Pole magnetyczne Ziemi – jak się zmienia?

Płynne, stopione zewnętrzne jądro Ziemi, składające się głównie z żelaza i niklu, wytwarza pole magnetyczne rozciągające się od bieguna północnego do południowego i chroni planetę przed szkodliwym promieniowaniem słonecznym. Z czasem może się ono jednak zmieniać.

Jak tłumaczą naukowcy, wahania siły ziemskiego pola magnetycznego – spowodowane codziennymi zmianami w strukturze wiatru słonecznego i okresowymi burzami słonecznymi – mogą wpływać na wykorzystanie modeli pola geomagnetycznego, które są niezbędne do nawigacji w satelitach, samolotach, statkach i samochodach.

Modele pola magnetycznego różnią się w zależności od miejsca gromadzenia danych – na powierzchni Ziemi lub w jej pobliżu, albo na satelitach orbitujących nisko nad Ziemią. Wcześniejsze badania przypisywały różnice w poziomach, aktywności pogody kosmicznej, ale trwająca sześć lat analiza modeli pola magnetycznego na Ziemi i satelitach wykazała, że rozbieżności w są również spowodowane błędami modelowania, a nie samymi zjawiskami geofizycznymi. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Journal of Geophysical Research: Space Physics.

Badacze z University of Michigan ocenili różnice między obserwacjami z satelitów misji Swarm na niskiej orbicie okołoziemskiej a modelem pola magnetycznego Ziemi – trzynastą generacją Międzynarodowego Geomagnetycznego Pola Odniesienia (IGRF-13). Skupili się na różnicach w warunkach geomagnetycznych od niskich do umiarkowanych, co obejmuje 98,1 proc. czasu w latach 2014-2020.

Obserwacje satelitarne zbierane w różnych miejscach nad Ziemią są wrażliwe na wahania pola magnetycznego, podczas gdy modele wykorzystują obserwacje do oszacowania wewnętrznego pola magnetycznego, bez uwzględnienia wpływu burz słonecznych. Modele wewnętrznego pola magnetycznego, takie jak IGRF-13, są wykorzystywane do śledzenia przez naukowców, zmian biegunów magnetycznych Ziemi, takich jak przesunięcie bieguna północnego o około 45 km na północny zachód każdego roku.

Zrozumienie tych dużych różnic jest ważne dla działania satelitów podczas korzystania z IGRF-13 jako punktu odniesienia oraz dla badań nad fizyką ziemskiej magnetosfery, jonosfery i termosfery.

Jak wskazują badacze, niepewność modelu była najwyższa w północnych i południowych regionach polarnych, a analiza statystyczna wykazała, że asymetria między nimi była głównym czynnikiem powodującym różnice w modelach.

„Często zakładamy prawie symetryczne pole magnetyczne między północnym i południowym regionem polarnym, ale w rzeczywistości są one bardzo różne” – mówi Yining Shi z University of Michigan.

Dwa bieguny geograficzne mają różne współrzędne geomagnetyczne. Biegun północny znajduje się na około 84° szerokości geograficznej magnetycznej (MLAT) i 169° długości geograficznej magnetycznej (MLON), a biegun południowy na około -74° MLAT i 19° MLON.

Ścieżka orbity polarnej satelitów Swarm, zdaniem naukowców, tworzy błąd próbkowania z dużą koncentracją pomiarów wokół biegunów geograficznych, co pogłębia różnice w modelu.

„Zrozumienie, że to, co zostało przypisane zaburzeniom geofizycznym, jest w rzeczywistości spowodowane asymetrią ziemskiego pola magnetycznego, pomoże nam lepiej zrozumieć pole magnetyczne i opracowywać jego modele, co pomoże w nawigacji satelitarnej i lotniczej” – podsumowuje Mark Moldwin z University of Michigan.

Emil Gołoś