История/3. История науки и техники.

 

К.ф.-м.н. М.А. Эфендиева, д.ф.-м.н.  Ю.А. Копытенко. 

 

Санкт-Петербургский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН, Санкт-Петербург

 

Результаты изучения геомагнитного поля в России от начала наблюдений до первой четверти ХХ века

 

Аннотация

В работе дается краткий обзор развития геомагнитных исследований в России до 1920г.

  

Первые измерения магнитного склонения на территории России (на Новой Земле, в устье р. Печоры, на о. Вайгач и в ряде других северных пунктах в Баренц регионе были выполнены английскими мореплавателями, пытавшихся найти северо-восточный проход в Индию и Китай в 1555-1556 гг..  Эти измерения отражены в донесениях судов Британского адмиралтейства во время их северных экспедиций [ 1].  

         Начало систематических  исследований магнитного поля Земли в России следует отнести к Петровской эпохе - первой четверти XVIII века. Создание и развитие морского флота, становление России как  морской державы, требовало подготовки собственных, российских, образованных специалистов. Первым отправляемым за границу  для обучения морскому делу россиянам дана была программа, где первым пунктом значилось « узнать чертежи и карты и компасы, а затем уже владеть кораблем  ….» [2]. В 1703г в России были открыты штурманские («навигацкие») школы. Среди учеников «навигацкой» школы оказались способные исследователи. Так, Ф.И. Соймонов произвел гидрографическое описание западного берега Каспийского моря. Результатом работы его и других российских исследователей являлась карта Каспийского моря, где было определено магнитное склонение вдоль  западного берега.

Для обеспечения судов компасами и другими штурманскими приборами   в 1721 г. в Санкт-Петербурге под руководством Адмиралтейств-коллегии была организована мастерская мореходных приборов и инструментов, которая стала родоначальником действующего и поныне АО и завода «Штурманские приборы».

Новым импульсом в развитии геомагнитных исследований в России послужил Указ Петра I, по которому в 1724 г. была учреждена в Санкт-Петербурге Академия наук. На первом торжественном публичном заседании Академии наук 27 декабря 1725 г. наука о земном магнетизме была  отнесена Академией к числу наиболее важных наук [ 3].

             По распоряжению Петра I в Санкт-Петербурге  было начато проведение систематических наблюдений магнитного склонения D, им же были написаны первые  инструкции для морского флота «По практическому  применению и обращению с компасами».  Начатый  в 1726г ряд наблюдений за изменением склонения геомагнитного поля Земли в Санкт-Петербурге (Петрограде-Ленинграде) является практически непрерывным и представляет собой один из наиболее длинных рядов наблюдений в Европе. В настоящее время наблюдения продолжаются в Магнитно-ионосферной обсерватории Воейково, входящей в состав Санкт-Петербургского филиала Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской Академии Наук. При первом определении склонения в Санкт-Петербурге оно равнялось 3,2ОW. В настоящее время оно близко к 10OE (Рис. 1).

Санкт-Петербургская Императорская Академия наук организовывала сухопутные экспедиции в Сибирь, Среднюю Азию и европейскую часть России, в которых, как правило, производилось определение магнитного склонения. Большой вклад в изучение геомагнитного поля в XVIII веке внесли   астрономы Исленев, Пикте, Румовский, Иноходцев и др.

 

           

 Рис.1. Вековой ход элементов геомагнитного поля в Санкт-Петербурге (1724-1878 гг.) Павловске (1878-1941 гг.) и в Воейково (1948-2000 гг.), построенный в СПбФ ИЗМИРАН. Стрелками отмечены годы переноса наблюдений в новую обсерваторию.

 

Многие выдающиеся российские академики работали в области земного магнетизма. Академик Леонард Эйлер был одним из первых, кто с помощью математического аппарата стремился строго рассчитать распределение магнитного поля вокруг Земли. Крупный вклад в развитии учения о геомагнетизме был сделан М.В. Ломоносовым в работе  «Рассуждение о большой точности морского пути» [3].

В XVIII столетии также были определены значения склонения и наклонения   в различных пунктах Кольского полуострова, Белого моря, в Сибири и на  востоке России (экспедиции В. Беринга, Д.Л. Овцына, братьев Лаптевых и др.). В этом же столетии русскими мореплавателями были определены склонения в Тихом океане. В. Беринг, возглавлявший «Первое морское путешествие Россиян, предпринятое для решения географической задачи: соединяется ли Азия с Америкой, и совершенное в 1727, 1728 и 1729 годах» произвел определения склонения в ряде пунктов на море и на Камчатке.

Таким образом к концу ХVIII века территория России и прилегающих к ней морей оказалась покрытой сетью пунктов наблюдений магнитного склонения  (порядка 400).Эти пункты располагались в основном на акваториях, а в континентальной части России имеется лишь очень ограниченное число пунктов Исключение составляет лишь профиль от Москвы до Крыма, связанный с работами Иноземцева [ 4 ].

В XIX в. продолжалось развитие геомагнитных наблюдений как на территории страны так и вне ее пределов во время морских экспедиций русских мореплавателей. Во время походов И.Ф. Крузенштерна, И.М. Головина, О.Е. Коцебу, М.А. Гагенмайстера, Ф.Ф. Беллинсгаузена и М.Н. Лазарева, Ф.П. Литке. Ю.Ф. Лисянского и др. были получены важные сведения о магнитном склонении и наклонении в океанах. Ф.П. Литке во время северной экспедиции 1822-1823 гг. впервые в Росси измерил напряженность магнитного поля Земли путем измерения числа колебаний магнитной стрелки. С 1803 по 1849 гг. российскими моряками было проведено 36 кругосветных плаваний. Во многих таких экспедициях участвовали ученые из Академии наук и высших учебных заведений.

         Все данные об элементах магнитного поля Земли, полученные во время сухопутных и морских экспедиций, а затем и в магнитных обсерваториях России публиковались в каталогах и отчетах экспедиций, в “Морском сборнике”,  “Записках по гидрографии” и других изданиях и внесли существенный вклад  в практическую навигацию [5].

        Начиная со второй четверти XIX в. исследования земного магнетизма в России значительно расширяются и углубляются. Во многом это связано с именем Адольфа Яковлевича Купфера [ 6]. В 1823 г. Купферу предложили должность профессора Казанского Университета.   В Казань Купфер приехал в 1824 г.,  здесь при его участии была создана первая в России магнито-метеорологическая обсерватория. Во дворе университета было построено специальное здание, не содержащее железа, в котором были установлены магнитометры и проводились  ежечасные отсчеты.  В 1825 г. Купфером совместно с французским астрономом Д.-Ф. Араго посредством сравнения времён начала магнитных возмущений в Казане и Париже был сделан вывод о глобальности и одновременности резких изменений геомагнитного поля. Пользуясь данными своих наблюдений, А.Я. Купфер определил, что горизонтальная составляющая напряженности геомагнитного поля Земли в Казани достигает максимума в феврале и минимума в сентябре-октябре, а также установил, что суточная амплитуда изменения горизонтальной составляющей летом больше, чем зимой.

В 1828 г. Купфер был избран в Академию наук, и в начале 1829 г. переведён в Санкт-Петербург. После отъезда А.Я. Купфера в Петербург работы в Казанской обсерватории продолжались под руководством профессора Казанского университета И.М. Симонова.  В 1835 г. Симоновым И. М. была разработана новая теория геомагнетизма «Опыт математической теории земного магнетизма», позже опубликованная за рубежом. [7]. Эта работа была напечатана еще до появления статьи К.Ф. Гаусса «Общая теория земного магнетизма” [8].

И.М. Симонов показал, что магнитное поле Земли, вызванное суммарным действием магнитных частиц, находящихся внутри нее, будет тождественно с полем диполя, если допустить, что частицы распределены равномерно. Выражение потенциала диполя в функции широты и долготы оказалось тождественным с первым членом разложения потенциала, выведенного К. Гауссом.  Работы И.М. Симонова и К. Гаусса заложили основы современного представления о магнитном поле Земли, и появление их можно считать началом современного этапа в ходе развития науки о земном магнетизме. С этого времени начинается быстрое накопление  и систематизация материалов о распределении элементов геомагнитного поля, создается целый ряд гипотез о происхождении магнитного поля Земли.

 В Санкт-Петербурге  А.Я. Купфер получил от Академии наук поручение об организации сети магнитных обсерваторий в стране, включая непосредственно в Санкт-Петербурге. В Петербурге первые регулярные магнитные наблюдения были сделаны Купфером в физическом кабинете Академии(1829г.). Магнитный павильон или, как его называли, «Магнетическая обсерватория» в Петербурге был построен  в 1830 г. вблизи Петропавловской крепости между гласисом (пологой земляной насыпью) и наружным рвом Петропавловской крепости. Под  руководством Купфера деревянный павильон был построен без железа,   с прочно установленными в грунте каменными столбами для инструментов [6].  

В 1829 г. Купфер совместно с Ленцем и другими исследователями совершил экспедицию на Кавказ. При подъеме на Эльбрус провел магнитные измерения, в результате которых пришел к заключению, что сила земного магнетизма с высотой убывает.

В результате ряда экспедиций  (1828-1830 гг.), т.е. в течение  трех лет Сибирь и Восток Европейской части России были покрыты рядом маршрутов, количество пунктов магнитных измерений на которых достигало 500. Можно считать, что за эти три года была проведена по существу как бы первая рекогносцировочная съемка России.  Измерения 1828-1830 гг. позволили построить приближенные карты по трем элементам магнитного поля для всей территории России.  С 1800 по 1830 гг.  всего были выполнены наблюдения на  более чем 900 пунктов, включая  повторные пункты.

В 1833 г. Купфер составил объяснительную записку и проект учреждения системы магнитных и метеорологических наблюдений в  России.

В 1841 г. Магнитная обсерватория была объединена с Метеорологической обсерваторией Академии наук и перенесена под названием «Нормальная обсерватория»   на 23-ю линию Васильевского острова.  Административно  обсерватория,   подчинялась Горному ведомству (коллегии) министерства финансов.

В 1834 г. в России был принят закон об основании первой в мире постоянно действующей системы магнитных и метеороло­гических наблюдений во главе с магнитно-метеорологической обсерваторией в Санкт-Петербурге (Нормальной обсерваторией). В основу этого документа был положен проект А. Я. Купфера. Благодаря его усилиям русская геофизика была выведена на первое место в мире, а основанная им система магнитных и ме­теорологических наблюдений признана образцовой для стран Европы. Примерно за 10 лет на территории России было по­строено и открыто семь магнитных обсерваторий: в Гельсинг­форсе (Хельсинки), Казани, Екатеринбурге, Барнауле, Нерчин­ске, Тифлисе (Тбилиси), Ситке (Ситхе, Аляска) и даже в Пекине при посольстве России в Китае. Часть из этих обсерваторий дей­ствуют (с некоторыми перерывами в наблюдениях) до сих пор.

Благодаря энергии и стараниям А. Я. Купфера в 1849 г. на ба­зе Петербургской магнитно-метеорологической обсерватории создается Главная физическая обсерватория (ГФО). В 1836 г., проектируя создание ГФО, А. Я. Купфер писал, что такого заве­дения в Европе еще нет и создание его составит новую эпоху в науке подобно первой астрономической обсерватории в Париже. Главная физическая обсерватория, так же как и периферийные обсерватории, была подчинена корпусу горных инженеров Ми­нистерства финансов. Однако в 1865 г. ГФО была передана в сис­тему Российской академии наук. Создание ГФО было знаменательным шагом в развитии метеорологических и геомагнитных исследований в России. ГФО явилась, по-существу, родоначальником двух крупных научных учреждений, действующих и в настоящее время: Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской академии наук и Главной геофизической обсерватории им. А.И.. Воейкова Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. [9, 10].

Под руководством А. Я. Купфера в Петербургской обсервато­рии выполнялись не только систематические геомагнитные и метеорологические наблюдения, но проводилась исследователь­ская работа. Так, на основании одновременных наблюдений в Петербургской обсерватории и на временной обсерватории в г. Николаеве было показано, что геомагнитные возмущения возрастают с увеличением широты пункта наблюдения.

На основании одновременных наблюдений в Петер­бурге, Николаеве и Ситке А. Я. Купфером было установлено су­ществование второй волны в суточном ходе магнитного склоне­ния.

В 1868 г. через три года после смерти А. Я. Купфера директо­ром ГФО был назначен академик Г. И. Вильд. Он уделял большое внимание разработке и созданию аппаратуры для измерений геомагнитного поля. Так, был создан индукционный инклина­тор, разработаны магнитографы. Магнитографы Вильда— Эдельмана долгое время использовались для наблюдений в маг­нитных обсерваториях. Под руководством Г. И. Видьда были созданы магнитные теодолиты Вильда—Фрайберга, отличавшие­ся высокой для того времени точностью, и ряд других приборов. Постоянно совершенствовалась работа магнитных самописцев.

При Г. И. Вильде началась публикация ежечасных значений силовых компонентов магнитного поля и магнитного склонения. Большая работа проводилась по определению магнитного поля в различных пунктах России.

С ростом Петербурга на Васильевском острове появились но­вые жилые дома, таможня, заводы, которые создавали помехи, мешающие магнитным наблюдениям. К началу 70-х годов воз­ник вопрос о срочном переносе обсерватории за черту города.

В июне 1875 г. правительством России было принято решение об учреждении магнитной и метеорологической обсерватории в г. Павловске под Санкт-Петербургом. В 1878 г. Павловская магнитно-метеорологическая обсерватория была открыта. Учре­ждение Павловской обсерватории стимулировало развитие в Рос­сии наук о Земле, в частности геомагнетизма. Тщательно проду­манное расположение научных павильонов, расстановка прибо­ров в павильонах, исключающая их взаимное влияние, учет раз­личных факторов, искажающих результаты абсолютных и ва­риационных наблюдений магнитного поля Земли (МПЗ), в пер­вую очередь обеспечение постоянства оптимальной температуры в вариационном павильоне и минимальной абсолютной влажно­сти, четкая организация наблюдений, регулярное издание их результатов поставили Павловскую обсерваторию в ряд образцовых обсерваторий мира. В дальнейшем Павловская обсерватория служила эталоном при основании подобных учреждений в Рос­сии и за рубежом.

Комплекс геомагнитных наблюдений с первых лет деятельно­сти Павловской обсерватории включал: абсолютные определения геомагнитных элементов (склонения, наклонения и горизон­тальной составляющей) с помощью универсального магнитного теодолита, определения производились один раз в неделю; фото­графическую регистрацию вариаций геомагнитных элементов (склонения, горизонтальной и вертикальной составляющих) с помощью магнитографа Эди; визуальные наблюдения вариаций компонентов геомагнитного поля три раза в сутки с помощью одно- и двунитяного магнитометров и Лойдовых весов.

Этими работами было положено начало длительному ряду од­нородных непрерывных геомагнитных наблюдений (см. рису­нок 1).

Обсерватория регулярно проводила работы, связанные с по­вышением точности геомагнитных наблюдений. Здесь были раз­работаны и изготовлены приборы различной портативности: универсальные магнитные теодолиты, одно- и двунитяные маг­нитные теодолиты, индукционные инклинаторы, магнитографы с регистраторами, предназначавшиеся для стационарных и поле­вых наблюдений. Этими приборами оснащались вновь созданные обсерватории. Приборные разработки и методические исследова­ния, проводившиеся в обсерватории, позволили на порядок по­высить точность измерений компонентов геомагнитного поля.

В 1882—1883 гг. Павловская обсерватория активно участвует в проведении Первого международного полярного года (МПГ). Г. И. Вильд был избран президентом Международной по­лярной комиссии. Для работы в период МПГ были построены две магнитные обсерватории в арктической зоне — на Новой Земле и в устье р. Лены. В результате выполнения геомагнитных наблю­дений в Арктике появляются работы сотрудников ГФО о связи между магнитными бурями и полярными сияниями.

В 80-х годах XIX в. возникает необходимость выполнения магнитной съемки всей территории России (Генеральная маг­нитная съемка). Это было вызвано в первую очередь практиче­ской необходимостью решения задач геологии (по поиску желе­зорудных месторождений), навигации, топографии, землеуст­ройства и др. [11].

Первая планомерная магнитная съемка европейской части России была проведена доцентом Казанского университета И. Н. Смирновым в 1871—1878 гг., в результате которой были выявлены значительные (интенсивные) магнитные аномалии в Курской губернии (широко известная Курская магнитная ано­малия), а также аномалии на Урале и в районе Риги [12].

Значительную роль в проведении Генеральной магнитной съемки (ГМС) страны сыграла Павловская обсерватория, так как еще в 70-х годах XIX в. там были начаты разработки и изготов­ление приборов для экспедиционных наблюдений и их испыта­ния в полевых условиях. В 1896 г. директором ГФО становится академик М. А. Рыкачев. В этот период в Академии наук созда­ется специальная Комиссия по магнитной съемке России, ее председателем назначается М. А. Рыкачев.

В 1908 г. Академия наук возложила на Павловскую обсерва­торию ответственность за проведение сравнения приборов с при­борами филиальных магнитных обсерваторий и центральных обсерваторий зарубежных стран, подготовку наблюдателей и по­верку полевых приборов. Кроме того, в 1910 и 1911 гг. Павлов­ская обсерватория выполнила магнитную съемку всей Петер­бургской и части Новгородской губерний.

С началом первой мировой войны (1914 г.) магнитные съемки на территории России практически прекратились из-за значи­тельного сокращения финансирования.

В 1916 г. директором ГФО был назначен академик А. Н. Крылов. Им была написана монография „Земной магнетизм", изданная уже при советской власти в 1922 г. Монография была учебным посо­бием по геомагнетизму и служила ряду поколений геомагнито­логов. Магнитными работами в эти годы (1914—1918 гг.) в ГФО руководил проф. М. А. Аганин.

После революции и завершения гражданской войны в 1921 г. была организована Гидрометеорологическая служба РСФСР. В 1924 г. Главная физическая обсерватория была переименована в Главную геофизическую обсерваторию (ГГО) и стала научно-методическим центром, отвечающим за работу всех магнитных обсерваторий, существовавших в то время в СССР.

Основной задачей геомагнитного отделения ГГО была подго­товка к возобновлению Генеральной магнитной съемки СССР, начатой, как было сказано выше, Академией наук в 1910 г. и прерванной в первую мировую войну. Поэтому работы отделения были направлены на составление руководств и инструкций для производства магнитных измерений, изучение векового хода, разработку новой методики магнитных измерений и создание магнитометрической аппаратуры. Сотрудниками ГГО велись съемочные работы на пунктах векового хода и на абсолютных пунктах, включая и гео­лого-разведочные работы методического характера, а также осуществля­лся сбор, систематизация и подготовка к печати всех магнит­ных измерений, произведенных в СССР и сопредельных странах. Отделение инспектировало периферийные магнитные обсервато­рии. Проводились исследования по теоретическим вопросам зем­ного магнетизма.

Большую роль в выполнении перечисленных работ в то время сыграли профессора Н. В. Розе (руководитель отделения), Е. В. Кракау, Н. Е. Малинина, М. С. Пенкевич, несколько поз­же — профессора Б. П. Вейнберг, Н. Н. Трубятчинский и ряд других сотрудников.

                    

Список литературы.

 

1. Яновский Б.М. Земной магнетизм. Т. I. Изд. Лениградского университета. 445 с. 1964. 

         2. Ключевский В.О. О русской истории. М.: Просвещение. 576 с. 1993.

 3. Копытенко Ю.А., Касьяненко Л.Г., Колесова В.И., Эфендиева М.А. Развитие фундаментальных и прикладных геомагнитных исследований учеными Санкт-Петербурга и Ленинграда в интересах военно-морского флота России // В кн. «Наука Санкт-Петербурга и морская мощь России (автор-составитель А.А. Родионов). СПб.: Наука. С.346-372. 2001

4. Иванов М.М., Малинина Н.Е., Пенкевич М.С., Почтарев В.И. Магнитное поле Земли. Т. I. История организации и описание работ по генеральной магнитной съемки СССР. Л.: ГИМЕЗ. 196 с. 1957.

        5.  Малинина Н.Е.. Изучение магнитного поля Земли в СССР. М.:Наука,

59 с. 1978.

       6.  Пасецкий В.М. Адольф Яковлевич Купфер (1799-1865). М.: Наука. 202 с. 1984.

       7. Simonoff J. M. Sur le magnetism terrestre // Journal fur die Reine und Angewandte Matematik, B.XVI, Berlin, 1837.

      8. Gauss K. F. Resultate ans den Beobachtung des magnetischen Vereins in Jahre 1838. Gottingen, S.1-57. 1839.

      9. Рыкачёв М.А. Исторический очерк Главной физической обсерватории за 50 лет её деятельности. СПб. 17-21 c. 1899.

     10. Распопов О.М., Копытенко Ю.А., Эфендиева М.А., Мещеряков В.В. Развитие геомагнитных исследований в России: от начала наблюдений до 1918г. // История наук о Земле. 2009. Т.2. №1. с 18-43.

     11.  План магнитной съемки России, выработанный Магнитной комиссией при Имп. Акад. Наук. Метеорологический вестник, № 12. 1910.

     12. Смирнов И.Н. Краткие отчеты о магнитных исследованиях в России. Известия и  Ученые записки Императорского Казанского университета за 1873-1879 гг.

     13. Тилло А.А. Результаты определений горизонтального напряжения земного магнетизма по наблюдениям И.Н. Смирнова, произведенным на пространстве России в 1872-1878 гг. // Метеорологический сборник Имп. Академии наук. Т.IX, №4. СПб. 1885.