ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 2, с. 283-288
УДК 550.383
ОЦЕНКИ ТОЧНОСТИ НЕКОТОРЫХ ГЛОБАЛЬНЫХ АНАЛИТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ С ПОМОЩЬЮ ДАННЫХ ГРАДИЕНТНЫХ МАГНИТНЫХ СЪЕМОК НА СТРАТОСФЕРНЫХ АЭРОСТАТАХ
© 2014 г. Ю. П. Цветков1, О. М. Брехов2, Т. Н. Бондарь1, С. В. Филиппов1, В. Г. Петров1, Н. М. Цветкова1, А. Х. Фрунзе1
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова,
РАН (ИЗМИРАН), г. Москва, г. Троицк 2Московский авиационный институт (МАИ), г. Москва e-mail: tsvetkov@izmiran.ru Поступила в редакцию 10.07.2012 г. После доработки 06.03.2013 г.
Исследованы две глобальные аналитические модели постоянного магнитного поля Земли (МПЗ) для оценки возможности их использования при выделении аномального МПЗ из аэростатных магнитных съемок, выполняемых на высотах ~30 км. Проведен анализ среднесуточной сферической гармонической модели (ССГМ), построенной по спутниковым данным на день аэростатных магнитных съемок. Показано, что эта модель на день магнитных съемок практически не содержит ошибок, связанных с вековым ходом, и может быть рекомендована для выделения аномального МПЗ. Оценена погрешность модели EMM в зависимости от количества гармоник, включенных в модель. Показано, что ограничение модели первыми 13 гармониками может привести к погрешностям представления главного МПЗ порядка 15 нТл. Модель EMM, развитая до n = m = 720 и построенная по спутниковым и наземным магнитным данным, неудовлетворительно представляет аномальное МПЗ на высотах 30 км. Для построения репрезентативной модели, развитой до m = n = 720, вместо наземных магнитных данных следует использовать данные аэростатных магнитных съемок для высот ~30 км. Результаты исследований подтверждены аэростатным экспериментом ИЗМИР АН и МАИ.
DOI: 10.7868/S0016794014020199
1. ВВЕДЕНИЕ
Основными составляющими, формирующими магнитное поле земной коры, являются региональные и длинноволновые магнитные аномалии, энергетический спектр которых включает гармоники с длинами волн от 60 до 3000 км. Такие аномалии, в среднем для всей Земли на уровне ее поверхности, имеют интенсивность 250 нТл. Магнитные данные для изучения таких аномалий, в основном, получают из спутниковых магнитных (высоты 350—750 км) и аэромагнитных съемок (высоты до 10 км). Однако, для решения ряда геофизических задач принципиально необходимы магнитные съемки на промежуточных высотах 20—40 км [Цветков и др., 2011]. В работе показано, что МПЗ на высотах 20—40 км не содержит поля локальных аномалий, являющихся непреодолимой помехой при создании региональных карт аномального МПЗ, как это бывает в случае использования данных аэромагнитных съемок. При таких съемках возникает задача выделения аномального МПЗ (АМПЗ) вдоль всего маршрута полета аэростата, который может достигать длины 10000 км и более. Одной из воз-
можностей решения поставленной выше задачи является использование глобальных аналитических моделей главного МПЗ. Для этого в работе [Цветков и др., 2011] была предложена методика выделения магнитных аномалий вдоль протяженных маршрутов аэростатных магнитных съемок. В качестве примера была использована Международная Геомагнитная Справочная Модель (ЮЯР). Оказалось, что результат выделения требует существенной коррекции за вековой ход магнитного поля, иначе погрешность выделенного АМПЗ превысит величину многих магнитных аномалий, существующих на высотах порядка 30 км. Там же показано, что длина числового ряда сферических гармоник модели также существенно влияет на погрешность выделения АМПЗ.
Цель данной работы — исследовать две перечисленные выше причины погрешностей выделения АМПЗ с помощью аэростатных данных ИЗМИР АН и МАИ, на примере двух других глобальных моделей МПЗ. Предпринята попытка оценить влияние магнитной возмущенности на качество используемых глобальных аналитических моделей главного МПЗ.
2. МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ
Выделение магнитных аномалий из аэростатных магнитных съемок вдоль протяженных трасс связано с проблемой репрезентативности аналитических моделей главного МПЗ. Эту проблему можно решить путем сопоставления измененных данных с модельными в местах, где нет значимых магнитных аномалий. Найти такие места по наземным картам аномального МПЗ практически невозможно из-за плохого отображения картами крупных региональных магнитных аномалий. Измерения вертикальных градиентов МПЗ позволяют найти места, в которых нет значимых магнитных аномалий. Суть этого поиска заключается в том, что при вычислении вертикальных градиентов МПЗ вдоль профиля путем вычисления разностей измерений на двух высотных уровнях, разнесенных на 6 км, автоматически исключается внешнее МПЗ и систематические погрешности используемых при этом аналитических моделей МПЗ. Если вдоль трассы съемки существуют места, где нет значимых магнитных аномалий, то градиенты аномального МПЗ в этих местах отсутствуют, и полученные разности обнуляются и совпадают с осью абсцисс. Если абсциссы этих мест перенести на профиль магнитных аномалий, т.е. на профиль разностей измеренных и синтезированных магнитных полей, то в этих местах профиля при отсутствии или коррекции внешнего МПЗ отклонения ординат от нулевой линии будут соответствовать погрешностям используемой аналитической модели. Эти погрешности следует устранить из профиля аномального МПЗ и принять их как погрешности аналитической модели главного МПЗ. Следовательно, используя вертикальные градиенты МПЗ, можно найти места, где нет значимых магнитных аномалий, оценить в этих местах погрешности модели и изучить природу этих погрешностей. Для этого были использованы модификации глобальных аналитических моделей и изучены эти погрешности путем сопоставления профилей главного МПЗ, синтезированного по этим моделям, с реальными магнитными данными, полученными вдоль трассы на аэростате.
Для решения поставленных задач первыми были использованы среднесуточные сферические гармонические модели (ССГМ), построенные по векторным данным спутника CHAMP, полученным в течение одних суток, путем разложения их по сферическим гармоникам вплоть до степени и порядка 13 [Головков и др., 2007]. Особенность этой модели состоит в том, что она не содержит ошибок за счет вклада вековой вариации, если модель использовать на день проведения магнитных съемок. Такая модель позволяет путем сравнения оценить погрешности выделения аномального МПЗ, обусловленные вековой вариацией при использовании какой-либо глобальной модели главного МПЗ и вековой вариации.
В качестве второй модели для намеченного анализа была использована модель постоянного МПЗ ЕММ/720 (http://www.ngdc.noaa.gov/geo-mag/EMM), построенная по спутниковым и наземным данным до 720-ой сферической гармоники. Если эту модель ограничить до степени и порядка п = т = 13, то полученная модель практически будет соответствовать модели ЮЯЕ Анализ модели ЕММ/720 путем сопоставления синтезированных значений постоянного МПЗ на высоте 30 км с аэростатными данными позволяет оценить качество аномального МПЗ на высоте 30 км, представленного моделью ЕММ/720.
В проведенных исследованиях были использованы данные аэростатных градиентных магнитных съемок на высоте ~30 км. Магнитные измерения выполнялись протонными магнитометрами, имеющими погрешность измерений ~1 нТл. Местоположение магнитометров в полете определялось ОР8-приемниками с точностью ~10 м. Поправки за отклонения измерительной базы градиентометра от вертикальной линии вводились по методике, разработанной в работе [Цветков и др., 2007]. Для учета временной вариации МПЗ в месте старта аэростата была установлена протонная магнитометрическая станция (аналог бортового магнитометра).
3. РЕЗУЛЬТАТЫ
Результаты большого числа работ показывают, что главное МПЗ описывается сферическими гармониками, развитыми именно до степени (п) и порядка (т) равными 13. Для исследования влияния поля вековой вариации на выделение аномального МПЗ, были построены ССГМ модели за 2004—2008 гг. (п = т = 13), приуроченные к маг-нитоспокойным дням, характеризующиеся суммарным за сутки планетарным индексом 1,Кр < 20, к концу декабря каждого года. Полученные графики разностей для каждого года проходят параллельно, и для данного географического места отстоят друг от друга в смежные годы на величину вековой вариации 31 ± 10 нТл/год (~0.1 нТл/сутки). Это согласуется с данными ближайшей от трассы полета аэростата магнитной обсерватории "Арти". Ниже будут исследованы ССГМ модели в интервале ±10 дней от даты аэростатных магнитных съемок. В этом случае вклад вековой вариации в процесс выделения аномального МПЗ может достигнуть ±1 нТл, но эта величина незначительна по сравнению с другими ошибками выделения, и ее не будем принимать во внимание.
Для анализа влияния магнитной активности на погрешность выделения АМПЗ был выбран полет аэростата, выполненный 26 декабря 2006 г., в течение которого практически отсутствовала магнитная возмущенность. Магнитное поле в месте старта аэростата за время полета контролировалось и оставалось примерно постоянным (не
Разн. МПЗ, нТл
Е
Рис. 1. Разности измеренного и синтезированного по ССГМ модели модуля МПЗ, построенные за дни с разной магнитной возмущенностью.
1 — за 15 декабря 2006 г.; 2 — за 16 декабря 2006 г.; 3 — за 21 декабря 2006 г.; 4 — за 22 декабря 2006 г. Заштрихованная зона — разности за 24—28 декабря 2006 г.
превышало ±1 нТл в месте старта аэростата). Выборка спутниковых данных сделана на день полета стратосферного аэростата и за ±2 дня от него. Все эти дни характеризуются весьма низкой магнитной активностью, когда 1,Кр имела значения, равные 21, 15, 9, 4 и 4 соответственно для 24, 25, 26, 27 и 28 декабря 2006 г. В это же время Бй вариация медленно восстанавливалась после большой магнитной бури 14—16 декабря 2006 г. от значений —40 нТл до —12 нТл. При многосуточном полете аэростата, всегда есть вероятность, что в какие-то дни полет может происходить в условиях повышенной магнитной активности. Это требует оценки ее влияния на качество ССГМ модели, поэтому был сделан анализ данных за 15.12.2006 г. (изменчивость за сутки Лй вариации состави
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.