Jan Schenk
Magnetické pole ZemČ a jeho využití pĜi orientaci na Zemi (PĜedneseno v Klubu pĜátel hornického muzea dne 3.3.2009) Svého þasu jsem Ĝešil orientaci starých map na kterých byl vyobrazen magnetický sever. Moje pĜedstava byla porovnat magnetickou deklinaci urþovanou dlouhodobČ (Londýn 1600, Praha 1840) s úhlem mezi místním astronomickým a magnetickým poledníkem, jako spojnicí místa mČĜení se severním magnetickým pólem. To by mČla být deklinace oþištČna od místních vlivĤ. PĜi zjišĢování potĜebných hodnot polohy severního magnetického pólu jsem se propadal dál a dál do historie, a protože je podle mého názoru zajímavá bude snad zajímat i Vás.
1. Magnetosféra a vznik magnetického pole ZemČ
Magnetosféra – oblast magnetického vlivu naší ZemČ v prostoru. Magnetické pole vystupuje z nitra planety pomocí uzavĜených siloþar a sahá až nČkolik desítek tisíc km okolo ZemČ (MAGNET TOTAL).. Ve vČtších vzdálenostech je pole deformováno sluneþním vČtrem na denní stranČ do charakteristické rázové vlny (BOW SHOCK) a magnetického ohonu na noþní stranČ. Magnetosféra je pĜirozeným ochranným štítem pĜed nabitými þásticemi sluneþního vČtru, která odklání. dopadající vysokoenergetické þástice vycházející ze Slunce. Jediným
1
místem vstupu þástic jsou polární trychtýĜe (POLAR CUSP), což se projevuje vznikem polární záĜe a magnetickými bouĜemi v polárních oblastech.
Magnetické pole a radiace
Zemi tvoĜí pevné vnitĜní jádro ( SOLID INNER CORE), tekuté vnČjší jádro (LIQUID OUTER CORE), plášĢ (MANTLE), kĤra (CRUST) a povrch
Jádro se dČlí na dvČ þásti v podobČ pevného vnitĜního jádra s polomČrem ~1250 km a tekuté vnČjší jádro o polomČru ~3500 km, které se rozprostírá kolem nČj. VšeobecnČ se pĜedpokládá, že vnitĜní jádro je pevné a složené pĜedevším ze železa a z menší þásti z niklu. NČkteĜí obhajují názor, že vnitĜní jádro by mohlo být ve formČ jediného krystalu železa. O vnČjším jádru obklopujícím vnitĜní se soudí, že je složeno ze smČsi tekutého železa a niklu a stopového množství lehþích prvkĤ. ObecnČ se pĜedpokládá, že konvekce ve vnČjším jádru kombinovaná s mícháním zpĤsobeným zemskou rotací vyvolává zemské magnetické pole procesem popsaným teorií dynama. Pevné vnitĜní jádro je pĜíliš horké, než aby bylo nositelem stálého magnetického pole, pravdČpodobnČ však pĜispívá ke stabilizaci pole generovaného tekutým vnČjším jádrem. Pevné jádro se každoroþnČ otoþí o 1–3 stupnČ více než polotekutý obal a zbytek ZemČ.
2
Teorie dynama popisuje proces, kdy se pomocí rotace, konvekce a elektrického pĜenosu kapalinou vytváĜí magnetické pole. Tato teorie se používá k vysvČtlení anomální dlouhovČkostí magnetických polí v astrofyzikálních tČlesech. Zatím co vodivou kapalinou geodynama je tekuté železo ve vnČjším jádru, je to ve sluneþním dynamu ionizovaný plyn.Teorie dynam astrofyzikálních tČles používá magnetohydrodynamické vzorce k popisu, jak mĤže kapalina kontinuálnČ regenerovat magnetické pole.
Zemské jádro Zemské jádro je geosféra nacházející se ve stĜedu ZemČ. Zaþíná zhruba v hloubce 2900 km pod povrchem a zahrnuje zhruba 31 % hmotnosti ZemČ, nejvyšší podíl v nČm asi mají železo a nikl. Jádro je 2× tČžší než zemský plášĢ. DČlí se na pravdČpodobnČ polotekuté vnČjší jádro (2900-5000 km pod povrchem) a pevné vnitĜní jádro (též jadérko). Mezi vnČjším a vnitĜním jádrem se v hloubce 5000 km pod povrchem zemČ nachází jakási pĜechodná vrstva o tloušĢce 160–500 km. Na hranici mezi jádrem a pláštČm se nachází tzv. Gutenbergova diskontinuita. PrĤmČrné složení jádra je 86,2% železa, 7,25% niklu, 0,40% kobaltu, 5,96% síry a ostatní siderofilní prvky (slouþeniny kĜemíku a kovĤ) mají 0,04%.
Zemský plášĢ ýást zemského tČlesa ležící mezi zemskou kĤrou, od níž je oddČlena Mohoroviþiüovou diskontinuitou a zemským jádrem. Obsahuje asi 69 % hmotnosti ZemČ a 84 % jejího objemu. Chová se jako pevná látka s jistým stupnČm viskozity, která od hloubky 1000 km smČrem k jádru znaþnČ stoupá. Teplota v hloubce 1000 km je asi 1500 °C pĜi hustotČ 4,3 g·cm-3 a tlaku asi 0,5·1011 Pa. ýasté horniny zemského pláštČ jsou ultramafické horniny (dunit, eklogit, lherzolit, peridotit). Zdrojem informací o zemském plášti jsou zemČtĜesné vlny.
Zemská kĤra TloušĢka zemské kĤry kolísá od 5 do 70 km v závislosti na místČ, kde se nachází. Nejtenþí þástí je oceánská kĤra na dnČ oceánĤ složená z mafických hornin bohatých na kĜemík, železo a hoĜþík. SilnČjší je kontinentální kĤra, která má menší hustotu a obsahuje pĜedevším vrstvu složenou z felsických hornin bohatých na kĜemík, sodík, draslík a hliník. Za rozhraní mezi kĤrou a pláštČm lze oznaþit dva fyzikálnČ odlišné jevy. PĜedevším existuje diskontinuita v rychlosti seismických vln, která je známá jako Mohoroviþiüova diskontinuita. Za pĜíþinu této diskontinuity je považována zmČna ve složení hornin od hornin obsahující plagioklasy (nahoĜe) až po horniny, které žádné živce neobsahují (dole). Jiným jevem je chemická diskontinuita mezi ultramafickými horninami a natavenými harzburgity, jak ji lze pozorovat v hlubokých þástech oceánské kĤry, které byly obdukovány do kontinentální kĤry a uchovány jako ofiolitické sekvence
Povrch Celkový povrch ZemČ je 510 065 284,702 km2, ale vČtší þást povrchu (70,8 %) je pokryta SvČtovým oceánem kapalné vody, což pĜedstavuje 361 126 221,569 km2. Oproti tomu souš zabírá 29,2 %, což odpovídá 148 939 063,133 km2. Oceány a pevnina nejsou na svČtČ rozmístČny rovnomČrnČ, ale vČtšina souše pĜipadá na severní polokouli. Jižní polokoule je pak tvoĜena pĜevážnČ oceány. Souš je na zemském povrchu rozdČlena nepravidelnČ do sedmi velkých oblastí nazývaných kontinenty. Jsou jimi Afrika, Asie, Antarktida, Austrálie, Evropa, Jižní a Severní Amerika. Jádra svČtadílĤ jsou tvoĜený stabilními štíty, které jsou zpravidla staré nČkolik miliard let.
3
2. Historický vývoj znalostí o magnetickém poli ZemČ Magnetický jev byl dobĜe známý už ve starovČku jak v ýínČ, tak i v EvropČ, ale první zprávy o magnetce, která se mohla volnČ kývat, jsou asi 900 let staré. ýasto se uvádí, že ýíĖané první popsali kompas okolo roku 1090 . Evropské zprávy jsou o sto let mladší, ale nevíme, zda objevy byly nezávislé nebo pĜišly z východu. Navíc je zajímavé, že zatímco v EvropČ se považoval za urþující sever, ýíĖané urþovali jih. Podle tradice prý kdysi dávno nČkdo nČkde v ýínČ uloupl kus magnetitu, kamínek položil na dĜívko, které umístil na hladinu vody v dĜevČném vČdru a zjistil, že dĜívko s kamínkem se natoþí vždy do jediného smČru, aĢ se toþí s vČdrem, jak chce. Budiž pĜedesláno, že moderní kulové kompasy se principiálnČ vĤbec neliší od svého primitivního pĜedchĤdce. Do Evropy se kompas dostal arabskou cestou. Již v roce 1242 se v arabském spise Pokladnice kupcĤ psalo o "rybce z tenkého plechu", kterou používají moĜeplavci, která se vyznaþuje tím, že "když je hozena do moĜe, drží se na hladinČ a hlavou ukazuje na sever, ocasem k jihu." Spolu s dalšími vČdomostmi ukoĜistili Portugalci za bojĤ s Maury i tajemství kompasu a tajili jeho konstrukci i s mapami pĜed ostatními evropskými národy. Zpoþátku se opravdu používalo vČdro s moĜskou vodou, do nČhož se vhazovala magnetka s plovákem, pozdČji vývoj došel ke kompasu suchému. Jednou z pozoruhodných skuteþností z této epochy je koncentrace vČdeckých zpráv o magnetismu; mají tvar dlouhých dopisĤ (proto jsou þasto oznaþovány jako Epistola de magnete – dopis o magnetismu). V roce 1269 píše takový dopis francouzský vojenský inženýr Peter Peregrinus de Maricourt pĜíteli Sygeru de Foucancourt bČhem manévrĤ v Itálii. V dopise jsou popsány teorie a pokusy dotýkají se magnetismu, vþetnČ pojmu magnetických polí, pĜitažlivosti a odpudivosti. Peregrinus uþinil 3 základní objevy: 1. Magnetické pole ZemČ je pĜirozený bipolární magnet. 2. Magnetická síla na pólu je svislá. 3. Magnetická síla smČrem k pólu je více strmá. Kompas s otoþnou magnetkou z rukou psané kopie ze 14. století Peregriniho Epistola de magnete
Tato práce byla v následujících stoletích studováná. Je zajímavé mimoto poznamenat, že Peregrinus byl toho názoru, že magnetka ukazuje k Polárce, zatímco v této dobČ se pĜedpokládalo, že na severním pólu musí být magnetické pohoĜí, které magnetku pĜitahuje. Kompas se pravdČpodobnČ zaþal bČžnČ používat jako navigaþní pĜístroj ve 14. století a obvykle se urþoval skuteþný (geografický) sever. NicménČ v dalších stoletích bylo jasné, že situace není tak úplnČ dokonalá a že existuje malá odchylka od skuteþného severu. V EvropČ ukazoval kompas nČkolik stupĖĤ na východ, první spolehlivý údaj se urþil pomocí pĜenosných sluneþních hodin v 15. století. Takové hodiny byly postaveny jako kombinace sluneþních hodin a kompasu, aby správnČ pracovaly, musely se správnČ orientovat. Konstrukce takových hodin v NČmecku dokazuje, že již uprostĜed 14. století byla magnetická deklinace známá. SkuteþnČ na nČmeckých námoĜních mapách z tohoto období je tato deklinace uvedena. 4
Známý tvĤrce map Gerhard Mercartor (1512-1594), vlámský kartograf a matematik nČmeckého pĤvodu, když chtČl s ohledem na znalost celé Ĝady deklinací urþit místo severního magnetického pólu protínáním, došel k závČru, že existují dva póly od sebe vzdálené asi 500 km (2 hory v mapČ). Je po nČm pojmenováno Mercatorovo zobrazení, které vynálezl.
Mercartorova mapa Arktidy
Magnetická deklinace je úhel mezi smČrem magnetky a zemČpisným (astronomickým) poledníkem. Kladná deklinace je východní deklinace a záporná je deklinace západní. ZemČpisný azimut je AA , B = α A , B + δ
Magnetka proto ukazuje trochu stranou od geografického severního pólu a tyto odchylky se mČní podle místa na Zemi.
5
Je pravdČpodobná domnČnka, že magnetickou deklinaci zjistil i Krištof Kolumbus (1451-1506) bČhem své první cesty do Ameriky v roce 1492, ale ta už byla ve skuteþnosti mezi námoĜníky ve stĜední EvropČ známa.
Mapování tČchto deklinací bylo dĤležité pro námoĜníky a Portugalci rozvinuli metodu, která byla založena na pozorování slunce. Objevitel této techniky byl námoĜní dĤstojník Joao de Castro (1500-1548), který byl rovnČž pozdČji i vicekrálem v Portugalské Indii. Sadu vysoce kvalitních mČĜení deklinace lze nalézt v jeho pozoruhodnČ pĜesných a informativních lodních dennících z let 1538 až 1541. Metoda byla následovnČ používána bČhem poþetných cest na všech oceánech a díky tomuto mapování, doplnČného na základČ množství mČĜení na souší, jsme dnes schopni zobrazit magnetické pole ZemČ už od roku 1500 a nepĜímo zjistit polohu magnetického pólu v té dobČ. Angliþan William Gilbert (1540-1603). Také známý jako Gilbard. Byl anglický lékaĜ (Fyzikus) a filozof. Znal Kopernikovu teorii a zásadnČ odmítal jak tehdy pĜevažující Aristotelovu filozofii, tak i scholastické metody výuky na univerzitČ. Po získání lékaĜského titulu v Cambridgi r. 1569 a krátké funkci kvestora na St John’s College v Cambridge, odešel do praxe v LondýnČ a v roce 1600 byl zvolen prezidentem lékaĜské fakulty ( titul udČlený královskou výsadní listinou). Od roku 1601 do své smrti byl osobním lékaĜem královny AlžbČty I. a Jakub VI. obnovil
6
jeho jmenování. V roce 1600 vydal v LondýnČ knihu De Magnete – O magnetu. V De magnete Gilbert nachází souvislosti uvedené v Epistola de magnete Petruse Peregriniho o magnetech a jejich vlastnostech, o magnetickém poli, popisuje deviaci a deklinaci a pĜijímá názor, že ZemČ má stejné magnetické vlastnosti jako koule magnetitu.
GilbertĤv model magnetického pole ZemČ a jeho moderní pojetí Dnes De magnete je považována za první moderní práci pĜírodních vČd a reprezentuje zrod geomagnetismu jako vČdecké disciplíny. KromČ toho v prĤbČhu 17. století se stalo zjevným, že magnetické pole není stálé a že se deklinace nepatrnČ mČní z roku na rok. Proto bylo dĤležitá nejen mapa magnetického pole, ale také její aktuálnost. Sir Edmond Halley (1656-1742) jako absolvent Oxfordské univerzity se zabýval astronomií, geofyzikou, matematikou, metereologii a fyzikou. PĜedevším je znám urþením dráhy komety, která byla po nČm nazvána. RovnČž je vynálezcem kesonu. V roce 1698 byl povČĜen velením na 52 stop (16,7 m) dlouhé lodi Paramount, aby uskuteþnil v Jižním Atlantiku výzkum zákonitosti variací kompasu. V prosinci 1698 vyplul a byla to první þistČ vČdecká výprava v anglickém námoĜnictvu. V þervenci 1699 se ale vrátil do Anglie, protože mČl problémy pĜi velení jako civilista. Proto byl doþasnČ jmenován kapitánem královského námoĜnictva a znovu jmenován jako velitel Paramount. V záĜi 1699 opČt vyplul a provádČl rozšíĜená pozorování pozemního magnetismu. Tento úkol dokonþil pĜi druhé cestČ Atlantikem,
7
kterou ukonþil v záĜí 1700, provedl mČĜení mezi 52°s.š. a 52°j.š. Výsledky cesty publikoval v General Chart of the Variation of the Compass (1701). Byla to první mapa isogon nebo také Halleyových isoþar.
Provedená mČĜení vedla k myšlence urþit polohu severního magnetického pólu, Halley odhadoval, že pól leží nČkde severnČ od ŠpicberkĤ. V roce 1811 „Den Kongelige Danske Videnskapers Seldkab“ (Královská dánská spoleþnost pro vČdu) vyhlásila odmČnu za zodpovČzení otázky: „Lze popsat magnetické pole ZemČ pouze pomocí jedné magnetické osy nebo je tĜeba použít více os?“. Jeden z tČch kdo odpovČdČli, byl mladý nor Christopher Hansteen (1784-1873), jehož odpovČć vyvolala znaþnou pozornost a pĜispČla k získaní profesury na UniverzitČ v Christiani (pozdČji Oslo) v roce 1816. Monografie odpovČdí na dánskou výzvu byla publikována v roce 1819 v rozšíĜené formČ pod titulem Untersuchungen des Magnetismus der Erde ( Zkoumání magnetismu ZemČ). ShromáždČny jsou zde
8
témČĜ všechna pozorování magnetického pole provedená do této doby s mapami a pokusem o vytvoĜení matematického modelu, ve kterém by byly reprodukovány pozorování jako magnetický systém uvnitĜ ZemČ. Výsledkem odpovČdi bylo, že jedním magnetem není možné popsat magnetické pole ZemČ, dvČma to už možné je. To dávalo dohromady þtyĜi magnetické póly, kdy nové póly byly umístČny severnČ od SibiĜe a v jihovýchodním Pacifiku. PĤvodní póly byly umístČny daleko na sever Ameriky a ve východní AntarktidČ. Toto Ĝešení je pochopitelné z toho dĤvodu, že z mapy izogon vyplývá jejich složitý prĤbČh pĜedevším nad euroasijskou pevninou.
DĤležitou stránkou Hansteensovy knihy byl pokus vytvoĜit matematický model magnetického pole. Takovým modelem by se mohly v podstatČ poþítat deviace, deklinace a intenzita magnetického pole pro libovolné místo na povrchu ZemČ. HansteenĤv popis modelu, však nevydržel pĜíliš dlouho. Velký nČmecký matematik Carl Friedrich Gauss (1777-1855) Ĝešil problém s charakteristickou elegancí a v roce 1838 navrhl matematické Ĝešení, které se používá dosud. Gauss nespekuloval o tom, jaká síla je uvnitĜ ZemČ, ale rozvinul výhradnČ empirický model, který pouze co nejlépe popisoval uskuteþnČná pozorování. GaussĤv model obešel dva Hansteenem pĜidané póly a nahradil podstatné nepravidelnosti bipolárním polem. Tento bipolární model urþoval umístČní magnetických pólĤ podle namČĜených deklinací vyrovnáním odchylek. Protože magnetické póly se nacházely na dalekém severu a jihu urþení jejich skuteþné polohy bylo nesnadné. Úkol mohl být
9
splnČn pĜi hledání tzv. severozápadní cesty mezi Atlantickým a Tichým oceánem. VČdci zaþali Ĝešit problém, jaká síla generuje magnetické pole až o století pozdČji.
3. Urþování severního magnetického pólu Z dosavadních poznatkĤ bylo zĜejmé, že se severní magnetický pól (dále SMP) nachází v severní tČžce pĜístupné þásti Kanady. Jeho urþení se stalo následnČ souþástí objevitelských výprav pĜi hledání tzv. severozápadní cesty mezi Atlantickým a Tichým oceánem.
Jeden z mnoha byl Angliþan John Ross (1777-1856), sezónní prĤzkumník polárních oblastí, který v roce 1829 vyrazil hledat tuto severozápadní cestu. Jako mnozí pĜed nim, i jeho expedice byla uvČznČna v þetných úžinách severní Kanady s divokou vodou a þtyĜi roky trvalo než se vrátil domĤ. Této expedice se zúþastnil i jeho synovec James Clark Ross (1800-1862) a využili pĜíležitosti, když byli uvČznČní v plovoucím ledu, k lokalizaci severního magnetického pólu, v jehož blízkosti museli být. PodaĜilo se jim v kvČtnu roku 1831 na 70°5´ severní šíĜky a 96°47´západní délky urþit místo, kde siloþáry magnetického pole bylo zcela svislé s ohledem na pĜesnost pĜístroje. Pravý cíl expedice - severozápadní cesta - zĤstal iluzí, ale objev severního magnetického pólu byl respektovanou hodnotou, která expedici pĜinesla následující velkou slávu. John Ross dostal rytíĜský titul a ostrov, na kterém byl pól urþen, byl pojmenován Boothia Peninsula po sponzorovi expedice, kterým byl výrobce ginu Felix Booth. PozdČji James Clark Ross vedl novou expedicí, která se mezi jinými pokusila urþit jižní magnetický pól. Výprava selhala, i když byla mapa jižních moĜí doplnČna o Rossovo moĜe a on si mohl ke svému jménu pĜidat titul „Sir“. Výpravy do oblasti severozápadní cesty pokraþovaly s rostoucí dramatiþností, která vyvrcholila Franklinovou katastrofou v roce 1840, na které jeho 138 mužĤ zahynulo v tundĜe u magnetického pólu. K objevení severozápadní cesty došlo až poþátkem 20. století a jejím objevitelem byl norský polární badatel Roald Amundsen (1872-1928). Amundsen napsal do svého deníku o severozápadní cestČ: „Rád bych propojil své dČtské poznatky o severozápadní cestČ s vČdecky dĤležitČjším cílem: Urþit aktuální místo severního magnetického pólu“.
10
Tento vČdecký cíl bral Amundsen serióznČ, a protože pracoval systematicky a dĤkladnČ, spoleþnČ s inženýrem Gustavem Jel Wiikem studovali geomagnetismus u þelných expertĤ v NČmecku, kde jim byl také sestrojen speciální magnetický pĜístroj. Na cestČ si sám vybral strávit zimu v Zemi krále Williama blízko magnetického pólu ZemČ, kde inklinace byla necelých 89,4° a kde založil kompletní geomagnetickou observatoĜ , která poskytovala spojité výsledky pozorování po dobu 19 mČsícĤ. To byla opravdu impozantní práce, uvážíme-li, že mČĜení byla zaznamenávaná na fotografické desky , které bylo potĜeba mČnit a vyvolávat každý den. Jaro roku 1904 bylo vČnováno mČĜení pĜímo v poli k pĜesnému urþení pólu, jak jen to bylo možné Byl to nelehký úkol a vyžadoval trpČlivost, protože magnetické poruchy vyvolané Sluncem – magnetické bouĜe - posunovaly pól lehce kolem, takže úkol vypadal jako lov pĜízraku v tundĜe. Navzdory tomuto problému Amundsen uspČl a zjistil, že se pól posunul severnČ od doby Rossova pozorování. Amundsenova expedice se mohla stát proslulá jen za provedení tohoto vČdecky objektivního geomagnetického výzkumu. Byl ovšem první, kdo na šalupČ Gjoa severozápadní cestu v létech 190306 objevil a proplul.
11
Magnetická a jiné vČdecká pozorování byla zabalena a poslána do Norska. Amundsen, brzy po této cestČ se nadchl pro nový odvážný projekt – dobytí jižního pólu, ponechal nutnou analýzu dat jiným. Jako první þlovČk dosáhl jižního pólu (1911). Stal se prĤkopníkem polárního výzkumu vzducholodČmi a letadly. Zahynul pĜi záchranné misi patrájící po vzducholodi Italia. Analýza trvala do roku 1929 a byly urþeny souĜadnice pólu 70° 31' N, 96° 34' W a její koneþný vČdecký závČr byl, že pól se posunul 50 km severnČ mezi roky 1831 až 1904. Období nČkolikaletých výprav skonþilo a pól je dosahován letecky bČhem nČkolika hodin. Poloha pólu, který leží souþasnČ v KanadČ, je urþována v pravidelných intervalech nČkolika let nezávisle kanadskými vČdci. Od doby Amundsena se pohyb pólu znaþnČ zrychlil a nyní se poloha mČní a z rychlosti okolo 11 km/rok vzrostla mezi léty 1999 a 2001 na 40 km/rok a souþasnČ je asi 50 km/rok. Poloha SMP v roce 2008 85° N a 120° W
Jestliže se nezmČní smČr a rychlost pohybu SMP, pĜesune se pĜes severní ledové moĜe a v roce 2050 dosáhne severní hranice SibiĜe. Tento pohyb souvisí s dlouhodobými sekulárními zmČnami geomagnetického pole
4. Reverzace magnetického pole ZemČ Z hlediska dlouhodobých variací magnetického pole je nejvýznamnČjší pĜeklápČní magnetického pole ZemČ. K poslednímu pĜepólování došlo asi pĜed 780 000 lety. Odhaduje se, že samotný proces pĜepólování mĤže trvat kolem tisíce let. V prĤbČhu tohoto období mĤže být narušena pĜirozená ochrana ZemČ magnetickým polem pĜed nabitými þásticemi z vesmíru. Vzhledem k tomu, že ale podobný proces probČhl v minulosti mnohokrát, nemČl by mít na biosféru nČjaký katastrofický vliv. 12
Jak se pĜišlo na pĜeklápČní? Po erupci sopky tekutá lávy ztuhne a vytvoĜí horninu. VČtšinou je to hornina známá jako þediþ, který je slabČ magnetický, neboĢ obsahuje rozptýlené železo vynoĜující se s taveninou. Tato magnetizace má smČr místního magnetického pole, které existovalo v dobČ, kdy láva chladla. SmČr magnetizace þediþe mĤžeme mČĜit pĜístroji. Proto, když sopka vytváĜela více lávových proudĤ bČhem minulých období, mČní se i magnetizace þediþe. VČdci pĜišli s myšlenkou zjistit, jak se mČnil smČr místního magnetického pole ZemČ v minulosti. PĜekvapivČ, tento proces naznaþil, že existují období, kdy magnetizace mČla opaþný smČr, než je dnes. V roce 1950 byl vyroben elektronický magnetometr a olejáĜské spoleþností ho zaþaly používat na palubČ letadel pĜi mapování slabého magnetismu hornin pĜi hledání ropných ložisek. Po rozšíĜení mČĜení i na oceány okolo roku 1960 došlo k pĜekvapujícímu objevu. Na moĜském dnČ je magnetizace hornin uspoĜádaná v pravidelných dlouhých pásech. Pasy na dnČ Atlantického oceánu jsou pĜedevším uspoĜádaný rovnobČžnČ s „centrálním atlantickým hĜbetem“.
Je to vulkanický hĜbet bČžící pĜevážnČ ze severu na jih (trochu klikatČ), v polovinČ mezi Evropou–Afrikou a Amerikou. Nejen magnetická pásma probíhají soubČžnČ s centrálním hĜbetem, ale jejich struktura a rozdČlení se jeví symetricky na obČ strany: Když úzký nebo široký pás se vyskytuje v urþité vzdálenosti východnČ od hĜbetu, lze také nalézt zrcadlový obraz ve stejné vzdálenosti na západČ. HĜbet je oznaþován jako ohnisko zemČtĜesení a také jako místo vulkanických ostrovĤ. Nedávno byl prozkoumán výzkumnými ponorkami, které pozorovaly leckdy výrony lávy na jeho hĜebeni. V této souvislosti se musím zmínit o teorii kontinentálního driftu. Alfred Wegener si všiml podobnosti mezi tvarem kontinentĤ a plovoucích ledových polí v Severním ledovém moĜi, po jejich rozpadu. StejnČ jako ledová pole si odpovídají podél linie zlomu, odpovídají si i okraje si odpovídajících kontinentĤ, napĜ. Afrika a Jižní Amerika.
13
Wegener hledal další spoleþné znaky, napĜ. mezi horninami podél odpovídajících si pobĜeží a v roce 1918 zveĜejnil svoji teorii „Kontinentálního driftu“, že kontinenty, podobnČ jako ledy, plují a jsou unášeny z jednoho místa do druhého. VČĜil, že kontinenty plují více jak miliony let na nejhlubších vrstvách podobných husté kapalinČ, které vytváĜejí vhodný proud. Zdrojem energie je pravdČpodobnČ vnitĜní teplo ZemČ. Setkal se však s nepochopením.
Tuto teorii vysvČtlili v roce 1962 Lawrenc Morley a Drummond Matthews a Fred Vine. PĜedpokládali, že moĜské dno je ve stálém pohybu od centrálního hĜbetu rychlostí 2,5 cm/rok a že jsou obČ desky na každé stranČ tlaþeny ze stĜedu vytékající lávou, která tuhne a zaznamenává pĜevažující magnetické pole. To vede k rozšiĜování dna oceánu. NovČ vytvoĜený þediþ se pĜilepí k pĤvodní desce a je pak tlaþen buć k EvropČ a Africe nebo k Americe. Každých v prĤmČru pĤl milionĤ let se mČní magnetická polarita ZemČ a tak dochází k rozdílné magnetizaci moĜského dna. Každé pásmo reprezentuje období o jedné nebo druhé magnetické polaritČ a je tak objasnČna jejich symetrie.
Vlevo je v poþítaþi vytvoĜený model magnetického pole ZemČ mezi pĜepolováním magnetického pole, vpravo bČhem pĜepolování, kdy dochází k narušení magnetosféry, a tak klesá ochrana ZemČ pĜed kosmickým záĜením. I když toto období mĤže trvat okolo tisíce let, lze pĜedpokládat, že život na Zemi nebude zniþen, neboĢ k pĜepolování už nČkolikrát došlo. 14
5. Využití magnetického pole ZemČ v dĤlním mČĜictví Tak jako na povrchu zaþalo se používat magnetických pĜístrojĤ i v podzemí. Toto využití lze rozdČlit do dvou skupin:
ZamČĜování a vedení dĤlních dČl pomocí kompasu, závČsného kompasu, pĜípadnČ buzolními teodolity nebo teodolitovými buzolami.
Orientace základních mČĜických pĜímek pomocí pĜesných magnetických deklinatorií. PĜi tomto mČĜení bylo dĤležité znát krátkodobé variace magnetického pole ZemČ. MČĜením bylo zjištČno, že SMP se bČhem dne mĤže posunout až o 85 km,. Tyto denní variace jsou vyvolány pĜedevším interakcí zemského magnetického pole se sluneþním vČtrem.
PĜi zvýšené sluneþní aktivitČ je pohyb polohy pólu znaþnČ chaotický a lze zaznamenat i mnohem vČtší rozkmity. Proto se vždy udává prĤmČrná poloha pólu za nČkolik dní. PĜi tom rychlost zmČn závisí jak na denní dobČ, kdy se mČĜení provádí, tak i na roþním období, kdy v létČ dosahuje amplituda zmČn až 11´. MČĜické pĜístroje Podle Agricoly se poloha dĤlních dČl zamČĜovala pomoci napjatých provazĤ, které tvoĜily trojúhelníky. MČĜila se délka stran a jejich smČr se urþoval tak, že se kompas zorientoval a smČr provazu se zaznamenal pomocí vrypĤ do voskového kruhu a po vyfárání se smČr vrypĤ pĜenesl do mapy. Kompas se sedmi voskovými kruhy z 5. knihy o hornictví a hutnictví.
15
V alpských zemích se používal pĜístroj s prĤzorem. SmČr provazu se urþil tak, že se usmČrnil kompas pĜístroje a prĤzor se natoþil do smČru provazu. Poloha prĤzoru se zapsala do zápisníku a smČry se do mapy vynášely podle hodnot uvedených v zápisnicích.
PĜístroj s prĤzory ZpĜesnČní mČĜení magnetických smČrĤ pĜineslo použití závČsu, kterým se kompas zavČšoval na napjatou mČĜickou šĖĤru.
RösslerĤv kompas z 1963
ZávČsný kompas freiberského typu
ZávČsný kompas musel splĖovat Ĝadu podmínek, aby mČĜení bylo správné: Správnost kompasu: 1. Geometrická osa magnetky musí splývat s magnetickou osou. 2. Magnetka musí být vodorovná 3. Magnetka pĜimČĜenČ citlivá 4. Magnetická osa musí procházet stĜedem stupnice 5. Krabice musí být nemagnetická 6. DČlení stupnice správné Správnost závČsného kompasu: 1. Osa kompasová má být kolmá na rovinu závČsnou 2. Osa kompasová musí být kolmá na nulovou pĜímku -orientaþní chyba. Použití kompasu a dalších magnetických pĜístrojĤ skonþilo použitím železných materiálu v dole, jako byly kolejnice, potrubí, výztuž apod. Tím bylo narušeno pĜirozené magnetické pole ZemČ a mČĜení tzv. þistých magnetických smČrĤ už nebylo možné.
16
KromČ závČsných kompasĤ se používaly i teodolity, které byly opatĜeny buć sázecím nebo pevným magnetickým zaĜízením.
DĤlní teodolit fy Breihaupt se sázecím kompasem fy Reiss
Busolní teodolit T0 fy Wild
DĤlní teodolit fy Freiberger Präzisionmechanik s mimostĜedným dalekohledem a sázecím kompasem
DĤlní teodolit Duplex fy Friþ sklenČný vodorovný kruh, mimostĜedný dalekohled, skĜíĖový kompas 17
Teodolit fy Hildebrand se skĜíĖovým kompasem
Teodolit Th 2 fy Freiberger Prezisionmechanik s trubicovým kompasem
FennelĤv sázecí magnetometr
Schmidt-Neumayerovo deklinatorium
PĜesnost urþení magnetického smČru kompasem pĜi velmi peþlivém postupu je okolo 5´, magnetickými deklinatorií lze dosáhnout pĜesnosti mČĜení okolo 30´´. Proto se tato zaĜízení používalo pro pĜipojovací a usmČrĖovací mČĜení jednou jamou.
18
6. Urþení místní deklinace z polohy severního magnetického pólu Magnetické pole ZemČ podléhá dlouhodobým a krátkodobým zmČnám, které je tĜeba znát pro správný pĜepoþet magnetického smČrníku na zemČpisný smČrník (astronomický). U starých map, které mají vyznaþený pouze magnetický sever, je tĜeba stanovit pravdČpodobnou hodnotu deklinace výpoþtem. Protože deklinace v daném místČ je funkcí þasu a polohy, lze Ĝíci, že budeme-li znát polohu SMP v daném þase potom vypoþtená deklinace jako rozdíl mezi magnetickým a zemČpisným poledníkem v dané dobČ bude zatížena pouze místními poruchami (feromagnetické horniny), které by mČly být konstantní. Deklinaci δ vypoþteme Ĝešením druhé geodetické úlohy na kouli ze známých zemČpisných souĜadnic daného místa a SMP. Dlouhodobé pozorování magnetické deklinace se provádí v LondýnČ od roku 1600, v Praze od roku 1840. Proto jsem takto vypoþtenou deklinaci porovnal s deklinací namČĜenou za období 1840 až 1960. Magnetická deklinace Londýn 0
-5
Deklinace [°]
-10
-15 Londýn Výpoþet L Rozdíl -20
-25
1960
1955
1950
1945
1940
1935
1930
1925
1920
1915
1910
1905
1900
1895
1890
1885
1880
1875
1870
1865
1860
1855
1850
1845
-35
1840
-30
Roky
Jak vyplývá z grafu pro Londýn, zmenšuje se namČĜená deklinace (modrá) postupnČ z hodnoty -15° na - 5° západní deklinace. PodobnČ se zmenšuje i vypoþtená deklinace þervená). Rozdíl mezi obČmi hodnotami (žlutá) se do roku 1930 pohybuje mezi 14° až 15°. Teprve potom se zvČtšuje na 17,5°. Je vidČt, že teprve rychlejší pohyb SMP zhoršil kompatibilitu obou hodnot.
19
Magnetická deklinace v Praze 0
-5
Deklinace [°]
-10
Praha -15
Výpoþet rozdíl
-20
1960
1955
1950
1945
1940
1935
1930
1925
1920
1915
1910
1905
1900
1895
1890
1885
1880
1875
1870
1865
1860
1855
1850
1845
-30
1840
-25
Roky
Tentýž výpoþet pro Prahu však dal úplnČ rozdílné výsledky. NamČĜená deklinace se prakticky mČní lineárnČ, kdežto vypoþtená deklinace se prakticky do roku 1900 nemČní. Proto se rozdíly mezi vypoþtenou a namČĜenou deklinací mČní z hodnoty -9° v roce 1840 na -17° v roce 1960. Je zĜejmé že tady o stabilitČ místních deformací nelze hovoĜit. Z výsledku je zĜejmé, že zatím co pro výpoþet se pĜepokládalo, že magnetický poledník je prĤseþnice roviny procházející magnetickými póly a stĜedem ZemČ s kouli, tedy kružnice, tomu tak ve skuteþnosti není. Což také dokazuje prĤbČh izogon na obrázku výše. Z výše uvedeného lze uþinit následující závČry: Orientovat historické mapy orientované pouze podle kompasu je proto velmi problematické a vyžaduje získat mapy izogon magnetického pole ZemČ dané oblasti z období vzniku map. Jednodušší metodou je najít alespoĖ dva totožné objekty na mapČ a ve skuteþnosti a mapu zorientovat. Literatura G. Agricola: De re metalika libri XII V. Andrš, P. Kulhánek: Pohyb zemského magnetického pólu F. ýechura: DĤlní mČĜictví, díl II, sv. 1 T.L.Hansen: The road to the magnetic north pole K. Neset: DĤlní mČĜictví I D. P. Stern: Magnetic Reversals and Moving Continents Z. Zicha: DĤlní mapy a mČĜické pĜístroje www.nasa.gov: Earth‘s Inconstant Magnetic Field www.nrcan.gc.ca: Geomagnetism en.wikipedia.org/wiki/
20
