История геомагнетизма

Реконструкция раннего китайского компаса. Ложка из магнита , ручкой направленной на юг, была установлена ​​на медной пластине с астрологическими символами.

История геомагнетизма связана с историей изучения магнитного поля Земли . Он охватывает историю навигации с использованием компасов , исследования доисторического магнитного поля (археомагнетизма и палеомагнетизма ) и 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 измерялось до 1544 года нашей эры, а интенсивность впервые была измерена в 1791 году. Сначала считалось, что компасы указывают на места на небесах, затем на магнитные горы. Современный экспериментальный подход к пониманию поля Земли начался с «Де Магнете» книги , опубликованной Уильямом Гилбертом в 1600 году. Его эксперименты с магнитной моделью Земли убедили его в том, что Земля сама по себе является большим магнитом.

Ранние идеи о магнетизме

Знания о существовании магнетизма, вероятно, восходят к доисторическому развитию выплавки железа . Железо можно получить на поверхности Земли из метеоритов ; Минерал магнит богат магнитным минералом магнетитом и может намагничиваться ударом молнии. В своей «Естественной истории» Плиний Старший рассказывает легенду о пастухе Магнесе на острове Крит, чьи ботинки с железными шипами постоянно прилипали к тропе. Самые ранние представления о природе магнетизма приписывают Фалесу ( ок. 624 г. до н. э. – ок. 546 г. до н. э.).

В классической античности мало что было известно о природе магнетизма. Ни в одном источнике не упоминаются два полюса магнита или его тенденция указывать на север. Существовали две основные теории о происхождении магнетизма. Один из них, предложенный Эмпедоклом из Акрагаса и подхваченный Платоном и Плутархом , вызывал невидимые испарения , просачивающиеся сквозь поры материалов; Демокрит Абдерский заменил это испарение атомами, но механизм был по существу тот же. Другая теория вызывала метафизический принцип симпатии между подобными объектами. Этому способствовала целеустремленная жизненная сила, стремившаяся к совершенству. Эту теорию можно найти в трудах Плиния Старшего и Аристотеля , которые утверждали, что Фалес приписывал магниту душу. , что подобная жизненная сила, или ци В Китае считалось , оживляет магниты, поэтому китайцы использовали первые компасы для фэн-шуй .

Некоторые классические идеи сохранялись вплоть до первых научных экспериментов по магнетизму. Одно из убеждений, восходящее к Плинию, заключалось в том, что пары от употребления в пищу чеснока и лука могут разрушить магнетизм компаса, сделав его бесполезным. Даже после того, как Уильям Гилберт опроверг это в 1600 году, поступали сообщения о том, что рулевых на британских кораблях пороли за то, что они ели чеснок. Однако это убеждение было далеко не универсальным. В 1558 году Джамбаттиста делла Порта сообщал: «Когда я спросил моряков, запрещено ли им по этой причине есть лук и чеснок, они ответили, что это бабушкины басни и всякая нелепость, и что моряки скорее потеряют свою жизни тогда воздерживаются от употребления лука и чеснока».

Измерение поля

Смотрите также: Магнитное поле Земли § Описание

Иллюстрация систем координат, используемых для представления магнитного поля Земли. Координаты X,Y,Z соответствуют северу, востоку и низу; D – склонение, I – наклонение.

В данном месте для полного представления магнитного поля Земли требуется вектор с тремя координатами (см. рисунок). Они могут быть декартовыми (север, восток и низ) или сферическими ( склонение , наклон и интенсивность). В последней системе сначала необходимо измерить склонение (отклонение от истинного севера , горизонтального угла), чтобы установить направление магнитного севера; тогда падение (вертикальный угол) можно измерить относительно магнитного севера. В Китае горизонтальное направление было измерено еще в четвертом веке до нашей эры, а существование склонения впервые было признано в 1088 году. В Европе это не получило широкого признания до середины пятнадцатого века нашей эры. Наклонение (также известное как магнитное падение ) было впервые измерено в 1544 году нашей эры. Интенсивность не измерялась до 1791 года, после прогресса в понимании электромагнетизма .

Склонение

Основная статья: Компас § История

Азимутальный компас имеет козырьки разной высоты, позволяющие видеть объекты над горизонтом.

Магнитный компас существовал в Китае еще в четвертом веке до нашей эры. Его использовали как для фэн-шуй, так и для навигации по суше. Только когда хорошие стальные были изобретены иглы, компасы стали использовать для навигации на море; до этого они не могли сохранять свой магнетизм долго . Существование магнитного склонения, разницы между магнитным севером и истинным севером, было впервые признано Шэнь Го в 1088 году.

Первое упоминание о компасе в Европе принадлежит Александру Неккаму в 1190 году нашей эры . 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 передавались, то наиболее вероятным посредником были арабские купцы, но в арабской литературе компас упоминается только после Неккама. Существует также разница в условных обозначениях: китайские компасы указывают на юг, а европейские — на север.

В 1269 году Пьер де Марикур (обычно известный как Петр Перегрин ) написал другу письмо, в котором описал два типа компаса: один, в котором овальный магнит, плавающий в чаше с водой, и первый сухой компас с иглой. установлен на шарнире. 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 притягивать и отталкивать друг друга (выражаясь современным языком, у них есть северный и южный полюса). Это письмо, обычно называемое Epistola de Magnete , стало вехой в истории науки.

Петр Перегринус предположил, что компасы указывают на истинный север. Хотя считается, что его современник Роджер Бэкон заметил, что компасы отклоняются от истинного севера, идея магнитного склонения была принята лишь постепенно. Сначала считалось, что это склонение должно быть результатом систематической ошибки. Однако к середине пятнадцатого века солнечные часы в Германии ориентировались с поправкой на склонение.

Наклон

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 Хартманн , викарий Нюрнберга, в 1544 году. Английский мореплаватель Роберт Норман был первым, кто осознал, что это происходит потому, что само поле Земли отклонено от вертикали. В своей книге «Новая привлекательность » Норман назвал склонность «новым открытием тайного и тонкого свойства, касающегося отклонения иглы». Он создал компас, в котором игла плавала в кубке с водой и была прикреплена к пробке, чтобы придать ей нейтральную плавучесть. Игла могла ориентироваться в любом направлении, поэтому она опускалась, выравниваясь с полем Земли. Норман также создал круг наклона — стрелку компаса, вращающуюся вокруг горизонтальной оси, — чтобы измерить эффект.

Ранние представления об источнике

Фрагмент карты Герарда Меркатора, на которой изображена мифическая «очень высокая черная скала» на Северном полюсе.

На первых попытках понять магнитное поле Земли его измерение было лишь частью задачи. Понимание измерений было трудным еще и потому, что еще не были разработаны математические и физические концепции – в частности, концепция векторного поля , связывающего вектор с каждой точкой пространства. Поле Земли обычно представлено линиями поля , идущими от полюса к полюсу; поле в любой точке параллельно линии поля, но не обязательно указывает ни на один из полюсов. Однако еще в восемнадцатом веке натурфилософ считал, что магнит должен указывать прямо на что-то. Таким образом, магнитное поле Земли приходилось объяснять с помощью локализованных источников, и по мере того, как о поле Земли узнавали все больше, эти источники становились все более сложными.

Поначалу и в Китае, и в Европе предполагалось, что источник находится на небесах – либо на полюсах мира , либо на Полярной звезде . (или очень близко к нему) Эти теории требовали, чтобы магниты указывали на истинный север , поэтому они столкнулись с трудностями, когда было признано существование склонения . Тогда натурфилософы стали предлагать земные источники, такие как скала или гора.

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 помощью гвоздей, что корабли удерживались на месте и не могли двигаться. Еще более драматичной была арабская легенда (изложенная в «Тысяче и одной ночи ») о том, что магнитная гора может вырвать все гвозди из корабля, в результате чего корабль развалится и затонет. История перешла в Европу и стала частью нескольких эпических сказаний.

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 возле Северного полюса. Сначала он просто разместил гору в произвольном месте; но позже он попытался измерить его местоположение, основываясь на склонениях в разных местах Европы. Когда последующие измерения привели к двум противоречивым оценкам горы, он просто поместил две горы на карту.

Начало современной науки

Иллюстрация направлений компаса на различных широтах Земли из книги Уильяма Гилберта « Магнете» . Север справа.

Уильям Гилберт

Великий магнит сам по себе является земным шаром. (Сама Земля — великий магнит.)

- Уильям Гилберт, Магнете

1600 год был знаменательным годом для Уильяма Гилберта . Он стал президентом Королевского колледжа врачей Лондона , был назначен личным врачом королевы Елизаветы I и написал «De Magnete» , одну из книг, положивших начало современной науке. Де Магнете наиболее известен тем, что представил (или, по крайней мере, популяризировал) экспериментальный подход к науке и пришел к выводу, что Земля является великим магнитом.

Книга Гилберта разделена на шесть глав. Первый — это введение, в котором он обсуждает важность эксперимента и различные факты о Земле, включая незначительность топографии поверхности по сравнению с радиусом Земли . Он также объявляет о своем выводе о том, что Земля — великий магнит. Во второй книге Гилберт рассматривает «соитие» или законы притяжения. Гилберт различает магнетизм и статическое электричество (последнее возникает при трении янтаря ) и сообщает о многих экспериментах с обоими (некоторые из них относятся ко времени Перегрина). Один из них заключается в том, чтобы разбить магнит на две части и показать, что обе части имеют северный и южный полюс. Он также отвергает идею вечного двигателя . Третья книга содержит общее описание магнитных направлений, а также подробную информацию о том, как намагничивать 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 рассказывает о двух компонентах направления: склонении и наклонении.

Никколо Кабео , «Магнитная философия» , 1629 г.

В конце 1590-х годов Генри Бриггс , профессор геометрии Грешам-колледжа в Лондоне, опубликовал таблицу магнитного наклона Земли с указанием широты. Это хорошо согласовывалось с наклонами, которые Гилберт измерил по окружности своей терреллы . Гилберт пришел к выводу, что магнитное поле Земли эквивалентно полю однородно намагниченной сферы, намагниченной параллельно оси вращения (в современных терминах, геоцентрическому осевому диполю ). Однако он осознавал, что отклонения не соответствуют этой модели. Основываясь на известных в то время склонениях, он предположил, что континенты из-за своего рельефа образуют центры притяжения, заставляющие стрелки компаса отклоняться. Он даже продемонстрировал этот эффект, вырезав на своей терелле некоторую топографию и измерив влияние на склонения. Монах иезуит - Никколо Кабео позже взял листок из книги Гилберта и показал, что, если бы топография была в правильном масштабе для Земли, разница между максимумами и минимумами составляла бы всего лишь одну десятую миллиметра. Поэтому материки не могли заметно повлиять на склонение.

Шестая книга де Магнете была посвящена космологии . Он отверг преобладающую птолемеевскую модель Вселенной, в которой планеты и звезды организованы в ряд концентрических оболочек, вращающихся вокруг Земли, на том основании, что соответствующие скорости были бы абсурдно велики («не может быть суточного движения в бесконечности»). ). Вместо этого Земля вращалась вокруг своей 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 и отливы . Некоторые неясные рассуждения привели к странному выводу, что терелла, если она свободно подвешена, будет ориентироваться в том же направлении, что и Земля, и вращаться ежедневно. И Кеплер , и Галилей приняли бы идею Гилберта о магнитном притяжении между небесными телами, но закон всемирного тяготения Ньютона сделал бы ее устаревшей.

Уильям Канотье

Первый график геомагнитного экватора Гийома ле Нотонье, опубликованный в La mecographie de l'Eymant.

Примерно в 1603 году француз Гийом ле Нотье (Вильгельм Мореплаватель) Сьер де Кастельфранк опубликовал конкурирующую теорию поля Земли в своей книге Mecometrie de l'eymant (Измерение долготы с помощью магнита) . Ле Нотье был математиком, астрономом и королевским географом при дворе Генриха IV . Он не согласился с предположением Гилберта 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 наклоненного диполя. Последние 196 страниц его книги были заняты таблицами широты и долготы со склонением и наклонением для использования мореплавателями. Если бы его модель была точной, ее можно было бы использовать для определения широты и долготы, используя комбинацию магнитного склонения и астрономических наблюдений.

Ле Нотонье пытался продать свою модель Генриху IV, а своего сына — английскому лидеру Оливеру Кромвелю , но безуспешно. Он подвергся широкой критике: Дидье Дуно пришел к выводу, что работа основана на «необоснованных предположениях, ошибках в расчетах и ​​манипуляциях с данными». Однако геофизик Жан-Поль Пуарье изучил работы Ле Нотье и Дуно и обнаружил, что ошибка была в рассуждениях Дуно.

Временное изменение

Портрет Эдмонда Галлея с изображением его теории концентрических сфер.

Одним из выводов Гилберта было то, что поле Земли не может меняться во времени. Вскоре это было подтверждено серией измерений в Лондоне. В 1580 году Уильям Боро измерил склонение и нашел, что оно равно 11. 1 ⁄ 4 ° СВ. В 1622 году Эдмунд Гюнтер обнаружил, что это 5°56’ северо-восточной долготы. Он отметил разницу с результатом Боро, но пришел к выводу, что Боро, должно быть, допустил ошибку измерения. В 1633 году Генри Геллибранд измерил склонение в том же месте и обнаружил, что оно составляет 4°05’ северо-восточной долготы. Благодаря тщательности, с которой Гюнтер проводил измерения, Геллибранд был уверен, что изменения были реальными. В 1635 году он опубликовал «Математический дискурс об изменении магнитной иглы», в котором утверждалось, 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 она была встречена со скептицизмом, пока не была подтверждена дальнейшими измерениями.

Наблюдения Геллибранда вдохновили на обширные усилия по определению природы изменений – глобальных или локальных, предсказуемых или хаотичных. Это также вдохновило на создание новых моделей происхождения этой области. Генри Бонд-старший получил известность, успешно предсказав в 1639 году, что склонение будет равно нулю в Лондоне в 1657 году. Его модель, в которой использовался прецессирующий диполь, подверглась резкой критике со стороны королевской комиссии, но ее продолжали публиковать в руководствах по навигации на протяжении десятилетий. . Динамические модели, включающие несколько полюсов, были также предложены Питером Перкинсом (1680 г.) и Эдмондом Галлеем (1683, 1692 г.) 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 так гордился этой теорией, что на его восьмидесятилетнем портрете была изображена ее диаграмма (вверху справа).

Магнитная навигация

Фрагмент карты мира, опубликованной Гийомом Брусконом в 1543 году, с изображением линий розы ветров для навигации.

Первые мореплаватели использовали для навигации карты-портоланы . На этих картах показана береговая линия с линиями розы ветров, соединяющими порты. Моряк мог ориентироваться, совмещая карту с компасом и следуя курсу компаса. Ранние карты искажали береговые линии, потому что картографы не знали о склонении, но карты все еще работали, потому что моряки плыли по прямым линиям.

В то время как лодки в основном бороздили моря размером со Средиземное, для навигации было достаточно прямых линий. Однако, когда они отправились в Атлантический и Тихий океаны, уже было недостаточно проложить прямой курс от одного пункта назначения к другому. Морякам нужно было определить свою широту и долготу.

В эпоху парусного спорта , с шестнадцатого по середину девятнадцатого века, в международной торговле доминировали парусные суда. Не одно европейское правительство предложило щедрую премию первому человеку, который сможет точно определить долготу. Британская премия, премия за долготу , привела к разработке морского хронометра Джоном Харрисоном , часовщиком из Йоркшира .

См. также

• История геофизики
• Хронология электромагнитной теории
• Румлайновая сеть

Дальнейшее чтение

• Куртильо, Винсент ; Ле Муэль, Жан-Луи (2007). «Изучение земного магнетизма (1269–1950): основа Перегрина и последующее развитие геомагнетизма и палеомагнетизма» (PDF) . Обзоры геофизики . 45 (3): RG3008. Бибкод : 2007RvGeo..45.3008C . дои : 10.1029/2006RG000198 .
• Глен, Уильям (1982). Дорога в Харамильо: критические годы революции в науках о Земле . Издательство Стэнфордского университета . ISBN  978-0-8047-1119-7 .
• Хорошо, Грегори А. (1999). «Геомагнитные теории с 1800 по 1900 годы» . Geosciences Memory Online: Проект истории геофизики . Американский геофизический союз . Проверено 2 ноября 2011 г.
• Джонкерс, АРТ (2003). Магнетизм Земли в эпоху парусного спорта . Балтимор: Издательство Университета Джонса Хопкинса. ISBN  978-0-8018-7132-0 .
• Угалья, Моника (19 февраля 2007 г.). «Наука магнетизма до Гилберта. Трактат Леонардо Гарцони о магните». Анналы науки . 63 (1): 59–84. дои : 10.1080/00033790500405185 . S2CID   143292503 .
• Коно, М. (2015). «Геомагнетизм: введение и обзор». Ин Коно, М. (ред.). Геомагнетизм . Трактат по геофизике. Том. 5 (2-е изд.). Эльзевир. стр. 1–31. дои : 10.1016/B978-0-444-53802-4.00095-6 . ISBN  978-0444538031 .
• С любовью, Джей-Джей (2004). «Рецензия на книгу: Магнетизм Земли в эпоху парусного спорта: ART Jonkers, Издательство Университета Джона Хопкинса, Балтимор, Лондон, 300 стр., ISBN 0-8018-7132-8, 2003, 45 долларов (35 фунтов стерлингов)». Физика Земли и недр планет . 147 (4): 354–364. Бибкод : 2004PEPI..147..354L . дои : 10.1016/j.pepi.2004.05.004 .
• Малин, Стюарт; Барракло, Дэвид (2000). «De Magnete Гилберта: раннее исследование магнетизма и электричества» . Эос, Труды Американского геофизического союза . 81 (21): 233. Бибкод : 2000EOSTr..81..233M . дои : 10.1029/00EO00163 .
• Меррилл, Рональд Т. (2010). Наша магнитная Земля: наука геомагнетизм . Чикаго: Издательство Чикагского университета. ISBN  9780226520506 .
• Меррилл, Рональд Т.; МакЭлхинни, Майкл В.; Макфадден, Филипп Л. (1996). Магнитное поле Земли: палеомагнетизм, ядро ​​и глубокая мантия . Международная серия по геофизике. Том. 63. Академическая пресса . ISBN  978-0-12-491245-8 .
• Пикеринг, Кейт (23 июля 2008 г.). «Христофор Колумб:Техника навигации» . Кнол (версия 4) . Архивировано из оригинала 2 апреля 2012 года . Проверено 20 апреля 2012 г.
• Паркинсон, В. Дадли (1999). «Геомагнетизм: теории с 1900 года» . Geosciences Memory Online: Проект истории геофизики . Американский геофизический союз . Проверено 2 ноября 2011 г.
• Стерн, Дэвид П. (2002). «Тысячелетие геомагнетизма» . Обзоры геофизики . 40 (3): 1007. Бибкод : 2002RvGeo..40.1007S . дои : 10.1029/2000RG000097 .
• Стерн, Д.П. (2003). «Поправка к «Тысячелетию геомагнетизма» » . Обзоры геофизики . 41 (2): 3. Бибкод : 2003RvGeo..41.1007S . дои : 10.1029/2003RG000136 .
• Темпл, Роберт (2006). Гений Китая . Андре Дойч . ISBN  978-0-671-62028-8 .
• Тернер, Джиллиан (2010). Северный полюс, Южный полюс: эпические поиски разгадки великой тайны земного магнетизма (1-е изд. для Северной Америки). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: The Experiment, LLC. ISBN  978-1-61519-031-7 .
• Уэйкфилд, Джули (2005). Поиски Галлея: самоотверженный гений и его обеспокоенный Парамор . Вашингтон, округ Колумбия: Генри Пресс. ISBN  978-0-309-09594-5 .