ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2015, № 2, с. 3-20
УДК 550.38
ГЕОИНФОРМАТИКА И НАБЛЮДЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ:
РОССИЙСКИЙ СЕГМЕНТ
© 2015 г. А. Д. Гвишиани', 2, Р. Ю. Лукьянова1
Геофизический центр РАН, г. Москва 2Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва E-mail: r.lukianova@gcras.ru Поступила в редакцию 14.07.2014 г.
Обсуждаются актуальные проблемы исследований в области геомагнетизма. Приводится краткое описание внутреннего и внешнего магнитного поля Земли, рассматривается современное состояние геомагнитной наблюдательной сети, включая наземные и космические наблюдения. Показана роль Геофизического центра РАН (ГЦ РАН) в изучении магнитного поля Земли и развитии национальной наблюдательной сети обсерваторий высшего международного стандарта качества ИНТЕР-МАГНЕТ. Перечислены задачи, которые решает ГЦ РАН в области геомагнетизма в плане сбора, обработки и анализа информации. Сформулированы предложения по развитию системы геомагнитных наблюдений в РФ.
DOI: 10.7868/S0002333715020040
1. ВВЕДЕНИЕ
Поступательное развитие системы мониторинга геомагнитного поля с помощью большого числа национальных обсерваторий, оснащенных современной аппаратурой и входящих в международное объединение ИНТЕРМАГНЕТ, а также недавний запуск Европейским космическим агентством специальных спутников для измерения геомагнитного поля обусловливает важность поддержания конкурентоспособности нашей страны в области геомагнитных исследований. Это касается создания и расширения наблюдательной инфраструктуры, создания новых методов обработки данных, получения оригинальных научных результатов, разработки и использования научно-технической продукции. В настоящее время в России уже имеется ряд обсерваторий стандарта ИНТЕРМАГНЕТ, которые, однако, передают свои наблюдения в зарубежные центры сбора и обработки данных, где по специальной процедуре производится верификация записей, очистка от помех и производство так называемых "окончательных" ("definitive") данных. Актуальной задачей является существенное расширение российского сегмента ИНТЕРМАГНЕТ и создание достаточно мощного национального узла сбора геомагнитных данных, способного выпускать информацию в реальном времени и со статусом "definitive" независимо от зарубежных центров.
Сегодня происходит лавинообразный рост количества данных измерений в области наук о Земле в целом и в области геомагнетизма в частности.
В связи с ужесточением требований к качеству поступающих данных, а также в связи с перспективами использования координированных измерений в различных географических точках земного шара и в космосе возникает необходимость разработки новых технологических решений для сбора, обработки, хранения и распространения данных. Не менее важным является разработка новых математических методов анализа данных с применением современных геоинформационных подходов. Эти подходы должны, с одной стороны, обеспечивать автоматический интеллектуальный контроль качества поступающей информации с возможностью разделения помех техногенной природы и вариаций магнитного поля, обусловленных физическими процессами. С другой стороны, необходимо развивать методики, позволяющие структурировать информацию и выделить определенные индикаторы, которые упрощают слежение за развитием физических процессов. Таким образом, возникает целый ряд взаимосвязанных задач, решение которых требует использования методов системного анализа, геоинформатики и математической геофизики.
Данная статья посвящена обсуждению актуальных проблем геомагнитных исследований и роли Геофизического центра РАН (ГЦ РАН) в изучении магнитного поля Земли и развитии национальной наблюдательной сети высшего международного стандарта качества. В разделе 2 дано краткое изложение современных представлений о внутреннем и внешнем магнитном поле Земли. В разделе 3 обсуждается развитие геомагнитной
наблюдательной сети, включая наземные и космические наблюдения. Четвертый раздел посвящен направлениям исследований в области изучения магнитного поля Земли, которые проводятся в ГЦ РАН. Заключительный раздел содержит предложения по развитию геомагнитных наблюдений в РФ, которые обеспечивают поддержание имеющегося на сегодняшний день положительного тренда.
2. СТРУКТУРА МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ
Геомагнитное поле характеризуется неоднородной пространственной структурой и широким спектром временных вариаций. Это объясняется тем, что оно создается за счет источников различной природы, расположенных внутри Земли, а также в магнитосфере и ионосфере. Геомагнитное поле пронизывает все оболочки Земли: литосферу, гидросферу и атмосферу, оказывая влияние на геофизические, биофизические и технологические процессы.
2.1. Внутреннее геомагнитное поле
Земля относится к классу планет, обладающих собственным магнитным полем. Его основные источники находятся внутри земного шара: в жидком ядре, мантии и коре. Эти источники создают внутреннее магнитное поле Земли. Вклад внутреннего геомагнитного поля в полный вектор магнитной индукции В, наблюдаемый на поверхности Земли, составляет в целом более 95%. Главное поле, возникающее вследствие динамо процессов во внешней части жидкого ядра Земли и изменяющееся на временных масштабах десятков лет, имеет, вообще говоря, мультипольную структуру, но доминирующую роль играет симметричный диполь [Паркинсон, 1986]. Магнитные полюса отстоят от оси вращения Земли приблизительно на 11.5° (ось вращения отклонена от плоскости эклиптики на 23.5°). Вектор В раскладывается на три ортогональные компоненты: Х (направлена на север), У (на восток) и Z (вертикаль, направленная к югу) или на ортогональные компоненты Н (на северный магнитный полюс) и Z и угловую компоненту магнитного склонения Б (угол между географическим и магнитным меридианами) [Яновский, 1978]. Еще одним элементом геомагнитного поля является магнитное наклонение J (угол между горизонтальной составляющей и направлением полного вектора). Величина В составляет более 60000 наноТесла (нТл) у полюсов, где вектор поля ориентирован нормально к земной поверхности, и около 30000 нТл в районе экватора, где этот вектор направлен горизонтально.
В верхней мантии и коре, различные геологические образования являются источниками лито-сферной части внутреннего поля. Эти магнитные
аномалии связаны в основном с магматической и метаморфической природой горных пород. Рост температуры с увеличением глубины приводит к тому, что горные породы, находящиеся на определенной глубине (глубина залегания точки Кюри), уже не обладают магнитными свойствами. Глубина Кюри изменяется от ~20 км в континентальных районах до ~2 км в океанах [Моисеенко, Смыслов, 1986]. Таким образом, литосферное поле генерируется в слоях, находящихся сравнительно близко к поверхности Земли. Его величина изменяется в широких пределах от 1 нТл до нескольких тысяч нТл, и в целом оно вносит вклад порядка процента в величину внутреннего поля.
Источником данных о внутреннем поле являются магнитные обсерватории, наземные и аэромагнитные съемки, а также спутниковые измерения. Главное поле Земли определяется путем временного (за год) и пространственного (по площади не менее 106 км2) усреднения по каждой компоненте. Для описания этого крупномасштабного геомагнитного поля применяется модель IGRF (International Geomagnetic Reference Field), основанная на сферическом гармоническом анализе. Обновление модели и коэффициентов разложения на основе новых спутниковых и наземных обсерваторских измерений происходит каждые 5 лет [Mac-millan, Maus, 2005; Finlay et al., 2010]. Очередная версия модели утверждается Международной Ассоциацией Геомагнетизма и Аэрономии (International Association of Geomagnetism and Aeronomy, IA-GA). В настоящее время действующей версией является модель IGRF-2010 (рис. 1).
Данные реальных наблюдений магнитных обсерваторий, расположенных в различных точках земного шара, в той или иной степени отличаются от модельных данных. Для составления уточненных карт региональных магнитных аномалий литосферного происхождения (пространственный масштаб 1—1000 км) используются дополнительные данные спутниковых, аэромагнитных измерений и магнитной съемки. Разрабатываются общемировые модели и карты магнитных аномалий, такие как семейство моделей СМ (Comprehensive Model, Комплексная модель) [Sabaka et al., 2004] или WDMAM (World Digital Magnetic Anomaly Map, Мировая цифровая карта магнитных аномалий) [Lesur, Maus, 2006; Korhonen et al., 2007]. На рис. 2 представлен пример распределения вертикальной компоненты литосферного магнитного поля по модели СМ4 [Sabaka et al., 2004], основанной на обобщенных данных четырех геомагнитных спутников CHAMP, Magsat, Oersted, POGO. Карты крупномасштабного магнитного поля и карты, построенные с использованием данных магнитной съемки на территории СССР в 1950—1990 гг., собраны в Атласе магнитного поля [Гвишиани и др., 2010а; Соловьев и др., 2012б].
Рис. 1. Изолинии величины индукции (нТл) магнитного поля Земли по модели IGRF-2010 BGS.
К внутреннему магнитному полю можно отнести и поле, создаваемое океанскими течениями вследствие динамо эффекта, возникающего при движении проводящей жидкости (соленой океанской воды) в геомагнитном поле. Хотя вклад этого поля невелик и составляет порядка десяти нТл, но этот сигнал может быть выделен в данных низкоорбитальных спутниковых измерений [Мапсу й а1., 2006].
2.2. Внешнее геомагнитное поле
Источники магнитного поля находятся не только внутри Земли, но и в околоземном пространстве. Источником внешнего магнитного поля является сложная и изменчивая трехмерная система электрических токов, текущих в магнитосфере и ионосфере Земли. Магнитный эффект этих токов наблюдается на Земле в виде регулярных вариаций (суточных, сезонных, 11-летних) и спорадических флуктуаций на временных масштабах от секундных до многочасовых отклонений от спокойного уровня. Короткопериодные флуктуации, связанные с токовыми системами магнитных бурь, суббурь и других нестационарных явлений формируют геомагнитную активность.
Постоянно исходящий от Солнца сверхзвуковой поток заряженных частиц, в основном протонов, а также связанн
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.