Pole magnetyczne Ziemi i pole grawitacyjne-

rola w pomiarach geodezyjnych

rola w pomiarach geodezyjnych

Pole magnetyczne Ziemi

i jego parametry

• Pole magnetyczne Ziemi - w pierwszym przybliżeniu jest

to pole jednorodnie naładowanej kuli, gdzie oś
magnetyczna nachylona jest do osi obrotu Ziemi pod
kątem 11,5°.

kątem 11,5°.

• Wielkości fizyczne charakteryzujące pole magnetyczne:

- natężenie pola magnetycznego H, którego jednostką jest
[A/m].

- indukcja magnetyczna B, której jednostką jest tesla

- częstotliwość f wyrażana w [Hz]

2

Biegun magnetyczny i geomagnetyczny

• Biegun magnetyczny- to punkt, w którym linie sił pola

magnetycznego Ziemi tworzą z jej powierzchnią kąt 90°.
Północ magnetyczna to kierunek, który wskazuje kompas
magnetyczny.

• Biegun geomagnetyczny- to punkt przecięcia się osi dipola

ziemskiego pola magnetycznego z powierzchnią Ziemi.

Pole magnetyczne Ziemi nie jest ściśle dipolowe, dlatego
igła kompasu nie wskazuje położenia biegunów
geomagnetycznych.

3

Anomalie magnetyczne

• Anomalie magnetyczne- różnica pomiędzy rzeczywistym na

danym terenie natężeniem i kierunkiem pola
magnetycznego a ich wartościami teoretycznymi,

magnetycznego a ich wartościami teoretycznymi,
wyliczonymi na podstawie położenia biegunów
magnetycznych na Ziemi. Wywołane są występowaniem
pokładów rud magnetycznych.

4

Inklinacja, deklinacja

• Inklinacja magnetyczna- kąt jaki tworzy wektor natężenia

ziemskiego pola magnetycznego z płaszczyzną poziomą.
Pomiaru inklinacji magnetycznej dokonuje się za
pomocą inklinatora. Linie na mapach łączące punkty o
jednakowej inklinacji magnetycznej nazywane
są izoklinami.

są izoklinami.

• Deklinacja pola magnetycznego- kąt między jego

składową poziomą a południkiem geograficznym.

5

Mapa inklinacji

6

Mapa deklinacji

7

Okresowość pola magnetycznego

Wyróżniamy następujące zmiany czasowe pola magnetycznego:

• Zmiany długookresowe (wiekowe)- mają charakter

periodycznych zjawisk o okresie 500-600 lat. Przyczyną jest
przesuwanie się bieguna magnetycznego Ziemi po krzywej
zamkniętej.

• Zmiany krótkookresowe:

• Zmiany krótkookresowe:

- zmiany spokojne (płynne) wywołane przez ruchy przypływowe
jonosfery

- zmiany dobowe słoneczne i księżycowe,

• Zmiany zaburzone- mają charakter nieuporządkowany:

- zmiany nieregularne, aperiodyczne

- zakłócenia i burze magnetyczne (czas trwania do kilku dni).

- zakłócenia lokalne, zatokowe

- pulsacje (sinusoidalne wahania natężenia pola o amplitudzie
kilku jednostek i okresie kilku minut).

8

Dewiacja magnetyczna

• Dewiacja magnetyczna - inaczej odchylenie igły

magnetycznej od południka magnetycznego.

Dewiację magnetyczną wywołuje oddziaływanie na różę
kompasową (igłę magnetyczną) dużych mas stalowych np.
stali kadłuba i mechanizmów statku.

9

Dane magnetyczne w kartografii

•

Dane magnetyczne w kartografii
wykorzystywane są w celu uzupełnienia
map morskich. Wyliczenia magnetyczne
wykonano na rok 1990 na podstawie
danych z kampanii pomiarowych na
Bałtyku z lat 70-tych i 80-tych XX wieku
wykonanych okrętami hydrograficznymi

wykonanych okrętami hydrograficznymi
Marynarki Wojennej oraz danych z
obserwatoriów krajów sąsiednich.

•

Dane odnoszące się do sytuacji
magnetycznej były przedstawiane w
kolorze zielonym.

•

Znak róży magnetycznej wprowadzono
w 1984 roku.

10

Badania magnetyzmu w Polsce

• Prace nad badaniem

magnetyzmu w Polsce
trwają od roku 1950.

• Instytut GiK jako jedyny w

kraju ośrodek naukowy

kraju ośrodek naukowy
prowadzi prace związane z
badaniem pola
geomagnetycznego i jego
zmian wiekowych na terenie
Polski i krajów sąsiednich.

11

Praktyczne zastosowanie pomiarów

magnetycznych

• Zgromadzony w Banku Danych Magnetycznych IGiK

materiał stanowi podstawę do opracowywania map
elementów pola geomagnetycznego (szczególnie deklinacji

elementów pola geomagnetycznego (szczególnie deklinacji
magnetycznej). Służy też do obliczania zmian wiekowych
elementów pola, niezbędnych do aktualizacji danych
magnetycznych oraz ich redukcji na dowolną epokę.

12

Centralne Obserwatorium Geofizyczne

w Belsku

• Zespół Obserwacji Geomagnetycznych- główne zadania:

- prowadzenie tzw. służby magnetycznej (rejestracje zmian
elementów X, Y, Z i F pola magnetycznego),

- magnetyczne pomiary absolutne i wzorcujące,

-

prace eksperymentalne i konstrukcyjne związane z

-

prace eksperymentalne i konstrukcyjne związane z

udoskonalaniem metodyki pomiarów i rejestracji słabych pól
magnetycznych i prądów tellurycznych.

13

Osnowa magnetyczna

Podstawowa osnowa
magnetyczna Polski – czerwone
kropki to punkty archiwalne
(nieaktualne), czarne kropki to
punkty wiekowe aktualne od
1998 roku.

14

Teodolity magnetyczne

• Przeznaczone do pomiarów deklinacji, inklinacji i składowej poziomej

wektora natężenia pola geomagnetycznego. Do pomiaru deklinacji służy
deklinator magnetyczny, do pomiaru inklinacji – induktor ziemski.

Teodolit magnetyczny z deklinatorem igłowym

Teodolit magnetyczny z deklinatorem niciowym

15

Magnetometry protonowe

• Wykorzystywane są m.in. do wykrywania słabych anomalii

magnetycznych, spowodowanych przez płytko leżące masy
zaburzające, np. do inwentaryzacji urządzeń podziemnych.

• W

pomiarach

magnetycznych

związanych

z

pracami

geodezyjnymi, magnetometr protonowy używany jest do badań
zmian wiekowych na magnetycznych punktach powtarzanych,

zmian wiekowych na magnetycznych punktach powtarzanych,
do

badania

poziomego

gradientu

natężenia

pola

geomagnetycznego, podczas wyboru lokalizacji nowego punktu
magnetycznego,

np.

na

lotniskach,

przy

odwiertach

geologicznych, przy stacjach radiolokacyjnych itp.

16

Magnetometr Flux-Gate D/I

• Zasada działania magnetometru polega na pomiarze napięcia

indukowanego w uzwojeniu wtórnym przez pole magnetyczne, a
dokładniej przez tą składową tego pola, do której oś sensora,
jest ustawiona równolegle.

Teodolit Zeiss 010B z sondą magnetometru Flux-Gate D/I
umocowaną na lunecie

17

Magnetyczne stacje wariograficzne

• Stacja wariograficzna- wariometr zakładany jest w rejonie pomiarów

magnetycznych wówczas, kiedy pomiary są wykonywane w znacznej
odległości (zwykle ponad 200 km) od obserwatorium magnetycznego.
Jest to instrument do graficznej rejestracji zmian deklinacji D, zmian
składowych wektora natężenia całkowitego pola geomagnetycznego –
składowej poziomej H i pionowej Z oraz zmian temperatury.

składowej poziomej H i pionowej Z oraz zmian temperatury.
Maksymalny błąd odczytu rejestrowanej wartości składowej pola
magnetycznego ±0.2 nT.

18

Wariograf magnetyczny Askania

Graficzny zapis wariografu na stacji Kołobrzeg

Busole(kompasy) i pelengatory

• Busola służy do wyznaczania kierunku na północ magnetyczną,

czyli kierunku składowej poziomej H wektora natężenia pola
magnetycznego. Przy wartości deklinacji magnetycznej
przekraczającej dokładność busoli należy ją uwzględniać w celu
otrzymania prawidłowego kierunku północy geograficznej.

• Obecnie sporadycznie używane są na lotniskach pelengatory ze

• Obecnie sporadycznie używane są na lotniskach pelengatory ze

względu na niską dokładność wynoszącą 0,5

o

Kompas topograficzny

Kompas lotniczy

19

Treść pracy „Sieć magnetyczna”

A. Sas-Uhrynowski

• W północno-wschodniej części kraju zagęszczenie punktów

magnetycznych jest wyraźnie większe. Jest to wynikiem znacznie
bardziej skomplikowanego rozkładu pola geomagnetycznego w
tym rejonie.

• Powodem jest bliższa obecność ferromagnetycznych utworów

geologicznych, wywołujących na powierzchni Ziemi anomalie
magnetyczne.

magnetyczne.

Pokrycie kraju punktami podstawowego zdjęcia

deklinacji magnetycznej

20

Treść pracy „Sieć magnetyczna”

A. Sas-Uhrynowski cd.

• Problem stabilizacji punktów magnetycznych:

- Brak stałej stabilizacji sieci.

- Pomimo tego, że jest to osnowa podstawowa nie jest
wymagana duża dokładność określenia położenia punktu
w terenie. Im mniejszy jest gradient badanego parametru

w terenie. Im mniejszy jest gradient badanego parametru
tym większa może być tolerancja przy wyznaczaniu
położenia punktów.

- Podobnie jak w obserwacjach meteorologicznych
przesunięcie miejsca obserwacji nie spowoduje różnicy w
wyznaczeniu badanego parametru.

21

Treść pracy „Secular variations of the geomagnetic field
in Europe, Geoinformation Issues” Sas-Uhrynowski A.,
Welker E.

• W 2003 roku został podjęty we współpracy międzynarodowej

projekt badawczy o nazwie MagNetE (Magnetic Net for Europe).

• Celem projektu jest prowadzenie wspólnych badań nad

czasowo-przestrzennym rozkładem pola geomagnetycznego w
Europie. Prowadzone są rozważania teoretyczne nad modelem

Europie. Prowadzone są rozważania teoretyczne nad modelem
pola geomagnetycznego i jego parametrów oraz nad
przyczynami i mechanizmem zmian wiekowych tego pola.

• Poznanie zmian wiekowych ziemskiego pola magnetycznego

umożliwi dokładniejszą aktualizację danych dotyczących pola
geomagnetycznego, które mają zastosowanie w nawigacji,
topografii, telekomunikacji, geologii, geofizyki, a także w innych
dziedzinach.

22

Treść pracy „Secular variations of the geomagnetic field
in Europe, Geoinformation Issues” Sas-Uhrynowski A.,
Welker E. cd.

•

Zmiany wiekowe ziemskiego pola magnetycznego zostały
przedstawione w postaci map izopor trzech niezależnych
elementów pola geomagnetycznego.

•

Mapy izopor zostały opracowane dla dwóch interwałów czasowych
1995–2000 oraz 2000–2005. Jest to pierwsze przedstawienie zmian
wiekowych magnetycznego pola Ziemi, do którego zostały
wykorzystane nie tylko dane z obserwatoriów magnetycznych, ale

wykorzystane nie tylko dane z obserwatoriów magnetycznych, ale
także dane z pomiarów na kilkuset magnetycznych punktach
wiekowych, zlokalizowanych w 23 krajach europejskich.

Mapa izpopor dla deklinacji D
w okresach 1995-2000 i 2000-2005

23

Treść pracy „Secular variations of the geomagnetic field
in Europe, Geoinformation Issues” Sas-Uhrynowski A.,
Welker E. cd.

• Opracowanie zawiera także analizę zmian wiekowych na tle

zmian obliczonych wg modelu IGRF (International Geomagnetic
Reference Field).

• Opracowane mapy ujawniają rejony, które mają charakter

anomalny. Anomalie zmian wiekowych nie są wywołane
przyczynami naturalnymi. Ich przyczyną są prawdopodobnie

przyczynami naturalnymi. Ich przyczyną są prawdopodobnie
błędne dane, często ze zbyt dużej ilości niezbyt starannie
dobranych punktów pomiarowych.

24

Wpływ magnetyzmu

na wyniki niwelacji

na podst. „Deformation of Long Valley Caldera” J. C. Savage,

M. Lisowski, J. E. Estrem, and R. 0. Castle

Obszar badań:

Kaldera wulkanu leżąca w Kalifornii

Spostrzeżenia:

• Profil zmian wysokości nie koreluje z profilem terenu.

• Profil zmian wysokości nie koreluje z profilem terenu.

• Wartości niedomknięcia się „oczek” niwelacyjnych na

poziomie 25mm.

Procedura szukania błędu:

• Ten sam obserwator, instrument i łaty w kampaniach

pomiarowych 1983 i 1984.

25

Wpływ magnetyzmu

na wyniki niwelacji

na podst. „Deformation of Long Valley Caldera” J. C. Savage,

M. Lisowski, J. E. Estrem, and R. 0. Castle cd.

Wnioski:

• Konieczność uwzględniania poprawki do wyników pomiaru linii

niwelacyjnej z uwagi na wpływ magnetyzmu ziemskiego na
działanie kompensatorów w niwelatorach automatycznych.

gdzie:

M- współczynnik magnetyczny konkretnego
niwelatora w czasie pomiaru

H- składowa pozioma ziemskiego pola
magnetycznego

De- deklinacja w terenie przebiegu linii
niwelacyjnej

26

Wpływ magnetyzmu

na wyniki niwelacji

na podst. „On the DC-AC effect on automatic levelling

instruments” S.Villadsen, N.Andersen cd.

Cel badań w duńskim i niemieckim laboratorium:

• Odpowiedź na pytanie: Czy szybka oscylacja pola

magnetycznego może wpływać na przypadkową pozycję
kompensatora?

Narzędzie: Cewka Helmholza

27

Wpływ magnetyzmu

na wyniki niwelacji

na podst. „On the DC-AC effect on automatic levelling

instruments” S.Villadsen, N.Andersen

• W wyniku prowadzonych badań wyznaczono wzór na

poprawkę z uwagi na wpływ magnetyzmu ziemskiego na
działanie kompensatorów w niwelatorach
automatycznych:

gdzie:

M- współczynnik magnetyczny konkretnego niwelatora w

czasie pomiaru

H- składowa pozioma ziemskiego pola magnetycznego

28

Przykładowe pytania

• Wyjaśnij pojęcia: pole magnetyczne Ziemi i jego

parametry, biegun magnetyczny i geomagnetyczny,
anomalie magnetyczne, inklinacja, deklinacja pola
magnetycznego, dewiacja magnetyczna, okresowość
pola magnetycznego Ziemi.

• Sposób przedstawienia danych magnetycznych w

• Sposób przedstawienia danych magnetycznych w

kartografii

• Osnowa magnetyczna w Polsce

• Urządzenia do pomiaru pola magnetycznego Ziemi

• Wpływ ziemskiego pola magnetycznego na wyniki

niwelacji.

29