W przypadku zakładania punktów, na których planowane będą pomiary magnetyczne, podstawowym problemem jest wyszukanie odpowiedniego miejsca na lokalizację punktów. Miejsce do prowadzenia obserwacji pola magnetycznego Ziemi powinno być starannie wybrane pod kątem braku sztucznych zakłóceń magnetycznych i elektromagnetycznych.
Największe zakłócenia ziemskiego pola magnetycznego powodują przewodniki elektryczne zasilane prądem stałym o zmieniającym się w czasie obciążeniu przewodnika. W warunkach polskich są to zelektryfikowane linie kolejowe oraz – w dużo mniejszym stopniu - niektóre zakłady przemysłowe, w których są wykorzystywane silniki elektryczne zasilane prądem stałym. Linie energetyczne wysokiego i niskiego napięcia zasilane prądem zmiennym o częstotliwości 50 – 60 Hz nie mają zbyt dużego wpływu na wyniki pomiarów, ze względu na stosowane rozwiązania techniczne w konstrukcjach przyrządów do pomiarów magnetycznych. Przykładowe wymagania dotyczące odległości urządzeń pomiarowych od elektrycznych, elektromagnetycznych i magnetycznych elementów zakłócających pomiar pola magnetycznego Ziemi są następujące:
• zelektryfikowane linie kolejowe (prąd stały o napięciu 3 kV) – 20 km
Uwaga! W Rozporządzeniu Ministra Administracji i Cyfryzacji z dnia 14 lutego 2012 dla punktów osnów magnetycznych podawana jest minimalna odległość 4 – 5 km. Praktyka wskazuje, że odległość ta jest zbyt mała dla zapewnienia całkowitej eliminacji zakłóceń trakcji elektrycznej na wynik pomiaru. Rzeczywisty wpływ trakcji daje się obserwować podczas przejazdu i manewrowania pociągu i towarzyszącym zmianom w obciążeniu trakcji. Największy zasięg mają zakłócenia powstające w momencie ruszania i rozpędzania pociągów. Zasięg potencjalnych zakłóceń jest zależny przewodnictwa elektrycznego w przypowierzchniowej warstwie ośrodka geologicznego.
• linie energetyczne wysokiego napięcia (prąd zmienny – 400 kV) – od 500 do 1000 m;
• linie energetyczne niskiego napięcia (prąd zmienny – 15 kV) – od 50 do 100 m;
• budynki (w zależności od konstrukcji) – od 100 do 300 m;
• pojazdy mechaniczne (samochody osobowe, ciężarowe, autobusy) – od 30 do 50 m;
• stalowe rurociągi, gazociągi, etc. – do ok. 200–300 m (w zależności od średnicy i masy rur).
Do zapewnienia optymalnej lokalizacji przyrządów pomiarowych względem źródła zakłóceń powyższe wymagania dotyczące odległości są kryteriami orientacyjnymi. Zasięg zakłócenia jest zależny od lokalnych warunków geologicznych, zatem wybór miejsca musi być poprzedzony rejestracjami próbnymi w celu ostatecznej weryfikacji lokalizacji stacji pomiarowej. Weryfikację optymalnej lokalizacji na posadowienie magnetycznej stacji pomiarowej można wykonać przez wykonanie kilkudniowych, wielogodzinnych rejestracji z wykorzystaniem magnetometru protonowego pracującego w trybie zapewniającym dokładność pomiaru ±0,1 nT i porównanie z inną stacją/ magnetometrem zlokalizowanym w obszarze wolnym od zakłóceń, w odległości nie większej niż 30 km.
O wyborze miejsca na obserwacje i pomiary geomagnetyczne decyduje również wartość gradientu poziomego pola w otoczeniu punktu magnetycznego. Dla lokalizacji obserwatoriów geomagnetycznych zalecane kryterium gradientu to mniej niż 1 nT/m, zaś w przypadku punktów fundamentalnych osnów magnetycznych nie powinien on przekraczać 3 nT/m.
Przy wyborze miejsca prowadzenia obserwacji magnetycznych szczególnie istotną rolę odgrywają też aspekty logistyczne. Mając na względzie możliwość pojawienia się zakłóceń magnetycznych w wyniku stopniowego zagospodarowywania okolicy, w której planuje się posadowienie punktu pomiarowego, należy ten fakt również uwzględnić. Wybór miejsca pod lokalizację magnetycznych punktów wiekowych i podstawowych, a przede wszystkim obserwatoriów geomagnetycznych, powinien dawać pewność niezmienności bliższego i dalszego otoczenia w jak najdłuższym czasie. W przypadku obserwatoriów geomagnetycznych stuletni horyzont czasowy jest uznawany za horyzont krótki.
Zabudowa i stabilizacja punktów
Współcześnie wykorzystywane nowoczesne instrumenty oraz konieczne zaplecze aparaturowe nie wymagają budowy dużych i kosztownych konstrukcji w celu utworzenia obserwatorium geomagnetycznego. Dawne wymagania co do wielkości konstrukcji mogą być zredukowane do niewielkiego, dobrze izolowanego termicznie pawilonu lub nawet kontenera, pod warunkiem, że są one zbudowane z niemagnetycznych materiałów. Podstawowe wymagania jakie muszą być spełnione to:
• wyposażenie/ wybudowanie stabilnych słupów do wykonywania pomiarów i obserwacji;
• stabilna, kontrolowana temperatura w pawilonie/ kontenerze, w którym są prowadzone ciągłe obserwacje wariacji pola magnetycznego.
Obserwatorium geomagnetyczne powinno dysponować minimum 2 niezależnymi pawilonami. Jednym przeznaczonym na instrumenty wariacyjne, drugim – do wykonywania okresowych pomiarów absolutnych. Odległość pomiędzy pawilonami powinna być tak dobrana, żeby w trakcie wykonywania pomiarów absolutnych wpływ instrumentów na wyniki rejestracji wariacji, był zerowy. W oddzielnym, oddalonym o minimum 15 m pawilonie powinny być umieszone urządzenia elektryczne, gwarantujące stabilne i nieprzerwane zasilanie pawilonów obserwacyjnych. Jako rekomendowane uznaje się zasilanie buforowe.
Zgodnie z rekomendacjami IAGA pawilon do badań wariacji pola powinien mieć dwa słupy pomiarowe pod dwoma niezależnie pracującymi zestawami wariometrów. W odniesieniu do pawilonu, w którym są wykonywane pomiary absolutne, wymagania są podobne. Drugi słup w tym przypadku jest od czasu do czasu wykorzystywany do porównywania pomiarów z dwóch magnetometrów absolutnych. IAGA zaleca również zastabilizowanie dwóch dodatkowych słupów do pomiarów absolutnych w terenie poza pawilonem obserwacyjnym, zlokalizowanych w różnych kierunkach, w odległości nie mniejszej niż 50 m od pawilonu absolutnego. Pomiary magnetyczne na tych stanowiskach powinny być wykonywane i porównywane z pomiarami na „słupie” głównym nie rzadziej niż raz na rok. Ze słupa głównego powinien być zapewniony optyczny widok na obiekt, którego azymut astronomiczny jest znany lub możliwy do określenia (tzw. mira). W celu zapewnienia wymaganych dokładności deklinacji pola mira powinna znajdować się w odległości kilkuset metrów od słupa.
Widok z lotu ptaka na obiekty w College International Geophysical Observatory (CIGO) (mat. źródłowy: USGS)
Pawilony do obserwacji i pomiarów geomagnetycznych w College International Geophysical Observatory (CIGO) Fairbanks, AK (mat. źródłowy: USGS)
Mira geodezyjna oraz pawilony do pomiarów absolutnych oraz wariacji pola magnetycznego Ziemi w obserwatorium geomagnetycznym Boulder (BOU) w stanie Kolorado (mat. źródłowy: USGS)
W przypadku punktów osnów magnetycznych wymagania dotyczą konieczności trwałej stabilizacji punktu w terenie, a także utworzenia dokumentacji pozwalającej na kontrolę stabilności punktu oraz jego odtworzenie w przypadku zniszczenia. Punkty fundamentalne powinny mieć stabilizację w postaci betonowego lub granitowego słupa o wymiarach nie mniejszych niż 0,2 x 0,2 x 0,8 m z podcentrem z płyty z takiego samego materiału, o ile jest to możliwe. Podobnie jak w przypadku obserwatoriów dla każdego punktu osnowy magnetycznej powinny być wybrane dobrze widoczne, charakterystyczne cele naziemne (miry) znajdujące się w odległości nie mniejszej niż 500 m. W przypadku braku takich celów należy założyć punkty ekscentryczne i zastabilizować w taki sposób jak punkt osnowy.
Stanowiska, na których są wykonywane pomiary absolutne – zarówno w obserwatoriach geomagnetycznych, jak i na punktach osnów magnetycznych – powinny mieć ściśle (za pomocą pomiarów geodezyjnych) wyznaczone współrzędne w obowiązującym w danym kraju układzie geodezyjnym. Dokładność wyznaczenia współrzędnych nie może być mniejsza niż 0,05 m.
Instrumentarium
Na świecie do obserwacji i pomiarów ziemskiego pola magnetycznego stosuje się różne instrumenty. Klasyfikację podstawową stanowi podział na instrumenty przeznaczone do ciągłych pomiarów wariacji ziemskiego pola magnetycznego oraz przyrządy do pomiarów absolutnych. W użyciu są zarówno instrumenty, których idee konstrukcyjne sięgają pierwszej połowy ubiegłego stulecia, takie magnetometry lub wariometry torsyjne, oraz konstrukcje współczesne w rodzaju magnetometrów fluxgate lub magnetometrów optycznie pompowanych. Należy zaznaczyć, że dokładności pomiarów zarówno w przypadku przyrządów starszej generacji, jak i współczesnych są podobne.
Z uwagi na różnorodność stosowanych instrumentów pomiarowych jedynym kryterium, jakie decyduje o przydatności sprzętu, który będzie używany do obserwacji geomagnetycznych i pomiarów, jest kryterium dokładnościowe. Zarówno w przypadku obserwatoriów magnetycznych, jak i pomiarów magnetycznych wykonywanych na punktach fundamentalnych (wiekowych) jest wymagane, żeby instrumenty oraz stosowana metodyka pomiarowa i obliczeniowa pozwalały na osiąganie dokładności pomiarów wymaganych dla określonego rodzaju punktów obserwacji i pomiarów.
Mając na uwadze współczesne wymagania w zakresie zapewnienia cyfrowego zapisu danych obserwacyjnych, przetwarzania, elektronicznego przesyłu i wymiany danych z wykorzystaniem współczesnych rozwiązań telekomunikacyjnych, IAGA rekomenduje stosowanie w obserwatoriach geomagnetycznych wzorcowego zestawu magnetometrów składającego się z: magnetometru protonowego do pomiarów modułu całkowitego wektora namagnesowania, trójosiowego wariometru typu fluxgate do obserwacji wariacji składowych pola magnetycznego i magnetometru do pomiarów deklinacji i inklinacji całkowitego wektora indukcji pola magnetycznego (tzw. fluxgate teodolit lub DI fluxgate magnetometr).
Rekomendowany przez IAGA i INTERMAGNET zestaw instrumentów do obserwacji i pomiarów geomagnetycznych (z lewej – sonda magnetometru protonowego, po prawej – teodolit amagnetyczny z zamontowaną na lunecie jednoosiową sondą fluxgate, poniżej trójosiowy magnetometr fluxgate do monitoringu wariacji trzech składowych) (mat. źródłowy: USGS)
Wymagania dokładnościowe pomiaru składowych oraz modułu ziemskiego pola magnetycznego w obserwatoriach magnetycznych wynoszą 0,1 nT, a dla kątów deklinacji i inklinacji magnetycznej – 0,1′.
Dopuszczalne średnie błędy elementów pola magnetycznego Ziemi na punktach osnowy fundamentalnej (punkty wiekowe) nie powinny być większe niż:
• dla wektora natężenia pola – 1 nT;
• dla deklinacji magnetycznej – 0,5′;
• dla inklinacji magnetycznej – 0,3′.
Błędy średnie elementów pola magnetycznego Ziemi na punktach osnowy bazowej (osnowa 2. klasy) nie powinny być większe niż:
• dla wektora natężenia pola – 2 nT;
• dla deklinacji magnetycznej – 2,0′;
• dla inklinacji magnetycznej – 1,0′.
Osiąganie takich dokładności nie jest łatwe. Przy pomiarach na punktach wiekowych wymaga ono udziału doświadczonego i dobrze wyszkolonego personelu.
