Povzetek
Predstavljena je narava sončnega in zemeljskega magnetnega polja, njuna medsebojna povezava in njune anomalije. Cikli števila magnetnih neviht so enaki ciklu števila sončnih peg. Izbruhi na Soncu, ki izhajajo iz sončnih peg, povečujejo sončni veter in tako vplivajo na magnetno polje Zemlje in na njeno atmosfero. Kot primer te povezave je opisana največja magnetna nevihta iz zadnjih dveh sončnih ciklov, ki je trajala od 28. oktobra do 2. novembra 2003. Da je navigacija uspešna, je potrebno upoštevati tudi vse spremembe, ki jih na Zemlji povzročajo spremembe na Soncu.
Sončni cikli
Nemški astronom Heinrich Schwabe (1789-1875) je leta 1843 objavil rezultate svojega
večdesetletnega vsakodnevnega spremljanja sončnih peg. Opazil je, da število sončnih peg
narašča in upada v neenakomernih ciklih, trajajočih približno po 10 let. Tudi širina
področja, v katerem se te pege pojavljajo, se širi in krči. V bližini vrha takega sončnega
cikla se v okolici sončnih peg sprošča velika količina energije v obliki žarkov X, radijskih
valov in zelo hitro potujočih oblakov plazme. Ti oblaki plazme na Zemlji povzročajo
magnetne nevihte. Izbruhe plazme na Soncu spremljajo nenadni bleski (solar flares). Prva
opazovanja sončnih bleskov je s pomočjo teleskopa opravil angleški astronom Richard C.
Carrington (1826-1875). Na osnovi opazovanja gibanja sončnih peg je tudi odkril, da se
Sonce vrti različno hitro, odvisno od solarne širine. Sonce opravi popoln obrat okoli svoje
osi glede na Zemljo približno v sedemindvajsetih dneh. Pri tem se njegov ekvatorialni
predel vrti hitreje kot pa polarni. Ta neenakomernost v vrtenju skupaj z gibanjem plazme iz
notranjosti Sonca proti površini je osnova za razlago nastanka njegovega magnetnega polja
(Čop & Fefer, 2006). Sonce je po tej razlagi velik magnetni dinamo, ki zaradi nesimetrije
širi svoje magnetno polje v interplanetarni prostor.
Področja na površini sonca s povečano gostoto magnetnega polja se v vidni svetlobi
zaznajo kot sončne pege. Iz še ne pojasnjenega razloga lahko močno magnetno polje v
posamezni sončni pegi upočasni prehod toplote, zaradi česar je sončna pega hladnejša od
svoje okolice. Močnejše in bolj nehomogeno magnetno polje Sonca nastaja ob večjem
številu sončnih peg. Enajstletni cikel sončnih peg, ki pozna le pozitivne amplitude, se
približno pokriva s ciklom magnetnega polja Sonca ali Halejevim ciklom. Skupaj s svojimi
sodelavci je ta cikel odkril George Ellery Hale (1868-1938), graditelj astronomskega
observatorija na gori Palomer v Kaliforniji. Sončev magnetni cikel ima pozitivne in
negativne amplitude, kar pomeni zaporedno menjavanje magnetnih polov vsakih enajst let.
Magnetni poli Sonca se postavijo ponovno v začetno lego po dveh takih menjavah.
V času popolnega sončnega mrka se opazita drugače slabo vidni zunanji plasti Sonca:
rdečkasta kromosfera in nad njo v žarke oblikovana korona. Na področjih sončnih peg kot
tudi na magnetnih polih so ti žarki vidno pod vplivom močnih magnetnih polj. Fotosfera,
vidno področje solarne površine, dosega temperaturo okoli 6000 K. Korona, ki leži nekaj
tisoč kilometrov nad fotosfero, pa dosega temperaturo preko
2.10 6K in gostoto delcev 10 14 m -3.
Za ta pojav še ni zadovoljive razlage. Zgornja plast Sonca se namreč ne obnaša po
pravilih običajnega prenosa toplote (Stern & Peredo, 2003).
V nekaterih primerih nastanejo na Zemlji magnetne nevihte in močno povečanje sipanja
osnovnih delcev iz Sonca tudi brez predhodnega pojava sončnih bleskov. Nad posameznim
področjem sončnih peg se v takem primeru ustvari motnja v obliki balona, ki se z
oddaljevanjem od svojega izvora vse bolj širi. Taki izbruhi materije v sončni koroni
(coronal mass ejection, CME) so bili odkriti s pomočjo kamer na vesoljskih sondah konec
sedemdesetih let prejšnjega stoletja.
Zemeljsko magnetno polje
Zemeljsko magnetno polje se načrtno proučuje v geomagnetnih observatorijih več kot
stoletje in pol. Zadnja tri desetletja se meri tudi s pomočjo vesoljskih sond. Odkrivajo se
lastnosti notranjih in zunanjih izvorov zemeljskega magnetizma. Podatke o njegovih
spremembah v preteklih geoloških obdobjih nam posreduje remanenčni magnetizem
kamenin, lončenine in podobnih predmetov, ki so se namagnetili med njihovim ohlajanjem
(Jarrard & Sclater, 1974; Mankinen & Wentworth, 2003).
Zemlja se od vseh notranjih planetov sončnega sistema vrti najhitreje. En obrat napravi
v 23 urah in 56 minutah glede na zvezde stalnice oziroma v 24 urah glede na Sonce. Ima
povprečni polmer 6371,2 km. Njeno jedro v stanju plazme zavzema84 % celotnega
volumna, zunanja tekoča lupina pa ostalih16 %. Tekoča lupina predstavlja36 % celotne
mase Zemlje in jo sestavljajo v glavnem kovine. Toplotna energija, ki se sprošča pri
njenem ohlajanju, se odvaja v interplanetarni prostor s pomočjo prevajanja in konvekcije.
Do danes se je zaradi ohlajanja strdila zunanja skorja, ki predstavlja vsega4 % volumna
celotne tekoče zunanje lupine. Zunanja tekoča lupina zemlje je toplejša od temperature 1043 K, nad katero železo izgubi svoje feromagnetne lastnosti. Zato nastaja magnetno polje Zemlje samo zaradi električnih tokov, ki tečejo v njeni raztaljeni lupini. Konvekcijski tokovi v zunanji tekoči lupini povzročajo pretakanja ioniziranega materiala in so zato sestavni del magnetnega dinama.
Poleg tega pa povzročajo tudi premikanje tektonskih plošč (Kious & Tilling,
1996). Zaradi razlike v gostoti in zaradi nesimetričnih konvekcijskih tokov tekoča lupina
še dodatno samostojno niha, zaradi česar se s časom premika tudi zemeljsko magnetno
polje (Russell & Luhmann, 1997). Danes je dejanski južni magnetni pol zemlje na severni
polobli in se premika proti zahodu. Spremembe magnetne polaritete na severni polobli so
se pred 60 milijoni let dogajala na vsakih 500 tisoč let. Pred 10 milijoni let so te
spremembe postale trikrat pogostejše in se dogajajo na približno vsakih 150 tisoč let.
Približek dejanskemu magnetnemu polju Zemlje je magnetno polje, ki bi ga ustvarjal
magnetni dipol v njenem središču. Kjer magnetna os tega dipola prebada zemeljsko
površino, sta njena geomagnetna pola. Danes sta ta dva pola nagnjena za približno 11,3°
glede na os rotacije Zemlje. Le v primeru, da bi bilo njeno resnično magnetno polje
dipolno, bi se njena geomagnetna pola pokrivala z njenima magnetnima poloma, dejansko
pa ti dve skupini polov ležita na različnih krajih. Zemeljska magnetna pola sta
tam, kjer je inklinacija magnetnega polja 90° na severnem magnetnem polu in -90° na
južnem magnetnem polu. Ta dva pola se premikata neodvisno eden od drugega.
Trenutno je južni magnetni pol bolj oddaljen od južnega geografskega pola, kot pa je severni magnetni pol oddaljen od severnega geografskega pola.
Spremembo magnetnega polja Zemlje se lahko opiše s sferično harmonično vrsto, ki je
rešitev Laplace-ove enačbe. V tej enačbi so zajeti le notranji izvori magnetnega polja in so
predstavljeni s sekularnim magnetnim potencialom, katerega gradient sestavljajo
tri osnovne vektorske komponente.
Spremembe zemeljskega magnetnega polja
Vektor zemeljskega magnetnega polja se spreminja s časom in s krajem. Spremembe
magnetnega polja Zemlje se v določenih obdobjih odvijajo enakomerno in pravilno, zato se
lahko tem spremembam določi zakonitost. Obstajajo pa obdobja, v katerih se amplituda in
perioda neprestano spreminjata. Na osnovi observatorijskih meritev so najprej določene
normalne vrednosti geomagnetnega polja. To so letne srednje vrednosti, določene za daljše
merilno obdobje, kot je na primer en sončni cikel. Normalna gostota magnetnega polja v
Sloveniji je nekaj več kot 47000 nT (Weyand, 1984).
S pomočjo statistične analize so iz merilnih podatkov posameznega geomagnetnega
observatorija nato določene spremembe magnetnega polja Zemlje, ki imajo svoj izvor v
Zemlji ali na njeni površini. Spremembe zunanjega izvora imajo svoje poreklo v
spremembi aktivnosti Sonca, spremembi njegovega magnetnega polja in v sončnem vetru.
Razdeli se jih lahko v več različnih razredov glede na njihovo obliko in velikost.
Spremembe magnetnega polja, izmerjene v magnetno mirnih dneh, določajo stalno dnevno
spremembo magnetnega polja Zemlje.
V času trajanja geomagnetne nevihte 30. in 31. oktobra 2003 so bile registrirane velike
spremembe zemeljskega magnetnega polja (Largest Geomagnetic Storm, 2003). Zato je bil
povzročen dodatni naključni pogrešek pri navigacijskih instrumentih za merjenje smeri. Ti
instrumenti so danes v navigaciji sekundarnega pomena, vendar se obvezno uporabljajo v
navigacijskih napravah s povečano točnostjo, zanesljivostjo in robustnostjo delovanja:
integralni navigacijski sistemi, avto-piloti, radarji ARPA, sistemi za uravnavanje vrtalnih
platform. Prehod posamezne magnetne nevihte se danes že točno napove. To pomeni, da
pogreški, ki jih taka nevihta povzroči na navigacijskih instrumentih, postanejo sistemski in
zato obvladljivi.
Magnetna nevihta spremeni razmere v atmosferi in s tem način širjenja radijskih valov.
Zato se spremenijo pogoji uporabe radionavigacijskih sistemov: satelitskih in hiperboličnih
navigacijskih sistemov ter radijskih svetilnikov. Zato je poznavanje izjemnih sprememb v
magnetnem polju Zemlje pomembno tudi pri uporabi primarnih navigacijskih sistemov
pasivne in aktivne vrste.
Zaključek
V Evropi delujeta dva od šestih svetovnih centrov GIN (Geomagnetic Information
Node) za zbiranje rezultatov geomagnetnih meritev v skoraj realnem času. Preko teh
centrov je več kot osemdeset geomagnetnih observatorijev po vsem svetu povezanih v
projekt Intermagnet (International Real-time Magnetic Observatory Network) (Kerridge;
Intermagnet, 2004). Ta mednarodni projekt, ki deluje od leta 1991, omogoča zbiranje in
shranjevanje rezultatov meritev sprememb magnetnega polja Zemlje na njeni površini.
Zbrane podatke nato posreduje vsem observatorijem za geomagnetne meritve IMO
(Intermagnet Magnetic Observatory) in drugim uporabnikom.
Postavitev geomagnetnega observatorija v Republiki Sloveniji bi pomenila ponovno
vzpostavitev geomagnetnih meritev na njenem ozemlju, ki so že potekale od leta 1958 do
leta 1991. Njegova vključitev v mednarodno mrežo Intermagnet pa bi mu omogočila
sodelovanje v domačih in mednarodnih programih in projektih is področja geomagnetizma,
astronomije, seizmologije, vremenoslovja, navigacije in varstva okolja.
Ni komentarjev:
Objavite komentar