Каждому школьнику известно, что на нашей планете есть магнитное поле. Измерения магнитного поля Земли необходимы для ориентации в пространстве (вспомним компас), диагностики помех радиосвязи и коррекции сигнала GPS/ГЛОНАСС во время геомагнитных бурь. Большой вред трансформаторным подстанциям и линиям электропередач могут нанести магнитно-индуцированных токи, которые наводятся в длинных линиях во время геомагнитных возмущений. Такие возмущения особенно интенсивны в высокоширотных областях земного шара. Так, магнитная буря в марте 1989 г. привела к выходу из строя энергетической системы Канады. Трансформаторы сгорели, т.к. при резком возмущении магнитного поля наведенное в линиях электрическое поле превысило фоновое в десятки раз. А в трубопроводах магнито-индуцированные токи приводят к коррозии.
Изучение геомагнитного поля вносит вклад и в программу освоения Арктики. Речь идет о магнитной съемке для нужд геологии и разведки полезных ископаемых, а также о подземной ориентации бурового инструмента при горизонтальном бурении скважин в Арктическом регионе. При наклонно-направленном бурении ориентация бурового инструмента по заданной траектории осуществляется с помощью непрерывных измерений магнитного азимута и наклонения непосредственно под землей. Возмущения во время геомагнитных бурь в высоких широтах вносят большую погрешность в определение направления на истинный север. Магнитные возмущения в Арктике могут достигать нескольких тысяч наноТесла. Поэтому расположенная в районе проведения буровых работ обсерватория позволяет отфильтровать спорадические возмущения и значительно уменьшить ошибку позиционирования.
Сегодня во всем мире наблюдается рост потребности в данных геомагнитных измерений. В связи с развитием наземных пунктов измерений и запуском специальных геомагнитных спутников количество данных увеличивается лавинообразно. Об этом сделал доклад «Геоинформатика и наблюдения магнитного поля Земли: российский сегмент» на заседании Президиума РАН 28 апреля 2015 г. академик, директор Геофизического центра РАН академик Алексей Джерменович Гвишиани.
Несколько слов о физике явления. Магнитное поле Земли есть суперпозиция главного магнитного поля, генерируемого в жидком ядре Земли (внешняя граница h=2 900 км, внутренняя до 5 000 км), литосферного магнитного поля, созданного магнитными аномалиями вблизи поверхности Земли и внешнего магнитного поля, генерируемого электрическими токами в ионосфере-магнитосфере Земли. Геомагнитное поле в целом аппроксимируется диполем. Под действием потоков плазмы, исходящих от Солнца, земной диполь приобретает кометообразную форму, вытянутую в антисолнечном направлении.
Главное магнитное поле составляет более 95% общей величины поля, измеряемого на поверхности Земли. Интенсивность поля равна ~60 000 нТл в районе магнитных полюсов, где геомагнитный вектор направлен вертикально, и порядка 30 000 нТл на экваторе, где вектор направлен горизонтально. В распределении интенсивности величины вертикальной компоненты главного поля можно видеть, наряду с дипольной, проявления квадрупольной структуры.
Источником литосферного магнитного поля являются намагниченные породы на глубине меньшей «глубины Кюри» (т.е. глубины порядка 40-60 км., где температура превышает 580°С — на большей глубине породы, вследствие повышения температуры, теряют свои магнитные свойства).
Вклад вариаций внешнего магнитного поля Земли во время магнитных
бурь может достигать, до 10% общего измеренного поля. Источником
внешнего поля являются электрические токи, текущие в ионосфере и
магнитосфере и контролируемые солнечной активностью. В высоких
широтах вклад внешнего поля в горизонтальную компоненту может
сравниться по величине с вкладом главного поля.
Развитие системы предупреждения о величине магнитной бури и
определение ее влияния на технологические системы возможны только
при наличии развитой сети геомагнитных наблюдений. А как
наблюдают и измеряют геомагнитное поле? — И на Земле, и из
космоса. Среди наземных инструментов важнейшими являются
магнитные обсерватории, регистрирующие как полный вектор
магнитного поля, так и его вариации.
Кстати, важнейшим продуктом обработки магнитной информации, проведенной аналитическим центром магнитных данных Геофизического Центра РАН стал Атлас магнитного поля Земли с 1500 по 2010 гг. — это электронное издание, не имеющее аналогов в мире, получило высокую оценку на международном уровне. Комиссия ЮНЕСКО по геологическим картам мира, международная ассоциация аэрономии, геомагнетизма и международный союз геодезии и геофизики и CODATA включили создание такого атласа в число важных достижений в области магнитной геоинформатики.
Измерения магнитного поля Земли из космоса осуществляются европейской системой спутников Swarm. Она состоит из трех идентичных спутников на низкой полярной орбите около 500 км., расчетная длительность их работы — 4 года. Спутники запущены 22 ноября 2013 с космодрома Плесецк ракетой «Рокот». Цели миссии SWARM масштабны — это изучение динамо-процессов, взаимодействия ядро-мантия, дрейфа магнитных полюсов, магнетизма литосферы, электропроводности мантии, магнитного сигнала океанских течений, магнитного эффекта электрических токов в магнитосфере и ионосфере, динамики верхней атмосферы.
Еще одним инструментом магнитометрии являются магнитовариационные станции, которые могут работать в автоматическом режиме. Несколько таких станций развернуты в приполярных районах нашей страны РОСГИДРОМЕТом.
На территории РФ имеются 23 пункта наблюдения магнитного поля, включая обсерватории и магнитовариационные станции РАН и РОСГИДРОМЕТа. Т.е., с одной стороны, мы развиваем магнитные наблюдения, но, с другой — наша система наблюдения по плотности значительно уступает европейской.
Теперь более подробно остановимся на международной системе магнитных наблюдений ИНТЕРМАГНЕТ. В пять международных центров этой системы стекаются потоки исходных данных обсерваторий ИНТЕРМАГНЕТ разных стран. В них производится корректировка магнитограмм, их очистка от техногенных помех и ошибок, привязка вариаций к абсолютным значениям и выпуск магнитограмм со статусом «окончательные». Международная глобальная система ИНТЕРМАГНЕТ добровольно объединяет национальные обсерватории, обеспечивающие наблюдения высшего стандарта качества. Из стран бывшего СССР обсерватории стандарта ИНТЕРМАГНЕТ есть только в России, на Украине и в Казахстане.
В системе ИНТЕРМАГНЕТ обсерватории, с учетом свойств магнитного поля Земли, делятся на три категории — они расположены в зонах, примыкающих к магнитным полюсам, в средних широтах, в экваториальной зоне. Абсолютная величина и вариации поля в этих зонах значительно отличаются друг от друга.
Оборудование для обсерваторий стандарта ИНТЕРМАГНЕТ производится в Дании, Канаде, Великобритании и Венгрии. На сегодня имеются примеры успешного применения также и российских вариометров и протонных магнитометров. Однако, абсолютные магнитометры у нас производятся только в экспериментальном порядке. Все обсерватории стандарта ИНТЕРМАГНЕТ на территории РФ функционируют в институтах РАН, находящихся под управлением ФАНО.
Разумеется, развивать систему магнитных наблюдений в РФ следует на стандартах ИНТЕРМАГНЕТ — обсерватории могут развиваться до необходимых стандартов качества силами региональных институтов ФАНО/РАН при участии Геофизического Центра РАН, координирующего процесс развития обсерваторий для обеспечения эффективной интеграции данных.
Сегодня на территории нашей страны работает восемь обсерваторий ИНТЕРМАГНЕТ: Борок (Ярославская область), Арти (Свердловская область), Новосибирск, Иркутск, Якутск, Хабаровск, Магадан, Паратунка (Петропавловск-Камчатский). Также на Украине работают три обсерватории: Киев, Львов и Вернадский в Антарктике. В Антарктике находится еще одна Российская обсерватория «ВОСТОК», которая курируется РОСГИДРОМЕТом. Но, к сожалению, данные именно этой обсерватории не интегрируются в национальном центре, хотя и посылаются в международный центр в Киото.
Чем занят отдельный узел сбора и обработки данных российского сегмента ИНТЕРМАГНЕТ? Он принимает данные в реальном времени, хранит магнитограммы в виде базы данных, производит их оперативную очистку от техногенных помех с помощью программных комплексов, базирующихся на алгоритмах системного анализа и распознавания образов, производит распознавание магнитной активности и техногенных аномалий, выдает визуализацию выделенных аномалий на WEB-сервере в режиме реального времени. Кстати, по некоторым из перечисленных позиций наша система даже несколько опережает системы, используемые в центрах GIN ИНТЕРМАГНЕТ.
Начиная с 2013 года потоки информации всех российских и украинских обсерваторий полного цикла магнитных измерений интегрируются аналитическим центром геомагнитных данных Геофизического Центра РАН и сегодня он рассматривается как возможный шестой международный Центр GIN ИНТЕРМАГНЕТ. Ведутся переговоры о внедрении разработанных в Геофизическом Центре РАН систем магнитной геоинформатики в Парижском GINе ИНТЕРМАГНЕТ, и эти переговоры будут продолжены на Генеральной Ассамблее Международного союза геодезии и геофизики в Праге в июне этого года.
В последнее время при активном участии Геофизического Центра РАН в нашей стране начали функционировать еще четыре обсерватории полного цикла магнитных наблюдений: Санкт-Петербург, Климовское (Архангельская область), Казань и Бор (Подкаменная Тунгуска), причем данные этих обсерваторий приближаются к стандартам ИНТЕРМАГНЕТ. Мы ожидаем, что обсерватория Санкт-Петербург получит официальный сертификат ИНТЕРМАГНЕТ уже в конце этого года. Строятся и новые обсерватории, причем особо важна обсерватория в Сабетте на полуострове Ямал — детальная магнитная съемка для выбора места расположения обсерватории в районе недавно открытого порта Сабетта была два года назад выполнена экспедицией Геофизического центра РАН.
Аналитический центр геомагнитных данных Геофизического Центра РАН интегрирует сегодня первичные данные 18 магнитных обсерваторий и магнитовариационных станций на территории нашей страны и Украины и, соответственно, является одним из значимых институтов магнитной геоинформатики в международном масштабе. Разработанные нами алгоритмические системы базируются как на классических методах оценки геомагнитной обстановки, так и на новых методах нечеткой логики, геоинформатики и системного анализа. Важнейшими партнерами в деле создания аналитического центра стали Международный институт прикладного системного анализа в Австрии и Институт физики Земли в Париже. Словом, мы видим возможность усилить эффективность планетарной системы магнитных наблюдений с помощью российских обсерваторий, перейдя к полному циклу обработки магнитограмм до статуса «окончательных» стандартов ИНТЕРМАГНЕТ в национальном аналитическом центре магнитных данных.
Каковы на сегодня меры поддержания и дальнейшего повышения конкурентоспособности нашей страны в области геомагнитных исследований? В первую очередь, это дальнейшее развитие методов поиска информации в больших массивах данных (data mining), методов системного анализа и геоинформатики. В связи с ужесточением требований к качеству данных и перспективами координированных измерений в различных географических точках земного шара и в космосе возникает необходимость разработки новых технологических решений для сбора, обработки, хранения, распространения и научного анализа данных. Вот почему важной является разработка новых математических подходов к анализу больших массивов данных и их интеграция и автоматизация на базе системного анализа. Новые подходы должны обеспечивать интеллектуальный контроль качества поступающей информации с возможностью распознавания помех техногенной природы и физических вариаций магнитного поля. Необходимо развивать методы, позволяющие структурировать информацию, выделять индикаторы развития физических процессов, а также выявлять новые, ранее неизвестные их особенности. Все это и называется магнитной геоинформатикой.
ИЗМИРАН им. В.Н. Пушкова, Геофизический Центр РАН и ИФЗ РАН им. О.Ю. Шмидта в сотрудничестве с ИПГ им. Е.К. Фёдорова Росгидромет готовят развернутые предложения в Правительство о проведении аэромагнитной съемки территории РФ. Такая съемка проводилась в нашей стране более тридцати лет назад.
К сожалению, пункты измерения векового хода магнитного поля Земли, которые активно развивались в СССР, в настоящее время практически утрачены, поэтому их необходимо возродить, расширив этой задачей функции аналитического центра геомагнитных данных Геофизического Центра РАН. Необходимо также стимулирование производства российских магнитометров всех необходимых видов и постепенное импортозамещение зарубежных инструментов с увеличением локализации.
Словом, нужен орган, способный эффективно и оперативно принимать решения, т.е. комитет РАН-ФАНО-Росгидромет по совместному развитию магнитных наблюдений.
