Fagstoff

Måleinstrumenter

Publisert: 04.10.2010
  • Innbygg
  • Enkel visning
  • Lytt til tekst
  • Skriv ut

I figuren under har vi vist en skisse av utstyr som har vært benyttet i mer enn 100 år til å måle jordas magnetfelt. I dag brukes digitale magnetometre.

Prinsippet for måling av jordas magnetfelt.Prinsippet for måling av jordas magnetfelt.

Kjernen i instrumentet er en permanent magnet som er montert slik at den kan rotere eller svinge fritt når jordfeltet forandrer seg. På torsjonstråden er montert et lite speil. Speilet reflekterer en lysstråle, kalt kilde, og fokuserer denne på et rullende fotografisk papir. I tillegg er det et fast speil som angir basislinjen. Forandringer i magnetfeltet som fører til at magneten og speilet vrir seg, registreres fotografisk gjennom lysflekkens vandring på papiret. Det er avviket fra den rette linjen en er interessert i. Avviket sammenlignes med nordlysregistreringene for å undersøke sammenhengen mellom disse to fenomenene.

I løpet av de siste 30 år er nye instrumenter for magnetfeltregistreringer utviklet. De er basert på andre prinsipp enn vridningen av en permanent magnet. De meste kjente er fluksgate- og protonmagnetometre.

Fullstendig bestemmelse av jordas magnetfelt foregår ved observatorier rundt om i verden. I Norge er det 13 stasjoner som overvåker feltet kontinuerlig. Ved Nordlysobservatoriet i Tromsø (nå kalt Tromsø Geophysical Observatory) har en målt magnetfeltet i mer enn 80 år. De er i dag ansvarlige for alle stasjonene i Norge. Ved samtlige stasjoner brukes fluksgatemagnetometre. Observasjonene er ledd i et verdensomspennende samarbeidsprosjekt og brukes blant annet til studier av magnetiske forstyrrelser i polarstrøk og verdensomspennende magnetiske stormer.

Mikropulsasjonsinstrumenter brukes til å kartlegge magnetiske feltvariasjoner som er hurtigere enn noen få sekunder. Kjernen i dette instrumentet er store elektriske spoler med diameter opptil 1 meter og med 10-20.000 kobbertrådviklinger, ofte rundt kjerner av magnetisk materiale. Disse graves ned i jorda slik at de ligger støtt. Raske variasjoner i jordas magnetfelt fører til elektriske strømmer i spolene. Disse kan forsterkes og registreres. Slike induksjonsinstrumenter, "search coils", brukes også i raketter og i satellitter.

Aktuelle magnetfeltdata fra Norge finnes på: http://geo.phys.uit.no/geomag.html

Tolkning av magnetometerdataene - Biot-Savarts lov

Rundt en rett, lang strømførende elektrisk leder vil magnetfeltlinjene være konsentriske sirkler. Magnetfeltet som strømmen setter opp rundt en uendelig lang leder er gitt ved:

$$B = \frac{\mu_0}{2 \pi} \cdot \frac{I}{r}$$

 

hvor B = den magnetiske flukstettheten i tesla, μ0 = permeabiliteten i atmosfæren (som er lik permeabiliteten i vakuum = 4 · 10 · 107 T m/A), I = strømstyrken i ampere og r er avstanden fra strømlederen. Hvilken vei magnetfeltet peker finner vi ut fra “høyrehåndsregelen”: Dersom vi griper med høyre hånd omkring strømlinjen med tommelen i strømmens retning, vil magnetfeltet dreie seg rundt ledningen i samme retning som de øvrige fire fingrene peker.

Figuren under viser feltet rundt en slik leder. Retningen og størrelsen av strømmen I kan beregnes fra komponentene ΔBX, ΔBY og ΔBZ som vi måler på bakken med magnetometerne (Δ leses delta). Δ-verdiene regnes som avvikende fra magnetfeltet før forstyrrelsen begynte. Når strømmen ( I ) i ionosfæren flyter rett øst/vest, er ΔBY = 0. Positiv retning for X-komponenten er mot nord og for Z loddrett nedover på den nordlige halvkule.

Magnetfelt rundt linjestrømMagnetfelt rundt linjestrøm

Magnetfeltet rundt en rett, lang linjestrøm som flyter fra øst til vest i ionosfæren.

Vi antar en uendelig lang linjestrøm som flyter fra øst til vest i ionosfæren som skissert i figuren. Strømmen flyter i en høyde h over bakken. Observasjonspunktet ligger i en horisontal avstand s fra fotpunktet til strømmen. Da kan s (positiv nordover) uttrykkes

$$s = \frac{\Delta B_Z \cdot h}{\Delta B_X}$$

 

I figuren er både ΔZ og ΔX negative. Vi får en positiv verdi for s, noe som stemmer med figuren. Hvis strømmen I (den kalles på fagspråket for elektrojeten) hadde vært rettet østover, noe som oftest forekommer tidlig på kvelden eller også på morgensiden, ville begge komponentene hatt motsatt fortegn. Men s ville fortsatt vært positiv. Utslag i ΔBY vil vise om strømmen flyter rett øst-vest eller på skrå. Om Y-komponenten = 0 flyter strømmen rett øst-vest. Dette er en enkel modell. Den gir oss styrken for elektrojeten og tilnærmet posisjon for elektrojeten i forhold til bakkestasjonen. For mer kompliserte elektrojeter er modellen med bare en strømleder, for enkel.

Elektrojeten flyter i de høydeområdene hvor den elektriske ledningsevnen er stor, dvs. der partikkelnedbør fra rommet, solvinden, ioniserer atmosfæregassene mest og gir mange frie elektroner. Normalt er høyden for elektrojeten 120±10 km.

Når ΔBX er negativ og ΔBZ nær null, har vi mest partikkelnedbør rett over stasjonen. I mørketiden vil forekomsten av nordlys bekrefte dette. Om sommeren kan det kontrolleres ved hjelp av ionosonden og/eller riometeret. Disse instrumentene vil vise om mengden av frie ladninger i ionosfæren er mye over normalen.