Współczesne problemy podstawowych osnów geodezyjnych w Polsce

Grybów 14 września 2016 r.

Instytut Geodezji i Kartografii dr hab. inż. Elżbieta Welker

Instytut Geofizyki PAN dr Jan Reda

Pole magnetyczne Ziemi jest polem zmiennym w czasie i zmiany te mają charakter

długookresowy (zmiany wiekowe), dobowy (zmiany cykliczne) lub krótkookresowy. Charakter

i amplitudy zmian zależą od położenia geomagnetycznego punktu pomiarowego oraz aktualnej

aktywności geomagnetycznej. Aparatura wykorzystywana obecnie do tzw. pomiarów

absolutnych pola geomagnetycznego (magnetometry protonowe lub magnetometry typu DI-

fluxgate) zapewnia wysoką precyzję pomiarów, nawet na poziomie poniżej 1 nT, ale nie

zapewnia powtarzalności wartości uzyskanych z tych pomiarów. Sprawdzanie, testowanie

sprzętu pomiarowego może się odbywać w obserwatorium magnetycznym dysponującym

zaufaną aparaturą, taką, która pozytywnie przeszła międzynarodowe porównania organizowane

cyklicznie przez IAGA (International Association of Geomagnetism and Aeronomy). W wyniku

odpowiedniej procedury pomiarowej i po opracowaniu wyników pomiarów otrzymuje się

poprawki instrumentalne, które należy uwzględniać przy opracowywaniu wyników pomiarów

terenowych.

Składowe wektorowe X, Y, Z i H (o modułach X, Y, Z, H)

i elementy kątowe D i I wektora F całkowitego natężenia

pola geomagnetycznego

Współczesne problemy podstawowych osnów geodezyjnych w Polsce, Grybów 14 września 2016 r.

Całkowite natężenie pola magnetycznego Ziemi Ht można przedstawić za pomocą wzoru:

Ht = H0 + Hm + Ha + He + H = Hn + Ha

gdzie:

H0 – natężenie pola jednorodnie namagnesowanej kuli ziemskiej,

Hm – natężenie pola szczątkowego lub kontynentalnego związanego ze źródłami we wnętrzu Ziemi,

Ha – natężenie pola anomalnego zależnego od struktur geologicznych litosfery

(wpływ skał namagnesowanych przez normalne pole magnetyczne Ziemi),

He – natężenie pola zewnętrznego

(generowane w jonosferze i magnetosferze),

H – natężenie pola zmian, którego źródła leżą poza kulą ziemską,

Hn – natężenie pola normalnego.

Współczesne problemy podstawowych osnów geodezyjnych w Polsce, Grybów 14 września 2016 r.

ZMIANY WIEKOWE - zmiany o częstotliwości powyżej 100 lat spowodowane:

• obrotem jądra wewnątrz Ziemi (zmiany planetarne),

• wpływem prądów konwekcyjnych tworzących wokół jądra dipole,

• zmianami namagnesowania skorupy ziemskiej przez pole normalne,

• wpływem zewnętrznego pola magnetycznego indukowanego w jonosferze i

magnetosferze.

ZMIANY KRÓTKOOKRESOWE – zmiany trwające na ogół dobę lub kilka godzin:

• zmiany dobowe spowodowane wpływem Słońca i Księżyca,

• zmiany o charakterze pulsacyjnym – chwilowe zmiany namagnesowania w skorupie

ziemskiej,

• zmiany burzowe związane z aktywnością Słońca,

• zaburzenia lokalne, zmiany zatokowe.

Zmiany krótkookresowe nie dadzą się przewidzieć ani opisać formułami matematycznymi –

są to typowe zmiany przypadkowe.

Współczesne problemy podstawowych osnów geodezyjnych w Polsce ,Grybów 14 września 2016 r.

Sieć obserwatoriów magnetycznych w Europie

(INTERMAGNET )

Sieć obserwatoriów magnetycznych Europy

Polskie obserwatoria magnetyczne

BELSK (BEL) HEL(HLP)

Przebieg deklinacji magnetycznej w wybranych obserwatoriach

Europy w latach 1950-2012

INTERMAGNET to organizacja skupiająca

obserwatoria magnetyczne świata (ponad 140) tak

jak IAGA (International Association of

Geomagnetism and Aeronomy), udostępniająca

aktualny i archiwalny przebieg zmian pola

magnetycznego Ziemi. Poprzez Internet pozwala

na bieżąco śledzić zmiany pola

geomagnetycznego w różnych częściach Świata.

Dane bieżące i ostateczne z rejestracji

magnetycznych w Belsku i Helu są przesyłane do

Intermagnetu od 1992 roku (BEL) i 1999 roku

(HLP)

Sieć magnetycznych punktów wiekowych w Europie

(MAGNETE- grupa europejska powstała do współpracy i wypracowywania standardów)

Osnowa Magnetyczna Kraju składa się obecnie z 19 punktów

wiekowych. Obok pokazany przykładowy pomiar absolutny.

Pomiary wykonywane są co 5 lat (według GUGiK) mimo, że zaleca

się wykonywanie pomiarów absolutnych co 2-3 lata.

Wyniki pomiarów redukowane są momentalnie w oparciu o dobowe

magnetogramy obserwatoryjne a następnie redukowane na epokę

w oparciu o średnią roczną obserwatorium (BEL).

Współczesne problemy podstawowych osnów geodezyjnych w Polsce, Grybów 14 września 2016 r.

Sieć stacji permanentnej rejestracji zmian

składowych pola magnetycznego Ziemi XYZ

Obecnie w Polsce pracuje 5 stacji

polowych należących do IGF i

stacja IGiK w Obserwatorium

Borowa Góra. Przebiegi rejestracji

można śledzić na bieżąco poprzez

Internet - aktualizacja.

Przebieg rejestracji w BEL i HEL w dzień spokojny (3.06.2016)

i zakłócony (5.06.2016)

Przebieg rejestracji we

wzorcowej stacji polowej

BIRZAI i BEL

(6.06.2016)

Przebieg rejestracji na

stacji BOROWA GÓRA i

BIRZAI (widoczne duże

zakłócenia na stacji BG

przy niemal idealnym

zapisie stacji litewskiej)

Czerwonym krzyżykiem

zaznaczono stacje polowe

(na tle punktów wiekowych -

polskich, litewskich i białoruskich)

Współczesne problemy podstawowych osnów geodezyjnych w Polsce, Grybów 14 września 2016 r.

Aparatura pomiarowa

pomiary absolutne

Magnetometry PMP produkcji krajowej do pomiaru absolutnego modułu wektora natężenia całkowitego

pola magnetycznego F oraz teodolity niemagnetyczne (Wild, Zeiss) z nasadką flux-gate D/I do

wyznaczenia kierunku północy magnetycznej i pomiaru wartości momentalnej inklinacji I

pomiary względne (rejestracja zmian składowych X,Y,Z pola geomagnetycznego)

Magnetometry typu LEMI-03, GEOMAG-03 produkcji ukraińskiej oraz PSM produkcji krajowej

Współczesne problemy podstawowych osnów geodezyjnych w Polsce, Grybów 14 września 2016 r.

Atestacja sprzętu magnetycznego do pomiarów absolutnych w

obserwatoriach i na punktach terenowych (1)

Atestacja magnetometrów protonowych do absolutnych pomiarów F w

obserwatoriach:

- kontrolą jest sprawdzenie wewnętrznego generatora magnetometru;

- skalibrowanie magnetometru według najnowszej stałej żyromagnetycznej;

- sprawdzenie niemagnetyczności sondy magnetometru protonowego tzn. ustalenie

czy wyniki pomiarów są niezależne od kierunku ustawienia sondy - pomiar pola

całkowitego F w warunkach obserwatorium po umieszczeniu sondy magnetometru na

sprawdzonym słupie bazowym.

IAGA Workshop Belsk, 2006 rok

Współczesne problemy podstawowych osnów geodezyjnych w Polsce Grybów 14 wrzesień 2016r.

Pole magnetyczne cewki o wielu zwojach przez którą płynie

prąd

Współczesne problemy podstawowych osnów geodezyjnych w Polsce, Grybów 14 września 2016 r.

Atestacja sprzętu magnetycznego do pomiarów absolutnych w

obserwatoriach i na punktach terenowych (2)

L = k*/i

- kontrola magnetometru protonowego w cewce kalibracyjnej

-porównanie częstotliwości generatora wzorcowego z generatorem magnetometru

-

- stanowisko do atestacji magnetometru protonowego

- w obserwatorium geofizycznym w Belsku

prąd o natężeniu i płynący

przez cewkę wytwarza

strumień magnetyczny

opisujące podstawowy

parametr cewki –

indukcyjność :

Atestacja sprzętu magnetycznego do pomiarów absolutnych w

obserwatoriach i na punktach terenowych (3)

Atestacja magnetometrów DI-fluxgate w obserwatorium:

- kontrolą magnetometrów DI-fluxgate do pomiarów deklinacji i inklinacji pola

geomagnetycznego jest porównywanie wyników pomiarów z różnych przyrządów w czasie

sesji pomiarowych na konferencjach IAGA Workshop przy jednoczesnej

- równoległej, ciągłej rejestracji zmian pola magnetycznego - w celu wyeliminowania wpływu

zmian pola geomagnetycznego na rezultat pomiarów.

IAGA Workshop Belsk, 2006 rok

Współczesne problemy podstawowych osnów geodezyjnych w Polsce Grybów 14 wrzesień 2016r.

Atestacja sprzętu magnetycznego do pomiarów absolutnych w

obserwatoriach i na punktach terenowych (4)

- Testowanie sprzętu terenowego (odbywa się przy założeniu, że obserwacja pola magnetycznego w

pobliskim obserwatorium jest poprawna):

- sprawdzenie sprzętu magnetycznego do ciągłej rejestracji zmian składowych XYZ pola

geomagnetycznego (różnego typu magnetometry) polega na synchronicznej rejestracji zmian

wykonywanej przez testowany magnetometr i inny magnetometr o znanych parametrach lub

magnetometr w obserwatorium magnetycznym;

- sprawdzenia magnetometru DI-fluxgate dokonuje się na podstawie wyników z kontrolnej

sesji pomiarowej w obserwatorium - poprawka instrumentalną uwzględnianą przy

opracowaniu wyznaczonych w terenie wartości deklinacji i inklinacji magnetycznej.

- poprawkę dla każdego magnetometru protonowego wyznacza się jako różnicę wartości

ciągłych zapisów z magnetometru testowanego i magnetometru bazowego obserwatorium

Pomiary w obserwatorium Belsk

Współczesne problemy podstawowych osnów geodezyjnych w Polsce Grybów 14 wrzesień 2016r

Ze względu na specyfikę pola magnetycznego Ziemi nie ma możliwości

ciągłej, systematycznej kontroli aparatury używanej do pomiarów

magnetycznych zarówno absolutnych jak i względnych. Nawet w stałych

warunkach laboratoryjnych zmiany pola geomagnetycznego nie

pozwalają na otrzymanie powtarzalnych wyników absolutnych pomiarów

magnetycznych.

Różnice otrzymane z opracowania wielokrotnych pomiarów wykonanych

aparaturą magnetyczną mogą być spowodowane zarówno błędami

sprzętowymi jak również lokalnymi zakłóceniami pola magnetycznego. W

analizie wyników pomiarowych może być pomocny zapis ciągłej

rejestracji zmian składowych X,Y,Z pola magnetycznego Ziemi z

magnetometru usytuowanego w rejonie pomiarów absolutnych. Pozwala

to na eliminację lokalnych zakłóceń przy opracowywaniu otrzymanych w

wyniku pomiarów wartości absolutnych.

Dzięki porównaniom na IAGA Workshop oraz bilateralnych

porównaniach między obserwatoriami można zakładać, że wszystkie

obserwatoria na świecie mierzą pole magnetyczne wg jednego

standardu. Obserwatoria magnetyczne można więc traktować, jako

odniesienie dla krajowych czy regionalnych sieci punktów wiekowych.

WNIOSKI

Współczesne problemy podstawowych osnów geodezyjnych w Polsce, Grybów 14 września 2016 r.