Земля в целом представляют собой шаровой магнит, полюса которого лежат вблизи географических полюсов: вблизи северного географического полюса расположен южный магнитный S (~11,5º к оси вращения Земли), а вблизи южного географического-северный магнитный полюс N. Магнитные полюса дрейфуют, предположительно южный магнитный полюс на северо-запад.

Угол между географическим и магнитным меридианом называется магнитным склонением β (рис. 1) .

Вектор полной напряженности (магнитной индукции B=μ 0 H) направлен по касательной к силовым линиям магнитного поля Земли. Магнитная стрелка, подвешенная на нити, устанавливается в направление вектора полной напряженности магнитного поля Земли, который можно разложить на две составляющие: горизонтальную H г и вертикальную H в (рис. 4).

α

S

N

в

Соотношение между горизонтальной и вертикальной составляющей зависит от географического положения. Чем ближе к северу, тем стрелка устанавливается круче вниз. Поэтому для характеристики магнитного поля Земли вводится угол α – угол наклонения .

Магнитная стрелка, которая может вращаться лишь около вертикальной оси, будет отклоняться только под действием вектораН г, устанавливаясь в плоскости магнитного меридиана. Это свойство магнитной стрелки используется в компасах.

Итак, для характеристики магнитного поля Земли используются:

1. Магнитное склонение β

2. Угол наклонения α

3. Горизонтальная составляющая магнитного поля Земли H г:

Н г =Нcosα или B г =Bcosα

Методика измерений горизонтальной (H г)и вертикальной H в составляющих магнитного поля Земли.

Величины, характеризующие магнитное поле Земли можно измерить двумя методами.

1)Метод тангенс-буссоли позволяет определить горизонтальную составляющую магнитного поля H г .

Внутри катушки помещается компас. Плоскость катушки устанавливается в плоскости магнитного меридиана, т.е. вдоль магнитной стрелки компаса. Когда через катушку проходит ток в ней создается магнитное поле перпендикулярное плоскости катушки и стрелка компаса устанавливается по направлению результирующего магнитного поля.

На рис.5 изображено сечение катушки.

α

Рис. 5.

Напряженность магнитного поля в центре кругового тока , а в центре круговой катушки с током с учетом числа витков:

Из рис.5 следует, что , тогда:

.

После логарифмического дифференцирования этой формулы, получим формулу для расчета погрешности

(2)

отсюда следует, что погрешность будет минимальной, если sin 2α =1 т.е. α =45°. Значит, нужно выбирать такую силу тока в цепи, чтобы отклонение магнитной стрелки было близким к 45° и тогда

где N – число витков катушки, N =400 витков; R – средний радиус катушки, R =35 мм.

2)Метод, использующий явление электромагнитной индукции, позволяет определить горизонтальную H г и вертикальнуюH в составляющие индукции магнитного поля Земли .

Установка состоит из индуктора (рис.1) и измерительного устройства, которое высчитывает среднее значение потока ЭДС индукции возникающее в катушке при её вращение.

Магнитная индукция В г и В в определяется по формуле.

где S – площадь катушки.

Если рамка на которой закреплена катушка установлена горизонтально, то (ось вращения катушки горизонтальна) измерительное устройство измеряетпоток <E i Δt>, создаваемую вертикальной составляющей B в.

Если рамка установлена вертикально, то измерительное устройство измеряет потока <E i Δt>, создаваемую горизонтальной составляющей B г.

Т.к. в отсутствии среды магнитная индукция и напряженность магнитного поля связаны соотношением:

где - магнитная постоянная =4 10 -7 Гн/м.

Для определения и выдерживания курса на ВС используются магнитные курсовые приборы, принцип действия которых основан на использовании магнитного поля Земли. Земля представляет собой большой естественный магнит, вокруг которого существует магнитное поле. Магнитные полюсы Земли не совпадают с географическими. Северные магнитный полюс расположен в северной части Канады, южный – в Антарктиде. Положение магнитных полюсов медленно меняется, магнитное поле Земли в каждой точке характеризуется напряженностью, склонением и наклонением.

Напряженность – это сила, с которой магнитное поле действует в данной точке. Вектор напряженности направлен не по горизонту, а под некоторым углом к нему. Этот угол называется углом магнитного наклонения Θ. На магнитном экваторе наклонение Θ=0 0 , а на магнитных полюсах Θ=90 0 . Если стрелку магнитного компаса установить на точечную опору, то она наклонится вниз относительно плоскости истинного горизонта на угол магнитного наклонения. То есть стрелка устанавливается по направлению вектора . На магнитном экваторе, где Θ=0 0 , стрелка займет горизонтальное, а на магнитном полюсе, где Θ=90 0 , магнитная стрелка займет вертикальное положение.

Для устранения наклона магнитной стрелки в авиационных компасах в северном полушарии утяжеляют южный конец стрелки, а в южном – северный или смещают точку опоры магнитной стрелки. Вектор напряженности магнитного поля Земли можно разложить на горизонтальную составляющую , расположенную в плоскости истинного горизонта, и вертикальной составляющей , направленную к центру Земли.

Величины горизонтальной и вертикальной составляющих зависят от величины угла магнитного наклонения. Вертикальная составляющая =0 на магнитном экваторе и максимальна на магнитных полюсах. Горизонтальная составляющая является направляющей силой магнитной стрелки. Под действием силы стрелка устанавливается вдоль магнитной силовой линии, то есть по направлению север-юг. На магнитном экваторе сила =Max, а на магнитных полюсах равна 0. Поэтому в полярных районах, когда воздействие силы ослабевает, магнитные компасы работают неустойчиво, выдают неточные показания, что ограничивает, а порой исключает возможность их применения.

Компасные направления

Направление горизонтальной составляющей магнитного поля Земли приняли за исходную для отсчета магнитного курса и назвали его магнитным меридианом.

Магнитный меридиан в общем случае не совпадает с истинным (или географическим) и составляет с ним угол, называемый магнитным склонением Δ М. Магнитное склонение измеряется от 0 до ±180 0 и отсчитывается от истинного меридиана к востоку (вправо) со знаком «+», а к западу (влево) – со знаком «-». В зависимости от того, какой из меридианов взят за начало отсчета, различают магнитный и истинный курсы.

Истинный курс – это угол между северным направлением истинного меридиана, проходящего через ВС и продольной осью ВС.

Магнитный курс – это угол между северным направлением магнитного меридиана, проходящего через ВС и продольной осью ВС.

ИК=МК/± Δ М/

Кроме магнитного поля Земли на чувствительный элемент магнитного или индукционного компасов воздействует магнитное поле ВС, создаваемое ферромагнитными массами и токонесущими проводами. Стрелка магнитного компаса, оказываясь под воздействием магнитного поля Земли и магнитного поля ВС, устанавливается по результирующей этих магнитных полей.

Линия, вдоль которой устанавливается магнитная стрелка компаса, установленного на ВС, называется компасным меридианом.

Компасный курс – это угол между северным направлением компасного меридиана, проходящего через ВС и продольной осью ВС. Компасный и магнитный меридианы не совпадают.

Угол, заключенный между северным направлением магнитного меридиана и северным направлением компасного меридиана, называется девиацией компаса Δ К.

Девиация отсчитывается от магнитного меридиана к востоку (вправо) со знаком «+», а к западу (влево) – со знаком «-».

Магнитный компас КИ-13

Магнитный компас КИ-13 является автономным дублирующим измерителем компасного курса ВС. КИ-13 установлен на каркасе фонаря кабины летчиков по продольной оси ВС. Предназначен для определения магнитного курса полета ВС.

Принцип действия основан на использовании свойств свободно подвешенного магнита, устанавливается в плоскости магнитного меридиана. Чувствительный элемент прибора состоит из двух постоянных магнитов, закрепленных в картушке. На картушке закреплена шкала, отградуированная от 0 до 360 0 , с оцифровкой через 30 0 и ценой деления 5 0 . Внутренняя часть компаса заполняется лигроином, что позволяет демпфировать колебания картушки и уменьшить трение. В нижней части прибора имеется девиационное устройство для устранения полукруговой девиации. Компас имеет индивидуальный подсвет шкалы.

КИ-13 работает следующим образом. В прямолинейном горизонтальном полете картушка со шкалой с помощью двух параллельно расположенных стержней устанавливается в плоскости магнитного меридиана Земли и сохраняет относительно Земли неизменное направление. При повороте ВС относительно плоскости магнитного меридиана картушка со шкалой остаются в неизменном положении, а курсовая черта поворачивается вместе с корпусом прибора на тот же угол, что и ВС, показывая по шкале новый компасный курс.

Ошибки магнитного компаса КИ-13.

КИ-13 имеет следующие ошибки:

· застой картушки;

· увлечение картушки жидкостью;

· девиация;

· креновая девиация;

· северная поворотная ошибка.

Застой картушки – это угол, на который не доходит картушка до магнитного меридиана при медленном возвращении к нему. Причиной застоя меридиана является трение оси об опору. Застой картушки может наблюдаться при полетах в северных широтах ввиду малого значения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли .

Увлечение картушки жидкостью проходит при разворотах вследствие инерции жидкости. После прекращения разворота жидкость еще некоторое время по инерции продолжает вращение, что приводит к запаздыванию прихода картушки к меридиану. При длительных виражах увеличение картушки может достигать скорости виража. Время успокоения картушки после сильного увлечения жидкостью до 2 минут.

Девиация – это основная методическая ошибка КИ-13, которая возникает вследствие воздействия на магнитную систему компаса магнитного поля ВС. Это приводит к тому, что магнитная система устанавливается вдоль компасного меридиана и КИ-13 указывает компасный курс. Величина и характер девиации зависят от магнитного поля ВС.

Девиация ΔК представляет собой сумму 3 составляющих: круговой ΔК КР, полукруговой ΔК п / КР и четвертной ΔК ЧЕТВ:

Δ К= Δ К КР + Δ К п / КР + Δ К ЧЕТВ

Круговая девиация ΔК КР от курса ВС не зависит и имеет постоянную величину. ΔК КР называется установочной ошибкой.

ΔК КР (установочная ошибка) компенсируется поворотом КИ-13 в месте крепления.

При развороте ВС на 360 0 ΔКп/ КР два раза меняет свой знак, два раза достигает нуля и два раза максимум, то есть меняется по синусоидальному закону.

ΔК п / КР устраняется штурманом на 4 основных курсах 0; 90; 180; 270 0 с помощью девиационного устройства в нижней части компаса.

ΔК ЧЕТВ при развороте ВС на 360 0 четыре раза меняет свой знак, четыре раза достигает максимума и четыре раза приходит к нулю.

ΔК ЧЕТВ для КИ -13 не устраняется, но списывается штурманом на 8 курсах 0; 45; 90; 135; 180; 225; 270; 315 0 и заносится в график поправок, который устанавливается в кабине пилотов.

Для отсчета магнитного курса по КИ – 13 необходимо в показания компасного курса КИ -13 внести поправку из графика установленного в кабине пилотов.

Креновая девиация – это разность показаний КИ-13 при горизонтальном и наклонном положении ВС. Креновая девиация появляется в полете при поперечных и продольных кренах, когда плоскость картушки имеет угол относительно плоскости ВС. Креновая девиация на ВС в практике не учитывается.

В горизонтальном полете плоскость картушки КИ-13 горизонтальна и расположена в плоскости магнитного меридиана. На магнитную систему компаса действует только горизонтальная составляющая , которая является направляющей силой для магнитных компасов.

Вертикальная составляющая магнитного поля Земли перпендикулярна плоскости картушки и никакого воздействия на магнитную систему не оказывает. При разворотах ВС на северных или южных курсах картушка под действием центробежной силы вместе с ВС отклоняется от плоскости меридиана на угол крена. При этом магнитная система компаса, оказываясь под воздействием двух составляющих – горизонтальной и вертикальной , устанавливается по равнодействующей и измеряет курс с ошибкой ΔМК. Эта ошибка носит название северной поворотной ошибки. Величина ее особенно велика при полетах в северных широтах, где угол магнитного наклонения Θ приближается к 80 0 - 90 0. Северная поворотная ошибка зависит не только от угла магнитного наклонения Θ, но и от угла крена ВС при развороте. Учитывается северная поворотная ошибка следующим образом. При выводе ВС из крена на северных курсах надо не доводить ВС до намеченного курса на величину крена разворота, а на южных курсах, наоборот проворачивать ВС на ту же величину крена. На курсах 90 0 и 270 0 северная поворотная ошибка равна нулю, так как вертикальная составляющая совпадает с плоскостью магнитного меридиана Земли. После перехода ВС в горизонтальный полет действие вертикальной составляющей земного магнетизма прекращается и показания компаса восстанавливаются.

Использование КИ-13

Перед вылетом внешним осмотром проверить прибор – крепление, уровень лигроина. Проверить наличие в кабине графика девиации.

Перед выруливанием на старт убедится, что КИ -13 указывает магнитный курс стоянки (с учетом ΔК ЧЕТВ).

На исполнительном старте после установки ВС вдоль оси ВПП проверить соответствие показаний КИ -13 курсу ВС (также с учетом ΔК ЧЕТВ).

В полете магнитный компас КИ – 13 является дублирующим курсовым прибором и используется экипажем при отказах ГМК-1А.

Однако в полете экипаж обязан постоянно сличать показания КМ – 8, УГР – 4УК и КИ -13, что позволит своевременно обнаружить отказ курсовой системы ГМК – 1А. При полете в неспокойной атмосфере наблюдаются колебания картушки КИ -13, которые могут достигать ±15 0 ÷ 20 0 . Поэтому при отсчете курса по КИ – 13 показания необходимо усреднять. Компас работает нормально при кренах ВС до 17 0 , свыше – картушка компаса задевает за внутренние части прибора, и он становится неработоспособн

ЗЕМНОЙ МАГНЕТИЗМ , отдел геофизики, изучающий магнитное поле земли. Пусть напряженность магнитного поля в данной точке изображается вектором F (фиг. 1). Вертикальная плоскость, содержащая этот вектор, называется плоскостью магнитного меридиана. Угол D, заключенный между плоскостями географического и магнитного меридианов, носит название склонения. Различают склонения восточное и западное. Принято отмечать восточные склонения знаком плюс, западные - знаком минус. Угол I, образованный вектором F с плоскостью горизонта, называется наклонением. Проекция Н вектора F на горизонтальную плоскость называется горизонтальной составляющей, а проекция Z на вертикальную прямую обозначается термином вертикальная составляющая.

Основными приборами для измерения элементов земного магнетизма являются в настоящее время магнитный теодолит и различные системы инклинаторов. Назначение магнитного теодолита - измерение горизонтальной составляющей магнитного поля и склонения. Горизонтально расположенный магнит, могущий вращаться около вертикальной оси, устанавливается под действием магнитного поля земли своей осью в плоскости магнитного меридиана. Если его вывести из этого положения равновесия и предоставить затем самому себе, то он начнет совершать колебания около плоскости магнитного меридиана с периодом Т, определяемым формулой:

где К - момент инерции колеблющейся системы (магнит и оправа) и М - магнитный момент магнита. Определив из специальных наблюдений величину К, можно по наблюденному периоду Т найти значение произведения МН. Затем помещают магнит, период колебания которого определен, на некотором расстоянии от другого, вспомогательного магнита, тоже имеющего возможность вращаться около вертикальной оси, и ориентируют первый магнит так, чтобы центр второго магнита оказался на продолжении магнитной оси первого. В таком случае на вспомогательный магнит будет кроме Н действовать и поле магнита М, которое м. б. найдено по формуле:

где В - расстояние между центрами обоих магнитов, а, b,... - некоторые постоянные. Магнит выйдет из плоскости магнитного меридиана и станет по направлению равнодействующей этих двух сил. Не изменяя относительного расположения частей установки, находят такое положение отклоняющего магнита, при котором названная равнодействующая будет перпендикулярна к нему (фиг. 2). Измеряя для этого случая угол отклонения v, можно из соотношения sin v = f/Hнайти значение отношения Из полученных значений МН и H/M определяют горизонтальную слагающую Н. В теории земного магнетизма имеет распространение единица, обозначаемая символом γ, равная 0,00001 гаусса. Магнитный теодолит можно применять в качестве деклинатора, прибора для измерения склонения. Совмещая визирную плоскость с направлением магнитной оси подвешенного на нити магнита, приводят ее в совпадение с плоскостью магнитного меридиана. Чтобы получить отсчет на круге, соответствующем наведению визирного приспособления на географический север, достаточно сделать наведение на какой-либо объект, истинный азимут которого известен. Разность отсчетов географического и магнитного меридианов и дает величину склонения.

Инклинатор - прибор для измерения I. Современная магнитометрия имеет два типа приборов для измерения наклонения - инклинаторы стрелочный и индукционный . Первый прибор имеет магнитную стрелку, вращающуюся около горизонтальной оси, помещенной в центре вертикального лимба. Плоскость движения стрелки совмещается с плоскостью магнитного меридиана; в таком случае в идеальных условиях магнитная ось стрелки в положении равновесия совпадет с направлением магнитного напряжения в данном пункте, и угол между направлением магнитной оси стрелки и горизонтальной линией даст величину I. В основу конструкции индукционного инклинатора (земного индуктора ) положено явление индукции в проводнике, движущемся в магнитном поле. Существенной особенностью прибора является катушка, вращаемая около одного из своих диаметров. При вращении такой катушки в магнитном поле земли в ней не появляется ЭДС лишь в том случае, когда ее ось вращения совпадает с направлением поля. Это положение оси, отмечаемое отсутствием тока в гальванометре, на который замкнута катушка, отсчитывается на вертикальном круге. Угол между направлением оси вращения катушки и горизонтом будет углом наклонения.

Упомянутые выше приборы являются в настоящее время наиболее распространенными. Следует упомянуть особо о магнитном теодолите Оглоблинского, определяющем значение H/M методом компенсации Н полем магнита, для которого определяется период колебания.

В последнее время начинают применяться т.н. электрические методы измерения Н, при которых отклонения производятся не с помощью отклоняющего магнита, а с помощью магнитного поля катушек. Для достижения той точности, которая требуется от магнитных измерений (0,2-0,02 % полного напряжения), рабочий ток сравнивается с током от нормальных элементов (компенсирование по методу потенциометра).

Измерения, сделанные в различных пунктах земной поверхности, показывают, что магнитное поле меняется от пункта к пункту. В этих изменениях можно заметить некоторые закономерности, характер которых лучше всего уясняется из рассмотрения т. н. магнитных карт (фиг. 3 и 4).

Если нанести на топографической основе линии, соединяющие точки равных значений какого-либо элемента земного магнетизма, то такая карта представит наглядную картину распределения этого элемента на местности. Соответственно различным элементам земного магнетизма имеются карты с различными системами изолиний. Эти изолинии носят специальные названия, смотря по тому, какой элемент они изображают. Так, линии, соединяющие точки равных склонений, носят название изогон (линия нулевых склонений получила название агонической линии), линии равных наклонений - изоклин и линии равных напряжений - изодинам . Различают изодинамы горизонтальной, вертикальной составляющей и т. д. Если построить такие карты для всей поверхности земного шара, то на них можно заметить следующие особенности. В экваториальных областях наблюдаются наибольшие значения горизонтальной силы (до 0,39 гаусса); по направлению к полюсам горизонтальная составляющая убывает. Противоположный характер изменений имеет место для вертикальной составляющей. Линия нулевых значений вертикальной составляющей называется магнитным экватором . Точки с нулевыми значениями горизонтальной силы называются магнитными полюсами земли. Они не совпадают с географическими и имеют координаты: северный магнитный полюс - 70,5° с. ш. и 96,0° з. д. (1922 г.), южный магнитный полюс - 71,2° ю. ш. и 151,0° в. д. (1912 г.). В магнитных полюсах земли пересекаются все изогоны.

Детальное исследование магнитного поля земли обнаруживает, что изолинии идут далеко не так плавно, как это дается общей картиной. На каждой такой кривой имеют место искривления, нарушающие плавный ход ее. В некоторых областях эти искривления достигают настолько крупных значений, что приходится данный участок выделить в магнитном отношении из общей картины. Такие районы носят название аномальных, и в них можно наблюдать значения магнитных элементов, во много раз превышающие нормальное поле. Исследование магнитных аномалий выяснило их тесную связь с геологической структурой верхних частей земной коры, гл. обр. в отношении содержания в них магнитных минералов, и вызвало к жизни особую отрасль магнитометрии, имеющую прикладное значение и ставящую своей задачей применение магнитометрии, измерений к горной разведке. Такие аномальные районы, имеющие уже в настоящее время большое промышленное значение, находятся на Урале, в Курском округе, в Кривом Роге, в Швеции, в Финляндии и в др. местах. Для исследования магнитного поля таких областей разработана специальная аппаратура (магнитометр Тиберга-Талена, локальвариометры и т. д.), позволяющая быстро получить нужные результаты измерений. Изучение магнитного поля земли в каком-либо одном пункте обнаруживает факт изменений этого поля с течением времени. Детальное исследование этих временных вариаций элементов земного магнетизма привело к установлению их связи с жизнью земного шара в целом. В вариациях находят свое отражение вращение земли около оси, движение земли по отношению к солнцу и еще целый ряд явлений космического порядка. Изучение вариаций ведется специальными магнитными обсерваториями, снабженными, кроме точных приборов для измерений элементов магнитного поля земли, еще специальными установками для непрерывной записи временных изменений магнитных элементов. Такие приборы носят название вариометров , или магнитографов , и служат обычно для записи вариаций D, Н и Z. Прибор для записи вариаций склонения (вариометр D , или унифиляр ) имеет магнит с прикрепленным к нему зеркальцем, свободно висящий на тонкой нити. Вариации склонения, заключающиеся в поворотах плоскости магнитного меридиана, заставляют подвешенный таким способом магнит поворачиваться. Брошенный из специального осветителя луч, отразившись от зеркальца магнита, дает перемещающееся световое пятно, которое оставляет след в виде кривой на светочувствительной бумаге, навернутой на вращающийся барабан или опускающейся вертикально. Линия, прочерченная лучом, отраженным от неподвижного зеркальца, и отметки времени позволяют по полученной магнитограмме найти изменение D для любого момента времени. Если закручивать нить, вращая верхнюю точку ее прикрепления, то магнит выйдет из плоскости магнитного меридиана; надлежащим закручиванием можно поставить его в положение, перпендикулярное первоначальному. В новом положении равновесия на магнит, с одной стороны, будет действовать Н, с другой - момент закрученной нити. Всякое изменение горизонтальной слагающей вызовет изменение положения равновесия магнита, и такой прибор будет отмечать вариации горизонтальной составляющей (вариометр Н , или бифиляр , если магнит подвешен на двух параллельных нитях). Запись этих вариаций ведется таким же образом, как и запись изменений склонения. Наконец, третий прибор, служащий для записи вариаций вертикальной составляющей (весы Ллойда , вариометр Z ), имеет магнит, колеблющийся, подобно коромыслу весов, около горизонтальной оси. Надлежащим перемещением центра тяжести с помощью передвижного грузика магнит этого прибора приводят в положение, близкое к горизонтальному, и устанавливают обычно так, чтобы плоскость движений магнита была направлена перпендикулярно плоскости магнитного меридиана. В таком случае положение равновесия магнита определяется действием Z и веса системы. Изменение первой величины вызовет некоторый наклон магнита, пропорциональный изменению вертикальной составляющей. Эти изменения наклона регистрируются, подобно предыдущему, фотографическим путем и дают материал для суждений о вариациях вертикальной составляющей.

Если подвергнуть кривые, записанные магнитографами (магнитограммы ), анализу, можно найти на них целый ряд особенностей, из которых прежде всего бросится в глаза отчетливо выраженный суточный ход. Положение максимумов и минимумов суточного хода, а равно и их значения изо дня в день меняются в небольших пределах, и поэтому для характеристики суточного хода составляются некоторые средние кривые за какой-либо интервал времени. На фиг. 5 даны кривые изменения D, H и Z для обсерватории в Слуцке за сентябрь 1927 г., на которых хорошо заметен суточный ход элементов.

Наиболее наглядным способом изображения вариаций является т. н. векторная диаграмма , представляющая движение конца вектора F с течением времени. Две проекции векторной диаграммы на плоскости yz и ху даны на фиг. 6. Из этой фиг. видно, как отражается на характере суточного хода время года: в зимние месяцы колебания магнитных элементов значительно меньше, чем в летние.

Кроме вариаций, обусловленных суточным ходом, на магнитограммах иногда замечаются резкие изменения, достигающие нередко весьма больших значений. Такие резкие изменения магнитных элементов сопровождаются рядом других явлений, как то: полярных сияний в арктических областях, появлением индуцированных токов в телеграфных и телефонных линиях, и т. д., и называются магнитными бурями . Между вариациями, обусловленными нормальным ходом, и вариациями, вызванными бурями, существует коренное различие. В то время как нормальные изменения протекают для каждого пункта наблюдений по местному времени, вариации, причиной которых являются бури, протекают одновременно для всего земного шара. Это обстоятельство указывает на различную природу вариаций обоих типов.

Стремление объяснить наблюдаемое наземной поверхности распределение элементов земного магнетизма привело Гаусса к построению математической теории геомагнетизма. Изучение элементов земного магнетизма со времени первых геомагнитных измерений обнаружило существование т. н. векового хода элементов, и дальнейшее развитие теории Гаусса заключало среди прочих задач и учет этих вековых вариаций. В результате работ Петерсона, Неймайера и других исследователей имеется теперь формула для потенциала, учитывающая и этот вековой ход.

Среди гипотез, предложенных для объяснений суточного и годового хода геомагнитных элементов, надо отметить гипотезу, предложенную Бальфур-Стюартом и развитую Шустером. По мысли этих исследователей, в высоких электропроводящих слоях атмосферы под термическим действием солнечных лучей возникают перемещения газовых масс. Магнитным полем земли в этих движущихся проводящих массах индуцируются электрические токи, магнитное поле которых и проявляется в виде суточных вариаций. Эта теория хорошо объясняет уменьшение амплитуды вариаций в зимние месяцы и выясняет превалирующую роль местного времени. Что касается магнитных бурь, то ближайшее исследование показало их тесную связь с деятельностью солнца. Выяснение этой связи привело к следующей общепризнанной в настоящее время теории магнитных возмущений. Солнце в моменты наиболее интенсивной своей деятельности выбрасывает потоки электрически заряженных частиц (например, электронов). Такой поток, попадая в верхние слои атмосферы, ионизирует ее и создает возможность протекания интенсивных электрических токов, магнитное поле которых и является теми пертурбациями, которые мы называем магнитными бурями. Такое объяснение природы магнитных бурь хорошо согласуется с результатами теории полярных сияний, развитой Штермером.

ЗЕМНОЙ МАГНЕТИЗМ (геомагнетизм), магнитное поле Земли и околоземного космического пространства; раздел геофизики, изучающий магнитное поле Земли и связанные с ним явления (магнетизм горных пород, теллурические токи, полярные сияния, токи в ионосфере и магнитосфере Земли).

История изучения магнитного поля Земли . О существовании магнетизма было известно с глубокой древности. Считается, что первый компас появился в Китае (дата появления спорна). В конце 15 века во время плавания Х. Колумба было установлено, что склонение магнитное различно для разных точек поверхности Земли. Это открытие положило начало развитию науки о земном магнетизме. В 1581 году английский исследователь Р. Норман высказал предположение о том, что стрелку компаса разворачивают определённым образом силы, источник которых находится под поверхностью Земли. Следующим знаменательным шагом стало появление в 1600 книги У. Гильберта «О магните, магнитных телах и о большом магните - Земле», где было дано представление о причинах земного магнетизма. В 1785 начались разработки способа измерения напряжённости магнитного поля, базирующегося на методе вращающего момента, предложенном Ш. Кулоном. В 1839 К. Гаусс теоретически обосновал метод измерения горизонтальной составляющей вектора магнитного поля планеты. В начале 20 века была определена связь между магнитным полем Земли и её строением.

В результате наблюдений было установлено, что намагниченность земного шара более или менее однородна, а магнитная ось Земли близка к её оси вращения. Несмотря на относительно большой объём экспериментальных данных и многочисленные теоретические исследования, вопрос о происхождении земного магнетизма окончательно не решён. К началу 21 века наблюдаемые свойства магнитного поля Земли стали связывать с физическим механизмом гидромагнитного динамо (смотри Магнитная гидродинамика), согласно которому первоначальное магнитное поле, проникшее в ядро Земли из межпланетного пространства, может усиливаться и ослабляться в результате движения вещества в жидком ядре планеты. Для усиления поля достаточно наличия определённой асимметрии такого движения. Процесс усиления продолжается до тех пор, пока рост потерь на нагрев среды, идущий за счёт увеличения силы токов, не уравновесит приток энергии, поступающей за счёт её гидродинамического движения. Сходный эффект наблюдается при генерации электрического тока и магнитного поля в динамо-машине с самовозбуждением.

Напряжённость магнитного поля Земли. Характеристикой любого магнитного поля служит вектор его напряженности Н - величина, не зависящая от среды и численно равная магнитной индукции в вакууме. Собственное магнитное поле Земли (геомагнитное поле) является суммой полей, созданных различными источниками. Принято считать, что на поверхности планеты магнитное поле Н Т складывается из: поля, создаваемого однородной намагниченностью земного шара (дипольное поле, Н 0); поля, связанного с неоднородностью глубоких слоёв земного шара (поле мировых аномалий, Н а); поля, обусловленного намагниченностью верхних частей земной коры (Н к); поля, вызываемого внешними причинами (Н В); поля вариаций (δН), также связанных с источниками, расположенными вне земного шара: Н Т = Н о + Н к + Н а + Н в + δН. Сумма полей Н 0 + Н к образует главное магнитное поле Земли. Его вклад в поле, наблюдаемое на поверхности планеты, составляет более 95%. Аномальное поле Н а (вклад Н а в Н т около 4%) подразделяется на поле регионального характера (региональная аномалия), распространяющееся на большие площади, и поле местного характера (локальная аномалия). Сумму полей Н 0 + Н к + Н а часто называют нормальным полем (Н н). Так как Н в мало по сравнению с Н о и Н к (около 1% от Н т), нормальное поле практически совпадает с главным магнитным полем. Реально наблюдаемое поле (за вычетом поля вариаций δН) есть сумма нормального и аномального магнитных полей: Н т = Н н + Н а. Задача разделения поля на поверхности Земли на эти две части является неопределённой, так как разделение можно провести бесконечным числом способов. Для однозначности решения данной задачи необходимы сведения об источниках каждой из составляющих магнитного поля Земли. К началу 21 века установлено, что источниками аномального магнитного поля являются намагниченные горные породы, залегающие на глубинах, малых по сравнению с радиусом Земли. Источник главного магнитного поля находится на глубине больше половины радиуса Земли. Многочисленные экспериментальные данные позволяют построить математическую модель магнитного поля Земли, основанную на формальном изучении её структуры.

Элементы земного магнетизма. Для разложения вектора Н т на составляющие обычно используют прямоугольную систему координат с началом в точке измерения поля О (рисунок). В этой системе ось Ох ориентирована по направлению географического меридиана на север, ось Оу - по направлению параллели на восток, ось Oz направлена сверху вниз к центру земного шара. Проекцию Н Т на ось Ох называют северной составляющей поля, проекцию на ось Оу - восточной составляющей, проекцию на ось Oz - вертикальной составляющей; они обозначаются соответственно через Х, Y, Z. Проекцию Н т на плоскость ху обозначают как Н и называют горизонтальной составляющей поля. Вертикальная плоскость, проходящая через вектор Н т и ось Оz, называется плоскостью меридиана магнитного, а угол между географическим и магнитным меридианами - магнитным склонением, обозначаемым через D. Если вектор Н отклонён от направления оси Ох к востоку, склонение будет положительным (восточное склонение), а если к западу - отрицательным (западное склонение). Угол между векторами Н и Н т в плоскости магнитного меридиана носит название наклонения магнитного и обозначается через I. Наклонение I положительно, когда вектор Н т направлен вниз от земной поверхности, что имеет место в Северном полушарии Земли, и отрицательно, когда Н т направлен вверх, то есть в Южном полушарии. Склонение, наклонение, горизонтальная, вертикальная, северная, восточная составляющие носят название элементов земного магнетизма, которые можно рассматривать как координаты конца вектора Н т в различных системах координат (прямоугольной, цилиндрической и сферической).

Ни один из элементов земного магнетизма не остаётся постоянным во времени: их величина меняется от часа к часу и от года к году. Такие изменения получили название вариаций элементов земного магнетизма (смотри Магнитные вариации). Изменения, происходящие в течение короткого промежутка времени (около суток), носят периодический характер; их периоды, амплитуды и фазы чрезвычайно разнообразны. Изменения среднегодовых значений элементов носят монотонный характер; их периодичность выявляется лишь при очень большой длительности наблюдений (порядка многих десятков и сотен лет). Медленные вариации магнитной индукции называются вековыми; их величина составляет около 10 -8 Тл/год. Вековые вариации элементов связаны с источниками поля, лежащими внутри земного шара, и вызываются теми же причинами, что и само магнитное поле Земли. Быстротечные вариации периодического характера обусловлены электрическими токами в околоземной среде (смотри Ионосфера, Магнитосфера) и весьма различаются по амплитуде.

Современные исследования магнитного поля Земли. К началу 21 века принято выделять следующие причины, вызывающие земной магнетизм. Источник главного магнитного поля и его вековых вариаций расположен в ядре планеты. Аномальное поле обусловлено совокупностью источников в тонком верхнем слое, называемом магнитоактивной оболочкой Земли. Внешнее поле связано с источниками в околоземном пространстве. Поле внешнего происхождения называется переменным электромагнитным полем Земли, поскольку оно является не только магнитным, но и электрическим. Главное и аномальное поля часто объединяют общим условным термином «постоянное геомагнитное поле».

Основной метод изучения геомагнитного поля - непосредственное наблюдение пространственного распределения магнитного поля и его вариаций на поверхности Земли и в околоземном пространстве. Наблюдения сводятся к измерениям элементов земного магнетизма в различных точках пространства и носят название магнитных съёмок. В зависимости от места проведения съёмок их подразделяют на наземные, морские (гидромагнитные), воздушные (аэромагнитные) и спутниковые. В зависимости от размера территории, которую охватывают съёмки, выделяют глобальные, региональные и локальные съёмки. По измеряемым элементам съёмки делятся на модульные (Т-съёмки, при которых ведётся измерение модуля вектора поля) и компонентные (измеряется только одна или несколько компонент этого вектора).

Земное магнитное поле находится под воздействием потока солнечной плазмы - солнечного ветра. В результате взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли образуется внешняя граница околоземного магнитного поля (магнитопауза), ограничивающая земную магнитосферу. Форма магнитосферы постоянно меняется под воздействием солнечного ветра, часть энергии которого проникает внутрь неё и передаётся токовым системам, существующим в околоземном пространстве. Изменения магнитного поля Земли во времени, вызванные действием этих токовых систем, называются геомагнитными вариациями и различаются как по своей длительности, так и по локализации. Существует множество различных типов временных вариаций, каждый из которых имеет свою морфологию. Под действием солнечного ветра магнитное поле Земли искажается и приобретает «шлейф» в направлении от Солнца, который простирается на сотни тысяч километров, выходя за орбиту Луны.

Дипольный магнитный момент Земли составляет около 8·10 22 А·м 2 и постоянно уменьшается. Средняя индукция геомагнитного поля на поверхности планеты около 5·10 -5 Тл. Основное магнитное поле Земли (на расстоянии менее трёх радиусов Земли от её центра) по форме близко к полю эквивалентного магнитного диполя, центр которого смещён относительно центра Земли примерно на 500 км в направлении на точку с координатами 18° северной широты и 147,8° восточной долготы. Ось этого диполя наклонена к оси вращения Земли на 11,5°. На такой же угол полюсы геомагнитные отстоят от соответствующих географических полюсов. При этом южный геомагнитный полюс находится в Северном полушарии.

Широкомасштабные наблюдения за изменениями элементов земного магнетизма ведутся в магнитных обсерваториях, образующих мировую сеть. Вариации геомагнитного поля регистрируются специальными приборами, данные измерений обрабатываются и поступают в мировые центры сбора данных. Для визуального представления картины пространственного распределения элементов земного магнетизма проводится построение карт изолиний, то есть кривых, соединяющих на карте точки с одинаковыми значениями того или иного элемента земного магнетизма (смотри карты). Кривые, соединяющие точки одинаковых магнитных склонений, называются изогонами, кривые одинаковых магнитных наклонений - изоклинами, одинаковых горизонтальных или вертикальных, северных или восточных составляющих вектора Н т - изодинамами соответствующих составляющих. Линии равных изменений поля принято называть изопорами; линии равных значений поля (на картах аномального поля) - изоаномалиями.

Результаты исследований земного магнетизма применяют для изучения Земли и околоземного пространства. Измерения интенсивности и направления намагниченности горных пород позволяют судить об изменении геомагнитного поля во времени, что служит ключевой информацией для определения их возраста и развития теории литосферных плит. Данные о геомагнитных вариациях используются при магнитной разведке полезных ископаемых. В околоземном пространстве на расстоянии тысячи и более километров от поверхности Земли её магнитное поле отклоняет космические лучи, защищая всё живое на планете от жёсткой радиации.

Лит.: Яновский Б. М. Земной магнетизм. Л., 1978; Калинин Ю. Д. Вековые геомагнитные вариации. Новосиб., 1984; Колесова В. И. Аналитические методы магнитной картографии. М., 1985; Паркинсон У. Введение в геомагнетизм. М., 1986.

Элементы земного магнетизма

Свойства магнитного поля Земли положены в основу принципа действия курсовых приборов, с помощью которых определяется и выдерживается направление полета.

Земля представляет собой естественный магнит, вокруг которого существует магнитное поле. Магнитные полюсы Земли не совпадают с географическими полюсами и располагаются не на поверхности Земли, а на некоторой глубине. Условно принимают, что Северный магнитный полюс, расположенный в северной части Канады, обладает южным магнетизмом, т.е. притягивает северный конец магнитной стрелки, а Южный магнитный полюс, расположенный в Антарктиде, обладает северным магнетизмом, т.е. притягивает к себе южный конец магнитной стрелки (рис. 4.1, а) . Положение магнитных полюсов очень медленно меняется.

Магнитные силовые линии выходят из Южного магнитного полюса и входят в Северный полюс, образуя замкнутые кривые. Свободно подвешенная магнитная стрелка устанавливается вдоль магнитных силовых линий. Элементами земного магнетизма являются: напряженность, наклонение и склонение .

Напряженность магнитного поля Земли ( ) – сила, с которой магнитное поле Земли действует в данной точке. Ее измеряют в эрстедах (э) и гаммах (γ = 10 -5 э). На экваторе напряженность магнитного поля Земли равна 0.34 э, на средних широтах 0.4 – 0.5 э, на магнитных полюсах 0.79 э.

а) б)

Рис. 4.1. Магнитное поле Земли:

а) магнитное поле Земли; б) элементы земного магнетизма

Вектор напряженности можно разложить на горизонтальную и вертикальную составляющие (рис. 4.1, б). Последние определяются по формулам: ; .

Вертикальная составляющая равна 0 на магнитном экваторе и максимальной величине на магнитных полюсах. Горизонтальная составляющая является той силой, которая устанавливает магнитную стрелку в направлении магнитных силовых линий. На магнитном экваторе она наибольшая, а на магнитных полюсах равна 0.

Магнитное наклонение () – угол, на который магнитная стрелка наклоняется относительно плоскости горизонта (рис. 4.1, б). На магнитном экваторе наклонение равно нулю, а на магнитных полюсах равно 90°. Для устранения наклона магнитной стрелки в авиационных компасах в Северном полушарии утяжеляют южный конец стрелки, а в Южном – северный или смещают точку подвески магнитной стрелки.

Магнитный меридиан (С м) – линия, вдоль которой устанавливается магнитная стрелка компаса под действием вектора напряженности магнитного поля Земли (рис. 4.2, а).

Магнитное склонение (Δ м) – угол, заключенный между северными направлениями истинного (географического) и магнитного меридианов в данной точке (рис. 4.2, б). Оно измеряется от 0 до 180° и отсчитывается от истинного меридиана к востоку (вправо) со знаком «плюс», а к западу (влево) – со знаком «минус».

Рис. 4.2. Магнитное склонение:

а) истинные и магнитные меридианы; б) магнитное склонение

Элементы земного магнетизма указываются на специальных магнитных картах, которые составляются по результатам магнитных съемок. Линии, соединяющие точки на земной поверхности с одинаковым магнитным склонением в определенную эпоху, называются изогонами . Изогоны наносятся на полетные и бортовые карты штрихованными линиями фиолетового цвета с учетом эпохи (года) измерения. Магнитное склонение имеет вековые, годовые, суточные и эпизодические изменения. Суточные и годовые изменения достигают в среднем 4 – 10", вековые 6 – 15°. Магнитные бури – внезапные изменения магнитного склонения, продолжительностью от нескольких часов до нескольких суток, вызванные солнечной активностью. Величина изменения магнитного склонения при этом достигает в умеренных широтах до 7°, а в полярных областях до 50°. Кроме изогон, на полетные и бортовые карты наносят магнитные аномалии. Магнитная аномалия – район с резкими и значительными изменениями всех элементов земного магнетизма. Наличие магнитных аномалий связано с залежами магнитных руд в недрах Земли. Наиболее мощные аномалии – Курская, Криворожская, Магнитогорская, Сарбайская и др. В районах аномалий есть точки, где магнитное склонение доходит до ± 180°. Аномалия влияет на работу магнитного компаса до высоты 1500 – 2000 м, а в районе Курской магнитной аномалии отмечены случаи, когда на высоте 3600 м наблюдалось отклонение магнитной стрелки компаса на 50° .

Девиация компаса и вариация. Девиация компаса вызывается действием на стрелку компаса магнитного поля, создаваемого стальными и железными деталями воздушного судна и электромагнитного поля, возникающего при работе электро – и радиооборудования ВС. В результате на магнитную стрелку компаса, кроме магнитного поля Земли, действует еще магнитное поле ВС.

Компасный меридиан (С к) – линия, вдоль которой устанавливается магнитная стрелка компаса, находящегося на ВС. Компасный и магнитный меридианы не совпадают.

Девиация компаса (Δ к) – угол, заключенный между северными направлениями магнитного и компасного меридианов (рис. 4.3, а). Она отсчитывается от магнитного меридиана к востоку (вправо) со знаком «плюс», а к западу (влево) – со знаком «минус».

Рис. 4.3. Девиация компаса и вариация:

а) девиация; б) вариация

Вариация (Δ) – угол, заключенный между северными направлениями истинного и компасного меридианов (рис. 4.3, б). Она отсчитывается от истинного меридиана к востоку (вправо) со знаком «плюс», а к западу (влево) – со знаком «минус». Вариация равна алгебраической сумме магнитного склонения и девиации компаса Δ = (±Δ м) + (±Δ к).

4.2. Виды курсов воздушного судна . Направление продольной оси ВС в плоскости горизонта характеризуется курсом, который является одним из основных навигационных элементов полета.

Курс воздушного судна – угол, в горизонтальной плоскости между направлением, принятым за начало отсчета, и проекцией на эту плоскость его продольной оси. Курс отсчитывается от направления, принятого за начало отсчета, до продольной оси ВС по ходу часовой стрелки от 0 до 360° (рис. 4.4). При использовании магнитного или гиромагнитного компаса за начальное направление отсчета принимают компасный или соответственно магнитный меридианы, а при использовании курсовых систем в режиме «ГПК» - условный (опорный) меридиан.

Рис. 4.4. Курсы воздушного судна

В зависимости от меридиана отсчета курсы могут быть: истинными, магнитными, компасными и условными.

Истинный курс (ИК) – угол, заключенный между северным направлением истинного меридиана, проходящего через ВС, и продольной осью ВС.

Магнитный курс (МК) – угол, заключенный между северным направлением магнитного меридиана, проходящего через ВС, и продольной осью ВС.

Компасный курс (КК) – угол, заключенный между северным направлением компасного меридиана, проходящего через ВС, и продольной осью ВС.

Условный курс (УК) – угол, заключенный между северным направлением условного (опорного) меридиана, проходящего через ВС, и продольной осью ВС.

При выполнении различных навигационных расчетов необходимо уметь переходить от одного курса к другому. Перевод курсов выполняют аналитически или графически. Из рис. 4.4 можно получить следующие аналитические зависимости:

МК = КК + (±Δ к); КК = МК – (±Δ к);

ИК = МК + (±Δ м); МК = ИК – (±Δ м);

ИК = КК + (±Δ к) + (±Δ м); КК = ИК – (±Δ м) – (±Δ к);

ИК = КК + (±Δ); КК = ИК – (±Δ).

При переводе курсов расчет магнитного склонения, девиации компаса и вариации выполняют по формулам:

Δ м = ИК – МК; Δ к = МК – КК; Δ = ИК – КК; Δ = (±Δ м) + (±Δ к).

Зависимость между условным, истинным и магнитным курсами определяется по формулам:

УК = ИК + (±Δ а); УК = МК + (±Δ м.у) .

При аналитическом переводе курсов необходимо руководствоваться следующими правилами:

1) если определяют магнитный или истинный курс по компасному курсу, то девиацию компаса, магнитное склонение и вариацию учитывают со своим знаком, т.е. алгебраически прибавляют (рис. 4.5);

2) если определяют магнитный или компасный курс по истинному курсу, то магнитное склонение, девиацию компаса и вариацию учитывают с обратным знаком, т.е. алгебраически вычитают.

Рис. 4.5. Правила перевода курсов

Для графического перевода курсов необходимо на листе бумаги провести северное направление меридиана того курса, который дан по условию задачи, от него отложить направление продольной оси ВС (значение заданного курса). Затем проводят остальные меридианы с учетом знака девиации и магнитного склонения. Значения искомых курсов определяют по схеме.

Пример. КК = 270°; Δ к = +5°; Δ м = –10° (рис. 4.6). Определить МК, ИК и вариацию.

Решение. МК = КК + (±Δ к) = 270° + (+5°) = 275°;

ИК = МК + (±Δ м) = 275° + (–10°) = 265°;

Δ = (±Δ м) + (±Δ к) = (–10°) + (+5°)= –5°.

Рис. 4.6. Графический перевод курсов

В практике аэронавигации приходится решать навигационные задачи, связанные с пеленгованием ориентиров. Пеленгование предусматривает определение курсовых углов ориентиров и пеленгов.

Курсовой угол ориентира (КУО) – угол, заключенный между продольной осью ВС и направлением на ориентир (рис. 4.7). Его отсчитывают от продольной оси ВС до направления на ориентир по ходу часовой стрелки от 0 до 360°.

Пеленг ориентира (ПО) – угол, заключенный между северным направлением меридиана, проходящего через ВС, и направлением на ориентир. Его отсчитывают от северного направления меридиана до направления на ориентир по ходу часовой стрелки от 0 до 360°. Пеленг ориентира может быть истинным (ИПО) и магнитным (МПО). Между пеленгом, курсом и курсовым углом ориентира существует следующая зависимость:

МПО = МК + КУО; КУО = МПО – МК; МК = МПО – КУО.

Рис. 4.7. Пеленг и курсовой угол ориентира