Instytut Geodezji i Kartografii dr hab. inż. Elżbieta Welker. Instytut Geofizyki PAN dr Jan Reda

Transkrypt

1 Instytut Geodezji i Kartografii dr hab. inż. Elżbieta Welker Instytut Geofizyki PAN dr Jan Reda Współczesne problemy podstawowych osnów geodezyjnych w Polsce Grybów 14 września 2016 r.

2 Pole magnetyczne Ziemi jest polem zmiennym w czasie i zmiany te mają charakter długookresowy (zmiany wiekowe), dobowy (zmiany cykliczne) lub krótkookresowy. Charakter i amplitudy zmian zależą od położenia geomagnetycznego punktu pomiarowego oraz aktualnej aktywności geomagnetycznej. Aparatura wykorzystywana obecnie do tzw. pomiarów absolutnych pola geomagnetycznego (magnetometry protonowe lub magnetometry typu DIfluxgate) zapewnia wysoką precyzję pomiarów, nawet na poziomie poniżej 1 nt, ale nie zapewnia powtarzalności wartości uzyskanych z tych pomiarów. Sprawdzanie, testowanie sprzętu pomiarowego może się odbywać w obserwatorium magnetycznym dysponującym zaufaną aparaturą, taką, która pozytywnie przeszła międzynarodowe porównania organizowane cyklicznie przez IAGA (International Association of Geomagnetism and Aeronomy). W wyniku odpowiedniej procedury pomiarowej i po opracowaniu wyników pomiarów otrzymuje się poprawki instrumentalne, które należy uwzględniać przy opracowywaniu wyników pomiarów terenowych. Składowe wektorowe X, Y, Z i H (o modułach X, Y, Z, H) i elementy kątowe D i I wektora F całkowitego natężenia pola geomagnetycznego

3 Całkowite natężenie pola magnetycznego Ziemi H t można przedstawić za pomocą wzoru: gdzie: H t = H 0 + H m + H a + H e + H = H n + H a H 0 natężenie pola jednorodnie namagnesowanej kuli ziemskiej, H m natężenie pola szczątkowego lub kontynentalnego związanego ze źródłami we wnętrzu Ziemi, H a natężenie pola anomalnego zależnego od struktur geologicznych litosfery (wpływ skał namagnesowanych przez normalne pole magnetyczne Ziemi), H e natężenie pola zewnętrznego (generowane w jonosferze i magnetosferze), H natężenie pola zmian, którego źródła leżą poza kulą ziemską, H n natężenie pola normalnego.

4 ZMIANY WIEKOWE - zmiany o częstotliwości powyżej 100 lat spowodowane: obrotem jądra wewnątrz Ziemi (zmiany planetarne), wpływem prądów konwekcyjnych tworzących wokół jądra dipole, zmianami namagnesowania skorupy ziemskiej przez pole normalne, wpływem zewnętrznego pola magnetycznego indukowanego w jonosferze i magnetosferze. ZMIANY KRÓTKOOKRESOWE zmiany trwające na ogół dobę lub kilka godzin: zmiany dobowe spowodowane wpływem Słońca i Księżyca, zmiany o charakterze pulsacyjnym chwilowe zmiany namagnesowania w skorupie ziemskiej, zmiany burzowe związane z aktywnością Słońca, zaburzenia lokalne, zmiany zatokowe. Zmiany krótkookresowe nie dadzą się przewidzieć ani opisać formułami matematycznymi są to typowe zmiany przypadkowe. Współczesne problemy podstawowych osnów geodezyjnych w Polsce,Grybów 14 września 2016 r.

5 Sieć obserwatoriów magnetycznych w Europie (INTERMAGNET ) INTERMAGNET to organizacja skupiająca obserwatoria magnetyczne świata (ponad 140) tak jak IAGA (International Association of Geomagnetism and Aeronomy), udostępniająca aktualny i archiwalny przebieg zmian pola magnetycznego Ziemi. Poprzez Internet pozwala na bieżąco śledzić zmiany pola geomagnetycznego w różnych częściach Świata. Dane bieżące i ostateczne z rejestracji magnetycznych w Belsku i Helu są przesyłane do Intermagnetu od 1992 roku (BEL) i 1999 roku (HLP) Sieć obserwatoriów magnetycznych Europy Polskie obserwatoria magnetyczne BELSK (BEL) HEL(HLP) Przebieg deklinacji magnetycznej w wybranych obserwatoriach Europy w latach

6 Sieć magnetycznych punktów wiekowych w Europie (MAGNETE- grupa europejska powstała do współpracy i wypracowywania standardów) Osnowa Magnetyczna Kraju składa się obecnie z 19 punktów wiekowych. Obok pokazany przykładowy pomiar absolutny. Pomiary wykonywane są co 5 lat (według GUGiK) mimo, że zaleca się wykonywanie pomiarów absolutnych co 2-3 lata. Wyniki pomiarów redukowane są momentalnie w oparciu o dobowe magnetogramy obserwatoryjne a następnie redukowane na epokę w oparciu o średnią roczną obserwatorium (BEL).

7 Sieć stacji permanentnej rejestracji zmian składowych pola magnetycznego Ziemi XYZ Obecnie w Polsce pracuje 5 stacji polowych należących do IGF i stacja IGiK w Obserwatorium Borowa Góra. Przebiegi rejestracji można śledzić na bieżąco poprzez Internet - aktualizacja. Czerwonym krzyżykiem zaznaczono stacje polowe (na tle punktów wiekowych - polskich, litewskich i białoruskich) Przebieg rejestracji we wzorcowej stacji polowej BIRZAI i BEL ( ) Przebieg rejestracji na stacji BOROWA GÓRA i BIRZAI (widoczne duże zakłócenia na stacji BG przy niemal idealnym zapisie stacji litewskiej) Przebieg rejestracji w BEL i HEL w dzień spokojny ( ) i zakłócony ( )

8 Aparatura pomiarowa pomiary absolutne Magnetometry PMP produkcji krajowej do pomiaru absolutnego modułu wektora natężenia całkowitego pola magnetycznego F oraz teodolity niemagnetyczne (Wild, Zeiss) z nasadką flux-gate D/I do wyznaczenia kierunku północy magnetycznej i pomiaru wartości momentalnej inklinacji I pomiary względne (rejestracja zmian składowych X,Y,Z pola geomagnetycznego) Magnetometry typu LEMI-03, GEOMAG-03 produkcji ukraińskiej oraz PSM produkcji krajowej

9 Atestacja sprzętu magnetycznego do pomiarów absolutnych w obserwatoriach i na punktach terenowych (1) Atestacja magnetometrów protonowych do absolutnych pomiarów F w obserwatoriach: - kontrolą jest sprawdzenie wewnętrznego generatora magnetometru; - skalibrowanie magnetometru według najnowszej stałej żyromagnetycznej; - sprawdzenie niemagnetyczności sondy magnetometru protonowego tzn. ustalenie czy wyniki pomiarów są niezależne od kierunku ustawienia sondy - pomiar pola całkowitego F w warunkach obserwatorium po umieszczeniu sondy magnetometru na sprawdzonym słupie bazowym. IAGA Workshop Belsk, 2006 rok Współczesne problemy podstawowych osnów geodezyjnych w Polsce Grybów 14 wrzesień 2016r.

10 Atestacja sprzętu magnetycznego do pomiarów absolutnych w obserwatoriach i na punktach terenowych (2) - kontrola magnetometru protonowego w cewce kalibracyjnej -porównanie częstotliwości generatora wzorcowego z generatorem magnetometru - - stanowisko do atestacji magnetometru protonowego - w obserwatorium geofizycznym w Belsku prąd o natężeniu i płynący przez cewkę wytwarza strumień magnetyczny opisujące podstawowy parametr cewki indukcyjność : L = k* /i Pole magnetyczne cewki o wielu zwojach przez którą płynie prąd

11 Atestacja sprzętu magnetycznego do pomiarów absolutnych w obserwatoriach i na punktach terenowych (3) Atestacja magnetometrów DI-fluxgate w obserwatorium: - kontrolą magnetometrów DI-fluxgate do pomiarów deklinacji i inklinacji pola geomagnetycznego jest porównywanie wyników pomiarów z różnych przyrządów w czasie sesji pomiarowych na konferencjach IAGA Workshop przy jednoczesnej - równoległej, ciągłej rejestracji zmian pola magnetycznego - w celu wyeliminowania wpływu zmian pola geomagnetycznego na rezultat pomiarów. IAGA Workshop Belsk, 2006 rok Współczesne problemy podstawowych osnów geodezyjnych w Polsce Grybów 14 wrzesień 2016r.

12 Atestacja sprzętu magnetycznego do pomiarów absolutnych w obserwatoriach i na punktach terenowych (4) - Testowanie sprzętu terenowego (odbywa się przy założeniu, że obserwacja pola magnetycznego w pobliskim obserwatorium jest poprawna): - sprawdzenie sprzętu magnetycznego do ciągłej rejestracji zmian składowych XYZ pola geomagnetycznego (różnego typu magnetometry) polega na synchronicznej rejestracji zmian wykonywanej przez testowany magnetometr i inny magnetometr o znanych parametrach lub magnetometr w obserwatorium magnetycznym; - sprawdzenia magnetometru DI-fluxgate dokonuje się na podstawie wyników z kontrolnej sesji pomiarowej w obserwatorium - poprawka instrumentalną uwzględnianą przy opracowaniu wyznaczonych w terenie wartości deklinacji i inklinacji magnetycznej. - poprawkę dla każdego magnetometru protonowego wyznacza się jako różnicę wartości ciągłych zapisów z magnetometru testowanego i magnetometru bazowego obserwatorium Pomiary w obserwatorium Belsk Współczesne problemy podstawowych osnów geodezyjnych w Polsce Grybów 14 wrzesień 2016r

13 WNIOSKI Ze względu na specyfikę pola magnetycznego Ziemi nie ma możliwości ciągłej, systematycznej kontroli aparatury używanej do pomiarów magnetycznych zarówno absolutnych jak i względnych. Nawet w stałych warunkach laboratoryjnych zmiany pola geomagnetycznego nie pozwalają na otrzymanie powtarzalnych wyników absolutnych pomiarów magnetycznych. Różnice otrzymane z opracowania wielokrotnych pomiarów wykonanych aparaturą magnetyczną mogą być spowodowane zarówno błędami sprzętowymi jak również lokalnymi zakłóceniami pola magnetycznego. W analizie wyników pomiarowych może być pomocny zapis ciągłej rejestracji zmian składowych X,Y,Z pola magnetycznego Ziemi z magnetometru usytuowanego w rejonie pomiarów absolutnych. Pozwala to na eliminację lokalnych zakłóceń przy opracowywaniu otrzymanych w wyniku pomiarów wartości absolutnych. Dzięki porównaniom na IAGA Workshop oraz bilateralnych porównaniach między obserwatoriami można zakładać, że wszystkie obserwatoria na świecie mierzą pole magnetyczne wg jednego standardu. Obserwatoria magnetyczne można więc traktować, jako odniesienie dla krajowych czy regionalnych sieci punktów wiekowych.