История геомагнетизма связана с историей изучения магнитного поля Земли . Она охватывает историю навигации с использованием компасов , исследования доисторического магнитного поля (археомагнетизм и палеомагнетизм ), а также приложения к тектонике плит .
Магнетизм был известен с доисторических времен, но знания о поле Земли развивались медленно. Горизонтальное направление поля Земли было впервые измерено в четвертом веке до нашей эры, но вертикальное направление не было измерено до 1544 года нашей эры, а интенсивность была впервые измерена в 1791 году. Сначала считалось, что компасы указывают на определенные места на небесах, затем на магнитные горы. Современный экспериментальный подход к пониманию поля Земли начался с книги de Magnete , опубликованной Уильямом Гилбертом в 1600 году. Его эксперименты с магнитной моделью Земли убедили его, что сама Земля является большим магнитом.
Знание о существовании магнетизма, вероятно, восходит к доисторическому развитию выплавки железа . Железо можно получить на поверхности Земли из метеоритов ; минеральный магнит богат магнитным минералом магнетитом и может быть намагничен ударом молнии. В своей «Естественной истории » Плиний Старший рассказывает легенду о пастухе Магнесе с острова Крит, чьи сапоги с железными заклепками постоянно прилипали к тропе. Самые ранние идеи о природе магнетизма приписываются Фалесу ( ок. 624 г. до н. э. – ок. 546 г. до н. э.). [1] [2]
В классической античности мало что было известно о природе магнетизма. Ни в одном источнике не упоминается о двух полюсах магнита или его тенденции указывать на север. Существовало две основные теории о происхождении магнетизма. Одна, предложенная Эмпедоклом Акрагантским и подхваченная Платоном и Плутархом , предполагала невидимое испарение, просачивающееся через поры материалов; Демокрит Абдерский заменил это испарение атомами, но механизм был по сути тем же самым. Другая теория вызывала метафизический принцип симпатии между подобными объектами. Это было опосредовано целенаправленной жизненной силой, которая стремилась к совершенству. Эту теорию можно найти в трудах Плиния Старшего и Аристотеля , которые утверждали, что Фалес приписывал душу магниту. [2] В Китае считалось, что похожая жизненная сила, или ци , оживляет магниты, поэтому китайцы использовали ранние компасы для фэн-шуй . [3]
Некоторые классические идеи сохранялись до тех пор, пока не появились первые научные эксперименты по магнетизму. Одно из убеждений, восходящее к Плинию, состояло в том, что пары от употребления чеснока и лука могут разрушить магнетизм компаса, сделав его бесполезным. Даже после того, как Уильям Гилберт опроверг это в 1600 году, были сообщения о том, что рулевых на британских кораблях пороли за употребление чеснока. [4] Однако это убеждение было далеко не всеобщим. В 1558 году Джамбаттиста делла Порта сообщал: «Когда я спрашивал моряков, действительно ли им запрещено есть лук и чеснок по этой причине, они отвечали, что это бабьи басни и нелепые вещи, и что моряки скорее расстанутся с жизнью, чем откажутся от употребления лука и чеснока». [5]
В заданном месте для полного представления магнитного поля Земли требуется вектор с тремя координатами (см. рисунок). Они могут быть декартовыми (север, восток и вниз) или сферическими ( склонение , наклонение и интенсивность). В последней системе склонение (отклонение от истинного севера , горизонтальный угол) должно быть измерено первым, чтобы установить направление магнитного севера; затем падение (вертикальный угол) может быть измерено относительно магнитного севера. [6] В Китае горизонтальное направление измерялось еще в четвертом веке до нашей эры, а существование склонения впервые было признано в 1088 году. В Европе это не было широко принято до середины пятнадцатого века нашей эры. Наклонение (также известное как магнитное наклонение ) было впервые измерено в 1544 году нашей эры. Интенсивность не измерялась до 1791 года, после достижений в понимании электромагнетизма .
Магнитный компас существовал в Китае еще в четвертом веке до нашей эры. Он использовался как для фэн-шуй, так и для навигации на суше. Только когда удалось выковать хорошие стальные иглы, компасы стали использоваться для навигации на море; до этого они не могли долго сохранять свой магнетизм . Существование магнитного склонения, разницы между магнитным севером и истинным севером, впервые было обнаружено Шэнь Куо в 1088 году. [3]
Первое упоминание о компасе в Европе относится к 1190 году нашей эры и принадлежит Александру Некаму . Он описал его как обычное навигационное средство для моряков, поэтому компас, должно быть, появился в Европе некоторое время назад. Пришли ли эти знания из Китая в Европу или были изобретены отдельно, неясно. Если знания были переданы, наиболее вероятным посредником были арабские купцы, но арабская литература не упоминает компас до Некама. Существует также разница в соглашениях: китайские компасы указывают на юг, а европейские — на север. [1]
В 1269 году Пьер де Марикур (обычно называемый Петрус Перегринус ) написал письмо другу, в котором он описал два вида компаса, один из которых представлял собой овальный магнит, плавающий в чаше с водой, и первый сухой компас со стрелкой, установленной на оси. Он также был первым, кто написал об экспериментах с магнетизмом и описал законы притяжения. Примером может служить эксперимент, в котором магнит разбивается на две части, и эти две части могут притягиваться и отталкиваться друг от друга (говоря современным языком, у них обоих есть северный и южный полюса). [7] Это письмо, обычно называемое Epistola de Magnete , стало важной вехой в истории науки. [1] [2]
Петр Перегрин предположил, что компасы указывают на истинный север. Хотя его современник Роджер Бэкон , как известно, заметил, что компасы отклоняются от истинного севера, идея магнитного склонения была принята лишь постепенно. Сначала считалось, что склонение должно быть результатом систематической ошибки. Однако к середине пятнадцатого века солнечные часы в Германии были ориентированы с использованием поправок на склонение. [8]
Компас должен быть сбалансирован, чтобы противостоять тенденции стрелки наклоняться в направлении поля Земли. В противном случае он не будет свободно вращаться. Часто компасы, сбалансированные для одной широты, не работают так же хорошо на другой широте. Впервые об этой проблеме сообщил Георг Гартман , викарий в Нюрнберге, в 1544 году. Английский мореплаватель Роберт Норман был первым, кто понял, что это происходит из-за того, что само поле Земли наклонено от вертикали. В своей книге «Новое привлекательное » [9] Норман назвал наклон «новым открытым секретом и тонким свойством, касающимся падения стрелки». Он создал компас, в котором стрелка плавала в кубке с водой, прикрепленной к пробке, чтобы сделать ее нейтрально плавучей. Стрелка могла ориентироваться в любом направлении, поэтому она наклонялась, чтобы выровняться с полем Земли. Норман также создал круг наклона , стрелку компаса, вращающуюся вокруг горизонтальной оси, для измерения эффекта. [4] [8]
В ранних попытках понять магнитное поле Земли его измерение было лишь частью проблемы. Понимание измерений также было сложным, поскольку математические и физические концепции еще не были разработаны – в частности, концепция векторного поля , которая связывает вектор с каждой точкой в пространстве. Поле Земли обычно представлено линиями поля , которые идут от полюса к полюсу; поле в любой точке параллельно линии поля, но не обязательно указывает на какой-либо полюс. Однако еще в восемнадцатом веке натурфилософ считал , что магнит должен быть направлен прямо на что-то. Таким образом, магнитное поле Земли приходилось объяснять локализованными источниками, и по мере того, как узнавалось больше о поле Земли, эти источники становились все более сложными. [2]
Сначала и в Китае, и в Европе предполагалось, что источник находится на небесах – либо на небесных полюсах , либо на Полярной звезде . Эти теории требовали, чтобы магниты указывали на (или очень близко к) истинному северу , поэтому они столкнулись с трудностями, когда существование склонения было принято. Затем натурфилософы начали предлагать земные источники, такие как скала или гора. [2]
Легенды о магнитных горах восходят к классической эпохе. Птолемей рассказал легенду о магнитных островах (сейчас считается, что они находятся недалеко от Борнео ), которые оказывали такое сильное притяжение на корабли с гвоздями, что корабли удерживались на месте и не могли двигаться. Еще более драматичной была арабская легенда (рассказанная в «Тысяче и одной ночи ») о том, что магнитная гора могла вытащить все гвозди из корабля, в результате чего корабль развалился и пошел ко дну. Эта история перешла в Европу и стала частью нескольких эпических сказаний. [1] [2]
Европейцы начали размещать магнитные горы на своих картах в шестнадцатом веке. Ярким примером является Герард Меркатор , чьи знаменитые карты включали одну или две магнитные горы около Северного полюса. Сначала он просто размещал гору в произвольном месте; но позже он попытался измерить ее местоположение на основе склонений из разных мест в Европе. Когда последующие измерения привели к двум противоречивым оценкам для горы, он просто разместил две горы на карте. [2] [8]
Magnus magnes ipse est globus terrestris. (Сама Земля — великий магнит.)
- Уильям Гилберт, Де Магнете
1600 год был знаменательным для Уильяма Гилберта . Он стал президентом Королевского колледжа врачей Лондона , был назначен личным врачом королевы Елизаветы I и написал De Magnete , одну из книг, знаменующих начало современной науки. De Magnete наиболее известен тем, что представил (или, по крайней мере, популяризировал) экспериментальный подход к науке и сделал вывод, что Земля — великий магнит. [10]
Книга Гилберта разделена на шесть глав. Первая — введение, в котором он обсуждает важность эксперимента и различные факты о Земле, включая незначительность рельефа поверхности по сравнению с радиусом Земли . Он также объявляет о своем выводе, что Земля — большой магнит. Во второй книге Гилберт рассматривает «соитие» или законы притяжения. Гилберт различает магнетизм и статическое электричество (последнее вызывается трением янтаря ) и сообщает о многих экспериментах с обоими (некоторые из них восходят к Перегринусу). Один из них заключается в том, чтобы разбить магнит на две части и показать, что обе части имеют северный и южный полюса. [7] Он также отвергает идею вечного движения . Третья книга содержит общее описание магнитных направлений вместе с подробностями о том, как намагнитить иглу. Он также представляет свою тереллу , или «маленькую Землю». Это намагниченная сфера, которую он использует для моделирования магнитных свойств Земли. В главах 4 и 5 он более подробно рассматривает два компонента направления: склонение и наклон. [11] [12]
В конце 1590-х годов Генри Бриггс , профессор геометрии в колледже Грешема в Лондоне, опубликовал таблицу магнитного наклонения с широтой для Земли. Она хорошо согласовывалась с наклонениями, которые Гилберт измерил по окружности своей терреллы . Гилберт пришел к выводу, что магнитное поле Земли эквивалентно магнитному полю однородно намагниченной сферы, намагниченной параллельно оси вращения (в современных терминах, геоцентрическому осевому диполю ). Однако он знал, что склонения не согласуются с этой моделью. Основываясь на склонениях, известных в то время, он предположил, что континенты из-за своего приподнятого рельефа образуют центры притяжения, которые заставляют отклоняться стрелки компаса. Он даже продемонстрировал этот эффект, выдолбив некоторую топографию на своей террелле и измерив эффект на склонениях. Монах - иезуит Никколо Кабео позже взял лист из книги Гилберта и показал, что если бы топография была в правильном масштабе для Земли, то разница между максимумами и минимумами составляла бы всего около одной десятой миллиметра. Поэтому континенты не могли бы заметно повлиять на склонение. [11] [12]
Шестая книга de Magnete была посвящена космологии . Он отверг преобладающую модель Птолемея вселенной, в которой планеты и звезды организованы в ряд концентрических оболочек, вращающихся вокруг Земли, на том основании, что вовлеченные скорости были бы абсурдно большими («не может быть суточного движения бесконечности»). [12] Вместо этого Земля вращалась вокруг своей собственной оси. Вместо концентрических оболочек он предположил, что небесные тела взаимодействовали друг с другом и с Землей посредством магнитных сил. Магнетизм поддерживал положение Земли и заставлял ее вращаться, в то время как магнитное притяжение Луны вызывало приливы . Некоторые неясные рассуждения привели к странному выводу, что терелла, если ее свободно подвешивать, будет ориентироваться в том же направлении, что и Земля, и ежедневно вращаться. И Кеплер , и Галилей приняли идею Гильберта о магнитном притяжении между небесными телами, но закон всемирного тяготения Ньютона сделал бы ее устаревшей. [11]
Около 1603 года француз Гийом ле Наутанье (Вильгельм Мореплаватель), [13] сьер де Кастельфранк , опубликовал конкурирующую теорию поля Земли в своей книге Mecometrie de l'eymant (Измерение долготы с помощью магнита) . Ле Наутанье был математиком, астрономом и королевским географом при дворе Генриха IV . Он не согласился с предположением Жильбера о том, что Земля должна быть намагничена параллельно оси вращения, и вместо этого создал модель, в которой магнитный момент был наклонен на 22,5° — по сути, первую модель наклонного диполя. Последние 196 страниц его книги были заняты таблицами широт и долгот со склонением и наклонением для использования мореплавателями. Если бы его модель была точной, ее можно было бы использовать для определения как широты, так и долготы, используя комбинацию магнитного склонения и астрономических наблюдений. [2] [7] [12]
Ле Нотонье пытался продать свою модель Генриху IV, а его сына — английскому лидеру Оливеру Кромвелю , но оба безуспешно. Она была широко раскритикована, и Дидье Дуно пришел к выводу, что работа была основана на «необоснованных предположениях, ошибках в расчетах и манипулировании данными». Однако геофизик Жан-Поль Пуарье изучил работы как Ле Нотонье, так и Дуно и обнаружил, что ошибка была в рассуждениях Дуно. [7]
Одним из выводов Гилберта было то, что поле Земли не может меняться со временем. Это вскоре было доказано серией измерений в Лондоне. В 1580 году Уильям Боро измерил склонение и обнаружил, что оно равно 11 1⁄4 ° NE. В 1622 году Эдмунд Гюнтер обнаружил, что оно равно 5° 56 ' NE. Он отметил разницу с результатом Боро, но пришел к выводу, что Боро, должно быть, допустил ошибку в измерениях. В 1633 году Генри Геллибранд измерил склонение в том же месте и обнаружил, что оно равно 4° 05' NE. Благодаря тщательности, с которой Гюнтер проводил свои измерения, Геллибранд был уверен, что изменения были реальными. В 1635 году он опубликовал «Математическое рассуждение об изменении магнитной иглы», в котором утверждал, что склонение изменилось более чем на 7° за 54 года. Реальность геомагнитных вековых вариаций была быстро принята в Англии, где Геллибранд имел высокую репутацию, но в других странах к ней относились скептически, пока она не была подтверждена дальнейшими измерениями. [2] [14]
Наблюдения Геллибранда вдохновили на обширные усилия по определению природы вариации — глобальной или локальной, предсказуемой или беспорядочной. Они также вдохновили на создание новых моделей происхождения поля. Генри Бонд-старший получил известность, успешно предсказав в 1639 году, что склонение будет равно нулю в Лондоне в 1657 году. Его модель, которая включала прецессирующий диполь, подверглась резкой критике со стороны королевской комиссии, но ее продолжали публиковать в руководствах по навигации в течение десятилетий. Динамические модели, включающие несколько полюсов, были также предложены Питером Перкинсом (1680) и Эдмондом Галлеем (1683, 1692) и другими. В модели Галлея Земля состояла из концентрических сфер. Два магнитных полюса находились на фиксированной внешней сфере, а еще два — на внутренней сфере, которая вращалась на запад, вызывая «дрейф на запад». Галлей был настолько горд этой теорией, что его портрет в возрасте восьмидесяти лет включал ее схему (справа вверху). [15]
._HM_46._PORTOLAN_ATLAS_and_NAUTICAL_ALMANAC._France,_1543.C.jpg/1280px-Guillaume_Brouscon._World_chart,_which_includes_America_and_a_large_Terra_Java_(Australia)._HM_46._PORTOLAN_ATLAS_and_NAUTICAL_ALMANAC._France,_1543.C.jpg)
Ранние мореплаватели использовали карты-портоланы для навигации. Эти карты показывали береговую линию с линиями розы ветров, соединяющими порты. Моряк мог ориентироваться, совмещая карту с компасом и следуя направлению компаса. Ранние карты искажали береговые линии, потому что картографы не знали о склонении, но карты все еще работали, потому что мореплаватели плыли по прямым линиям. [8]
Точное определение долготы было необходимо для определения правильного « магнитного склонения », то есть разницы между указанным магнитным севером и истинным севером, которая может отличаться до 10 градусов в важных торговых широтах Атлантического и Индийского океанов.
Магнитный Северный полюс отличается от географического Северного полюса (оси вращения Земли), магнитного севера , который является направлением на север, указанным с помощью компаса, и теоретического геомагнитного полюса .
Поиски магнитного северного полюса начались в 1818 году с британской экспедиции, исследующей Северо-Западный проход . В 1831 году Джеймс Кларк Росс с судна Victory впервые обнаружил магнитный Северный полюс Земли на западном побережье полуострова Бутия ( Арктический архипелаг ). В 1842 году антарктическая экспедиция Росса определила положение Южного магнитного полюса , который официально не был обнаружен до двадцатого века.
С тех пор Северный магнитный полюс мигрировал в северо-северо-западном направлении, в сторону Сибири , и с 2017 года находится на несколько сотен километров в глубь Северного Ледовитого океана . Из-за жидкостного движения ядра Земли фактические магнитные полюса постоянно движутся (вековые вариации). Полюса также ежедневно колеблются в овале диаметром около 80 км (50 миль) из-за солнечного ветра, отклоняющего магнитное поле. Положение Северного магнитного полюса пересматривается каждые пять лет Британской геологической службой (BGS) и Национальным управлением океанических и атмосферных исследований США (NOAA), которые отвечают за Мировую магнитную модель (WMM).
Магнитная съемка (1698-1700) британцами дала возможность Эдмунду Галлею создать магнитную карту мира 1702 года . [16] Первые магнитные обсерватории были основаны в Мюнхене [17] (1819) и Берлине (1827). [18] Наблюдаемые изменения в направлении, силе и падении магнитного поля привели к заключению Александра фон Гумбольдта , Карла Фридриха Гаусса и Эдварда Сабина , что магнитное поле Земли должно систематически исследоваться и контролироваться во всем мире, чтобы, возможно, выявить важные геофизические аспекты планеты. Это привело к созданию большего количества магнитных обсерваторий и кампаний в Германии (Гумбольдтовская магнитная ассоциация/Humboldtsche Magnetische Verein [19] (1829–1834), Гёттингенский магнитный союз/Göttingen Magnetischer Verein [20] (1836-41)), Великобритании (Магнитная служба Британских островов (1833), Британская империя, Ост-Индская компания) [21] [22] [23] и России [24] (1841-1862). С общим числом 53 станций по всему миру земной магнетизм стал одной из самых производительных геонаук той эпохи.
За этим последовали глобальные кампании по геомагнетизму во время Первого международного полярного года (1882–1883), Второго международного полярного года (1932–1933), Международного геофизического года (1957–1958), Международного года спокойного Солнца (1964–1965), Международного года активного Солнца (1969–1971), Международного исследования магнитосферы (1976–1979) и Четвертого международного полярного года (2007–2008).