Oddelenie geomagnetizmu

webstránka oddelenia Ústavu Vied o Zemi SAV

Časovo-priestorové variácie geomagnetického poľa

Napísal(a)  Vladimír Pohánka | Zverejnené v: Geomagnetické pole

Ako vidí časovo-priestorové variácie geomagnetického poľa na Zemi pozorovateľ z vesmíru

 

Vladimír Pohánka a Fridrich Valach

 

Magnetické pole, ktoré pozorujeme na geomagnetických observatóriách na povrchu Zeme (hovorme mu geomagnetické pole), nie je nemenné. Vykazuje časové aj priestorové variácie. Aby sme si tieto variácie priblížili, potrebujeme mať isté poznatky o zdrojoch poľa, ktorých je niekoľko:

(1) Hlavná časť geomagnetického poľa sa generuje v rozžeravenom, tekutom, vysoko vodivom zemskom jadre procesmi, ktoré popisuje fyzikálna teória nazvaná magnetohydrodynamika. Toto pole sa pomaly mení - pomalými zmenami myslíme v tomto prípade zmeny badateľné na časových škálach rokov, storočí až tisícročí.

(2) Iný zdroj geomagnetického poľa predstavujú magnetické horniny v zemskej kôre, napríklad známy magnetit. Ani táto zložka geomagnetického poľa sa nedokáže meniť rýchlo.

(3) A nakoniec, istá časť pozorovaného magnetického poľa má svoj pôvod v okolozemskom kozmickom prostredí. Generuje sa v prúdových systémoch vo vodivej časti atmosféry - ionosfére, zložité systémy elektrických prúdov tečú v oblastiach blízko polárneho kruhu (presnejšie a správnejšie v aurorálnych oblastiach) a významné sú aj magnetické polia spôsobené elektrickými prúdmi v magnetosfére, tak v blízkej, ako aj vo vzdialenom magnetosférickom chvoste. Tieto procesy v okolozemskom prostredí sú veľmi dynamické a hnacím motorom rýchlych zmien prúdov a polí sú výbušné procesy v slnečnej atmosfére a v medziplanetárnom prostredí (napr. ejekcie koronálnej hmoty a korotujúce interakčné regióny).

Tieto zmeny magnetického poľa môžu mať závažný dopad na pozemský život: v minulosti už prudké zmeny geomagnetického poľa pri tzv. magnetických búrkach spôsobili mnoho škôd. Napríklad mnohohodinové výpadky elektrických rozvodných sietí na veľkých územiach, keď sa v saturovaných transformátoroch roztavili vodivé cievky, alebo požiare na telegrafných staniciach spôsobené indukovanými prúdmi. Pri dnešnej modernej spoločnosti, ktorá je bytostne závislá na citlivých technológiách, môžu extrémne magnetické búrky napáchať aj oveľa fatálnejšie škody.

Spomínané časové a priestorové zmeny geomagnetického poľa nevidíme priamo naším zrakom. Môžeme na vlastné oči vidieť len polárne žiare, ktoré so zmenami magnetických polí súvisia. Cieľom tohoto krátkeho článku je zobraziť zemské magnetické pole a jeho zmeny po celom povrchu Zeme.

Zdrojom našich vedomostí o magnetickom poli sú údaje z geomagnetických observatórií; tieto predstavujú časové rady hodnôt 3 zložiek magnetického poľa. Na každej stanici sú miestne x,y,z súradnicové osi orientované (v tomto poradí) smerom k miestnemu severu, východu a smerom dole. Pre globálny pohľad na magnetické pole ale musíme použiť globálne (geocentrické) súradnicové osi - x,y,z súradnicové osi sú orientované (v tomto poradí) smerom k bodu so súradnicami 0° severnej šírky a 0° východnej dĺžky (priesečníku rovníka s Greenwichským poludníkom), k bodu so súradnicami 0° severnej šírky a 90° východnej dĺžky a k bodu so súradnicami 90° severnej šírky a 0° východnej dĺžky (severnému pólu).

Údaje z geomagnetických observatórií teda predstavujú magnetické pole ako časový rad hodnôt, ale vždy len pre jeden bod na povrchu Zeme. Aby sme získali hodnoty magnetického poľa po celom povrchu Zeme, musíme urobiť istú interpoláciu týchto meraných hodnôt. Problémom však je, že všetkých geomagnetických observatórií (s nepretržitými časovými radmi pozorovaní) je len niečo vyše 100 a navyše tieto observatóriá sú rozložené na zemskom povrchu veľmi nerovnomerne (väčšina z nich leží vo vyšších severných či južných zemepisných šírkach). Preto sme použili interpolačnú metódu vyvinutú prvým autorom, ktorá pracuje dobre aj pre veľmi nerovnomerné rozloženie vstupných pozorovacích bodov. Navyše, táto metóda umožňuje interpolovať po akejkoľvek ploche (v našom prípade je to plocha rotačného elipsoidu definovaná systémom WGS84).

Takto získame hodnoty magnetického poľa po celom povrchu Zeme. Aby sme však tieto hodnoty mohli zobraziť na obrázku, musíme použiť istú projekciu z elipsoidu do roviny. Keďže každá takáto globálna projekcia skresľuje nejakým spôsobom geometriu (inými slovami, žiadna globálna projekcia nepredstavuje presne pohľad z nejakého bodu v priestore), použili sme projekciu, ktorá zodpovedá pohľadu pozorovateľa nachádzajúceho sa nad istým bodom zemského povrchu v nekonečnej vzdialenosti. Prirodzene, takto nikdy nemôžeme vidieť celý povrch Zeme na jednom obrázku - vždy vidíme len polovicu celého povrchu. Výhodou tohto prístupu však je, že môžeme ľahko vytvoriť viaceré takéto pohľady pre pozorovateľov nachádzajúcich sa nad ľubovoľnými vybranými bodmi zemského povrchu.

Postupnosť jednotlivých krokov pri vytvorení videí globálneho magnetického poľa a jeho zmien bola nasledujúca:

(1) Pre každé geomagnetické observatórium boli miestne x,y,z zložky magnetického poľa transformované na globálne x,y,z zložky (ako bolo povedané vyššie).

(2) Od nameraných hodnôt jednotlivých zložiek boli odpočítané príslušné zložky dipólového magnetického poľa Zeme. To je nevyhnutné, pretože priestorové a časové zmeny poľa sú zvyčajne oveľa menšie než hodnoty dipólového poľa a na obrázkoch by bolo ťažko vidieť nejaké zmeny.

(3) Pre každý časový okamžik bolo pomocou interpolácie vypočítané globálne rozloženie magnetického poľa (bez príspevku dipólového poľa).

(4) Pre každý vybraný smer pohľadu vzdialeného pozorovateľa bola vykonaná projekcia magnetického poľa do rovinného obrázku.

(5) Jednotlivé obrázky zobrazujúce hodnoty poľa v danom časovom intervale boli spojené do videa (pomocou programu mencoder).

(6) Navyše, aby bolo možné vidieť iba časové zmeny magnetického poľa, vytvorili sa nové obrázky získané z pôvodných odčítaním prvého obrázka časovej postupnosti od každého pôvodného obrázka. Z týchto nových obrázkov bolo vytvorené video zobrazujúce iba časové zmeny rovnako ako v predošlom bode.

Ako príklad tu uvádzame videá zobrazujúce geomagnetické údaje z 10. júla 2005. Je to deň, keď geomagnetická aktivita bola zvýšená: na 10-stupňovej škále (od 0 po 9) dosahoval planetárny index Kp hodnotu 6+, teda o niečo viac ako 6.

Pre zobrazenie sme vybrali y-ovú zložku globálneho magnetického poľa a dva smery pohľadu: prvý je nad bodom 45° severnej geocentrickej šírky (zodpovedajúca hodnota geografickej šírky je o niečo väčšia, čo je spôsobené sploštením Zeme) a 0° východnej geocentrickej (i geografickej) dĺžky (teda nad Greenwichským poludníkom); druhý je nad bodom na opačnej strane Zeme, na -45° severnej geocentrickej šírky (teda 45° južnej geocentrickej šírky) a 180° východnej geocentrickej (i geografickej) dĺžky. Aby bolo ľahšie zrejmé akú časť povrchu Zeme vidíme pri týchto pohľadoch, sú priložené i zodpovedajúce pohľady na zemský výškopis, ktoré boli vytvorené na základe globálnej databázy Etopo2 rovnakým spôsobom ako pre magnetické pole.

Pre každú zobrazenú veličinu - y-ovú zložku magnetického poľa i nadmorskú výšku - červená farba predstavuje záporné hodnoty a modrá farba predstavuje kladné hodnoty; intenzita farby predstavuje absolútnu hodnotu danej veličiny. Takže napríklad, pre magnetické pole na Greenwichskom poludníku červená farba znamená vychýlenie strelky kompasu smerom k západu, zatiaľ čo modrá farba znamená vychýlenie strelky kompasu smerom k východu voči zvyčajnému (strednému) magnetickému severu. Pri výškopise červená farba predstavuje dno oceánov a modrá farba predstavuje kontinenty.

Pre magnetické pole tu uvádzame videá zobrazujúce nedipólovú časť poľa a videá zobrazujúce časové zmeny nedipólovej časti poľa. V prvom prípade video pozostáva zo 48 obrázkov s časovým intervalom medzi obrázkami 30 minút (trvanie videa je 12 sekúnd), v druhom prípade video pozostáva z 1440 obrázkov s časovým intervalom medzi obrázkami 1 minúta (trvanie videa je 48 sekúnd).

 

Linky:

Nedipólová časť y-ovej zložky geomagnetického poľa

severný pohľad
južný pohľad 

 

 

Časová zmena nedipólovej časti y-ovej zložky geomagnetického poľa

severný pohľad
južný pohľad 

 

Výškopis

 

Naposledy zmenené štvrtok, 10 november 2016 10:51
Viac z tejto kategórie: « Dynamo alebo zotrvačník ?