WYBRANE ELEMENTY GEOFIZYKI

Transkrypt

1 WYBRANE ELEMENTY GEOFIZYKI Wykład 1: Geofizyka jako nauka interdyscyplinarna. Magnetyzm: pole magnetyczne Ziemi, model dynama, wędrówka biegunów magnetycznych. prof. dr hab. inż. Janusz Bogusz Zakład Geodezji Satelitarnej i Nawigacji

2 Prawa autorskie do prezentacji Materiały te przeznaczone są tylko i wyłącznie do użytku prywatnego mającego na celu utrwalenie wiedzy z przedmiotu Wybrane elementy geofizyki. Zabronione jest powielanie ich treści i wykorzystywanie w innych opracowaniach. Zdjęcia, animacje i inne zasoby internetowe, które nie zostały wykonane przez autora, a wykorzystane w tej prezentacji stanowią tzw. wyjątek edukacyjny, przewidziany przez przepis art. 27 Ustawy o prawie autorskim i prawach pokrewnych, który pozwala instytucjom oświatowym, uczelniom i innym jednostkom naukowym na ich wykorzystanie na potrzeby zilustrowania treści dydaktycznych.

3 Geofizyka Dziedzina nauki która wyodrębniła się z astronomii i fizyki (nauk przyrodniczych) jako nauka zajmująca się badaniem Ziemi jako ciała fizycznego przy użyciu metod i technik typowych dla fizyki. Przedmiotem badań w geofizyce są procesy fizyczne zachodzące obecnie oraz w przeszłości w geosferach: litosferze, atmosferze, hydrosferze i kriosferze. Współcześnie badania te rozszerza się również na inne ciała niebieskie, a metody pomiarowe bazują na zarówno instrumentach naziemnych, jak i umieszczonych w przestrzeni kosmicznej (sztuczne satelity Ziemi).

4 Geofizyka Składa się z 5 podstawowych dziedzin: fizyki Ziemi, nauk o atmosferze i oceanie, hydrologii, fizyki przestrzeni kosmicznej, badań polarnych.

5 Oddziaływania podstawowe Oddziaływania fizyczne obserwowane w przyrodzie. Wyróżniamy: oddziaływania elektromagnetyczne; oddziaływania słabe; oddziaływania silne; oddziaływania grawitacyjne.

6 Oddziaływania elektromagnetyczne Hans Christian Ørsted ( ) duński fizyk i chemik, najbardziej znany z odkrycia zjawiska elektromagnetyzmu. W prostym eksperymencie pokazał, że igła kompasu odchyla się pod wpływem prądu w przewodzie. Na jego cześć jednostkę natężenia pola magnetycznego w układzie CGS nazwano ersted (w układzie SI, który zastąpił układ CGS w 1966 roku, jest to już amper/metr).

7 Oddziaływania elektromagnetyczne Teoria oddziaływań elektromagnetycznych (elektrodynamika klasyczna, elektrodynamika kwantowa) powstała z unifikacji teorii magnetyzmu i elektryczności, dokonanej przez Jamesa Clerka Maxwella ( ). Centralną rolę w tej teorii odgrywa pojęcie pola elektromagnetycznego. Zachowanie pola elektromagnetycznego opisane jest równaniami Maxwella, zgodnymi (pomimo, że powstały wcześniej) ze szczególną teorią względności.

8 Równania Maxwella 1. Zmienne w czasie pole magnetyczne wytwarza wirowe pole elektryczne. 2. Przepływający prąd oraz zmienne pole elektryczne wytwarzają wirowe pole magnetyczne. 3. Źródłem pola elektrycznego są ładunki. 4. Pole magnetyczne jest bezźródłowe, linie pola magnetycznego są zamknięte.

9 Energia Skalarna wielkość fizyczna opisująca stan materii i zdolność materii do wykonania pracy lub spowodowania przepływu ciepła. Jest wielkością: addytywną (wielkość fizyczna opisująca układ fizyczny jest addytywna, jeśli wielkość ta dla całego układu jest sumą wielkości odpowiadających składowym częściom tego układu fizycznego); zachowawczą (praca wykonana przy przesunięciu ładunku w polu elektrycznym na drodze zamkniętej jest równa zeru). Energia występuje w różnych rodzajach, a procesy fizyczne, mogą być postrzegane jako przemiany energii.

10 Podstawowe prawo fizyki klasycznej (postulat) Praca wykonana nad układem zawsze wiąże się ze zmianą energii układu: E = W

11 Podstawowe formy energii mechaniczna; cieplna; elektryczna; chemiczna; jądrowa.

12 Energia elektryczna Energia związana z różnymi aspektami oddziaływań elektromagnetycznych. Można ją podzielić na: energię elektrostatyczną; energię magnetyczną; energię prądu elektrycznego.

13 Energia magnetyczna Energia zgromadzona w polu magnetycznym, potrzebna do jego wytworzenia.

14 Magnetyzm Zespół zjawisk fizycznych związanych z polem magnetycznym, które może być wytwarzane zarówno przez prąd elektryczny, jak i przez materiały magnetyczne.

15 Pole magnetyczne Dipol elektryczny - układ dwóch różnoimiennych ładunków elektrycznych q, umieszczonych w pewnej odległości d od siebie. Tego rodzaju dipole wykazują elektryczny moment dipolowy równy iloczynowi odległości między nimi i wartości ładunku dodatniego: p = d q

16 Pole magnetyczne Potencjał pola dipola: Φ ( r ) = q r

17 Pole magnetyczne w dowolnym miejscu przestrzeni: Φ = q q r' r''

18 Pole magnetyczne w dowolnym miejscu przestrzeni:

19 Pole magnetyczne Prawo Biota-Savarta: umożliwia obliczenie indukcji magnetycznej gdy znane jest natężenie prądu, który jest źródłem pola magnetycznego (punkty tego pola są scharakteryzowane przez wektor indukcji, a wartość tego wektora określa wzór Biota- Savarta).

20 Pole magnetyczne

21 Magnes Sztabka wycięta z rudy magnetycznej Fe 3 O 4, przyciągająca opiłki żelaza, niklu i kobaltu. Miejsca, w których magnes przyciąga najsilniej to jego bieguny. Biegunów magnesu nie da się rozdzielić. Po przełamaniu magnesu sztabkowego otrzymuje się dwa magnesy, z których każdy posiada dwa bieguny. Dipol (z gr. dipolos - dwa bieguny) to układ dwóch różnoimiennych ładunków lub biegunów magnetycznych.

22 Ziemskie pole magnetyczne Pole magnetyczne występujące naturalnie wewnątrz i wokół Ziemi.

23 Budowa wnętrza Ziemi

24 Jądro ziemskie: Wewnętrzna część Ziemi tworząca kulę o promieniu ok km. Tworzy je stop niklu i żelaza, być może z domieszką pierwiastków lekkich krzemu, siarki i potasu. Składa się z: jądra zewnętrznego (płynne); strefy przejściowej; jądra wewnętrznego (ma charakter ciała stałego).

25 Pole magnetyczne rozciąga się na kilkadziesiąt tysięcy kilometrów od Ziemi, a obszar w którym ono występuje nazywa się ziemską magnetosferą.

26 Spirala Parkera zmiany pola magnetycznego w płaszczyźnie równikowej Słońca wywołane zmianami wiatru słonecznego.

27 W Układzie Słonecznym potwierdzono, iż magnetosferę posiadają również Saturn, Jowisz, Uran, Neptun oraz księżyc Jowisza Ganimedes. Kierunki głównych osi:

28 Według obecnego stanu wiedzy pole magnetyczne Ziemi jest wywołane ruchami ciała ciekłego, przewodzącego materiału jądra w polu elektromagnetycznym przestrzeni okołoziemskiej. Odpowiada ono w przybliżeniu polu dipola magnetycznego z jednym biegunem magnetycznym w pobliżu geograficznego bieguna północnego i z drugim biegunem magnetycznym w pobliżu bieguna południowego.

29 Magnetohydrodynamiczne dynamo (MHD): Joseph Larmor (1919) Słońce; Walter M. Elsasser (1946) i Edward C. Bullard (1949) Ziemia. Teoria opisująca istnienie pola magnetycznego ciał niebieskich, w tym też Ziemi.

30 Planeta (lub księżyc) może wytwarzać własne pole magnetyczne, gdy spełnione są trzy podstawowe warunki: obecność wewnątrz dużej ilości płynnego przewodnika (w przypadku Ziemi płynne żelazo znajdujące się w jądrze zewnętrznym); zapewnienie dopływu energii niezbędnej do wprawienia płynu w ruch (źródłem energii dynama ziemskiego są ciepło i reakcje chemiczne oraz krystalizacja żelaza na granicy jądra wewnętrznego, co powoduje powstawanie prądów konwekcyjnych); rotacja w wyniku ruchu obrotowego (na płynne żelazo we wnętrzu Ziemi działa siła Coriolisa, która powoduje ruch wirowy strug żelaza, których torem jest krzywa spiralna).

31 Teoria strug:

32 Teoria strug: Przyczyną powstawania strug mogą być oddziaływania pływowe (złożenie sił oddziaływań grawitacyjnych i siły odśrodkowej), których wielkość zależy od odległości od ciała zakłócającego (Księżyc lub Słońce) w związku z czym wnętrze Ziemi obracałoby się wtedy szybciej niż skorupa (jeden obrót na ok. 900 lat), a tarcie warstw geologicznych mogłoby powodować rozdzielenie ładunków elektrycznych.

33 Teoria dynama nie wyjaśnia: przyczyny powstania pola magnetycznego Ziemi; warunków utrzymywania się pola magnetycznego; przyczyn zmian natężenia pola magnetycznego; przyczyn zmian kierunku pola magnetycznego; dlaczego pole magnetyczne Ziemi utrzymuje swój kierunek przez tysiące lat, a Słońce w cyklu ok. 11-letnim; powstania pola magnetycznego w przypadku gwiazd (pulsary), ale jako ciała gazowe nie mają warstw ciekłych w swoim wnętrzu.

34 Na pole magnetyczne Ziemi składa się: pole główne dipolowa część pola ziemskiego, jest wytwarzane przez prąd elektryczny płynący w ciekłym, żelaznym jądrze Ziemi (dipol centralny i kilkanaście dipoli rozrzuconych w jądrze zewnętrznym); skały leżące płytko pod powierzchnią Ziemi często są namagnesowane. Ich pole dodaje się do pola głównego, składając się na skomplikowaną zależność pola od miejsca; pole generowane przez prądy płynące w jonosferze Ziemi lub przestrzeni okołoziemskiej. Osiąga ono maksymalną wielkość w strefie zórz i stanowi tam kilka procent całkowitego pola.

35 Pole magnetyczne określane jest liczbowo za pomocą składowych wektora pola magnetycznego (B): ( r, t) = B ( r, t) + B ( t) B ( r t) B + core crust disturbance, B core zmienna w przestrzeni (r) i czasie (t) część główna. Zmiany w czasie części głównej określane są jako zmiany wiekowe (secular variations). 95% wartości całego pola. B crust zmienna w przestrzeni część związana z namagnesowaniem skał, niemal niezmienna w czasie. Na obszarach z dużą ilością skał magmowych może nawet przeważać nad częścią główną. B disturbance część zmienna w przestrzeni i czasie wiązana z jonosferą i magnetosferą

36 Pasy van Allena Obszar intensywnego promieniowania korpuskularnego, otaczającego Ziemię. Składa się z naładowanych cząstek o wielkiej energii (głównie elektronów i protonów) schwytanych w pułapkę przez ziemskie pole magnetyczne, Wokół Ziemi istnieją dwa pasy radiacyjne: wewnętrzny, który rozciąga się na odległościach od 0,1 do 1,5 promienia Ziemi od jej powierzchni, oraz zewnętrzny, na odległościach od 2 do 10 promieni ziemskich.

37 Biegun magnetyczny Ziemi Punkt, w którym pole magnetyczne Ziemi tworzy z jej powierzchnią kąt 90 (1600 r.). Biegun geomagnetyczny miejsce przecięcia się osi najlepiej dopasowanego dipola (dokładność odwzorowania ok. 10%) z powierzchnią Ziemi. Linia łącząca bieguny geomagnetyczne tworzy z osią obrotu Ziemi kąt ok

38 Biegun magnetyczny Ziemi W każdym punkcie przestrzeni pole magnetyczne określone jest wektorem pola magnetycznego (B), który w układzie sferycznym określa się przez inklinację (I) [ ], deklinację (D) [ ] i moduł natężenia (F) [A/m]. Inklinacja jest to kąt jaki tworzy wektor natężenia pola z płaszczyzną poziomą. Linie jednakowej inklinacji to izokliny. Deklinacją pola magnetycznego jest kąt między jego składową poziomą, a południkiem geograficznym. Linie jednakowej deklinacji to izogony.

39 Biegun magnetyczny Ziemi Deklinacja magnetyczna jest nanoszona na mapach magnetycznych i niektórych mapach geograficznych (głównie topograficznych i nawigacyjnych).

40 Biegun magnetyczny Ziemi miejsce, w którym: inklinacja wynosi ±90 ; deklinacja jest nieokreślona (amfidrom); składowa horyzontalna natężenia wynosi 0 nt.

41 Nazewnictwo biegunów Jako biegun północny igły magnetycznej (i ogólnie magnesów) przyjęło się wskazywać ten z jej końców, który wskazuje północ.

42 Nazewnictwo biegunów Jest on przyciągany przez odwrotnie spolaryzowany biegun magnetyczny Ziemi, skąd wynika, iż na północnej półkuli Ziemi znajduje się jej południowy biegun magnetyczny i odwrotnie, na południu biegun północny. Mimo to często stosowane jest oznaczanie biegunów magnetycznych Ziemi zgodnie z nazwami biegunów geograficznych, a odwrotnie w stosunku do oznaczeń biegunów magnesu stosowanych w fizyce.

43 Zależności

44 Wyznaczenie położenia bieguna magnetycznego Ziemi Za pierwsze w historii wyznaczenie położenia ziemskiego bieguna magnetycznego Ziemi przyjmuje się rok James Clarke Ross dzięki dokładnym pomiarom odchylenia igły magnesu od poziomu zlokalizował jeden z biegunów magnetycznych (leżący na północy geograficznej) oraz obliczył miejsce położenia drugiego bieguna magnetycznego (Ziemia Wiktorii na Antarktydzie).

45 Wyznaczenie położenia bieguna magnetycznego Ziemi W drugiej połowie XIX wieku Włoch Macedonio Melloni odkrył różnorodność orientacji własności magnetycznych law pochodzących z Wezuwiusza, z różnych okresów aktywności wulkanu. To odkrycie rozpoczęło erę badań zapisu pola magnetycznego w skałach (tzw. magnetyzm szczątkowy) i położenia jego biegunów na przestrzeni geologicznych dziejów. Pojawiła się teza o wędrówce biegunów magnetycznych.

46 Wędrówka bieguna magnetycznego (średnio ok. 27 km/rok) biegun magnetyczny biegun geomagnetyczny

47 Wędrówka bieguna magnetycznego (średnio ok. 10 km/rok) biegun magnetyczny biegun geomagnetyczny

48 Przebiegunowanie Ziemi To stwierdzenie zostało rozwinięte w XX wieku w teorii o okresowych rewersjach (odwróceniach) biegunów. Zakłada ona, że średnio co 700 tys. lat pole magnetyczne zmienia swój kierunek, czyli oba bieguny zamieniają się położeniem. Co więcej, krótko przed i po zamianie biegunów pole magnetyczne Ziemi zanika, może pojawić się kilka biegunów.

49 Zmiany pola magnetycznego Ziemi Ziemskie pole magnetyczne podlega ciągłym zmianom w bardzo szerokim zakresie częstotliwości od części sekund do setek lat. Zmiany o okresach krótszych niż jeden rok, zwane wariacjami, są spowodowane czynnikami zewnętrznymi (przede wszystkim aktywność Słońca i Księżyca). Zmiany o okresach większych niż rok (zmiany wiekowe) są spowodowane w znacznej części czynnikami wewnętrznymi, mają bowiem swoje źródło wewnątrz globu.

50 Zmiany pola magnetycznego Ziemi Przyjmuje się, że są co najmniej cztery przyczyny ich występowania: różnica pomiędzy okresem obrotu płynnego jądra Ziemi a okresem obrotu sztywnego płaszcza i skorupy. Zmiany spowodowane tym czynnikiem obejmują całą kulę ziemską i zostały one nazwane składową planetarną zmian wiekowych, wiry konwekcyjne w wyższych partiach jądra na granicy z płaszczem. Z ich obecnością wiążą się wielkie kontynentalne anomalie magnetyczne,

51 Zmiany pola magnetycznego Ziemi Przyjmuje się, że są co najmniej cztery przyczyny ich występowania: zmiany spowodowane procesami zachodzącymi w skorupie ziemskiej lub bezpośrednio pod nią (zmiany namagnesowania), wpływ zewnętrznego pola magnetycznego złożonego z pola magnetycznego indukowanego przez prądy tworzone na skutek krótkookresowych zmian pola magnetycznego Ziemi oraz pola indukowanego przez prądy w jonosferze i magnetosferze.

52 Zmiany pola magnetycznego Ziemi Ważne dla sprzężenia (coupling) pomiędzy polem magnetycznym Ziemi a jej ruchem obrotowym jest pojęcie szarpnięcia geomagnetycznego (geomagnetic jerks GMJ). Jest ono definiowane jako nagła zmiana drugiej pochodnej pola magnetycznego Ziemi w czasie. Występują one nieregularnie, potwierdzono ich występowanie w 1969, 1978, 1991 i 1999 roku. Tłumaczy się ich występowanie zaburzeniami w przepływie płynnego materiału jądra zewnętrznego, co wpływa również zarówno na położenie bieguna ziemskiego, jak i prędkości kątowej ruchu obrotowego Ziemi.

53 Modele pola magnetycznego Ziemi Pole magnetycznego jest polem potencjalnym, więc może być opisane za pomocą współrzędnych sferycznych jako ujemny gradient przestrzenny skalarnej wielkości potencjału: ( t ) = Φ( ϕ 0, λ, r, t) B r, 0

54 Modele pola magnetycznego Ziemi ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) [ ] ( ) sin sin cos,,, φ λ λ λ φ m n n m m n m n N n n P m t h m t g r R R t r = = + + = Φ Potencjał: φ 0, λ 0 współrzędne geograficzne, r promień wodzący punktu, t epoka wyznaczenia wielkości skalarnych, R= m promień geomagnetycznej sfery referencyjnej,

55 Modele pola magnetycznego Ziemi Potencjał: Φ ( φ, λ, r, t) 0 0 = R N n= 1 n [ m m ( ) ( ) ( ) ( )] m g t cos mλ + h t sin mλ P ( sin φ ) m= 0 R r n n+ 1 0 n 0 n 0 n, m stopień i rząd modelu, N maksymalny stopień rozwinięcia, m n m n g, h współczynniki Gaussa, m P n ( sinφ ) znormalizowane funkcje stowarzyszone Legendre a.

56 Modele pola magnetycznego Ziemi Model opracowywany jest na podstawie danych: satelitarnych; z obserwatoriów magnetycznych; z pomiarów na punktach wiekowych; z pomiarów morskich. Model to pełen zestaw współczynników oraz ich zmian wiekowych g m h ɺm g n, h n ɺ, na epokę t 0 realizowany co 5 lat. n n m m

57 Modele pola magnetycznego Ziemi Model IGRF (International Geomagnetic Reference Field) oficjalnie przyjęty przez IAGA (International Association of Geomagnetism and Aeronomy), ciągle uaktualniany model obejmujący dane od 1900 roku. Najnowsza realizacja to IGRF-12 z grudnia 2014 roku.

58 Modele pola magnetycznego Ziemi Model WMM (World Magnetic Model) model produkowany przez amerykańskie NCEI (National Centers for Environmental Information) i brytyjskie BGS (British Geological Survey). Różni się od IGRF tym, że jest przede wszystkim modelem predykcyjnym na lata Najnowsza realizacja to WMM2015 z 2015 roku oraz jego uaktualnienie WMM2015v2 z 2019 roku.

59 Charakterystyka pola

60 Charakterystyka pola

61 Modele pola magnetycznego Ziemi

62 Modele pola magnetycznego Ziemi

63 Modele pola magnetycznego Ziemi

64 Modele pola magnetycznego Ziemi

65 Modele pola magnetycznego Ziemi

66 Modele pola magnetycznego Ziemi

67 Modele pola magnetycznego Ziemi

68 Modele pola magnetycznego Ziemi

69 Modele pola magnetycznego Ziemi

70 Modele pola magnetycznego Ziemi

71 Modele pola magnetycznego Ziemi

72 Obserwatoria geomagnetyczne polskie: Belsk; Hel; Hornsund.

73 Instrumenty pomiarowe Magnetometr przyrząd do pomiaru wielkości, kierunku oraz zmian pola magnetycznego lub właściwości magnetycznych materii (np. magnetyzacji ferromagnetyku). Podział ze względu na sposób pomiaru: bezwzględny mierzy natężenie pola magnetycznego bez odniesienia do standardowego miernika magnetycznego; względny służy do pomiarów ziemskiego pola magnetycznego i do kalibracji przyrządów.

74 Instrumenty pomiarowe Magnetometr przyrząd do pomiaru wielkości, kierunku oraz zmian pola magnetycznego lub właściwości magnetycznych materii (np. magnetyzacji ferromagnetyku) r. eksperyment polegający na przepuszczeniu prądu przez plastikowe naczynie owinięte cewką i wypełnione wodą. Po odpowiedniej orientacji (kierunek wytworzonego przez nią pola magnetycznego był prostopadły do wektora natężenia pola geomagnetycznego) okazało się, że indukuje się w niej sygnał indukcji elektromagnetycznej o zanikającej amplitudzie i częstotliwości odwrotnie proporcjonalnej do natężenia ziemskiego pola magnetycznego. Pomiar natężenia ziemskiego pola magnetycznego sprowadza się do określenia częstotliwości indukowanego sygnału.

75 Instrumenty pomiarowe Podział ze względu na sposób pomiaru: magnetometr wibracyjny Gaussa wykorzystuje drgania zawieszonego magnesu sztabkowego; busola stycznych wykorzystuje cewkę Helmholtza, magnetometr transduktorowy oparty na zjawisku indukcji magnetycznej; magnetometr protonowy wykorzystuje zjawisko rezonansu jądrowego.

76 Instrumenty pomiarowe Magnetometr protonowy: instrument wykorzystujący rezonans jądrowy protonów w polu magnetycznym Ziemi (Earth's Field Nuclear Magnetic Resonance) do pomiaru modułu wektora całkowitego natężenia pola geomagnetycznego (F).

77 Instrumenty pomiarowe Teodolit niemagnetyczny z nasadką Fluxgate do pomiaru deklinacji D oraz inklinacji magnetycznej I.

78 Obserwacje satelitarne Magsat (Magnetic Field Satellite) amerykańska misja satelitarna mająca na celu pomiary pola magnetycznego Ziemi. Misja wspólna NASA (National Aeronautics and Space Administration) i USGS (United States Geological Survey). Czas pracy: r. Wyposażenie: dwa magnetometry. Wynikiem był pierwszy trójwymiarowy model pola magnetycznego Ziemi.

79 Obserwacje satelitarne Ørsted pierwszy duński satelita. Wystrzelony , pracuje do dziś. Wyposażenie: trzy magnetometry i teleskop do obserwacji gwiazd (orientacja). Wynikiem było pierwsze potwierdzenie ruchu biegunów magnetycznych.

80 Obserwacje satelitarne Cluster II bezzałogowa misja naukowa sond Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA), której celem jest dokładne zbadanie ziemskiej magnetosfery oraz jej interakcji z wiatrem słonecznym, która tworzy tzw. pogodę kosmiczną. Wystrzelone r. (2) i r. (2), pracują do dziś. Wynikiem były pierwsze pomiary pola magnetycznego podczas rekoneksji magnetycznej (szybkie zmiany linii pola magnetycznego w poruszającym się płynie) dla małych obszarów.

81 Obserwacje satelitarne CHAMP (CHAllenging Minisatellite Payload) niemiecka misja satelitarna mająca na celu wieloletnie pomiary pól: magnetycznego i grawitacyjnego Ziemi. Satelita wystrzelony z rosyjskiego kosmodromu w Plesiecku 15 lipca 2000 r., pracował do 19 września 2010 r. Wykonał okrążeń Ziemi

82 Obserwacje satelitarne Cele misji CHAMP: badanie pola grawitacyjnego Ziemi (geoida, anomalie siły ciężkości, odchylenia pionu i inne funkcje pola siły ciężkości jako wielkości bazowe dla realizacji spójnego globalnego systemu odniesienia); badanie jonosfery (zawartości elektronów w jonosferze); badanie pola magnetycznego Ziemi (pulsacji geomagnetycznych).

83 Obserwacje satelitarne

84 Obserwacje satelitarne Swarm misja satelitarna Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) mająca na celu badanie pola magnetycznego Ziemi.

85 Obserwacje satelitarne 3 satelity umieszczone na dwóch okołobiegunowych orbitach, wystrzelone r.: 2 satelity na orbicie o inklinacji 87.4 i wysokości 450 km (maksymalne opóźnienie na orbicie 10 s); 1 satelita na orbicie o inklinacji 88 i wysokości 530 km.

86 Obserwacje satelitarne

87 Obserwacje satelitarne Cele misji Swarm to zbadanie: dynamiki jądra ziemskiego, ziemskiego dynama oraz interakcji na granicy jądro-płaszcz; namagnesowania litosfery i jego geologicznej interpretacji; przewodnictwa elektrycznego 3D płaszcza ziemskiego; prądów magnetycznych w magnetosferze i jonosferze; prądów w oceanach.

88 Obserwacje satelitarne

89 Obserwacje satelitarne

90 Obserwacje satelitarne Misja THEMIS (Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms) 5 satelitów przeznaczonych do obserwacji magnetosfery, wystrzelone r. Wyposażenie: przyrząd do badania pola elektrycznego (Electric Field Instruments); magnetometr typu fluxgate (Flux Gate Magnetometer); magnetometr trójosiowy (Search Coil Magnetometers); analizator elektrostatyczny (Electrostatic Analyzer); detektor cząstek z ciałem stałym (Solid State Telescope).

91 Obserwacje satelitarne Misja THEMIS po raz pierwszy w historii zaobserwowała chwilową wyrwę z ziemskim polu magnetycznym 4-krotnie większą od samej Ziemi (czerwiec 2007 r.).

92 Obserwacje satelitarne Sonda Cassini wyznaczyła niejednorodności w polu magnetycznym Saturna (listopad 2017 r.).

93 Obserwacje satelitarne Parker Solar Probe

94 Obserwacje satelitarne Parker Solar Probe Sonda kosmiczna wystrzelona roku, mająca wyjaśnić jedną z największych obecnie zagadek słonecznej astrofizyki: czemu nad Słońcem (korona) temperatura nie spada, lecz skokowo skacze do milionów stopni, a naładowane cząstki przyspieszają do ogromnych prędkości (do 20 km/s) tworząc wiatr słoneczny? Misja oficjalnie nazywa się Touch the Sun, gdyż próbnik zbliży się na najmniejszą odległość do Słońca (6 mln km) a rozgrzeje się do temperatury panującej we wnętrzu pieca hutniczego (1 400 o C).

95 Obserwacje satelitarne Parker Solar Probe Pełny koszt tej misji to 1,5 mld dolarów, ale zdobycie większej wiedzy o Słońcu i jego aktywności może mieć ogromne znaczenia dla funkcjonowania, a nawet życia ludzi na Ziemi. Kilka lat temu Amerykańska Akademia Nauk opublikowała raport, z którego wynika, iż nieprzewidziany masywny rozbłysk na Słońcu i będąca jego wynikiem burza magnetyczna mogłaby na rok pozbawić prądu całe wschodnie wybrzeże USA. Tylko w Stanach Zjednoczonych straty sięgnęłyby 2 bln dolarów.

96 Anomalia magnetyczna Różnica między ziemskim polem magnetycznym w danym miejscu a jego wartością teoretyczną, wyliczonymi na podstawie położenia biegunów geomagnetycznych.

97 Anomalia magnetyczna Anomalia południowo-atlantycka

98 Anomalia magnetyczna Wyłomy w ziemskim polu magnetycznym są niebezpieczne dla przelatujących na wysokości kilkuset kilometrów satelitów. Znajdując się w tym regionie narażają się na niebezpieczeństwo, ponieważ dociera do nich znacznie więcej promieniowania kosmicznego i słonecznego, a to grozi unieruchomieniem pokładowych komputerów i w konsekwencji utratą satelity.

99 Cele pomiarów magnetycznych tworzenie modelu pola magnetycznego Ziemi; badanie zmian chwilowych (burze magnetyczne, aktywność słoneczna) i wiekowych pola; badanie anomalii magnetycznych (lokalizacja lotnisk, badanie zanieczyszczeń powietrza, lokalizacja obiektów archeologicznych); badania paleomagnetyczne (dryf kontynentów); opracowywanie map deklinacji magnetycznych; korekty do redukcji obserwacji satelitarnych (GNSS); badanie naprężeń i odkształceń w konstrukcjach (magnetostrykcja); pomiary dla celów nawigacyjnych dla służb cywilnych i wojskowych (obsługa magnetyczna na lotniskach).