Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 8 – vyšlo 22. února, ročník 17 (2019) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

8/2019

Rýchly pohyb zemského magnetického pólu

Vladimír Scholtz

O magnetickom poli Zeme sme v bulletinoch písali už dosť dávno (viď AB 5/2006). Polohu severného magnetického pólu je možné dosledovať v období posledných 400 rokov. Od roku 1831 máme k dispozícii aj radu priamych meraní, z ktorých je vidieť, že magnetický pól mení dlhodobo svoju polohu. Zatiaľ čo v druhej polovici 20. storočia bola rýchlosť pohybu približne 10 km/rok, v 90tych rokoch narástla na 15 km/rok a na prelome tisícročí dosiahla súčasnú hodnotu približne 55 km/rok. Toto všetko (a mnohé ďalšie) sme popisovali v už spomínanom bulletine. Od tej doby prebehlo niekoľko ďalších meraní polohy severného pólu, ktoré potvrdili jeho priamy pohyb okolo geografického pólu smerom na ruský Sibír, viď obrázok 1. V roku 2018 už prestúpil na východnú pologuľu.

Obr. 1. Pohyb severného (vľavo) a južného (vpravo) magnetického pólu Zeme [2].

Magnetosféra – oblast magnetického vlivu planety nebo jiného nebeského tělesa. U naší Země je dipólové magnetické pole vytvářeno v jádru elektrickými proudy o řádové hodnotě 109 A. Toto pole je deformováno interakcí se slunečním větrem do charakteristického tvaru – magnetosféry Země. Magnetosféry planet jsou přirozeným ochranným štítem před nabitými částicemi slunečního větru. MHD dynamo – magnetohydrodynamické dynamo, tekutinová varianta klasického dynama. Elektrické proudy vznikají při pohybu plazmatu nebo tekutého kovu a generují magnetické pole. Dipólová složka se mění na azimutální tzv. omega efektem a azimutální na dipólovou tzv. alfa efektem. Tekutinové dynamo nemůže být stacionární, jeho základní vlastností je překlápění magnetických pólů. Magnetický pól Země – pohybující se místo na povrchu Země, ve kterém siločáry magnetického pole směřují kolmo k zemskému povrchu. Severní magnetický pól se nachází v blízkosti severního pólu a fyzikálně jde o jižní pól magnetu; u jižního magnetického pólu je tomu obráceně. Geomagnetický pól Země – místo na povrchu Země, v němž osa dipólové složky magnetického pole Země tento povrch protíná. Pokud bychom pole Země co možná nejvěrněji nahradili tyčovým magnetem, jde o místo průsečíků jeho osy s povrchem Země.

Zemské magnetické pole

Než budeme pokračovať, upresníme, že severný magnetický pól, teda ten pól, ktorý sa nachádza v blízkosti severného geografického pólu, je z hľadiska elektromagnetizmu pólom južným a siločiary magnetického poľa vchádzajú kolmo do zemského povrchu. Historicky sa totiž ako severný pól určil ten koniec strelky kompasu, ktorý ukazuje na sever, viď obrázok 2.

Obr. 2. Orientácia magnetického poľa Zeme. Prevzaté a upravené z [6].

Je všeobecne známe, že magnetické pole Zeme má približne dipólový charakter a používa sa ako základ akejkoľvek pozemskej navigácie. Aj preto je jeho sledovanie dôležité a matematické modely popisujú a predikujú jeho presné hodnoty, uveďme napríklad modely WMM (World Magnetic Model) [3] alebo IGRF (International Geomagnetic Reference Field) [4]. Pravidelne sa vydávajú mapy korekcií smeru magnetického poľa a zemského pólu. Odchýlka vo vodorovnom smere sa nazýva deklinácia (D), v zvislom smere inklinácia (I). Na obrázku 3 je uvedená mapa deklinácií podľa modelu WMM pre obdobie rokov 2015 až 2020.

Obr. 3. Mapa deklinácií zemského magnetického poľa podľa modelu WMM
pre roky 2015 až 2020. Prevzaté a upravené z [3] a [5].

Rýchly pohyb magnetického pólu

Rýchly pohyb magnetického pólu mení pole rýchlejšie ako sa predpokladalo. Pôvodný model WMM mal platiť do 31. decembra 2019, ale magnetické pole sa mení tak rýchlo, že by nepresnosť modelu prekročila prijateľný limit pre chyby v navigácii. Preto bola na začiatku tohto roku vydaná aktualizácia WMM2015v2 [3].

Zemské magnetické pole je vytvárané geologickým dynamomMHD dynamo – magnetohydrodynamické dynamo, tekutinová varianta klasického dynama. Elektrické proudy vznikají při pohybu plazmatu nebo tekutého kovu a generují magnetické pole. Dipólová složka se mění na azimutální tzv. omega efektem a azimutální na dipólovou tzv. alfa efektem. Tekutinové dynamo nemůže být stacionární, jeho základní vlastností je překlápění magnetických pólů. v tekutej (niekedy tiež označovanej ako polotekutej) časti zemského jadra. Zdrojom magnetického poľa je totiž prúd vznikajúci pohybom elektricky vodivej tekutiny medzi pevnou časťou jadra a pevným plášťom. V magnetickom poli Zeme sú teda uložené najmä informácie o procesoch prebiehajúcich v tejto tekutine. Na základe archeomagnetických údajov, merania magnetického poľa, historických záznamov i satelitných meraní je možné odvodiť, že za odchýlky od dipólového charakteru magnetického poľa sú do značnej miery zodpovedné štyri pretrvávajúce prúdové výbežky, dva na severnej a dva na južnej pologuli.

A práve jeden z týchto rýchlych prúdov v zemskom jadre uvádza práca [7] ako možné vysvetlenie dlhodobej a rýchlej zmeny magnetického poľa, tzv. sekulárnej variácii. Najaktuálnejšie dáta s vysokým rozlíšením z misií OrstedOersted – malá dánská družice o hmotnosti 60 kg určená k přesnému měření magnetického pole Země. Je od roku 1999 na nízké oběžné dráze (téměř synchronní s pohybem Slunce) ve výšce 500 kilometrů. Tento kosmický veterán je i dnes stále funkční (2019). Pojmenovaná je podle dánského fyzika Hanse Christiana Ørsteda, který se zabýval výzkumem účinků magnetického pole. Družici vyrobila společnost Computer Resources International., CHAMPCHAMP – CHAllenging Minisatellite Payload, malá německá družice z roku 2000 určená pro výzkum atmosféry a ionosféry z nízké oběžné dráhy. Připravila ji společnost Astrium. Po deseti letech provozu shořela v roce 2010 v zemské atmosféře. Startovala z ruského kosmodromu Pleseck. Jejími následovníky byly družice GRACE a GOCE. a SwarmSwarm – trojice družic Evropské kosmické agentury určená k detailnímu měření magnetického pole Země ve více místech současně. Sondy startovaly v roce 2013 a letí v trojúhelníkové formaci (dvě ve výšce 450 km, třetí ve výšce 530 km) na zhruba polární dráze. Jména družic jsou: Alpha, Bravo a Charlie. Družice připravila společnost Astrium a startovaly z ruského kosmodromu Pleseck (180 km jižně od Archangelska) na palubě nosné rakety Rokot. (viď AB 39/2016, AB 39/2017), ako aj s pozemskými pozorovaniami ukazujú, že v priebehu posledného desaťročia sa zväčšovala rýchlosť severného prúdu medzi Kanadou a Sibírou. Medzi rokmi 2000 až 2016 vzrástla jeho rýchlosť trikrát na hodnotu 40 km/rok a práve tento nárast by mohol byť súčasťou dlhodobej fluktuácie a príčinou diskutovanej zmeny.

Na obrázku 4 je zobrazené magnetické pole Zeme a jeho sekulárna variácia na severnej pologuli vytvorené na základe modelu CHAOS-6. Je vidieť, že najrýchlejšia zmena prebieha v páse od Kanady cez Aljašku až po Sibír, ktorá sa prekrýva s polohou zrýchľujúceho sa prúdu znázornenou na obrázku 5.

Obr. 4. Znázornenie radiálnej časti magnetického poľa pri pohľade od severného pólu (vľavo) a rýchlosti zmeny tohto poľa, tzv. sekulárnej variácie (vpravo). Značky A—F ukazujú miesta najvyššej sekulárnej variácie. Prevzaté z [7].

Obr. 5. Znázornenie rýchlosti prúdenia pod Kanadou a Sibírou pri pohľade
od severného pólu. Šípky naznačujú rýchlosť a smer prúdu. Prevzaté z [7].

Niektorí fyzici sa domnievajú, že prudké zmeny poľa môžu byť predzvesťou blížiaceho sa prepólovania (v rádu stoviek až tisícov rokov). K takémuto tvrdeniu nie je zatiaľ ale ešte dostatok experimentálnych dôkazov. Záverom by sme mohli iba vyjadriť nádej, že pri pokračujúcom súčasnom trende by nasledujúca expedícia Aldebaranu za polárnou žiarou nemusela smerovať do Nórska, ale na Sibír. Ale zima tam bude tak či tak.

Odkazy