Мониторинг магнитного поля Земли как элемент системы контроля и прогнозирования экстремальных природных событий

В течении последнего столетия человеческая деятельность сопровождается усложнением технологических систем (техносферы), более интенсивным использованием и увеличением зависимости от них. Это, с одной стороны, приводит к повышению вероятности сбоев и отказов, а с другой — к росту величины ущерба при таких сбоях. Существенную часть причин, оказывающих критически значимое воздействие на техносферу, представляют природные (естественные) явления в экстремальных состояниях. Повышение качества средств контроля и наблюдений позволяет обнаруживать новые, ранее неизвестные источники опасности, а расширенные возможности по воздействию на окружающую среду позволяют минимизировать последствия.

Магнитное поле Земли является естественной средой, в которой находится техносфера и в которой происходит жизнедеятельность человека [9, 11]. Эффекты, возникающие при вариациях магнитного поля и актуальные с точки зрения безопасности, можно разделить на прямые и опосредованные. К непосредственным эффектам относятся:

1) наведенные (индуцированные) токи в проводящей среде, в том числе прямо в грунте. Наибольший эффект наблюдается в хорошо проводящих протяженных объектах, таких как линии электропередач, трубопроводы, железные дороги, телекоммуникационные кабели, включая подводные. Наиболее показательный пример такого рода явлений – отказ энергосистемы из-за перегрузки трансформаторных подстанций в провинции Квебек (Канада) во время магнитной бури в марте 1989 г., что привело к обесточиванию практически всей провинции. Оценки возникающей разности потенциала дают до 10 В на 1-2 км и при протяженных линиях - до тысяч Вольт. В длинных трубопроводах при магнитных бурях возникают условия, способствующие повышенной коррозии. Естественно, эти эффекты наибольшие в полярных областях [7];

2) влияние на точность бурения горизонтальных скважин при использовании буров с магнитной системой ориентации. Погрешности становятся ощутимыми при вариациях магнитного склонения в несколько градусов, что наблюдается во время сильных геомагнитных возмущений [10];

3) влияние магнитных возмущений на живые организмы, в том числе на человека (см., например, [1]).
До некоторой степени сюда же можно отнести изменения в главном магнитном поле на геологических временных интервалах (инверсии и экскурсы палеомагнитного поля), которые могут приводить к увеличению потока энергетических частиц солнечного ветра, достигающих поверхности.

Косвенный эффект заключается в том, что вариации магнитного поля могут быть отражением других процессов, которые оказывают влияние на Землю. Например, увеличение рентгеновского излучения и потока высокоэнергетических частиц солнечного ветра при вспышках на Солнце может оказывать воздействие на технические системы и людей, находящиеся на орбите Земли, а также на высотах полетов самолетов, в особенности, когда маршрут проходит через приполярные области. Во время магнитных бурь наблюдаются нарушения радиосвязи, сбои навигационных систем – как следствие возмущений в ионосфере [9, 11].

Значительным фактором, представляющим высокую опасность для человека и наземной инфраструктуры, являются землетрясения. В последние десятилетия появилось множество экспериментальных и теоретических работ, в которых показывается, что на стадии подготовки землетрясения (от нескольких часов до месяца), а также при его реализации, наблюдается аномальное поведение магнитного поля. Аномалии отмечаются в различных характеристиках:

- в квазистационарном поле, когда сравнивают медленные вариации магнитного поля (обычно – модуль F) в двух разнесенных пунктах, один из которых находится в сейсмогенерирующей области, а другой достаточно удален от нее (см., например, классические работы М.Джонстона [8, 9]);

- в вариациях ультранизкочастотного диапазона (УНЧ) на частотах 0.001-10 Гц, когда оцениваются различные амплитудные характеристики, прежде всего, поляризационные отношения горизонтальной dH и вертикальной dZ составляющих этих вариаций [12].

В первом случае причиной аномальных изменений магнитного поля на стадии подготовки землетрясения рассматриваются пьезомагнитные эффекты (тектономагнетизм), во втором – процессы при образовании микроразрывов, электрокинетические эффекты или вариации индуцированных полей при изменении электропроводности среды. УНЧ- диапазон принимается как наиболее эффективный, поскольку ожидаемая глубина скин-слоя для таких частот близка к глубинам гипоцентров рассматриваемых землетрясений.

Основные проблемы при использовании магнитных сигналов как предвестников:

- сильная зависимость от расстояния между источником и приемником и от мощности сейсмического события. Фактически все сигналы, о которых сообщается в литературе, были зарегистрированы при измерениях на расстояниях от единиц до первых десятков км от эпицентра;

- крайне высокая степень "загрязнения" магнитных измерений сигналами, которые имеют несейсмические причины, в том числе ионосферно-магнитосферного происхождения и техногенные помехи, и амплитуды на порядки больше, чем ожидаемые для сейсмомагнитных сигналов;

- небольшая статистика, поскольку необходимо иметь соответствующую аппаратуру в зоне подготовки редко происходящих сильных землетрясений;

- отсутствие разработанного теоретического обоснования.

Таким образом, вариации магнитного поля Земли проявляются и как непосредственный фактор, действующий на техносферу, и как индикатор, в том числе как предвестник, различных естественных аномальных явлений. Поэтому регулярные измерения магнитного поля рассматриваются как необходимый элемент системы контроля и прогноза экстремальных событий. Такие измерения выполняются на магнитных обсерваториях и станциях, включенных в сети различного ранга. Можно выделить несколько уровней подобных сетей:

- глобальные сети, например, INTERMAGNET, которые предоставляют данные высокого качества по всей Земле. Однако результаты этих обсерваторий часто ограничены по оперативности и по частотному диапазону и могут не отражать в должной степени региональные особенности вариаций магнитного поля;

- указанные выше проблемы могут решаться на уровне региональных сетей. Примером может быть сеть геофизических обсерваторий ИКИР ДВО РАН, охватывающая дальневосточный регион России во всем широтном диапазоне от Приморского края до Чукотки (см. рис.1). На обсерваториях ведется регулярный мониторинг магнитного поля, в том числе на трех — по стандартам INTERMAGNET. Обсерватории оснащены современными цифровыми магнитометрами, обеспечивающими измерения вариаций поля с частотой 1 Гц и чувствительностью не хуже 0.1 нТл, выполняются абсолютные измерения, что позволяет получать полный вектор поля на характерных временах в десятки лет. Кроме того, обсерватории являются комплексными — на них проводятся также другие измерения, например, вертикальное и наклонное ионосферное зондирование, регистрация атмосферного электрического поля, интенсивности космических лучей и др. В рамках обсуждаемой проблемы роль таких обсерваторий видится в получении базовых опорных данных, тестирования и калибровки полевой аппаратуры, сбор и анализ данных, подготовка методических материалов;

- третий уровень сетей — это локальные сети с характерными размерами до первых сотен километров. Они создаются под конкретные задачи, оснащаются однотипной аппаратурой и ориентированы прежде всего на регистрацию вариаций магнитного поля. Примерами могут быть проекты IMAGE в Фенноскандии [5] или MAGIC в Гренландии [6].

В качестве практического предложения можно рассмотреть  организацию на Камчатке локальной сети магнитных станций с базовым пунктом на ГФО "Паратунка" (ИКИР ДВО РАН). Сеть может включать до 10 станций, оснащенных скалярными магнитометрами на эффекте Оверхаузера POS-1 (УГТУ-УПИ, г.Екатеринбург [2]) для регистрации модуля вектора магнитной индукции F с частотой до 1 Гц при абсолютной погрешности менее 2-3 нТл. С меньшей плотностью могут быть установлены компонентные магнитометры, либо с феррозондовыми датчиками в качестве измерительных элементов (такие как LEMI-025), либо со скалярным датчиком в колечной системе (подобные POS-3, POS-4 или dIdD GSM-19FD). Сеть будет ориентирована в основном на задачи поиска магнитных предвестников землетрясений.

Также представляется актуальным использование обсерваторий "Магадан", "Паратунка" и "Хабаровск" ИКИР ДВО РАН, расположенных по периферии Охотского моря, для обеспечения магнитными данными работ по разведке и добычи углеводородов на шельфе. Уникальность этих обсерваторий в том, что их данные позволяют решать не только проблемы с оперативным обеспечением буровых работ, но и проблемы с построением детализированной модели магнитного поля в этом районе.

Еще одним практическим приложением результатов уже имеющиеся региональной сети магнитных обсерваторий ИКИР ДВО РАН может быть их использование для оперативного оповещения о состоянии магнитного поля региональных энергетических компаний, имеющих протяженные ЛЭП, например, ОАО "Дальневосточная распределительная сетевая компания" (протяженность сетей более 50 тыс. км, 695 подстанций [3]) и ООО "Магаданэнерго" (протяженность сетей более 7 ты. км, [4]).

Работа выполнена при частичной поддержке гранта РНФ №14-11-00194.

Литература
1. Гелиогеофизические факторы и здоровье человека / Материалы Международного научно-практического симпозиума (Новосибирск, 15-16 ноября 2005 г.).Авторская редакция. Новосибирск: Изд-во "Сибмедиздат". НГМУ. 2007.
2. Лаборатория квантовой магнитометрии - http://magnetometer.ur.ru/ (дата обращения 27.02.2015)
3. ОАО "Дальневосточная распределительная сетевая компания"  - https://ru.wikipedia.org/wiki/ДРСК (дата обращения 27.02.2015)
4. ООО "Магаданэнерго" - https://ru.wikipedia.org/wiki/Магаданэнерго (дата обращения 27.02.2015)
5. Проект IMAGE - http://www.ava.fmi.fi/image/stations.html (дата обращения 27.02.2015)
6. Проект MAGIC - http://mist.nianet.org/magic.html (дата обращения 27.02.2015)
7. March 13, 1989 Geomagnetic Disturbance // http://www.nerc.com/files/1989-Quebec-Disturbance.pdf (дата обращения 15.10.2014)
8. Johnston M.J.S. Review of electric and magnetic fields accompanying seismic and volcanic activity // Surv. Geophysics. 1997. Vol. 18. P. 441–475.
9. Johnston M.J.S.,Sasai Y.,Egbert G.D.,Mueller R.J. Seismomagnetic effects from the long-awaited 28 September 2004 M 6.0 Parkfield Earthquake // Bull. Seism. Soc. Am. 2006. Vol. 96. No. 4B. P. S206–S220.
9. Koskinen H., Tanskanen E., Pirjola R., Pulkkinen A., Dyer C., Rodgers D., Cannon P.,
Mandeville J.-C., Boscher  D. Space weather effects catalogue // ESWS-FMI-RP-0001. 2001. Vol. 2.2. 41 p.
10. Reay S.J., Allen W., Baillie O., Bowe J., Clarke E., Lesur V., Macmillan S. Space weather effects on drilling accuracy in the North Sea // Ann. Geophys. 2005. Vol. 23. P. 3081–3088.
11. Severe Space Weather Events - Understanding Societal and Economic Impacts. Committee on the Societal and Economic Impacts of Severe Space Weather Events: A Workshop, National Research Council. Washington, DC: National Academies Press. 2008. 131 p.
12. Yumoto K., Ikemoto S., Cardinal M.G., Hayakawa M., Hattori K., Liu J.Y., Saroso S., Ruhimat M., Husni M., Widarto D., Ramos E., McNamara D., Otadoy R.E., Yumul G., Ebora R., Servando N. A new ULF wave analysis for Seismo-Electromagnetics using CPMN/MAGDAS data // Phys. Chem. Earth. 2009. Vol. 34. P. 360-366.
 

Геодинамические процессы и природные катастрофы. Опыт Нефтегорска: Всероссийская научная конференция с международным участием, Южно-Сахалинск, 26 ‒ 30 мая 2015 г.: сборник материалов. В 2-х томах / под ред. Б.В. Левина, О.Н. Лихачевой. ‒ Владивосток: Дальнаука, 2015. Том 2. ‒ С.173-176