PRIMJENJENA SATELITSKA NAVIGACIJA OSNOVE DINAMIKE IONOSFERE ZEMALJSKO MAGNETSKO

PRIMJENJENA SATELITSKA NAVIGACIJA OSNOVE DINAMIKE IONOSFERE - ZEMALJSKO MAGNETSKO POLJE I MAGNETOSFERA

Poprečni presjek unutrašnjosti Zemlje - od 0 do 40 km – kora , - od- 40 do 400 km gornji plašt od 400 do 650 km – prijelazna zona između gornjeg i donjeg plašta od 650 do 2700 km – donji plašt od 2700 – 2890 km – tzv. “D” sloj - Od 2890 do 5150 km – vanjska jezgra od 5150 do 6371 km – unutarnja jezgra

Poprečni presjek unutrašnjosti Zemlje

Struktura neutralne atmosfere i ionosfera Struktura profila atmosfere može se vertikalno prikazati sa reprezentativnim profilom raspodjele temperature, a ionosfera se može prikazati raspodjelom gustoće plazme. Tipičan profil raspodjele atmosfere po temperaturi i raspodjeli ionosfere po gustoći plazme na srednjim širinama prikazan je na dijagramu : 4

Struktura neutralne atmosfere i ionosfera Temperatura atmosfere početno opada s visinom po prosječnoj stopi od 7° K/km u troposferi. Na visini od oko 10 km počinje stratosfera – temperatura počinje rasti zbog apsorpcije ozona , max. dostiže na 5070 km , pa temperatura opet počinje opadati na najmanju minimalnu na visini od cca 90 km (130 -190 K). Na visini od cca 100 km započinje mezosfera i tu započinje najprije lagani porast temperature, a zatim na cca 200 km nagli porast temperature atmosfere zbog apsorpcije energije visokoenergetskih čestica koje se nalaze u tom području (solarni fotoni temperature iznad 1000 K). Do visine od cca 100 km kompozicija atmosfere je relativno uniformna zbog konstantnog miješanja čestica zraka. Iznad visina od 100 km započinje razdvajanje čestica zbog njihovih različitih masa i počinje porast temperature atmosfere –termosfera. Porast temperature je iz razloga što čestice apsorbiraju UV zračenje i EUV – Extreme ultraviolet zračenje od Sunca. 5

Struktura neutralne atmosfere i ionosfera Extremna UV radijacija stvara plazmu na strani okrenutoj prema Suncu – tu solarni fotoni imaju dovoljno energije da ioniziraju neutralnu atmosferu. U procesu ionizacije proizvodi se jednak broj pozitivnih iona i elektrona. Dnevni Peak – vrhunac gustoće plazme nastupa u F sloju, stvara vrijednost višu od 106 cm-3 - otprilike u podne na cca 120 km visine. Noćni Peak – vrhunac nastupa u E sloju na cca 120 km visine. Nastupa otprilike u ponoć, vrijednost nešto veća od 105 cm-3. Tipična energija elektrona u noćno vrijeme iznosi od 310 ke. V – glavni izvor ionizacije. 6

Meridijanski presjek tro-dimenzijske skice Sunčeve ekvatorske struje i pridruženih magnetskih silnica – linija polja (Parkerova spirala) Skica prikazuje slučaj motrenja blizu Sunčevog ekvatora sa spiralnim magnetskim poljem koje se proteže iznad i ispod trajektorije Zemlje. Skica Sunčeve ekvatorske struje sadrži nabore i žljebove. Kad Suce rotira motritelj koji se nalazi blizu ekliptike će povremeno biti iznad i ispod ekvatorske struje i primjećivati će promjenjivi sektorski obrazac. ZEMLJA Skica prikazuje meridijanski presjek u kojem se Zemlja nalazi ispod Sunčeve ekvatorske struje. Rotacija Sunca – 27 dana. 7

Meridijanski presjek tro-dimenzijske skice Sunčeve ekvatorske struje i pridruženih magnetskih silnica – linija polja (Parkerova spirala) • Skica prikazuje slučaj motrenja blizu Sunčevog ekvatora sa spiralnim magnetskim poljem koje se proteže iznad i ispod trajektorije Zemlje. Skica Sunčeve ekvatorske struje sadrži nabore i žljebove. Kad Suce rotira motritelj koji se nalazi blizu ekliptike će povremeno biti iznad i ispod ekvatorske struje i primjećivati će promjenjivi sektorski obrazac. Skica prikazuje meridijanski presjek u kojem se Zemlja nalazi ispod Sunčeve ekvatorske struje. Rotacija Sunca – 27 dana.

Spiralno magnetsko polje – pogled s ekliptičke ravnine Skica prikazuje spiralno magnetsko polje – pogled s ekliptičke ravnine sa solarne površine unutar struje solarnog vjetra. Bl. SW Zemljina orbita Koristi se GSE koordinatni sustav - Geodetic Solar Ecliptic. GSE koordinate : • x-os ide od središta Zemlje prema središtu Sunca , • y-os je u istoj ravnini 90° pomaknuta u desno , • z-os je pozitivna prema sjeveru i paralelna je sa zemaljskom rotacijskom osi i okomita na ekliptičku ravninu. IMF Na skici ima jedan sektor “prema” i jedan sektor “od” u magnetskoj strukturi solarnog vjetra koji zahvaća Zemlju. Skica prikazuje slučaj kada se gleda u negativnom smjeru osi z ispod ekliptičke ravnine. Međuplanetarno magnetsko polje (IMF) se proteže uokolo sa radijalnim tokom solarnog vjetra , ali ostaje zarobljeno od rotirajućeg Sunca. Rezultantna geometrija gibanja je vrlo slična struji vodenog mlaza koji izlazi iz vrtne prskalice. Na razini Zemlje X komponenta (ax) i Y komponenta (ay) međuplanetarnog magnetskog polja (IMF) su u grubo identične kutu vrtnog crijeva za polijevanje mlaza vode, a obično imaju suprotan predznak. Z komponenta (az) – može biti pozitivna ili negativna. Bz (+) pozitivno znači sjeverno usmjereno , Bz (-) južno. Predznak Bz definira orijentaciju IMF-a u odnosu na os z. X Solarni vjetar ax Zemlja az VSW ay Y GSE koordinatni sustav 9

Spiralno magnetsko polje – pogled s ekliptičke ravnine Skica prikazuje spiralno magnetsko polje – pogled s ekliptičke ravnine sa solarne površine unutar struje solarnog vjetra. Koristi se GSE koordinatni sustav -Geodetic Solar Ecliptic- GSE koordinate : koordinate: X, x-os ide od središta Zemlje prema središtu Sunca , Y, y-os je u istoj ravnini 90° pomaknuta u desno , Z, z-os je pozitivna prema sjeveru i paralelna je sa zemaljskom rotacijskom osi i okomita na ekliptičku ravninu. Na skici ima jedan sektor “prema” i jedan sektor “od” u magnetskoj strukturi solarnog vjetra koji zahvaća Zemlju. Skica prikazuje slučaj kada se gleda u negativnom smjeru osi z ispod ekliptičke ravnine. Međuplanetarno magnetsko polje (IMF) se proteže uokolo sa radijalnim tokom solarnog vjetra , ali ostaje zarobljeno od rotirajućeg Sunca. Rezultantna geometrija gibanja je vrlo slična struji vodenog mlaza koji izlazi iz vrtne prskalice. Na razini Zemlje X komponenta (ax) i Y komponenta (ay) međuplanetarnog magnetskog polja (IMF) su u grubo identične kutu vrtnog crijeva za polijevanje mlaza vode, a obično imaju suprotan predznak. Z komponenta (az) – može biti pozitivna ili negativna. Bz (+) pozitivno znači sjeverno usmjereno , Bz (-) južno Predznak Bz definira orijentaciju IMF-a u odnosu na os z.

Zemaljsko magnetsko polje i Magnetosfera Čitavo Zemaljsko magnetsko polje je dipol čija je os nagnuta u odnosu na Zemaljsku rotacijsku os za kut od oko 11°. Na sjevernoj hemisferi os dipola je nagnuta prema sjevernom američkom kontinentu. Jačina magnetskog polja na površini Zemlje varira od 0, 25 x 10 -4 Tesla (0, 25 Gauss) u blizini magnetskog ekvatora do od 0, 6 x 10 -4 Tesla u blizini magnetskih polova. Plazma čestice se gibaju slobodno približno uzduž silnica magnetskog polja. 11

Zemaljsko magnetsko polje i Magnetosfera • 12

Zemaljsko magnetsko polje i Magnetosfera • 13

Zemaljsko magnetsko polje i Magnetosfera Otklon čestica solarnog vjetra uzrokovan Zem. mag. poljem • 14

Zemaljsko magnetsko polje i Magnetosfera Shematski prikaz zatvorene magnetosfere Na slici a) prikazana je zatvorena magnetosfera, i magnetosferskog toka nema međudjelovanja sa zem. mag. poljem. • Na slici b) prikazan je udarni val solarnog vjetra koji reagira sa zemaljskim magnetskim poljem. Iako čestice solarnog vjetra nisu ušle u zemaljsku magnetosferu , solarni vjetar je izazvao poremećaje u zem. magnetosferi (viskozna interakcijska regija). Nastaje deformacija magnetskih silnica zem. mag. polja.

Zemaljsko magnetsko polje i Magnetosfera • a) Shematski dijagram koji pokazuje stapanje silnica na dnevnoj strani Zemlje(N 1) - podne i ponovno povezivanje mag. silnica na noćnoj strani Zemlje(N 2) – ponoćni meridijan b) Vremenski histogram konvekcijskog toka linija polja-silnica kao rezultat spajanja južne komponente međuplanetarnog magnetskog pola (IMF) sa Zemaljskim magnetskim poljem. Konvekcija- usmjereno strujanje čestica. Konvekcija silnica uzduž staze 1, 2 su OTVORENE silnice polja , dok su staze 3, 4, 5, 6 ZATVORENE silnice polja koje se spajaju i zatvaraju na južnoj hemisferi. Kod konvekcije toplina prelazi s tijela više temperature na tijelo niže temperature.

Zemaljsko magnetsko polje i Magnetosfera • viskozna a) Shematski dijagram koji pokazuje kako interakcija provodi magnetosfersku konvekciju uzdužno , analogno gibanju tekućina (vrtloženje) b) Vremenski histogram konvekcijskog toka nastalog viskoznom interakcijom. U ovom prikazu svi tokovi su zatvoreni ( 1, 2, 3, 4, 5, 6) i spajaju se na južnu hemisferu.

Topologija magnetskog polja – IMF – Interplanetary Magnetic Field • Na skici je prikazana topologija “povezanog” i “ponovno spojenog” magnetskog polja za južnu Bz komponentu. Pogled je u “podne – ponoć” ravnini. Ey – je međuplanetarno električno polje Ei – je mapirano električno polje u ionosferi nastalo ispod silnica magnetskog polja IMF – međuplanetarno magnetsko polje Bz – Z komponenta magnetskog polja B Wsw – brzina gibanja čestica u km/s Za tipični slučaj : Vsw = 500 km/s , Integrirajući ovo električno polje uzduž fronte magnetosfere koja se ugrubo proteže na L = 20 Re u polju se stvara razlika potencijala od oko 300 000 volti. Na taj način Zemlja je uronjena u magnetohidrodinamički električni generator potencijala nekoliko stotina kilo. Volta.

Zemaljsko magnetsko polje i Magnetosfera • Trajektorije kretanja iona i elektrona za različite vrijednosti (k) za čestice koje započinju gibanje iz stanja mirovanja • k- omjer žiro-frekvencije i sudarne frekvencije (qj. B/Mjvjn) koji ima isti predznak kao i naboj čestice. ( M–masa, q-naboj, B-magnetsko polje, vjn – brzina gibanja čestice) B – magnetsko polje, E – električno polje a) slučaj kolizije-sudara , b) slučaj bez sudara c) središnji slučaj Apsolutna vrijednost od k određuje da li će čestica rotirati oko linije polja ili neće rotirati nego će se samo kretati po liniji polja. Za malu vrijednost k čestica se kreće paralelno smjeru djelujuće sile magnetskog polja. Za k=1 neto kretanje je pod 45° u odnosu na električno polje.

Bibliografija 20