Earth's magnetic field [Elektronische Ressource] : observation and modelling from global to regional scales / Anne Geese. Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ

Geese

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• Publié le: 01 janvier 2011
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Extrait

Anne Geese
Earth's Magnetic Field:
Observation and Modelling
From Global to Regional Scales
Scientific Technical Report STR11/03
ISSN 1610-0956 www.gfz-potsdam.de
Imprint
Telegrafenberg
D-14473 Potsdam
e-mail: [e-mail]
www: http://www.gfz-potsdam.de
Printed in Potsdam, Germany
April 2008
ISSN 1610-0956
This text is available in electronic form:
http://www.gfz-potsdam.de/bib/zbstr.htm
STR11/03
A. Geese, Earth's Magnetic Field: Observation and Modelling From Global to Regional ScalesAnne Geese
Earth's Magnetic Field:
Observation and Modelling
From Global to Regional Scales
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
eingereicht an der Fakultät für Elektrotechnik, Informationstechnik, Physik
der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig
November 2010
Impressum
D-14473 Potsdam
Gedruckt in Potsdam
Februar 2011
Scientific Technical Report STR11/03ISSN 1610-0956
Die vorliegende Arbeit
in der Schriftenreihe
Scientific Technical Report (STR) des GFZ
ist in elektronischer Form erhältlich unter
www.gfz-potsdam.de - Neuestes - Neue
Publikationen des GFZ
zur Erlangung des akademischen Grades
Telegrafenberg Anne Geese
Earth's Magnetic Field:
Observation and Modelling
From Global to Regional Scales
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktorin der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
genehmigt von der Fakultät für Elektrotechnik, Informationstechnik, Physik
der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig
November 2010
Impressum
D-14473 Potsdam
Gedruckt in Potsdam
Februar 2011
Scientific Technical Report STR11/03ISSN 1610-0956
Die vorliegende Arbeit
in der Schriftenreihe
Scientific Technical Report (STR) des GFZ
ist in elektronischer Form erhältlich unter
www.gfz-potsdam.de - Neuestes - Neue
Publikationen des GFZ
zur Erlangung des akademischen Grades
Telegrafenberg Earth’s Magnetic Field:
Observation and Modelling
From Global to Regional Scales
Von der Fakult at fur Elektrotechnik, Informationstechnik, Physik
der Technischen Universit at Carolo-Wilhelmina
zu Braunschweig
zur Erlangung des Grades einer
Doktorin der Naturwissenschaften
(Dr. rer. nat.)
genehmigte Dissertation
von Anne Geese, geborene Hemshorn
aus Hamm in Westfalen
Deutsches GeoForschungsZentrum GFZScientific Techncial Report STR 11/03
DOI: 10.2312/GFZ.b103-110361 2
Prof. Dr. Karl-Heinz Gla meier Prof. Dr. Mioara Mandea
Institut fur Geophysik Institut de Physique du Globe de Paris
und extraterrestrische Physik Geophysique spatiale et planetaire
Technische Universit at Carolo-Wilhelmina Universite Paris Diderot
zu Braunschweig
eingereicht am: 09. September 2010
mndlic he Prufung am: 19. November 2010
Deutsches GeoForschungsZentrum GFZScientific Techncial Report STR 11/03
DOI: 10.2312/GFZ.b103-11036Vorabver o entlichung der Dissertation
Teilergebnisse aus dieser Arbeit wurden mit Genehmigung der Fakult at fur Elektrotech-
nik, Informationstechnik, Physik, vertreten durch den Mentor der Arbeit, in folgenden
Beitr agen vorab ver o entlicht:
Publikationen:
Geese, A., Mandea, M., Lesur, V., and Hayn, M. (2010). Regional modelling of the
southern african geomagnetic eld using harmonic splines. Geophysical Journal In-
ternational, 181(3):1329{1342.
Korte, M., Mandea, M., Linthe, H.-J., Hemshorn, A., Kotze, P., Ricaldi, E. (2009):
New geomagnetic eld observations in the South Atlantic Anomaly region, Annals of
Geophysics, 52: 65-81.
Hemshorn, A., Auster, H.U.,Fredow. M. (2009). TECHNICAL DESIGN NOTE: DI-Flux
measurement of the geomagnetic eld using a three-axial uxgate sensor. Measurement
Science and Technology, 20(2), 027004-027007
Hemshorn, A., Pulz, E., Mandea, M. (2009): GAUSS: Improvements to the Geomag-
netic AUtomated SyStem, Proceedings of the XIIIth IAGA Workshop on Geomag-
netic Observatory Instruments, Data Acquisition, and Processing, Open-File Report
2009-1226, 100-103
Hemshorn, A., Auster, U., Fredow, M. (2009): DI3: Improving DI-Flux measurements
with the Three-Component Sensor, Proceedings of the XIIIth IAGA Workshop on
Geomagnetic Observatory Instruments, Data Acquisition, and Processing, Open-File
Report 2009-1226, 104-107
Auster, H. U., Mandea, M., Hemshorn, A., Pulz, E., Korte, M. (2007): Automation of
absolute measurements of the geomagnetic eld, Earth, Planets and Space, 59, 9,
1007-1014.
Tagungsbeitr age:
Geese, A., Mandea, M., Lesur, V. (2010). SAMS - the South African Magnetic model
made of Splines, 28th IUGG Conference on Mathematical Geophysics - CMG 2010,
June 7-11 2010, Pisa, Italy
Geese, A., Lesur, V., Wardinski, I., Mandea, M. (2010). SV estimates from monthly
means visa predictions from global eld models, European Geophysical Union, Gen-
eral Assembly, May 4-9, 2010, Vienna, Austria
Geese, A., Mandea, M., Lesur, V. (2009). Regional Modeling of the Southern African
Secular Variation, 11th IAGA Scienti c Assembly, August 23-30, 2009, Sopron, Hun-
gary
Hemshorn, A., Pulz, E., Mandea, M., Korte, M., Auster, U. (2008). GAUSS - Improve-
ments to the Geomagnetic AUtomated SyStem, XIIIth IAGA Geomagnetic Obser-
vatory Workshop, June 9-18, 2008, Boulder and Golden, CO, USA
iii
Deutsches GeoForschungsZentrum GFZScientific Techncial Report STR 11/03
DOI: 10.2312/GFZ.b103-11036Hemshorn, A., Auster, U., Fredow, M. (2008). DI3 - First tests of DI-Flux measurements
with a three-axial uxgate sensor, XIIIth IAGA Geomagnetic Observatory Workshop,
June 9-18, 2008, Boulder and Golden, CO, USA
iv
Deutsches GeoForschungsZentrum GFZScientific Techncial Report STR 11/03
DOI: 10.2312/GFZ.b103-11036Contents
Summary vii
Zusammenfassung ix
1 Introduction 1
1.1 A short review of the history of geomagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Geomagnetic elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 eld sources and variations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Open issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 From surface to space: magnetic eld observation 9
2.1 Geomagnetic observatories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 Standard instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.2 Data products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2 Recent developments in instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.1 Contemporaneous developments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.2 GAUSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.3 DI3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3 Repeat stations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.1 Repeat station surveys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.2 Measurements: Station set-up and data output . . . . . . . . . . . 30
2.4 Satellite measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4.1 Ancient magnetic satellite missions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4.2 Recent missions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3 Modelling the magnetic eld of the Earth: theory and methods 37
3.1 Global eld models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.1.1 Spatial description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.1.2 Temporal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.1.3 Example models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2 Regional eld models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.1 Polynomial ts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.2 Spherical Cap Harmonic Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
v
Deutsches GeoForschungsZentrum GFZScientific Techncial Report STR 11/03
DOI: 10.2312/GFZ.b103-11036vi Contents
3.2.3 Wavelet Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3 Harmonic Splines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3.1 Derivation of additional base functions . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.2 The inverse problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.3 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.3.4 Testing the approach with synthetic data . . . . . . . . . . . . . . . 53
4 Regional main eld modelling: the South African region 55
4.1 The South African region: a geomagnetic hotspot . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2 The data set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2.1 Data type I: Observatory data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2.2 Data type II: Repeat stations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2.3 Comparison with global models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3 Speci c Models: SAMS and X-SAMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.3.1 SAMS: The South African Model made of Splines . . . . . . . . . . 68
4.3.2 The Extended South African Spline Model . . . . . . . . . . . . . . 73
5 Probing the global secular variation w