Jordens skiftende, uregelmæssige magnetfelt forårsager hovedpine for polar navigation

Jordens flydende smeltede ydre kerne, der hovedsageligt består af jern og nikkel, udøver et elektromagnetisk felt, der strækker sig fra nord- og sydpolen, og som beskytter planeten mod skadelig stråling fra solpartikler.

Udsving i styrken af ​​Jordens magnetfelt – forårsaget af daglige ændringer i solvindstrukturen og intermitterende solstorme – kan påvirke brugen af ​​geomagnetiske feltmodeller, som er afgørende for navigation i satellitter, fly, skibe og biler.

Magnetiske feltmodeller er forskellige baseret på placeringen af ​​dataindsamling - enten på eller nær jordens overflade eller satellitter, der kredser lavt om jorden. Tidligere forskning har tilskrevet modelforskelle til rumvejraktivitetsniveauer, men en nylig analyse af seks års jord- og satellitmagnetiske feltmodeller fandt, at modeluoverensstemmelser også er drevet af modelleringsfejl snarere end geofysiske fænomener alene. Resultaterne er offentliggjort i Journal of Geophysical Research:Space Physics .

Forskerholdet fra University of Michigan vurderede forskelle mellem observationer fra Swarm-missionens satellitter med lavt kredsløb om jorden og en jordmagnetisk feltmodel, den trettende generation af International Geomagnetic Reference Field eller IGRF-13. De fokuserede på forskelle under lave til moderate geomagnetiske forhold, som omfatter 98,1 % af tiden mellem årene 2014 og 2020.

Satellitobservationer indsamlet på forskellige steder over Jorden er følsomme over for magnetiske feltsvingninger, hvorimod Jordens magnetfeltmodeller bruger observationer til at estimere Jordens indre magnetfelt uden at tage højde for påvirkningen af ​​solstorme. Interne magnetfeltmodeller som IGRF-13 bruges til at spore ændringer i Jordens magnetiske poler, såsom nordpolens skift på omkring 45 km nord-nordvest hvert år.

At forstå disse store forskelle er vigtigt for satellitdrift, når man bruger IGRF-13 som reference og for forskning i fysikken i Jordens magnetosfære, ionosfære og termosfære.

Modelusikkerheden var højest i de nordlige og sydlige polare områder, og en statistisk analyse afslørede, at asymmetrien mellem de nordlige og sydlige polarområder var en væsentlig faktor, der drev modelforskelle.

"Vi antager ofte et næsten symmetrisk magnetfelt mellem de nordlige og sydlige polarområder, men de er faktisk meget forskellige," sagde Yining Shi, en assisterende forsker ved University of Michigan Climate and Space Science and Engineering og tilsvarende forfatter til undersøgelsen .

De to geografiske poler kortlægges til forskellige geomagnetiske koordinater. Nordpolen kort til omkring 84° Magnetic Latitude (MLAT) og 169° Magnetic Longitude (MLON) og sydpolen kort til omkring −74° MLAT og 19° MLON.

Swarm-satellitternes polære kredsløbsspor skaber en sampling bias med en høj koncentration af målinger omkring de geografiske poler, hvilket forværrer modelforskellene.

"Forståelsen af, at det, der er blevet tilskrevet geofysiske forstyrrelser, virkelig skyldes asymmetrien i Jordens magnetfelt, vil hjælpe os med bedre at skabe geomagnetiske feltmodeller samt hjælpe med satellit- og luftfartsnavigation," siger Mark Moldwin, en professor i Arthur F Thurnau. Climate and Space Sciences and Engineering ved U-M og en forfatter på undersøgelsen.

Et andet problem, der vækker bekymring hos navigationssamfundet, er, at det polære magnetfelt har ændret sig hurtigt i løbet af det sidste årti eller deromkring.

"Dette tilføjer yderligere kompleksitet til at skabe nøjagtige magnetfeltmodeller," sagde Moldwin.