Безусловно, из-за наличия вековых и других вариаций поле земного магнетизма изучать исключительно сложно и, естественно, значительно сложнее, чем другие геофизические поля, такие, как тепловое, гравитационное и др. Установлено, что глубокое проникновение в законы формирования этого поля крайне важно для познания происхождения, устройства и развития планеты Земля, ее океанов и строения океанского дна. Об использовании знания этих законов для обоснования теории горизонтального перемещения материковых плит будет рассказано позже.
Как видим, изучение поля земного магнетизма необходимо для решения как чисто практических задач мореплавания, так и для объяснения фундаментальных законов природы. Недаром в связи с этим великий немецкий математик XIX в. Карл Ф. Гаусс, получивший выдающиеся результаты в теории земного магнетизма, отмечал: «Непрестанное усердие, с которым в новейшее время стремятся исследовать направление и величину земной магнитной силы во всех частях земной поверхности, представляет тем более радостное явление, чем очевиднее при этом проявляется чисто научный интерес. В самом деле, сколь ни важно для мореплавателя возможно точнее знать склонение, эта потребность не распространяется далее, и все, что лежит вне ее, остается для мореплавателя почти безразличным. Однако наука, которая охотно способствует материальным интересам, ими не ограничивается, а требует равного усердия для всех элементов своего исследования».
Громадное значение в изучении магнитного поля. Земли имели магнитные съемки океанских просторов. Значителен вклад в это важное дело советских ученых. К началу Международного геофизического года 1956–1957 гг. была построена немагнитная мотопарусная шхуна «Заря», экспедиции на которой в последующем позволили собрать поистине бесценный материал.
Даже опытных мореплавателей приводят в восхищение смелые рейсы этого судна. Надо обладать большим мужеством, чтобы на таком судне водоизмещением всего 600 т пересекать необозримые океанские просторы, бороться с холодными штормами в Гренландском и Норвежском морях, стойко переносить удушающую влажную жару тропиков, выдерживать неожиданные шквалистые ветры Индийского океана и выполнять при этом непрерывно изо дня в день, из месяца в месяц научные наблюдения.
Шхуна «Заря» – немагнитное судно. Это дает возможность фиксировать на ней истинные величины элементов магнитного поля Земли, что невозможно делать на судах другого типа из-за помех, вызываемых магнитным полем корабля. Буксируемые же за кораблем приборы не дают полного комплекса всех элементов магнитного поля Земли.
Проведенные на «Заре» магнитные наблюдения в Мировом океане являлись составной частью. международной программы по магнитной съемке Земли, которая выполнялась учеными разных стран. Использование полученных на «Заре» данных дало возможность построить магнитные карты на новом качественном уровне и более высокой точности, получить сведения о суммарном изменении магнитного поля Земли за многие десятилетия, о физических процессах, протекающих в недрах Земли, о связях между характером аномального магнитного поля на водной поверхности с крупнейшими структурными особенностями океанического дна.
Помимо магнитных наблюдений на «Заре», по всему маршруту следования судна проводились ионосферные наблюдения с помощью автоматической ионосферной станции и наблюдения за космическими лучами. Исключительно важен и непрерывный эхолотный промер глубин, запись рельефа дна в районе магнитных наблюдений.
Мировая научная общественность высоко оценила результаты исследований, проведенных с борта «Зари». Как отмечал многолетний научный руководитель магнитных наблюдений на «Заре» доктор физико-математических наук M. M. Иванов, результаты проведенных исследований показали, что на магнитных картах, составлявшихся в середине 50-х гг., характеристика больших участков Мирового океана (особенно в Южном полушарии, в частности, в Индийском океане) дана со значительными систематическими погрешностями. Было установлено также, что появление этих ошибок объясняется совершенно неудовлетворительным знанием действительного распределения векового хода магнитного поля в океанах. Сопоставление результатов наблюдений на «Заре» с данными прежних наблюдений позволило построить карты суммарных изменений поля за несколько последних десятилетий.
Как же устроена шхуна «Заря» и в чем ее принципиальное отличие от других НИС?
Конструкторам и судостроителям пришлось проявить большое искусство, чтобы создать судно без собственного магнитного поля. Корпус «Зари», шпангоуты, палубы, мачты – деревянные, все металлические соединения обшивки корпуса – медные, а многочисленные блоки такелажа – из меди и дерева. Ванты, крепящие мачты и стеньги, – из медных тросов. Более того, якорные цени, обычно изготовляемые из прочных стальных звеньев, здесь пришлось делать также из меди, как и якоря и брашпиль. Можно представить, какие трудности встретились при размещении заказов – ведь весь флот применяет эти изделия, изготовленные из стали, которая много прочнее, весит меньше и стоит дешевле.
Но ста большие трудности встретились при насыщении машинного отделения. Все насосы, трубопроводы, генераторы и сам главный двигатель также пришлось изготавливать из меди, бронзы или в крайнем случае из маломагнитной стали. И только гребной вал был изготовлен из стали с учетом предстоящей тяжелой работы, которая была бы не по силам медному валу такого же сечения. Винт на судне установлен бронзовый.
Насколько важно было до предела ограничить наличие на судне предметов, обладающих магнитным полем, свидетельствует такой пример. В 1964 г. жители Таллинна могли наблюдать довольно странную картину: старший помощник капитана В. И. Узолин ходил по универмагу и, пользуясь магнитом, подбирал немагнитные ложки, вилки, чайники и прочий кухонный и хозяйственный инвентарь. Поскольку кают-компания расположена над магнитометрическими датчиками, всегда приходится помнить пословицу: «Комар в твоей комнате страшнее льва, который в Африке».
Обычный срок службы деревянных судов 10–15 лет, но ветеран – шхуна «Заря» благодаря хорошей эксплуатации и заботе об ее техническом состоянии успешно плавает до сих пор.
Многолетние исследования позволили ученым наблюдаемое на поверхности Земли магнитное поле разделить как бы на три части и изучать эти части раздельно. Советские морские магнитологи А. Н. Пушков и Л. Г. Касьяненко в первую очередь выделяли главное геомагнитное поле, предполагая, что его истоки находятся глубоко в Земле и поэтому оно должно иметь существенно плавный, гладкий характер на земной поверхности.
Второй частью является аномальное геомагнитное поле или поле магнитовозмущающих источников, находящихся в земной коре. Верхней границей источников считается сама поверхность Земли, а нижней – глубина, на которой из-за высокой температуры исчезают магнитные свойства пород. Третьей частью является внешнее переменное геомагнитное поле, обусловленное источниками токовой природы, существующими в высокопроводящих слоях атмосферы (ионосфере и магнитосфере) на высотах от сотен до тысяч километров.
Как видим, почти 1000 лет используют моряки поле земного магнетизма для определения пути в океане, почти 400 лет изучают это поле ученые и уже многое известно о его распределении в пространстве и изменении во времени. Теперь следует сказать о главном парадоксе, связанном с магнитным полем Земли. Оказывается, что, несмотря на солидный срок практического использования и вполне приличный срок изучения, глубинные причины его возникновения и поддержания до сих пор точно не установлены.
Второй парадокс заключается в том, что, даже изучив в совершенстве его изменения и вариации, мы мало продвинемся к определению причин его возникновения и объяснению причин изменения. Дело в том, что, основываясь только на внешних проявлениях магнитного поля Земли, нельзя однозначно судить о его природе. Одно и то же магнитное поле может вызываться и электрическими токами в глубинных слоях Земли, и залегающими в литосфере магнитными породами. Все это крайне осложняет разработку теории, объясняющей причины возникновения и поддержания магнитного поля Земли.