77 Lokalne spremembe zemeljskega magnetnega polja zaradi prehoda vremenske fronte Rudi Č op 1 , Damir Deželjin Povzetek Geomagnetni observatorij Sinji vrh je postavljen na Gori nad Ajdovšč ino, na visokogorski kraški planoti. Zaradi svoje lege deluje v izjemnih geoloških in meteoroloških pogojih. Že prve meritve na njem so pokazale, da na spremembo lokalnega geomagnetnega polja vplivajo tudi vremenske fronte. Prve take namenske meritve za določ itev velikosti tega vpliva so bile narejene konec poletja 2011. V snežni nevihti 15. januarja 2013 so bile opravljene prve take meritve v zimskem č asu. V č lanku je predstavljen vpliv te snežne nevihte na lokalno zemeljsko magnetno polje. Ključ ne besede: geomagnetno polje, snežna nevihta Key words: geomagnetic field, snow storm Geomagnetni observatorij Sinji vrh Gora nad Ajdovšč ino je visokogorska kraška planota. Na njenem robu, obrnjenem proti jugozahodu, je postavljen Geomagnetni observatorij Sinji vrh [Paliska et al, 2010; Č op, 2011 a]. Nad Ajdovšč ino, ki leži ob vznožju Gore na nadmorski višini 106 m, se v zrač ni razdalji 2,8 km v smeri proti severovzhodu dvigne rob Gore na nadmorsko višino 867 m, kjer je postavljen merilni steber observatorija (45.8990939N, 13.9400468E). Observatorij je zaradi svoje lege in pogojev naravovarstvenikov posebne gradnje in tudi deluje v izjemnih geoloških in meteoroloških pogojih [Č op & Deželjin, 2012]. Že prve meritve na njem so pokazale, da na spremembo lokalnega geomagnetnega polja vplivajo tudi atmosferske razelektritve, prehodi vremenskih front in kraško podzemlje. Prve namenske meritve vpliva prehoda vremenske fronte na lokalno geomagnetno polje so bile opravljene 4. septembra 2011. Po daljšem sušnem obdobju je na ta dan v popoldanskih urah tega dne prešla Goro vremenska fronta, ki je povzroč ila poletno nevihto. Nekaj ur prej je v skupini sonč nih peg na Sonca nastal moč nejši izbruh. S svojo radiacijo ionizirajoč ih žarkov je v naslednjih urah vplival na magnetno polje Zemlje. Samo iz meritev na observatoriju je bilo zato nemogoč e določ iti vpliv prehoda vremenske fronte na lokalno geomagnetno polje. Magnetno polje Zemlje Magnetno polje Zemlje je funkcija prostora in č asa. Sestavlja ga več magnetnih polj iz različ nih izvorov [Maus et al, 2010]. Ta se med seboj vektorsko seštevajo (superponirajo) in preko električ ne indukcije med seboj delujejo. Najpomembnejši izvori zemeljskega magnetnega polja so: Glavno magnetno polje Zemlje za katerega se predpostavlja, da se ustvarja v njenem zunanjem tekoč em jedru. Glavno magnetno polje predstavlja več kot 95% vsega 1 Visokošolsko središč e Sežana, Laboratorij za geomagnetizem in aeronomijo, Kraška ulica 2, 6210 Sežana 78 magnetnega polja našega planeta. Procesi, ki potekajo v notranjosti Zemlje, imajo veliko vztrajnost in so zato njihove spremembe zelo poč asne (sekularne spremembe). Na osnovi več letnega opazovanja so predvidljive za nekaj let v naprej. Magnetno polje zemeljske skorje je manjše magnitude in izhaja iz lokalno namagnetenih kamenin. Zunanja skorja [Herlec & Jeršek, 2009], za katero so znač ilni tektonski premiki, je na kontinentih iz različ nih magmatskih, sedimentnih in metamorfnih kamenin povpreč ne debeline od 35 do 40 km in na dnu oceanov predvsem iz bazalta debeline od 3 do 15 km. Njeno namagnetenost povzroč a ali glavno magnetno polje ali magnetna remanenca ali pa istoč asna kombinacija obeh vzrokov. Magnetno polje zemeljske skorje se s č asom zelo malo spreminja, krajevno pa se menja na razdaljo od enega metra do nekaj tisoč kilometrov. Motilno ali zunanje magnetno polje povzroč ajo predvsem električ ni toki v zgornjih plasteh atmosfere in magnetosfere. Je stalno prisotno in se stalno krajevno in č asovno spreminja ter dodatno inducira električ ne toke v zemeljski skorji. Slika 1 - Magnetogram dnevne spremembe absolutne vrednosti vektorja zemeljskega magnetnega polja F (t) na Sinjem vrhu v geomagnetno mirnem dnevu 5. 1.2013 Spremembe zemeljskega magnetnega polja zaradi motilnega polja so lahko periodič ne ali obč asne. Tako ene kot druge so modulirane z vrtenjem Zemlje, njenim potovanjem okoli Sonca, vrtenjem Sonca in s sonč nimi cikli. Trajajo lahko do 10 minut kot pulzi ali pa so daljšega trajanja kot variacije [Maus et al, 2010; Jankowsky & Sucksdorff, 1996]. Dnevne (diuralne) spremembe zemeljskega magnetnega polja so periodič ne narave (slika 1). Nastajajo zaradi ionizacije ionosfere, ki jo povzroč a ionizirajoč e sevanje Sonca. Dnevno segrevanje in ohlajanje ter vrtenje Zemlje povzroč a raztezanje in krč enje njene atmosfere. Aktivnost Sonca povzroč a tudi spremembo jakosti in smeri vetrov v ionosferi. Vse to povzroč a gibanje ioniziranih delcev v zemeljskem magnetnem polju. Na višini okoli 100 km teč ejo negativni elektroni v eno smer, pozitivni ioni pa v drugo smer. Električ ni tok na teh višinah povzroč ajo elektroni, ki so manjši od ionov in imajo zato manjšo možnost trka z zrač nimi molekulami. Na srednjih zemljepisnih širinah v magnetno mirnih dneh dosega stalno motilno magnetno polje Sq (solar quiet-day variations), zaradi električ nih tokov v ionosferi, od 10 do 30 nT. V višjih plasteh ionosfere, kjer je gostota zraka manjša in zato tudi možnost trka za ione manjša, se obe gibanji naelektrenih delcev 79 izenač uje in zato tam električ ni tok ne obstaja. Da električ ni tok ne teč e tudi v nižjih plasteh atmosfere pa je razlog v preveliki gostoti zraka. Glede na letni č as se spreminja prevodnost ionosfere, smeri vetrov v njej ter obseg njenega širjenja in krč enja, kar povzroč a sezonsko spremembo Sq. Na ionosfero vpliva tudi Luna, ki ne povzroč a le valovanje v zgornjih plasteh atmosfere in v oceanih, temveč tudi spremembe v prevodnih plasteh Zemlje. Električ ni toki v ionosferi, ki nastajajo zaradi gravitacije Lune (lunar quiet- day inosferic current), povzroč ajo motilno magnetno polje, ki ne presega 10% vrednosti stalnega motilnega magnetnega polje Sq [Chapman, 1940]. Manjše prehodne spremembe v zgornjih plasteh atmosfere in s tem tudi motilno magnetno polje nastaja zaradi sonč nih mrkov, ki povzroč ajo kratkotrajno ohlajanje atmosfere, in zaradi izbruhov na Soncu, ki poveč ujejo ionizirajoč e sevanja elektromagnetnih valov iz nam najbližje zvezde [Cambell, 1989]. Obč asne spremembe v ionosferi povzroč ajo tudi prehodna valovanja zaradi izbruhov vulkanov, eksplozij atomskih bomb v atmosferi ali nenadna ogrevanja zaradi električ nih tokov v ionosferi, ki sicer povzroč ajo tudi polarne sije. Slika 2 - Sprememba temperature (T2m), hitrosti vetra (WSp) in njegove smeri (Wdr) izmerjene na AMP Otlica v snežni nevihti 15.1.2013 Obč asne spremembe zemeljskega magnetnega polja več jih amplitud nastajajo zaradi magnetnih neviht (magnetic storms), ki jih povzroč a sonč ni veter velikih hitrosti [Jankowsky & Sucksdorff, 1996; Handbook of Geophysics, 1985]. Magnetne nevihte spremlja polarni sij, ki se ob moč nejših magnetnih nevihtah vidi tudi na nižjih geografskih širinah. Snežna nevihta na Gori Meteorološke meritve se za območ je Gore opravljajo na avtomatski meteorološki postaji AMP Otlica (45.9380556N, 13.9161111E). Je ekološka vremenoslovna postaja, ki omogoč a spremljanje okoljskih sprememb na Gori. Postavljena je na južnem poboč ju hriba Sibirija nad vasjo Otlica na nadmorski višini 965 m. Od observatorija je oddaljena 4,8 km v smeri severozahod. 80 Več meseč no obdobje izjemnih snežnih padavin, ki so zaznamovale zimo 2012/2013, se je zač elo z nevihto na Gori v torek 15. januarja 2013. V noč i iz 14. na 15. januar 2013 je sprememba smeri vetra iz severovzhodne v južno smer napovedala prihod vremenske fronte (slika 2). Okoli 03,00 ure se je s spremembo smeri vetra istoč asno otoplilo in uro kasneje že zač elo snežiti. Prvi val snežnega meteža je pojenjal po štirih urah, ko je postalo tudi malo svetleje (slika 3). Po vmesni umiritvi je Goro ob 10,20 uri dosegel drugi val, ko so se istoč asno zač ele tudi atmosferske razelektritve z eno samo registrirano strelo med oblakom in zemljo [Poroč ilo, 2013]. Drugi val snežne nevihte je Goro prešel ob 13,30 uri. Takrat je hitrost vetra padla iz predhodne povpreč ne 2,77 ms -1 na 1,29 ms -1 v preostalem delu dneva (slika 2). Slika 3 - Lokalna sprememba zemeljskega magnetnega polja na Sinjem vrhu 15. januarja 2013 ter sprememba vlage (H) in sevalnosti Sonca (GRd) istega dne izmerjene na AMP Otlica Lokalne spremembe zemeljskega magnetnega polja V torek 15. januar 2013 je bil na našem planetu geomagnetno miren dan. To dokazuje diagram ocenjenega planetarnega geomagnetnega indeksa Kp za ta dan [Estimated Planetary K Index, 2013], ki je svojo največ jo vrednost Kp = 2 dosegel v triurnem obdobju od 06:00 do 09:00 UTC (slika 4). Ostali del tega dneva je bil Kp = 1 ali celo manjši. Tudi 5.1.2013 je bil geomagnetno miren dan (slika 1), ko je v polovico vseh njegovih triurnih obdobij dosegel planetarni geomagnetni indeks vrednost Kp = 1, v ostalih pa Kp = 0. Tabela 2 - Primerjava statistič nih vrednosti in korelacija merilnih podatkov iz Sinjega vrha (SNV) in Grocke (GCK, Srbija) za 15. januar 2013 Geomagnetni Srednja Standardna Koeficient Korelacijski observatorij vrednost mm m m deviacija ss s s variacije CV Koeficient r [nT] [nT] [%] Sinji vrh (SNV) 47651,12 2,62 0,0055 1,00000 Grocka (GCK 47712,76 2,19 0,0046 0,803 81 Na magnetogramu spremembe absolutne vrednosti zemeljskega magnetnega polja 15. januarja 2013 (slika 5) iz Sinjega vrha je opazna znač ilna sprememba zemeljskega magnetnega polja, ki se zač ne po 3,00 uri s periodo ~ 6 ur. Tej spremembi takoj sledi naslednja z isto periodo vendar s približno dvakrat več jo amplitudo. Glede na vrednosti planetarnega geomagnetnega indeksa tega dne, so te spremembe geomagnetnega polja na Sinjem vrhu lokalnega znač aja. Slika 4 - Ocenjeni planetarni geomagnetni indeks Kp centra SWPC, Boulder (ZDA), za tridnevno obdobje od 14. do 16. januarja 2013 [Estimated Planetary K Index, 2013] Slika 5 - Spremembe absolutne vrednosti vektorja zemeljskega magnetnega polja F (t) na Sinjim vrh in v Grocki (Srbija) 15. januarja 2013 82 Primerjava vzporednih meritev spremembe zemeljskega magnetnega polja na geomagnetnem observatoriju Grocka 15. januarja 2013 (slika 5) kaže na precejšnjo podobnost magnetogramov. Lokalna geomagnetna motnja je torej bila prisotna na širšem geografskem področ ju, ki je zajemal tudi velik del Balkana. Na Sinjem vrhu se je zač ela z dvigom relativne vlažnosti na 100 % pri zunanji temperaturi zraka -3 °C in se je spreminjala s stopnjo radiacije Sonca (slika 3). Koeficient korelacije vzporednih meritev 15. januarja 2013 (slika 5) je r = 0,803, ki je le malo pod srednjo vrednostjo tega koeficienta r = 0.854 za oba geomagnetna observatorija [Č op et al, 2011 b]. To dokazuje, da je bil vpliv prehoda vremenske fronte na zemeljsko magnetno polje na obeh lokacijah le v podrobnostih različ en. Zaključ ki Šele sistematič no spremljanje prehodov vremenskih front v obdobju nekaj let in v različ nih letnih č asih bi omogoč ilo popolno razumevanje njihovega vpliva na lokalno geomagnetno polje. Primerjava vzporednih meritev na sosednih geomagnetnih observatorijih pa bi podala geografsko obsežnost vpliva posamezne vremenske fronte. Iz meritev pa bi se morali izloč iti vsi ostali vplivi, predvsem vplivi iz vesolja. Za določ itev vpliva prehoda nevihtnih front na biosfero bi bilo potrebno prouč iti razmere tudi dva dni pred in dva dni po njihovem prehodu. Vzporedne meritve parametrov zdravstvenega stanja ljudi bi pokazale vpliv tako prehoda nevihtnih front kot tudi spremembe zemeljskega magnetnega polja [Deželjin & Č op, 2013]. S prouč evanjem elektromagnetnih impulzov zelo nizkih frekvenc pa bi se lahko še dodatno določ il vpliv Schumannovih resonanč nih frekvenc na naše zdravje in poč utje [Cherry, 2001]. Zahvala Avtorja se zahvaljujeta vsem ustanovam, ki so jima posredovale podatke uporabljene v tem č lanku: • Agencija Republike Slovenije za okolje ARSO, Urad za meteorologijo, za merilne podatke avtomatske vremenoslovne postaje AMP Otlica; • Elektoinstitut Milan Vidamar EiMV, Ljubljana, za poroč ilo o udaru strele; • GMO Grocka, Srbija, za merilne podatke o spremembi geomagnetnega polja. Literatura Cambell, H. W. (1989). ˝The Regular Geomagnetic-Field Variations During Quiet Solar Conditions˝ in J. A. Jacobs, Geomagnetism - Volume3. Academic, San Diego. Chapman, S. Bartels, J. (1940). Geomagnetism. Oxford University, London. Cherry, N. (2001). Schumann Resonances, a plausible biophysical mechanism for the human health effects of Solar/Geomagnetic Activity. Lincoln University, Canterbury (New Zealand). Č op, R. (2011 a). Gradnje geomagnetnega observatorija pod Sinjim vrhom nad Ajdovšč ino. Zbornik predavanj ˝Raziskave s področ ja geodezije in geofizike 2010˝. Slovensko združenje za geodezijo in geofiziko, Ljubljana, p.59-64. Č op, R. Deželjin, D. (2012). Transmission of Measuring Data from the Sinji vrh Geomagnetic Observatory. Proceeding of the XVth IAGA Workshop on ˝Geomagnetic Observatory Instruments, Data Acquisition, and Processing˝, San Fernando; Catiz (Spain), p.160-164. 83 Č op, R. et al. (2011 b). Preliminary Measurements of Geomagnetic-field Variations in Slovenia, Elektrotehniški vestnik, , vol.78, no.3, p.96-101. Deželjin, D. Č op, R. (2013). IT System for Alarming of Possible Health Risks Caused by Geomagnetic Storms. Global Telemedicine and eHealth Updates: Knowledge Resorces, vol. 6, p.512-515. Estmated Planetary K index (3 hour data); Begin: 2013 Jan 14 0000 UTC. Boulder (CO, US): NOAA; Space Weather Prediction Center; SWPC Anonymous FTP Server; Historical SWP Products from 1996. http://www.swpc.noaa.gov/ftpdir/warehouse/2013/2013_plots/kp/ 20130116_kp.gif (16-09-2013). Handbook of geophysics and the space environment. (1985). Scientific editor Adolph S. Jursa. Air Force Geophysics Laboratory, Springfield (US). Herlec, U. Jeršek, M. (2009). ˝Nastanek in znač ilnosti planeta Zemlje˝ v Evolucija Zemlje in geološke znač ilnosti Slovenije. Urednik Miha Jeršek. Prirodoslovni muzej Slovenije, Ljubljana , p.9-63. Jankowsky, J. Sucksdorff, C. (1996). Guide for Magnetic Measurements and Observatory Pratctice. International Association of Geomagnetism and Aeronomy, Boulder (US). Maus, S, et al. (2010). US/UK World Magnetic Model for 2010-2015. NOAA National Geophysical, Boulder (US); British Geological Survey, Edinburgh (UK). Paliska, D. Č op, R. Fabjan, D. (2010). The Use of GIS-based Spatial Multi criteria Evaluation in the Selection Process for the New Slovenian Geomagnetic Observatory Site. Annales Series Hisoria Nataturalis, vol. 20, no. 1, p.1-8. Poroč ilo o atmosferskih razelektritvah št. 30/1/1/2013. (2013). Rezultati poizvedbe v sistemu SCALAR za lokacijo Kovk 41(Y: 5418129 m; X: 5084715 m), Obč ina Ajdovšč ina, od 14.01.2013 00:00:00 do 16.01.2013 23:59:59. Elektro-inštitut Milan Vidmar (EiMV), Ljubljana.