Группировка Swarm состоит из трёх идентичных спутников, которые находятся на низкой орбите, проходящей через полярные области Земли. Такие параметры орбиты обусловлены конфигурацией магнитного поля Земли, близкой полю эквивалентного магнитного диполя. Два спутника летят на высоте 450 км параллельно друг другу на расстоянии около 100 км. Третий находится на высоте 530 км, и его орбита лежит в другой азимутальной плоскости. Когда спутники движутся по орбите, каждый последующий виток немного смещается по долготе, что позволяет постепенно покрыть орбитами весь земной шар и получить глобальную картину распределения вектора магнитного поля. Каждый аппарат Swarm оснащён высокочувствительными магнитометрами для измерения величины, направления и вариаций магнитного поля, акселерометром - для определения неоднородности скорости движения среды, электростатическим анализатором и приборами для точной ориентации в пространстве.
 |
| Группировка спутников Swarm на орбите. Два космических аппарата летят параллельно друг другу и третий - в иной азимутальной плоскости. Такая конфигурация позволяет обнаружить и измерить с высокой точностью магнитные сигналы, поступающие от различных источников - из внутренних и внешних слоёв земной коры, ядра Земли, от океанских течений, возмущений магнитосферы и ионосферы, связанных с солнечной активностью |
(Эквивалентный магнитный диполь - виртуальный постоянный магнит, поле которого наилучшим образом соответствует наблюдаемому крупномасштабному магнитному полю Земли. Ось эквивалентного диполя соответствует геомагнитной оси.
Азимутальная плоскость - плоскость сечения, проходящая через один из меридианов и оба полюса Земли.
Ортогональные компоненты вектора геомагнитного поля - три компоненты разложения вектора, направленные на север, восток и вертикально к земной поверхности).
Swarm - четвёртый космический проект исследования геомагнитного поля. Первые магнитные измерения из космоса произведены в 1980 году американским спутником Magsat, который проработал всего девять месяцев. Затем был довольно длительный период, когда на орбите не было ни одного специализированного геомагнитного спутника. Лишь в 1999 году запустили спутник Oersted и ещё через год - спутник CHAMP. Обе миссии оказались весьма успешными. Первоначально рассчитанный срок их жизни был превышен в несколько раз, - они проработали более десяти лет и дали чрезвычайно большое количество информации. Теперь на смену одиночным космическим
аппаратам пришла группировка Swarm.
Что же происходит?
К началу конференции в Копенгагене спутники сделали более двух тысяч оборотов вокруг Земли, и орбиты, постепенно смещаясь по долготе, постепенно покрыли все долготные сектора. Первые измерения Swarm показывают, что за период около 15 лет в магнитном поле Земли произошли значительные изменения. Напряжённость геомагнитного поля падает, причём неравномерно. В среднем она уменьшилась на 1,5%, а в некоторых регионах, например в южной части Атлантического океана, - на 10%. В ряде мест напряжённость поля, вопреки общей тенденции, несколько возросла.
Спутниковые данные о постепенном ослаблении магнитного поля земного диполя подтверждаются измерениями наземных геомагнитных обсерваторий, которые имеют гораздо более длинные ряды наблюдений. Отдельные обсерватории проводят измерения геомагнитного поля в точках своего расположения уже в течение ста лет и более. Ещё один источник информации об
эволюции магнитного поля Земли - палеомагнитные исследования, основанные на изменении намагниченности породы в кернах, - позволяет сделать оценки величины поля в далёком прошлом.
В целом, как и положено, в геомагнитном поле доминирует дипольная составляющая, на которую накладывается поле крупномасштабных и локальных магнитных аномалий. Мелкомасштабные вариации магнитного поля наблюдаются при пересечении высокоширотных областей Северного и Южного полушарий. Амплитуда этих вариаций сейчас сравнительно невелика, что указывает на слабую интенсивность геомагнитных бурь. Это вполне ожидаемо, поскольку мы сейчас находимся на спаде 11-летнего цикла солнечной активности и Солнце было очень спокойным.
Полученные данные будут включены в самую последнюю версию крупномасштабной модели геомагнитного поля, по которой можно определить величину напряжённости поля в любой географической точке.
 |
| Солнечный ветер и магнитное поле Земли. Под действием потоков постоянно истекающей из Солнца плазмы (так называемого солнечного ветра) силовые линии земного диполя поджимаются на стороне, обращённой к Солнцу, и вытягиваются на сотни земных радиусов на противоположной, ночной, стороне, образуя магнитосферу Земли. Плазма солнечного ветра обтекает магнитосферу, частично проникая внутрь неё |
Спутники Swarm подтвердили предыдущие данные о том, что заметно смещаются магнитные полюса Земли. Северный магнитный полюс дрейфует из канадского сектора Арктики в сторону восточносибирского побережья. Южный полюс сместился с континентальной части Антарктиды в Южный океан, в сторону Новой Зеландии.
Наземные, а затем спутниковые измерения показывают, что скорость дрейфа северного магнитного полюса в направлении географического полюса в 1990-х годах резко увеличилась и достигла 50 км/год, тогда как в начале ХХ века она составляла всего 10 км/год. Если полюс сохранит скорость и направление смещения, то приблизительно через 50 лет он придёт к северным сибирским островам. По данным предшествующего Swarm спутника CHAMP, скорость движения северного магнитного полюса, достигнув значения примерно 60 км/год в 2003 году, затем стала замедляться и в 2009 году уменьшилась до значения около 45 км/год. При этом полюс стал немного разворачиваться в сторону Канады, двигаясь по-прежнему в северо-западном направлении.
 |
| Дипольная конфигурация главного геомагнитного поля, генерируемого в ядре Земли. Магнитные и географические полюса смещены относительно друг друга более чем на 10°, и на такой же угол наклонена ось магнитного диполя к оси вращения Земли |
Дрейф южного магнитного полюса, напротив, направлен в сторону от географического Южного полюса. При этом скорость смещения южного полюса, которая раньше была приблизительно такой же, как у северного (около 10 км/год), в последнее время даже уменьшилась. Зато в Южном полушарии достаточно динамично ведёт себя Бразильская магнитная аномалия - зона аномально слабого магнитного поля. Аномалия смещается на 0,3 градуса на запад и 0,1 градуса на север и углубляется до 100 нТл (нТл - нанотесла) в год. Если эта тенденция сохранится, то в 2250 году поле юго-западнее Кейптауна будет нулевым, а аномалия покроет половину Южного полушария.
Что происходит с магнитными полюсами и магнитным полем в районе Бразильской аномалии в настоящий момент, покажут наблюдения Swarm.
Полюса наоборот
Наблюдения векового хода геомагнитного поля с наземных магнитных обсерваторий показывают, что величина всех трёх ортогональных компонентов вектора геомагнитного поля медленно меняется год от года. Вековая вариация для каждой компоненты может иметь различную форму и достигать нескольких процентов от полной измеряемой величины. Вековые вариации свойственны и дипольной, и недипольной составляющим геомагнитного поля. За последнее столетие дипольное поле уменьшалось примерно на 0,05% в год. Относительная величина годового изменения недипольного поля в среднем больше, но меняется от региона к региону, где напряжённость поля может как уменьшаться, так и увеличиваться. Довольно часто, иногда раз в несколько лет, происходят события ускорения векового хода - так называемые геомагнитные джерки.
Полный магнитный момент земного диполя уменьшается в течение года при-близительно на одну тысячную своего значения. Следовательно, короткий (в геологическом отношении) отрезок времени достаточен, чтобы полностью изменить всю картину геомагнитного поля, включая переход его через ноль и смену полярности. Оценки, сделанные по палеомагнитным данным, показывают, что действительно в далёком прошлом происходили переполюсовки, или инверсии, магнитного поля Земли. Северный и южный полюса менялись местами.
 |
| Современное магнитное поле Земли, имея в целом дипольную конфигурацию, обладает и явно выраженными крупномасштабными аномалиями. На рисунке красным цветом обозначены области с большей напряжённостью магнитного поля, синим - с меньшей |
 |
| Изменение напряжённости магнитного поля Земли за период с декабря 2013 года по май 2014-го, по данным Swarm. На рисунке сиреневый цвет соответствует увеличению, а тёмно-синий - уменьшению напряжённости в диапазоне ±100 нТл |
Во время переполюсовок, которые происходили постепенно, магнитное поле Земли теряло дипольную структуру. Перед инверсией поле ослабевало, а после неё постепенно возрастало до прежних значений. В прошлом инверсии в среднем происходили примерно каждые 250 000 лет. Но со времени последней прошло уже 780 000 лет. Объяснения столь длительного периода стабильности пока нет, а корректность интерпретации палеомагнитных данных периодически подвергается критике. Однако то, что в настоящее время главное магнитное поле Земли довольно интенсивно уменьшается, неоспоримый факт. Это может быть признаком начала глобальных процессов в недрах Земли.
Механизм смены магнитных полюсов и сама природа магнитного поля Земли по сей день точно неизвестны, и существует несколько теорий, объясняющих его происхождение. Нет и достаточных знаний для точного предсказания эволюции геомагнитного поля.
Исчезновение магнитного щита и озоновая дыра
Сейчас напряжённость магнитного поля Земли составляет около 30 000 нТл на экваторе (где вектор поля направлен по горизонтали) и 60 000 нТл на полюсах (где вектор направлен вертикально). Это значение на несколько порядков меньше значения магнитного поля, создаваемого медицинскими приборами для магнитной томографии. Так что живые организмы достаточно адаптированы к изменениям величины магнитного поля Земли. Мы также не испытываем дискомфорта, перемещаясь из Северного полушария в Южное, где магнитное поле земного диполя направлено в противоположную сторону. Тем не менее уменьшение дипольного момента, которое мы сейчас определённо наблюдаем, вызывает беспокойство.
Оно указывает на повышение вероятности переполюсовки – самого драматичного глобального изменения магнитного поля Земли. Если уменьшение дипольной компоненты поля со скоростью 0,5% в год продолжится, то эта основная составляющая поля исчезнет уже в четвёртом тысячелетии. А квадрупольная и тетрапольная составляющие будут играть всё более существенную роль, что приведёт к сложной, многополярной топологии поля. Палеомагнитные исследования указывают, что такая конфигурация всегда предшествовала переполюсовке. ФактическиЗемля в этот период лишается своего прочного магнитного щита.
Ослабление геомагнитного поля определённо отразится на земной атмосфере. Магнитное поле экранирует Землю от энергичных заряженных частиц, приходящих из космоса и от Солнца. Увеличение потоков частиц приводит к увеличению оксидов азота в средней атмосфере. Эти частицы, постепенно оседая, активно разрушают стратосферный озон. В результате уменьшения концентрации озона увеличивается вредная УФ [ультрафиолетовая]-радиация.
Сейчас уменьшение содержания озона фиксируется на всех широтах, и особенно заметно на высоких, несмотря на активные меры, принятые в рамках Монреальского протокола о защите озонового слоя Земли. Наиболее драматические потери озона происходят в Южном полушарии над Антарктикой. В весенний период здесь развивается самая большая озоновая дыра. Однако в 2012 году рекордно малая концентрация озона была зафиксирована и в Арктике, хотя атмосферная циркуляция такова, что значительных озоновых дыр там образовываться не должно.
Моделирование показывает, что при нулевом геомагнитном поле концентрация озона в атмосфере уменьшится на 50%. Такое сокращение содержания озона и появление многочисленных озоновых дыр приведут к катастрофическим последствиям для биосферы. Изменение спектра солнечного излучения, проходящего через земную атмосферу к поверхности Земли, нарушит всю биологическую цепочку. В первую очередь это повлияет на микроорганизмы, обитающие в океане и создающие основную биомассу на Земле. Степень их приспособляемости к изменению спектра солнечной радиации определит дальнейшие биологические и климатические последствия ослабления магнитного щита Земли.
Отметим, что при переполюсовке наступят сложные времена и для высокоорганизованных организмов, способных ориентироваться по магнитному полю, например перелётных птиц и морских животных.
Изменения магнитного поля скажутся и на технике. Если главное магнитное поле Земли ослабнет и перестанет быть дипольным, традиционные технические средства ориентации, которые человек использует на протяжении тысячелетий, перестанут работать. Стрелка компаса не найдёт ни севера, ни юга.
При ослаблении магнитного поля Земли низкоорбитальные космические аппараты подвергаются повышенному радиационному облучению и бомбардировке частицами больших энергий. Во время солнечных вспышек выходят из строя приборы. Космонавты, а также пассажиры и экипажи трансконтинентальных авиарейсов могут получить опасную дозу радиации. Так, при пролёте над Бразильской магнитной аномалией, которая проявляется до высот 600 км, на обитаемой космической станции принимаются специальные меры защиты. Плотность потока заряженных частиц в районе аномалии превышает аналогичную величину, измеренную в удалённых районах, на несколько порядков.
От Канады до России
Смещение геомагнитных полюсов влечёт за собой изменение географического положения областей, которые связаны с определёнными плазменными доменами в магнитосфере Земли. Если движение северного магнитного полюса от северных островов Канадского архипелага в сторону Восточной Сибири продолжится, то вместе с полюсом в этом же направлении сместится и окружающая его зона максимальных высыпаний энергичных частиц из магнитосферы и наиболее интенсивных и изменчивых ионосферных электрических токов. Сейчас эта зона находится над материковой территорией Канады, и канадские энергетические системы наиболее подвержены атакам геомагнитных бурь, во время которых катастрофически нарастают паразитные индуцированные токи, выводящие из строя трансформаторы и усиливающие коррозионные процессы в трубопроводных системах. Крупная авария в энергосистеме произошла в Канаде в марте 1989 года во время мощной геомагнитной бури, вызванной солнечной вспышкой.
Если полюс продолжит своё движение в том же направлении, что и сейчас, то зона максимальных геомагнитных вариаций, опасных для технологических систем, будет постепенно покрывать северные территории России. Именно те территории, где предполагается развивать новые энергетические проекты.
Чем поможет Swarm?
Космическая миссия Swarm рассчитана на четыре-пять лет. Данные, полученные европейскими спутниками, могут использоваться не только непосредственными участниками проекта, но и научными организациями мира, подавшими соответствующую заявку в ЕКА. Шесть заявок было подано от России. Геофизический центр РАН также принимает участие в анализе результатов наблюдений Swarm. Спутниковые данные будут открыты и для тех исследователей, которые присоединятся к программе в будущем.
Наибольший интерес вызывают данные о поведении внутреннего магнитного поля Земли. На базе измерений Swarm будет построена новая модель главного поля, которая должна отражать его современное состояние. Эта модель останется актуальной на протяжении следующих пяти лет для определения вектора геомагнитного поля в любой точке земного шара. Сравнение интенсивности поля, измеряемой спутником в настоящее время, с интенсивностью прошлых десятилетий покажет, насколько изменилась структура геомагнитного поля в различных регионах Земли и в целом на планете. Эти изменения отражают эволюцию глубинных земных слоёв: жидкого ядра, коры и мантии, а их изучение позволит продвинуться в построении непротиворечивой физической теории генерации магнитного поля в недрах Земли – теории геодинамо.
На основе показаний спутниковых магнитометров можно вычислить вариации магнитного поля литосферного происхождения. Построение детальных карт литосферного поля имеет большое практическое значение для изучения геологии и тектоники, так как эта часть геомагнитного поля связана с геологическими структурами.
Модельное представление главного магнитного поля Земли в его современном состоянии (слева) и в процессе переполюсовки (справа). Со временем магнитное поле Земли из дипольного может превратиться в мультипольное, а затем опять сформируется стабильная дипольная структура. Однако направление поля изменится на противоположное: северный геомагнитный полюс окажется на месте южного, а южный переедет в Северное полушарие. Такие события переполюсовки уже неоднократно происходили в геологическом прошлом нашей планеты
В отличие от предыдущих - одноаппаратных - миссий Swarm даёт возможность выделять структуры разных масштабов и оценивать пространственные градиенты магнитного поля. Новые карты распределения геомагнитного поля будут иметь пространственно-временнόе разрешение, недостижимое ранее. Если за время работы спутниковой группировки на орбите наземные обсерватории зафиксируют события глобального или локального ускорения вековых вариаций геомагнитного поля (джерки), спутниковые наблюдения помогут понять их природу, которая до сих пор до конца не выяснена.
Особое внимание предполагается уделить изучению Бразильской магнитной аномалии, где наблюдается наибольшее падение напряжённости магнитного поля.
В задачи Swarm входят также уточнение положения и мониторинг дрейфа северного и южного магнитных полюсов. Это тем более важно, что оба полюса в настоящее время находятся в океане и определить их точное положение с помощью наземных экспедиционных исследований достаточно непросто.
Есть ещё одна интересная проблема, для решения которой будут использоваться наблюдения Swarm. Предварительные оценки показывают, что высокочувствительные магнитометры, установленные на борту Swarm, могут детектировать магнитное поле, индуцируемое океанскими течениями. Изучение океанского магнитного сигнала из космоса и анализ спутниковых данных при пролётах Swarm над океанами позволят не только оценить параметры самих течений, но и рассчитать электропроводность верхней мантии Земли.
Задачи, перечисленные выше, относятся к изучению источников внутреннего магнитного поля Земли. Однако данные наблюдений Swarm помогут и в изучении электродинамического взаимодействия в системе солнечный ветер -магнитосфера - ионосфера. Среди задач солнечно-земной физики, которые предполагается решить, - определение структуры электрических токов, текущих между магнитосферой и ионосферой вдоль силовых линий геомагнитного поля, связь этих токов с полярными сияниями, ионосферные электрические поля и токи во время спокойных условий и геомагнитных бурь, волновые движения и передача энергии в верхней атмосфере Земли, вариации плотности атмосферы». http://www.nkj.ru/archive/articles/24756/
Комментарии