Istota magnetyzmu ziemskiego
wygłoszony na 9. zebraniu plenarnym Komitetu Geodezji PAN (17 października 2014r.)
Referat naukowy nt. „Istota magnetyzmu ziemskiego” wygłosili dr hab. E. Welker oraz dr hab. T. Ernst.
Jako pierwsza głos zabrała dr hab. E. Welker. Zauważyła, że każdy nas miał kiedyś do czynienia z polem magnetycznym, chociażby podczas pomiaru busolą czy kompasem, których igła magnetyczna wyznacza kierunek północy pola magnetycznego. Teoretycznie jeśli Ziemia zostałaby potraktowana jako jednorodna kula, to linie sił pola magnetycznego byłyby regularne i otaczałby kulę ziemską. Jeśli chcemy znać wartość pola magnetycznego w dowolnym punkcie to musimy zmierzyć jego trzy składowe: dwie poziome x i y (składowa północna i składowa wschodnia) oraz składową pionową z. W geodezji i nawigacji najczęściej wykorzystywana jest składowa d zwana deklinacją magnetyczną, dla geofizyków i geologów istotna jest składowa wektora natężenia całkowitego f albo składowa pionowa z, ponieważ anomalie tej składowej i jej zmiany mogą wskazywać obecność pewnych struktur geologicznych.
Dr hab. E. Welker przypomniała, że całkowite pole magnetyczne Ziemi jest sumą pola jednorodnie namagnesowanej kuli ziemskiej i wszystkich pól szczątkowych i anomalnych spowodowanych źródłami zakłócającymi pole magnetyczne, które znajdują się zarówno wewnątrz jak i na zewnątrz Ziemi. Zatem pole magnetyczne można przedstawić jako pole magnetyczne normalne i pole magnetyczne anomalne. Do wyznaczenia modelu pola magnetycznego niezbędne są dane zbierane w różnych ośrodkach na świecie. Sieć takich obserwatoriów zagęszczana jest siecią tzw. punktów wiekowych, czyli punktów stabilizowanych w terenie na których przynajmniej raz na 5 lat wykonywane są naziemne pomiary deklinacji magnetycznej. Prelegentka zaprezentowała mapę przebiegu deklinacji magnetycznej w wybranych obserwatoriach europejskich w ostatnim 50-leciu, z której wynika, że zmiany deklinacji w różnych częściach Europy mają różne tempo. Ze względu na zmiany w czasie pola magnetycznego Ziemi bardzo istotne są ciągłe i systematyczne ich pomiary i monitorowanie. Przyjmuje się, że zmiany pola geomagnetycznego Ziemi można podzielić na zmiany dobowe i zmiany wiekowe. Pierwsze z nich są rejestrowane w obserwatoriach, natomiast zmiany wiekowe są to zmiany spowodowane źródłami wewnętrznymi i zewnętrznymi, głównie zmianami prądów wokół jądra płynnego Ziemi, które z kolei generują ziemskie pole magnetyczne. Ze zmianami wiekowymi związane są zmiany położenia biegunów geomagnetycznych, które w ostatnich latach są bardzo dynamiczne i obecnie przesuwają się z prędkością około 90 metrów na dobę. Zmiany wiekowe mogą być przedstawione za pomocą izopor, czyli linii wartości rocznych zmian poszczególnego składnika.
W dalszej części wystąpienia Prelegentka zapoznała zebranych z aparaturą jaka jest obecnie wykorzystywana do pomiarów pola magnetycznego. Wspomniała również o badaniach w których uczestniczy Instytut Geodezji i Kartografii zmierzających do opracowania teoretycznych dipoli magnetycznych, które powodują anomalie globalne. Na podstawie ich ruchu podjęto próbę znalezienia sposobu na prognozowanie zmian pola magnetycznego. Do badań zostały wykorzystane wszystkie dane z ubiegłego wieku, na podstawie których wyznaczono 15 dipoli magnetycznych, które powodują anomalie globalne. Jednakże okazało się, że ruch dipoli jest nieprzewidywalny i chaotyczny i nie da się go opisać matematycznie, co uniemożliwia prognozowanie zmian pola magnetycznego.
Dr hab. E. Welker przedstawiła historię pomiarów magnetycznych w Polsce. Pierwsze pomiary wykonywane były na terenie obserwatorium Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie oraz w okolicach Gdańska w XVI-XVII wieku. Podczas zaborów na terytorium Polski pomiary takie wykonywali głównie naukowcy niemieccy i rosyjscy. Po odzyskaniu niepodległości prace magnetyczne w Polsce podjął prof. Stanisław Kalinowski i dzięki jego staraniom oraz zbiórce funduszy powstało pierwsze obserwatorium magnetyczne w Świdrze. Prof. S. Kalinowski rozpoczął prace pomiarowe składowych pola magnetycznego na bardzo szeroką skalę i jako pierwszy opracował mapy magnetyczne Polski, które w latach 30-tych zostały opublikowane. W Polsce powojennej, aż do chwili obecnej pomiary magnetyczne nadzoruje i prowadzi Instytut Geodezji i Kartografii. W latach 1952-1954 zostało założone punkty wiekowe potrzebne do badań zmian wiekowych pola magnetycznego i obecnie punkty te stanowią podstawową osnowę magnetyczną kraju. W latach 1955-1959 zostało opracowane zdjęcie magnetyczne tj. opracowanie polegające na pomiarze deklinacji magnetycznej na około 4000 punktach, z których następnie w 1965 roku wybrano 756 punktów i na nich pomierzono pozostałe podstawowe składowe pola magnetycznego. W latach 1970-1072 wykonywane były pomiary morskie na Bałtyku. W archiwum Instytutu Geodezji i Kartografii dostępne są mapy oraz katalogi z tych pomiarów.
Prelegentka zaprezentowała mapę punktów wiekowych Polski oraz mapę zmiany deklinacji na obszarze Polski na epokę 2015. Zwróciła uwagę na istotne różnice pomiędzy polem magnetycznym opracowanym na podstawie modelu matematycznego, a modelem rzeczywistym opracowanym na podstawie pomiarów bezpośrednich i wyraziła opinię, że globalny model matematyczny pola magnetycznego może być wykorzystywany tylko w rejonach gdzie przebieg izolinii jest regularny, natomiast w innych miejscach pole magnetyczne powinno być wyznaczane na podstawie bezpośrednich pomiarów. Na potwierdzenie tej opinii zaprezentowała mapę obszaru Polski z izoliniami wyznaczonymi z modelu matematycznego i bezpośrednich pomiarów terenowych, na której od linii Wisły na wschód widoczne są znaczne odstępstwa między nimi.
Na zakończenie wystąpienia dr hab. E. Welker przedstawiła praktyczne aspekty wykorzystania pomiarów magnetycznych w kartografii, służbach wojskowych oraz lotnictwie.
Następnie głos zabrał dr hab. T. Ernst, który zaprezentował zagadnienia dotyczące różnych aspektów pola magnetycznego generowanego w jonosferze i magnetosferze. Tytułem wstępu omówił pojęcie pogody kosmicznej oraz zjawisko powstawania w jonosferze i magnetosferze prądów, które generują pole magnetyczne rejestrowane na powierzchni Ziemi.
Dr hab. T. Ernst odniósł się do badań prowadzonych w Instytucie Geofizyki PAN w zakresie sondowań indukcyjnych, które służą do tworzenia modeli rozkładu przewodnictwa elektrycznego Ziemi. Przewodnictwo elektryczne wewnątrz Ziemi jest parametrem, który z dużą dokładnością wyróżnia struktury geologiczne o odmiennych cechach, a sondowanie indukcyjne jest obecnie coraz częściej wykorzystywane jako uzupełnienie do badań sejsmicznych. Prelegent omówił etapy przeprowadzenia sondowania indukcyjnego, które rozpoczyna się od pomiarów terenowych na wybranym profilu przecinającym badaną strukturę geologiczną. Pomierzone na wybranych punktach pomiarowych profilu, wariacje trzech składowych x, y i z na powierzchni Ziemi są następnie odpowiednio przetwarzane.
W wyniku tych przetworzeń estymowane są eksperymentalne funkcje przejścia. W dalszej kolejności modelowane są teoretyczne funkcje przejścia i dopasowywane do wyznaczonych eksperymentalnych funkcji przejścia.
Dr hab. T. Ernst zaprezentował dane z sieci INTERMAGNET dla dwóch leżących na tej samej szerokości geomagnetycznej obserwatoriów (Belsk oraz Nimek) i zauważył, że ich składowe poziome są niemal identyczne, natomiast składowe pionowe zdecydowanie się różnią, co wynika z obecności różnych struktur i rozkładu geoelektrycznego we wnętrzu Ziemi. Zaprezentował również rozkład wektorów geomagnetycznych na polskiej części profilu PREPAN, na podstawie którego można uzyskać informacje o przebiegu struktur przewodzących.
W dalszej części wystąpienia dr hab. T. Ernst omówił rezultaty międzynarodowego projektu EMTESZ ang. ElectroMagnetic Soudings of the Trans-European Saturn Zone. Począwszy od 2003 roku przedstawiciele siedmiu państw europejskich prowadzili na dwóch profilach sejsmicznych głębokie sondowania magneto-telluryczne, w wyniku których stworzono dwa głębokie dwuwymiarowe modele rozkładu przewodnictwa elektrycznego strefy szwu transeuropejskiego (TESZ). Na modelach tych wyraźnie zaznaczają się trzy obszary: jednorodna, bardzo wysokooporowa Platforma Prekambryjska, obszar środkowy o złożonej budowie oraz wysokooporowa Platforma Paleozoiczna. Prelegent zwrócił uwagę na obecność w środkowej części badanego terenu, rozległego obszaru o bardzo dobrym przewodnictwie na głębokości 12 – 20 km i poinformował, że są to porowate skały wypełnione wodą z którymi najprawdopodobniej związane są miejsca występowania węglowodorów.
Na zakończenie wystąpienia dr hab. T. Ernst omówił zaproponowany w ostatnim czasie przez Instytut Geofizyki PAN nowy indeks magnetyczny w liczniku którego jest energia części zewnętrznej pola magnetycznego, natomiast w mianowniku suma energii składowych horyzontalnych w przedziale od 10 minut do 3 godzin. Prelegent poinformował zebranych, że trwają obecnie badania dotyczące znalezienia zależności pomiędzy tym indeksem, a stanem, dynamiką i tworzeniem się warstw jonosfery oraz, że istnieje duże prawdopodobieństwo wykorzystania go w przyszłości do prognozowania pogody kosmicznej.