Monitoraggio “Real Time” del Campo Geomagnetico

Nella immagine sopra un esempio di rilevazione di tempesta geomagnetica.

Con l’apparecchiatura descritta nei post : Magnetometro Fluxgate , Il Campo Geomagnetico abbiamo realizzato un piccolo osservatorio del campo geomagnetico ed in questa pagina inseriamo i dati real-time letti dal sistema ed alcuni esempi di analisi.
Il sensore è stato posizionato, parallelo alla direzione Est – Ovest, all’interno di una cantina, lontano da disturbi di carattere antropico, come ad esempio automobili in movimento. I dati vengono raccolti da un Datalogger costituito da un sistema Raspberry PI. L’applicazione python che legge i dati, effettua anche una prima elaborazione degli stessi e provvede a produrre i grafici che mostrano l’andamento della intensità del campo magnetico.

Segnale Originale

Il grafico seguente mostra l’andamento del segnale misurato direttamente dal sensore con una cadenza di una misura al secondo. Al segnale non è stata applicata nessuna elaborazione o filtro.
In genere è presente un certo “rumore” dell’ordine di circa 10 nT dovuto sia alle caratteristiche del sensore e sia ai disturbi residui di carattere antropico.

Andamento Odierno

Segnale Filtrato Passa Basso Cutoff 0.01 Hz

Il grafico riportato sotto mostra il segnale dopo che è stato filtrato con un filtro passa-basso butterworth con frequenza di taglio posta a 0,01 Hz che corrisponde ad un periodo di 100 s. In questo modo ripuliamo il segnale dalle variazioni statistiche di frequenza elevata.
Il filtraggio è stato realizzato grazie alle funzionalità presenti nella libreria scipy di python, come mostrato nell’estratto di codice python seguente.

#---------------------------ooo0ooo---------------------------
# Function butter_lowpass
#-------------------------------------------------------------
# Utility statistica filtro passa-basso
#---------------------------ooo0ooo---------------------------
def butter_lowpass(cutoff, fs, order=5):
nyq = 0.5 * fs
normal_cutoff = cutoff / nyq
b, a = butter(order, normal_cutoff, btype='low', analog=False)
return b, a

#---------------------------ooo0ooo---------------------------
# Function butter_lowpass_filter
#-------------------------------------------------------------
# Utility statistica filtro passa-basso
#---------------------------ooo0ooo---------------------------
def butter_lowpass_filter(data, cutoff, fs, order=5):
b, a = butter_lowpass(cutoff, fs, order=order)
y = lfilter(b, a, data)
return y

#-------------------------------------------------------------------
# Data could be filtered in order to eliminate high freq noise
# Filter requirements.
order = 6
fs = 1.0       # sample rate, Hz
cutoff = 0.01  # desired cutoff frequency of the filter, Hz
    
# Get the filter coefficients so we can check its frequency response
#b, a = butter_lowpass(cutoff, fs, order)
    
# Filter the data
filtData = butter_lowpass_filter(data, cutoff, fs, order)
#--------------------------------------------------------------------

Andamento Odierno

Temperatura del Sensore FGM

La risposta del sensore FGM è dipendente, in misura più o meno grande a seconda del modello, dalle variazioni di temperatura. Per questo motivo viene misurata ed acquisita anche la temperatura del sensore, in modo da assicurarsi che si mantenga costante lungo tutto il periodo di misura.

Andamento Odierno

Influenza della Attività Solare sul Geomagnetismo

Il campo geomagnetico non è costante ma è soggetto a numerose variazioni sia periodiche che non-periodiche.
Le variazioni a lungo termine, che si manifestano su una scala temporale maggiore di 5 anni (variazioni secolari), sono causate dalle dinamiche interne alla Terra, mentre le variazioni a breve termine, molto più intense, hanno origine esterna e si manifestano su una scala temporale di secondi, minuti o giorni.
Queste ultime sono principalmente prodotte da correnti elettriche dovute a particelle cariche in moto nella magnetosfera e nella ionosfera.
Queste variazioni comprendono quelle periodiche (chiamate variazioni regolari) dovute alla rotazione e ai movimenti orbitali della Terra, della Luna e del Sole e quelle transienti causate dalla interazione del vento solare con la magnetosfera.

Sole Quieto

Nel caso in cui non vi siano fenomeni dovuti ad attività solare intensa, l’andamento del campo geomagnetico segue un andamento con caratteristiche variazioni giornaliere con periodicità di 24 ore.
Il fenomeno inizia con la radiazione elettromagnetica emessa dal Sole. Oltre a illuminare e riscaldare un lato della terra, questa radiazione riscalda anche la ionosfera causando la convezione. La convezione muove le particelle cariche attraverso il campo magnetico terrestre creando un’azione dinamo che guida le correnti elettriche ionosferiche sopra l’equatore e fino a medie latitudini. Queste correnti producono un campo magnetico che, visto dallo spazio, appare fisso sul lato del giorno della terra. La rotazione della terra porta un sito sulla superficie dentro e fuori da questo campo magnetico creando una variazione di 12 ore e quindi un ciclo di 24 ore.

Il grafico riportato sotto riproduce fedelmente questo andamento ciclico.

Tempeste Geomagnetiche

Il monitoraggio “real-time” del campo geomagnetico ha anche lo scopo di individuare le cosiddette Tempeste Geomagnetiche.
Si tratta di variazioni irregolari e improvvise dell’intensità e della direzione del campo magnetico terrestre, accompagnate solitamente da altri fenomeni geofisici (es. le aurore polari). L’intensità e la direzione del campo, pur fluttuando in modo apparentemente disordinato, variano, nel corso di una tempesta, secondo andamenti temporali ben definiti.
Si distinguono due fasi: la fase iniziale, avente una durata da 1 a 10 ore, in cui la componente orizzontale (H) dell’induzione magnetica subisce un aumento di 10÷50 nT, e la fase principale, della durata di uno o più giorni, in cui H dapprima diminuisce, raggiungendo un minimo (in genere, di 100÷200 nT al di sotto del livello normale), e poi lentamente recupera, ritornando ai valori originari.
Le tempeste magnetiche sono prodotte da nubi di plasma veloce espulse dal Sole; i fenomeni esplosivi, come i brillamenti solari, producono un inizio brusco della tempesta. A causa dell’impatto della nube di plasma veloce, la magnetosfera viene bruscamente compressa, sicché il campo magnetico sulla superficie terrestre subisce un aumento (fase iniziale della tempesta). Nelle fasce di radiazione che circondano il nostro pianeta, vengono successivamente iniettate particelle cariche; ciò ha l’effetto di intensificare la cosiddetta corrente ad anello, prodotta dal moto longitudinale delle particelle intrappolate. Poiché tale corrente circola, nel piano equatoriale, nel senso che va da est a ovest, il campo magnetico che essa produce al suo interno è opposto a quello geomagnetico: di qui la diminuzione di H osservata nella fase principale della tempesta. Le particelle iniettate nelle fasce di radiazione vanno poi gradualmente disperse, sicché l’intensità della corrente ad anello torna ai valori ordinari e la tempesta ha termine.
Le tempeste magnetiche hanno notevoli effetti sull’ambiente terrestre, in particolare effetti di disturbo per le comunicazioni radio, specie nella banda di alta frequenza.

Le tempeste geomagnetiche, oltre che dai brillamenti solari (flares), possono anche essere causate dai cosiddetti buchi coronali.
Se osserviamo le immagini solari provenienti dalla NASA, tramite il Solar Dynamics Observatory (SDO) alla lunghezza d’onda di 193 o 211 Ångström, possiamo notare gli strati esterni caldi dell’atmosfera solare. Questo strato più esterno del Sole è chiamato corona.
Il campo magnetico del Sole gioca un grande ruolo nel modo in cui vediamo questa immagine. Le aree luminose ci mostrano un gas caldo e denso che viene catturato dal campo magnetico del Sole. Le aree scure invece risultano quasi vuote, infatti sono luoghi dove il campo magnetico del Sole raggiunge lo spazio in modo che i gas caldi possano fuoriuscire. Queste zone sembrano così buie perché c’è ben poco materiale caldo rispetto alle zone adiacenti.
Il campo magnetico di un buco coronale è diverso rispetto al campo magnetico del Sole. Invece di tornare in superficie, queste linee di campo magnetico rimangono aperte e si espandono nello spazio. Al momento però non è ancora ben chiaro dove si ricollegano. Invece di tenere insieme il gas caldo, queste linee aperte di campo magnetico causano la formazione dei buchi coronali, dove il vento solare può sfuggire ad alta velocità.

Quando un buco coronale è posizionato in prossimità del centro del disco solare e rivolto verso la Terra, questi gas caldi fluiscono verso la Terra ad una velocità superiore a quella del regolare vento solare e possono causare disturbi geomagnetici sulla Terra con una maggiore attività aurorale alle alte latitudini, a seconda delle dimensioni e della posizione del buco coronale sul disco solare.

Le immagini sotto mostrano un esempio di buco coronale e la relativa tempesta geomagnetica causata dall’incremento del vento solare.

Il nostro magnetometro ha perfettamente rilevato i disturbi geomagnetici che si sono verificati. Il grafico sotto mostra infatti l’andamento irregolare, con numerosi massimi e minimi, registrato durante il fenomeno.

Il medesimo buco coronale si è ripresentato anche il mese successivo, dopo una completa rotazione solare, ed ha dato luogo, anche in questo caso ad una tempesta geomagnetico di grado G1. Le immagini sotto mostrano la foto del sole ripresa dal satellite e l’andamento del campo geomagnetico.

Se ti è piaciuto questo articolo puoi condividerlo sui “social” Facebook, Twitter o LinkedIn con i pulsanti presenti sotto. In questo modo ci puoi aiutare ! Grazie !

Donazioni

Se vuoi contribuire allo sviluppo di questo sito ed allo sviluppo di nuove attività sperimentali puoi fare una donazione, Grazie !