Přednáška ve formátu pdf 16,5 MB

Jan Schenk
Magnetické pole ZemČ a jeho využití pĜi orientaci na Zemi
(PĜedneseno v Klubu pĜátel hornického muzea dne 3.3.2009)
Svého þasu jsem Ĝešil orientaci starých map na kterých byl vyobrazen magnetický
sever. Moje pĜedstava byla porovnat magnetickou deklinaci urþovanou dlouhodobČ (Londýn
1600, Praha 1840) s úhlem mezi místním astronomickým a magnetickým poledníkem, jako
spojnicí místa mČĜení se severním magnetickým pólem. To by mČla být deklinace oþištČna od
místních vlivĤ. PĜi zjišĢování potĜebných hodnot polohy severního magnetického pólu jsem se
propadal dál a dál do historie, a protože je podle mého názoru zajímavá bude snad zajímat i
Vás.
1. Magnetosféra a vznik magnetického pole ZemČ
Magnetosféra – oblast magnetického vlivu naší ZemČ v prostoru. Magnetické pole vystupuje
z nitra planety pomocí uzavĜených siloþar a sahá až nČkolik desítek tisíc km okolo ZemČ
(MAGNET TOTAL).. Ve vČtších vzdálenostech je pole deformováno sluneþním vČtrem na
denní stranČ do charakteristické rázové vlny (BOW SHOCK) a magnetického ohonu na noþní
stranČ. Magnetosféra je pĜirozeným ochranným štítem pĜed nabitými þásticemi sluneþního
vČtru, která odklání. dopadající vysokoenergetické þástice vycházející ze Slunce. Jediným
1
místem vstupu þástic jsou polární trychtýĜe (POLAR CUSP), což se projevuje vznikem polární
záĜe a magnetickými bouĜemi v polárních oblastech.
Magnetické pole a radiace
Zemi tvoĜí pevné vnitĜní jádro ( SOLID INNER CORE), tekuté vnČjší jádro (LIQUID OUTER CORE),
plášĢ (MANTLE), kĤra (CRUST) a povrch
Jádro se dČlí na dvČ þásti v podobČ pevného vnitĜního jádra s polomČrem ~1250 km
a tekuté vnČjší jádro o polomČru ~3500 km, které se rozprostírá kolem nČj. VšeobecnČ se
pĜedpokládá, že vnitĜní jádro je pevné a složené pĜedevším ze železa a z menší þásti z niklu.
NČkteĜí obhajují názor, že vnitĜní jádro by mohlo být ve formČ jediného krystalu železa.
O vnČjším jádru obklopujícím vnitĜní se soudí, že je složeno ze smČsi tekutého železa a niklu
a stopového množství lehþích prvkĤ. ObecnČ se pĜedpokládá, že konvekce ve vnČjším jádru
kombinovaná s mícháním zpĤsobeným zemskou rotací vyvolává zemské magnetické pole
procesem popsaným teorií dynama. Pevné vnitĜní jádro je pĜíliš horké, než aby bylo nositelem
stálého magnetického pole, pravdČpodobnČ však pĜispívá ke stabilizaci pole generovaného
tekutým vnČjším jádrem. Pevné jádro se každoroþnČ otoþí o 1–3 stupnČ více než polotekutý
obal a zbytek ZemČ.
2
Teorie dynama popisuje proces, kdy se pomocí rotace, konvekce a elektrického
pĜenosu kapalinou vytváĜí magnetické pole. Tato teorie se používá k vysvČtlení anomální
dlouhovČkostí magnetických polí v astrofyzikálních tČlesech. Zatím co vodivou kapalinou
geodynama je tekuté železo ve vnČjším jádru, je to ve sluneþním dynamu ionizovaný
plyn.Teorie dynam astrofyzikálních tČles používá magnetohydrodynamické vzorce k popisu,
jak mĤže kapalina kontinuálnČ regenerovat magnetické pole.
Zemské jádro
Zemské jádro je geosféra nacházející se ve stĜedu ZemČ. Zaþíná zhruba v hloubce
2900 km pod povrchem a zahrnuje zhruba 31 % hmotnosti ZemČ, nejvyšší podíl v nČm asi
mají železo a nikl. Jádro je 2× tČžší než zemský plášĢ. DČlí se na pravdČpodobnČ polotekuté
vnČjší jádro (2900-5000 km pod povrchem) a pevné vnitĜní jádro (též jadérko). Mezi
vnČjším a vnitĜním jádrem se v hloubce 5000 km pod povrchem zemČ nachází jakási
pĜechodná vrstva o tloušĢce 160–500 km. Na hranici mezi jádrem a pláštČm se nachází tzv.
Gutenbergova diskontinuita.
PrĤmČrné složení jádra je 86,2% železa, 7,25% niklu, 0,40% kobaltu, 5,96% síry a
ostatní siderofilní prvky (slouþeniny kĜemíku a kovĤ) mají 0,04%.
Zemský plášĢ
ýást zemského tČlesa ležící mezi zemskou kĤrou, od níž je oddČlena Mohoroviþiüovou
diskontinuitou a zemským jádrem. Obsahuje asi 69 % hmotnosti ZemČ a 84 % jejího objemu.
Chová se jako pevná látka s jistým stupnČm viskozity, která od hloubky 1000 km smČrem k
jádru znaþnČ stoupá. Teplota v hloubce 1000 km je asi 1500 °C pĜi hustotČ 4,3 g·cm-3 a tlaku
asi 0,5·1011 Pa. ýasté horniny zemského pláštČ jsou ultramafické horniny (dunit, eklogit,
lherzolit, peridotit). Zdrojem informací o zemském plášti jsou zemČtĜesné vlny.
Zemská kĤra
TloušĢka zemské kĤry kolísá od 5 do 70 km v závislosti na místČ, kde se nachází.
Nejtenþí þástí je oceánská kĤra na dnČ oceánĤ složená z mafických hornin bohatých na
kĜemík, železo a hoĜþík. SilnČjší je kontinentální kĤra, která má menší hustotu a obsahuje
pĜedevším vrstvu složenou z felsických hornin bohatých na kĜemík, sodík, draslík a hliník.
Za rozhraní mezi kĤrou a pláštČm lze oznaþit dva fyzikálnČ odlišné jevy. PĜedevším existuje
diskontinuita v rychlosti seismických vln, která je známá jako Mohoroviþiüova diskontinuita.
Za pĜíþinu této diskontinuity je považována zmČna ve složení hornin od hornin obsahující
plagioklasy (nahoĜe) až po horniny, které žádné živce neobsahují (dole). Jiným jevem je
chemická diskontinuita mezi ultramafickými horninami a natavenými harzburgity, jak ji lze
pozorovat v hlubokých þástech oceánské kĤry, které byly obdukovány do kontinentální kĤry a
uchovány jako ofiolitické sekvence
Povrch
Celkový povrch ZemČ je 510 065 284,702 km2, ale vČtší þást povrchu (70,8 %) je
pokryta SvČtovým oceánem kapalné vody, což pĜedstavuje 361 126 221,569 km2. Oproti
tomu souš zabírá 29,2 %, což odpovídá 148 939 063,133 km2. Oceány a pevnina nejsou na
svČtČ rozmístČny rovnomČrnČ, ale vČtšina souše pĜipadá na severní polokouli. Jižní polokoule
je pak tvoĜena pĜevážnČ oceány. Souš je na zemském povrchu rozdČlena nepravidelnČ do
sedmi velkých oblastí nazývaných kontinenty. Jsou jimi Afrika, Asie, Antarktida, Austrálie,
Evropa, Jižní a Severní Amerika. Jádra svČtadílĤ jsou tvoĜený stabilními štíty, které jsou
zpravidla staré nČkolik miliard let.
3
2. Historický vývoj znalostí o magnetickém poli ZemČ
Magnetický jev byl dobĜe známý už ve starovČku jak v ýínČ, tak i v EvropČ, ale první
zprávy o magnetce, která se mohla volnČ kývat, jsou asi 900 let staré. ýasto se uvádí, že
ýíĖané první popsali kompas okolo roku 1090 . Evropské zprávy jsou o sto let mladší, ale
nevíme, zda objevy byly nezávislé nebo pĜišly z východu. Navíc je zajímavé, že zatímco
v EvropČ se považoval za urþující sever, ýíĖané urþovali jih.
Podle tradice prý kdysi dávno nČkdo nČkde v ýínČ uloupl kus magnetitu, kamínek
položil na dĜívko, které umístil na hladinu vody v dĜevČném vČdru a zjistil, že dĜívko s
kamínkem se natoþí vždy do jediného smČru, aĢ se toþí s vČdrem, jak chce. Budiž pĜedesláno,
že moderní kulové kompasy se principiálnČ vĤbec neliší od svého primitivního pĜedchĤdce.
Do Evropy se kompas dostal arabskou cestou. Již v roce 1242 se v arabském spise Pokladnice
kupcĤ psalo o "rybce z tenkého plechu", kterou používají moĜeplavci, která se vyznaþuje tím,
že "když je hozena do moĜe, drží se na hladinČ a hlavou ukazuje na sever, ocasem k jihu."
Spolu s dalšími vČdomostmi ukoĜistili Portugalci za bojĤ s Maury i tajemství kompasu a tajili
jeho konstrukci i s mapami pĜed ostatními evropskými národy. Zpoþátku se opravdu
používalo vČdro s moĜskou vodou, do nČhož se vhazovala magnetka s plovákem, pozdČji
vývoj došel ke kompasu suchému.
Jednou z pozoruhodných skuteþností z této epochy je koncentrace vČdeckých zpráv o
magnetismu; mají tvar dlouhých dopisĤ (proto jsou þasto oznaþovány jako Epistola de
magnete – dopis o magnetismu). V roce 1269 píše takový dopis francouzský vojenský inženýr
Peter Peregrinus de Maricourt pĜíteli Sygeru de Foucancourt bČhem manévrĤ v Itálii. V
dopise jsou popsány teorie a pokusy dotýkají se magnetismu, vþetnČ pojmu magnetických
polí, pĜitažlivosti a odpudivosti.
Peregrinus uþinil 3 základní objevy:
1. Magnetické pole ZemČ je pĜirozený bipolární
magnet.
2. Magnetická síla na pólu je svislá.
3. Magnetická síla smČrem k pólu je více strmá.
Kompas s otoþnou magnetkou z rukou psané kopie ze
14. století Peregriniho Epistola de magnete
Tato práce byla v následujících stoletích
studováná. Je zajímavé mimoto poznamenat, že
Peregrinus byl toho názoru, že magnetka ukazuje
k Polárce, zatímco v této dobČ se pĜedpokládalo, že na
severním pólu musí být magnetické pohoĜí, které
magnetku pĜitahuje.
Kompas se pravdČpodobnČ zaþal bČžnČ používat jako navigaþní pĜístroj ve 14. století a
obvykle se urþoval skuteþný (geografický) sever. NicménČ v dalších stoletích bylo jasné, že
situace není tak úplnČ dokonalá a že existuje malá odchylka od skuteþného severu. V EvropČ
ukazoval kompas nČkolik stupĖĤ na východ, první spolehlivý údaj se urþil pomocí
pĜenosných sluneþních hodin v 15. století.
Takové hodiny byly postaveny jako kombinace sluneþních hodin a kompasu, aby
správnČ pracovaly, musely se správnČ orientovat. Konstrukce takových hodin v NČmecku
dokazuje, že již uprostĜed 14. století byla magnetická deklinace známá. SkuteþnČ na
nČmeckých námoĜních mapách z tohoto období je tato deklinace uvedena.
4
Známý tvĤrce map Gerhard Mercartor (1512-1594),
vlámský kartograf a matematik nČmeckého pĤvodu,
když chtČl s ohledem na znalost celé Ĝady deklinací
urþit místo severního magnetického pólu
protínáním, došel k závČru, že existují dva póly od
sebe vzdálené asi 500 km (2 hory v mapČ). Je po
nČm pojmenováno Mercatorovo zobrazení, které
vynálezl.
Mercartorova mapa Arktidy
Magnetická deklinace je úhel mezi smČrem
magnetky a zemČpisným (astronomickým)
poledníkem. Kladná deklinace je východní
deklinace a záporná je deklinace západní.
ZemČpisný azimut je
AA , B = α A , B + δ
Magnetka proto ukazuje trochu stranou od
geografického severního pólu a tyto odchylky se
mČní podle místa na Zemi.
5
Je pravdČpodobná domnČnka, že
magnetickou deklinaci zjistil i Krištof
Kolumbus (1451-1506) bČhem své první
cesty do Ameriky v roce 1492, ale ta už byla
ve skuteþnosti mezi námoĜníky ve stĜední
EvropČ známa.
Mapování tČchto deklinací bylo dĤležité pro
námoĜníky a Portugalci rozvinuli metodu,
která byla založena na pozorování slunce.
Objevitel této techniky byl námoĜní
dĤstojník Joao de Castro (1500-1548), který
byl rovnČž pozdČji i vicekrálem v
Portugalské Indii. Sadu vysoce kvalitních
mČĜení deklinace lze nalézt v jeho pozoruhodnČ pĜesných a informativních lodních dennících
z let 1538 až 1541.
Metoda byla následovnČ používána bČhem
poþetných cest na všech oceánech a díky tomuto
mapování, doplnČného na základČ množství mČĜení
na souší, jsme dnes schopni zobrazit magnetické
pole ZemČ už od roku 1500 a nepĜímo zjistit
polohu magnetického pólu v té dobČ.
Angliþan William Gilbert (1540-1603).
Také známý jako Gilbard. Byl anglický lékaĜ
(Fyzikus) a filozof. Znal Kopernikovu teorii a
zásadnČ odmítal jak tehdy pĜevažující Aristotelovu
filozofii, tak i scholastické metody výuky na
univerzitČ. Po získání lékaĜského titulu v
Cambridgi r. 1569 a krátké funkci kvestora na St
John’s College v Cambridge, odešel do praxe v
LondýnČ a v roce 1600 byl zvolen prezidentem
lékaĜské fakulty ( titul udČlený královskou výsadní
listinou). Od roku 1601 do své smrti byl osobním
lékaĜem královny AlžbČty I. a Jakub VI. obnovil
6
jeho jmenování.
V roce 1600 vydal v LondýnČ knihu De Magnete – O magnetu.
V De magnete Gilbert nachází souvislosti uvedené v Epistola de magnete Petruse Peregriniho
o magnetech a jejich vlastnostech, o magnetickém poli, popisuje deviaci a deklinaci a pĜijímá
názor, že ZemČ má stejné magnetické vlastnosti jako koule magnetitu.
GilbertĤv model magnetického pole ZemČ a jeho moderní pojetí
Dnes De magnete je považována za první moderní práci pĜírodních vČd a reprezentuje
zrod geomagnetismu jako vČdecké disciplíny.
KromČ toho v prĤbČhu 17. století se stalo zjevným, že magnetické pole není stálé a že se
deklinace nepatrnČ mČní z roku na rok. Proto bylo dĤležitá nejen mapa magnetického pole, ale
také její aktuálnost.
Sir Edmond Halley (1656-1742) jako
absolvent Oxfordské univerzity se zabýval
astronomií,
geofyzikou,
matematikou,
metereologii a fyzikou. PĜedevším je znám
urþením dráhy komety, která byla po nČm
nazvána. RovnČž je vynálezcem kesonu.
V roce 1698 byl povČĜen velením na 52
stop (16,7 m) dlouhé lodi Paramount, aby
uskuteþnil
v Jižním
Atlantiku
výzkum
zákonitosti variací kompasu. V prosinci 1698
vyplul a byla to první þistČ vČdecká výprava
v anglickém námoĜnictvu. V þervenci 1699 se
ale vrátil do Anglie, protože mČl problémy pĜi
velení jako civilista. Proto byl doþasnČ
jmenován kapitánem královského námoĜnictva
a znovu jmenován jako velitel Paramount.
V záĜi 1699 opČt vyplul a provádČl rozšíĜená
pozorování pozemního magnetismu. Tento
úkol dokonþil pĜi druhé cestČ Atlantikem,
7
kterou ukonþil v záĜí 1700, provedl mČĜení mezi 52°s.š. a 52°j.š. Výsledky cesty publikoval v
General Chart of the Variation of the Compass (1701). Byla to první mapa isogon nebo také
Halleyových isoþar.
Provedená mČĜení vedla k myšlence urþit polohu severního magnetického pólu, Halley
odhadoval, že pól leží nČkde severnČ od ŠpicberkĤ.
V roce 1811 „Den Kongelige Danske
Videnskapers Seldkab“ (Královská dánská spoleþnost
pro vČdu) vyhlásila odmČnu za zodpovČzení otázky:
„Lze popsat magnetické pole ZemČ pouze pomocí
jedné magnetické osy nebo je tĜeba použít více os?“.
Jeden z tČch kdo odpovČdČli, byl mladý nor
Christopher Hansteen (1784-1873), jehož odpovČć
vyvolala znaþnou pozornost a pĜispČla k získaní
profesury na UniverzitČ v Christiani (pozdČji Oslo)
v roce 1816.
Monografie odpovČdí na dánskou výzvu byla
publikována v roce 1819 v rozšíĜené formČ pod titulem
Untersuchungen des Magnetismus der Erde (
Zkoumání magnetismu ZemČ). ShromáždČny jsou zde
8
témČĜ všechna pozorování magnetického pole provedená do této doby s mapami a pokusem o
vytvoĜení matematického modelu, ve kterém by byly reprodukovány pozorování jako
magnetický systém uvnitĜ ZemČ.
Výsledkem odpovČdi bylo, že jedním magnetem není možné popsat magnetické pole
ZemČ, dvČma to už možné je. To dávalo dohromady þtyĜi magnetické póly, kdy nové póly
byly umístČny severnČ od SibiĜe a v jihovýchodním Pacifiku. PĤvodní póly byly umístČny
daleko na sever Ameriky a ve východní AntarktidČ. Toto Ĝešení je pochopitelné z toho
dĤvodu, že z mapy izogon vyplývá jejich složitý prĤbČh pĜedevším nad euroasijskou
pevninou.
DĤležitou stránkou Hansteensovy knihy byl pokus vytvoĜit matematický model
magnetického pole. Takovým modelem by se mohly v podstatČ poþítat deviace, deklinace a
intenzita magnetického pole pro libovolné místo na povrchu ZemČ. HansteenĤv popis modelu,
však nevydržel pĜíliš dlouho.
Velký nČmecký matematik Carl Friedrich
Gauss (1777-1855) Ĝešil problém s charakteristickou elegancí a v roce 1838 navrhl matematické Ĝešení, které se používá dosud.
Gauss nespekuloval o tom, jaká síla je
uvnitĜ ZemČ, ale rozvinul výhradnČ empirický
model, který pouze co nejlépe popisoval
uskuteþnČná pozorování. GaussĤv model obešel
dva Hansteenem pĜidané póly a nahradil podstatné
nepravidelnosti bipolárním polem.
Tento bipolární model urþoval umístČní
magnetických pólĤ podle namČĜených deklinací
vyrovnáním odchylek. Protože magnetické póly se
nacházely na dalekém severu a jihu urþení jejich
skuteþné polohy bylo nesnadné. Úkol mohl být
9
splnČn pĜi hledání tzv. severozápadní cesty mezi Atlantickým a Tichým oceánem.
VČdci zaþali Ĝešit problém, jaká síla generuje magnetické pole až o století pozdČji.
3. Urþování severního magnetického pólu
Z dosavadních poznatkĤ bylo zĜejmé, že se severní magnetický pól (dále SMP)
nachází v severní tČžce pĜístupné þásti Kanady. Jeho urþení se stalo následnČ souþástí
objevitelských výprav pĜi hledání tzv. severozápadní cesty mezi Atlantickým a Tichým
oceánem.
Jeden z mnoha byl Angliþan John Ross (1777-1856),
sezónní prĤzkumník polárních oblastí, který v roce 1829
vyrazil hledat tuto severozápadní cestu. Jako mnozí pĜed
nim, i jeho expedice byla uvČznČna v þetných úžinách
severní Kanady s divokou vodou a þtyĜi roky trvalo než se
vrátil domĤ.
Této
expedice
se
zúþastnil i jeho synovec James
Clark Ross (1800-1862) a
využili pĜíležitosti, když byli
uvČznČní v plovoucím ledu,
k lokalizaci
severního
magnetického pólu, v jehož
blízkosti museli být.
PodaĜilo se jim v kvČtnu
roku 1831 na 70°5´ severní šíĜky a 96°47´západní délky urþit
místo, kde siloþáry magnetického pole bylo zcela svislé
s ohledem na pĜesnost pĜístroje.
Pravý cíl expedice - severozápadní cesta - zĤstal iluzí, ale
objev severního magnetického pólu byl respektovanou hodnotou,
která expedici pĜinesla následující velkou slávu.
John Ross dostal rytíĜský titul a ostrov, na kterém byl pól
urþen, byl pojmenován Boothia Peninsula po sponzorovi expedice, kterým byl výrobce ginu
Felix Booth.
PozdČji James Clark Ross vedl novou expedicí, která se mezi jinými pokusila urþit
jižní magnetický pól. Výprava selhala, i když byla mapa jižních moĜí doplnČna o Rossovo
moĜe a on si mohl ke svému jménu pĜidat titul „Sir“.
Výpravy do oblasti severozápadní cesty pokraþovaly s rostoucí dramatiþností, která
vyvrcholila Franklinovou katastrofou v roce 1840, na které jeho 138 mužĤ zahynulo
v tundĜe u magnetického pólu.
K objevení severozápadní cesty došlo až poþátkem 20. století a jejím objevitelem byl
norský polární badatel Roald Amundsen (1872-1928). Amundsen napsal do svého deníku o
severozápadní cestČ: „Rád bych propojil své dČtské poznatky o severozápadní cestČ s vČdecky
dĤležitČjším cílem: Urþit aktuální místo severního magnetického pólu“.
10
Tento vČdecký cíl bral Amundsen
serióznČ, a protože pracoval systematicky a
dĤkladnČ, spoleþnČ s inženýrem Gustavem Jel
Wiikem studovali geomagnetismus u þelných
expertĤ v NČmecku, kde jim byl také sestrojen
speciální magnetický pĜístroj.
Na cestČ si sám vybral strávit zimu v Zemi
krále Williama blízko magnetického pólu ZemČ,
kde inklinace byla necelých 89,4° a kde založil
kompletní geomagnetickou observatoĜ , která
poskytovala spojité výsledky pozorování po dobu
19 mČsícĤ. To byla opravdu impozantní práce,
uvážíme-li, že mČĜení byla zaznamenávaná na
fotografické desky , které bylo potĜeba mČnit a
vyvolávat každý den.
Jaro roku 1904 bylo vČnováno mČĜení
pĜímo v poli k pĜesnému urþení pólu, jak jen to
bylo možné Byl to nelehký úkol a vyžadoval
trpČlivost, protože magnetické poruchy vyvolané
Sluncem – magnetické bouĜe - posunovaly pól
lehce kolem, takže úkol vypadal jako lov
pĜízraku v tundĜe.
Navzdory tomuto problému Amundsen
uspČl a zjistil, že se pól posunul severnČ od
doby Rossova pozorování. Amundsenova
expedice se mohla stát proslulá jen za
provedení tohoto vČdecky objektivního
geomagnetického výzkumu.
Byl ovšem první, kdo na šalupČ
Gjoa severozápadní cestu v létech 190306 objevil a proplul.
11
Magnetická a jiné vČdecká pozorování byla zabalena a poslána do Norska.
Amundsen, brzy po této cestČ se nadchl pro nový odvážný projekt – dobytí jižního
pólu, ponechal nutnou analýzu dat jiným. Jako první þlovČk dosáhl jižního pólu (1911). Stal
se prĤkopníkem polárního výzkumu vzducholodČmi a letadly. Zahynul pĜi záchranné misi
patrájící po vzducholodi Italia.
Analýza trvala do roku 1929 a byly urþeny souĜadnice pólu 70° 31' N, 96° 34' W a její
koneþný vČdecký závČr byl, že pól se posunul 50 km severnČ mezi roky 1831 až 1904.
Období nČkolikaletých výprav skonþilo a pól je dosahován letecky bČhem nČkolika
hodin. Poloha pólu, který leží souþasnČ v KanadČ, je urþována v pravidelných intervalech
nČkolika let nezávisle kanadskými vČdci.
Od doby Amundsena se pohyb
pólu znaþnČ zrychlil a nyní se poloha
mČní a z rychlosti okolo 11 km/rok
vzrostla mezi léty 1999 a 2001 na 40
km/rok a souþasnČ je asi 50 km/rok.
Poloha SMP v roce 2008
85° N a 120° W
Jestliže se nezmČní smČr a rychlost pohybu SMP, pĜesune se pĜes severní ledové
moĜe a v roce 2050 dosáhne severní hranice SibiĜe. Tento pohyb souvisí s dlouhodobými
sekulárními zmČnami geomagnetického pole
4. Reverzace magnetického pole ZemČ
Z hlediska dlouhodobých variací magnetického pole je nejvýznamnČjší pĜeklápČní
magnetického pole ZemČ. K poslednímu pĜepólování došlo asi pĜed 780 000 lety. Odhaduje
se, že samotný proces pĜepólování mĤže trvat kolem tisíce let. V prĤbČhu tohoto období mĤže
být narušena pĜirozená ochrana ZemČ magnetickým polem pĜed nabitými þásticemi z vesmíru.
Vzhledem k tomu, že ale podobný proces probČhl v minulosti mnohokrát, nemČl by mít na
biosféru nČjaký katastrofický vliv.
12
Jak se pĜišlo na pĜeklápČní?
Po erupci sopky tekutá lávy ztuhne a vytvoĜí horninu. VČtšinou je to hornina známá
jako þediþ, který je slabČ magnetický, neboĢ obsahuje rozptýlené železo vynoĜující se
s taveninou. Tato magnetizace má smČr místního magnetického pole, které existovalo v dobČ,
kdy láva chladla. SmČr magnetizace þediþe mĤžeme mČĜit pĜístroji. Proto, když sopka
vytváĜela více lávových proudĤ bČhem minulých období, mČní se i magnetizace þediþe. VČdci
pĜišli s myšlenkou zjistit, jak se mČnil smČr místního magnetického pole ZemČ v minulosti.
PĜekvapivČ, tento proces naznaþil, že existují období, kdy magnetizace mČla opaþný
smČr, než je dnes. V roce 1950 byl vyroben elektronický magnetometr a olejáĜské spoleþností
ho zaþaly používat na palubČ letadel pĜi mapování slabého magnetismu hornin pĜi hledání
ropných ložisek. Po rozšíĜení mČĜení i na oceány okolo roku 1960 došlo k pĜekvapujícímu
objevu.
Na moĜském dnČ je
magnetizace hornin uspoĜádaná
v pravidelných dlouhých pásech.
Pasy na dnČ Atlantického oceánu
jsou
pĜedevším
uspoĜádaný
rovnobČžnČ
s
„centrálním
atlantickým hĜbetem“.
Je to vulkanický hĜbet bČžící pĜevážnČ ze severu na
jih (trochu klikatČ), v polovinČ mezi Evropou–Afrikou a
Amerikou.
Nejen magnetická pásma probíhají soubČžnČ s centrálním hĜbetem, ale jejich struktura
a rozdČlení se jeví symetricky na obČ strany: Když úzký nebo široký pás se vyskytuje v urþité
vzdálenosti východnČ od hĜbetu, lze také nalézt zrcadlový obraz ve stejné vzdálenosti na
západČ. HĜbet je oznaþován jako ohnisko zemČtĜesení a také jako místo vulkanických ostrovĤ.
Nedávno byl prozkoumán výzkumnými ponorkami, které pozorovaly leckdy výrony lávy na
jeho hĜebeni.
V této souvislosti se musím zmínit o teorii kontinentálního driftu.
Alfred Wegener si všiml podobnosti mezi tvarem kontinentĤ a plovoucích ledových
polí v Severním ledovém moĜi, po jejich rozpadu. StejnČ jako ledová pole si odpovídají podél
linie zlomu, odpovídají si i okraje si odpovídajících kontinentĤ, napĜ. Afrika a Jižní Amerika.
13
Wegener hledal další spoleþné znaky, napĜ. mezi
horninami podél odpovídajících si pobĜeží a v roce 1918
zveĜejnil svoji teorii „Kontinentálního driftu“, že
kontinenty, podobnČ jako ledy, plují a jsou unášeny
z jednoho místa do druhého. VČĜil, že kontinenty plují
více jak miliony let na nejhlubších vrstvách podobných
husté kapalinČ, které vytváĜejí vhodný proud. Zdrojem
energie je pravdČpodobnČ vnitĜní teplo ZemČ. Setkal se
však s nepochopením.
Tuto teorii vysvČtlili v roce
1962 Lawrenc Morley a Drummond
Matthews a Fred Vine. PĜedpokládali, že moĜské dno je ve stálém
pohybu od centrálního hĜbetu
rychlostí 2,5 cm/rok a že jsou obČ
desky na každé stranČ tlaþeny ze stĜedu vytékající lávou, která tuhne a zaznamenává
pĜevažující magnetické pole. To vede k rozšiĜování dna oceánu.
NovČ vytvoĜený þediþ se pĜilepí k pĤvodní desce a je pak tlaþen buć k EvropČ a Africe
nebo k Americe. Každých v prĤmČru pĤl milionĤ let se mČní magnetická polarita ZemČ a tak
dochází k rozdílné magnetizaci moĜského dna. Každé pásmo reprezentuje období o jedné
nebo druhé magnetické polaritČ a je tak objasnČna jejich symetrie.
Vlevo je v poþítaþi vytvoĜený model magnetického pole ZemČ mezi pĜepolováním
magnetického pole, vpravo bČhem pĜepolování, kdy dochází k narušení magnetosféry, a tak
klesá ochrana ZemČ pĜed kosmickým záĜením. I když toto období mĤže trvat okolo tisíce let,
lze pĜedpokládat, že život na Zemi nebude zniþen, neboĢ k pĜepolování už nČkolikrát došlo.
14
5. Využití magnetického pole ZemČ v dĤlním mČĜictví
Tak jako na povrchu zaþalo se používat magnetických pĜístrojĤ i v podzemí. Toto
využití lze rozdČlit do dvou skupin:

ZamČĜování a vedení dĤlních dČl pomocí kompasu, závČsného kompasu, pĜípadnČ
buzolními teodolity nebo teodolitovými buzolami.

Orientace základních mČĜických pĜímek pomocí pĜesných magnetických deklinatorií.
PĜi tomto mČĜení bylo dĤležité znát krátkodobé
variace magnetického pole ZemČ. MČĜením bylo zjištČno, že
SMP se bČhem dne mĤže posunout až o 85 km,. Tyto denní
variace jsou vyvolány pĜedevším interakcí zemského
magnetického pole se sluneþním vČtrem.
PĜi zvýšené sluneþní
aktivitČ je pohyb polohy pólu
znaþnČ
chaotický
a lze
zaznamenat i mnohem vČtší
rozkmity. Proto se vždy udává
prĤmČrná poloha pólu za
nČkolik dní.
PĜi tom rychlost zmČn
závisí jak na denní dobČ, kdy
se mČĜení provádí, tak i na
roþním období, kdy v létČ
dosahuje amplituda zmČn až
11´.
MČĜické pĜístroje
Podle Agricoly se poloha dĤlních dČl
zamČĜovala pomoci napjatých provazĤ, které
tvoĜily trojúhelníky. MČĜila se délka stran a jejich
smČr se urþoval tak, že se kompas zorientoval a
smČr provazu se zaznamenal pomocí vrypĤ do
voskového kruhu a po vyfárání se smČr vrypĤ
pĜenesl do mapy.
Kompas se sedmi voskovými kruhy z 5. knihy o
hornictví a hutnictví.
15
V alpských zemích se používal pĜístroj
s prĤzorem. SmČr provazu se urþil tak, že se usmČrnil
kompas pĜístroje a prĤzor se natoþil do smČru provazu.
Poloha prĤzoru se zapsala do zápisníku a smČry se do
mapy vynášely podle hodnot uvedených v zápisnicích.
PĜístroj s prĤzory
ZpĜesnČní mČĜení magnetických smČrĤ pĜineslo
použití závČsu, kterým se kompas zavČšoval na
napjatou mČĜickou šĖĤru.
RösslerĤv kompas z 1963
ZávČsný kompas freiberského typu
ZávČsný kompas musel splĖovat Ĝadu podmínek, aby mČĜení bylo správné:
Správnost kompasu:
1. Geometrická osa magnetky musí splývat s magnetickou osou.
2. Magnetka musí být vodorovná
3. Magnetka pĜimČĜenČ citlivá
4. Magnetická osa musí procházet stĜedem stupnice
5. Krabice musí být nemagnetická
6. DČlení stupnice správné
Správnost závČsného kompasu:
1. Osa kompasová má být kolmá na rovinu závČsnou
2. Osa kompasová musí být kolmá na nulovou pĜímku -orientaþní chyba.
Použití kompasu a dalších magnetických pĜístrojĤ skonþilo použitím železných
materiálu v dole, jako byly kolejnice, potrubí, výztuž apod. Tím bylo narušeno pĜirozené
magnetické pole ZemČ a mČĜení tzv. þistých magnetických smČrĤ už nebylo možné.
16
KromČ závČsných kompasĤ se používaly i teodolity, které byly opatĜeny buć sázecím
nebo pevným magnetickým zaĜízením.
DĤlní teodolit fy Breihaupt
se sázecím kompasem fy Reiss
Busolní teodolit T0 fy Wild
DĤlní teodolit fy Freiberger Präzisionmechanik
s mimostĜedným dalekohledem
a sázecím kompasem
DĤlní teodolit Duplex fy Friþ sklenČný vodorovný
kruh, mimostĜedný dalekohled, skĜíĖový kompas
17
Teodolit fy Hildebrand
se skĜíĖovým kompasem
Teodolit Th 2 fy Freiberger Prezisionmechanik
s trubicovým kompasem
FennelĤv sázecí magnetometr
Schmidt-Neumayerovo deklinatorium
PĜesnost urþení magnetického smČru kompasem pĜi velmi peþlivém postupu je okolo
5´, magnetickými deklinatorií lze dosáhnout pĜesnosti mČĜení okolo 30´´. Proto se tato
zaĜízení používalo pro pĜipojovací a usmČrĖovací mČĜení jednou jamou.
18
6. Urþení místní deklinace z polohy severního magnetického pólu
Magnetické pole ZemČ podléhá dlouhodobým a krátkodobým zmČnám, které je tĜeba
znát pro správný pĜepoþet magnetického smČrníku na zemČpisný smČrník (astronomický). U
starých map, které mají vyznaþený pouze magnetický sever, je tĜeba stanovit pravdČpodobnou
hodnotu deklinace výpoþtem. Protože deklinace v daném místČ je funkcí þasu a polohy, lze
Ĝíci, že budeme-li znát polohu SMP
v daném þase potom vypoþtená deklinace
jako rozdíl mezi magnetickým a
zemČpisným poledníkem v dané dobČ
bude zatížena pouze místními poruchami
(feromagnetické horniny), které by mČly
být konstantní.
Deklinaci δ vypoþteme Ĝešením
druhé geodetické úlohy na kouli ze
známých zemČpisných souĜadnic daného
místa a SMP. Dlouhodobé pozorování
magnetické deklinace se provádí v LondýnČ od roku 1600, v Praze od roku 1840. Proto jsem
takto vypoþtenou deklinaci porovnal s deklinací namČĜenou za období 1840 až 1960.
Magnetická deklinace Londýn
0
-5
Deklinace [°]
-10
-15
Londýn
Výpoþet L
Rozdíl
-20
-25
1960
1955
1950
1945
1940
1935
1930
1925
1920
1915
1910
1905
1900
1895
1890
1885
1880
1875
1870
1865
1860
1855
1850
1845
-35
1840
-30
Roky
Jak vyplývá z grafu pro Londýn, zmenšuje se namČĜená deklinace (modrá) postupnČ
z hodnoty -15° na - 5° západní deklinace. PodobnČ se zmenšuje i vypoþtená deklinace
þervená). Rozdíl mezi obČmi hodnotami (žlutá) se do roku 1930 pohybuje mezi 14° až 15°.
Teprve potom se zvČtšuje na 17,5°. Je vidČt, že teprve rychlejší pohyb SMP zhoršil
kompatibilitu obou hodnot.
19
Magnetická deklinace v Praze
0
-5
Deklinace [°]
-10
Praha
-15
Výpoþet
rozdíl
-20
1960
1955
1950
1945
1940
1935
1930
1925
1920
1915
1910
1905
1900
1895
1890
1885
1880
1875
1870
1865
1860
1855
1850
1845
-30
1840
-25
Roky
Tentýž výpoþet pro Prahu však dal úplnČ rozdílné výsledky. NamČĜená deklinace se
prakticky mČní lineárnČ, kdežto vypoþtená deklinace se prakticky do roku 1900 nemČní. Proto
se rozdíly mezi vypoþtenou a namČĜenou deklinací mČní z hodnoty -9° v roce 1840 na -17°
v roce 1960. Je zĜejmé že tady o stabilitČ místních deformací nelze hovoĜit.
Z výsledku je zĜejmé, že zatím co pro výpoþet se pĜepokládalo, že magnetický
poledník je prĤseþnice roviny procházející magnetickými póly a stĜedem ZemČ s kouli, tedy
kružnice, tomu tak ve skuteþnosti není. Což také dokazuje prĤbČh izogon na obrázku výše.
Z výše uvedeného lze uþinit následující závČry:
 Orientovat historické mapy orientované pouze podle kompasu je proto velmi
problematické a vyžaduje získat mapy izogon magnetického pole ZemČ dané oblasti z
období vzniku map.
 Jednodušší metodou je najít alespoĖ dva totožné objekty na mapČ a ve skuteþnosti a mapu
zorientovat.
Literatura
G. Agricola: De re metalika libri XII
V. Andrš, P. Kulhánek: Pohyb zemského magnetického pólu
F. ýechura: DĤlní mČĜictví, díl II, sv. 1
T.L.Hansen: The road to the magnetic north pole
K. Neset: DĤlní mČĜictví I
D. P. Stern: Magnetic Reversals and Moving Continents
Z. Zicha: DĤlní mapy a mČĜické pĜístroje
www.nasa.gov: Earth‘s Inconstant Magnetic Field
www.nrcan.gc.ca: Geomagnetism
en.wikipedia.org/wiki/
20