Элементы магнетизма. Краткая теория

Принцип работы магнитного компаса основан на свойстве магнитной стрелки устанавливаться по направлению вектора напряженности магнитного поля, в котором она находится.

Землю и околоземное пространство окружает магнитное поле, силовые линии которого выходят из южного магнитного полюса, огибают земной шар и сходятся в северном магнитном полюсе. Магнитные полюса Земли не совпадают с географическими, их положение на 1970 г. определялось приближенно координатами: Северный - φ = = 75°N, λ = 99°W; Южный - φ = 66,5°S; λ = 140°Е. Принято считать, что на Южном магнитном полюсе сосредоточен положительный магнетизм, а на Северном - отрицательный.

Магнитное поле Земли характеризует вектор напряженности Т (полная сила земного магнетизма), который направлен по касательной к магнитным силовым линиям (рис. 9). В общем случае этот вектор составляет некоторый угол I с плоскостью истинного горизонта и не лежит в плоскости истинного меридиана.

Рис. 9. Элементы земного магнетизма

Вертикальная плоскость, проходящая через вектор напряженности магнитного поля Земли в данной точке, называется плоскостью магнитного меридиана. В этой плоскости устанавливается ось свободно подвешенной магнитной стрелки. След от пересечения плоскости магнитного меридиана плоскостью истинного горизонта называется магнитным меридианом.

Угол в плоскости истинного горизонта между истинным меридианом (полуденной линией N - S)и магнитным меридианом называется магнитным склонением (d). Склонение отсчитывается от северной части истинного меридиана к Е или W от 0 до 180°. Восточному (Е) склонению приписывают знак (+), а западному (W) - знак (-).

Угол между плоскостью истинного горизонта И вектором полной силы земного магнетизма называется магнитным наклонением (/). На магнитных полюсах наклонение максимально и равно 90°, а по мере удаления от полюсов уменьшается до нулю. Кривая на земной поверхности, образованная точками, в которых магнитное наклонение равно нулю, называется магнитным экватором.

Вектор напряженности магнитного поля Земли можно разложить на горизонтальную (Н) и вертикальную (Z) составляющие (см. рис. 9). Величины Т, Н, Z и I связаны соотношениями

Горизонтальная составляющая Н направлена по магнитному меридиану и удерживает в нем чувствительный элемент (стрелку, картушку) магнитного компаса. Как видно из (12), максимальное значение Н принимает при I - 0, т.е. на магнитном экваторе, и становится равным нулю на магнитных полюсах. Поэтому в близкополярных районах показания магнитного компаса не надежны, а на магнитных полюсах компас вообще не работает.

Величины d, I, H, Z называются элементами земного магнетизма. Из всех элементов наибольшее значение для судовождения имеет магнитное склонение. Распределение магнетизма на земной поверхности показывают на специальных картах элементов земного магнетизма. Кривыми линиями на карте соединены точки с одинаковыми значениями того или иного элемента. Линия, соединяющая точки с одинаковым значением склонения, называется изогоной. Изолиния нулевого склонения - агона разделяет районы с восточным и западным склонением. Величина магнитного склонения приводится также на морских навигационных картах.

Все элементы земного магнетизма подвержены изменениям по времени - вариациям. Вариации склонения различают вековые, суточные и апериодические.

Вековое изменение - это изменение среднегодовой величины склонения из года в год. Годовое изменение склонения (годовое увеличение или уменьшение) не превышает 15" и показывается на морских картах. Суточные или солнечносуточныевариации склонения имеют период, равный солнечным суткам, по величине незначительны и в судовождении не учитываются. Апериодические изменения или магнитные воз мущения происходят без определенного периода.

Магнитные возмущения большой интенсивности, когда в течение нескольких часов все элементы земного магнетизма резко изменяются, называются магнитными бурями. Возникновение магнитных бурь связано с солнечной активностью и наблюдается по всей земной поверхности. Показания компаса во время магнитных бурь ненадежны - склонение может изменяться на несколько десятков градусов.

В некоторых районах поверхности Земли величины элементов магнетизма, в том числе и склонение, резко отличаются от их значений в окружающей местности. Такое изменение связано со скоплением магнитных пород под поверхностью и называется магнитной аномалией. Районы магнитных аномалий и пределы изменения склонения в них

Рис. 10. Магнитные направления

указываются на морских навигационных картах и в лоциях. Примером аномалий являются магнитные аномалии в Повенецкой бухте Онежского озера и в южной части Ладожского озера. Показания магнитного компаса в районе аномалий использовать затруднительно, а иногда даже опасно.

Для использования в практике данные с карты о величине склонения должны быть приведены к году плавания. С этой целью умножают годовое изменение склонения на число лет, прошедших от года к которому отнесено склонение. Полученной поправкой исправляют склонение, снятое с карты. Необходимо учитывать, что термин «годовое уменьшение» или «годовое увеличение» относится к абсолютной величине склонения.

Если плавание происходит между точками, для которых указано склонение на карте, то производят интерполяцию склонения на глаз, разбивая район плавания на участки, в которых склонение принимают постоянным.

Направления в море, определенные относительно магнитного меридиана, называются магнитными (рис. 10).

Магнитный курс (МК) - угол в плоскости истинного горизонта между северной частью магнитного меридиана и диаметральной плоскостью судна по направлению его движения.

Магнитный пеленг (МП) - угол в плоскости истинного горизонта между северной частью магнитного меридиана и направлением из точки наблюдения на предмет.

Направление, отличающееся на 180° от магнитного пеленга называют обратным магнитным пеленгом (ОМП). Магнитные курсы, и пеленги отсчитываются в круговом счете от 0 до 360°.

Зная величину склонения, можно перейти от магнитных направлений к истинным и обратно. Из рис. 10 видно, что истинные и магнитные направления связаны зависимостями:

(13)
(14)

Формулы (13), (14) - алгебраические, где склонение d может быть величиной положительной и отрицательной.

В магнитном отношении Земля представляет собой огромный по размерам, но слабый по силе магнит с двумя полюсами.

Магнитные полюсы Земли находятся сравнительно недалеко от географических. Наблюдения показывают, что магнитные полюсы не остаются неподвижными,
а постепенно изменяют свое положение относительно географических полюсов. Так, в 1600 г. северный магнитный полюс находился в 1300 км от географического, а в настоящее время - примерно в 2000 км. Географические координаты магнитных полюсов в 1965 г. составляли: для северного?= 72° N, ? = 96° W, для южного? = 70° S, ? =150° Е.

Считается, что в южном магнитном полюсе сосредоточен положительный магнетизм, а в северном - отрицательный. Пространство вокруг Земли пронизано магнитными силовыми линиями, которые исходят из южного магнитного полюса, огибают весь земной шар и замыкаются на северном (рис)

Магнитное поле Земли в каждой точке характеризуется величиной его напряженности Т , т. е. силой, которая действует на единицу положительного магнетизма, и направлением этой силы. Вектор Т
направлен по касательной к силовой линии. Поэтому если в некоторой точке А поместить свободно подвешенную магнитную стрелку, то ее ось расположится в направлении вектора Т . При этом магнитная стрелка будет наклонена по отношению к плоскости горизонта и отклонена
в сторону от плоскости истинного меридиана.

Вертикальный угол между осью свободно подвешенной магнитной стрелки и горизонтальной плоскостью называется магнитным наклопением I . На магнитных полюсах наклонение максимальное и равно 90°, по мере удаления от полюсов оно уменьшается, например в Мурманске 77°, в Одессе 62° и т. д., пока не достигнет 0°. Совокупность точек на земной поверхности, где магнитное наклонение равно 0, называется магнитным экватором. Магнитный экватор - это неправильная кривая, пересекающая земной экватор в двух точках.

Вертикальная плоскость, проходящая через ось свободно подвешенной магнитной стрелки, называется плоскостью магнитного меридиана. На пересечении с плоскостью истинного горизонта эта плоскость образует линию магнитного меридиана, или просто магнитный меридиан N M -S M.

В общем случае плоскость магнитного меридиана не совпадает с плоскостью истинного меридиана. Угол, на который плоскость магнитного меридиана отклоняется от плоскости истинного меридиана в данной точке земной поверхности, называется магнитным склонением d.

Магнитное склонение отсчитывается в плоскости горизонта от северной части истинного меридиана к Ost или W до северной части магнитного меридиана. При этом, если северная часть магнитного меридиана отклонена от истинного меридиана к Е, то склонению приписывают наименование Е (остовое) или знак «плюс», если к W, то W (вестовое) или знак «минус». (рис)

Величина магнитного склонения в разных точках земной поверхности различна. В большинстве мест мирового судоходства оно колеблется от 0 до 25°, но в высоких широтах, в местах, близких к магнитным полюсам, оно может достигать нескольких десятков градусов, а между одноименными магнитными и географическими полюсами 180°.

Полную силу земного магнетизма Т можно разложить на горизонтальную Н и вертикальную Z составляющие (рис) Горизонтальная составляющая Н устанавливает магнитную стрелку в плоскости магнитного меридиана и удерживает ее в этом положении. Из формул видно, что на магнитном экваторе, где наклонение I = 0, горизонтальная составляющая имеет максимальную величину, т. е. Н - Т, а вертикальная Z = 0. Поэтому условия для работы магнитного компаса на экваторе и вблизи него наиболее благоприятны. На магнитных полюсах, где I= 90°, Н = 0, a Z = Т , магнитный компас не работает.

Величины Т , I , d , Н и Z называются элементами земного магнетизма, из них важнейшим для навигации является магнитное склонение d .

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.

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

К основным характеристикам магнитного поля Земли, которые называют элементами земного магнетизма, относятся: напряженность (Н т), горизонтальная (Н) и вертикальная (Z) составляющие полного вектора напряженности Н т, магнитное склонение (D) и наклонение (I). Направление полного вектора напряженности определяет направление магнитных силовых линий, т. е. линий,в каждой точке которых вектор Н т, направлен по касательной к ним. Магнитным склонением называют угол между направлением географического меридиана и вектором Н (или направлением магнитного меридиана). В случае если магнитная стрелка отклоняется вправо от географического меридиана, то склонение называют восточным (или положительным), если влево, то склонение будет западным (отрицательным). Наклонение - ϶ᴛᴏ угол между горизонтальной плоскостью и полным вектором напряженности Н т. Величина I изменяется от –90 0 (Южное полушарие) до +90 0 (Северное полушарие).Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, при направлении вектора Н т к поверхности Земли наклонение считается положительным, а от Земли вверх – отрицательным.

Элементы земного магнетизма измеряют в различных точках земного шара в процессе проведения магнитных съемок на суше, в морях, океанах, атмосфере. Первая магнитная съемка в России была проведена в 1586 ᴦ. в устье р.Печоры. К 1917 ᴦ. уже насчитывалось 8000 съемок; в период 1931 – 1936 гᴦ. была осуществлена генеральная магнитная съемка, в ходе которой проведено 12000 измерений. К 1950 ᴦ. число магнитометрических пунктов достигло 26000. Результаты измерений представляют в виде магнитных карт, которые отражают в изолиниях пространственное распределœение какого-либо одного элемента (Н, Z, D, I). Первую карту построил Галлей (1700 ᴦ.) Карты строятся для регионов и земного шара в целом на определœенный момент времени, в качестве такого момента выбрана середина года (1 июля) - ϶ᴛᴏ так называемая магнитная эпоха. Мировые карты строят Англия, Россия, США. Кроме карт составляется каталог магнитных данных.

Изолинии значений D называются изогонами. Карта изогон напоминает ход меридианов: изогоны выходят из одной области, сходятся в другой, почти противоположной. Отличие от меридианов, которые сходятся в районе полюсов, состоит в том, что в каждом полушарии имеются по две области сходимости изогон: одна - ϶ᴛᴏ магнитный полюс, другая – географический. Там значения D изменяются в пределах ±180 0 .

Линии равных значений I – изоклины. Карты изоклин представляют собой семейство кривых широтного направления. Нулевая изоклина (магнитный экватор) огибает земной шар вблизи экватора, удаляясь от него на 15 0 в районе Южной Америки.В районе южного магнитного полюса (Северное полушарие) I = +90 0 , в районе Северного магнитного полюса (Южное полушарие) I = -90 0 .

Линии равных значений Н и Z – изодины. Карты изодин (Z) повторяют карты изоклин: на магнитном экваторе Z = 0; на полюсах Z = Н т = 48-55 А/м. Значения горизонтальной составляющей Н т – Н изменяются от Н = 0 на полюсах до Н = 32 А/м на магнитном экваторе, где Н = Н т.

На картах изопор показывается скорость смещения какого-либо ЭЗМ. Период полного обращения МПЗ примерно 2 тыс. лет.