Способность намагниченных материалов располагаться в определенном направлении была замечена китайцами еще несколько тысяч лет назад. В результате появился первый компас. Угол, на который стрелка отклоняется под действием магнитного поля Земли, немец Георг Гартман в 1544 году назвал магнитным наклонением. В 1600 году английский врач Уильям Гильберт в своем трактате “О магните” предположил, что Земля представляет собой один большой магнит.
Интересовался земным магнетизмом и Михаил Ломоносов. Для изучения земного магнетизма он рекомендовал организовать сеть постоянных пунктов (обсерваторий), в которых производились бы систематические магнитные наблюдения. В 1829 году российская Академия наук приняла решение о строительстве первых в стране магнитных обсерваторий.
Сегодня наша страна постепенно возвращает себе прежние позиции в исследованиях магнитного поля Земли (МПЗ) — таким был лейтмотив выступления директора Геофизического центра РАН академика Алексея Гвишиани на одном из прошедших в этом году заседаний Президиума РАН. В докладе “Геоинформатика и наблюдения магнитного поля Земли: российский сегмент” академик Гвишиани рассказал о внутреннем и внешнем магнитном поле планеты, инструментах для наблюдения за его изменением, о международной глобальной системе наземных наблюдений ИНТЕРМАГНЕТ и участии в ее работе российских ученых, о геомагнитном центре Геофизического центра РАН и используемых для изучения геомагнитного поля космических аппаратах.
По словам Алексея Джерменовича, сегодня происходит лавинообразное увеличение объемов знаний в области наук о Земле в целом и в области геомагнетизма в частности. “Необходимо развивать методы, позволяющие структурировать эту информацию, выделять индикаторы развития физических процессов, а также выявлять новые, ранее неизвестные особенности, — отметил он. — Такие исследования я буду называть магнитной геоинформатикой”.
Среди наземных инструментов изучения магнитного поля Земли важнейшими являются магнитные обсерватории, а также магнитовариационные станции. Станции могут функционировать в автоматическом режиме, но измеряют только вариации трех ортогональных компонент вектора МПЗ относительно некоторого базового уровня, тогда как обсерватории — и вариации, и значения полного вектора МПЗ и его компонент. Сеть пунктов векового хода для периодических измерений эволюции МПЗ, активно развивавшаяся в СССР, в настоящее время практически утрачена. Наблюдения МПЗ из космоса проводятся специальными космическими аппаратами — увы, не российскими.
Оборудование для обсерваторий также делают за рубежом. “Сегодня имеется опыт применения российских вариометров и протонных магнитометров, однако абсолютные магнитометры для измерения полного вектора МПЗ у нас производятся только в экспериментальном порядке”, — отметил А.Гвишиани.
Отставать в области геомагнитных исследований нельзя, уверен академик. Нужно расширять наблюдательную инфраструктуру, развивать новые методы обработки и анализа данных. В настоящее время мировая система мониторинга МПЗ с помощью современных хорошо оснащенных наземных обсерваторий и магнитометров, установленных на борту космических аппаратов, активно совершенствуется. Свидетельство тому — постоянное увеличение количества обсерваторий высшего стандарта качества измерений, входящих в международную систему ИНТЕРМАГНЕТ, и недавний запуск научных спутников для измерения МПЗ Европейским космическим агентством (кстати, с помощью российской ракеты “Рокот”), а также НАСА. Основной массив данных по МПЗ регистрируется спутниками, орбита которых находится в ионосфере на высоте нескольких сотен километров от поверхности Земли.
Геомагнитные наблюдения, главным образом, ведутся за полем, которое генерируется внутри Земли, так называемым главным МПЗ. Процессы во внешнем ядре и мантии Земли определяют более 90% величины измеряемого поля. Несколько процентов — на счету литосферного магнитного поля, то есть поля, генерируемого неоднородностями в литосфере. Например, при мощных извержениях застывающая лава “запоминает” намагниченность поля на момент извержения и создает локальные эффекты. До 10% могут составлять быстрые вариации магнитного поля, связанные с электрическими токами в околоземном пространстве — ионосфере и магнитосфере. Здесь влияние оказывают солнечная активность и магнитные бури.
Главное МПЗ медленно изменяется во времени, причем это изменение географически неоднородно. Поскольку ГМП имеет вековой ход, то при его изучении крайне важны долгосрочные наблюдения в конкретных точках, фиксированных в пространстве, и обсерватории играют здесь ключевую роль.
Международная глобальная система ИНТЕРМАГНЕТ на добровольных началах объединяет национальные обсерватории, обеспечивающие наблюдения высшего стандарта качества. Все обсерватории стандартов ИНТЕРМАГНЕТ на российской территории функционируют в институтах РАН под управлением ФАНО. В настоящее время наблюдения геомагнитного поля на территории РФ ведут 8 обсерваторий, входящих в систему ИНТЕРМАГНЕТ, 6 обсерваторий, в нее не входящих, и 9 магнитовариационных станций. К сожалению, плотность нашей наблюдательной сети значительно уступает аналогичному показателю в европейских странах. Две обсерватории, созданные с помощью российских ученых, работают на Украине. Еще одна — “Восток” — находится в Антарктиде и курируется Росгидрометом. На территории РФ строятся четыре новые обсерватории.
В системе ИНТЕРМАГНЕТ полученные данные стекаются в пять международных центров (все они находятся за рубежом), где производится корректировка магнитограмм, их очистка от техногенных возмущений, привязка вариаций к абсолютным значениям и выпуск данных со статусом “окончательные”. В России обработку исходных магнитограмм, поступающих из обсерваторий, производит Аналитический центр геомагнитных данных Геофизического центра РАН, причем работа осуществляется в автоматическом режиме в квазиреальном времени. Центр интегрирует информацию с 18 пунктов наблюдений. Сегодня этот центр рассматривается в качестве потенциального шестого центра обработки данных системы ИНТЕРМАГНЕТ.
Важнейшим российским продуктом обработки магнитной информации стало электронное издание, не имеющее аналогов в мире и получившее высокую оценку на международном уровне, — “Атлас магнитного поля Земли” в трех томах: “Современные карты магнитного поля Земли с 1500 по 2010 год”, “Исторические карты магнитного поля Земли с 1600 по 1900 гг.” и “Вспомогательные карты”.
Вопрос, который сегодня любят задавать ученым: а где могут быть использованы результаты изучения МПЗ? Алексей Гвишиани назвал прикладные сферы применения: обеспечение навигации во время геомагнитных возмущений и диагностика помех радиосвязи GPS/ГЛОНАСС, предупреждение негативных последствий от геомагнитно-индуцированных токов в линиях электропередачи и трубопроводах, подземная ориентация бурового инструмента при горизонтальном бурении скважин в Арктическом регионе, магнитная съемка для нужд геологии и разведки полезных ископаемых и др.
Директор Геофизического центра РАН обрисовал задачи, которые нужно решить, чтобы проводить исследования на более высоком уровне. Необходимо повысить эффективность системы наблюдений с помощью отечественных обсерваторий, перейдя к полному циклу обработки магнитограмм до статуса “окончательных” стандарта ИНТЕРМАГНЕТ в национальном аналитическом центре магнитных данных. Академик также предложил возродить на территории РФ наблюдения за вековым ходом главного МПЗ, расширив для выполнения этой задачи функции Аналитического центра геомагнитных данных ГЦ РАН.
По мнению А.Гвишиани, строить систему магнитных наблюдений в РФ следует на стандартах ИНТЕРМАГНЕТ. Обсерватории могут развиваться силами региональных институтов ФАНО/РАН при участии ГЦ РАН — центр должен координировать этот процесс для обеспечения эффективной интеграции данных. Необходимо стимулировать и производство российских магнитометров всех видов.
Алексей Гвишиани рассказал также о том, что ГЦ РАН, Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В.Пушкова РАН и Институт физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН вместе с Институтом прикладной геофизики Росгидромета готовят для внесения в Правительство РФ развернутые предложения о проведении аэромагнитной съемки территории РФ. Такая съемка проводилась в нашей стране более 30 лет назад, тогда как в странах с развитой наукой это делается не реже, чем раз в 10 лет. Академик также предложил Президиуму РАН создать комитет РАН-ФАНО-Росгидромет по совместному развитию магнитных наблюдений.
В прениях по докладу выступили директор ИЗМИРАН им. Н.В.Пушкова доктор физико-математических наук В.Кузнецов, директор ИКИ РАН академик Л.Зеленый, директор НИИ аэрокосмического мониторинга “Аэрокосмос” Минобрнауки и РАН академик В.Бондур, директор Института физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН доктор физико-математических наук С.Тихоцкий.
Владимир Кузнецов дополнил тему “практического применения”, приведя список из 26 организаций, запросивших данные по расчетам и уточнению магнитного склонения в 2013-2014 годах. Он также напомнил аудитории о том, что для того, чтобы иметь актуальные данные по магнитному склонению, необходимо производить картирование территории РФ на регулярной основе, то есть создавать цифровые магнитные карты каждые 5-10 лет. Северный магнитный полюс ведет себя довольно динамично, смещаясь в направлении северного побережья Восточной Сибири. В 2005 году его скорость была максимальной, и за год он сместился более чем на 50 км. Если полюс приблизится к материковой части РФ, то нас ждут повышенная магнитная активность, увеличение интенсивности полярных сияний и связанные с этим проблемы в работе сложных технологических систем, чувствительных к такого рода помехам. Магнитные бури вызывают перегрузку трансформаторов, входящих в энергосистемы, влияют на скорость коррозии трубопроводов, опасны для космонавтов, электроники спутников, нарушают радиосвязь и навигацию, приводят к аномальному торможению МКС и спутников и даже вносят определенный вклад в атмосферные процессы и изменение климата. Северный магнитный полюс смещается гораздо быстрее, чем южный, но и южный заметно сдвинулся и находится сейчас в Индийском океане. Результаты наблюдений указывают также на общее ослабление МПЗ приблизительно на 2% за последние 100 лет. Ослабление наиболее значительно (около 10%) в районе Южной Атлантической аномалии у побережья Бразилии. Однако наблюдаемые тенденции могут измениться, и предсказать поведение магнитного поля весьма затруднительно.
Академик Лев Зеленый предложил сосредоточиться на наземных наблюдениях геомагнитной активности, поскольку в изготовлении спутников соответствующего профиля Россия отстала, а сделать хороший аппарат, по его словам, очень сложно. Он также призвал активнее работать по изучению проблемы возможной переполюсовки, в процессе которой полностью изменяется конфигурация МПЗ, что несет угрозу самому существованию человечества.
Академик Валерий Бондур также считает смены магнитных полюсов очень опасными. Но особую роль в изучении изменений магнитного поля он отвел как раз космическим средствам. Ученый напомнил собравшимся, что именно на одном из первых советских спутников впервые в мире был установлен магнитометр, который передал данные о характеристиках геомагнитного поля планеты из космоса. По мнению В.Бондура, крайне важно использовать сети наземных пунктов наблюдения и космические аппараты. В России есть два новых проекта и нужно добиться того, чтобы они были в отечественной космической программе. Это проект “Резонанс” (два координированных магнитосферных спутника) и проект “Рой” (группировка микроспутников).
Сергей Тихоцкий уверен, что вероятность переполюсовки Земли в ближайшем будущем весьма мала. А вот необходимость картографирования магнитного поля, по его мнению, вопрос насущный. На отдельных территориях РФ такие работы проводятся, но их результаты носят локальный и фрагментарный характер. Сергей Андреевич также призвал к скорейшей полной съемке местности РФ, поскольку это необходимо для реального сектора экономики. Данные магнитного склонения интенсивно используются при бурении в Карском море, море Лаптевых, на Штокмановском месторождении и в целом в высоких широтах.
Андрей СУББОТИН
Нет комментариев