По мере увеличения размеров судов и удаления их от берега возникла необходимость определения курса движения судна. В этом первым мореплавателям помог земной магнетизм. Было замечено, что некоторые металлические предметы, если их ничто не держит, всегда поворачиваются в одну сторону. Как вы уже знаете из уроков физики, это магнит.

Более двух тысяч лет назад в Китае был изготовлен первый компас, представляющий собой отшлифованную поверхность с отметками сторон света и стрелкой, изготовленной из магнитного материала, в виде ложки, указывающей своей ручкой на север. Прошли сотни лет, прежде чем компас приобрел известный нам вид. Направление, на которое указывает синяя стрелка современного компаса, называется магнитный север.

По мере накопления опыта использования компаса стало понятно, что магнитное поле неоднородно. Более того, оно постепенно меняется, что необходимо учитывать в процессе управления движением судна.

В настоящее время все современные суда имеют на борту морской компас. Интересная деталь: моряки, в отличие от сухопутных специалистов, делают ударение на последний слог – компас. По тому, как произносится это слово, всегда можно безошибочно определить моряка.

На уроках физики и географии вам рассказывали о том, что силовые линии магнитного поля выходят из одного полюса Земли и входят в другой. Таким образом, определение магнитного полюса Земли напрашивается само собой. Это условная точка на земной поверхности, в которой силовые линии магнитного поля Земли направлены под углом 90° к поверхности.

Магнитный компас, находясь на полюсе, работать не будет. Стрелка не будет реагировать на изменение положения компаса и может повернуться в любую сторону. Если бы она не была закреплена иглой, то показывала бы строго вниз. Это единственное верное положение стрелки компаса на магнитном полюсе.

Еще одна интересная деталь. Как вы знаете из уроков физики, в магнитном поле притягиваются противоположные полюса. Одновременно вы своими глазами видите, что на географический север показывает также северная стрелка компаса. Но ведь «север» не может притягиваться к «северу»? Давайте вместе подумаем, почему так происходит? Ответ очень простой. Рядом с географическим Северным полюсом Земли находится Южный магнитный полюс. Именно поэтому северная стрелка компаса показывает на север. Она притягивается к Южному магнитному полюсу (рис. 13.1 [40]).

Рис. 13.1. Взаимное расположение географических и магнитных полюсов Земли.

А Северный магнитный полюс Земли фактически находится в Южном полушарии, к нему притягивается и на него показывает южная стрелка компаса.

Люди, которые по роду своей деятельности не сталкиваются с магнитным полем, не знают об этой особенности. Поэтому в популярной литературе периодически встречаются описания, где Северный магнитный полюс обозначается рядом с Северным географическим полюсом. Ошибкой это не считается. Но в литературе, предназначенной для специалистов, таких неточностей никогда не бывает. Давайте и мы в этой книге будем придерживаться правильного обозначения магнитных полюсов.

Помня об этой особенности, вы всегда сможете отличить популярную литературу от специальной литературы и объяснить своим знакомым правильный порядок изображения магнитных полюсов (рис. 13.2 [40]).

Рис. 13.2. Варианты изображения магнитных полюсов Земли.

Постепенно, по мере накопления опыта использования компаса для определения курса судна, стало понятно, что он не совсем точно показывает направление на север. При этом ошибка тем больше, чем ближе судно к полюсу. Так было установлено, что магнитный полюс и географический полюс не совпадают между собой. Рассматривая рисунки, вы уже обратили внимание, что географические и магнитные полюса находятся в разных точках. Это действительно так. Разница между направлением на магнитный полюс и направлением на географический полюс называется магнитным склонением, которое в обязательном порядке учитывается при определении истинного курса судна.

Определяя магнитное склонение, мореплаватели обратили внимание, что оно меняется с течением времени. Так было установлено, что магнитные полюса постепенно перемещаются. Специалисты начали периодически определять их местоположение. Подобные вычисления продолжаются и сейчас. Определены пути перемещения магнитных полюсов начиная с XVII в. (рис. 13.3 [40]).

Рис. 13.3. Перемещение магнитных полюсов Земли.

Местоположение Южного магнитного полюса, расположенного в Северном Ледовитом океане (С Л О), определяют достаточно часто, примерно один раз в 5—10 лет (рис. 13.4 [40]).

Рис. 13.4. Изменение местоположения Южного магнитного полюса в Северном Ледовитом океане.

Установлено, что на протяжении более чем 100 лет он дрейфует от Канады в сторону Сибири. Скорость дрейфа не является постоянной и колеблется от 10 до 60 километров в год. В последние годы она составляла более 50 километров в год. Если ничего не изменится, то к середине XXI в. магнитный полюс достигнет побережья России. Когда произойдет очередная смена магнитных полюсов Земли, неизвестно. Гидрографы принимают самое активное участие в отслеживании этого процесса.

Местоположение Северного магнитного полюса, находящегося в районе Антарктиды, определяют значительно реже, примерно один раз в 20–30 лет. Последний раз точные координаты были определены в 2020 г. во время кругосветной экспедиции Российского океанографического исследовательского судна «Адмирал Владимирский», посвященной 200-летию открытия Антарктиды русскими мореплавателями Фаддеем Беллинсгаузеным и Михаилом Лазаревым на шлюпах «Восток» и «Мирный» в январе 1820 г.

Для учета изменения магнитного склонения в процессе судовождения на каждой навигационной карте размещена картушка, используемая для прокладки курса движения судна, определенного по магнитному компасу. В наименовании карты помимо ее названия, года выпуска и других пояснительных надписей в обязательном порядке указываются направление и скорость изменения магнитного поля (рис. 13.5).

Рис. 13.5. Картушка на морской карте и обязательная надпись, указывающая изменение магнитного поля.

Помимо обеспечения судовождения магнитное поле используется и в других видах хозяйственной деятельности на море. По изменению магнитного поля ищут залежи полезных ископаемых, определяют состав объектов, находящихся на дне и в толще грунта.

Рассмотрев общие положения по состоянию магнитного поля Земли, давайте рассмотрим, как его изучают на морских акваториях.

Измеряемым параметром (характеристикой) магнитного поля является магнитная индукция. Это физическая величина, характеризующая воздействие магнитного поля на движущиеся заряженные частицы или на немагнитные тела. Единицей измерения магнитной индукции является тесла (Тл), названная в честь сербско-американского ученого Николы Теслы. В практике выполнения гидрографических работ используется более мелкая единица измерения – нанотесла (нТл); 1нТл – 10^-9 Тл.

Для измерения параметров магнитного поля акваторий используют специальные приборы – морские магнитометры (рис. 13.6 [41]). Применяются морские магнитометры и в военном деле, например, для поиска мин или подводных лодок противника.

Рис. 13.6. Морской магнитометр.

Чувствительный элемент, реагирующий на изменения магнитного поля, располагается внутри буксируемого тела. Датчики фиксируют эти изменения и передают на борт судна. В зависимости от вида чувствительного элемента магнитометры различаются по принципу действия. Среди них:

– магнитостатические магнитометры: магнит, расположенный на упругой подвеске, разворачивается под воздействием магнитного поля;

– индукционные магнитометры: фиксируется электромагнитная индукция, возникающая в измерительной катушке;

– квантовые магнитометры: датчик реагирует на магнитный момент электронов, которые двигаются под действием магнитного поля;

– гальваномагнитные магнитометры: фиксируется искривление траекторий заряженных частиц в магнитном поле (эффект Холла).

Указанные приборы различаются по точности, измерительному диапазону, сложности изготовления, надежности, стоимости. Каждый из них имеет свои положительные и отрицательные стороны.

Сейчас углубляться в разбор принципов действия этих приборов мы не будем. Если вы решите после окончания школы получить специальность гидрографа, то будете подробно их изучать на лекциях по геофизике. Это увлекательное занятие у вас еще впереди.

Вернемся к процессу выполнения морской магнитной съемки.

На судно, буксирующее морской магнитометр, с чувствительного элемента поступают сигналы, имеющие различную величину и направление. Сигналы отображаются на экране магнитометра (рис. 13.7 [2]).

По окончании работ материалы, полученные на разных галсах, обобщаются. После обобщения материалов, их проверки и устранения грубых ошибок получают общую картину магнитного поля акватории (рис. 13.8 [2]).

К большому сожалению, морской магнитометр так же, как и однолучевой эхолот, измеряющий глубину, как и акустический профилограф, получающий разрез грунта морского дна, проводит измерения только на галсе – по одной линии, по которой движется судно. Промежутки между галсами остаются необследованными. Значения между ними рассчитывают методом осреднения данных, полученных на соседних галсах.

Рис. 13.7. Изменение магнитного поля, зафиксированное морским магнитометром на трех соседних галсах.

Рис. 13.8. Обобщенные материалы магнитной съемки акватории.

После осреднения и выброса некачественных материалов строится итоговая магнитная карта акватории. Изолинии, указывающие равные значения магнитного поля, имеют название изогоны (рис. 13.9 [2]).

Рис. 13.9. Фрагмент магнитной карты акватории, полученный по материалам магнитной съемки.

В процессе изучения материалов магнитной съемки дополнительно проверяются все места, в которых зафиксированы резкие изменения магнитного поля.

По площади акватории, в которой зафиксировано изменение магнитного поля, можно косвенно судить о размере подводного магнитного объекта. Как правило, в этих местах обнаруживают затопленные металлические объекты, в некоторых случаях очень и очень опасные (рис. 13.10, 13.11 [2, 28]).

Рис. 13.10. Взрывоопасные предметы, обнаруженные магнитометром и поднятые на поверхность для последующего уничтожения.

Рис. 13.11. Магнитная аномалия большого размера.

Объединив морские магнитные карты и сухопутные магнитные карты, получают общую магнитную карту Земли. При этом необходимо помнить, что магнитное поле непостоянно, подвержено изменениям, и любая магнитная карта соответствует только одному конкретному году или, как говорят специалисты-гидрографы, карта составлена на эпоху конкретного года (рис. 13.12 [36]).

При внимательном рассмотрении рис. 13.12 видно месторасположение Северного магнитного полюса, находящегося рядом с Антарктидой, и Южного магнитного полюса, находящегося рядом с Канадой.

Рис. 13.12. Карта изогон магнитного поля Земли на эпоху 2005 года.

Анализ магнитных карт Земли разных эпох, а также материалов наблюдения за магнитными полюсами выявил несколько интересных фактов.

1. Магнитное поле Земли несимметрично. Северный и Южный магнитные полюса не являются противоположными. Прямая линия, проведенная от одного магнитного полюса к другому, не будет проходить через геометрический центр Земли. Центр линии, соединяющей магнитные полюса (центр магнитного диполя Земли), расположен на расстоянии около 400 километров от центра линии, соединяющей полюса вращения (от геометрического центра Земли).

2. Угол между направлениями на магнитный и географический полюса, измеренный из центра Земли, постоянно меняется из-за перемещения магнитного полюса. Среднее значение составляет около 10°.

3. Помимо постоянного дрейфа магнитные полюса подвержены суточным колебаниям. Магнитный полюс ежедневно описывает эллипс с отклонением до 80 километров от своего среднего положения. Ежедневное движение обусловлено воздействием на магнитное поле Земли заряженными частицами, идущими от Солнца.

4. За время существования Земли ориентация магнитного поля Земли менялась много раз. Магнитный север становился магнитным югом и наоборот. Называется этот процесс геомагнитная инверсия.