地磁気の歴史

地磁気の歴史は、地球の磁場の研究の歴史に関するものです。地磁気の歴史には、コンパスを使用した航海の歴史、先史時代の磁場の研究 (考古地磁気学と古地磁気学)、およびプレートテクトニクスへの応用が含まれます。

磁気は先史時代から知られていましたが、地球の磁場に関する知識はゆっくりと発展しました。地球の磁場の水平方向は紀元前4世紀に初めて測定されましたが、垂直方向は西暦1544年まで測定されず、強度は1791年に初めて測定されました。最初は、コンパスは天空の場所を指していると考えられていましたが、その後、磁気の山を指しています。地球の磁場を理解するための現代の実験的アプローチは、ウィリアム・ギルバートが1600年に出版した本「de Magnete」から始まりました。地球の磁気モデルを使った彼の実験により、地球自体が大きな磁石であることが確信されました。

磁気の存在に関する知識は、おそらく先史時代の鉄の製錬の発達にまで遡る。地球の表面では、鉄は隕石から得られる。この鉱物の天然磁石は磁性鉱物の磁鉄鉱を豊富に含み、落雷によって磁化される。大プリニウスは著書『博物誌』の中で、クレタ島の羊飼いマグネスの鉄鋲のブーツが道に張り付いたという伝説を語っている。磁気の性質に関する最も古い考えは、タレス（紀元前 624年頃～紀元前 546年頃）によるものとされている。^{[1] [2]}

古代には、磁気の性質についてはほとんど知られていなかった。磁石の2つの極や北を向く傾向について言及している文献はない。磁気の起源については主に2つの説があった。1つはアクラガスのエンペドクレスが提唱し、プラトンとプルタルコスが取り上げた説で、物質の細孔から染み出る目に見えない悪臭を主張するものである。アブデラのデモクリトスはこの悪臭を原子に置き換えたが、メカニズムは本質的には同じであった。もう1つの説は、類似の物体間の共感という形而上学的原理を主張するものである。これは、完璧を目指す目的を持った生命力によって媒介される。この説は大プリニウスとアリストテレスの著作に見られ、タレスは磁石に魂があると主張した。^[2]中国では、同様の生命力、つまり気は磁石を動かすと信じられていたため、中国人は初期の風水にコンパスを使用していた。^[3]

いくつかの古典的な考えは、磁気に関する最初の科学的実験が行われたずっと後まで残っていた。プリニウスにまで遡る信念の一つは、ニンニクやタマネギを食べると発生する煙がコンパスの磁気を破壊し、役に立たなくするというものだった。ウィリアム・ギルバートが1600年にこれを反証した後も、イギリス船の操舵手がニンニクを食べたために鞭打ち刑に処されたという報告があった。^[4]しかし、この信念は普遍的とは程遠いものだった。1558年にジャンバッティスタ・デッラ・ポルタは次のように報告している。「私が船員たちに、ニンニクやタマネギを食べることが禁じられているのはそのためなのかと尋ねたところ、彼らはそれはおばあちゃんの作り話でばかげた話であり、船員はニンニクやタマネギを食べるのを控えるくらいなら命を落とすほうがましだと言った。」^[5]

特定の場所において、地球の磁場を完全に表現するには、3つの座標を持つベクトルが必要です (図を参照)。これらは、直交座標(北、東、下) または球座標(偏角、傾斜、強度) になります。後者のシステムでは、磁北の方向を確定するために、まず偏角 (真北からの偏差、水平角) を測定する必要があります。次に、磁北に対する傾斜 (垂直角) を測定できます。^[6]中国では、水平方向は紀元前4世紀にはすでに測定されており、偏角の存在は1088年に初めて認識されました。ヨーロッパでは、これは15世紀半ばまで広く受け入れられませんでした。傾斜 (磁気傾斜とも呼ばれる) は、1544年に初めて測定されました。強度は、電磁気学の理解が進んだ後の1791年まで測定されませんでした。

磁気コンパスは紀元前4世紀に中国に存在していた。陸上での航海だけでなく、風水にも使われていた。良質の鋼鉄の針が鍛造されて初めて、コンパスは海上での航海に使われるようになった。それ以前は、コンパスは磁力を長く保てなかった。磁北と真北の差である磁気偏角の存在は、1088年に沈括によって初めて認識された。 ^[3]

ヨーロッパで最初にコンパスについて言及したのは、1190年のアレクサンダー・ネッカムである。ネッカムはコンパスを船乗りの一般的な航海補助具として記述しているため、コンパスはそれより以前にヨーロッパに導入されていたに違いない。この知識が中国からヨーロッパに伝わったのか、それとも別途発明されたのかは明らかではない。この知識が伝わったとすれば、最も可能性が高いのはアラブ商人による仲介だが、アラビアの文献ではネッカム以降までコンパスについて言及されていない。慣習にも違いがあり、中国のコンパスは南を指すのに対し、ヨーロッパのコンパスは北を指す。^[1]

1269年、ピエール・ド・マリクール（通称ペトルス・ペレグリヌス）は友人に宛てた手紙の中で、楕円形の磁石をボウルの水に浮かべたコンパスと、針が軸に取り付けられた初の乾いたコンパスの2種類のコンパスについて記述した。また、彼は磁気の実験について書き記し、引力の法則を記述した最初の人物でもある。一例として、磁石を2つに割ると、2つの破片が互いに引き合ったり反発したりする実験がある（現代の言葉で言えば、どちらもN極とS極を持つ）。^{[7]この手紙は、通称}『磁石の手紙』と呼ばれ、科学史上の画期的な作品である。^{[1] [2]}

ペトルス・ペレグリヌスは、コンパスが真北を指していると仮定した。同時代のロジャー・ベーコンは、コンパスが真北からずれていることを観察したと伝えられているが、磁気偏角の考えは徐々に受け入れられていった。当初、偏角は系統的誤差の結果であると考えられていた。しかし、15世紀半ばまでに、ドイツの日時計は偏角補正を使用して方向付けられるようになった。^[8]

コンパスは、針が地球の磁場の方向に傾く傾向に対抗するようにバランスをとらなければなりません。そうしないと、自由に回転しません。ある緯度でバランスが取れているコンパスが、別の緯度ではうまく機能しないことがよくあります。この問題は、1544年にニュルンベルクの牧師であったゲオルク・ハルトマンによって初めて報告されました。イギリスの船乗りロバート・ノーマンは、地球の磁場自体が垂直から傾いているためにこれが発生することを最初に認識しました。彼の著書「新しい魅力」^[9]で、ノーマンは傾斜を「針の傾きに関する新しく発見された秘密と微妙な性質」と呼びました。彼は、針を水の入ったゴブレットに浮かべ、コルクで中性浮力になるようにしたコンパスを考案しました。針はどの方向にも向くため、地球の磁場と一致するように傾きました。ノーマンはまた、その効果を測定するために、水平軸を中心に回転するコンパスの針であるディップサークルも作成した。 ^{[4] [8]}

地球の磁場を理解する初期の試みでは、磁場を測定することは課題の一部に過ぎませんでした。測定結果を理解することも困難でした。数学的および物理的概念、特に空間の各点にベクトルを関連付けるベクトル場の概念がまだ開発されていなかったためです。地球の磁場は一般に、極から極へと走る磁力線で表されます。どの点でも磁場は磁力線と平行ですが、どちらの極を指す必要もありません。しかし、18 世紀になっても、自然哲学者は磁石が何かに直接向いているはずだと信じていました。したがって、地球の磁場は局所的な発生源によって説明されなければならず、地球の磁場についてより多くが理解されるにつれて、これらの発生源はますます複雑になっていきました。^[2]

当初、中国とヨーロッパの両国では、その源は天空、つまり天の極か北極星にあると想定されていました。これらの理論では、磁石が真北（またはそれに非常に近い北）を指していることが必要であったため、偏角の​​存在が認められると困難に直面しました。その後、自然哲学者たちは岩や山などの地上の源を提唱し始めました。^[2]

磁気の山に関する伝説は古代に遡る。プトレマイオスは、磁気の島（現在ではボルネオ島付近にあると考えられている）の伝説を語った。この島は釘の付いた船に非常に強い引力を発揮し、船は動かなくなってしまった。さらに劇的なのは、アラブの伝説（『千夜一夜物語』に記述）で、磁気の山が船から釘を全て引き抜いてしまい、船がバラバラになって沈没するという。この話はヨーロッパに伝わり、いくつかの叙事詩の一部となった。^{[1] [2]}

ヨーロッパ人は16世紀に地図に磁気山を載せ始めました。有名な例としてはゲラルドゥス・メルカトルが挙げられます。彼の有名な地図には北極近くに磁気山が1つか2つ載っていました。最初、彼は山を任意の場所に置いただけでした。しかし後に、ヨーロッパのさまざまな場所からの偏角に基づいてその位置を測定しようとしました。その後の測定で山の推定値が2つ矛盾した結果となったため、彼は地図に2つの山を載せたのです。^{[2] [8]}

Magnus magnes ipse est globus terrestris。 （地球自体が大きな磁石です。）

— ウィリアム・ギルバート、デ・マグネテ

1600年はウィリアム・ギルバートにとって注目すべき年でした。彼はロンドン王立内科医会会長となり、エリザベス1世女王の専属医師に任命され、近代科学の始まりを示す書籍の一つである『磁石論』を執筆しました。 『磁石論』は、科学に実験的アプローチを導入（または少なくとも普及させ）し、地球が強力な磁石であると推論したことで最も有名です。^[10]

ギルバートの本は6つの章に分かれている。最初の章は序論で、実験の重要性や地球の半径と比較した表面地形の重要性のなさなど、地球に関するさまざまな事実について論じている。また、地球は強力な磁石であるという推論も発表している。第2巻では、ギルバートは「性交」、つまり引力の法則を扱っている。ギルバートは磁気と静電気（後者は琥珀をこすることで誘発される）を区別し、両方を使った多くの実験（ペレグリヌスにまで遡るものもある）を報告している。1つは磁石を2つに割って、両方にN極とS極があることを示す実験である。^[7]また、永久運動の考えを否定している。第3巻では、磁力の方向の一般的な説明と、針を磁化する方法の詳細が述べられている。また、彼はテレラ、つまり「小さな地球」を紹介している。これは、地球の磁気特性をモデル化するために使用する磁化された球体である。第4章と第5章では、方向の2つの要素である偏角と傾斜について詳しく説明しています。^{[11] [12]}

1590年代後半、ロンドンのグレシャム・カレッジの幾何学教授ヘンリー・ブリッグスは、地球の緯度と磁気傾斜角の表を発表していた。それは、ギルバートがテラレラの円周上で測定した傾斜角とよく一致していた。ギルバートは、地球の磁場は、回転軸と平行に磁化された均一磁化球（現代の言葉で言えば、地心軸双極子）の磁場と同等であると推論した。しかし、彼は偏角がこのモデルと一致しないことに気づいていた。当時知られていた偏角に基づいて、彼は、大陸は隆起した地形のために引力の中心を形成し、それがコンパスの針を逸らすと提唱した。彼はテラレラで地形の一部をえぐり出し、偏角への影響を測定することで、この効果を実証さえした。イエズス会の修道士ニコロ・カベオは後にギルバートの考えに倣い、地形が地球の正確なスケールであれば、高低差はわずか10分の1ミリメートル程度であることを示した。したがって、大陸は赤緯に顕著な影響を与えることはない。^{[11] [12]}

ド・マグネットの第 6 巻は宇宙論に捧げられた。彼は、惑星や恒星が地球の周りを回る一連の同心円状の殻の中に配置されているという、当時主流だったプトレマイオスの宇宙モデルを、その速度が途方もなく大きい (「無限の日周運動はあり得ない」) という理由で却下した。^[12]その代わりに、地球は自身の軸の周りを回転していた。彼は、同心円状の殻の代わりに、天体が磁力によって互いに、そして地球と相互作用しているという説を提唱した。磁気は地球の位置を維持し、地球を回転させ、月の磁力は潮汐を駆動する。ある不可解な推論から、テレラが自由に吊り下げられている場合、地球と同じ方向に向き、毎日回転するという奇妙な結論が導かれた。ケプラーとガリレオはどちらも、天体間の磁力の引力というギルバートの考えを採用したが、ニュートンの万有引力の法則によって、それは時代遅れのものとなった。^[11]

1603年頃、フランス人のギヨーム・ル・ノートニエ（航海王子ウィリアム）^[13] 、シュール・ド・カステルフランクは、著書『磁石による経度の測定』で、地球の磁場に関する対抗理論を発表しました。ル・ノートニエは数学者、天文学者であり、アンリ4世の宮廷地理学者でした。彼は、地球は自転軸と平行に磁化されているはずだというギルバートの仮定に同意せず、代わりに磁気モーメントが22.5°傾いたモデルを作成しました。これは事実上、最初の傾斜双極子モデルです。彼の本の最後の196ページは、船乗りが使用するための緯度と経度、および偏角と傾斜の表で占められています。彼のモデルが正確であれば、磁気偏角と天文観測を組み合わせて緯度と経度の両方を決定するために使用できた可能性があります。^{[2] [7] [12]}

ル・ノートニエはヘンリー4世に、またその息子をイングランドの指導者オリバー・クロムウェルに売り込もうとしたが、どちらも成功しなかった。このモデルは広く批判され、ディディエ・ドゥーノは「根拠のない仮定、計算の誤り、データ操作」に基づいていると結論付けた。しかし、地球物理学者のジャン＝ポール・ポワリエはル・ノートニエとドゥーノの両著作を検証し、誤りはドゥーノの推論にあったことを発見した。^[7]

ギルバートの結論の 1 つは、地球の磁場は時間とともに変化し得ないというものだった。これはすぐにロンドンでの一連の測定によって誤りであることが証明された。1580 年、ウィリアム ボローが偏角を測定し、北東 11 1⁄4 度であることがわかった。1622年、エドマンドガンターは北東 5 度 56 分であることがわかった。彼はボローの結果との差に注目したが、ボローは測定ミスを犯したに違いないと結論付けた。1633 年、ヘンリー ゲリブランドが同じ場所で偏角を測定し、北東 4 度 05 分であることがわかった。ガンターが測定を注意深く行っていたことから、ゲリブランドは変化が本物であると確信していた。1635 年、彼は「磁針の変化に関する数学的論説」を出版し、偏角が 54 年間で 7 度以上変化したと述べた。地磁気永年変化の現実は、ジェリブランドの高い評価を得ていたイギリスでは急速に受け入れられたが、他の国ではさらなる測定によって確認されるまで懐疑的な見方が広まった。^{[2] [14]}

ジェリブランドの観測は、地球全体か地域的か、予測可能か不規則か、変動の性質を判定する広範な取り組みを促した。また、磁場の起源に関する新しいモデルも生み出した。ヘンリー・ボンド・シニアは、1639年に1657年にロンドンの偏角がゼロになると予測して有名になった。歳差運動する双極子を含む彼のモデルは、王立委員会から強く批判されたが、その後何十年も航海教本に掲載され続けた。複数の極を含む動的モデルは、ピーター・パーキンス（1680年）やエドモンド・ハレー（1683年、1692年）などによっても提案された。ハレーのモデルでは、地球は同心球で構成されていた。2つの磁極は固定された外側の球体上にあり、さらに2つの磁極は西向きに回転する内側の球体上にあり、「西向きの漂流」を引き起こした。ハレーはこの理論を非常に誇りに思っており、80歳のときの彼の肖像画にはこの理論の図が含まれていた（右上）。^[15]

初期の船乗りは航海にポルトラン海図を使用していました。この海図には、港を結ぶ風向線と海岸線が描かれていました。船乗りは海図をコンパスに合わせ、コンパスの方向に従って航海することができました。初期の海図では、地図製作者が偏角を知らなかったため海岸線が歪んでいましたが、船乗りは直線で航海していたため、海図は依然として機能していました。^[8]

適切な「磁気偏角」、つまり、示された磁北と真北の差を決定するには、経度の正確な決定が必要でした。この差は、大西洋とインド洋の重要な貿易緯度では最大 10 度も異なることがあります。

磁北極は、地理上の北極（地球の自転軸）、コンパスで示される北の方向である磁北、理論上の地磁気極とは異なります。

北磁極の探索は、1818年にイギリスの探検隊が北西航路を探検したことから始まりました。1831年、ジェームズ・クラーク・ロスがビクトリー号に乗ってブーシア半島（北極諸島）の西海岸に初めて地球の北磁極を発見しました。1842年、ロスの南極探検隊は、 20世紀まで正式に特定されていなかった 南磁極の位置を推測しました。

それ以来、北磁極は北北西方向にシベリア方面に移動し、2017年からは北極海の数百キロの地点に位置するようになりました。地球の核の液体の動きにより、実際の磁極は常に移動しています（永年変化）。また、太陽風が磁場を偏向させるため、磁極は直径約80km（50マイル）の楕円形を毎日揺らぎます。北磁極の位置は、世界磁気モデル（WMM）を担当する英国地質調査所（BGS）と米国海洋大気庁（NOAA）によって5年ごとに再評価されています。

イギリスによる磁気調査（1698-1700年）により、1702年にエドモンド・ハレーによる世界磁気図が作成された。^[16] 初期の磁気観測所はミュンヘン^[17]（1819年）とベルリン（1827年）に設置された。^[18]磁気の方向、強度、傾斜の変化が観測され、アレクサンダー・フォン・フンボルト、カール・フリードリヒ・ガウス、エドワード・サビーネは、地球の磁場を体系的に調査し、地球全体で監視すれば、地球の重要な地球物理学的側面が明らかになる可能性があると判断するに至った。これをきっかけに、ドイツ（フンボルト磁気協会/フンボルト磁気協会^[19]（1829-1834）、ゲッティンゲン磁気連合/ゲッティンゲン磁気協会^[20]（1836-41））、イギリス（イギリス諸島磁気調査（1833）、大英帝国、東インド会社）、^{[21] [22] [23]}、ロシア^[24]（1841-1862）でさらに多くの磁気観測所やキャンペーンが設立されました。世界中に合計53の観測所があり、地磁気は当時最も多くのデータを生み出す地球科学の1つとなりました。

これに続いて、第 1 回国際極年(1882 年 - 1883 年)、第 2 回国際極年 (1932 年 - 1933 年)、国際地球物理年(1957 年 - 1958 年)、国際静穏太陽年 (1964 年 - 1965 年)、国際活動太陽年 (1969 年 - 1971 年)、国際磁気圏研究(1976 年 - 1979 年)、第 4 回国際極年 (2007 年 - 2008 年) に地球規模の地磁気観測キャンペーンが実施されました。

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