ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2007, № 2, с. 34-42
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ ^^^^^^
И ИНТЕРПРЕТАЦИИ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
УДК 528.88
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЛЕКСА СПУТНИКОВЫХ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ДАННЫХ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ГЛУБИННЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ СТРОЕНИЯ ТЕКТОНОСФЕРЫ ЗЕМЛИ В ПРЕДЕЛАХ ЕВРОПЕЙСКО-АФРИКАНСКОГО МЕРИДИОНАЛЬНОГО СЕКТОРА
© 2007 г. А. Л. Харитонов*, Г. С. Хассан, С. А. Серкеров, Г. А. Фонапев, Г. П. Харитонова
*Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН им. Н.В. Пушкова,
Троицк Московской области Национальный исследовательский институт астрономии и геофизики, Хелван, Египет
Российский государственный университет нефти и газа им. И.М.Губкина, Москва Центр геоэлектромагнитных исследований ОИФЗ РАН, Троицк Московской области *Тел.(495)334-01-29: e-mail: ahariton@izmiran.ru Поступила в редакцию 15.03.2006 г.
Рассматриваются вопросы исследования глубинных неоднородностей строения тектоносферы Земли на примере Европейско-Африканского меридионального сектора с использованием различных математических методов обработки и анализа спутниковых и наземных геофизических данных (сферический гармонический синтез поля, разложение поля на естественные ортогональные составляющие, методы с использованием дифференциальных операторов, вейвлет преобразований поля, решения прямых и обратных задач геопотенциала). Рассмотрен ряд проблем, связанных с разделением полей, измеренных на спутниках на составляющие внешнего солнечно-магнитосферного и внутриземного, коро-мантийного происхождения. Применение этих методов к спутниковым магнитным (ИСЗ MAGSAT, СНАМР) и наземным гравиметрическим, сейсмическим данным позволило проследить динамику пространственной структуры магнитного и гравитационного полей и сопоставить их с некоторыми сейсмическими событиями, произошедшими в Европейско-Африканском секторе за периоды полетов спутников.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из фундаментальных задач современной геофизики является проблема исследования глубинного строения Земли. В решении этой задачи большую помощь могут оказать надежные спутниковые магнитные съемки аппаратами MAGSAT и CHAMP. Несомненное достоинство спутниковых съемок заключается в оперативности проведения измерений на огромных территориях, что избавляет от ошибок учета поправок связанных с так называемыми изменениями векового хода геомагнитного поля.
Исследование глубинного строения Земли с помощью ИСЗ MAGSAT рассматривалось нами ранее в целом ряде работ [1-7]. Обсудим результаты анализа геомагнитного поля нового ИСЗ CHAMP, запущенного на почти круговую меридиональную орбиту (87°) вокруг Земли 15 июля 2000 г. ракетоносителем "Космос" с космодрома Плисецк (Россия) и до настоящего времени производящего измерение компонент и модуля полного вектора индукции геомагнитного поля. Запуск спутника CHAMP был подготовлен и осуществлен в соответствии с проектом (или миссией
в английской траскрипции) CHAllenging Minisatellite Payload Project (CHAMP) под руководством директора проекта профессора Markus Rothacher из г. Потсдам, где находятся основные центры приема и обработки спутниковых данных. ИСЗ CHAMP - часть германского проекта по малым спутникам для геофизических и атмосферных исследований Земли. Высокая точность измерений, проводимых с ИСЗ CHAMP, его многофункциональность (близполярная, низковысотная, многодневная орбита) и использование дополнительных приборов, таких как акселерометр, для измерения альтиметрических параметров орбиты спутника, GPS-ресивера, звездных датчиков, возвратно-отражающего лазера, измерителей значений ионного дрейфа, температуры и давления [1], позволили осуществить высокоточные гравитационные и магнитные измерения полей в течение 5 лет (см. рис. 1). ИСЗ CHAMP имеет относительно низкую начальную высоту орбиты - 454 км. Высота его полета периодически корректируется и колеблется в пределах 400-454 км над уровнем поверхности Земли. Спутник состоит из базового модуля трапециевидной формы длиной почти 4 м,
Рис. 1. Внешний вид спутника CHAMP на орбите вокруг Земли [1]: 1 - магнитомер модульный; 2 - газовый резервуар; 3 - солнечная антенна; 4 - магнитомер векторный; 5 - RF-антенна; 6 - батареи; 7 - датчик заряженных частиц.
Количество витков спутника 24000
20000 3 16000 12000 8000 4000
16000 12000 8000 4000 0
< /\
2
i i /' \
3
i
i
/
\ /'
V / /' /'
_|_I-------------1
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Местное время полета, ч
Рис. 2. График количества витков ИСЗ CHAMP (1), MAGSAT (2), OERSTED (3) для модульных (а) и векторных (6) измерений в зависимости от местн. вр. пролета над территорией Земли [4].
1.6 м высотой и 0.75 м шириной [2]. Базовый модуль имеет вес 522 кг и включает систему из четырех солнечных батарей для энергетического снабжения спутника, систему телеметрической связи в виде двух S-образных антенн, GPS-антенны для определения положения спутника на орбите и дополнительный энергетический блок в виде NiH-аккумулятора. Выдвижной магнитометрический модуль весом 20 кг и размером 4.0 х 0.4 х 0.4 м включает три сегмента. Внешний сегмент включает магнитометр на эффекте Оверхаузера для измерения модуля полного вектора индукции Bu геомагнитного поля. Средний сегмент включает два звездных датчика и два флюксджейт магнитометра для измерения ортогональных компонент вектора индукции в геомагнитной системе координат (Xu, Yu, Zu). Имеется внутренний сегмент с разворачивающимся шарниром. Точность измерений компонент и модуля вектора индукции геомагнитного поля примерно такая же, как на ИСЗ MAGSAT, т.е. 6 и 1 нТл соответственно. Система определения положения спутника CHAMP на орбите позволяет определять географические координаты (ф, À) с точностью до 1 см, а высоту (h) с точностью до 10 м. Угол наклона орбиты ИСЗ CHAMP соответствует почти меридианальному направлению до широт около ±80, где спутник делает разворот орбиты с некоторым смещением по широте каждого последующего витка на 12.5. В течение суток ИСЗ CHAMP проводит измерения вдоль 14 витков, причем каждый полувиток ИСЗ относится к разному местному времени пролета над местностью, которое постоянно меняет-
ся ото дня ко дню в отличие от спутников MAGSAT и OERSTED рис. 2 [3]. Небольшое смещение витков ИСЗ CHAMP по широте на 2 ото дня ко дню позволяет покрыть регулярной сетью измерений всю поверхность над Землей. Данные, измеренные ИСЗ CHAMP, представлены в формате с односекундным разрешением отдельно по измерениям компонент полного вектора индукции магнитного поля (XM, Yu, Zu) и отдельным каналом по измерениям модуля полного вектора индукции геомагнитного поля (Bu). Кроме данных о геомагнитном поле, приводится дополнительная информация о географических координатах положения ИСЗ CHAMP (широте, долготе, высоте) и мировом времени (UT) на каждой точке измерений. Удачное сочетание приборов и параметров орбиты спутника CHAMP позволило определить пространственные изменения магнитного и гравитационного полей, а также их изменение во времени. Проект CHAMP открыл новую эру в геофизических исследованиях и стал значительным вкладом в изучение потенциальных полей Земли. Проект CHAMP также является пилотным проектом по использованию GPS-измерений для атмосферных и ионосфеных исследований и их применению в прогнозах погоды и мониторинге космической погоды.
МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ ГЕОМАГНИТНЫХ ДАННЫХ ИСЗ СНАМР
H рассматриваемую временную эпоху геофизической съемки, выполняемой спутником
áCCnEÑOBAHKE З^ЛИ ИЗ KOCMOCA < 2 2007
3*
30°
28°
26°
24°
22°
100 км
I-1
Африканская плита
1 -X-2<-У
24°
Рис. 3. Разломные тектонические структуры вокруг рифтовой зоны Красного моря, разделяющего Aфриканскую и Aзиатскую платформы, пересекаемые орбитами спутника CHAMP: 1 - зоны надвига тектонических блоков земной коры на границах разломов; 2 - зоны растяжения тектонических блоков земной коры на границе разломов; 3 - зоны сдвига тектонических блоков земной коры вдоль границ разломов.
CHAMP, геомагнитное поле можно представить как сумму постоянного и переменного полей, обусловленных источниками, расположенными как внутри Земли, так и вне ее пределов [2-5]. Изучение пространственно-временной структуры геомагнитного поля (Bu), измеренного на спутниках MAGSAT [6, 7] и CHAMP, можно рассматривать как сумму векторов напряженности нескольких полей
Z и = Z г + Z а + Z v, (1)
где Zj, - вертикальная составляющая вектора индукции главного геомагнитного поля, обусловленная источниками в ядре Земли (так называемое постоянное магнитное поле Земли); Za - вертикальная составляющая вектора индукции геомагнитного поля, обусловленная аномальными неоднородностями земной коры и мантии Земли (так называемое поле мировых аномалий); Zv - вертикальная составляющая вектора индукции переменного геомагнитного поля, обусловленная источниками внешнего происхождения. Это поле также часто называют переменным электромагнитным полем Земли.
Всю математическую обработку и анализ геомагнитных данных спутника CHAMP авторы выполняли самостоятельно, в соответствии с конкурсным соглашением о предоставлении первичных данных от центра Европейского космического агентства (г. Потсдам) отделению магнетизма Земли и планет Института земного магнетизма, ионо-
сферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пуш-кова РАН (ИЗМИРАН) в г. Троицк Московской области.
Обычно для описания главного геомагнитного поля используют сферический гармонический анализ, где потенциальная функция представляется в виде сферического гармонического ряда Гаусса. Для расчетов была использована модель главного геомагнитного поля с длиной ряда, равной 13 гармоникам, разработанная в [8].
Для анализа пространственной структуры геомагнитного поля в пределах Европейско-Афри-канского меридианального сектора, и в особенности районов достаточно интенсивных магнитных аномалий, связанных с Красным морем, разделяющим литосферные плиты Африки и Азии (рис. 3) и с Курской магнитной аномалией, а также прилегающих сейсмоактивных территорий Средиземноморья (Кавказ, Карпаты, Крым и Черноморская впадина, Египетско-Аравийская сейсмоактивная зона), были проведены математическая обработка и численная интерпретация вдоль
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.