СПОСОБ КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТА ГЕОМАГНИТНОЙ ПСЕВДОБУРИ
METHOD FOR COMPLEX EVALUATION OF EFFECT OF GEOMAGNETIC PSEUDO-STORMS

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для комплексной оценки эффекта геомагнитной псевдобури - эффекта возникновения эквивалента геомагнитной вариации, наблюдаемого в объеме существования объекта, в среде невозмущенного анизотропного геомагнитного поля, при условии ненулевой угловой или линейной скорости этого объекта, а также при идентификации геомагнитных вариаций по их генетическому признаку.
Известен способ выделения составляющих индукции аномального магнитного поля Земли [RU, 2437125 С1, МПК G01V 3/40, Бюл.№35, 2011 г.], заключающийся в измерениях вертикальной, горизонтальной компонент и модуля вектора индукции магнитного поля Земли на высотах 20-40 км на борту стратосферного аэростата в процессе дрейфа векторным и первым скалярным магнитометрами и соответствующих профилей.
Недостатком такого способа является невозможность определения эффекта возникновения эквивалента геомагнитной вариации, наблюдаемого в объеме существования объекта, в среде невозмущенного анизотропного геомагнитного поля, при условии ненулевой угловой или линейной скорости этого объекта.
Также известен способ обнаружения локальной магнитной аномалии [RU, 2411550 С2, МПК G01V 3/40, G01V 3/165 Бюл.№4, 2011 г.], включающий измерение на траектории движения носителя модуля вектора индукции магнитного поля Земли, компенсацию магнитных помех, создаваемых носителем этих измерений, обработку принятой информации для принятия решения об обнаружении локальной магнитной аномалии и оценивания параметров контакта носителя с этой аномалией - координаты траверза и величины наклонной траверзной дальности.
Недостатком такого способа также является невозможность определения эффекта возникновения эквивалента геомагнитной вариации, наблюдаемого в объеме существования объекта, в среде невозмущенного анизотропного геомагнитного поля, при условии ненулевой угловой или линейной скорости этого объекта.
Также известен способ определения стационарного геомагнитного поля при проведении морской магнитной съемки [RU, 2433427 С1, МПК G01V 3/40, G01V 3/15, G01V 3/16 Бюл.№31, 2011 г.], заключающийся в одновременном измерении вариаций геомагнитного поля двумя или более магнитометрическими преобразователями, установленными на носителях, разнесенных на заданное расстояние вдоль направления движения носителей, в котором один магнитометрический преобразователь дополнительно разнесен по вертикали на расстояние 100-200 м от морской поверхности с возможностью его перемещения вдоль направления движения первого магнитометрического преобразователя, с последующим его перемещением поперек направления движения первого магнитометрического преобразователя со скоростью движения, превышающей скорость первого магнитометрического преобразователя, по крайней мере, на порядок.
Недостатком такого способа также является невозможность определения эффекта возникновения эквивалента геомагнитной вариации, наблюдаемого в объеме существования объекта, в среде невозмущенного анизотропного геомагнитного поля, при условии ненулевой угловой или линейной скорости этого объекта.
Таким образом, анализ известных способов определения параметров геомагнитного поля выявил, что все они обладают серьезными недостатками, а именно: их применение на практике не обеспечивает выделение составляющей геомагнитных вариаций, относящейся к геомагнитным псевдобурям, а также не дает качественную и количественную оценку эффекта возникновения эквивалента геомагнитной вариации, наблюдаемого в объеме существования объекта, в среде невозмущенного анизотропного геомагнитного поля, при условии ненулевой угловой или линейной скорости этого объекта.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей автоматизированных геоинформационных магнитометрических систем по средствам регистрации комплекса параметров эквивалента геомагнитной вариации, наблюдаемого в объеме существования объекта, в среде невозмущенного анизотропного геомагнитного поля, при условии ненулевой угловой или линейной скорости этого объекта, в результате расчета характерных данному явлению физических параметров и необходимых для этого измерений.
Технический результат - повышение достоверности и точности процесса идентификации (автоматизированными геоинформационными магнитометрическими системами) составляющих геомагнитных вариаций естественной природы происхождения, наблюдаемых в объеме существования объекта, в среде невозмущенного анизотропного геомагнитного поля, при условии ненулевой угловой или линейной скорости этого объекта.
Поставленная задача решается тем, что в способе оценки геомагнитной псевдобури, включающем измерение вариаций геомагнитного поля, согласно изобретению, измеряют геодезические координаты текущего местоположения, высоту объекта над уровнем моря, обладающего ненулевой угловой или линейной скоростью, время, затраченное на передвижение объекта по известной траектории, и общую протяженность этой траектории, после чего рассчитывают комплекс параметров геомагнитной псевдобури - эффекта возникновения эквивалента геомагнитной вариации, наблюдаемого в объеме существования объекта, в среде невозмущенного анизотропного геомагнитного поля, при условии ненулевой угловой или линейной скорости этого объекта, а именно: амплитуду геомагнитной псевдобури по формуле:
amp
0_Bi-j
0_Ai
B=B-B,
0_Ai
0_Bi-j
где B и B - индукция геомагнитного поля внутриземных источников в начальной и конечной точке перемещения объекта соответственно, [нТл], определяемая для данной точки из выражения:
,
где φ - широта, положительная к северу;
φ' - широта в сферических координатах;
λ - долгота, положительная к востоку;
θ - дополнение до широты;
r - геоцентрическое расстояние с учетом сжатия Земли;
затем рассчитывают скорость нарастания (спада) силовой характеристики невозмущенного геомагнитного поля с течением времени по формуле:
,
B
где I - скорость нарастания (спада) силовой характеристики невозмущенного геомагнитного поля с течением времени, [нТл/с];
1
2
t и t - начальный и конечный момент времени соответственно, в течение которого наблюдается перемещение объекта;
далее рассчитывают частоту геомагнитной псевдобури по формуле:
,
i
i-j
где Δt - интервал времени, затраченный на перемещение объекта из точки A в точку B;
после чего расчитывают потенциальность геомагнитной псевдобури по формуле:
,
0
где B - индукция геомагнитного поля внутриземных источников, определяемая из соотношения:
,
где φ - широта, положительная к северу;
φ' - широта в сферических координатах;
λ - долгота, положительная к востоку;
θ - дополнение до широты;
r - геоцентрическое расстояние с учетом сжатия Земли;
ГМПБ
после чего результаты вычисленных физических параметров сравнивают с показаниями магнитометра и ранжировкой индексов геомагнитной активности, на основании чего, в случае их совпадения, судят о природе возникновения геомагнитных вариаций в объеме существования объекта, обладающего ненулевой угловой или линейной скоростью, а также о принадлежности амплитуды геомагнитной псевдобури одному из установленных табличных интервалов, после чего в соответствии с таблицей определяют К-индекс геомагнитной псевдобури.
В качестве фундаментальной базы расчета предлагаемых здесь параметров используется выражение количественной оценки скалярного потенциала индукции геомагнитного поля внутриземных источников U, [нТл/км], в точке пространства со сферическими координатами r, θ, λ, определяемое как:
3
3
где r - расстояние от центра Земли до точки наблюдения (геоцентрическое расстояние), [км]; λ - долгота от Гринвичского меридиана, [градусы]; θ - полярный угол (дополнение до широты, θ=π/2)-φ', [градусы], где φ' -широта в сферических координатах, [градусы]); R - средний радиус Земли, R=6371.03, [км];  и  - сферические гармонические коэффициенты, [нТл], зависящие от времени;  - ортогональный многочлен нормированных по Шмидту присоединенных функций Лежандра степени n, порядка m, определяемый согласно (2) [ГОСТ 25645.126-85 Поле геомагнитное. Модель поля внутриземных источников - М.: Издательство стандартов, 1985].
m
m
m
где ε - нормировочный множитель (ε=2 для m≥1 и ε=1 для m=0); n - степень сферических гармоник; m - порядок сферических гармоник.
В специализированной литературе выражение (1) широко известно как ряд Гаусса и помимо того, что согласно [ГОСТ 25645.126-85 Поле геомагнитное. Модель поля внутриземных источников - М.: Издательство стандартов, 1985] широко используется для расчета индукции ГМП внутриземных источников, также является общепризнанным международным эталоном количественной оценки невозмущенного состояния магнитосферы Земли.
0
1
0
1
Таким образом, допустимо предположить, что В≈В, где В - индукция невозмущенного геомагнитного поля в локальной пространственно-временной точке земной поверхности; В - индукция геомагнитного поля внутриземных источников.
Касательно сферических гармонических коэффициентов известно, что при достаточно однородных и высокоточных исходных данных, какие, например, получаются при спутниковых съемках, возможно получение до 12 и 13 гармоник. Коэффициенты гармоник более высоких порядков по величине сравнимы или меньше погрешности определения коэффициентов [Яновский Б.М. Земной магнетизм - Ленинград.: Издательство Ленинградского университета, 1978. С.87-88].
Так, в данном способе используется длина ряда в 12 гармоник, при этом погрешность вычисления геомагнитного поля на поверхности Земли согласно [ГОСТ 25645.126-85 Поле геомагнитное. Модель поля внутриземных источников - М.: Издательство стандартов, 1985], [Воробьев А.В. Вопросы проектирования цифровых геомагнитных обсерваторий LAP Lambert Academic Publishing G mbh & Co. KG, Berlin, 2012 ISBN: 978-3-8443-5300-6 C. 37-50] не превышает 2%.
Далее определяется комплекс физических параметров, обеспечивающих количественную оценку эффекта геомагнитной псевдобури, а именно:
i
i-j
- амплитуда геомагнитной псевдобури - максимальное приращение значения вектора магнитной индукции, возникающее в объеме существования наблюдаемого объекта в результате его пространственного околоземного перемещения из точки A в точку B:
0_Ai
0_Bi-j
где B и B - индукция геомагнитного поля внутриземных источников в начальной и конечной точке перемещения объекта соответственно, [нТл];
- скорость нарастания (спада) силовой характеристики невозмущенного геомагнитного поля с течением времени относительно системы отсчета, связанной с объектом, перемещающимся в околоземном пространстве:
B
1
2
где I - скорость нарастания (спада) силовой характеристики невозмущенного геомагнитного поля с течением времени, [нТл/с]; t и t - начальный и конечный момент времени соответственно, в течении которого наблюдается перемещение объекта;
- частота геомагнитной псевдобури - физическая величина, качественно отражающая частотные свойства магнитного поля, воздействующего на исследуемый объект и определяемая в соответствии с выражением:
i
i-j
где Δt - интервал времени, затраченный на перемещение объекта из точки A в точку B;
0
- потенциальность геомагнитной псевдобури (градиент геомагнитной индукции) - вектор в трехмерном пространстве, своим направлением указывающий направление наискорейшего возрастания абсолютного значения индукции невозмущенного геомагнитного поля, равный по скорости роста В в данном географическом направлении, [нТл/рад; нТл/рад; нТл/км]:
0
где B определится соотношением (7):
где φ - широта (положительная к северу); φ' - широта в сферических координатах; λ - долгота (положительная к востоку); θ - дополнение до широты; r - геоцентрическое расстояние с учетом сжатия Земли. Пример конкретной реализации способа.
ГМПБ
ГМПБ
Реализация способа комплексной оценки эффекта геомагнитной псевдобури представляется измерением (с необходимым шагом дискретизации) геодезических координат текущего местоположения и высоты (над уровнем моря) объекта (по средствам навигационных систем GPS, «ГЛОНАС» или по карте), обладающего ненулевой угловой или линейной скоростью, измерением времени, затраченного на передвижение объекта по известной траектории и измерением общей протяженности этой траектории с последующими расчетом согласно выражениям (3)-(6) комплекса параметров геомагнитной псевдобури, а именно: амплитуды геомагнитной псевдобури, интенсивности геомагнитной псевдобури, частоты геомагнитной псевдобури, потенциальности геомагнитной псевдобури и последующей аналитической оценкой результата измерений и расчета, заключающейся в их сравнении с показаниями протонного магнитометра WCZ-2 и таблицей К-индекса геомагнитной активности (табл.1), а также последующем суждении о природе возникновения геомагнитных вариаций в объеме существования объекта, обладающего ненулевой угловой или линейной скоростью; о принадлежности амплитуды геомагнитной псевдобури одному из установленных в табл.1 интервалов, после чего согласно табл.1 определении К-индекса;
Таблица 1
Значения К<sub>ГМПБ</sub>-индекса
B<sub>amp</sub>, нТл
от
от
от
от
от
от
от
от
до
5
10
20
40
70
120
200
330
от
5
до
до
до
до
до
до
до
до
550
10
20
40
70
120
200
330
550
К<sub>ГМПБ</sub>-индекс
0
1
2
3
4
5
б
7
8
9
ГМПБ
Далее, в соответствии со значением установленного К-индекса  осуществляют качественную оценку геомагнитной псевдобури в соответствии со следующей ранжировккой:
от 0 до 2 - геомагнитная псевдобуря отсутствует;
от 2 до 3 - слабая геомагнитная псевдобуря;
4 - значительная геомагнитная псевдобуря;
от 5 до 6 - геомагнитная псевдобуря;
от 7 до 9 - сильная геомагнитная псевдобуря.
В табл.2 (в качестве примера) приведены результаты необходимых замеров, а также последующего вычисления комплекса параметров геомагнитной псевдобури для тестового набора исследуемых точек (расчеты произведены по средствам программного-алгоритмического обеспечения, реализованного в среде Scilab 5.3.2).
Таблица 2
Расчет параметров геомагнитной псевдобури для набора тестовых точек
параметрточка
Географическая привязка к местности
Расстояние по прямойот A<sub>i</sub> до B<sub>i-j</sub>, км
B<sub>amp</sub> мкТл
Δt, с (самолет)
I<sub>B</sub>, пкТл/с
f<sub>B</sub>, Гц
G<sub>B</sub>, мкТл/рад; мкТл/рад; нТл/км
А1
г.Москва 55.75° с.ш.; 37.62° в.д.; h≈0.2
Начальная i-точка
-3.9;
7.1;
-22.1
B1-1
г.Уфа 54.81° с.ш.; 56.10° в.д.; h=10.1
1173
3.162
5400
586
92·10<sup>-6</sup>
-10.8;
10.3;
-24.2
B1-2
г.Ижевск 58.85° с.ш.; 53.22° в.д.; h≈0.1
972
3.387
4800
706
10·10<sup>-5</sup>
-9.0;
10.0;
-24.4
B1-3
г.Мурманск 68.97° с.ш.; 33.08° в.д.; h≈0
1491
2.084
7200
289
69·10<sup>-6</sup>
2.5;
5.5;
-22.6
51-4
г.Владивосток 43.12° с.ш. 131.90°в.д.; h≈0
6434
0.866
21600
40.1
23·10<sup>-6</sup>
42.3;
-17.1;
-20.9
Bl-5
г.Калининград 54.72° с.ш. 20.50° в.д.; h≈0
1092
2.222
4500
494
11·10<sup>-5</sup>
-1.6;
4.1;
-21.0
51-6
мыс Челюскин 77.72° с.ш. 104.30° в.д.; h≈0
3480
7.628
16020
476
31·10<sup>-6</sup>
1.0;
1.0;
-27.0
A2
г.Майами 25.78° с.ш.; 80.22° з.д.; h≈0
вершины Бермудского треугольника
Начальная i-точка
-55.4;
-5.7;
-14.6
B2-1
г.Сан-Хуан 32.3° с.ш.; 64.8° з.д.; h≈0
1680
1.169
8112
144
61·10<sup>-6</sup>
-47.4;
-10.4;
-9.1
B2-2
г.Гамильтон 18.45° с.ш.; 66.7° з.д.; h≈0
1670
0.631
8100
77.9
62·10<sup>-6</sup>
-49.3;
-14.9;
-15.9
Сравнивая данные, приведенные в табл.2, с параметрами геомагнитных вариаций естественной природы происхождения, представленными в табл.3, можно сделать вывод о том, что по своим частотным характеристикам, геомагнитные псевдобури согласно [Воробьев А.В. О возможности применения анизотропных магниторезистивных сенсоров в геоинформационных магнитометрических системах // Приборы №1 (139), 2012. - С.10-16] сопоставимы и в некоторых случаях превосходят известные геомагнитные вариации естественной природы происхождения (табл.3), а по своим амплитудным значениям, согласно ранжировке индексов геомагнитной активности [Заболотная Н.А. Индексы геомагнитной активности: Справочное пособие. - М.: Физическая мысль, 2007. С.37-73], соответствуют сильным геомагнитным бурям и, следовательно, могут вызывать соответствующий отклик наблюдаемых под их воздействием биологических и технических объектов и систем.
Таблица 3
Параметры геомагнитных вариаций естественной природы происхождения
Генетический
Вероятностный
Морфологический
Природа происхождения
Вероятность возникновения Р, [%]
Вероятный период активности Т, ч
Диапазон амплитуд ±ΔВ, [нТл] или [гамма]
Диапазон частот f,[Гц] (период)
Вращение Земли вокруг собственной оси
100
-
10-200
~11.6·10<sup>-6</sup> (23 ч, 56 мин, 4 с)
Вращение Луны вокруг Земли
100
2-5
~11.2·10<sup>-6</sup> (24 ч, 50 мин)
Вращение Солнца вокруг собственной оси
100
-
40-60
~4.6·10<sup>-7</sup> (25 дн., 9 ч, 7 мин, 13 с)
Вращение Земли вокруг Солнца
100
-
10-200
~31.7·10<sup>-9</sup> (365 дн, 6 ч, 9 мин, 10с)
Вращение Солнца вокруг собственной оси
100
-
10-30
~1.4·10<sup>-9</sup> (20-22 г.)
Внутриземные магнитные аномалии
зависит от географич. координат
до 20·10<sup>3</sup>
~0
Движение вещества и волновые процессы в ядре Земли
100
-
10-120
~2.5·10<sup>-10</sup> (10-50 лет)
Солнечный ветер
~5-7
40-50
(0.05-1.5)× ×10<sup>3</sup>
2-10<sup>-5</sup> (10-72 ч.)
Резонанс Шумана
~25-70
4-7
(0.1-1.8)× ×10<sup>-3</sup>
7-8
Таким образом, очевидно, что практическая реализация способа комплексной оценки эффекта геомагнитной псевдобури повышает достоверность и точность процесса идентификации геомагнитных вариаций по их генетическому признаку, расширяя при этом функциональные возможности геоинформационных магнитометрических систем, а также специалистов естественнонаучного и технического профиля, научный интерес которых находится в области анализа воздействия слабых неионизирующих магнитных полей и их вариаций на объекты и системы различной природы происхождения.