Измерение координат южного магнитного полюса Земли в кругосветной экспедиции ОИС ВМФ «Адмирал Владимирский»*

Для Земли магнитное поле является жизненно важным в глобальном смысле. Оно защищает все живое на Земле, созданную человечеством инфраструктуру технических средств и систем по всей планете от протонов, электронов солнечного ветра высоких энергий и галактических космических лучей.

Рис. 1. Модель обтекания солнечного ветра вокруг магнитоферы Земли

Эти потоки, возмущая магнитосферу и ионосферу Земли, «доносят» вариации магнитного поля до поверхности Земли. Вклад поля вариаций в общее магнитное поле Земли (МПЗ) может достигать 5?10%. Состояние магнитного поля в околоземном космическом пространстве и на поверхности Земли контролируют многочисленные космические аппараты, в частности российские геостационарные спутники гидрометеорологического и гелиогеофизического назначения серии «Электро-Л», а также наземные магнитные обсерватории, основной из которых в России является Государственная наблюдательная сеть Росгидромета.

Необходимо отметить, что значительные изменения магнитного поля, происходящие, в первую очередь, во время интенсивных солнечных вспышек, провоцируют на Земле магнитные бури, относящиеся к категории опасных гелиогеофизических явлений. Магнитные бури по интенсивности развития, продолжительности или моменту возникновения могут представлять серьезную угрозу энергетическим системам, протяженным трубопроводам, системам связи, навигации, космическим аппаратам, другим высокотехнологичным системам и могут наносить значительный материальный ущерб. Также магнитные бури в отдельных случаях могут влиять и на здоровье людей. Поэтому магнитные наблюдения являются важнейшей частью Государственной наблюдательной сети.

Важно также знать место расположения магнитных полюсов Земли. Было установлено, что заряженные частицы солнечного ветра и приходящие из дальнего космоса наиболее близко проникают к поверхности Земли в области так называемого аврорального овала, центрированного вокруг магнитных полюсов и отстоящего от них примерно на 10?20 градусов (рис.2). В этих зонах наблюдается наибольшее влияние частиц солнечного ветра на ионосферу, повышенный радиационный фон, повышенный уровень вариаций магнитного поля Земли, полярные сияния.

а) б)

Рис.2. а) Дижение частиц солнечного ветра в магнитном поле Земли, б) Авраральный овал полярных сияний (моделирование по съемкам спутника IMAGE)

Источники главного магнитного поля находятся в земном ядре. Вклад главного поля в МПЗ для большинства районов Земли является определяющим и варьируется от 80 до 98 %. Исследования показали, что главное поле изменяется со временем, для него характерно наличие вековых вариаций. В последнее время эти изменения сильно ускорились. Определение параметров главного поля (рис.3) производится по международным моделям, основными из которых являются: IGRF (International geomagnetic reference field) и WMM (World Magnetic Model).

МПЗ создается в результате конвекции в металлическом внешнем жидком ядре Земли, где самогенерирующее действие динамо не дает полю затухнуть. Детальная физика работы геодинамо в настоящее время не вполне изучена. В настоящее время наблюдается тенденция уменьшения дипольного магнитного момента Земли, формируется отрицательная магнитная аномалия в Южной Атлантике, где поле на поверхности Земли сейчас примерно на 35% слабее среднего. Если эта тенденция сохранится, то это может привести к распаду дипольного поля.

При исследовании пространственной структуры главного магнитного поля Земли и динамики его изменений большое значение имеют измерения магнитного поля на акватории Мирового океана, поскольку там практически отсутствуют магнитные обсерватории. Ключевыми районами, где проведение измерений помогает корректировать глобальные модели геомагнитного поля, являются приполярные области, т.е. области близкие к южному и северному магнитным полюсам. Исследование особенностей миграции магнитных полюсов Земли способствует пониманию природы генерации главного магнитного поля.

Исследования дрейфа магнитных полюсов

Магнитный полюс — это блуждающая точка на поверхности северного и южного полушария Земли, где геомагнитное поле направлено вертикально (горизонтальная составляющая равна нулю). Несмотря на то, что все линии равного магнитного склонения сходятся на магнитном полюсе, склонение на самом полюсе не определено. В полярных областях сходимость к полюсам линий горизонтальной составляющей магнитного поля не является «радиальной» (рис.3). Такая особенность является результатом вклада в магнитное поле недипольной составляющей.

а) б)

Рис. 3. а) Карта магнитных склонений модели главного МПЗ WMM 2020 (https://www.ngdc.noaa.gov/geomag/WMM/), б) линии горизонтальной составляющей главного магнитного поля Земли

До 2019 г. для расчета главного поля использовались модели эпохи 2015 г. Во все эпохи шел дрейф магнитных полюсов. Скорость дрейфа северного магнитного полюса в 70-х годах составила 10 км/год, 2001 г. — 40 км/год, 2004 г. — 60 км/год, 2015 г. — 48 км/год. Начиная с 2016 г. необычно большая скорость, с которой смещается северный магнитный полюс Земли, привела к серьезным ошибкам в расчетах по модели 2015 г. В начале 2019 г. невязка определения Северного магнитного полюса составила порядка 40 км. Для устранения такого рода ошибок с начала 2019 г. началось досрочное обновление международных моделей МПЗ. В концу 2019 года Национальным геофизическим центром данных США (NGDC) модель главного геомагнитного поля была обновлена до версии WMM-2020 (рис.3а). В декабре 2019 г. Международной ассоциацией геомагнетизма и аэрономии (IAGA) также была выпущена очередная версия модели — IGRF-13.

С меньшими скоростями и не соосно изменялось и положение Южного магнитного полюса (ЮМП). На рис.3а хорошо виден узел схождения магнитных склонений около Южного магнитного полюса. Видно, магнитное поле в этой области более дипольное, чем в районе Северного магнитного полюса.

Задача определения положения ЮМП имеет длинную историю. Первые геомагнитные измерения (измерения склонения) в Антарктическом регионе были выполнены в ходе второй кругосветной экспедиции Дж. Кука (1772?1775 гг.). Однако оценок местоположения ЮМП не делалось. Первое экспериментальное определение местоположения ЮМП было выполнено в ходе кругосветной антарктической экспедиции русских мореплавателей Беллинсгаузена и Лазарева (1819?1821 гг.). Вскоре после экспедиции к Северному магнитному полюсу немецкий физик К. Гаусс рассчитал на основе сферического гармонического анализа нахождение ЮМП в точке с координатами 66 ° ю.ш., 146 ° в.д. Достичь ЮМП и провести инструментальные измерения удалось только 16 января 1909 года Британской антарктической экспедиции под руководством Эрнеста Шеклтона (экспедиция «Нимрода»). Далее положение ЮМП определялось в 1912, 1931, 1951, 1962 гг. (рис.4).

Рис. 4. Смещение южного магнитного полюса. Желтыми квадратами обозначены места инструментального определения магнитного полюса (https://www.ngdc.noaa.gov/geomag/GeomagneticPoles.shtml)

Продолжая традиции русских мореплавателей и первооткрывателей Антарктиды Лазарева и Беллинсгаузена моряки ВМФ СССР определяли местоположение Южного магнитного полюса во время первой кругосветной экспедиции на ОИС «Адмирал Владимирский» и ОИС «Фаддей Беллинсгаузен» (1982?1983 гг.).

Рис.5. ОИС «Адмирал Владимирский» и участники Кругосветной антарктической экспедиции ВМФ СССР (1982?1983 гг.)

Последнее инструментальное определение южного магнитного полюса проведено австралийской геологической службой на судне «Sir Hubert Wilkins» в 2000 г.

Определение координат ЮМП в кругосветной экспедиции ВМФ ОИС «Адмирал Владимирский» 2019?2020 гг.

В 2019?2020 гг. по решению Министра обороны в честь 200-летия открытия Антарктиды и 250-летия со дня рождения адмирала И.Ф. Крузенштерна успешно проведена кругосветная экспедиция на океанографическом исследовательском судне (ОИС) ВМФ «Адмирал Владимирский». Одной из задач антарктической экспедиции являлось инструментальное определение координат Южного магнитного полюса в море Дюрвиля (около Земли Адели Антарктиды) и определение невязки магнитного полюса по мировым моделям. Эту задачу на ОИС выполняла объединённая геофизическая группа ФГБУ «ИПГ», МГУ им. М.В. Ломоносова (физический и геологический факультеты), ИЗМИРАН и АО «Южморгеология» при поддержке Русского географического общества, Гидрометеорологической службы ВС РФ, Гидрографической службы ВМФ.

Измерения параметров магнитного поля в составе геофизической группы экспедиции проводили: Илья Грушников — кафедра физики Земли физического факультета МГУ (г. Москва), Вадим Солдатов, — ИЗМИРАН (Санкт-Петербург), Михаил Кузякин — Южморгеология (г. Геленджик).

Определение характеристик МПЗ (модуля и полного вектора индукции магнитного поля) в Мировом океане является сложной задачей из-за наведенного магнитного поля корабля, отсутствия в океане магнитовариационных станций, необходимости применения буксируемых морских магнитометров. Для решения измерительных задач в экспедиции использовалось два типа приборов. Во-первых, классические буксируемые протонные магнитометры, которые измеряют модуль полного вектора индукции магнитного поля (рис.6). Их работа осуществлялась в дифференциальном режиме для учета вариаций магнитного поля. Измерения параметров МПЗ производились двумя гондолами, буксируемыми последовательно друг за другом на расстоянии не менее 300?400 м за судном, чтобы минимизировать влияние магнитного поля корабля.

Рис.6. Работа с протонными морскими магнитометрами на борту ОИС «Адмирал Владимирский»

В ходе съёмки были дополнительно использованы трёхкомпонентный феррозондовый магнитометр — корабельный магнитовариационный комплекс MVC-2 (разработка ИЗМИРАН) и магниторезистивный компонентный магнитометр. Вся аппаратура располагалась на корме судна в магнитометрической лаборатории с целью уменьшения влияния магнитного поля корабля на показания приборов.

Работы по инструментальному определению ЮМП были проведены в сложных метеоусловиях в начале апреля 2020 г. по плану экспедиции. Несмотря на сильные шторма в Южном океане — ветер более 30 метров в секунду и 7-метровые волны, — команда «Адмирала Владимирского» выполнила одну из основных задач экспедиции.

Для определения положения магнитного полюса экспедицией были проведены площадные морские магнитометрические работы с использованием трёхкомпонентного и протонного морского буксируемого магнитометров, по результатам которых было определено положение Южного магнитного полюса. 6 апреля 2020 года судно «Адмирал Владимирский» прибыло в район предполагаемого положения ЮМП в море Дюрвиля в районе Земли Адели Антарктиды. Более 48 часов специалисты и члены команды непрерывно проводили съемки параметров магнитного поля.

О том, что корабль находился непосредственно в районе местонахождения МПЗ, свидетельствовала, например, и «сошедшая с ума» стрелка компаса, которая меняла направление вместе с судном, разворачивалась на 180 градусов, беспричинно крутилась во все стороны.

Для параметрического определения положения ЮМП заранее была спроектирована площадная сеть наблюдений. На рис. 7 отмечены положения полюса по данным международной модели геомагнитного поля IGRF-13 в 2020 году, а также за предыдущие годы. Можно заметить, что его траектория описывается кривой линией. В полученные данные внесены поправки по магнитным вариациям на день проведения съёмок, взятые с ближайших магнитных обсерваторий: Дюмон-Дюрвиль (Франция) в Антарктиде и на острове Маккуори (Новая Зеландия).

Результаты работ экспедиции и схема движения ЮМП была представлены специалистами ФГБУ «ИПГ», МГУ имени М.В. Ломоносова на Международном военно-техническом форуме «Армия 2020» 23?30 августа 2020 г.

Рис.7. Характер движения ЮМП с 1930 г по 2015 г и положение ЮМП по результатам экспедиции ОИС «Адмирал Владимирский» в 2020 г.

Фотографии с ОИС «Адмирал Владимирский» предоставлены членами экспедиции 2019?2020, 1982?1983 гг., пресс-службой РГО и РИА Новости.

Литература

1. Кузнецов В.В. Прогноз положения южного Магнитного Полюса на 1999 г. ДАН. 1998-б. Т. 361. №2. С. 348?251.

2. Решетняк М.Ю., Павлов В.Э. Эволюция дипольного геомагнитного поля. Наблюдения и модели, Геомагнетизм и аэрономия. 2016 том 56, №1, с. 117.

3. Осипов О.Д., Минлигареев В.Т., Максимочкин В.И. и др. Исследование дрейфа Южного магнитного полюса Земли и магнитного поля Мирового океана в кругосветной экспедиции ОИС ВМФ «Адмирал Владимирский» // Русское географическое общество. Сайт. 08.06.2020. https://www.rgo.ru/ru/article/chto-novogo-uznali-uchyonye-o-dreyfe-magnitnogo-polyusa-zemli-i-magnitnogo-polya-mirovogo (дата обращения: 06.10.2020).

4. В. Т. Минлигареев, А. В. Алексеева, Ю. М. Качановский, и др. Картографическое обеспечение магнитометрических навигационных систем робототехнических комплексов//Известия ЮФУ. Технические науки. Тем. вып. «Перспективные системы и задачи управления». — Ростов-на-Дону, 2019. — №1 (203). — С.248?258.

Профессор Максимочкин В.И., Грушников И.Ю., физический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова, д.т.н Минлигареев В.Т., Институт прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова

*Примечание главного редактора:

О ходе экспедиции помещена статья в №2 (143) «Советского физика».