Vrtkavé magnetické pole Země Pavel Hejda Geofyzikální ústav AV ČR
Putování staletími za magnetickou záhadou Staří Řekové znali zvláštní kámen, který má schopnost přitahovat železo. Jedno z nalezišť bylo u maloasijského města Magnesia, odkud dostal kámen a později i celý vědní obor své jméno: kámen magnetit (Fe3O4), vědní obor pak magnetizmus. Silně magnetické kovy jsou železo, kobalt a nikl. Magnetit znali i Číňané, kteří z něj vyráběli různé předměty pro magii, věštění, pobavení. Všimli si ale i toho, že volně ležící lžička se vždy otáčí do stejného směru. GFÚ AV ČR, 2012
2
Historie kompasu Shen Kua (1088): „Mágové třou špičku jehly o magnetit a ten nabude schopnost ukazovat k jihu. Ale vždy se odklání trochu na východ a nemíří přesně na jih. Jehla může plavat na kousku dřeva na vodě, to ale není moc stabilní. Nejlepší je zavěsit ji uprostřed na nové hedvábné vlákno“.
První spolehlivý písemný záznam o využití kompasu a také poznámka o deklinaci.
Hypotéza: Čínské i Mayské pyramidy byly orientovány podle kompasu.
První evropská zpráva o kompasu pochází z roku 1187 od Alexandra Neckhama ze St. Albans. V následujících stoletích se kompas stal běžným vybavením mořeplavců (důležitý pro navigaci při zatažené obloze nebo mlze). GFÚ AV ČR, 2012
3
Dopis o magnetizmu - 1269 První odborné pojednání o magnetizmu pochází od účastníka křížových výprav Pierre de Maricout, zvaného Petrus Peregrinus: •popsal, že magnety mají dvá póly, které se vzájemně přitahují nebo odpuzují •spekuluje o souvislostech mezi zemským magnetizmem a rotací Země •zabýval se i konstrukcí kompasu. Zdokonalování kompasu vedlo k novým poznatkům.
GFÚ AV ČR, 2012
4
Deklinace Nejstarší svědectví o deklinaci se dochovalo na přenosných slunečních hodinách. Pro zajištění správné severojižní orientace byly přenosné sluneční hodiny standardně vybaveny kompasem. V polovině patnáctého století začali hodinářští mistři z Norimberku a Augsburku vedle kompasu vyznačovat i místní odchylku magnetické střelky od severu, to je deklinaci. Do té doby se odchylce magnetické střelky nevěnovala pozornost. Považovala se spíše za nedokonalost přístrojů. GFÚ AV ČR, 2012
5
Deklinace a zámořské plavby Zámořské plavby zvýšily zájem o měření deklinace. Kolumbus již na své první cestě zjistil, že zatímco ve Španělsku byla deklinace 6º východní, v místě přistání ve střední Americe naměřili 5,5º západní. Posádka měla dokonce strach, zda se kompas nerozbil. V průběhu dalšího století byly naměřeny stovky údajů a vznikaly tištěné katalogy. 6º E 0º
5,5º W
GFÚ AV ČR, 2012
6
Inklinace Zatímco kompas se stále zdokonaloval a údaje o deklinaci úspěšně narůstaly, teprve v roce 1580 napadlo londýnského výrobce kompasů Roberta Normana nechat rotovat magnetickou střelku kolem horizontální osy. Zjistil, že střelka míří do země pod úhlem 7150 a jako první tak změřil magnetickou inklinaci, to je odchylku směru magnetického pole od horizontální roviny. Měření magnetické inklinace podpořilo v té době už sílící názor, že zdroj magnetického pole je třeba hledat uvnitř zemského tělesa. GFÚ AV ČR, 2012
7
Vrtkavé magnetické pole V roce 1635 publikoval Henry Gellibrand řadu měření magnetické deklinace prováděných od roku 1580 v Londýně a ukázal, že deklinace se systematicky mění. Zpráva o časové proměnlivosti geomagnetického pole se během dvou desetiletí rozšířila po celé Evropě a vynutila si přehodnocení dosavadních měření. Všechna časově neurčená data rázem ztratila svou platnost, stejně jako všechny dosavadní „stacionární“ hypotézy objasňující původ magnetického pole.
GFÚ AV ČR, 2012
8
Vrtkavé magnetické pole V roce 1635 publikoval Henry Gellibrand řadu měření magnetické deklinace prováděných od roku 1580 v Londýně a ukázal, že deklinace se systematicky mění. Zpráva o časové proměnlivosti geomagnetického pole se během dvou desetiletí rozšířila po celé Evropě a vynutila si přehodnocení dosavadních měření. Všechna časově neurčená data rázem ztratila svou platnost, stejně jako všechny dosavadní „stacionární“ hypotézy objasňující původ magnetického pole.
GFÚ AV ČR, 2012
9
Vrtkavé magnetické pole Jak důležité jsou kvalitní přístroje ukazuje příklad anglického hodináře George Grahama. Ten sestrojil velmi přesný kompas s rozlišením 2 úhlové minuty a v roce 1724 si povšiml, že deklinace se během dne téměř pravidelně mění, a to až o půl stupně. Objevil tak skutečnost denní variace.
GFÚ AV ČR, 2012
10
Měření velikosti magnetického pole Dosud jsme hovořili pouze o směru magnetického pole. K měření velikosti byla použita analogie s kyvadlem. Jak už tehdy bylo známo, doba kyvu je dána vztahem
T= 2π(l/g), čili je nepřímo úměrná gravitační síle. Obdobně i síla, která působí na magnetku je nepřímo úměrná periodě malého kmitu. První doložená zpráva o těchto pokusech pochází z roku 1776. Měření intenzity bylo jen relativní, protože tato metoda umožňovala pouze porovnávat magnetické intenzity měřené týmž přístrojem na různých místech, případně kalibrovat vzájemně dva přístroje měřením na témže stanovišti.
GFÚ AV ČR, 2012
11
Jak přijít na kloub záhadě Počátkem 19. století bylo nashromážděno nesmírné množství dat, přesto se stále nedařilo objasnit původ geomagnetického pole ani příčiny jeho variací. Alexander von Humboldt, přírodovědec až posedlý měřeními všeho druhu a sběrem vzorků, získal v roce 1828 Carla Fridricha Gausse, aby se zemským magnetismem intenzivně zabýval. Gauss v krátké době • vyvinul metodu pro absolutní měření magnetické intenzity
• aplikoval sférickou harmonickou analýzu na popis geomag. pole • s Humoldtem a Weberem založil Göttingenský magnetický spolek, jehož cílem bylo co nejrychleji zřídit síť magnetických observatoří a koordinovaným měřením zodpovědět v krátké době na všechny důležité otázky. GFÚ AV ČR, 2012
12
Karl Kreil (1798-1862) Karl Kreil studoval původně právo, ale v roce 1823 se rozhodl, že se bude věnovat výhradně matematice a fyzice. Po pobytech na vídeňské a milánské observatoři přichází v roce 1839 na pražskou klementinskou observatoř. V té době byl už hlavním předmětem jeho zájmu magnetismus. Byl významným členem Göttingenského magnetického spolku a v Praze brzy navázal na observatorní měření zahájená v Miláně. V Praze tak založil první magnetickou observatoř ve střední a východní Evropě. Svůj příchod do Prahy popisuje následovně:
GFÚ AV ČR, 2012
13
„Jakmile jsem se dozvěděl o svém přeložení do Prahy, snažil jsem se opatřit si obdobné přístroje, jaké jsem měl k dispozici v Miláně, abych mohl v Praze pokračovat ve výzkumu, který jsem v Miláně opouštěl. Vzhledem k zaujetí pro vědu, které v Praze panovalo, mohl jsem doufat, že i zde naleznu ochotné spolupracovníky, neboť jenom spojenými silami je možné vyrvat přírodě tajemství, která tak tvrdošíjně skrývá. Ve svém doufání jsem nebyl zklamán. Přístroje nebyly ještě ani vybaleny, a již se přihlásilo několik mladých mužů, kteří mi nabídli svou spolupráci, takže jsem brzy po svém příjezdu mohl spustit pravidelná měření. Během prvního měsíce se přihlásili ještě další pozorovatelé a svou horlivostí a rychlostí, s níž si osvojili potřebné dovednosti, mi umožnili přistoupit ke kroku, který do té doby patřil jen ke zbožným přáním, totiž rozšířit řadu hodinových pozorování magnetických a meteorologických veličin na dobu od 5 hodin ráno až do 11 hodin večer. Tato pozorování byla zahájena 1. června 1839 a dosud nebyla přerušena. GFÚ AV ČR, 2012
14
Pražská observatoř
Měření se prováděla ručně, výsledky se zapisovaly do knih a každoročně vydávaly v tištěné podobě. GFÚ AV ČR, 2012
15
Magnetické mapování Kromě observatorních měření provedl Kreil i první magnetické mapování. V letech 1843-45 změřil magnetické pole na 24 místech na území Čech.
GFÚ AV ČR, 2012
16
Pražská observatoř V roce 1851 byl Kreil povolán do Vídně, aby tam založil geomagnetickou observatoř. Pražská observatoř fungovala dál až do dvacátých let 20. století, kdy musela být uzavřena kvůli civilizačnímu rušení (tramvaje). Ve čtyřicátých letech byla zřízena observatoř v Průhonicích, i ta ale byla brzy rušena zejména bludnými proudy od železnice na Benešov, a observatoř našla definitivní místo v obci Budkov na Prachaticku.
GFÚ AV ČR, 2012
17
Deklinace na našem území Kompilace ročních průměrů dat deklinace z Prahy, Průhonic a Budkova, doplněná daty z observatoře Hurbanovo na jižním Slovensku dává dobrou představu o změnách deklinace na našem území za posledních 170 let.
2
Stará Ďala - Hurbanovo
0
Budkov -2
Průhonice -4
-6
-8
-10
-12
PRAGUE Klementinum
-14
-16 1840
1880
GFÚ AV ČR, 2012
1920
1960
2000
18
V čem se Gauss mýlil Přes mimořádnou genialitu se Gauss mýlil, když se domníval, že se koordinovanou observatorní činností podaří během několika let pochopit podstatu a projevy geomagnetismu a observatoře přestanou být zajímavé. Podcenili složitost přírodních dějů. Spolu s Humboldtem se ale zasloužili o to, že se observatoře začaly budovat a trvale poskytují důležitá data, která dovolují postupně pronikat do tajů zemského magnetismu.
GFÚ AV ČR, 2012
19
Pokrok observatorní techniky Observatorní přístroje se dále vyvíjely. Velký pokrok znamenala fotografická registrace. Mohlo se měřit skutečně spojitě a bez nutnosti trvalé služby.
Současné observatorní přístroje jsou elektronické a poskytují údaje v digitální tvaru. GFÚ AV ČR, 2012
20
Fluxgate magnetometr Princip přístroje: Kolem ferromagnetických jader jsou navinuty primární cívky. Střídavý proud v těchto cívkách generuje proměnlivé magnetické pole, které dále vytváří v obou jádrech indukované magnetické pole stejné velikosti ale opačné orientace. Pokud jsou ale jádra vystavena vnějšímu magnetickému poli, pak se symetrie poruší a v sekundárním vinutí se generuje proud úměrný složce vnějšího pole rovnoběžné s osou jader.
GFÚ AV ČR, 2012
21
Tříosý magnetometr Fluxgate čidla se používají ve dvou typech přístrojů. Prvním z nich jsou tříosé variometry, které slouží ke kontinuální registraci magnetického pole (s krokem 1 sec nebo kratším). Fluxgate magnetometry jsou (slabě) závislá na teplotě, takže se jedná o přístroj poloabsolutní.
GFÚ AV ČR, 2012
22
Magnetický theodolit Jedná se o speciální theodolit vyrobený z nemagnetických kovů, na němž je namontováno jednoosé fluxgate čidlo. Pokud je čidlo kolmé na směr magnetického pole, pak magnetometr ukazuje nulu. Toto měření lze považovat za absolutní, neboť nulová hodnota teplotně závislá není. Postup měření: Přístroj otáčime v horizontální rovině až dostaneme směr kolmý na deklinaci, nastavíme-li jej potom do směru magnetického meridiánu a otáčíme vertikálně, dostaneme směr kolmý na inklinaci. GFÚ AV ČR, 2012
23
Protonový magnetometr Protonový magnetometr je založen na skutečnosti, že precesní frekvence protonu je přímo úměrná intenzitě vnějšího magnetického pole. Protonový magnetometr je tudíž absolutní přístroj na měření velikosti magnetického pole. V kombinaci s magnetickým theodolitem umožňuje provádět absolutní měření. Na observatoři se pomocí absolutních měření korigují poloabsolutní data z kontinuální registrace.
GFÚ AV ČR, 2012
24
INTERMAGNET Dnes je na Zemi v provozu kolem 150 geomagnetických observatoří. Přibližně stovka z nich splňuje přísné podmínky kvality dat i dostupnosti dat v téměř reálném čase a je zapojena do sítě INTERMAGNET.
GFÚ AV ČR, 2012
25
INTERMAGNET Dnes je na Zemi v provozu kolem 150 geomagnetických observatoří. Přibližně stovka z nich splňuje přísné podmínky kvality dat i dostupnosti dat v téměř reálném čase a je zapojena do sítě INTERMAGNET.
GFÚ AV ČR, 2012
26
Původ geomagnetického pole Magnetické pole vzniká ve vnějším jádře Země procesem, který se nazývá geodynamo: magnetické pole se generuje elektrickými proudy indukovanými v tekutém vnějším jádře Země. Aby elektrické proudy a magnetické pole postupně nezanikly vlivem ohmické disipace, ve vodivé tavenině musí probíhat konvektivní pohyb. Jde pravděpodobně o kombinaci termální a kompozitní konvekce. Důležitou roli přitom hraje také rotace Země. Samotná rotace ale nestačí, roztočit jádro tak, jak to provedou hrdinové stejnojmenného amerického filmu, by nestačilo. GFÚ AV ČR, 2012
27
Konvekce v jádře Země Sloupcovitá konvekce, barvou odlišeny směry spirálovitého pohybu. Tento tvar konvekce úzce souvisí s rotací Země a existencí vnitřního pevného jádra.
GFÚ AV ČR, 2012
28
Numerické simulace dynama V posledních dvou desetiletích byla provedeno velké množství numerických simulací. Obrázek na této stránce ukazuje na modelu, který vytvořil Garry Glatzmaier, inverzi geomagnetického pole (-500 let, 0, +500 let).
GFÚ AV ČR, 2012
29
Časové změny magnetického pole Generace magnetického pole v jádře Země probíhá na typické časové škále desítek tisíců let. Kromě jiného to znamená, že i kdyby se mechanismus generace zastavil, pole bude postupně slábnout po staletí. Nelze jej okamžitě vypnout. Katastrofa, jakou popisuje film Jádro, nám tudíž nehrozí, ke slábnutí pole v některých oblastech může dojít. Změny doložené přímým pozorováním (deklinace v Londýně od roku 1580) představují jen malý úsek těchto dějů. Dále do minulosti se dá dostat měřením vzorků magnetických hornin, které v sobě uchovávají směr magnetického pole z doby jejich vzniku (chladnutí lávy nebo usazení a zafixování magnetických zrn v sedimentech). Tak bylo objeveno, že magnetické pole měnilo v minulosti mnohokrát svou polaritu.
GFÚ AV ČR, 2012
30
Časové změny magnetického pole Posledních 6 mil. let
160 mil. let
GFÚ AV ČR, 2012
31
Časové změny magnetického pole Posledních 6 mil. let
160 mil. let
GFÚ AV ČR, 2012
32
Časové změny magnetického pole Posledních 6 mil. let
160 mil. let
GFÚ AV ČR, 2012
33
Rychlé změny magnetického pole Rychlé změny magnetického pole (denní variace, magnetické bouře, … ) jsou vyvolány sluneční činností. Pro řetězec procesů, které mají svůj původ na Slunci, šíří se meziplanetárním prostorem a ovlivňují Zemi se ujal termín Kosmické počasí (Space Weather). Nejvýznamnějším článkem kosmického počasí je sluneční vítr (proud studené plasmy o průměrné rychlosti ~ 400 km/s), který stlačuje magnetosféru na denní straně. Klidný proud slunečního větru vytváří regulární denní variaci geomagnetického pole. GFÚ AV ČR, 2012
34
Regulární denní variace
GFÚ AV ČR, 2012
35
Geomagnetická aktivita Příčinou vysoké geomagnetické aktivity jsou buď vysokorychlostní proudy slunečního větru, které mají svůj původ v koronálních dírach, nebo výrony sluneční hmoty z korony.
Yearly means of solar and geomagnetic activity 28
200
Kp
R 160
24
120 20 80
16 40
12
0 1950
1960
1970
1980
1990
GFÚ AV ČR, 2012
2000
2010
36
Geomagnetická aktivita Příčinou vysoké geomagnetické aktivity jsou buď vysokorychlostní proudy slunečního větru, které mají svůj původ v koronálních dírach, nebo výrony sluneční hmoty.
Yearly means of solar and geomagnetic activity 28
200
Kp
R 160
24
120 20
Koronální díry jsou hlavní příčinou geom. poruch na sestupné větvi slunečního cyklu.
80
16 40
12
0 1950
1960
1970
1980
1990
GFÚ AV ČR, 2012
2000
2010
37
Geomagnetická aktivita Příčinou vysoké geomagnetické aktivity jsou buď vysokorychlostní proudy slunečního větru, které mají svůj původ v koronálních dírach, nebo výrony sluneční hmoty.
Yearly means of solar and geomagnetic activity 28
200
Kp
R 160
24
120 20
Koronální díry jsou hlavní příčinou geom. poruch na sestupné větvi slunečního cyklu.
80
16 40
12
0 1950
1960
1970
1980
1990
GFÚ AV ČR, 2012
2000
2010
Kolem slunečního maxima jsou poruchy způsobené převážně výrony sluneční hmoty z aktivních oblastí. 38
Bartels Rotation 2392 Bz, Btot
HEPF 10,30 MeV
1 0.5 0 -0.5 -1
X M C
1200 800 400 40 30 20 10 0 106 10
H
O
H
H
5
104
Kp index
Na následující stránce vidíme počátek magnetické bouře na konci velmi klidného dne. Průběh bouře pak můžeme sledovat na další stránce.
GOES X-ray
vysoká termodynamická teplota
correlations
větší hustota částic
1000 100 10 1 0.1 10-3 -4 10 10-5 -6 10 -7 10 10-8
speed (km/s)
vysoká rychlost
0
temperature (K) density (1/ccm)
Parametry slunečního větru v blízkosti Země:
20 -20
Dst index
Koronální díry
40
8 6 4 2 0
0 -100 -200 -300
GFÚ AV ČR, 2012 8-Nov-08
39 17-Nov-08
26-Nov-08
5-Dec-08
Vliv koronální díry na geomag. aktivitu
GFÚ AV ČR, 2012
40
Vliv koronální díry na geomag. aktivitu
GFÚ AV ČR, 2012
41
nízká termodynamická teplota
rychlá variace meziplanetárního magnetického pole
Bz, Btot
HEPF 10,30 MeV
GOES X-ray correlations
1 0.5 0 -0.5 -1
X M C
1200 800 400 40 30 20 10 0 106 10
O
O
O
OO
O
O
O
5
104
Kp index
větší hustota částic
1000 100 10 1 0.1 10-3 -4 10 10-5 -6 10 -7 10 10-8
speed (km/s)
obvykle vysoká rychlost
0
temperature (K) density (1/ccm)
Parametry slunečního větru v blízkosti Země:
20 -20
Dst index
Výrony hmoty z korony
Bartels Rotation 2279 40
8 6 4 2 0
0 -100 -200 -300
GFÚ AV ČR, 2012 2-Jul-00
42 11-Jul-00
20-Jul-00
29-Jul-00
„Dušičkové magnetické bouře“ Pokus o překlad anglického Halloween Geomagnetic Storms silné magnetické bouře na přelomu října a listopadu 2003.
GFÚ AV ČR, 2012
43
„Dušičkové magnetické bouře“
GFÚ AV ČR, 2012
44
Dopad drsného kosmického počasí na zdraví a technologie posádky kosmických lodí i letadel na nad polárními oblastmi jsou ohroženi zvýšenou radiací (statisticky významný výskyt rakoviny kůže u pilotů) poruchy elektroniky satelitů (např. rychlé protony ničí dielektrikum) rychlé změny magnetického pole indukují proudy v dálkových vedeních elektrické energie, kde způsobují výpadky, i v dálkových produktovodech, kde mohou být příčinou zvýšené koroze
GFÚ AV ČR, 2012
45
Proudy indukované v ropovodech v ČR 15-00V_Bites 0
300
-0.4
200
-0.8
100
-1.2
0
-1.6
-100
I32Vrbice -1.4
-1.8
0
-2
-100
-2.2
-200 -2
7-Nov-04
-300
8-Nov-04
-200
8-Nov-04
9-Nov-04
14-04Orechov
9-Nov-04 -0.6
200
PtoS voltage (V)
-0.8
I28Katerina
100
-1 0 -1.2 -100 -1.4 -200
-1.6
1
300
0
200
-1
100
-2
0
-3
-100
-4
7-Nov-04
7-Nov-04
Computed E (mV/km)
PtoS voltage (V)
-1.8
-300
8-Nov-04
9-Nov-04
-200
8-Nov-04
9-Nov-04
GFÚ AV ČR, 2012
46
Computed E (mV/km)
-2.4
7-Nov-04
Computed E (mV/km)
100
Computed E (mV/km)
PtoS voltage (V)
-1.6
PtoS voltage (V)
200
Carringtonova superbouře 1859 Největší přístrojově i svědecky zaznamenaná magnetická bouře proběhla na přelomu srpna a září 1859. Jednalo se o sérii velkých skupin slunečních skvrn, silných slunečních erupcí a magnetických bouří. Událost nese jméno astronoma Carringtona, který se zabýval sledováním slunečních skvrn a díky tomu zaznamenal i mimořádně silné erupce.
Skutečnost, že souběžně probíhala i série geomagnetických bouří, podpořila hypotézu o propojení obou procesů. Největší geomagnetická bouře začala ráno 2. září. Na observatoři v Římě zaznamenali zápornou variaci horizontální složky ~ 3 000 nT. Přes 1 000 nT bylo zaznamenáno i na observatoři Greenwich. Polární záře byla viditelná až v Karibiku a zlatokopové ve Skalistých horách se probudili a začali chystat snídani v doměni, že je ráno. GFÚ AV ČR, 2012
47
Carringtonova superbouře 1859 Magnetické bouře vyřadily dočasně z provozu fakticky celou telegrafní síť. V té době již v Evropě existovalo přes 100 000 km kabelů, včetně kabelu pod La Manche, a v Americe byla situace obdobná. Ke kuriózní situaci došlo v Bostonu, kde telegrafista mohl vysílat zprávy, ačkoliv předtím vypnul baterii, neboť zařízení bylo napájeno „nebeským“ proudem indukovaným rychlou variací magnetického pole. Carringtonova superbouře zaměstnává v poslední době vědce, techniky, ale i ekonomy a politiky, protože si všichni uvědomují, že dnes by taková událost mohla způsobit nedozírné škody.
Scientific American před časem napsal, že opakování superbouře z roku 1859 by byla kosmická Katarina.
GFÚ AV ČR, 2012
48
