ZEMSKY MAGNETISMUS (stručný přehled) L_L Martin Chadima Agico, Brno & Geologický ústav, A V ČR, Praha Literatura, kontakt a přednáší- •Bucha V. 1975. Geomagnetické pole a jeho přínos k objasnění vývoje Země. Academia, 368 s. •Krs, M. 1969. Paleomagnetismus. Knihovna ÚÚG, Academia, 208 s. •Kobr, M. et al. 1997. Petrofyzika. Karolinum, 136 s. •Gruntorád, J. et al. 1985. Principy metod užité geofyziky, SNTL •Mareš, S. et al. 1990. Úvod do užité geofyziky, SNTL, Praha. •Lowrie, W. 1997. Fundamentals of Geophysics. Cambridge University Press, 354 s. •Lanza, R., Meloni, A. 2006. The Earth's Magnetism: An Introduction for Geologist. Springer, 278 s. •Butler, R. F. 1992. Paleomagnetism: Magnetic Domains to Geological Terranes. Blackwell Scientific Publications, 319 s. http://www.qeo.arizona.edu/Paleomaq/book/ •Tauxe, L. 2007. Lectures in Paleomagnetism. http://maqician.ucsd.edu/~ltauxe/LecturesInPaleomaq/index.html Martin Chadima (chadima@sci.muni.cz) AGICO, s.r.o., Brno & Geologický ústav AV ČR, Praha http://www.sci.muni.cz/~chadima/qeomaqnetismus/ 1 Osnova » Historický úvod • kompas a navigace • teorie elektromagnetického pole • geomagnetická měření » Magnetické pole Země • hlavní • zbytkové • externí » Původ magnetického pole (Geodynamo) » Inverze magnetického pole » Měření zemského magnetismu Historický úvod - kompas a navigace Historický úvod - kompas a navigace •Antika - staří Řekové pozorovali schopnost magnetovce přitahovat železo {Magnesia- řecké město v Malé Asii, blízká naleziště magnetovce) •1000 - v Číně vynalezen kompas (magnetovec na plováku v nádobě) •12. stol. - kompas pronikl do Evropy •13. stol. - využití kompasu v námořní navigaci (V. da Gama, K. Kolumbus. F. Magellan) •1544 - Georg Hartmann pozoroval iklinaci; byla pozorována i deklinace (kalibrace kompasu pro různá moře) •1600 - William Gilbert (1600) De Magnete O magnetu, magnetických tělesech a o velkém magnetu Zemi (Tractatus sivé Physiologia Nova De Magnete, Magneticisque Corporibus et de Magno Magnete Tellure) »1702- Edmond Halley 3 Historický úvod - kompas a navigace Edmond Halley (1656-1742) •1777 - Charles Coulomb sestrojil torzní váhy; ukázal, že intenzita pole pernamentního magnetu klesá se třetí mocninou vzdálenosti •1820 - Hans Christian 0rsted pozoroval ovlivnění magnetické střelky elektrickým proudem •1820 - André-Marie Ampěre vysvětlil magnetické pole jako projev elektrického proudu •1831 - Michael Faraday objevil jev elektromagnetické indukce, vznik elektrického proudu ve vodiči vyvolaný změnou magnetického pole •1864 - James Clerk Maxwell sjednotil popis elektrického a magnetického pole 4 Historický úvod - geomagetická měření •1832-7 - Carl Friedrich Gauss a Wilhelm Eduard Weber rozvinuli měření intenzity geomagnetického pole s nazávislou kalibrací přístrojů; propagovali rozvoj celosvětové sítě měření •1839 - popis geomagnetického pole pomocí kulových harmonických funkcí •1769-1859 - Alexander von Humboldt inspiroval Gausse k výzkumu geomagetického pole a významně se angažoval v organizaci celosvětové sítě observatoří •1798-1804 „velká jihoamerická cesta" „...objev klesající magnetické síly od pólů k rovníku považuji za nejdůležitější na mé americké cestě..." Relation Historíque du Voyage aux Regions Équinoxiales du Nouveau Continent Magnetické pole Země Zdroje magnetického pole proud ve vodiči smyčka z vodiče '*' '""i"'' '''. ' y r *■ ', *■«*. • \"/j^y'/ % v .-' >diče cívka tyčov ým agnet Země Každé magnetizující pole (H) produkuje magnetický tok popsaný siločarami magnetického pole. Hustota magnetického toku se nazývá magnetickou indukcí (B resp. T) 5 Magnetické pole Země Magnetický dipól " ,'*j.- —— ■ Magnetické pole Země Magnetické pole Země JI /Plymouth \ \j Palaeomagnetíc V - Laboratory /', ■ ___________________________ "^ X^^X::-■"' • POWTS THE ^ Magnetické pole Země •Magnetické pole Země lze matematicky popsat magnetickým potenciálem (U, V, ip) •Intenzita magnetického pole (nebo magnetická indukce) v libovolném místě pak odpovídá gradientu potenciálu •H = - grád U [A/m] •B = u H [T, 1 gamma = 1 nT] •Stupeň namagnetování látky v magnetickém poli popisuje magnetizace •M = Mi + Mr [A/m] / \ indukovaná magnetizace remanentní magnetizace Mi = k H magnetická susceptibilita 7 Sférická harmonická analýza (SHA) Potenciál magnetického pole lze vyjádřit jako: 00 / v=-ZZI a ^ O 1=1 m=0 X L PHcosOÍg; cosm^ + h; únmc/)) \ \ * I pnpnrlrnuv fiinkrp knlaťihirlv \ Legendrovy funkce kolatitudy vzdálenost od středu Země Fourierův rozvoj zem. délky •a - střední poloměr Země (6371 km) t, tj>, 9- sférické koordináty • (r- vzdálenost od středu Země, tj> - zeměpisná délka, 9- kolatituda (90 •Ho - permeabilita vakua Carl Friedrich Gauss 1839 Gaussovy koeficienty SHA JuLfimitioiLul CíiviiKii^iťlk JtelV'ľniťť Ľ'icld. IÍIHKI EVrni] í.>L^<-ji vi u L (^iWMh| Dipól Kvadrupól Oktupól l m ŕ( »T) ft(nT) t m 9< "T) ,■■ ,;l ^p D -Lxmu.pj "1 .-. íl -216.82 0 1 ' -1 727.7 1 5186.271 1 2 350.06 222..16 43.69 2 o -2267.11 0 171.65 2 i 30T1.7B -2477,60 .-. 3 -ľm.ľj -133.88 J ľ 1672.18 -457,63 1 S -168,53 -11.83 -10.26 3 i. 134086 0 106.79 i -2289.53 -226.99 i; u 72,34 ii 2 1252.52 296,26 ', i 67.76 -17.09 a ;( 71 R. 1 -I'M .'JU i; 2 3 73.98 -161,1)6 63.84 ľ 035.35 0 «5.19 1 786.71 271.92 i; 1 -6,13 -61.34 2 25081 -231,63 ', ■:. 17.03 1.33 :! 1 -404.(i(i liiM.MI 118,54 -30.1.S8 i, ■ , -90.53 44.11 >C© Ô£©3# 2,0 2,1 2,2 Spherical Harmonics, Nodal Surfaces n = 0,1,2,3 Gaussovy koeficienty SHA lir 10*-£ 10« f m5 1 Id1 * dipóle V \ ^ core -i field MAGSAT duta (mean altitude 420 km) lO1 lo" lij-1 v- c růstal field 10 20 30 40 50 60 71 Order, n OÖC«©» 3,0 3,1 3,2 3,3 Spherical Harmonics, Nodal Surfaces n = 0,1,2,3 Magnetické pole Země Zdroje magnetického pole Země Interní •Hlavní, normální pole (Main, Core field) • generováno v zemském jádru •Zbytkové, anomální pole (Crustal field) •generováno magnetickými horninami v zemské kůře Externí •Sekundární magnetické pole •způsobené elektromagnetickou indukcí elektrických proudů, které vzniknou v elektricky vodivé kůře a plášti působením externího magnetického pole •Externí pole •způsobené elektrickými proudy v ionosféře a magnetosfere, které vznikají interakcí částic slunečního větru s magnetickým polem Země Magnetické pole Země Variace magnetického pole v čase •Dlouhodobé (sekulární variace) •Detekovány v intervalech delších něž 5-10 let •Způsobeno vývojem v zemském jádru •Vývoj zdroje Hlavního vnitřního pole »Krátkodobé •Detekovány v intervalech zlomků vteřin až několika let •Externí původ •Magnetické bouře spojené se sluneční aktivitou 10 Magnetické pole na zemském povrchu / V \f Y / w Magnetizace je vektorová veličina, popsána intenzitou a směrem: F- celková intenzita vektoru magnetického pole H - horizontální složka vektoru magnetického polenetic field vector Z-vertikální složka vektoru magnetického pole X - složka vektoru ve směru k severu Y - složka vektoru ve směru k východu D - magnetická deklinace, definována jako úhel mezi směrem k severu a horizontální komponentou měřenou po směru hodinových ručiček I - magnetická inklinace, definována jako úhel měřený od horizontály, směrem dolů nabývá pozitivních hodnot D and I se měří ve stupních, ostatní složky v nanotesla (nT; 1 nT = 10-9 Tesla). I = tan 1{Z/H) Y = Hsm(D) Magnetické pole na zemském povrchu Magnetické pole Země je blízké geocentrickému dipólu Česko F = 47 000 nT Z = 43 000 nT H = 20 000 nT D = 0° 1 = 65° ------HY Náklon osy dipólu 10,5° OOOnT růměr 45 000 nT = 30 000 nT Sekulární variace průměr 80 nT/rok 11 Modely magnetického pole Země International Geomagnetic Reference Field (IGRF) 10th Generation Model International Association of Geomagnetism and Aeronomy (IAGA) vydala poslední verzi standardního matematického popisu hlavního zemského magnetického pole Použití při studiu zemského nitra, kůry, ionosféry a magnetosféry. Koeficienty až do stupně 13. World Magnetic Model (WMM) WMM2005 World Magnetic Model je produktem U.S. National Geophysical Data Center (NGDC) a British Geological Survey (BGS). WMM se skládá z koeficientů SHA až do 12 stupně (tj. Generováno v jádru), tzn. zahrnuje 168 Gaussových koeficientů. Použití v navigaci a obraně. Canadian Geomagnetic Reference Field (CGRF) On-line kalkulátory magnetického pok ©National Geophysical Data Center {NGDC) vv NOAA Satellite and Information S&ruiee http://www.nqdc.noaa.gov/qeomaqmodels/IGRFWMM.isp http://www.qeomaq.bqs.ac.uk/qifs/iqrf form.shtml 12 Hlavní pole IGRF 2000 Deklinace Hlavní pole IGRF 2000 Inklinace 13 Hlavní pole IGRF 2000 celková intenzita (F) Hlavní pole IGRF 2000 magnetické póly (H=0) North and south magnetic poles. Magnetic poles are dcfinahts the Ioniums M which lIk hori/tmlal mugncliť intensity computed from thť degree und order len spherical harmonic Iillťrnjliunjl Geomagnetik.- Rťfeťťrtue Field ľfXM) modeln is effectively zero al 2ÚO0lQl 14 Hlavní pole IGRF 2000 Severní pól(y) •Severní magnetický pól - místo, kde magnetické pole směřuje kolmo k Zemi, intenzita horizontální složky je rovna nule. Pól se stále pohybuje. r,„ Latitude ("N) Longitude (°W) 2001 81.3 110.8 2002 81.6 111.6 2003 82.0 112.4 2004 82.3 113.4 2005 82.7 114.4 •Severní geomagnetický pól - místo, kde zemský povrch protíná osa dipólu. V roce byla jeho poloha přibližně 79.74° N 71.78° W Denní variace polohy pólu Hlavní pole IGRF 2000 Jižní pól(y) Zbytkové pole Magnetic Anomaly Map of the World, 2007 Zbytkové pole Magnetické anomálie na dně oceánů 16 Kurská magnetická anomálie PPMM ř 17 Zbytkové pole Šalanský (1995): Geomagnetická mapa České republiky •-- j' -v Externí magnetické pole Magnetosféra 18 Externí magnetické pole Interakce magnetosfery a slunčního větru Aurora borealis Aurora australis Externí magnetické pole 19 natomie Země zemská kůra 5-30 km vnější jádro vnitřní jádro zemský plášť 2900 km »vnější jádro tavenina železa »více než 7 krát objem Měsíce »na povrchu Země by tvořilo vrstvu vyšší než 300 km Rozdílná rychlost rotace vnitřního jádra Glatzmaier - Robertsova počítačová simulace geodynama 21 atzmaier - Robertsova počítačová simulace geodynama http://www.es.ucsc.edu/~alatz/aeodynamo.html Magnetické přepólování Země Rocks become magnetized in the direction of the Earths field Magnetic Reversal Age in Millions Time-Scale of y ears - o.o 1.0 Older rocks preserve a record of field reversals til Matyyama reversal epoch Gau e 6 «poch G*-tit reversi ■epoch 2.0 5.0 22 Magnetické pole na rozhranní pláště a jádra nové oblasti oblasti obráceného toku se zvětšují 23 Model inverze magnetického pole Model inverze magnetického pole 500 let před středem intervalu přepólování 24 Model inverze magnetického pole střed intervalu přepólování Model inverze magnetického pole 500 let po středu intervalu přepólování 25 Inverze magnetického pole NORMAL PULARIÍTr E»B£upMc Nenn POLARITY REVERSAL IH PROGRESS REVERSED POLARMV C bojtj p h'í i luk h GíoíhuIiíľ Nonh Hevírsíd ^^^^^^^^^ flux patent tííi£ľjph(c Eouih r IM E .D t} 3.ODD TFAR5 C I. ľCKI YEARS d 9.000 TEARS | Normal polamy | ReversEdpalarriy ISO 140 13D 1Z0 LÍC 100 90 00 PO EO 50 40 30 ZO 10 O Měření magnetického pole Země Fluxgate magnetometer Proton precession magnetometer -55 (Q ] Ferromagnetic Core f\J rtC Current Source — Primary Coll __^_^ — Secondary Coil (^) ^mP Mftcr eeflie of ke.rMe.nr Geomagnetic field (iľitŕívsŕy F J Magnetic and spin momanL of a prol Precession (frequency F) Magneticfte-ld bylhe current smerové mereni absolutní měření 26 Měření magnetického pole •nerovnoměrné pokrytí •převažují kontinenty •hlavně na severní polokouli Gauss 1832 Pozemní geomagnetické observatoře ■j||lj]|. Severní polokoule IMugMrfte lasa in« íaso ikh is70 is» iůsCi i*k isio iíieo iiío ifmü ishj iwc íuja isuü ismeo» Měření magnetického pole Pozemní geomagnetické observatoře Měření magnetického pole Projekt INTERMAGNET International /feal-time Magnetic Observatory Network http: //www, intermagnet.org/ • 114 geomagnetických observatoří •42 zemí •v ČR geomagnetická observatoř Budkov u Prachatic, BOV (provozuje Geofyzikální ústav, AV ČR) BFW ^ -iRES THL jCBB YKC jBLC *rr.r. "» iBFE WJG ÁHLP-^ NGK BEL% BDV FUR* 'j^-—' MCI* HRB V ■ > Projekt INTERMAGNET international /feal-time Magnetic Observatory Network •Sběr dat pomocí družic, telefon, počítačová siť •Max. do 72 hodin •Geomagnetic Information Nodes át£U? Edinburgh JfS Ottawa \ Paf ^gHirafeo j ^ Kyoto / -í*; - r "^ i W' y ^LÍE^Wii. M ETEOSAT A \ GM, v--' ígoes-w| /gqes-e/ Měření magnetického pole Družice •1979-80 MAGSAT •1999- 0rsted •2000- CHAMP •2009- SWARM (3 družice) •rovnoměrné pokrytí přesnými měřeními Intenzita magnetického pole slábne ■řť-ĚE 10.B ------s^ 10.6 ^^w 104 N^ 102 X^ 10.0 ^n. 9.3 \. 9.6 i i t . i 1BBO 1920 1660 2000 Vear •Od prvního změření absolutní intenzity magnetického pole Gaussem v roce 1839 intenzita klesla o 10% •To je asi dvacetkrát rychleji než by pole zesláblo, kdyby ztratilo svůj zdroj energie The Core (2003)