Teorie
Úvod
Skoro každý člověk zná již od dětství pomůcku pro orientaci v přírodě - kompas. Ne každý si však položí otázku, čím to je, že střelka míří právě k severu. Je dokonce možné, že těch, kteří si takovou nicotnou otázku kladou, s postupujícím technickým rozvojem ubývá. A přece je to jedna z největších záhad naší planety, a nejen jí.
zdroj: http://stargazers.gsfc.nasa.gov/ resources/magnet_in_space.htm
Výzkum zemského magnetismu přinesl cenné poznatky o Zemi a jejím vývoji. Nejsložitější geomagnetický problém - původ geomagnetického pole - je řešen řadou špičkových vědeckých týmů a je již do velké míry osvětlen, nedá se však říci, že by byl vyřešen. Je všeobecná shoda o tom, že zemský magnetismus pochází z oblasti tzv. zemského jádra, které je uvnitř Země až do hloubky 2900 km a jehož vnější vrstva je podle výsledků seismologie kapalná. Tekutá vrstva vnějšího jádra umožňuje plášti a pevné kůře, aby se otáčely relativně rychleji něž vnitřní jádro. Elektrony v jádře proto vůči elektronům v plášti a kůře vykonávají pohyb. Právě tento pohyb elektronů tvoří jakési přírodní dynamo a výsledek je magnetické pole podobné tomu, které vyvolá elektrická cívka.
Střelka kompasu ukazuje k místu poněkud vzdálenému od geografického severního a jižního pólu. Rozdíl, známý jako deklinace, se mění od místa k místu. Malá kolísání v zemském magnetismu jsou pravděpodobně způsobena malými proudy nebo víry ve vnějším jádru, jež vznikají při styku jádra s pláštěm. Velká tělesa magnetických hornin a rud v kůře mohou mít podobný účinek. Magnetické pole Země je také deformováno elektricky nabitými částicemi ze Slunce. Tyto částice proudí v horních vrstvách atmosféry a při zemi způsobují malá kolísání magnetického pole. Některá kolísání jsou pravidelná - např. denní (noc a den), některá občasná - např. magnetické bouře.
Intenzita magnetického pole
Intenzita magnetického pole (magnetická indukce) se vyjadřuje v jednotkách Tesla. Celková intenzita činí kolem 50 μT. Důležitý je také směr geomagnetického pole. Na rovníku směřuje vodorovně k severu, na severním magnetickém pólu kolmo do Země, v České republice šikmo dolů směrem k severu. Celkový vektor lze rozložit na jednotlivé složky, jak jsou nakresleny na obrázku 1.
Vertikální složka Z směřuje dolů, horizontální složka H míří k severu. Směr složky H se něco málo odchyluje od geografického poledníku, protože geomagnetický pól není totožný s pólem geografickým. Úhel mezi směrem složky H geomagnetického pole a geografickým poledníkem se nazývá magnetická deklinace D. Např. v České republice se střelka kompasu díky deklinaci odchyluje asi o 2,5° od severojižního směru k severovýchodu (přičemž zdánlivý posun severního magnetického pólu činí asi 6' k východu za rok).
Úhel mezi směrem celkového vektoru a horizontální složkou se nazývá magnetická inklinace I a ta je u nás kolem 65°.
Obr. 1 - Definice složek geomagnetického pole.
Někdy se také používají pravoúhlé složky geomagnetického pole, X (k severu) a Y (k východu), jak jsou nakresleny na obrázku 1.
- Pozn.:
- Pro názornost není velikost jednotlivých složek nakreslena ve správném měřítku, silně zvětšena je složka Y a zmenšena složka Z.
Historie měření zemského magnetismu
Působení neznámé síly na magnet provokovalo zájem učenců již ve starověku. Je to patrno například z encyklopedického díla „Naturalis historia“ od C. Plinia Staršího, který žil v 1. století po Kristu. Ostatně samo slovo „magnet“ pochází ze starověku: Magnetit se tehdy nazýval „lapis Magnes“ podle starověkého maloasijského města Magnesie, kde byla jeho naleziště.
Ve středověku jev magnetismu podnítil jedno z prvních velkých děl experimentálního výzkumu, pojednání nazvané „Epistola Petri Peregrini de Maricourt ad Sygarum de Foucancourt, militem, de magnete“. Petrus Peregrinus, který žil ve 13. století, byl francouzský učenec a voják. Ve svém „Dopise o magnetu“ poprvé definoval dipolární povahu magnetu, popsal vzájemné působení pólů a přístroje, které umožňují využití magnetu. Vyvrátil představu, že magnetka je přitahována magnetickými horami, jež údajně existují kdesi na severu. Peregrina můžeme pokládat za předchůdce tvůrců moderní vědecké metodologie.
William Gilbert
Dalším velkým přírodovědcem, který se věnoval studiu zemského magnetismu, byl William Gilbert, lékař anglické královny Alžběty I. Napsal a v roce 1600 vydal obsáhlou monografii, jejíž dlouhý název začíná slovy „De magnete“. Přestože měl k dispozici poměrně malý počet měření směru zemského pole, učinil naprosto správný závěr: Magnetické pole Země je svým prostorovým uspořádáním analogické poli koule z magnetitu, a tedy: Země sama je veliký magnet.
Edmond Halley
Zemským magnetismem se zabýval také známý astronom Edmond Halley. Zorganizoval dvě výzkumné plavby křížem krážem Atlantickým oceánem, aby podrobně prozkoumal, jak se tam mění směr magnetické střelky. V jeho době bylo totiž už dlouho známo, že kompas nemíří přesně k severu a že se její odchylky od severního směru (magnetická deklinace) místo od místa mění. Halley rozeznal, že některé prvky pole zemského magnetismu se s postupujícím časem posouvají k západu, a z toho s podivuhodnou jasnozřivostí usoudil, že Země má „jádro“, které je nositelem magnetismu, a že toto jádro se opožďuje v rotaci za vnější vrstvou Země. Svoje závěry publikoval v roce 1698, ale nesetkal se tehdy s kladnou odezvou. Dnes je zřejmé, že jeho představy byly velmi blízko pravdě.
Carl Friedrich Gauss
K poznání geomagnetického pole podstatně přispěl slavný matematik a fyzik Carl Friedrich Gauss. Vypracoval matematický postup, který umožňuje vypočítat geomagnetický vektor v libovolném bodě na Zemi nebo i nad ní, jestliže máme k dispozici určitý konečný počet měření (Alexander von Humboldt přinášel Gaussovi změřené hodnoty geomagnetického pole z různých oblastí světa, když Humboldt zkoumal zemský magnetismus na svých výzkumných přírodovědeckých cestách). Gaussův postup umožňuje také rozeznat, zdali geomagnetické pole je buzeno jen uvnitř Země nebo také mimo ni. Tuto práci vydal Gauss v roce 1839 v knize „Allgemeine therie des Erdmagnetismus“ (Obecná teorie zemského magnetismu).
Gaussův postup ukázal, že převážná část geomagnetického pole (asi 90 %) je taková, jako kdyby ji budil tzv. elementární magnetický dipól. Tento pojem si můžeme s trochou nepřesnosti přiblížit představou tyčového magnetu. Dipól je umístěn přibližně ve středu Země a svírá s její osou malý úhel (v současné době je to asi 11°). Gilbertův výrok, že Země sama je magnet, došel takto matematického potvrzení.
