так что всегда имеется кон-
такт двух металлов — хотя и в жидком состоянии. Кроме того, температура на различных глубинах в ядре, несомненно, разная. А это как раз и нужно для поддержания термотока в земном ядре: соприкосновение разнородных металлов и перепад температуры.
Струи расплавленного металла текут из центра ядра по радиусам к поверхности. Вращение Земли искривляет путь струи, превращая ее в кольцо, охватывающее земную ось. Механики называют силу, искривляющую путь такой струи из-за вращения Земли, кориолисовой силой.
Эльзассер пытался доказать, что вдоль вихря расплавленного металла должен течь с востока на запад термоэлектрический ток, подмагничивающий Землю.
На самом деле сложное движение вещества ядра Земли и циркулирующих в нем термотоков пока не поддается точному расчету. Да и не все предположения Эльзассера достаточно обоснованы. И хотя он на протяжении многих лет пробовал улучшить методы расчета, задача все-таки оказалась до конца не решенной. Тем не менее она подготовила появление современной, более совершенной теории земного магнетизма, предложенной в 1947 г. Российским физиком Я. Френкелем. Ученый нашел сходство между процессами, происходящими в земном ядре, и работой динамо-машины с самовозбуждением. Когда такая динамо-машина начинает работать, ее магнит (он называется статором) совсем слабо намагничен. Но по мере того как якорь машины, на котором намотаны витки проволоки, быстро вращается в слабом поле статора, в нем возникает индукционный ток. Он мал и непригоден еще для использования. Его заставляют течь по обмотке машины так, чтобы он намагничивал, т. е. усиливал, поле статора. Витки якоря продолжают вращаться, но теперь уже в более сильном магнитном поле, и в них наводится более сильный индукционный ток. С каждым новым оборотом машины происходит «подхлестывание», или самоусиление, поля.
Как снежный ком, который катится с горы и разрастается до размеров огромной лавины, так и динамо-машина с самовозбуждением доводит поле своего магнита до предельного постоянного состояния. С этого момента машина начинает нормально работать.
Если якорь машины вращает газовая или водяная турбина, то все устройство в целом называют турбогенератором.
Френкель считает, что земное ядро является своеобразным природным турбогенератором.
Внутри Земли как бы действует турбогенератор.
Роль турбины в нем играют тепловые потоки: они поднимают из недр ядра во все стороны большие массы расплавленного металла, обладающего свойством жидкости. Кориолисова сила «закручивает» их вокруг земной оси, образуя, таким образом, гигантские витки внутри «земной динамо-машины». В этих замкнутых потоках горячего металла, как и в витках проволоки на якоре обычной динамо-машины, должен был когда-то давно возникнуть индукционный ток. Он постепенно подмагничивал земное ядро. Первоначальное очень слабое магнитное поле усиливалось до тех пор, пока с течением времени не дошло до своего предельного значения. Этот предел был достигнут в далеком прошлом. И хотя земной турбогенератор продолжает свою работу, кинетическая энергия бурных потоков жидкого металла тратится теперь не на подмагничивание земного ядра, а целиком превращается в теплоту.
Что касается слабого начального магнитного поля, без которого земной турбогенератор не смог бы начать работать, то его происхождение обосновать нетрудно. Для этого достаточно вспомнить попытку объяснить магнетизм Земли ее суточным вращением. Она была признана неудачной только потому, что давала
земному шару ничтожно малое намагничивание. Но в природном «турбогенераторе» начальное поле может быть как угодно малым, ведь со временем оно увеличится до необходимых размеров.
Еще не все трудности новой теории преодолены. Не удается, например, подсчитать величину индукционного тока в земном ядре, Не выяснено пока, до какого предела должно усиливаться магнитное поле в ядре. Мало из-вестны еще законы движения хорошо проводящего электрический ток металла в магнитном поле земного ядра.
Тем не менее идея внутриземного «турбогенератора» привлекла много последователей. Настойчиво эту теорию в последние годы разрабатывает и Эльзассер.
Теория Френкеля особенно заманчива потому, что она пригодна для объяснения магнитных полей любых космических тел: Солнца, звезд, планет, туманностей и т. д. Быть может, внутри всех этих небесных тел также работают «космические турбогенераторы» с самовозбуждением.
Интерес к магнитным полям небесных тел чрезвычайно большой.
Именно они управляют движением заряженных частиц, пересекающих огромные просторы Вселенной.
За пределами земной атмосферы, в магнитных полях далеких туманностей, приобретают колоссальные скорости ядра легких атомов — водорода, гелия, лития и др. Происхождение космических лучей связано именно с этими частицами.
Вот почему в контейнере ракеты, посланной на Луну в 1959 г., и на борту третьего спутника, запущенного в 1958 г., были установлены сверхчувствительные магнитометры. Они могли измерять магнитные поля на громадных расстояниях от Земли.
Магнитометры работали в полете и передавали сведения при помощи телеметрической аппаратуры.
Так, например, было обнаружено, что Луна не намагничена.
Ученым еще не удалось полностью разгадать истинную причину магнетизма Земли и других небесных тел.
Но можно с уверенностью сказать, что сейчас наука близко подошла к решению этой трудной задачи.
