Schommelingen in de sterkte van het magnetische veld van de aarde – veroorzaakt door dagelijkse veranderingen in de zonnewindstructuur en intermitterende zonnestormen – kunnen van invloed zijn op het gebruik van geomagnetische veldmodellen die essentieel zijn voor navigatie in satellieten, vliegtuigen, schepen en auto's.

Magnetische veldmodellen verschillen op basis van de locatie van gegevensverzameling:op of nabij het aardoppervlak of satellieten in een lage baan om de aarde. Eerder onderzoek heeft modelverschillen toegeschreven aan de activiteitsniveaus van het ruimteweer, maar uit een recente analyse van zes jaar aan magnetische veldmodellen van de aarde en satellieten is gebleken dat modelverschillen ook worden veroorzaakt door modelleringsfouten en niet alleen door geofysische verschijnselen. De resultaten worden gepubliceerd in het Journal of Geophysical Research:Space Physics .

Het onderzoeksteam van de Universiteit van Michigan beoordeelde de verschillen tussen waarnemingen van de satellieten van de Swarm-missie in een lage baan om de aarde en een aardmagnetisch veldmodel, de dertiende generatie van het International Geomagnetic Reference Field of IGRF-13. Ze concentreerden zich op verschillen tijdens lage tot matige geomagnetische omstandigheden, die 98,1% van de tijd tussen de jaren 2014 en 2020 beslaan.

Satellietwaarnemingen verzameld op verschillende locaties boven de aarde zijn gevoelig voor magnetische veldfluctuaties, terwijl aardmagnetische veldmodellen observaties gebruiken om het interne magnetische veld van de aarde te schatten zonder rekening te houden met de invloed van zonnestormen. Interne magnetische veldmodellen zoals IGRF-13 worden gebruikt om veranderingen in de magnetische polen van de aarde te volgen, zoals de verschuiving van de Noordpool van ongeveer 45 km noord-noordwest per jaar.

Het begrijpen van deze grote verschillen is belangrijk voor de werking van satellieten bij gebruik van IGRF-13 als referentie en voor onderzoek naar de fysica van de magnetosfeer, ionosfeer en thermosfeer van de aarde.

De modelonzekerheid was het grootst in de noord- en zuidpoolgebieden, en uit een statistische analyse bleek dat de asymmetrie tussen de noord- en zuidpoolgebieden een belangrijke factor was die modelverschillen veroorzaakte.

"We gaan vaak uit van een bijna symmetrisch magnetisch veld tussen de noordelijke en zuidelijke poolgebieden, maar in werkelijkheid zijn ze heel verschillend", zegt Yining Shi, assistent-onderzoeker aan de University of Michigan Climate and Space Science and Engineering en corresponderend auteur van het onderzoek. .

De twee geografische polen wijzen op verschillende geomagnetische coördinaten. De Noordpool ligt op ongeveer 84° Magnetische Breedtegraad (MLAT) en 169° Magnetische Lengtegraad (MLON) en de Zuidpool op ongeveer −74° MLAT en 19° MLON.

De polaire baan van de Swarm-satellieten zorgt voor een steekproefafwijking met een hoge concentratie van metingen rond de geografische polen, wat de modelverschillen verergert.

"Als we begrijpen dat wat wordt toegeschreven aan geofysische verstoringen in werkelijkheid te wijten is aan de asymmetrie van het magnetische veld van de aarde, kunnen we beter geomagnetische veldmodellen maken en helpen bij satelliet- en luchtvaartnavigatie", zegt Mark Moldwin, hoogleraar aan Arthur F. Thurnau. Climate and Space Sciences and Engineering aan de U-M en auteur van het onderzoek.

Een ander probleem dat de navigatiegemeenschap zorgen baart, is dat het polaire magnetische veld de afgelopen tien jaar snel is veranderd.

"Dit voegt nog meer complexiteit toe aan het creëren van nauwkeurige magnetische veldmodellen", aldus Moldwin.