Bei dem hier benutzten Cäsiummagnetometer handelt es sich um den Typ G-858 der
Firma Geometrics Inc.. Im Gegensatz zu herkömmlichen
Absorptionszellenmagnetometern, deren Frequenz ständig durchgestimmt werden
muß, um das Absorptionsminimum und somit die magnetische Flußdichte zu
bestimmen, wird die Frequenz des HF-Signals dieses Gerätes ständig dem
Absorptionsminimum bei 
(Larmor-Frequenz) angepaßt.
Man geht folgendermaßen vor, um dies zu erreichen: Das Signal der
Fotozelle besitzt eine der Zeeman-Aufspaltung entsprechende leichte
HF-Modulation im mV-Bereich. Dieses Signal wird nun auf 2V verstärkt und
zur Hochfrequenzspule
zurückgekoppelt, so daß diese direkt mit der Larmor-Frequenz schwingt. Die
Zelle absorbiert also ständig, und man stellt hinter ihr ein permanentes
Minimum der Lichtintensität fest (Abbildung 2.2). Ein solches
Magnetometer nennt man selbstoszillierendes
Cäsiumabsorptionszellenmagnetometer [Smi97].
Der Meßbereich des Magnetometers deckt Werte von 
bis 
ab. Desweiteren ist noch zu beachten, daß der zylindrische Sensor über
sogenannte Totzonen verfügt. Fällt das Magnetfeld in eine
dieser Totzonen ein, so ist das Meßgerät bauartbedingt nicht in der Lage ein
vernünftige Feldmessung durchzuführen, und es zeigt 
an. Um dies zu
vermeiden, sollte die Symmetrieachse des Sensors im Winkel von 
zum Erdmagnetfeld eingestellt werden [Smi97].
Da man die Auswirkung des Tagesganges auf die Messungen so gering wie möglich
halten möchte, wird in Gradiometeranordnung gemessen. Eine solche Anordnung
besteht aus zwei Meßsonden, die in unserem Fall in einem Abstand von 
vertikal übereinander angebracht sind. Die untere Sonde befindet sich in einer
Höhe von 
über dem Boden. Hierbei ist allerdings zu beachten, daß kein
tatsächlicher Gradient gemessen wird, da hierfür die Grenzwertbedingung
nicht erfüllt ist. Tatsächlich wird in unserem Fall die Differenz der
magnetischen Flußdichten zweier Orte im vertikalen Abstand von
gemessen:
Breiner gibt an, daß die Gradientenbedingung erst hinreichend erfüllt
ist, wenn 
kleiner als ein Fünftel des Abstands von der Anomalie ist
[Bre73]. Man sollte also beachten, daß es sich nicht um einen
wirklichen Gradienten, sondern nur um eine Differenz handelt, wenn im weiteren
Verlauf dieser Arbeit davon die Rede sein wird.
Es wurde ein Tagesgang über 
mit beiden Sensoren in einem Abstand von
aufgenommen, um zu überprüfen, wie gut die Gradiometeranordnung die
Tagesgangschwankungen korrigiert. Hierbei betrug das Meßintervall
. Die Meßwerte wurden in einem stark besiedelten Gebiet aufgenommen,
so daß mit Störungen, die auf die Zivilisation zurückzuführen sind, gerechnet
werden muß. Abbildung 3.1 stellt die Meßwerte des oberen
Sensors, des unteren Sensors und die Sensordifferenz dar. Die Totalintensität
des Magnetfeldes schwankte an diesem Tag zwischen 
und 
um ca. 
. Deutlich ist das Minimum der Intensität gegen
Mittag zu erkennen, was auf ein Maximum der Aktivitäten in der
Ionosphäre und der Magnetosphäre
zurückzuführen ist (höchster Sonnenstand). Die Sensordifferenz zeigt diese
großen Schwankungen nicht. Der fallende Trend der magnetischen Flußdichte
gegen Mittag ist aufgehoben worden. Dennoch sind deutliche Änderungen zu
beobachten, die im Bereich von 
liegen. Gegen 23.00 Uhr wird ein
starker Abfall der Sensordifferenz beobachtet. Dies ist wahrscheinlich auf
Umwelteinflüsse zurückzuführen. Hierzu zählen in erster Linie Veränderungen
der Sensorpositionen durch Wind und elektrische Geräte, die sich in der Nähe
des Meßplatzes befinden. Der Abstand zu den nächsten Häusern betrug ca.
, so daß sogar mit Störungen gerechnet werden muß, wenn der Nachbar
sein Auto in die Garage fährt. Um ca. 10.00 Uhr beobachtet man ein plötzliches
Ansteigen der Differenz, die sich eine kurze Zeit auf diesem Niveau hält, um
dann wieder auf ihren ursprünglichen Wert zu sinken. Hier muß davon
ausgegangen werden, daß diese Störung in unmittelbarer Umgebung des
Meßplatzes stattfand. Es wurde, wie auch immer, für kurze Zeit ein
Magnetfeld erzeugt, das in der Sensoranordnung eine Differenz von knapp
auslöste. Hieraus wird ersichtlich, mit welchen Störungen man zu
rechnen hat, wenn man in Zivilisationsnähe prospektieren möchte.
Abbildung 3.1: Messung des
Tagesganges vom 25. auf den 26.05.97.
und 1h variiert werden. Zur Speicherung der Daten im Binärformat
steht intern ein 1MB großer Speicher zur Verfügung. Die Daten können wahlweise
direkt über eine RS-232 Schnittstelle an einen PC transferiert werden oder nach
Abschluß der Messung aus dem Speicher des Meßgerätes heruntergeladen
werden. Die Speicherkapazität reicht für eine dreistündige
Messung in Gradiometeranordnung mit einem Meßintervall von aus.
-Fehler (doppelte Standardabweichung) bestimmt wurde. Da hierbei aber
aufgrund der Mikropulsationen immer eine kleine lokale Änderung des Gradienten
mit der Zeit beobachtet wurde und so die Bestimmung des reinen Meßfehlers
nicht möglich war, wurde diese zeitliche Variation des Erdmagnetfeldes
rechnerisch eliminiert. Hierzu wurde ein Polynomfit durchgeführt, der die
Änderung des Magnetfeldes phänomenologisch simuliert. Dieser wurde von den
Meßwerten abgezogen. Dadurch hat man nun auf eine konstante Differenz normiert
und kann die statistischen Fehler unter der Annahme einer Normalverteilung der
Meßwerte bestimmen. Abbildung 3.2 zeigt die Korrektur der Daten am
Beispiel des Meßintervalls von 
.
Abbildung 3.2: Korrektur der Gradientenänderung
durch einen Polynomfit. Die im oberen Diagramm dargestellten
Meßdaten wurden an ein und demselben Ort mit einem Meßintervall von
aufgezeichnet. Deutlich ist die Änderung des Gradienten zu
sehen, die durch das eingezeichnete Polynom phänomenologisch erfaßt
wird. Im unteren Diagramm sieht man die korrigierten Meßdaten nach
Addition des Mittelwertes und Subtraktion des Polynoms. Der Einfluß der
zeitlichen Gradientenänderung ist verschwunden.
Werksseitig wird der -Fehler in Abhängigkeit vom
Meßintervall T für einen Sensor wie folgt angegeben [Geo95]:
Für eine Differenzmessung zweier Sensoren folgt also für den
-Fehler nach Gauß'scher Fehlerfortpflanzung:
Die Ergebnisse dieser Messung sind in Tabelle 3.1 und
Abbildung 3.3 dargestellt. Die Meßfehler stimmen innerhalb ihres
statistischen Fehlers mit den
Herstellerangaben überein. Alle nachfolgenden Messungen wurden mit einem
Meßintervall von durchgeführt, so daß man für die Sensordifferenz von
einem Fehler von 
ausgehen kann.
Tabelle 3.1: Ergebnisse der
Differenzmessung nach Korrektur der Einflüsse der Mikropulsationen (siehe
Abb. 3.3)
Abbildung 3.3: Meßfehler des Magnetometers in
Gradiometeranordnung (Differenzmessung) in Abhängigkeit vom Meßintervall
Da die ständig auftretenden Mikropulsationen die Reproduzierbarkeit der Messung beeinflussen, soll an dieser Stelle kurz untersucht werden, in welcher Größenordnung diese Beeinflussung liegt. In Abschnitt 3.1.4 wurden diese Einflüsse phänomenologisch eliminiert, um die tatsächliche Präzision des Meßgerätes zu bestimmen. Nun kann man bei einer Prospektion die zeitlichen Änderungen ohne eine zeitlich hochaufgelöste Tagesganganalyse nicht von der örtlichen Änderung des Gradienten unterscheiden, so daß man an der Größenordnung des Einflusses dieser zeitlichen Schwankung interessiert ist. Es ist allerdings zu beachten, daß es sich hierbei um eine Abschätzung handelt. Die Messung stimmt für den Augenblick, in dem sie durchgeführt wurde. Hieraus lassen sich aber keine Rückschlüsse auf ein zukünftiges zeitliches Verhalten des Magnetfeldes ziehen. Dies ist der Hauptgrund, warum während eines Magnetsturmes die magnetische Prospektion zu keinen guten Ergebnissen führt.
Mit einem Meßintervall von wurde 
lang die Differenz
an einem festen Ort mit einem vertikalen Sensorabstand von
bestimmt. Aus diesen 600 Meßwerten wurden der Mittelwert und der
-Fehler bestimmt. Abbildung 3.4 zeigt die
Häufigkeitsverteilung dieser Meßwerte. Der Mittelwert beträgt
und die doppelte Standardabweichung beträgt
Die Daten waren also in diesem Fall mit einem Fehler von
innerhalb einer Meßzeit von
reproduzierbar. Dieser Fehler ist ungefähr dreimal größer als die eigentliche
Meßpräzision des Gerätes.
Abbildung 3.4: Histogramm der Meßwerte einer
Reproduzierbarkeitsmessung von Dauer mit einem Meßintervall von
.
Ein weiterer Fehler ist die Temperaturdrift. Sie wird mit 
angegeben [Geo95]. Hierbei ist also zu beachten, daß das Meßgerät einer
ausreichenden Akklimatisation unterzogen wird und sich nicht erst während der
Messung aufwärmt bzw. abkühlt.
Abbildung 3.5: Experimenteller
Nachweis des Heading Errors
Abbildung 3.6: Meßdaten zum
Nachweis des Heading Errors
Der sogenannte ,,Heading Error`` tritt auf, falls sich der
Winkel zwischen Magnetfeldrichtung und Sensorachse ändert. Dies ist z.B. der
Fall, wenn bidirektional gemessen wird. Hierbei wird ein Offset zwischen zwei
benachbarten Linien beobachtet. Dieser Fehler kommt durch leichte magnetische
Verschmutzungen im Sensor selbst und durch fehlerhafte Ausrichtung beim
Zusammenbau der Sensoren zustande [Smi97]. Weiterhin ändert sich die
relative Position des Meßwagens und der Person, die die Messung durchführt. Er
wird durch das in Kapitel 4 besprochene selbstentwickelte
Programmpaket XMAGCAL korrigiert.
Zum Nachweis des Heading Errors des von uns benutzten Meßgerätes wurde
eine Differenzmessung bei verschiedenen Winkeln durchgeführt. Hierzu wurden
beide Sensoren senkrecht montiert. Der Winkel wurde geändert, indem beide
Sensoren um ihre Symmetrieachse gedreht wurden. Hierdurch erfaßt man den
Heading Error der Gradiometeranordnung. Das Meßintervall
betrug 
, woraus folgt, daß mit einer Präzision von 
gemessen wurde. Mit 
wurde ein relativ kleiner Sensorabstand gewählt,
um Störeinflüsse durch möglicherweise vorhandene Anomalien am Meßplatz so
klein wie möglich zu halten. Norden entspricht einem Winkel von 0°. Für die
Winkel 0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270°, 315° und 360°
wurden jeweils 38 Meßwerte aufgenommen. Abbildung 3.6 zeigt die
Meßdaten der beiden Sensoren, so wie deren Differenz. Hier ist gut zu
erkennen, daß eine Differenzmessung die störenden Mikropulsationen eliminiert.
Abbildung 3.5 zeigt die Mittelwerte der Differenzen zwischen den
beiden Sensoren in Abhängigkeit vom Winkel. Der Fehler in der Sensordifferenz
wurde durch die Meßpräzision abgeschätz, für den Winkel wurde ein Fehler von
5° angenommen. Die Werte bei 0° und 360° stimmen innerhalb ihrer Fehler
überein, woraus man schließen kann, daß kein Trend in der Differenz während
dieser Messung stattgefunden hat. Desweiteren stellt man fest, daß die
minimale Differenz bei Winkeln von 0° und 180° auftritt. Maxima bilden
sich bei 90° und 270° aus. Verdreht man den Sensor also um 180°, so
zeigt er ein ähnliches Verhalten in Bezug auf den Heading Error.