Наука и механика, Июнь 1935
"Верно, как и то, что стрелка компаса направлена на полюс" - поётся в старой песни, это означает, что моряк может доверять компасу, стрелка которого указывает на истинный север. Но когда Христофор Колумб совершил свой знаменитый первый рейс, он узнал, что в различных частях мира компас не указывает в одном и том же направлении. В Европе компас указывал на север, а в Америке он указывал другое направление. В наше время стрелка компаса указывает на север в Америке, но не в Европе. Кроме того, существуют некоторые места, в которых стрелка компаса так же указывает неверное направление.
Верно также и то, что компас не всегда указывают в одном и том же направлении даже в том же самом месте, время от времени в течении дня оно немного меняется. И сила магнитного поля Земли притягивает стрелку компаса сильнее то в одно, то в другое время. Короче говоря, Земля является постоянным магнитом, но параметры и положение которого время от времени слегка изменяются.
Земля имеет два магнитных полюса, но они находятся не совсем точно друг напротив друга. Один из них находится на севере Соединённых Штатов, на берегах Ледовитого океана, а другой находится в Антарктиде. Эти полюса медленно перемещаются, со временем они поменяются местами. Но если бы стрелку компаса притягивал огромный кусок железа в Земле на глубине пару тысяч километров, то можно было бы ожидать, что магнитное поле было бы достаточно однородным.
В настоящее время учёные обращают своё внимание на космическое пространство над нами и его влияние на стрелку компаса. Мы знаем, что, солнечная активность влияет на радиоволны, что в ионосфере протекают электрические токи, вызванные солнечным ветром - электрическими частицами, летящими от Солнца. Эти токи, порождающие магнитное поле и отклоняют стрелку компаса. Электрические волны, постоянно идущие по всему Земному шару, сильнее около трёх часов дня и они перемещаются по всей планете, находясь между наблюдателем и Солнцем. Однако мы не можем использовать токи, протекающие в ионосфере для своих целей, хотя если бы это удалось, то они обеспечили бы всю нашу потребность в необходимой электроэнергии.
Приспособление, которое внешне похоже на обычные часы. Однако есть одна особенность. Стрелка компаса всегда показывает на север. Почему? Ответ найдете в статье.
Притяжение - отталкивание
Все компасы - это устройства с магнитом. Работают они по принципу притяжения магнитных полюсов. Легкая стрелка компаса - магнит. Наша Земля - это тоже магнит, только очень большой и не очень сильный с максимальными показателями магнитного поля на полюсах - Северном и Южном. Как известно, противоположные магнитные полюса притягиваются друг к другу. При этом одинаковые, наоборот, отталкиваются. Вот почему стрелка компаса всегда показывает на север. Кратко это можно описать так: намагниченная игла притягивается к Северному магнитному полюсу планеты.
А если точнее
Есть такое понятие - магнитное склонение. Что это такое? Это угол, который образуется между осью вращения планеты и ее магнитной осью. Ведь они не совпадают. Почему стрелка компаса всегда показывает на север? Краткий ответ сложно дать, так как сам вопрос не совсем корректен. Правильно сказать, что стрелка показывает на точку, находящуюся севернее полюса, а именно на остров Соммерсет, что находится в Арктическом архипелаге Канады. И от него до Северного полюса 2100 км.
Первый компас
Он выглядел как ковш с черенком, расположенный на медной пластинке, чтоб узнать стороны света, надо было вращать ковш, и в момент его остановки черенок указывал на юг. Это чудо изобрели в Древнем Китае. И ковш был выбран не случайно. Ведь он был скопирован с «Небесного Ковша». Именно так называли китайцы созвездие Большой Медведицы. Но тогда люди еще не знали, почему стрелка компаса всегда показывает на север. Прошло несколько столетий, и в 1600 году Гильберт Уильям, английский физик и исследователь, написал книгу о магнитах, магнитных телах и о большом магните - Земле. Именно ему принадлежит первенство в аргументированном разъяснении того, почему стрелка компаса всегда показывает на север.
Погрешности
Но бывает, что стрелка компаса не всегда показывает на север. Почему? Причин может быть несколько:
Нулевой показатель
Ученые доказали, что каждые два тысячелетия наша планета теряет магнитное поле. Каждые 10 лет поле Земли становится слабее на 0,5 %. Когда его не станет, произойдет переполюсовка планеты и магнитное поле снова будет расти, а полюса поменяются местами. Изучая лавовые отложения, доказано, что это уже происходило с нашей планетой неоднократно.
Компас в домашних условиях
Сделать его очень просто. Для этого нужна игла, магнит, чашка с водой и масло. Иголку надо положить на пару дней вблизи магнита. Затем смазать ее маслом и осторожно опустить на воду в чашке. Намагниченная игла в масле не утонет и развернется, указывая на стороны света.
Биокомпас
Оказалось, что у перелетных птиц есть свой компас. Возле глаз у них находится маленькое поле чувствительных клеток, в которых находится магнетит - вещество способное намагничиваться. Именно этот «компас» не дает перелетным птицам сбиться со своего пути.
GPS - компас
С развитием технологий спутниковой связи обычный компас отходит в прошлое. Сегодня, когда покрытие спутников связи практически не оставило на планете неохваченных участков, люди переходят на спутниковые технологии навигации. Никто не удивляется навигатору в автомобиле и телефоне. К тому же корабли и самолеты давно используют для ориентировки спутниковые системы.
Компас — это прибор который определяет стороны света с намагниченной стрелкой, всегда указывает на север. С помощью компаса человек может ориентироваться на местности и определять направление.
Еще в древнем Китае люди пользовались примитивным компасом. Древний китайский компас назывался сыпануть, что в переводе означает «ведающий югом». Это чудо-техники того времени выглядело как ковш с тонким черенком. Ковш находился на медной, хорошо отполированной пластине. На краях пластины были высечены специальные знаки, которые обозначали стороны света. Если дополнительно ковш вращать вокруг точки его соприкосновения с пластиной, то в момент остановки черенок будет указывать на юг. Форма ковша была выбрана совсем не случайно. Она была скопирована с формы созвездия Большой Медведицы, что называлось в Китае «Небесным Ковшом».
Современный компас
Современный компас намного точнее. В нем используются свойства магнита. Магнит, это сделанный из железа или других специальных материалов, предмет обладающих магнитными свойствами, имеет два полюса. Если приподнести два магнита друг к другу, то полюса, имеющие одинаковые заряды, будут отталкиваться, а полюса с противоположными зарядами притягиваться.
Стрелка компаса — это магнит, и Земля тоже является магнитом. Максимальное количество магнитных зарядов Земли находится на Северных и Южном магнитных полюсах (они не совпадают с Северным и Южным полюсами географической зоны). Стрелка компаса привлекается к противоположным магнитным зарядам полюсов Земли, и, таким образом, стрелка компаса всегда показывает на север, а другой ее конец — всегда на юг.
В наше время, имея смартфон или планшет, можно с легкостью определить свое местоположение с помощью GPS. Но не будем забывать, что ориентирование по компасу более интересное и немного захватывающее. Кроме того, работает практически в любом месте.
При использовании компаса, прежде всего, определяют основные направления: север(С), юг(Ю), восток(В), запад(З). После этого необходимо определить свое местоположение по отношению к ближайшим населенным пунктам.
У всех, кто впервые держал компас в руке, возникал вопрос:
Почему стрелка компаса направлена на север?
Вы, конечно, слышали о Северном магнитном полюсе. Именно в направлении к нему устанавливается северный конец магнитной стрелки. Известно, что земной шар представляет собой один огромный магнит с полюсами. Вокруг Земли простирается магнитное силовое поле , и магнитные силовые линии мощным пучком вырываются из одного полюса, огибают Землю и соединяются у другого (рис. 1). Эти линии называются магнитными меридианами. Таким образом, через каждую точку земной поверхности проходит магнитный меридиан, «направляя» стрелку компаса одним концом на север, другим – на юг.
Рисунок 1 — Магнитное силовое поле.
Но знания этих двух направлений недостаточно для ориентирования по компасу.
Более точно определить необходимое направление можно по азимуту. Вы, наверное, знаете, как выдерживает направление своего пути корабль в открытом море. Он идет по курсу, предварительно вычисленному по карте, с помощью компаса и, пересекая моря и океаны, точно приходит в назначенный порт. Например «курс – 90°», «курс – 220°». Таким же образом мы пользуемся компасом и на суше, употребляя вместо слова «курс» слово «азимут» (от арабского «ассумут», что означает: путь, дорога).
(магнитным) называют угол между направлением магнитного меридиана и направлением на предмет, расположенный на данной местности. Магнитные азимуты измеряют в градусах от 0 до 360° и отсчитывают от северного направления магнитной стрелки по ходу часовой. Например, азимут на отдельный дом равен 300°, на отдельное дерево – 120°, на курган – 60° (рис.2).
Рисунок 2 — Магнитный азимут.
Зная азимут своего пути, можно двигаться ночью, в туман, метель или в густом лесу и выйти к намеченной цели. Чтобы определить направление на местности по заданному азимуту, надо стать лицом к предмету. Поворотом крышки устанавливают указатель (желтый треугольник, укрепленный под стеклом против мушки) на заданный отсчет азимута. Затем открепляют стрелку и ориентируют компас, то есть совмещают северный конец его стрелки с нулевым делением градусного кольца компаса и, прицеливаясь (подобно тому, как целятся из винтовки), отмечают в направлении мушки какой-либо предмет: дерево, куст, бугорок (при этом необходимо следить, чтобы стрелка не сходила с нуля). Пока не приобретен навык, лучше класть компас на какой-нибудь столбик, пенек или работать вдвоем: один держит компас, следя за положением стрелки, другой целится через визиры и замечает направление.
Для тренировки определите, по какому азимуту от вашего дома расположены школа, магазин, кинотеатр, по каким азимутам вы идете в школу и возвращаетесь домой.
Научившись определять стороны горизонта и азимуты, очень важно уметь следовать по необходимому направлению. Отправляясь в путь, запомните первоначальное направление север – юг и постоянно следите за отклонениями от него. Например: сначала вы шли на север, а потом от дуба повернули на северо-восток, подошли к большому мшистому валуну и от него, свернув на юго-восток, пошли дальше.
«Проказы» магнитной стрелки компаса
Магнитная стрелка компаса приближенно указывает на север и юг; точнее это направление выражает полуденная линия, то есть линия направления самой короткой тени от вертикально расположенных предметов в астрономический полдень (в 14 часов летом и в 13 – зимой). Земля, вращаясь вокруг своей оси, делает один полный оборот в сутки. Осью вращения является воображаемая линия, проходящая через две противоположные друг другу точки ее пересечения с земной поверхностью, называемые полюсами.
Полюс, обращенный в сторону Полярной звезды, называется Северным географическим полюсом , а противолежащий – Южным географическим полюсом . В географических полюсах пересекаются все меридианы Земли. Следовательно, через каждую точку на земной поверхности проходит географический меридиан, направление которого показывает полуденная линия.
Угол между северным направлением географического меридиана, проходящего через данную точку, и направлением на местный предмет, называется истинным (географическим) азимутом . Величину азимута отсчитывают по ходу часовой стрелки от 0 до 360° (рис. 3).
Рис. 3 — Истинный азимут.
Магнитные полюсы Земли не совпадают с географическими. Поэтому направления географического и магнитного меридианов тоже не совмещаются, а образуют угол, который называют склонением магнитной стрелки, или магнитным склонением. Магнитное склонение не остается постоянным для каждой местности, оно медленно изменяется в пределах 3–8°. За сутки магнитная стрелка может отойти от своего среднего положения на 1°, 5, во время грозы – на 2° и более. На территории СССР магнитное склонение изменяется в пределах от +25° (на Крайнем Севере, вдоль берегов Карского моря) до –13° (Якутская АССР). В Москве оно составляет около 7°, в Киеве –4°.
Установлено, что при увеличении на Солнце пятен на Земле возникают так называемые магнитные бури , во время которых стрелка начинает неравномерно колебаться. В некоторых местах земного шара она неожиданно резко отклоняется в сторону.
Это свидетельствует о том, что в данном месте в недрах Земли находятся большие залежи магнитного железняка, притяжение которого пересиливает магнитные силовые линии постоянного магнитного поля Земли. Такое явление называется магнитной аномалией. Как видим, ориентирование по компасу в некоторых ситуациях может показать неверный маршрут.
Крупнейшая на земном шаре магнитная аномалия находится в Курской области. Здесь в ряде мест склонение магнитной стрелки меняется на 130–170° в пределах одного-двух километров! Известны также Криворожская аномальная зона, зона аномалий от Одессы на Винницу шириной от 50 до 100 км и протяженностью около 400 км; аномалии на Кольском полуострове, на Урале, Дальнем Востоке и др. Компасом в местах магнитных аномалий пользоваться, безусловно, нельзя.
На изменение величины магнитного склонения влияет и такой любопытный факт (сейчас твердо установленный), как смещение магнитных полюсов. За шесть лет (с 1948 по 1954) Северный магнитный полюс сдвинулся к северу и приблизился к географическому полюсу почти на полтораста километров. Со средней скоростью 2 м в час «дрейфует» Южный магнитный полюс по Антарктиде.
Как показали наблюдения магнитологов, общее направление движения полюса северо-западное – от Земли Виктории к Земле Адели. За последние пятьдесят лет Южный магнитный полюс переместился уже на 800 км.
По расчетам геофизиков, в ближайшие годы Южный магнитный полюс покинет Антарктиду и займет место в Индийском океане, а лет через 200 окажется на новом Континенте – на юге Африки. Это общее направление движения полюса подтверждается наблюдаемым в последнее время усилением так называемой Южноафриканской аномалии.
Есть на Земле место между магнитным полюсом северного полушария и Северным географическим полюсом, где магнитной стрелке совершенно нельзя верить, так как она под действием земного магнетизма своим северным концом показывает на юг, а южным – на север.
Ориентирование по компасу и История капитана Гаттераса
Капитан Гаттерас , герой известного романа Жюля Верна «Приключения капитана Гаттераса » (1866 год), посвятил все свои помыслы, всю свою жизнь одной мечте – достижению Северного полюса. На Северном полюсе есть только одна сторона горизонта – юг. Поэтому подойти к нему можно только с юга, оба конца магнитной стрелки будут указывать только на юг. С какой бы стороны ветер ни дул, на Северном полюсе он всегда будет южным. Итак, мысленно проследим часть пути героев Жюля Верна.
Отважный капитан Гаттерас на корабле «Форвард» далеко позади оставил воды Баффинова залива (море Баффина) и, доверясь стрелке компаса, вел корабль строго на запад. Легко лавируя среди небольших льдин в проливе Ланкастер между островами Баффинова Земля, Сомерсет и Дондас-Харбор (Девон), корабль вышел к меридиану 96° западной долготы (рис. 4). Здесь был взят курс строго на север в направлении на полюс.
Рулевой следил, за направлением северного конца магнитной стрелки компаса. Когда небо прояснилось и выглянуло Солнце, капитан корабля воспользовался этим для проверки курса и, к своему изумлению, установил, что корабль шел с ошибкой в 180° на юг к берегам полуострова Бутия.
Во время путешествия Гаттераса место, где магнитная стрелка своим северным концом показывала на юг, а южным – на север, имело координату 96° западной долготы.
Часто приходится слышать, что магнитный полюс находится близко от Северного географического полюса.
Действительно ли эти два полюса такие близкие соседи? Если бы нам сказали, например, что Симферополь находится близко от Москвы, мы приняли бы это за шутку. Ведь между ними приблизительно 1600 км. Однако расстояние между Северным географическим и Северным магнитным полюсами значительна большее. И настоящий момент оно составляет 2230 км. Мы говорим «в настоящий момент», так как положение магнитных полюсов постоянно изменяется.
В 1831 году координаты Северного магнитного полюса были: 70°05′ северной широты и 96°53′ западной долготы, а Южный магнитный полюс в 1841 году по определению Джемса Росса находился на 73° южной широты и 150° восточной долготы. По данным, полученным Амундсеном в 1903 году, Северный магнитный полюс был на 70°30′ западной долготы, то есть на полуострове Бутия в Северной Америке. В настоящее время Северный магнитный полюс находится на одном из островов Канадского Арктического архипелага – на Земле Принца Уэльского и имеет такие географические координаты: 74° северной широты и 100° западной долготы, а Южный магнитный полюс расположен на побережье Антарктиды на Берегу Короля Георга V (68° южной широты и 143° восточной долготы).