Das geomagnetische Feld und die säkulare Variation

Das Hauptmagnetfeld der Erde ist in erster Näherung das eines geneigten geozentrischen Dipols, weicht jedoch im Detail davon ab und driftet von Jahr zu Jahr messbar in einer langsamen Änderung, die als säkulare Variation bezeichnet wird.

Definition

Das geomagnetische Feld ist das an und über der Erdoberfläche beobachtete Magnetfeld, das von einem internen geozentrischen Dipol dominiert und mathematisch durch eine sphärisch-harmonische Entwicklung beschrieben wird, deren langsame zeitliche Änderungen internen Ursprungs die säkulare Variation darstellen.

Scope

Dieses Thema behandelt die Beschreibung und zeitliche Entwicklung des Erdmagnetfeldes: seine Darstellung durch ein sphärisch-harmonisches Potential, das von einem geozentrischen Dipol dominiert wird, die Feldelemente (Deklination, Inklination, Intensität) und Referenzmodelle wie das International Geomagnetic Reference Field. Es behandelt die säkulare Variation, einschließlich der Westdrift und geomagnetischer Jerks, sowie die Trennung interner von externen Feldquellen. Der Schwerpunkt liegt auf dem gegenwärtigen Feld und seinen dekadischen Änderungen und nicht auf seiner Aufzeichnung in tiefer geologischer Zeit.

Core questions

• Wie wird das Hauptfeld durch einen geozentrischen Dipol und sphärische Harmonische beschrieben?
• Was sind die Feldelemente und wie werden sie in Referenzmodellen abgebildet?
• Was ist die säkulare Variation und wie schnell ändert sich das Feld?
• Wie werden interne und externe Beiträge zum Feld getrennt?

Key concepts

• Geozentrischer axialer Dipol und Nicht-Dipolfeld
• Feldelemente: Deklination, Inklination, Intensität
• Sphärisch-harmonische (Gauss-)Darstellung
• Säkulare Variation, Westdrift und geomagnetische Jerks
• International Geomagnetic Reference Field

Key theories

Sphärisch-harmonische Darstellung des Feldes

Gauss zeigte, dass ein quellenfreies Magnetfeld als Gradient eines Potentials geschrieben werden kann, das in sphärischen Harmonischen entwickelt wurde, wodurch das Hauptfeld in einen dominanten Dipol, Nicht-Dipol-Terme und Beiträge internen versus externen Ursprungs getrennt werden kann.

Säkulare Variation durch Kernströmung

Die langsame Drift des Feldes, einschließlich seiner Westbewegung und abrupten Jerks, spiegelt die sich ändernde Flüssigkeitsströmung an der Oberseite des flüssigen Kerns wider und bietet ein Oberflächenfenster zu den Kerndynamiken auf dekadischen Zeitskalen.

Mechanisms

Das Hauptfeld entsteht durch elektrische Ströme im flüssigen Erdkern; an und über der Oberfläche ist es stromfrei und daher von einem skalaren Potential ableitbar, dessen sphärisch-harmonische Koeffizienten sich langsam ändern, während sich die zugrunde liegende Kernströmung entwickelt, wodurch die gemessene säkulare Variation entsteht, während krustale und externe (ionosphärische und magnetosphärische) Quellen Beiträge mit kürzeren Wellenlängen und schnelleren Änderungen hinzufügen.

Clinical relevance

Genaue Modelle des Feldes und seiner säkularen Variation sind unerlässlich für die magnetische Kompassnavigation, Richtbohrungen, Satelliten- und Raumfahrzeugoperationen und als kontinuierlich aktualisierte Referenz für magnetische Vermessungen.

History

Halley kartierte um 1700 die Deklination über dem Atlantik, Gauss führte in den 1830er Jahren die sphärisch-harmonische Analyse ein und trennte erstmals interne von externen Quellen, und das moderne International Geomagnetic Reference Field, das heute durch Satellitenmissionen unterstützt wird, liefert regelmäßig aktualisierte globale Modelle des Feldes und seiner Variation.

Key figures

• Carl Friedrich Gauss
• Edmond Halley
• George Backus

Seminal works

• backus1996
• merrill1996
• alken2021

Frequently asked questions

Warum zeigt ein Kompass nicht nach geografisch Nord?

Ein Kompass richtet sich nach dem lokalen horizontalen Magnetfeld aus, dessen Richtung (Deklination) vom geografischen Norden abweicht, da das geomagnetische Feld kein perfekter axialer Dipol ist und von Ort zu Ort variiert; Referenzfeldmodelle geben die Deklination an, die zur Korrektur eines Kompasses erforderlich ist.

Was ist säkulare Variation?

Die säkulare Variation ist die langsame, jährliche Änderung des Erdmagnetfeldes, wie die Drift magnetischer Merkmale und die allmähliche Abschwächung des Dipols, angetrieben durch die sich entwickelnde Flüssigkeitsbewegung im flüssigen äußeren Erdkern.