Куда показывает компас?

Опубликовал DM Lyrae, 13 Oct 2017.
+T-
Силовые линии магнитного поля Земли.

Думаешь, что знаешь ответ? Давай проверим: стрелка компаса выравнивается по силовым линиям магнитного поля Земли. С истинными меридианами они связаны простенькой функцией , рассчитать которую под силу любому туристу, кладущему под голову справочник по мат. анализу. С практической точки зрения это значит, что стрелка показывает на магнитный полюс только в исключительных случаях, а по большей части показывает в никуда. Для многих это откровение, но если ты, %username%, проводил в школе опыт с рассыпанием металлической стружки вокруг магнита, то наверняка понимаешь о чём идёт речь. Впрочем, проверить разницу между магнитным склонением и азимутом на магнитный полюс можно самостоятельно: сегодня () северный полюс обитает по адресу 86.4° широты и -65.15° долготы. Калькулятор магнитного склонения есть на сайте.

Теперь, когда с интригой покончено, можно перейти к действительно важным вопросам: как пользоваться компасом, как мы дошли до такой непростой жизни и, конечно же...

Кто продинамил динозавров

В начале прошлого века Альберт Эйнштейн выразил открытое недоверие "теории динамо", согласно которой магнитное поле Земли образуется из-за банального остывания планеты. Сегодня это основная версия, о которой принято рассуждать в приличном обществе:

  • жидкая часть ядра планеты содержит много железа и при высоких температурах является хорошим проводником;
  • остывание планеты приводит к появлению конвекционных потоков;
  • силы инерции закручивают конвекционные потоки в спирали, что приводит к трению остывающих потоков друг о друга;
  • трение приводит к появлению контурных токов и слабого магнитного поля;
  • если всё складывается удачно, то движение проводников в магнитном поле приводит к самовозбуждению токов и усилению поля.

Несложно заметить, что система крайне нестабильна, а если вспомнить про нестабильное солнечное излучение, то за будущее планеты становится тревожно. И не зря: взгляните на Марс, магнитное поле которого слабее земного в 500 раз. Ядро Марса вращается относительно внешних слоёв слабо, из-за чего эффект динамо на нём не работает, по планете гуляет солнечный ветер, а радиация на поверхности такова, что за один день марсоход получает дозу облучения, соответствующую годовой норме жителя Греции. Да, магнитное поле не только указывает направление, но и защищает нас от гнёта космической радиации.

Полярное сияние будет, пока у Земли есть магнитосфера.

В масштабах эонов планетарное динамо ведёт себя хаотично: сила магнитного поля и распределение силовых линий меняются, а инверсия полюсов — обычное явление, способное происходить случайно. При инверсии магнитного поля полюса меняются местами, происходит жуткая катавасия, стрелка компаса указывает только в туманное будущее, а магнитосфера слабеет в сотни раз. По одной из версий мел-кайнозойское вымирание связано как раз с таким неприятным происшествием, но, к счастью для Homo Sapiens, последняя инверсия произошла примерно 720 тыс. лет назад и в ближайшем будущем нам не грозит. Впрочем...

Северный полюс едет в Россию

С достоверной точностью сказать, куда движется Северный полюс невозможно, но в начале этого века он оставил берега Канады, где бродяжничал почти век, и отправился в затяжное путешествие через Арктику. Расчёты показывают, что при таком темпераменте, он попадёт в Сибирь в ближайшие 30 лет. Почему он перемещается так быстро? Магнитный полюс — это область на поверхности планеты, в которой силовые линии поля уходят под землю, т.е. компас показывает строго вниз, на сам магнит. Помимо магнитного, существует ещё и геомагнитный полюс — теоретическая точка, в которой ось планетарного магнита пересекает поверхность планеты. Геомагнитный полюс относительно устойчив и начнёт двигаться только при инверсии поля, магнитный полюс зависит от магнитного момента (силы поля) и кучи разных факторов, включая солнечное излучение, приливные силы и просто неизученных пока влияний. Поэтому предположение о его визите в Россию строго научным назвать нельзя.

Джеймс Росс умел пользоваться компасом, поэтому привёл «Эребус» к полюсу.

Про разницу между географическими и магнитными полюсами знали даже его вероятные изобретатели — китайские мастера династии Хань (первый век н.э.), однако движением полюсов научное сообщество озаботилось только в середине прошлого века, когда стали проводиться его регулярные измерения. Результатом этой озабоченности стало создание Международного аналитического поля — математической модели, обновляемой каждые пять лет по данным институтов разных стран мира. Дело в том, что технически движение полюса заметить не так просто, а для точных вычислений требуется большой объём измерений. Накопить его было непросто. Средневековые моряки умели пользоваться компасом, часами и Полярной звездой. Направление на неё совпадает с осью вращения земли, т.е. она указывает на географический север, её высота над горизонтом — широта местности. Разница между направлением на Полярную звезду и показаниями компаса совершено очевидна, и у моряков была прекрасная возможность измерять эту разницу в разных частях света. В 1701 г. Эдмон Галлей завершил многолетнее исследование Атлантики и сделал первую карту магнитных склонений (отклонение компаса в горизонтальной проекции), позволившую Англии усилить морскую гегемонию. Такие карты стали выпускать регулярно, пока к 20-му веку они не превратились в периодические издания.

Данных о магнитном склонении накапливались, но структура магнитного поля не давала морским исследователям найти точное положение полюса. Выдвигались такие странные версии, как гипотеза Кристофера Ханстина о четырёх магнитных полюсах (ради её доказательства норвежец в 1826-28 гг проделал сложное путешествие по Сибири, где обнаружил, что его третий полюс является Восточно-Сибирской аномалией). Конец поискам Северного полюса положил Джеймс Росс в 1831 году, для чего ему пришлось пройти 200 км от необитаемого, северного берега Канады. Этому простому походу предшествовала чудовищная по сложности экспедиция Джона Росса (дяди Джеймса), корабль которого волей судьбы на 4 года оказался зажат льдами и по время долгого дрейфа прошёл рядом с "магнитной аномалией". Но ещё сложнее оказалась четырёхлетняя экспедиция Джеймса к Южному полюсу (1839-43), увенчавшаяся относительным успехом (положение Южного полюса было определено с точностью до 300 км). Повторить исследования Росса на Северном полюсе удалось только спустя 60 лет, когда в 1904 г. через полюс проследовал Руаль Амундсен. Третье измерение датируется 1948 годом: пролетевшие над полюсом Поль Серсон и Джек Кларк зафиксировали смещение на 400 км. Игнорировать его перемещение было невозможно и экспедиции стали повторяться раз в десятилетие.

Сегодня в прямых наблюдениях нет нужды: международная магнитная модель (WMM) позволяет вычислить положение полюса с помощью относительных измерений. На основе WMM также моделируется движение полюса, которое как раз показывает его стремление переместиться к берегам России. С практической стороны это значит, что при ориентировании по компасу свежесть данных о магнитном склонении имеет большое значение: за год оно меняется на 0.3-0.7°.

Схема азимутов при планировании движения.

Как пользоваться компасом

Точку старта и финиша на карте соединяет линия кратчайшего пути. Чтобы найти её в реальности, нужно получить направление на финиш из стартовой точки. Как это сделать, если единственная известная нам величина — показания компаса? Правильно, отложить от направления стрелки компаса угол и придерживаться его по ходу движения. Этот угол (при некоторых оговорках) называется азимутом и отсчитывается от направления магнитной стрелки в градусах (или в румбах, при желании) по часовой стрелке. Т.е. условный Север — это 0°, Запад — 270°. Найти азимут можно несколькими путями:

  • Взять азимут непосредственно на местности;
  • Отложить азимут по карте, прибавив к нему магнитное склонение.

Первый способ хорошо подходит для пересечённой местности, когда с первой возвышенности маршрута видна вторая, а со второй третья и т.д. Пользоваться компасом в таких случаях относительно просто: нужно встать на возвышенность, совместить стрелку компаса с 0° и визуально определить с помощью транспортира компаса градус, указывающий на следующую точку пути. В хорошем компасе для этого делается визирная мушка, через которую нужно смотреть на конечный объект. Второй способ ориентирования по компасу используется, когда точка стояния известна и может быть отмечена на карте. Компас кладётся на карту так, чтобы центр находился на точке стояния (положение наблюдателя), 0° соответствовал географическому северу (меридиану, линие долготы). Транспортир компаса в таком случае используется как обычный транспортир, который хорошо дополнить линейкой или любым ровным предметом. Карта даёт истинный азимут, поэтому к нему прибавляется величина магнитного склонения местности (если склонение восточное) или вычитается (если склонение западное).

Чтобы не искать азимут глазами постоянно, компас позволяет его выставить один раз. Для этого осевая линия компаса или другое визирное приспособление совмещается с нужным азимутом путём вращения транспортира, а при движении компас держится так, чтобы стрелка компаса была совмещена с 0°. Однако перед тем, как начать пользоваться компасом в лесу, стоит проверить устройство в городе. Большинство компасов имеет компактные размеры, и стрелка на них сильно качается при движении (исключение — компасы из редкоземельных магнитов, типа "Москомпас", или компасы с арретиром), поэтому к их показаниям во время движения стоит отнестись крайне придирчиво. Для уменьшения погрешности компас не используют постоянно, а находят с его помощью ориентиры в пределах видимости и двигаются к ним, чтобы повторить измерения и двинуться к следующей точке. Чем дальше ориентир, тем меньше влияние погрешностей. Что может служить ориентиром? Упавшее дерево, скала, пролетающий в небе орёл... Словом, любой неподвижный объект.

Обход препятствия при видимой точке возвращения на азимут и без (справа).

Как пользоваться компасом, если двигаться приходиться в густом лесу? Практика показывает, что азимут всегда всегда указывает в мордохлыст и бурелом, так что движение строго по азимуту неизбежно связано с замедлением движения. На помощь приходит карта: на сложной местности необходимо постоянно сличать визуальные наблюдения с картографическими данными и отмечать отклонение от первоначального азимута. Кроме того, с помощью карты можно взять промежуточные азимуты для огибания болота или другого локального препятствия, при условии, что все точки поворота можно зафиксировать на карте при определении расстояния шагами.

Найди себя на карте

С помощью компаса можно определить своё положение через пересечение азимутов, если в пределах видимости есть ориентиры указанные на карте. На каждый из них берётся азимут, из него вычитается (!) магнитное склонение, на карте от ориентиров отмечаются обратные азимуты (-180°) и находится точка пересечения. Пользоваться компасом в таком случае нужно с большой осторожностью: погрешность для острых углов велика. Этим же принципом пользуются при нахождении точки стояния на линейном объекте (ЛЭП, дорога, лесополоса, край поляны): нужен только один азимут, который на карте пересечёт линию объекта.

При использовании компаса для расстояний свыше условных 100 км в дело вступает кривизна Земли. Эта поправка несущественна для туристов, но имеет огромное значение для навигации. Карты малого масштаба для приведения криволинейной формы планеты к плоскому прямоугольнику карты использует развёртку Меркатора. На карте Меркатора правильно сохраняются углы к меридианам, но азимут, взятый по такой карте, не соответствует направлению кратчайшего движения. Строго говоря, азимут при движении по кратчайшему маршруту на сфере меняется непрерывно (если вы не движетесь по экватору), что легко видеть через формулу Винсенти (через неё азимут рассчитывается по двум координатам) или её упрощённый вариант - формулу гаверсинусов. В пределах туристических походов это отклонение, к счастью, редко выходит за пределы градуса даже для полного маршрута. Так что компасом вполне можно пользоваться для ориентирования на любой местности, что, несомненно, приятнее, чем доверять GPS или, что ещё хуже, смартфону.

Локсодрома - азимут по Меркатору, ортодрома реальный кратчайший путь.

#азимут#подготовка#ориентирование