469. Большинство ранних исследователей природы земного магнетизма пытались представить его как результат действия одного или нескольких стержневых магнитов, расположение полюсов которых подлежало определению. Гаусс был первым, кто выразил распределение земного магнетизма совершенно общим способом через разложение его потенциала в ряд по объёмным гармоникам, коэффициенты которых он определил для первых четырёх степеней. Общее число коэффициентов равно 24:3 - для первой степени, 5 - для второй, 7 - для третьей и 9 - для четвёртой. Все эти члены оказались необходимыми для того, чтобы с доступной точностью дать представление о действительном состоянии земного магнетизма .

Как отыскать, катя часть наблюдаемой магнитной силы обусловлена внешними, а какая внутренними источниками

470. Предположим теперь, что мы получили разложение магнитного потенциала Земли по сферическим гармоникам, согласующееся с истинным направлением и истинной величиной горизонтальной силы в каждой точке земной поверхности. Гаусс показал, как, исходя из значений наблюдаемой вертикальной силы, определить, обусловлены ли магнитные силы источниками внутри земной поверхности, такими как намагниченность или электрические токи, или же какая-то их часть непосредственно обязана источникам вне земной поверхности.

Пусть истинный потенциал разложен в двойной ряд по сферическим гармоникам:

𝑉

=

𝐴

₁

𝑟

𝑎

+…+

𝐴

_𝑖

⎛

⎜

⎝

𝑟

𝑎

⎞𝑖

⎟

⎠

+…+

𝐵

₁

⎛

⎜

⎝

𝑟

𝑎

⎞-2

⎟

⎠

+…+

𝐵

_𝑖

⎛

⎜

⎝

𝑟

𝑎

⎞-(𝑖+1)

⎟

⎠

+… .

Первый ряд представляет часть потенциала, обусловленную внешними по отношению к Земле источниками, второй ряд представляет часть, обусловленную источниками в пределах Земли.

Наблюдаемая горизонтальная сила даёт нам сумму этих рядов при 𝑟=𝑎 (𝑎 - радиус Земли). Член 𝑖-го порядка равен 𝑉_𝑖=𝐴_𝑖+𝐵_𝑖.

Наблюдения вертикальной силы дают нам 𝑍=𝑑𝑉/𝑑𝑟, а член 𝑖-го порядка в выражении для 𝑎𝑍 равен 𝑎𝑍_𝑖=𝑖𝐴_𝑖-(𝑖+1)𝐵_𝑖.

Следовательно, часть, обусловленная внешними источниками, равна

𝐴

_𝑖

=

(𝑖+1)𝑉_𝑖+𝑎𝑍_𝑖

2𝑖+1

,

а часть, обусловленная источниками в пределах Земли,

𝐵

_𝑖

=

𝑖𝑉_𝑖+𝑎𝑍_𝑖

2𝑖+1

.

Разложение 𝑉 к настоящему времени вычислено только для среднего значения 𝑉, относящегося к определённым или примерно определённым отрезкам времени. Представляется, что существенная часть этого среднего значения не может быть обусловлена причинами, внешними по отношению к Земле.

471. Мы пока ещё не достаточно знаем вид разложения солнечной и лунной частей вариаций 𝑉, чтобы установить этим методом, связана ли часть этих вариаций с магнитными,силами, действующими извне. Безусловно, однако, как показали вычисления Стоуни (Stoney) и Чамберса (Chambers), что главная часть этих вариаций не может быть вызвана непосредственным магнитным воздействием Солнца или Луны, если считать их магнитными¹

¹ Профессор Хорнштейн (Hornstein) из Праги открыл периодические изменения в магнитных элементах, период которых равен 26,33 суток, что почти точно совпадает с периодом синодического вращения Солнца, найденным по наблюдениям солнечных пятен вблизи экватора. Этот метод измерения периода вращения невидимого твердого тела Солнца по его действию на магнитную стрелку является первым взносом магнетизма в уплату его долга перед астрономией, Anzetger der k. Akad., Wien, June 15, 1871. См. Proc. R. S., Nov. 16, 1871.

472. Основные изменения магнитной силы, на которые было направлено внимание, следующие.

I. Относительно более регулярные вариации

(1). Солнечные вариации, зависящие от времени суток и времени года.

(2). Лунные вариации, зависящие от лунного часового угла и от других элементов положения Луны.

(3). Вариации, которые не повторяются в различные годы, но, по-видимому, принадлежащие к вариациям более длинного, порядка одиннадцати лет, периода.

(4). Кроме этого, существуют вековые изменения состояния земного магнетизма, которые происходят в течение всего времени с тех пор, как начали производиться магнитные измерения, и которые производят изменения магнитных компонент, значительно большие по величине, чем какие-либо вариации малого периода.

II. Возмущения

473. Помимо более регулярных изменений, магнитные элементы подвержены внезапным возмущениям той или иной степени. Обнаружено, что эти возмущения в какие-то интервалы времени оказываются более мощными и частыми, чем в другие, и тогда во время больших возмущений закономерности регулярных вариаций завуалированы, хотя во время малых возмущений они проявляются очень отчётливо. Поэтому этим возмущениям было уделено много внимания; было выяснено, что возмущения какого-то частного типа с большей вероятностью происходят в определённые времена суток, в определённые времена года или в определённые интервалы времени, хотя каждое отдельное возмущение появляется абсолютно нерегулярно. Время от времени наряду с этими более обычными возмущениями возникают чрезвычайно большие возмущения, сильно нарушающие магнетизм в течение одного или двух дней. Их называют Магнитными Бурями. Отдельные возмущения иногда наблюдаются одновременно на станциях, разнесённых на большие расстояния.

М-р Эйри обнаружил, что значительная часть возмущений, возникающих в Гринвиче, соответствует появлению электрических токов, собираемых электродами, размещаемыми поблизости в земле; причём эти возмущения оказались такими же, какими они вызывались бы прямо в магните, когда под ним протекал бы земной ток, сохраняющий своё истинное направление, но текущий по проводу.

Было выяснено, что периоды максимума возмущений бывают каждые одиннадцать лет и, кажется, совпадают с периодами максимального количества солнечных пятен.

474. Область исследований, в которую мы проникли при изучении земного магнетизма, является столь же глубокой, сколь и обширной.

Мы знаем, что Солнце и Луна воздействуют на земной магнетизм. Доказано, что это воздействие нельзя объяснить, исходя из предположения, что эти тела являются магнитами, и, следовательно, это воздействие не является непосредственным.

В случае Солнца часть его воздействия может оказаться тепловым, но этого нельзя приписать Луне. Может быть, притяжение этих тел, вызывая напряжение во внутренних частях Земли, производит (п. 447) изменения в магнетизме, уже существующем в Земле, как разновидность приливного действия, дающая полусуточные вариации?

Но величина всех этих изменений очень мала по сравнению с большими вековыми изменениями земного магнетизма.

Какой же источник, внешний ли по отношению к Земле или таящийся в её внутренних глубинах, производит столь огромные изменения в земном магнетизме, что её магнитные полюса медленно смещаются из одной части земного шара в другую? Если мы примем во внимание, что интенсивность намагниченности огромного земного шара вполне сравнима с той, которую мы с большим трудом создаём в своих стальных магнитах, эти обширные изменения в таком огромном теле вынуждают нас заключить, что мы всё ещё не знакомы с одним из наиболее мощных действующих в природе агентов, сцена активности которого лежит в тех внутренних глубинах Земли, к познанию которых у нас так мало средств доступа.