Куда покажет стрелка компаса на Северном и Южном полюсе?
Планета Земля
Компас используется для ориентирования на местности. Принцип его работы основан на взаимодействии с магнитным полем Земли, поскольку сам компас тоже является магнитом. Его стрелка может свободно вращаться. Но как будет вести себя прибор на магнитных полюсах?
Что такое магнитный полюс Земли и где он находится?
У нашей планеты есть магнитное поле (геомагнитное), возникшее около 4,2 млрд лет назад. Согласно самой распространенной версии ученых, оно создается внутриземными источниками (ядром). Это поле действует на движущиеся электрические заряды, а также тела, которые обладают магнитным моментом, невзирая на состояние их движения.
Магнитное поле выполняет важнейшую функцию. Оно защищает Землю, искусственные спутники от воздействия космических частиц, например, солнечного ветра. Под влиянием геомагнитного поля меняется направление их движения.
Южный магнитный полюс
Магнитный полюс – условная точка на поверхности Земли, где силовые линии поля расположены под прямым углом. Магнитных полюса два, как и географических – северный и южный, однако они не совпадают между собой.
На самом деле, по законам физического магнетизма, южный полюс располагается на севере, а северный на юге. Но, во избежание путаницы, ученые договорились называть их привычным способом.
Магнитные полюса не относятся к антиподам, так как магнитное поле Земли несимметричное. Они находятся в постоянном движении, а перемещение полюсов тщательно фиксируется учеными. Например, северный полюс движется по эллиптической траектории и постепенно смещается на северо-запад.
Движение северного магнитного полюса
Около 400 лет он находился в районе Арктики в Канаде. По предварительным предположениям ученых, уже в 2020 полюс должен был оказаться в России. Однако скорость его движения неоднократно менялась. Южный полюс в данное время находится на краю Антарктиды.
Как устроен компас?
В зависимости от модели прибора, он может быть оснащен одной или двумя стрелками. Стрелка компаса всегда указывает на север (или на север и юг, в таком случае северное направление обычно помечают каким-нибудь цветом). Магнитная стрелка располагается вдоль силовых линий геомагнитного поля.
Чтобы определить направление, компас располагают горизонтально. Стрелка снимается с фиксатора (он необходим для удобства использования). Согласно закону магнитных полюсов, одинаковые полюса отталкиваются, а разные – притягиваются. Поэтому компас всегда указывает одно направление.
Компас Флавио Джойя с 16 делениями (румбами)
Компас показывает на магнитный полюс Земли, а не географический. Так как они не совсем совпадают, а полюса постоянно двигаются, допускается определенная погрешность, но для ориентирования на местности она не критична.
Работает ли компас на Северном и Южном полюсе?
На магнитном полюсе компас работает неверно. Прибор рассчитан на горизонтальное использование – в таком положении стрелка располагается вдоль силовых линий и показывает направление. На магнитных полюсах силовые линии располагаются под углом 90º. Если бы стрелка корпуса не была надежно зафиксирована, то стремилась бы занять такое же вертикальное положение.
Силовые линии магнитного поля Земли
Показания стрелки в данном случае будут зависеть от особенностей конструкции компаса. Если она свободно лежит на оси, то перекосится и перестанет двигаться. Если стрелка плавает в жидкости, то займет произвольное положение.
Показания компаса на магнитных полюсах неверны, так как нарушаются условия его использования. Обычно стрелка располагается горизонтально – вдоль силовых линий геомагнитного поля. На полюсах силовые линии занимают вертикальное положение, поэтому и стрелка стремится к нему, но конструкцией компаса это не предусмотрено.
Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Этот день в истории: 1831 год — открыт Северный магнитный полюс Земли
1 июня 1831 года английский полярный исследователь Джон Росс в Канадском архипелаге, на полуострове Бутия, на мысе Аделаида открыл магнитный полюс Северного полушария Земли. Измеренное Россом магнитное наклонение в указанной точке было равно 89°59.
Северный магнитный полюс является условной точкой в северной полярной области земной поверхности, в которой магнитное поле Земли направлено строго вниз (под углом 90° к поверхности).
Расположение северного магнитного полюса не совпадает с географическим северным полюсом. Примерно с начала XVII века полюс располагается под паковыми льдами в границах нынешней канадской Арктики. Это приводит к тому, что стрелка компаса показывает на север не точно, а лишь приблизительно.
Северный магнитный полюс смещается в северном — северо-западном направлении, кроме того, в течение суток он описывает на поверхности Земли овал с размером большой оси до 85 км. Таким образом любые его координаты являются временными и неточными. Со второй половины XX века полюс довольно быстро движется в сторону Таймыра. В 2009 году скорость движения северного полюса составляла 64 километра в год.
Противоположностью северного магнитного полюса является южный магнитный полюс, который расположен в Антарктике. В связи с асимметричностью магнитного поля Земли, магнитные полюса не являются антиподальными точками.
Северный магнитный полюс был открыт 1 июня 1831 года Джоном Россом, во время его полярной экспедиции на пароходе «Виктория» (1829—1833), в ходе которой, кроме самого полюса были открыты полуостров Бутия и земля короля Вилиама.
Правда, из-за своего вечного дрейфа, к настоящему времени полюс уже не находится на территории Канады. Об этом еще в 2005 году сообщил руководитель геомагнитной лаборатории канадского министерства природных ресурсов Ларри Ньюит.
Согласно его данным северный магнитный полюс Земли, как минимум 400 лет «принадлежавший» Канаде, «покинул» эту страну. Магнитный полюс, имеющий свойство перемещаться и примерно с начала XVII века располагавшийся под паковыми льдами в границах нынешней канадской Арктики, вышел за пределы 200-мильной зоны Канады.
По некоторым прогнозам, при сохранении современного направления и темпа перемещения в 64 км в год, полюс может сместиться в сторону России и достичь побережья Таймыра к 2040—2045 гг.
Магнитные полюса Земли — путешествие во времени
«Наша всеобщая мать Земля — это большой магнит!» — сказал английский физик и врач Уильям Гильберт, живший в XVI веке. Четыреста с лишним лет назад он сделал правильный вывод о том, что Земля представляет собой шарообразный магнит и её магнитные полюса — это точки, где магнитная стрелка ориентируется вертикально. Но Гильберт ошибался, полагая, что магнитные полюса Земли совпадают с её географическими полюсами. Они не совпадают. Более того, если положения географических полюсов неизменны, то положения магнитных полюсов со временем изменяются.
1831 год: первое определение координат магнитного полюса в Северном полушарии
В первой половине XIX века были предприняты первые поиски магнитных полюсов на основе прямых измерений магнитного наклонения на местности. (Магнитное наклонение — угол, на который отклоняется стрелка компаса под действием магнитного поля Земли в вертикальной плоскости. — Ред.)
Английский мореплаватель Джон Росс (1777—1856) отплыл в мае 1829 года на небольшом пароходе «Виктория» от берегов Англии, направляясь к арктическому побережью Канады. Как и многие смельчаки до него, Росс надеялся найти северо-западный морской путь из Европы в Восточную Азию. Но в октябре 1830 года льды сковали «Викторию» у восточной оконечности полуострова, который Росс назвал Землёй Бутия (в честь спонсора экспедиции Феликса Бута).
Зажатая во льдах у побережья Земли Бутия «Виктория» вынуждена была задержаться здесь на зимовку. Помощником капитана в этой экспедиции был молодой племянник Джона Росса Джеймс Кларк Росс (1800—1862). В то время уже стало обычным делом брать с собой в подобные путешествия все необходимые инструменты для магнитных наблюдений, и Джеймс воспользовался этим. На протяжении долгих зимних месяцев он ходил по побережью Бутии с магнитометром и проводил магнитные наблюдения.
Он понимал, что магнитный полюс должен быть где-то поблизости — ведь магнитная стрелка неизменно показывала очень большие наклонения. Нанося на карту измеренные значения, Джеймс Кларк Росс вскоре понял, где следует искать эту уникальную точку с вертикальным направлением магнитного поля. Весной 1831 года он вместе с несколькими членами экипажа «Виктории» прошёл 200 км в сторону западного побережья Бутии и 1 июня 1831 года на мысе Аделаиды с координатами 70°05’ с. ш. и 96°47’ з. д. обнаружил, что магнитное наклонение составило 89°59’. Так впервые были определены координаты магнитного полюса в Северном полушарии — иначе говоря, координаты Южного магнитного полюса.
1841 год: первое определение координат магнитного полюса в Южном полушарии
В 1840 году повзрослевший Джеймс Кларк Росс отправился на судах «Эребус» и «Террор» в своё знаменитое путешествие к магнитному полюсу в Южном полушарии. 27 декабря корабли Росса впервые встретились с айсбергами и уже в новогоднюю ночь 1841 года пересекли Южный полярный круг. Очень скоро «Эребус» и «Террор» оказались перед паковыми льдами, растянувшимися от края до края горизонта. 5 января Росс принял смелое решение идти вперёд, прямо на льды, и углубиться настолько, насколько это окажется возможным. И уже через несколько часов такого штурма корабли неожиданно вышли в более свободное ото льда пространство: паковый лёд сменился разбросанными там и тут отдельными льдинами.
9 января утром Росс неожиданно для себя обнаружил впереди по курсу свободное ото льда море! Таково было его первое открытие в этом путешествии: он открыл море, которое впоследствии было названо его собственным именем, — море Росса. Справа по курсу обнаружилась гористая, покрытая снегом земля, которая вынуждала корабли Росса плыть на юг и которая, казалось, не собиралась кончаться. Плывя вдоль берега, Росс, конечно, не упускал возможности открывать самые южные земли во славу Британского королевства; так была открыта Земля Королевы Виктории. В то же время его беспокоило, что на пути к магнитному полюсу берег может стать непреодолимым препятствием.
Между тем поведение компаса становилось всё более странным. Росс, обладавший богатым опытом магнитометрических измерений, понимал, что до магнитного полюса осталось не более 800 км. Так близко к нему ещё никто не приближался. Вскоре стало ясно, что Росс опасался не зря: магнитный полюс явно находился где-то справа, а берег упорно направлял корабли всё дальше и дальше на юг.
Пока путь был открыт, Росс не сдавался. Ему было важно собрать, по крайней мере, как можно больше магнитометрических данных в разных точках побережья Земли Виктории. 28 января экспедицию ожидал самый удивительный сюрприз за всё время путешествия: на горизонте вырос огромный проснувшийся вулкан. Над ним висело тёмное облако дыма, окрашиваемого огнём, который столбом вырывался из жерла. Этому вулкану Росс дал имя Эребус, а соседнему — потухшему и несколько меньшему — дал имя Террор.
Росс попытался идти ещё дальше на юг, но очень скоро перед его глазами возникла совершенно невообразимая картина: вдоль всего горизонта, куда хватает глаз, простиралась белая полоса, которая по мере приближения к ней становилась всё выше и выше! Когда корабли подошли поближе, стало ясно, что перед ними справа и слева огромная бесконечная ледяная стена 50-метровой высоты, совершенно плоская сверху, без каких-либо трещин на обращённой к морю стороне. Это была кромка шельфового ледника, носящего ныне имя Росса.
В середине февраля 1841 года после 300-километрового плавания вдоль ледяной стены Росс принял решение прекратить дальнейшие попытки найти лазейку. С этого момента впереди оставалась лишь дорога домой.
Экспедицию Росса никак нельзя считать неудачной. Ведь ему удалось измерить магнитное наклонение в очень многих точках вокруг побережья Земли Виктории и установить тем самым положение магнитного полюса с высокой точностью. Росс указал такие координаты магнитного полюса: 75°05’ ю. ш., 154°08’ в. д. Минимальное расстояние, отделявшее корабли его экспедиции от этой точки, составляло всего 250 км. Именно измерения Росса нужно считать первым достоверным определением координат магнитного полюса в Антарктиде (Северного магнитного полюса).
Координаты магнитного полюса в Северном полушарии в 1904 году
Прошло 73 года с момента определения Джеймсом Россом координат магнитного полюса в Северном полушарии, и вот теперь поиск магнитного полюса в этом полушарии предпринял знаменитый норвежский полярный исследователь Руаль Амундсен (1872—1928). Впрочем, поиск магнитного полюса не был единственной целью экспедиции Амундсена. Главной целью было открытие северо-западного морского пути из Атлантического океана в Тихий. И он достиг этой цели — совершил в 1903—1906 годах плавание из Осло, мимо берегов Гренландии и Северной Канады до Аляски на небольшом промысловом судне «Йоа».
Впоследствии Амундсен писал: «Я хотел, чтобы моя детская мечта о северо-западном морском пути соединилась в этой экспедиции с другой, гораздо более важной научной целью: нахождением нынешнего местоположения магнитного полюса».
Он подошёл к этой научной задаче со всей серьёзностью и тщательно подготовился к её выполнению: изучал теорию геомагнетизма у ведущих специалистов Германии; там же приобрёл магнитометрические приборы. Практикуясь в работе с ними, Амундсен летом 1902 года объездил всю Норвегию.
К началу первой зимы своего путешествия, в 1903 году, Амундсен достиг острова Кинг-Уильям, который находился совсем недалеко от магнитного полюса. Магнитное наклонение здесь составляло 89°24’.
Решив провести зимовку на острове, Амундсен одновременно создал здесь настоящую геомагнитную обсерваторию, которая выполняла непрерывные наблюдения в течение многих месяцев.
Весна 1904 года была посвящена наблюдениям «в поле» с целью определения координат полюса настолько точно, насколько это было возможно. Амундсен достиг успеха и обнаружил, что положение магнитного полюса заметно сместилось к северу по отношению к той точке, в которой его нашла экспедиция Джеймса Росса. Оказалось, что с 1831 по 1904 год магнитный полюс переместился на 46 км к северу.
Забегая вперёд, заметим, что есть данные о том, что за этот 73-летний период магнитный полюс не просто немного переехал на север, а скорее описал небольшую петлю. Где-то к 1850 году он сначала прекратил своё движение с северо-запада на юго-восток и лишь потом начал новое путешествие на север, продолжающееся и сегодня.
Дрейф магнитного полюса в Северном полушарии с 1831 по 1994 год
В следующий раз местоположение магнитного полюса в Северном полушарии было определено в 1948 году. Многомесячная экспедиция в канадские фьорды не понадобилась: ведь теперь до места можно было добраться всего за несколько часов — по воздуху. На этот раз магнитный полюс в Северном полушарии был обнаружен на берегу озера Аллен на острове Принца Уэльского. Максимальное наклонение составляло здесь 89°56’. Оказалось, что со времён Амундсена, то есть с 1904 года, полюс «уехал» к северу на целых 400 км.
С тех пор точное местоположение магнитного полюса в Северном полушарии (Южного магнитного полюса) определялось канадскими магнитологами регулярно с периодичностью около 10 лет. Последующие экспедиции состоялись в 1962, 1973, 1984, 1994 годах.
Неподалёку от точки пребывания магнитного полюса в 1962 году, на острове Корнуоллис, в местечке Резолют-Бей (74°42’ с. ш., 94°54’ з. д.), была построена геомагнитная обсерватория. В наше время путешествие на Южный магнитный полюс — это всего лишь достаточно короткая прогулка на вертолёте от Резолют-Бей. Неудивительно, что с развитием средств сообщения в XX столетии этот удалённый городок на севере Канады всё чаще и чаще стали посещать туристы.
Обратим внимание на то, что, говоря о магнитных полюсах Земли, мы на самом деле говорим о неких усреднённых точках. Ещё со времени экспедиции Амундсена стало ясно, что даже на протяжении одних суток магнитный полюс не стоит на месте, а совершает небольшие «прогулки» вокруг некоторой средней точки.
Причина таких перемещений, конечно, Солнце. Потоки заряженных частиц от нашего светила (солнечный ветер) входят в магнитосферу Земли и порождают в земной ионосфере электрические токи. Те, в свою очередь, порождают вторичные магнитные поля, которые возмущают геомагнитное поле. В результате этих возмущений магнитные полюса и вынуждены совершать свои ежесуточные прогулки. Их амплитуда и скорость, естественно, зависят от силы возмущений.
Маршрут таких прогулок близок к эллипсу, причём полюс в Северном полушарии совершает обход по часовой стрелке, а в Южном полушарии — против. Последний даже в дни магнитных бурь уходит от средней точки не более чем на 30 км. Полюс же в Северном полушарии в такие дни может уйти от средней точки на 60—70 км. В спокойные дни размеры суточных эллипсов для обоих полюсов существенно сокращаются.
Дрейф магнитного полюса в Южном полушарии с 1841 по 2000 год
Следует отметить, что исторически с измерением координат магнитного полюса в Южном полушарии (Северного магнитного полюса) дело всегда обстояло достаточно сложно. Во многом виновата его труднодоступность. Если от Резолют-Бей до магнитного полюса в Северном полушарии можно добраться на маленьком аэроплане или вертолёте за несколько часов, то от южной оконечности Новой Зеландии до побережья Антарктиды надо лететь более 2000 км над океаном. А после этого нужно проводить исследования в тяжёлых условиях ледового континента. Чтобы должным образом оценить труднодоступность Северного магнитного полюса, вернёмся в самое начало XX столетия.
Довольно долго после Джеймса Росса никто не осмеливался в поисках Северного магнитного полюса уходить в глубь Земли Виктории. Первыми это сделали члены экспедиции английского полярного исследователя Эрнеста Генри Шеклтона (1874—1922) во время его путешествия в 1907—1909 годах на старом китобойном судне «Нимрод».
16 января 1908 года судно вошло в море Росса. Слишком толстые паковые льды у побережья Земли Виктории долго не давали возможности найти подход к берегу. Лишь 12 февраля удалось перенести на берег необходимые вещи и магнитометрическое оборудование, после чего «Нимрод» взял курс обратно на Новую Зеландию.
Оставшимся на берегу полярникам потребовалось несколько недель, чтобы соорудить более или менее приемлемые жилища. Пятнадцать смельчаков учились есть, спать, общаться, работать и вообще жить в невероятно тяжёлых условиях. Впереди была долгая полярная зима. Всю зиму (в Южном полушарии она наступает одновременно с нашим летом) члены экспедиции занимались научными исследованиями: метеорологией, геологией, измерением атмосферного электричества, изучением моря через трещины во льду и самих льдов. Конечно, к весне люди уже оказались достаточно вымотанными, хотя главные цели экспедиции были ещё впереди.
29 октября 1908 года одна группа во главе с самим Шеклтоном отправилась в запланированную экспедицию к Южному географическому полюсу. Правда, экспедиция так и не смогла до него дойти. 9 января 1909 года всего в 180 км от Южного географического полюса ради спасения голодных и измученных людей Шеклтон принимает решение оставить флаг экспедиции здесь и повернуть группу обратно.
Вторая группа полярников во главе с австралийским геологом Эджвортом Дэвидом (1858—1934) независимо от группы Шеклтона отправилась в путешествие к магнитному полюсу. Их было трое: Дэвид, Моусон и Маккей. В отличие от первой группы они не имели опыта полярных исследований. Выйдя 25 сентября, они уже к началу ноября выбились из графика и из-за перерасхода пищи вынуждены были сесть на строгий паёк. Антарктида преподавала им суровые уроки. Голодные и обессиленные, они проваливались почти в каждую расселину во льду.
11 декабря едва не погиб Моусон. Он провалился в одну из бесчисленных расселин, и только надёжная верёвка спасла жизнь исследователю. Несколько дней спустя в расселину провалились 300-килограммовые сани, едва не утянувшие за собой трёх обессилевших от голода людей. К 24 декабря серьёзно ухудшилось состояние здоровья полярников, они страдали одновременно и от обморожения, и от солнечных ожогов; у Маккея к тому же развилась снежная слепота.
Но 15 января 1909 года они всё-таки достигли своей цели. Компас Моусона показал отклонение магнитного поля от вертикали всего в пределах 15’. Оставив почти всю поклажу на месте, они одним броском в 40 км достигли магнитного полюса. Магнитный полюс в Южном полушарии Земли (Северный магнитный полюс) был покорён. Водрузив на полюсе британский флаг и сфотографировавшись, путешественники трижды прокричали «ура!» королю Эдуарду VII и объявили эту землю собственностью британской короны.
Теперь им предстояло только одно — остаться в живых. По расчётам полярников, для того, чтобы поспеть к отходу «Нимрода» 1 февраля, они должны были проходить по 17 миль в сутки. Но они всё равно опоздали на четыре дня. К счастью, «Нимрод» сам задержался. Так что вскоре трое отважных исследователей наслаждались горячим ужином на борту корабля.
Итак, Дэвид, Моусон и Маккей были первыми людьми, ступившими на магнитный полюс в Южном полушарии, который в тот день оказался в точке с координатами 72°25’ ю. ш., 155°16’ в. д. (в 300 км от точки, измеренной в своё время Россом).
Понятно, что ни о какой-либо серьёзной измерительной работе здесь даже не было и речи. Вертикальное наклонение поля было зафиксировано лишь однажды, и это послужило сигналом не к дальнейшим измерениям, а лишь к скорейшему возвращению на берег, где экспедицию ожидали тёплые каюты «Нимрода». Такую работу по определению координат магнитного полюса нельзя даже близко сравнить с работой геофизиков в арктической Канаде, по нескольку дней ведущих магнитные съёмки из нескольких точек, окружающих полюс.
Однако последняя экспедиция (экспедиция 2000 года) была проведена на достаточно высоком уровне. Поскольку Северный магнитный полюс уже давно сошёл с материка и находился в океане, эта экспедиция проводилась на специально оборудованном судне.
Измерения показали, что в декабре 2000 года Северный магнитный полюс находился напротив побережья Земли Адели в точке с координатами 64°40’ ю. ш. и 138°07’ в. д.
Открытие племянника
1 июня 1831 года Джеймс Росс открыл Северный магнитный полюс Земли
В отличие от географического полюса строго зафиксировать точку на поверхности Земли, где расположен ее магнитный полюс – что северный, что южный – нельзя. Из-за вращения планеты они постоянно движутся, описывая на поверхности полярных шапок Земли овалы с размером длинной оси 85 км. В каждый момент времени можно зафиксировать только одну из точек овальных траекторий магнитных полюсов, где в эту секунду стрелка компаса смотрит вертикально вниз.
Фото: Royal Museums Greenwich
В исторической литературе честь открытия магнитного полюса Земли в Арктике часто отдают Джону Россу, капитану парохода «Виктория», во время плавания которого в высоких широтах был открыт магнитный полюс. Делают это по той же логике, по которой Америку открыл капитан Колумб, а не моряк, увидевший ее берега с мачты его корабля. Но в данном случае открытие в чистом виде принадлежало лейтенанту с «Виктории» Джеймсу Россу, который приходился родным племянником капитану корабля Джону Россу.
В первую же зиму плавания «Викторию» затерло льдами между материковой частью Канады и островом Баффинова Земля. После второй зимовки во льдах, экипаж на шлюпках отправился в обратный путь. Через год их подобрал другой английский корабль.
Но еще до этого, весной 1831 года, лейтенант Росс с несколькими моряками отправился на разведку. Они пересекли полуостров Бутия, и 1 июня компас лейтенанта показал, что они находятся на Северном магнитном полюсе.
В Англии экипаж «Виктории» встретили как героев. Капитан Джон Росс был награжден золотыми медалями английского и французского географических обществ, стал сэром Джоном и адмиралом. Чтобы тоже стать сэром и получить те же географические медали его племяннику Джеймсу пришлось в 1841 году сплавать к Антарктиде и открыть там еще и Южный магнитный полюс. Но адмиралом за это его все равно не сделали.
Если бы «Виктория» отправилась в плавание на двадцать лет раньше или на сто лет позже, то Северный магнитный полюс открыл бы кто-то другой. Как выяснилось уже в наше время, магнитные полюса постоянно мигрируют с разной скоростью. В начале XIX века северный полюс описывал свой овал на 400 км северо-западнее полуострова Бутия, в середине ХХ века он был в 500 км севернее того места, где его обнаружил Росс.
Со второй половины ХХ века полюс ускорил движение на север. В 2005 году он покинул 200-мильную зону канадских вод и со скоростью 64 км в год продолжает ползти по направлению к Таймыру. В середине века он будет уже в России.