Ricordi quando eri uno studente pilota che si preparava per i voli di cross country con una carta sezionale, usando il tuo plotter per calcolare la vera rotta verso la destinazione? Quindi usando la variazione magnetica (l'est è il minimo, l'ovest è il migliore) per ottenere la rotta magnetica. La navigazione GPS e tutte le nostre app lo hanno cambiato, ma le basi rimangono.
Potresti aver perso quanto sta cambiando la variazione magnetica. Ciò che rende interessanti le basi è che i poli magnetici si sono recentemente mossi più velocemente. Per la maggior parte del periodo che risale al 1832, il movimento del polo nord magnetico si è spostato a circa 15 chilometri all'anno. Ma dalla metà degli anni '90 ha accelerato fino a 55 chilometri all'anno. Inoltre, l'intensità del campo magnetico è diminuita. Secondo l'Agenzia spaziale europea (ESA), il campo magnetico ha perso quasi il nove per cento della sua forza in media globale negli ultimi 200 anni. La diminuzione dell'intensità del campo nell'Atlantico meridionale è ancora maggiore, causando l'etichettatura di quest'area come Anomalia dell'Atlantico meridionale.
Indice
Campo geomagnetico terrestre
Nei suoi termini più semplici, il campo geomagnetico terrestre è come una barra magnetica interna. Tuttavia, non è verticale ma è inclinato in modo che il polo nord magnetico non si allinei con il polo nord dell'ellissoide terrestre. Il cambiamento nell'inclinazione della barra magnetica è ciò che fa muovere i poli magnetici sulla superficie terrestre.
Studi recenti mostrano che circa 42.000 anni fa l'inclinazione e l'intensità del campo sono cambiate così tanto che i poli nord e sud si sono scambiati. Rimasero così per diverse centinaia di anni, poi tornarono indietro.
A causa della mancanza dello scudo fornito dal campo magnetico terrestre, la radiazione di particelle cariche dal sole è aumentata. Gli umani all'epoca iniziarono a proteggersi nelle caverne. Gran parte dell'arte rupestre proveniva da questo periodo. Se sei un sopravvissuto, potresti sorvegliare la caverna più vicina e rispolverare la tua arte rupestre nel caso in cui i pali si capovolgessero di nuovo.
Il campo magnetico in superficie e nell'aria può essere visualizzato come limatura di ferro su un foglio di carta sospeso sopra la barra magnetica. (Ricordi di averlo fatto durante le lezioni di scienze della scuola elementare?) Tuttavia, questa descrizione è una super semplificazione.
La vera ragione del campo magnetico terrestre è molto più complicata e abbraccia molti campi di studio. Uno dei motivi per cui non è ben compreso è che coinvolge così tante diverse aree di competenza da geologia, astrofisica, geofisica, fisica del plasma ed elettrodinamica. Un articolo del gennaio 2019 sulla rivista Nature era intitolato “Il campo magnetico terrestre sta agendo e i geologi non sanno perché. Il movimento irregolare del polo nord magnetico costringe gli esperti ad aggiornare il modello che aiuta la navigazione globale.
I moderni navigatori elettronici utilizzano il campo magnetico terrestre in due modi diversi. I navigatori fanno tutti i loro calcoli in lat/lon e nord vero. Quindi, proprio come hai fatto da studente pilota, i navigatori usano la variazione magnetica locale per convertire la tratta dal nord vero al nord magnetico. Per fare questo il computer dispone di un “modello” o di una griglia matematica della variazione magnetica locale.
Esistono diversi modelli, ma il World Magnetic Model (WMM) prodotto da Stati Uniti/Regno Unito e NATO è comunemente, ma non universalmente, utilizzato nell'aviazione. È distribuito dalla National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). Viene aggiornato ogni cinque anni a meno che, come di recente, non si sia verificata una modifica più ampia del previsto. Subito dopo il rilascio del WMM 2015 si è verificato un cambiamento inaspettato nel 2016 che ha comportato un aggiornamento non programmato.
I database di navigazione includono anche la declinazione magnetica per ciascuna stazione VOR nel database. Quando è stata installata la stazione VOR, la fasatura dei due segnali a 30 Hz è stata regolata in modo che i radiali fossero allineati al nord magnetico. La quantità di sfasamento (la differenza tra il nord magnetico e il nord vero) al momento dell'allineamento VOR viene registrata come declinazione della stazione. Con il passare del tempo, la variazione magnetica locale può cambiare, ma l'allineamento della stazione non verrà riadattato fino a quando non supererà i cinque gradi (prima del 2017 era di tre gradi e il Canada utilizza ancora due gradi come criterio). Nel 2016 ci sono stati 568 VOR statunitensi che hanno superato i tre gradi e 172 VOR che hanno superato i cinque gradi.
I sistemi RNAV che prevedono la navigazione Rho/Theta (DME/VOR) utilizzano la lat/lon del VORTAC e la distanza DME lungo la radiale del VOR per determinare la posizione del velivolo. Tuttavia, per determinare con precisione tale posizione, l'FMS deve anche conoscere la declinazione della stazione dal database di navigazione. L'uso del WMM come declinazione magnetica della stazione invece della declinazione di allineamento effettiva porta a errori di posizione. Se la differenza tra la variazione magnetica del WMM e la declinazione di una stazione fosse di tre gradi, ciò risulterebbe in un errore di posizione FMS Rho/Theta di oltre tre miglia a 60 miglia dalla stazione. Questo è esattamente quello che è successo a un produttore di RNAV negli anni '80 e la FAA non l'ha scoperto per anni.
E allora?
Se il WMM non riflette la variazione magnetica effettiva, la rotta calcolata potrebbe non corrispondere alla rotta pubblicata. Ci sono stati avvisi di produttori di aeromobili come Boeing, bollettini di servizio di produttori di avionica e, in alcuni casi, direttive di aeronavigabilità sui pericoli di WMM scaduti. Diversi produttori di avionica gestiscono il WMM in modo diverso, ma sfortunatamente il WMM è spesso inserito nel firmware e non fa parte del normale aggiornamento del database di navigazione. (Garmin utilizza il modello del campo di riferimento geomagnetico internazionale fornito con i dati di navigazione.)
Citazione da un bollettino di servizio della Universal Avionics del 19 agosto 2011 “Il WMM prende il tasso storico di variazione del campo magnetico terrestre ed estrapola linearmente all'anno in corso. Il modello è estremamente accurato durante l'anno base, ma l'accuratezza diminuisce lentamente nel tempo… L'FMS accetta il WMM come valido per 15 anni dopo l'anno base… Il significato operativo varia sia in base all'area di volo che al tipo di tratta. Le aree in cui si verificano i maggiori errori Mag/Var sono Europa, Canada, Stati Uniti settentrionali e Sud America occidentale. L'uso di tratte come Course-to-Fix (CF) nelle procedure SID in Europa ha prodotto gli errori più significativi segnalati… Gli operatori che stanno riscontrando problemi relativi a Mag/Var, specialmente nelle procedure SID, dovrebbero interrompere il volo delle procedure interessate utilizzando FMS e utilizzare altri mezzi di navigazione primari…” Mentre questo è stato citato da Universal Avionics, tutti i navigatori RNAV/FMS/GPS/INS hanno problemi simili.
Come affermato in precedenza, i radiali VOR sono relativi al nord magnetico. Se la variazione è troppo grande, la stazione di terra dovrebbe essere riallineata e ricontrollata. Il riallineamento stesso è semplice. Tuttavia, il lavoro non si ferma al sito VOR. Il gruppo di ispezione di volo della FAA è tenuto a far volare il VOR in tutti i quadranti per garantire che non vi siano discrepanze. Tutti gli approcci basati su quella stazione devono essere ritrasmessi e ripubblicati. La nuova declinazione della stazione viene registrata e deve essere modificata nel database FMS che utilizza la navigazione Rho/Theta per integrare il GPS. La spesa di manutenzione è uno dei motivi per cui la tolleranza è stata aumentata dalla FAA da tre a cinque gradi. Inoltre, è uno spreco riallineare anche solo uno delle centinaia di VOR che sono previsti per il futuro smantellamento come parte del programma di rete operativa minima (MON).
Quindi, c'è un problema immediato con i 172 VOR che superano i cinque gradi? No, fintanto che l'FMS utilizza la declinazione memorizzata per la stazione, la posizione del velivolo o del waypoint risultante sarà corretta. Un pilota che fa volare il "segnale grezzo" da o verso il VOR normalmente presume che l'angolo del granchio sia dovuto al vento o ad altre imprecisioni. Non ci sono problemi immediati, ma lasciare che superi i cinque gradi non è una buona pratica e può portare ad altri problemi. Non riallineare immediatamente i VOR consente di risparmiare sul budget di manutenzione della FAA e sui costi del database di navigazione del pilota.
Inoltre, ricorda che le piste sono numerate rispetto alla rotta magnetica. Dovranno essere rinumerati se la variazione diventa troppo grande. Quindi tutte le informazioni di avvicinamento e i diagrammi aeroportuali devono essere aggiornati. Sono interessate sia le rappresentazioni stampate che quelle elettroniche. L'aumento del tasso di variazione della variazione magnetica aggiungerà spese alla comunità dell'aviazione.
Perché non rendere tutto relativo al nord vero piuttosto che al nord magnetico? Non dovresti preoccuparti della variazione magnetica variabile. In futuro questo è possibile. Gli odierni aerei da trasporto aereo e business jet in ferro pesante hanno navigatori inerziali che non hanno un ingresso sensore di campo magnetico/valvola di flusso. Tutti i calcoli sono relativi al nord vero. Il passaggio finale consiste nell'utilizzare un modello di campo magnetico terrestre per convertirlo in nord magnetico.
Sull'aeromobile della portaerei, la direzione sul display di volo primario e sul display di navigazione può essere commutata sul nord vero invece che sul nord magnetico, eliminando la necessità del modello magnetico. Oggi questa funzione viene utilizzata solo quando si vola su rotte polari.
Mentre fai un passo verso un aereo con un sistema di riferimento di assetto e direzione (AHRS) o un giroscopio direzionale asservito, un sensore di flusso è parte integrante del sistema. Quel dispositivo rileva il campo magnetico terrestre e "punta" elettricamente verso il nord magnetico. Oltre a usarlo come prua magnetica, l'AHRS utilizza l'ingresso della valvola di flusso per aiutare a calcolare l'assetto del velivolo.
Negli aerei leggeri, è la bussola del whisky che si allinea al nord magnetico. Naturalmente, anche qualsiasi sistema di bussola asservito (incluso AHRS) è allineato al nord magnetico. Una volta che i dati primari sono relativi al nord magnetico, tutti i dati di navigazione supplementari devono essere basati sul nord magnetico. Detto in altro modo, se la direzione è magnetica, anche tutti i dati di navigazione in sovrimpressione devono essere basati sulla direzione magnetica.
Inoltre, tutti gli aerei devono avere la stessa linea di base che oggi è la rotta magnetica. Non puoi benissimo avere le compagnie aeree che volano in direzione reale e il resto di noi vola in direzione magnetica. In futuro i giroscopi e gli accelerometri ad alta precisione utilizzati nei navigatori inerziali potrebbero scendere di prezzo laddove il loro uso possa diffondersi. Tuttavia, avrai ancora un'enorme flotta legacy che dovrebbe essere adattata.
Quindi "nel futuro" è probabilmente molto lontano. Detto questo, è in discussione da IACO e IATA e fa parte della "Vision to 2030" di Nav Canada. Nav Canada, proprietario e gestore del sistema di navigazione aerea civile canadese, sta sollecitando il supporto per il cambiamento. Hanno già un'area settentrionale dove tutti i riferimenti di navaid e pista sono al vero nord.
Conclusione
Sarebbe bene verificare con il produttore dell'avionica per vedere quale modello magnetico di base sta utilizzando il tuo sistema. Se sentirai parlare in futuro del passaggio dalla navigazione magnetica a quella del nord vero, spero che questo articolo ti abbia fornito un utile background sull'argomento. E la prossima volta che ti lamenterai dell'alto costo del database di navigazione, dovresti considerare le procedure di volo strumentale in costante aumento che vengono sviluppate. Per fortuna, la FAA sta attivamente cercando di smantellare le procedure utilizzate di rado, ma questo è l'argomento di un altro articolo.
Influisce sui cambiamenti climatici?
Un'interessante linea laterale di questa storia è la ricerca, principalmente in Europa, sui cambiamenti climatici causati dai cambiamenti nel campo geomagnetico terrestre. La vita sulla terra dipende fortemente dal campo magnetico terrestre che ci protegge dalla radiazione di particelle cariche del sole. La ricerca sta esplorando gli effetti dei cambiamenti nell'inclinazione e nella forza del campo magnetico terrestre in relazione al cambiamento climatico che stiamo vivendo. Un geofisico francese, Vincent Courtillot, è stato un punto focale in questa indagine. Gli Stati Uniti sembrano essere bloccati sul fatto che i combustibili fossili siano l'unica ragione del cambiamento climatico. I programmi governativi sul cambiamento climatico mirano a ridurre i "gas serra". Il Canada sembra essere più aperto alla discussione di altre cause del cambiamento climatico. Un articolo nel numero di maggio 2016 di Canadian Geographic, una rivista della Royal Canadian Geographical Society, era intitolato: "I cambiamenti climatici sono collegati al geomagnetismo? – Teoria del pazzo o spiegazione praticabile?" È un buon riassunto con numerosi collegamenti ad altri articoli, sia pro che contro.
