УДК 550.383+550.384
ПЕРВЫЕ ГЕОМАГНИТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ В АНТАРКТИЧЕСКОМ РЕГИОНЕ
© 2014 г. |О. М. Распопов|, И. М. Демина, В. В. Мещеряков
Санкт-Петербургский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн
им. Н.В. Пушкова, РАН, г. Санкт-Петербург e-mail: dim@izmiran.spb.ru Поступила в редакцию 26.12.2013 г.
На основе данных из литературных и архивных источников проведены дополнительная обработка и анализ результатов геомагнитных измерений, выполненных во время Второй кругосветной экспедиции (1772—1775 гг.) Дж. Кука и кругосветной антарктической экспедиции русских мореплавателей (1819—1821 гг.) Беллинсгаузена и Лазарева. Проведенное сравнение с исторической моделью ОиРМ показало, что имеются систематические различия в пространственной структуре как склонения, так и его векового хода. Полученные результаты могут служить основанием для построения региональных моделей геомагнитного поля для Антарктического региона.
БО1: 10.7868/80016794014030122
1. ВВЕДЕНИЕ
Исследование процессов, протекающих в жидком ядре Земли и ответственных за генерацию главного магнитного поля (ГМПЗ), основано на данных наземных магнитных измерений. В настоящее время существует широкая сеть магнитных обсерваторий, осуществляющих непрерывные измерения компонент геомагнитного поля, проводятся регулярные измерения на большом количестве пунктов векового хода, осуществляются запуски специализированных спутников, проводящих магнитные измерения. Все эти данные после специальной обработки составляют основу для построения цифровых моделей пространственной структуры ГМПЗ.
При движении в начало XX в. и тем более в XIX—XVIII вв. количество наблюдений резко убывает, в то время как для анализа изменений ГМПЗ во времени возникает потребность в длинных рядах измерений. Это повышает значимость исторических данных, несмотря на несовершенные приборы и невысокую точность, в частности, для оценки подробности описания историческими моделями ГМПЗ векового хода в отдельных регионах. Опыт такого сравнения, проведенного по историческим данным в Италии [Са1аге11а йа1., 1992], в Санкт-Петербургском регионе [Птицына и др., 2013], показал, что исторические данные действительно содержат дополнительную информацию о региональных особенностях протекания вековых вариаций.
Большая часть измерений склонения в XVI— XVII вв. проводилась испанскими и португальскими моряками на кораблях. Хотя их было сделано значительное количество, эти измерения
выполнялись в целях навигации, не носили систематический характер и покрывали ограниченную территорию. В регионе Антарктиды первые геомагнитные измерения были выполнены в ходе второй кругосветной экспедиции (1772—1775 г.) Дж. Кука [Cook, 1777; The Journals ..., 1961] и до экспедиции Беллинсгаузена оставались практически единственными такого рода измерениями в этом регионе. Полученные в ходе экспедиции данные о магнитном склонении были использованы при построении исторической модели GUFM [Jackson et al., 2000]. Эта модель охватывает период с 1582 по 1997.5 гг. и описывает компоненты ГМПЗ в любой точке земного шара. Поскольку данные как во времени, так и в пространстве распределены очень неоднородно, результат получается сглаженным и может не отражать некоторые особенности пространственно-временной структуры ГМПЗ.
Целью данной работы является проведение сравнительного исследования результатов измерения магнитного склонения в ходе экспедиций Кука и Беллинсгаузена со значениями, рассчитанными по исторической модели GUFM.
2. ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОГО
СКЛОНЕНИЯ В РАЙОНЕ АНТАРКТИДЫ В КОНЦЕ XVIII-НАЧАЛЕ XIX ВЕКОВ
Основной целью экспедиции Дж. Кука было достижение Южного материка. В результате Куку так и не удалось разрешить свои сомнения относительно его существования, но данные измерений склонения в ходе экспедиции были опубликованы в его книге о втором кругосветном путе-
-180°
Рис. 1. Схема распределения пунктов измерения склонения в ходе экспедиций Кука и Беллинсгаузена. Черные круги — экспедиция Кука, белые круги — экспедиция Беллинсгаузена.
шествии [The Journals .., 1961]. Помимо данных об измерениях магнитного склонения, приводимых в дневниках Кука, имеются и результаты измерения склонения, выполненные астрономом экспедиции W. Beyley, которые приведены в книге Hansteen [1819]. Если ограничиться областью выше 40° S, то общее число доступных по литературным данным измерений составило 390 точек за период с 1772 по 1775 гг. Все точки, попадающие в рассматриваемую область, показаны на рис. 1 черными кругами.
Более сложная история произошла с данными о магнитном склонении в Антарктическом регионе, полученными Русской антарктической экспедицией (1819—1821 г.) Беллинсгаузена и Лазарева. В опубликованном отчете Беллинсгаузена [1831] был приведен ограниченный список измерений склонения (52 измерения), хотя во время плавания в течение 170 суток эти измерения проводились регулярно. Много позже в Центральном государственном архиве ВМФ была обнаружена Отчетная карта экспедиции Беллинсгаузена—Лазарева, которая дополнила данные об измерении склонения, но очень незначительно [Белов, 1963].
Значительно более ценным оказалось обнаружение в Архиве ВМС письма адмирала И.Ф. Кру-
зенштерна к Беллинсгаузену. В этом письме он воспроизвел просьбу Ф. Гаусса к Беллинсгаузену: Гаусс для проверки своей "Общей теории земного магнетизма" (Allgemeine Theorie des Erdmagnetismus) просил прислать ему данные магнитных измерений во время антарктического вояжа, а также книгу Беллинсгаузена. Через 3 месяца Крузенштерн получил через директора Пулковской обсерватории В. Струве ответное письмо Беллинсгаузена со списком измерений склонения — 202 измерения склонения. Гаусс поблагодарил за присылку данных и опубликовал их в пятом томе "Resultate aus den Beobachtungen des Magnetischen Vereins" [1840]. Пункты измерений склонения в экспедиции Беллинсгаузена показаны на рис. 1 белыми кругами.
Если использованные при построении исторической модели GUFM измерения Кука были единственными магнитными измерениями в 1750—1799 гг. в антарктическом регионе, то для периода 1800—1849 гг. таковыми же были измерения Беллинсгаузена и исследователей, работавших в районе моря Росса в конце этого временного интервала. Сравнение значений склонения, вычисленных по модели GUFM, с экспериментальными данными Кука и Беллинсгаузена с целью выявления влияния возможных региональных аномалий
ПЕРВЫЕ ГЕОМАГНИТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ В АНТАРКТИЧЕСКОМ РЕГИОНЕ
293
до настоящего времени не проводилось. Кроме того, поскольку две экспедиции разделяет без малого 50 лет, сравнение данных Кука и Беллинсгаузена позволяет оценить вековые изменения склонения хотя бы в нескольких точках.
3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
И ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
В рамках данной работы мы ограничились рассмотрением высокоширотной области в полосе выше 40° S. Для точек, попадающих в эту область, были вычислены значения склонения по модели ОиБМ в точках измерений, выполненных в экспедициях Кука и Беллинсгаузена в разные годы, с последующим расчетом разностей измеренных и модельных значений. Полученные разности характеризуют характер и степень отличия экспериментальных данных от модели ОиБМ. Дальнейший анализ проводился в зависимости от координат. Везде ниже для краткости будем называть полученные разности рядами данных. Поскольку между рассматриваемыми экспедициями прошло почти 50 лет два ряда разностей анализировались отдельно.
3.1. Статистические характеристики рядов
Для каждого из полученных рядов разностей склонения были вычислены статистические характеристики. Отдельные выбросы мы посчитали ошибочными и исключили из дальнейшего анализа. Величины, которые рассчитывались, и основные результаты представлены в табл. 1. Средние значения всех основных статистических характеристик для двух рядов близки по величине. Средние значения и медианы — одного знака и сдвинуты в область отрицательных значений, что говорит о доминировании отрицательных значений разностей. Тот же результат показывает суммарное количество точек с отрицательными значениями, которое значительно превышает количество точек с положительными значениями разностей. Хотя по величине все средние значения невелики, так среднее отклонение не превышает 2-х градусов, а среднеквадратическое отклонение лишь немногим больше 2.5°, в целом, различие между измеренными и вычисленными значениями носит систематический характер. Это хорошо видно на рис. 2, где представлены соответствующие разности в точках измерений для каждого из анализируемых рядов. Черными кругами показаны отрицательные значения, белыми — положительные. Размер символа на рисунке пропорционален абсолютной величине значения разности. Отчетливо проявляется доминирование отрицательных значений для данных Беллинсгаузена. Для ряда данных Кука как соотношение положительных и отрицательных значений, так и распределение
Таблица 1
Параметр Кук Беллинсгаузен
в град.
максимальное 4.79 5.2
минимальное -7.72 -12.12
среднее -1.11 -1.49
медиана -1.01 -1.54
среднее отклонение 1.76 1.87
среднеквадратическое отклонение ст 2.51 2.67
в точках
отрицательных 272 162
положительных 118 41
среднее в секторе 21.7 16.5
рассматриваемых разностей по абсолютной величине зависят от долготного сектора. Причем выраженный положительный сектор в данных Беллинсгаузена совпадает с сектором доминирующих положительных значений в данных Кука. С учетом широтного распределения можно найти и другие схожие области.
3.2. Особенности пространственной структуры распределения анализируемых разностей
Поскольку все измерения склонения проводились в узкой широтной полосе, анализ особенностей пространственного распределения разностей возможен только по долготным секторам. Весь круг в диапазоне от —180° до 180° был разбит на сектора. Для данных Кука величина сектора в 20 градусов обеспечила наполняемость каждого сектора, сравнимую со средней. А для данных Беллинсгаузена, как видно из рис. 1, наполняемость секторов неравномерная, и обеспечить среднее значение, сравнимое с данными Кука, можно было, только выбрав размер сектора равным 30°. Для
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.