75 Jahre Erdmagnetische Messungen in Niemegk

75 Jahre erdmagnetische Messungen in Niemegk

Das Adolf-Schmidt-Observatorium für Geomagnetismus des GeoForschungsZentrums Potsdam

DOI: 10.2312/GFZ.b103-niemegk750 GeoForschungsZentrum Potsdam 75 Jahre erdmagnetische Messungen in Niemegk Niemegk 1999

DOI: 10.2312/GFZ.b103-niemegk750 GeoForschungsZentrum Potsdam 75 Jahre erdmagnetische Messungen in Niemegk INHALT CONTENTS

Inhalt / Contents 3 EINFÜHRUNG 75 Jahre geomagnetische Messungen in Niemegk 5 1930 - 2005 6 Von Potsdam über Seddin nach Niemegk 6 Von Potsdam über Seddin INTRODUCTION nach Niemegk 75 years of geomagnetic measurements in Niemegk 10 THE BEGINNINGS Brief history of Geomagnetism in Germany 12 PAST AND PRESENT History of the Adolf Schmidt Geomagnetic Observatory 16 OBSERVING THE GEOMAGNETIC FIELD Instrumentation 18 DATA FOR THE WORLD Data processing 20 AN EUROPEAN OBSERVATORY Niemegk Observatory contributions in Geomagnetism 22 12 A GLIMPSE INTO THE CORE... Brief history of Why do we need observatories Geomagnetism in Germany when we have satellites? 24 References / Imprint / Further Information 26

Das Observatorium im WWW

Weitere Informationen über das Observatorium und die produzierten Daten gibt es auf den Internetseiten des Ob- servatoriums: www.gfz-potsdam.de/pb2/pb23/Niemegk/dt/index.html Dort finden sich zum Beispiel noch mehr Bilder des Ob- servatoriums und historischer Messgeräte, weitere De- tails zur Geschichte und über Adolf Schmidt und Ger- hard Fanselau sowie eine Publikationsliste. Magneto- 18 gramme, die alle 10 Minuten aktualisiert werden zeigen Instrumentation die aktuellen Schwankungen des Erdmagnetfelds. Aus einer Datenbank lassen sich dort die registrierten Minu- tenwerte seit 1994 herunterladen und die letzten Jahr- bücher sind im pdf Format verfügbar.

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DOI: 10.2312/GFZ.b103-niemegk750 GeoForschungsZentrum Potsdam 75 Jahre erdmagnetische Messungen in Niemegk 75 JAHRE5 GEOMAGNETISCHE MESSUNGEN IN NIEMEGK

m 23. Juli 2005 waren es 75 Jah- Krustenfeld, erzeugt durch magneti- Are, seit in Niemegk systematische sierte Gesteine in der Erdkruste. erdmagnetische Registrierungen auf- genommen wurden. Das Adolf- Das magnetische Hauptfeld erfüllt ei- Schmidt-Observatorium wird heute nen Bereich im interplanetaren Raum, vom GeoForschungsZentrum Pots- der Magnetosphäre genannt wird und dam betrieben. Es gehörte in seiner wie ein Schutzschild gegen den Son- Geschichte verschiedenen Instituten nenwind wirkt. Die Magnetosphäre an. Messgeräte und Datenverarbei- lenkt den Großteil der Sonnenwind- tung haben sich weiter entwickelt, Partikel um die Erde herum, während doch die Hauptaufgabe ist geblieben: die magnetischen Feldlinien die Bewe- die kontinuierliche Registrierung des gung der in die Magnetosphäre ein- Erdmagnetfelds und seiner Variatio- dringenden geladenen Teilchen be- nen mit höchster Genauigkeit. Heute stimmen. Die Bewegung von Ionen zeigt die Datenreihe, dass der Standort und Elektronen innerhalb der Magne- vor 75 Jahren gut gewählt war: auch tosphäre führt zu Stromsystemen, die heute noch sind die Messungen unbe- Variationen im Erdmagnetfeld verur- einflusst von anthropogenen Störun- sachen. Diese externen Ströme in Io- gen, und die Datenqualität des Obser- nosphäre und Magnetosphäre schwan- vatoriums Niemegk ist unter den be- ken auf wesentlich kürzeren Zeitska- Prof. Adolf Schmidt ist dafür verantwortlich, dass sten weltweit. len als das Kernfeld und können zu sich das Observatorium in Niemegk befindet. Zu Eh- magnetischen Störungen mit Stärken ren seiner Verdienste in Theorie und Praxis trägt es Das Erdmagnetfeld, wie wir es an der bis zu 10% des Hauptfeldes führen seinen Namen. Niemegker Daten tragen zur Produk- („ magnetische Stürme“). Eine weitere tion weltweiter Deklinationskarten (hier für 2005) Erdoberfläche registrieren, ist tatsäch- bei. Um die weltweite Datendichte zu verbessern lich eine Kombination von Magnetfel- Quelle ist durch Induktionseffekte der werden bereits drei weitere Observatorien von Nie- dern verschiedener Quellen, die sich externen Schwankungen im leitfähi- megk aus betrieben oder unterstützt (rote Sterne). überlagern und miteinander in Wech- gen Erdboden gegeben, da die dort in- Weitere Kooperationen sind in Vorbereitung (blaue selwirkung stehen. Mehr als 90% des duzierten Ströme wiederum Magnet- Sterne). gemessenen Feldes kommt aus dem felder induzieren. Inneren der Erde und wird im flüssi- Prof. Adolf Schmidt chose the location in Niemegk gen äußeren Erdkern erzeugt. Dieser Wir möchten hier einen kurzen Abriss for the observatory. It carries his name in honour of Anteil des Magnetfelds, der als Kern- der Geschichte und Bedeutung des his important theoretical and practical achieve- oder Hauptfeld bezeichnet wird, ent- Adolf-Schmidt-Observatoriums ge- ments. Niemegk data contribute to the production steht durch elektrische Ströme, welche ben. Weitere, im englischen Text be- of global declination maps (here for 2005). To impro- durch einen Dynamoeffekt im Erdkern schriebene Details, sind in den ange- ve global data coverage, three other observatories aufrechterhalten werden. Die Untersu- führten deutschsprachigen Referenzen are already supported or run by the Niemegk obser- chung der langfristigen Änderungen zu finden. vatory (red stars). Further cooperations are planned des Erdmagnetfelds kann Aufschluss (blue stars). über die Funktionsweise dieses Geo- dynamo geben. Ebenfalls internen Ur- sprungs ist das lithosphärische oder

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unterbrochene Messreihe hoch- Von Potsdam qualitativer erdmagnetischer Da- ten. Während der 75 Jahre änderte über Seddin nach sich jedoch mehrmals die organi- satorische Zugehörigkeit. Nach Niemegk der Wiedervereinigung wurde das Observatorium 1992 vom neu ge- gründeten GeoForschungsZen- ie ersten geomagnetischen des Preußischen Meteorologi- trum Potsdam übernommen. Dort DMessungen in der Berliner schen Instituts in Potsdam. Er hat- gehört das Observatorium heute Gegend sind Alexander von Hum- te schon für die Verlegung des Ob- zur Sektion 2.3, Erdmagnetfeld. boldt zu verdanken. Von 1836 bis servatoriums nach Seddin gesorgt 1872 wurden an der Berliner und war auch für die erneute Ver- Mit der Zugehörigkeit änderten Sternwarte regelmäßige Beobach- legung verantwortlich. Dass das sich auch einige der Aufgaben. In tungen des Erdmagnetfelds durch- Observatorium sich heute bei Nie- den ersten Jahren war die Magnet- geführt, bis sie durch zunehmen- megk befindet, ist auch der Unter- feldbeobachtung die Hauptaufga- den Verkehr und Industrialisie- stützung der damaligen Stadtver- be, während wissenschaftliche Ar- rung zu stark gestört wurden. Wil- waltung zu verdanken. Das neue beit in Potsdam betrieben wurde. helm Julius Förster bewirkte den Observatorium wurde am 23. Juli Nach dem 2. Weltkrieg hatte die Bau eines erdmagnetischen Ob- 1930 eingeweiht. Zu Ehren der Entwicklung und Kalibrierung servatoriums auf dem Telegrafen- großen Verdienste Adolf Schmidts, von Messgeräten zeitweise große berg in Potsdam, welches am 1. sowohl auf theoretischem Gebiet Bedeutung. Auch die Anzahl der Januar 1890 den Betrieb aufnahm. als auch in der Entwicklung von direkt am Observatorium beschäf- Schon 1906 wurden jedoch auch Messinstrumenten, erhielt es den tigten Wissenschaftler nahm zu, so hier die Störungen durch den elek- Namen „Adolf-Schmidt-Observa- dass zeitweise über 50 Mitarbeiter trischen Treidelbetrieb auf dem torium für Erdmagnetismus“. Zum dort beschäftigt waren. Heute ist Teltowkanal und die spätere Elek- Zeitpunkt der Einweihung des trifizierung der Straßenbahn so Niemegker Observatoriums ver- stark, dass das Observatorium ver- zögerte ein Grundwassereinbruch legt werden musste. Der neue in das Variationshaus die Aufnah- Standort war bei Seddin, etwa 20 me der magnetischen Beobachtun- 1930 bis 2005 Kilometer südwestlich von Pots- gen. Erst im Laufe des Jahres dam. Als jedoch die Berliner 1931 wurden die Instrumente von Luftbild eines Teils des Obser- Stadtbahn mit Gleichstrom elek- Seddin nach Niemegk überführt vatoriumsgeländes heute und trifiziert wurde, traten selbst noch und nach einer angemessenen Zeit das Gelände kurz nach Errich- in Seddin Störungen der Messun- paralleler Messungen in den bei- tung des Observatoriums. gen auf, und wieder musste ein den Observatorien der kontinuier- neuer Standort gesucht werden. liche Betrieb in Niemegk zu Be- Current aerial view and pre- ginn des Jahres 1932 aufgenom- mises of the Niemegk Obser- Adolf Schmidt war seit 1902 Lei- men. Seitdem produziert das Ob- vatory shortly after construc- ter der magnetischen Abteilung servatorium Niemegk eine fast un- tion.

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die wissenschaftliche Arbeit wieder in Potsdam konzentriert, aber das Observatorium entwickelt sich zu einem Zentrum erdmagnetischer Messungen in Europa und weltweit. Seit 2000 wird das zuvor vom Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie Hamburg be- triebene Observatorium Wingst (zwischen Hamburg und Cuxha- ven) in eine von Niemegk aus be- triebene Außenstelle umgewan- delt. In Villa Remedios (Bolivien) wurde 2002 ein Observatorium vom GeoForschungsZentrum Pots- dam mit Geräten ausgestattet. Es wird von Niemegk aus in Zusam- menarbeit mit der Universität von La Paz betrieben. Im Juli dieses Jahres wurde das bulgarische Ob- servatorium Panagjurishte vom Observatorium Niemegk mit modernen Geräten ausgestattet. Der Betrieb bzw. die Unterstützung weiterer Observatorien in Afrika und Asien ist in Vorbereitung.

Weiterhin ging vom Observatori- um Niemegk die Initiative zur Ko- ordination der magnetischen Säku- larpunktvermessungen (repeat stations) in ganz Europa aus. Säkular- punkte sind zusätzliche, über das Land verteilte Orte, an denen Stär- tersuchung der magnetischen Sä- heitlichere europäische Säkular- punkte in Deutschland vermes- ke und Richtung des Erdmagnet- kularvariation. Mit einem interna- punktvermessungen geschaffen. sen. felds in regelmäßigen Zeitabstän- tionalen Workshop am Adolf- Der Erfolg dieser Initiative zeigte den zwischen 1 und 5 Jahren be- Schmidt-Observatorium am 20.- sich Anfang des Jahres 2005 bei Seit einigen Jahren gibt es mehre- stimmt werden. Die Ergebnisse 21. Februar 2003, den über 40 dem 2. “European Repeat Station re Satellitenmissionen, die unter dienen der Bestimmung der Dekli- Teilnehmer aus 20 europäischen Workshop” in Warschau. Vom Ob- anderem Messwerte des Erdmag- nation an jedem Ort, der Erstellung Ländern besuchten, wurde die servatorium Niemegk aus werden netfelds liefern (Ørsted, CHAMP, magnetischer Karten, und der Un- Grundlage für bessere und ein- alle zwei Jahre etwa 40 Säkular- SAC-C). CHAMP ist von der Ent-

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jedoch alleine kaum brauchbar, da die Lebensdauer der Satelliten viel zu kurz ist. Selbst die bisher etwa 170 Jahre systematischer Obser- vatoriumsbeobachtungen reichen gerade erst an den Periodenbe- reich heran, der für das Verständ- nis des Geodynamos wichtig ist. Nur die günstigeren und robuste- ren Observatorien können unun- terbrochene Beobachtungsreihen auch in der Zukunft garantieren. Für die Untersuchung der weite- ren Feldanteile sind die Observa- torien ebenso wichtig. Satelliten- daten sind aufgrund ihrer hohen räumlichen und zeitlichen Dichte Projekt SWARM zur Forführung hervorragend zur Beschreibung Niemegk - in der Welt zu magnetischer Satellitenmessun- der externen Feldanteile geeignet, Hause gen mit 3 Satelliten und geplantem welche eine wichtige Vorausset- Start im Jahr 2009 beteiligt ist. An- zung zur Trennung der verschie- Kirchturm und Wasserturm der Stadt gesichts der Tatsache, dass Satelli- denen Anteile und damit ihrem de- Niemegk dienen als geografische Re- ten in kurzer Zeit eine fast kom- taillierten Verständnis ist. Die ferenzpunkte bei den magnetischen plette Daten-Überdeckung der gleichzeitige Bewegung der Satel- Messungen. Das Adolf-Schmidt-Ob- ganzen Erde liefern, taucht immer liten durch Raum und Zeit er- servatorium ist eines von weltweit et- wieder die Frage auf, warum wir schwert jedoch die Datenanalyse wa 200 geomagnetischen Observato- überhaupt noch Observatorien und die reinen Zeitreihen der Ob- rien. brauchen. Die Antwort ist einfach: servatorien können zur Trennung Aufgrund ihrer unterschiedlichen der räumlichen und zeitlichen Ef- The church and water tower of Nie- Charakteristiken ergänzen sich fekte beitragen. Observatoriums- megk are used as geografic refer- Observatoriums- und Satellitenda- und Satellitendaten haben auf- ence for the magnetic measure- ten hervorragend, können sich grund ihres unterschiedlichen Ab- ments. The Adolf Schmidt Observato- aber nicht gegenseitig ersetzen. stands zu den verschiedenen Quel- ry is one of about 200 geomagnetic Erst die Satellitendaten mit ihrer len unterschiedliche Informati- observatories around the world. guten globalen Abdeckung ermög- onsinhalte, die noch in vielfältiger lichen eine detaillierte Untersu- Weise ausgenutzt werden können. chung der Struktur des Haupt- Aus diesen Gründen wünschen wicklung bis zum Betrieb eben- felds. Für Untersuchungen dessen wir uns sogar noch eine Erhöhung falls ein Projekt des GeoFor- zeitlicher Änderung (Säkularva- der weltweiten Observatoriums- schungsZentrums Potsdam, wel- riation), die Informationen über dichte gerade während der Satelli- ches auch maßgeblich am ESA- den Geodynamo liefern, sind sie tenmissionen.

DOI: 10.2312/GFZ.b103-niemegk750 GeoForschungsZentrum Potsdam 75 Jahre erdmagnetische Messungen in Niemegk 75 YEARS OF GEOMAGNETIC MEASUREMENTS IN NIEMEGK

he 23rd of July, 2005, marks 75 geodynamo works. Also of inter- Education and Outreach Tyears of geomagnetic field nal origin is the lithospheric recordings made at a site close to (crustal) field frozen into the mag- the small town of Niemegk. The netized rocks of the crust. Visit of the "Tigerenten Club", a fa- Adolf Schmidt Geomagnetic Ob- mous german TV-series for children, servatory now belongs to Geo- The core field creates a region in at the Niemegk Observatory. Guided tours of the observatory are offered ForschungsZentrum Potsdam. interplanetary space, called the for groups upon request. During its history it has belonged magnetosphere, where the Earth's to different institutions and its role magnetic field dominates over the Der Tigerenten Club war zu Besuch has changed more than once. In- interplanetary magnetic field. The bei den Niemegker Wissenschaft- strumentation and data processing magnetosphere deflects the flow lern. Auf Anfrage werden Führungen have been updated, but the main of most solar wind particles für Besuchergruppen durchgeführt. goal is still the same: to obtain around the Earth, while the geo- continuous high-quality measure- magnetic field lines guide the mo- ments of the geomagnetic field tion of those charged particles en- and its variations. The long time tering the magnetosphere. The dif- series of Niemegk Observatory ferential flow of ions and electrons data shows that the site was well inside the magnetosphere and in chosen 75 years ago: today there the ionosphere form current sys- are still no problems with anthro- tems, which cause variations in pogenic disturbances, and the the intensity of the Earth's mag- quality of data remains among the netic field. These external currents best in the world. in the ionized upper atmosphere and magnetosphere vary on a The geomagnetic field measured much shorter time scale than the at any point on the Earth's surface core field and may create magnet- is a combination of different mag- ic disturbances as large as 10% of netic fields originating from sev- the geomagnetic field. Other im- eral sources. These fields are su- portant sources are the fields aris- perimposed on and interact with ing from electrical currents flow- each other. More than 90% of the ing in the ionized upper atmos- measured field is internal in origin phere and the fields induced by and is generated in the Earth's out- currents flowing within the Earth's er fluid core. This part of the geo- crust. magnetic field, known as the “core” or “main” field, is due to In appreciation of 75 years of suc- electric currents sustained by a cessful operation of the Adolf “dynamo” situated within the Schmidt Geomagnetic Observato- core. Studies of the long-term be- ry, we present this retrospective. haviour of the geomagnetic field can be used to discover how the

DOI: 10.2312/GFZ.b103-niemegk750 GeoForschungsZentrum Potsdam 75 Jahre erdmagnetische Messungen in Niemegk An Eye on the Earth's Magnetic Field Although modern systems provide continuous digital recording, the traditional systems are still operational. Photographic magnetograms from July 23, 1930 (left) and July 23, 2005 (right) show the variations of the North (X), East(Y) and downward vertical (Z) magnetic field components.

Obwohl moderne Systeme heute kontinuerlich digitale Aufzeichnungen liefern, sind die traditionellen Systeme noch funktionstüchtig. Fotografische Magnetogramme vom 23. Juli 1930 (links) 23. Juli 2005 zeigen die Variatio- nen der Nord- (X), Ost- (Y) und Vertikalkomponente (Z) des Erdmagnetfelds.

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measuring the complete vector Brief history of field, and facilitating its global Geomagnetism in study. Alexander von Humboldt (1769- Germany 1859) was highly interested in geomagnetism. He carried out magnetic measurements on several of his expeditions and initiated the development of geomagnetic ob-

or several centuries it has been Fknown that the magnetic com- The Beginnings pass does not point to the true geo- graphical North, but that the devia- Magnetic declination was known in tion of the needle (declination) Europe since the 12th century. The fi- varies considerably over the gure shows a sundial with compass Earth's surface. The earliest map by Pfersich from about 1750. that included magnetic informa- Alexander von Humboldt opened the tion was a road map produced by a way to modern geomagnetic rese- German around 1500: Das ist der arch, initiating systematic magnetic Rom Weg von meylen zu meylen observations from Germany to South mit punkten verzeychnet von eyn- America. er stat zu der andern durch deutzsche landt (This is the way to Die magnetische Deklination war in Rome, miles by miles listed Europa schon seit dem 12. Jahrhun- [recorded] by points, from one dert bekannt. Die Abbildung zeigt ei- town to another, through the Ger- ne Sonnenuhr mit Kompass von Pfer- man land), indicating the pilgrim- sich (etwa 1750). Alexander von age route from Germany to Rome. Humboldt war der Wegbereiter der The author, Erhard Etzlaub, pre- weltweiten Erforschung des Erdmag- sented on this map a pictorial netismus durch Einführung systema- pocket sundial (known at that time tischer Beobachtungen in Deutsch- as a compass), on which he clearly land und Südamerika. showed an eastern declination (Hellmann, 1909).

During the last three centuries, three German scientists played a great role in establishing worldwide geomagnetic observatories,

DOI: 10.2312/GFZ.b103-niemegk750 GeoForschungsZentrum Potsdam 75 Jahre erdmagnetische Messungen in Niemegk On the map of Germany by Johann von Lamont the declination is given as dif- Die Deutschlandkarte von Johann von Lamont. zeigt die Abweichung der Dekli- ference to that of Munich, which is listed for 1841 to 1952. nation von der in München, welche für die Jahre 1841 bis 1852 angegeben ist.

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servatories in many countries. He spherical harmonic analysis, Gauß produced the first chart of magnet- also developed a mathematical An honourable legacy ic field intensities, covering the method to globally describe poten- Northern part of South America tial fields such as the geomagnetic A bust in the historic library of GFZ (Humboldt, 1804). On this map, field. The method takes advantage Potsdam shows Carl Friedrich Gauß, the geographic and magnetic of the fact that, in source-free re- one of the pioneers of geomagnetic equators are indicated, and five gions, the geomagnetic vector research. “isodinamique zones” are defined field can be described by the average number of oscilla- as the negative gradi- tions per minute of the magnetised ent of a potential. It needle used during Humboldt's can distinguish be- expeditions (Malin, 1891). Ac- tween contributions cording to Hellmann (1909), the from sources internal first “true” magnetic field intensi- and external to the ty map was produced by Hansteen Earth, and is still the (1824) for a region of Northern most commonly used Europe. The intensity values method in global geo- shown on this chart are in relative magnetic field model- units (“Humboldt units”), because ling. Gauß and Wil- a method to measure the field in- helm Eduard Weber tensity in absolute units was not founded the “Göt- yet devised. tinger Magnetischer Verein” (Magnetic Carl Friedrich Gauß (1777- Union of Göttingen) in 1855), who became interested in 1834, establishing geomagnetism through Humboldt, fixed times to read solved this problem soon after- magnetometers at ob- wards. Specifically, he developed servatories worldwide a method to determine the hori- (Gauß, 1939). zontal intensity of the geomagnetic field using two complementary Adolf Schmidt (1860- experiments. By determining the 1944), whose name the Niemegk Monument of Adolf Schmidt, director Das Denkmal zeigt Adolf Schmidt, den oscillation period of a swinging observatory carries, also con- of the Potsdam Magnetic Observatory langjährigen Direktor (1902-1928) des magnet, and then measuring the tributed significantly to geomag- for many years (1902-1928). In 1907 magnetischen Observatoriums Pots- deviation angle of a magnetic nee- netic theory, e.g. with his widely he developed a widely used knife-ed- dam. 1907 entwickelte er eine dle from magnetic North under the known normalisation of the Le- ge balance for field measurements. Schneidenwaage, die für Feldmes- influence of this magnet, he could gendre functions in spherical har- sungen weite Verbreitung fand. determine both the magnetic mo- monic analysis and the introduc- Büste von Carl Friedrich Gauß, einem ment of the magnet and the hori- tion of geomagnetic coordinates. der Pioniere in der Erforschung des zontal intensity of the geomagnet- As head of the Potsdam geomag- Erdmagnetismus, in der historischen ic field from two equations. With netic observatory, he significantly Bibliothek des GFZ Potsdam.

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improved measurement prac- luric currents were responsible for tices, particularly with his this effect (Meier, 1951), and theodolite and magnetic Horst Wiese exploited this result field balance. by developing the method of geomagnetic depth sounding or mag- Some other names should be netotellurics (Wiese, 1955; Wiese mentioned in association 1965). with Niemegk observatory. Julius Bartels, who worked Two more geomagnetic observa- with Adolf Schmidt, devel- tories exist in Germany today oped the local K and plane- apart from the Niemegk Observa- tary Kp indeces, the latter is tory. The Wingst Geomagnetic still widely used as a mea- Observatory, started operation in sure for global geomagnetic 1938 after the Wilhelmshaven activity (Bartels, 1957). Geomagnetic Observatory (1874- Gerhard Fanselau, who later 1936) had to be closed due to an- became director of the Geo- thropogenical disturbances to the magnetic Institute Potsdam, measurements. The Wingst Obser- played an important role in vatory was operated by Bunde- re-establishing the geomag- samt für Seeschiffahrt und Hydro- netic recordings in Niemegk graphie until 1999, then Geo- after World War II. In addi- ForschungsZentrum Potsdam took tion to his theoretical work over the scientific responsibility. on several aspects of exter- Today, the Wingst Observatory is nal field contributions, he operated as a remote station by contributed to the improve- the Niemegk Observatory. The ment of magnetic measure- Fürstenfeldbruck Geophysical Ob- ment technique by develop- servatory, with a geomagnetic and ing the Fanselau-coil for cal- a seismological branch, belongs to ibration purposes (these pro- the Ludwig-Maximilians-Univer- vide a larger homogeneous sity in Munich. This geomagnetic field area than Helmhotz observatory was preceded by two coils) and an improved field others, located in Maisach and balance. Around 1950, cer- Munich. The measurements in tain geomagnetic variations Munich were started in 1840 by of opposite sign were no- Johann von Lamont, who also car- ticed at the observatories of ried out the first regional ground Niemegk and Wingst, the vector survey in Bavaria in 1850. latter situated between Hamburg and Cuxhaven. Otto Meier realized that tel-

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History of the Adolf Schmidt Geomagnetic Observatory

n 1836, Alexander von Hum- ing on Telegrafenberg in Potsdam Iboldt initialized regular obser- has recently been renovated and vations of the geomagnetic field at now hosts the Paleomagnetic Lab- the astronomical observatory oratory of GeoForschungsZen- (Sternwarte) in Berlin. Around trum Potsdam. However, in 1906 1872, the measurements became the observatory had to be moved too disturbed by development of after less than 20 years of opera- industry in the area, and it was of tion, as electricity used for towing no further use to continue the mea- ships on Teltowkanal and the new surements there. Wilhelm Julius electric trams disturbed the mea- Förster was responsible for the surements in Potsdam. The new construction of a geomagnetic ob- site was at Seddin, about 20 km servatory in Potsdam, which start- southwest of Potsdam. When the ed regular operation on January 1, Berlin S-Bahn was extended to 1890 (Körber, 1965, Tiemann, Potsdam and electrified in 1927 1990). The old observatory build- the influence of this DC powered

Past and present The absolute building in Niemegk in 1932 and in 2005, shortly after renovation put its appearance back into the original state. The old observatory building (1890) on Te- legrafenberg in Potsdam is now used as Paleomagnetic Laboratory of GeoForschungsZentrum Potsdam.

Das Absoluthaus in Niemegk 1932 und heute, kurz nach- dem es durch eine Renovierung sein ursprüngliches

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1902, he had previously organized changes in institutional affiliation the move to Seddin. Thus, he was have occurred. Upon foundation, also responsible for planning the the observatory belonged to the move to a new site. The town of Meteorological-Magnetic Obser- Niemegk, 50 km Southwest of vatory Potsdam department of the Potsdam, strongly supported the Prussian Meteorological Institute idea of installing the observatory in Berlin. From 1936 to 1945, the in the area. The new observatory observatory was affiliated to the was inaugurated on July 23, 1930, Geophysical Institute in Potsdam on the 70th birthday of Adolf of Berlin University. Due to the Schmidt. In honour of his remark- war and resulting damages to the able scientific achievements, both observatory, the measurements theoretical and practical, the new stopped on April 19, 1945 and magnetic observatory was named could only be continued from Feb- the Adolf Schmidt ruary 2, 1946. The observatory be- Geomagnetic Obser- came affiliated with the Geophysi- vatory. However, at cal Institute, later the Geomagnet- that date, not yet fin- ic Institute, belonging to the Mete- ished construction orological Survey. In 1949 the work and problems Geomagnetic Institute was as- with groundwater signed to the Berlin Academy of leaking into the vari- Science. With the academy reform ometer building de- of the GDR in 1968/1969, the ob- layed the start of observatory became affiliated to the servatory operation Central Institute of Physics of the at Niemegk. During Earth, Potsdam and in 1982 to the 1931 the instru- Heinrich-Hertz Institute Berlin- ments were moved Adlershof. When the structure of from Seddin to scientific institutes in the Eastern Niemegk and full, part of Germany was reorganized continuous opera- in 1992 after the reunification, the tion started at Nie- Adolf Schmidt Geomagnetic Ob- megk in the begin- servatory was adopted by the new- ning of 1932. ly founded GeoForschungsZen- trum Potsdam, Department 2, Erscheinungsbild zurück erhalten hat. railway was noticed even in Sed- The observatory has remained in Physics of the Earth. More details Das alte Observatoriumsgebäude von din and the observatory had to be Niemegk and continues to pro- on the history of the Adolf 1890 auf dem Telegrafenberg in Potsdam moved again. As Adolf Schmidt duce an almost uninterrupted se- Schmidt Geomagnetic Observato- beherbergt heute das Paläomagnetikla- had been head of the Magnetic De- ries of high-quality measurements ry Niemegk can be found in Bock bor des GeoForschungsZentrums Pots- partment of the Prussian Meteoro- through present time. However, (1939), and Best (1997). dam. logical Institute in Potsdam since during those 75 years significant

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Instrumentation

o obtain the full information with an instrument known as a Tabout the geomagnetic vector “fluxgate-theodolite”, which re- field, it is necessary to measure quires manual operation and takes three componentens, e.g. the in- about 15 minutes. At the Niemegk tensity (scalar measurement) and Observatory, such absolute mea- two angles of direction (declina- surements are typically made tion and inclination), or three per- twice a week and are used to moni- pendicular components. The main tor the drift of the fluxgate vari- difficulty in running a magnetic ometers. The fluxgate-theodolite observatory arises from the diffe- measures the direction of the geo- rent nature of absolute and varia- magnetic field with respect to the tion measurements. A scalar mea- horizontal plane (inclination) and surement of the field intensity ob- the angle in the horizontal plane tained by a proton magnetometer between magnetic north and true is absolute: this means it depends north (declination). only on knowledge of a physical constant (the proton gyro ratio) Before the development of the and a measurement of frequency, modern instruments, obtaining the which can be achieved with great full vector information was much accuracy (at least 10 ppm). In con- more time-consuming, and in par- trast, a vector measurement made ticular determining the absolute with a fluxgate magnetometer is strength of the field was somewhat subject to instrument drift arising cumbersome. The measurement of from sources both within the in- declination was done in a similar strument (e.g. temperature effects) way as it still is today by a theodo- as well as from the stability of the lite with a magnetic needle like the instrument mounting. Because one Adolf Schmidt introduced. In- these measurements are not ab- clination was determined through solute, they are referred to as the current induced in a coil rotat- “variation” measurements, and the ed in the geomagnetic field with instruments are referred to as “var- the so-called Earth-inductor. The iometers”. It is possible to make an attitude of the coil itself could be absolute measurement of the di- changed horizontally and vertical- rection of the geomagnetic field, ly and the coil was aligned with the but this can only be performed magnetic field lines when no cur-

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rent was induced. The absolute strength was determined for the horizontal intensity by two experiments, giving two equations with the magnetic moment of a magnet and the horizontal geomagnetic field intensity as two unknown variables. The experiments were first to measure the deviation of a magnetic needle in the field of a magnet and then to observe the oscillation period of the magnet swinging in the horizontal plane, with the theodolite and a so-called oscillation box, respectively.

Currently three modern recording systems are operated at the Nie- megk Observatory. These are three-component fluxgate magnetometers of the types FGE, GEO- Observing the Geomagnetic Field MAG and MAGSON. One GSM Overhauser proton magnetometer complements the variation record- Twice a week manual measurements are taken in ings and provides continuous ab- the absolute building. Currently used instruments solute intensity values. The direc- stand side by side with historical ones. Although tional absolute measurements are modern instruments are much easier to use than carried out by a Zeiss theodolite historical equivalents, like the theodolite devel- with a Bartington fluxgate sensor. oped by Adolf Schmidt, a reading of the direction Additionally, a three-component of the church tower is still necessary as geo- induction coil system and two tel- graphic reference. luric lines in NS and EW direction are utilized. The traditional analog Zweimal die Woche werden im Absoluthaus variometer systems with photo- Messungen von Hand durchgeführt. Die heute be- graphic recording are still opera- nutzten Geräte stehen Seite an Seite mit histori- tional while the current supply of schen Instrumenten. Obwohl die modernen Gerä- photographic papers lasts. More te wesentlich einfacher zu bedienen sind als ihre details on the current instrumenta- Vorgänger, wie der von Adolf Schmidt entwickel- tion of the observatory are pub- te Theodolit, muss nach wie vor der Kirchturm als lished each year in the Niemegk geographischer Bezugspunkt angepeilt werden. yearbooks.

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Data processing

s with other geomagnetic ob- Studies involving longer time- Aservatories, the geomagnetic spans usually require absolute se- variations at Niemegk were record- ries. These are obtained through ed by analog photographic magne- data processing, with adjustments tograms until relatively recently, made for baseline drift using the when digital systems became periodic absolute measurements. available. Hourly mean values, The very stable baseline values of read manually from the magne- Niemegk Observatory are given in tograms, were the temporally the yearbooks each year. Special- highest resolution data routinely ized data-processing software has produced. In 1994, the present been developed, making the pro- digital recording system was induction of absolute, so-called “de- stalled. The sampling rate of the finitive” data relatively efficient. variometer is 2 Hz, fulfilling the The steps involved in obtaining INTERMAGNET standard of 1 definitive magnetic data insure the second sampling at 0.1 nT resolu- minimum requirements for an IN- tion. The main product, delivered TERMAGNET Magnetic Obser- to INTERMAGNET and the vatory (IMO): the long term sta- World Data Centers, however, are bility of the order of 5 nT/year, one-minute values, which are im- and an accuracy of 10 nT for 95% portant for studying variations in of reported data, and 5 nT for the the geomagnetic field external to definitive data. The Niemegk Ob- the Earth, particularly the daily servatory is well suited to fulfill- variation and magnetic storm ef- ing these requirements. In addi- fects. Data recorded in observato- tion to the one-minute values, ries in near-real time are “varia- hourly, daily, monthly, and annual tional” or “preliminary”; being ar- mean values also are calculated bitrary to within a baseline offset, and published. It is the monthly which itself may have a slow drift. and annual mean values that cap- For many applications, such pre- ture the secular variation emanat- liminary data are sufficient, partic- ing from the Earth's core. The ularly for investigators concerned quality of estimates of secular with relatively rapid changes in variation depends critically on the the magnetic field occurring over quality of absolute measurements. time windows of less than one day. Data from the Niemegk Observa-

DOI: 10.2312/GFZ.b103-niemegk750 GeoForschungsZentrum Potsdam 75 Jahre erdmagnetische Messungen in Niemegk tory are delivered to INTER- Data for the world MAGNET daily and made available through a web-interface data- base. Current magnetograms and Left: Annual means of all the local K-index of geomagnetic magnetic components from activity are displayed in near real- Niemegk Observatory with time on the observatory web- data from Seddin and Pots- dam adjusted to the current pages. Niemegk is not only a con- location. tributing observatory for the deter- Above: Baselines of the main mination of the Kp index, but also recording system in 2004. currently hosts the IAGA (Interna- tional Association of Geomagnet- Links: Jahresmittelwerte der ism and Aeronomy) service to cal- einzelnen Magnetfeldkompo- culate and distribute this index. nenten des Observatoriums Annual yearbooks are published Niemegk mit Daten aus Sed- and made available as pdf docu- din und Potsdam auf den heu- ments on the observatory web- tigen Standort reduziert. pages. Observations are delivered Oben: Basislinien des Haupt- annually to the World Data Cen- registriersystems für 2004. ters. In addition to the usual magnetic measurements, pulsation data and recordings from two telluric lines (NS and EW, both 1000m) are available. Declination maps and grid values for Germany are compiled and upon request dedi- cated data-sets for specific purposes are made available.

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Niemegk Observatory contributions in Geomagnetism

ver time, the role of the obser- magnetic field with high accuracy. Ovatory has also been modified Constant improvements to instru- along with the affiliation changes. mentation and data processing are Before 1945, the main task of the necessary to ensure state-of-the- observatory was to record the geo- art data quality. High data quality magnetic field, and the scientific is required not only for observato- work was based at the institute in ry data, but also for repeat station Potsdam. In the following years, results. The German repeat sta- however, the tasks for the observations network, in its current form, tory were expanded. In coopera- was established in 1990 and con- tion with industry, development sists of approximately 40 stations. and calibration of instruments for The task of taking measurements explorational surveys were carried at these sites every two years be- out. With the advent of electro- longs to the Niemegk Observato- magnetic depth sounding, the ry. With the adoption of the Wingst short period variations and geo- Observatory in 2000, which was electric signals had to be recorded. formerly operated by the Bundes- A magnetic survey covering the amt für Seeschifffahrt und Hydro- whole of the GDR was carried out graphie, the Niemegk Observatory between 1953 and 1962 on a very started operation and support of dense network of stations. A re- observatories worldwide. The Vil- peat station network of 12 points la Remedios Observatory in Bo- was installed and occupied annu- livia is operated in cooperation ally from 1985 to 1990. Several with the University of La Paz and scientists also worked directly at new equipment, sponsored by the observatory and, during the GeoForschungsZentrum Potsdam, peak period, more than 50 people was installed in the observatory at were employed there. Today, the Panagurishte (Bulgaria) in June scientific evaluation of the data is 2005. The installation or support back in Potsdam, and the role of of further observatories, particu- the observatory is concentrated on larly in Africa and Asia, is its main task of recording the geo- planned. For the European region,

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Niemegk - an European Observatory

Declination map for 2004 from the measurements on the German repeat station network and the three observatories Niemegk (NGK), Wingst (WNG) and Fürstenfeldbruck (FUR). To obtain high quality measurements for the whole of Europe, internatio- nal scientists have gathered at the 1st European Re- peat Station Workshop in Niemegk in 2003. Niemegk plays a leading role in the better co- Zentrum Potsdam, it was assigned to Section Deklinationskarte für 2004 aus den Messwerten ordination of repeat station surveys of the dif- 2.3, Geomagnetic Field and Electromagentic des deutschen Säkularpunktnetzes mit den drei Ob- ferent countries. This successful initiative, Depth Sounding. The depth sounding part of servatorien Niemegk (NGK), Wingst (WNG) und now named MagNetE (Magnetic Network in Section 2.3 was recently transferred to Section Fürstenfeldbruck (FUR). Um aus ganz Europa hoch- Europe), started with a workshop at the 2.2, but the magnetotellurics part of the Geo- qualitative Messergebnisse zu erhalten haben sich Niemegk Observatory in February 2003, physical Instrument Pool of GeoForschungs- internationale Wissenschaftler beim ersten Eu- which was attended by more than 40 partici- Zentrum Potsdam is still located at Niemegk Ob- ropäischen Repeat Station Workshop 2003 in Nie- pants from 20 countries. When the Niemegk servatory. A facility to calibrate induction coils megk versammelt. Observatory became part of GeoForschungs- is also provided there.

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Why do we need observatories when we have satellites?

he data gathered by geomag- the Southern hemisphere. The Tnetic observatories form the question might arise why we still backbone of the effort to continu- need observatories when we have ously track magnetic field varia- satellites measuring the magnetic tions. This data is made available field. The answer is simple: satel- in a variety of time frames, rang- lite and observatory measure- ing from near real-time to 5-year ments cannot replace each other. summary information, depending On the contrary, they complement on needs and requirements. In re- each other perfectly. For the study cent years, however, several new of the main field, the data provid- satellites (Ørsted, CHAMP, SAC- ed by each of the three satellites C) were launched by different currently in orbit ensures good, agencies to measure the Earth's fast coverage of the Earth's sur- magnetic field from space. From face, but only for a short period of development to operation, the time compared to the time-scales A Glimpse into the Core from Outer Space CHAMP satellite also is a project of secular variation. The long time of GeoForschungsZentrum Pots- series data from observatory Studies of previously inaccessible spatial and temporal features of the magnetic field dam, which moreover significant- recordings give the greatest avail- become feasible by combining observatory and satellite data, like detailed investiga- ly contributes to the ESA project able amount of information about tions of external fields, influencing for example the aurora indicated in green on the SWARM. This mission is planned the geodynamo process. Syste- picture. The map of the comparably weak lithospheric field derived from CHAMP data to continue magnetic observation matic measurements at observato- shows the anomalies caused by magnetised rocks (altitude 400 km, units: nano-Tesla). from space with three satellites to ries are available for approximate- The measurments also offer views deep inside the Earth where the largest part of the be launched in 2009. The satellite ly 170 years, and the earliest his- main field originates. data are made available by the data torical measurements of declina- centres of each mission. Satellites tion date back to the 15th century. Erst die Kombination von Observatoriums- und Satellitendaten ermöglicht die Unter- provide large datasets, covering However, all these measurements suchung vorher unzugänglicher raum-zeitlicher Strukturen des Magnetfelds, z. B. in the whole globe in a short time. only begin to capture the impor- der Erforschung der externen Anteile die unter anderem das Polarlicht beeinflussen (in The worldwide distribution of tant long term periodicity of the der Zeichnung in grün stilisiert) . Die auf Messungen von CHAMP beruhende Welt- magnetic observatories, on the secular variation. Furthermore, karte des vergleichsweise schwachen Lithosphärenfelds verzeichnet die von mag- other hand, is highly non-uniform, only observatories, being more ro- netisierten Gesteinen hervorgerufenen Anomalien (in 400 km Höhe, Maßangabe in with the Northern hemisphere bust and less expensive, can en- Nanotesla). Die Messergebnisse ermöglichen auch einen Blick ins tiefe Erdinnere, covered significantly better than sure uninterrupted recordings into denn die Ursache des Magnetfelds liegt überwiegend im äußeren Erdkern.

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the future. The combination of observatory and satellite data is also vital for separating the different contributions of the magnetic fields internal and external to the Earth. For rapid external variations, satellite observations are a prime source of global information, but data analysis is impeded by the coeval movement of the satellite through time and space and subsequent mixing of temporal and spatial signal in the data series. Observatories, providing pure time series from individual locations, help in solving these ambiguities. Last but not least, the differences in distance from the various field sources for satellites and ground-based observatories provide certain differences in information content within the data that can be exploited in several ways. For all these reasons, it is desirable to have more, rather than fewer, observatories while the satellite missions last

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References Further information

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