Поймать волну: зачем нужны геомагнитные обсерватории

Узнать космическую погоду, найти полезные ископаемые и оценить влияние землетрясений на магнитное поле Земли — все это возможно с помощью технологий, которые используются в геомагнитных обсерваториях. Сегодня в России действует 16 таких обсерваторий под управлением Российской академии наук (РАН).  

Как они устроены и какие природные явления помогают исследовать, порталу наука.рф рассказал ведущий научный сотрудник Геофизического центра РАН, кандидат физико-математических наук Роман Сидоров.

— Для чего нужны геомагнитные обсерватории? 

— Это научные учреждения, позволяющие непрерывно регистрировать и измерять магнитное поле Земли. 

На самом деле круг задач у них весьма широкий. С их помощью можно изучать магнитные бури, космическую погоду и, в целом, процессы, связанные с влиянием Солнца на нашу планету. По данным магнитных обсерваторий рассчитываются индексы геомагнитной активности. Они обозначают степень воздействия солнечного ветра на земную магнитосферу. 

— Как вообще геомагнитная активность влияет на нашу Землю? Насколько важно ее изучать? 

— Это нужно для изучения взаимодействий между нашей планетой и Солнцем, а также для мониторинга природных угроз для различных технологических систем. 

Так, из-за сильной активности геомагнитной бури могут возникнуть перегрузки линий электропитания, усилиться электрокоррозия трубопроводов, нарушиться работа радиосвязи и глобальных навигационных спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС. К примеру, одна из самых сильных магнитных бурь за всю историю наблюдений произошла в 1989 году в канадской провинции Квебек. Тогда перегорели трансформаторы, что привело к масштабному отключению электричества. А после магнитной бури в сентябре 2017 года по всей планете начались серьезные сбои радиосвязи. Иными словами, последствия геомагнитных возмущений могут быть катастрофическими для наземной инфраструктуры. Поэтому изучать геомагнитную активность крайне важно. Но мы говорим о внешнем магнитном поле, которое возникает из-за взаимодействия солнечного ветра с земной магнитосферой и ионосферой. Мы также можем изучать эволюцию главного магнитного поля Земли. 

— Что такое главное магнитное поле? 

— Главное (или дипольное) магнитное поле — основная, самая сильная часть магнитного поля Земли. Оно возникает из-за электродинамических процессов в ядре нашей планеты и меняется каждые пять-десять лет.

Поскольку магнитное поле Земли со временем слабо меняется, его можно использовать как природный ориентир для определения точного местоположения объектов. 

Эти же свойства используют для добычи углеводородного сырья. Современные технологии позволяют бурить скважины, входящие в залежи почти горизонтально. Но для этого нужно тщательно контролировать траекторию буровой колонны под землей. Специалисты применяют скважинный магнитометр, измеряющий поле непосредственно в ходе бурения. 

— А какие технологии используют непосредственно в обсерваториях? 

— В первую очередь, это скалярный магнитометр. Он измеряет величину магнитного поля Земли в целом. Для этого устройства, как и остальных, нужен отдельный павильон, чтобы изолировать его от возможных антропогенных источников магнитных колебаний. 

Это такой датчик со специальной жидкостью — например, керосином или водным раствором спирта. Снаружи колба с этим раствором обмотана катушкой. Когда через нее проводят ток, создается достаточно сильное магнитное поле. Оно воздействует на датчик и заставляет магнитные моменты (основная величина, характеризующая магнитные свойства вещества — прим. ред.) частиц в жидкости выстроиться по направлению этого поля. Затем ток выключают. Но поле исчезает не сразу. Однако вектор этого поля начинает прецессировать (то есть его ось все время изменяет свое положение в пространстве — прим. ред.) уже вокруг вектора магнитного поля Земли.

На самом деле, у этого прибора широкий набор применения. Он помогает искать полезные ископаемые, особенно железные руды, изучать геологические структуры, археологические объекты, положение подземных коммуникаций.

Есть еще векторный магнитометр. С его помощью можно измерять направление магнитного поля в разные стороны света. Аппарат работает за счет так называемого феррозонда — металлического датчика из магнитного сплава железа и никеля. При измерении магнитного поля состояние у этого сплава меняется и таким образом он помогает фиксировать изменения.

И, наконец, третий важный прибор — тоже феррозондовый датчик. Только он прикрепляется к зрительной трубе теодолита — прибора для определения углов в горизонтальной и вертикальной плоскости. Чтобы ничто не мешало измерению, этот прибор размагничивают: заменяют все исходные детали на немагнитные. Каждые несколько дней специалисты измеряют на этом устройстве угол магнитного склонения (его можно представить как угол наклона магнитного поля между стрелкой компаса и реальным географическим положением Севера), а также угол магнитного наклонения (наклона стрелки компаса к горизонту). Эти углы необходимо измерять, чтобы внести поправки в уже сделанные другим прибором измерения. 

— Где расположены такие обсерватории?

— Они находятся в разных регионах, в том числе в Московской, Ленинградской, Ярославской, Свердловской, Новосибирской, Иркутской областях, Республике Саха (Якутия), Хабаровском крае, Магаданской области, Камчатском крае.  Но сейчас, на мой взгляд, не хватает обсерваторий в высоких широтах, в Заполярье. Магнитные возмущения здесь проявляются активнее всего. Мы можем получать довольно интересные данные, наглядно изучать космическую погоду, воздействие солнечного ветра на земную магнитосферу, когда возникает магнитная буря. 

— Но следить за магнитными бурями можно и с других обсерваторий? 

— Наблюдать можно практически с любой. В целом, магнитная буря — явление глобальное. Она возникает из-за коронарного выброса плазменной массы от Солнца, который движется к Земле. 

Однако самые полезные данные поступают именно в полярных широтах. Здесь возникают так называемые авроральные электроджеты — широкие слои электрического тока, текущие через полярную ионосферу. Они появляются в области полярного сияния и вносят, пожалуй, самый большой вклад в геомагнитную активность. 

Кроме того, высокоширотные обсерватории помогают изучать такое явление как суббуря. Она возникает на ночной стороне Земли, когда происходит замыкание тока магнитосферы Земли на ионосферу. 

Сегодня в Заполярье есть только геомагнитные станции. Хотя они не настолько хорошо оснащены, но тоже важны. 

— Какие из недавних исследований, на ваш взгляд, оказались наиболее интересными? 

— В феврале этого года в Турции произошло землетрясение, магнитуда которого доходила до 7,8 балла. Дело в том, что при землетрясении в литосфере (твердой земной оболочке, покрывающей нашу планету — прим. ред.) возникает электромагнитное поле. Это позволяет нам изучать, как влияет землетрясение и сопутствующие ему процессы на геомагнитное поле. Но увидеть все это можно только с помощью приборов, ежесекундно регистрирующих данные. Такие данные мы получили на обсерватории «Гюлагарак» в Армении, ближайшей к эпицентру, а также наших «Михнево» в Московской области, «Климовская» в Архангельской области и «Санкт-Петербург».

Нам удалось оценить расстояние от очагов землетрясений до обсерваторий. При этом мы заметили, что магнитное поле изменялось с аномально высокой скоростью — 10 нанотесл в секунду. Это выше, чем, например, во время развития магнитной бури. 

При этом на обсерваториях, которые находились на том же расстоянии к западу от эпицентров землетрясений, геомагнитный эффект не обнаружили. Это значит, что возникший электромагнитный сигнал был анизотропным. То есть, обладал разными свойствами в разных направлениях. 

Все эти исследования мы проводили вместе с нашими коллегами из Института геофизики и сейсмологии Национальной академии наук Республики Армения. 

— Есть ли какие-нибудь научные проекты, которые вам хотелось бы реализовать в ближайшем будущем? Как планируете развивать обсерватории?

— Мы намерены перейти от отдельных геомагнитных обсерваторий к уже комплексным геофизическим. Такие давно есть, но их пока немного. Объединив все в общую инфраструктуру, мы сможем проводить всесторонний мониторинг природных процессов.

В этом направлении мы уже продвигаемся. В 2021 году на магнитной обсерватории «Климовская» установили приемник данных глобальных навигационных спутниковых систем (ГЛОНАСС, GPS, Galileo, Beidou). В ближайшее время наш Сектор геофизического мониторинга ГЦ РАН под руководством кандидата технических наук Дмитрия Владимировича Кудина также оснастит ее дополнительными устройствами, в том числе для сбора метеорологических данных.

Кроме того, в планах исследовать магнитные свойства стройматериалов, которые используются для павильонов. Для таких сооружений нужно полное отсутствие магнитных элементов. Никакого железа. Но в современных условиях, когда появляются инновационные строительные материалы, все чаще требуется тщательно изучать их магнитные свойства.

В целом, для работы обсерваторий, конечно, нужны современные технологии. В первую очередь, чтобы данные поступали оперативно. С некоторых они приходят раз в сутки, с других чаще, например, каждые несколько часов или десятки минут. В последнем случае данные очень ценные. Поскольку позволяют, в частности, отследить появление и развитие магнитной бури практически в режиме реального времени.

Беседовала Анна Шиховец