CC BY
66
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
Библиографический список
1. Августинович, А.Н. Культура использования древесных растений / А.Н. Августинович // Лесной Журнал. - 2008. - № 24. - С. 5-6.
2. Маракуев, С.Т. Использование древесных растений для очищения почвы / С.Т. Маракуев. - М.: Наука, 1992. - 112 с.
3. Черных, Н.А. Изменение содержания ряда химических элементов в растениях под действием различных количеств тяжелых металлов в почве / Н.А. Черных // Агрохимия. - 1999. - № 3. - С. 68-76.
4. Ягодин, Б.А. Агрохимия / Б.А. Ягодин, Ю.П. Жуков, В.И. Кобзаренко. - М.: Колос, 2002. - С. 38-42.
5. Cunningham, S.D., Anderson T.A., Schwab A.P.,
Hsu F.C., 1996. Phytoreme-diation of Soils
contaminated with organic pollutants. Adr.agron. 56, 55-114.
6. Prasad, M.N.V, Hagemeyer, J. (Eds.),(2002), Heavy Metal Stress in Plants: From Molecules to Ecosystems. Springer, Berlin, pp. 51-72.
7. Young soo Cho, James A. Bolick and David J. Butcher,. Phytoremediation of lead with green onions (Allium fistulosum) and uptake of arsenic compounds by moonlight ferns (Pteris cretica cv Mayii) Original Research Article Microchemical Journal, Volume 91, Issue 1, January 2009, Pages 6-8.
ДИНАМИКА ЕСТЕСТВЕННЫХ РАДИАЦИОННЫХ ПОЯСОВ ЗЕМЛИ
в условиях влияния антропогенных факторов
В.Д. БУРКОВ, проф. каф. ИИС и ТПМГУЛ, д-р техн. наук,
B. С. ШАЛАЕВ, проф., директор ИСИЛМГУЛ, д-р. техн. наук,
Ю.С. КАПРАНОВ, начальник отдела волоконно-оптической техники ОАО НПЦ «Систем прецизионного приборостроения»,
C. В. ПЕРМИНОВ, асп. каф. ИИС и ТП МГУЛ
Взаимодействие техносферы с плазменномагнитными оболочками Земли проявляется в виде возмущений естественно протекающих процессов в этих оболочках. Возмущения магнитосферы могут носить как временный, так и длительный характер (образование искусственных поясов радиации и т.п.). Кроме того, антропогенное воздействие на электромагнитные оболочки планеты может носить как локальный (радионагрев КВ-излучением, выброс химических веществ, старты ракет и т.п.), так и глобальный («паразитное» излучение от линий электропередач, радиоизлучения средств связи, работа «загоризонтных» РЛС дальнего обнаружения) характер. Техногенные воздействия можно разделить, помимо прочего, на контролируемые и неконтролируемые.
Неконтролируемые воздействия на «эфирные» оболочки Земли можно считать «неизбежной платой» за достаточно высокий уровень развития цивилизации. Что касается целенаправленных, контролируемых воздействий, то тут следует иметь в виду, что происходит вмешательство в точный и хрупкий механизм, который отвечает как за климатические, так и литосферные изменения на
[email protected] планете. Помимо этого, воздействия на магнитосферу нарушают баланс солнечно-земных связей, к которым весьма чувствительны как биологические, так и социальные процессы. Механизмы солнечно-земных связей еще недостаточно изучены, хотя их влияние бесспорно, как это показал пионер в этой области исследований, А.Л. Чижевский [1]. Влияние этих механизмов на развитие биологических систем определяется потоками солнечных и галактических космических лучей [2, 3].
На пути у потоков солнечных и галактических лучей между источником и биосферой всегда стоял очень мощный барьер - атмосфера и, главное, магнитосфера Земли. На протяжении всей земной истории человечество было лишено технической возможности вторжения в эти защитные оболочки Земли. Но начиная с 50-х гг. ХХ в. человечество получило возможность (и немедленно этой возможностью воспользовалось) изменять характеристики ионос-ферно-магнитосферных оболочек планеты.
Воздействия на магнитосферные оболочки планеты проводились в рамках исследований околоземной среды. Исследования производятся путем активных воздействий на
108
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 7/2010
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
ионосферу и магнитоплазменные оболочки Земли. Например, в качестве источников возмущений в 1958 и 1962 гг. были использованы ядерные и термоядерные взрывы. Возникающие искусственные образования значительно влияют на распространение радиоволн в широком диапазоне частот и оптического (лазерного) излучения [4]. Получаемые искусственные образования могут быть использованы для физического моделирования некоторых геофизических эффектов, возникающих при других типах воздействий.
Существующая модель магнитосферы Земли вполне удовлетворительно работает на дистанциях от 500 до 150 000 км от земной поверхности, в областях переднего фронта магнитосферы и в хвостовой области на расстояниях, превышающих 3RE (R - радиус Земли, ~ 3600 км).
Взаимодействуя с «солнечным ветром», магнитосфера Земли захватывает часть частиц, из которых и состоит космическое излучение. Так образовались радиационные пояса Земли, обнаруженные С.Н. Верновым и Дж. Ван-Алленом [5, 6]. Внешний, состоящий в основном из электронов, простирающийся на расстояниях от 10 до 50 тыс. км, имеющий максимальную концентрацию заряженных частиц (электронов) на расстоянии около 17 000 км, и внутренний, образованный, главным образом протонами. Внутренний радиационный пояс расположен на расстояниях от 500-1500 км до 10 000 км. Максимальная концентрация протонов внутреннего радиационного пояса соответствует расстоянию около 3000 км. Именно эти оболочки определяют столь сложную и эффективную защиту всего живого от внешних космических катаклизмов.
1. Методы и средства создания
искусственных образований
К настоящему времени уже сложился типовой набор способов создания искусственных образований в ионосфере и магнитосфере [4].
искусственные пояса радиации
В магнитосфере Земли, помимо естественно существующих радиационных поясов, можно создать искусственные радиационные
пояса путем инжекции заряженных частиц в магнитосфере Земли.
Наиболее простой способ искусственной инжекции заряженных частиц в магнитосферу Земли - высотный ядерный взрыв, был предложен американским физиком Кристофилосом и осуществлен впервые осенью 1958 г. [7].
При космическом ядерном взрыве в магнитосферу Земли инжектируются осколки деления, электроны распада этих осколков. Все эти частицы, будучи захвачены геомагнитным полем, и создадут искусственные радиационные пояса [6]. Максимальный радиус разлета частиц в направлении, перпендикулярном магнитному полю, определяется выражением:
А=JLJL, (1)
8п 15 4 nr
откуда:
W
r * 51,2 з — . (2)
\Б
В выражении (2) r - радиус разлета частиц (в км) в направлении, перпендикулярном магнитному полю,
W - мощность взрыва в килотоннах,
Б - напряженность магнитного поля в
точке взрыва в Гс.
При достижении указанного радиуса дальнейшее движение частиц перпендикулярно магнитному полю прекратится, и образовавшееся частицы будут расширяться вдоль силовых линий геомагнитного поля.
Скорость Р-распада осколков деления дается следующим приближенным выражением
dNyd, = ('.96+О7')-' • е-**'. (3)
где t - время в секундах.
Максимальное число электронов, приходящихся на один акт деления:
ад 1
Np =|(1,96 +1,17t) • e-°’0lstdt = 6,9. (4)
0
Часть этих электронов будет захвачена геомагнитным полем, образуя при этом сравнительно узкий пояс в пределах тех оболочек, на которых могли оказаться осколки деления.
Ширина искусственного пояса электронов, возникшего за счет Р-распада осколков деления ядерного взрыва, определяется мощностью взрыва и напряженностью магнитного поля в точке взрыва.
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 7/2010
109
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
Таблица 1
Параметры ядерных взрывов, произведенных в космическом пространстве различными странами
Страна Кодовое наименование Мощность взрыва Высота подрыва заряда Географические координаты Дата
США Аргус 1 1-2 кт 480 км 12°з.д., 38°ю.ш. 17.08.58
США Аргус 2 1-2 кт 480 км 8°з.д., 50°ю.ш. 30.08.58
США Аргус 3 1-2 кт 480 км 10°з.д., 50°ю.ш. 06.09.58
США Старфиш 1,4 Мт 400 км 170°з.д., 17°с.ш. 09.07.62
СССР № 1 500 кт - - 22.10.62
СССР № 2 <1000 кт - - 28.10.62
СССР № 3 1000 кт - - 01.11.62
КНР № 1 <1000 кт ~20 км 85°в.д., 30°с.ш. 27.12.68
Рис. 1. Карта пространственного распределения электронов, образовавшихся после термоядерных взрывов в октябре 1962 г. [5, 7]
110
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2010
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
К настоящему времени имеются данные по некоторым ядерным взрывам, произведенным на больших высотах. Результаты наших исследований по данному вопросу [5-7] представлены в табл. 1.
Для взрывов «Аргус 1-3» толщина оболочек радиационных поясов, созданных за счет Р-распада осколков деления, составляла 90 км для взрывов «Аргус-1» и «Аргус-2» и 150 км для взрыва «Аргус-3».
9 июля 1962 г. над островом Джонстон (Тихий океан, атолл Джонстон, южнее Гавайских островов) был произведен термоядерный взрыв мощностью 1,4 Мт. В результате этого взрыва образовался пояс искусственной радиации порядка 500-3000 км. Радиус разлета осколков деления ~ 2000 км. Радиус разлета осколков деления был зафиксирован аппаратурой спутника «Космос-5»
[5].
Дальнейшие исследования радиационных эффектов термоядерного взрыва 09.07.1962 г. подтвердили полученные ранее результаты, в том числе о сохранении осколков деления в течение длительного времени после взрыва. Возбужденное состояние ионосферы после взрыва 09.07.1962 г. сохранялось продолжительное время [5, 7].
Космические ядерные и термоядерные взрывы примерно в то же время, что и «знаменитый» термоядерный взрыв «Стар-фиш», проводились и в СССР и в КНР [7]. Как и при американском термоядерном взрыве 09.07.1962 г., было зарегистрировано образование достаточно мощных поясов искусственной радиации и существенные возмущения в ионосфере. Карта пространственного распределения электронов для этих взрывов в координатах X-L представлена на рис. 1.
Время существования искусственных поясов радиации разными авторами оценивалось по-своему, но надежды на быстрый спад искусственно образованной радиации в околоземном космическом пространстве не оправдались, и по данным С.Н. Вернова с сотрудниками, основанных на результатах многолетних наблюдений, дозы радиации через десять лет после взрыва уменьшились всего лишь в 10 раз.
Основываясь на данных, полученных с помощью спутников «Эксплорер-4», «Ин-жун-3» и «Реле-2», предполагалось, что доза наведенной радиации будет убывать по закону t-1,5 и через 1-3 года наведенная радиация будет неразличима на стационарном фоне. Эти прогнозы не оправдались, и время жизни искусственных поясов радиации превысило расчетные 1000 суток. Потоки частиц, обусловленные экспериментами 1962 г., регистрировались вплоть до 1972 г.
Следовательно, эксперименты, проведенные в 1958 и в 1962 гг., привели к возникновению долговременных искусственных образований, которые получили название искусственные радиационные пояса. Долговременные последствия этих экспериментов до сих пор не изучены.
Мощные
радиотехнические средства
Специальные эксперименты по воздействию на ионосферу мощным радиоизлучением были начаты в 1970 г. Уже первые из них, проведенные в США (Боулдер) и СССР (Горький), показали, что для решения задач по взаимодействию радиоволн с ионосфер-но-магнитосферной плазмой, необходимы радиопередающие системы, обеспечивающие в диапазоне 3-10 МГц эффективную мощность PG > 100 МВт.
В настоящее время в рабочем состоянии находятся только несколько стендов КВ-радионагрева атмосферы (табл. 2).
Первая установка по радионагреву ионосферы была создана в Боулдере и начала действовать с 1970 г. Для экспериментов по вертикальному нагреву использовались частоты ниже 10 МГц. Облучаемая область ионосферы на высоте ~300 км имеет диаметр ~ 85 км.
Основу мощного экспериментального комплекса «Сура» в Нижнем Новгороде составляют три КВ-передатчика с номинальной мощностью 150 кВт каждый. Антенная система представляет собой горизонтальную фазированную решетку и построена из трех секций с размерами 100*300 м (общие размеры антенны 300*300 м), причем на каждую секцию работает свой передатчик.
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 7/2010
111
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
Таблица 2
Некоторые технические данные по программе «HAARP»
Место расположения стенда Диапазон частот, МГц Коэффициент усиления антенны G Эквивалентная мощность, PG, МВт Примечание
Аресибо (Пуэрто-Рико), 18°N 3,0-12,0 200^00 160-300
Боулдер (США), 40°N 4,5-9,0 2,7-3,3 60-80 30 120-160 60
Нижний Новгород (Россия), 56,1°N 4,6-5,75 4,5-9,0 1,2-1,5 100-150 240 35 15,0-22,5 150-320 7,0 Функционирует частично
Тромсе (Норвегия), 69,3°N 2,5-8,0 240 360
Гакхон (Анкоридж) Аляска, США 145°W, 65°N 2,0-10,0 240 860 Программа HAARP Мощн. изл. 3,7 МВт
Рис. 2. Взаимное расположение нагревных станций на Аляске и в г. Тромсе
112
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2010
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
Установка радионагрева в г. Тромсе (Норвегия) имеет антенную систему с линейными размерами ~ 2 км. Особенностью этой установки перед другими является ее соседство с крупными измерительными диагностическими комплексами, такими как станция некогерентного рассеяния EISCAT и двумя европейскими радарами.
В настоящее время появилась информация о нагревной ионосферной станции на Аляске (США), созданной по программе «HAARP». Некоторые технические данные по этой программе приведены в табл. 2.
Суммарная площадь антенной решетки нагревного стенда, созданного по программе HAARP, превышает 20 акров. Суммарная мощность сигнала, излучаемого с помощью антенной системы типа «фазированная решетка», достигает 3,7 МВт в непрерывном режиме. Эквивалентная мощность такой излучательной системы с учетом коэффициента усиления антенной системы достигает гигантских величин, около 1 ГВт непрерывной мощности. По сравнению с энергией, получаемой Землей от Солнца в этом частотном диапазоне, энергия, которая излучается системой HAARP, превышает энергию Солнца на 5-6 порядков.
Помимо собственных характеристик каждой из представленных в табл. 2 антенных систем для ионосферного нагрева, следует учитывать и их взаимное расположение, поскольку синхронная работа двух и более нагревных стендов может привести к возникновению мощных кумулятивных эффектов в магнитосфере. Таким образом синфазная (согласованная) работа таких расположенных в меридианальной плоскости систем может вызвать в магнитосфере эффекты, которые недостижимы при имеющихся уровнях мощности излучения для каждой из нагревных станций.
На рис. 2 приведена карта Северного полушария Земли, на которой отмечены места расположения нагревных станций в г. Тромсе и на Аляске. Само взаимное расположение этих станций говорит о многом.
Воздействие на ионосферу и магнитосферу Земли мощными радиоволнами приводит к широкому кругу явлений в ионосферной
и магнитосферной плазме - крупномасштабным возмущениям температуры и электронной концентрации N, модификации профиля электронной концентрации, к возникновению периодических неоднородностей в D-, E-, и А-областях. Эти воздействия приводят к возникновению различного рода неустойчивостей, генерации ускоренных электронов и резонансному взаимодействию с захваченными частицами радиационных поясов Земли. Мощные радиоволны, облучающие ионосферу, вызывают модуляцию ионосферных токовых систем, что влечет за собой появление искусственного низкочастотного излучения и генерацию искусственного радиоизлучения ионосферы.
При облучении ионосферы возникают неоднородности с измененной электронной концентрацией - в литературе такие неоднородности называют «ионосферными пузырями» или «диамагнитными полостями». Как показали теоретические исследования, процессы модификации магнитосопряженных областей ионосферы вызывают процессы перераспределения плазмы вдоль всей силовой трубки [8]. В то же самое время Г. Л. Гдалевич с сотрудниками опубликовал ряд работ по тропическому циклогенезу, из которых наиболее интересна работа [9]. На основании данных по корреляции солнечных вариаций и интенсивности годового тропического циклогенеза было показано наличие связей между геомагнитной активностью Земли и генерацией крупномасштабных вихревых систем. Позднее (2002 г.) было показано, что нелинейные возмущения типа «диамагнитных пузырей» в ионосфере могут возникать спонтанно, под действием внутренних гравитационных волн. Активность таких внутренних гравитационных волн определяется индексом солнечной активности и характером возбуждения внешней плазмосферы. В процессе естественного развития эта возмущенная область перемещается по нормали к геомагнитному полю в сторону поверхности Земли. В то же время за счет вращения Земли возмущенная область перемещается с востока на запад (в северном полушарии), т.е против часовой стрелки. За счет трения между слоями возмущение передается в стратосферу и верхнюю тропосферу.
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 7/2010
113
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЛЕСА
180' 150“ 120' 90' 60' ЗО'^^Хга 0“ 30'^!^S»,60° 90“ 120' 150' 180'
i \ 1 ‘ i 1 \ i ! \ i 1 4 Ч "" v ч._. \ ”* Ч //iTiiVu'i / ! i 1 >1' \\\V'- <// "У/ t / t / t / t I t t 1 t / 1 t / / ; I ■. >. < ■ i 1 1 .a*4 ' V. n.20-'/ / . > > Hi 1 ''I' i 1 1 l l \ t ч / s / 1 1 l I l I l I < J
i ■ X ! Ч чХ 20 ■*" /iii V / / fit ' / ii\ / i i 1 / i i l x\\\ X X\\ l \ \ \ "щ \ \ \ \ \ X X ' / - / / / г * t * * l / ' ' / / / ' / / / / 4 f J \ j \ x. 4, 4. -15- / -го-'', •' / ! * / 1 \ 1 l 1 \ 1 \ ^ir' r r 1 1 / 1 1 t i t I / / i
j 1 \ ■' / i / i / j / ; [\\\ t 1 1 \ \ t t J 1 \ 1 I 1 \ У i Ч7 O’—* / \ / \ / 4— / / / / / / T /
" иг- <3* \ v*v 4 ■* «я L X X sv X X \ X X \ \ * x. s \ f" , i J* / / b
10*— \ \ \' \ \ \ ' \ / I i \ l \ \ ^4 4 ч 4 4N N. 4 4 ' "-Ч 4 \ N \ V \ ** /- / i /'
\ \\\ 4 X \ X Ч ч Ч V 4 x \ \ i x x \ X X X X \ X\\\ t ,лК ** +* ^ - . 4 «_ _ 4 *»Ч 4 “ *"4, ‘44 4 L'V'n'n ■“w ч • \ \ \ ■\\ \ X Nx\x. V t ! / V 5 / \ 1 *
20’- s /*
... ЕЕ 4, ч 4 ■ * «4 , \ 4 \ 4 \ \ \ ' \ \ X \ X X \ ’ X \ \ X x \ \ \ 1 \ \ X V\V 4\\ 4 4 x'4 N \ i «. i / / i t i i i t i i i i i j i * / ' / ^ / / ,* / ' / t г / lit/ Ilf / lit/ у- ^*'4 / \ / / 4\\\ i; i / if/ yiP У t/‘ . * t*0' У »- **
***. "ч, ч.. *<4. V 4—' *чч \ 4 \ \ 4. \ ' V \ \ X '• '■ \j \ \ t| X X \ \ \ \ \—r~ \ x \ X V » \ 1 1 1 l 1 i i j i i i i i III! 1111 1 / I 1 lilt i i 1 1 t tilt/ tilt till / /V / / / / It// t t / / / ^ ^ — -J, Е/Е-А / / / // toil
180' 150' 120” 90” 60' 30” 0” 30” 60” 90' 120' 150” 180”
Рис. 3. Карта магнитных склонений на 2000 г. по всемирной магнитной модели WMM-2000. Интервал между соседними контурами равен 5°. Штрих-пунктиром обозначено положительное (восточное) магнитное склонение, пунктиром - отрицательное (западное) магнитное склонение
Те же процессы происходят и в магнитосопряженной области. Возникает момент сил, который передается в верхнюю тропосферу и может служить спусковым или «триггерным» механизмом запуска очередного тайфуна.
В работе [8] приведена математическая модель высокоширотной F-области, которая была применена на моделировании ионосферного отклика на воздействие мощных коротких радиоволн. Моделирование проводилось для части магнитной силовой трубки, которая пересекает на уровне F-слоя область, облучаемую норвежским нагревным стендом (Тремсе), когда он находится вблизи магнитного меридиана (табл. 2). Существенные изменения профилей электронной температуры, скорости положительных ионов и электронной концентрации возникнут в ночном F-слое вследствие высокочастотного нагрева. Расчеты показывают, что обусловленное 20секундным прямоугольным импульсом возмущение должно длиться не менее 20 мин на уровне максимума F-слоя. В течение этого периода возмущенный плазменный объем может покинуть область, облучаемую
нагревным стендом, и удалиться от него на расстояние более 500 км. Область с такими параметрами и представляет собой «диамагнитный ионосферный пузырь». Скорость перемещения возбужденной области может достигать 1500 км/ч. Точно такая же возмущенная область возникнет в магнитосопряженной области. Образующийся момент сил может сыграть роль спускового механизма при «запуске» очередного разрушительного тайфуна. Правда, исходя из представленной в [9] модели, тайфуны будут возникать исключительно в приэкваториальной области. Наибольшая эффективность такого рода воздействий будет соответствовать утренним и вечерним сеансам облучения [10].
2. Динамика магнитных полюсов и напряженности околоземного магнитного поля
Магнитное поле Земли у поверхности планеты. основные параметры
В соответствии с принятыми в настоящее время моделями магнитное поле Земли
114
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2010
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
представляет собой поле эквивалентного магнитного диполя, который характеризуется геометрическим расположением внутри Земли и магнитным моментом. Магнитное поле Земли и параметры эквивалентного магнитного диполя подвержены существенным изменениям во времени. Измерения магнитного поля Земли проводятся регулярно, и модели геомагнитного поля уточняются каждые 10 лет. На поверхности Земли геомагнитное поле характеризуется «магнитным склонением» и «магнитным наклонением». Эти параметры указывают, насколько реальное геомагнитное поле отличается от магнитного поля, создаваемого симметричным эквивалентным магнитным диполем.
На рис. 3 приведена крупномасштабная карта магнитных склонений на 2000 г.
Математические модели моделируют именно главное поле Земли и его вековые вариации. Процедура приближения модельного поля к главному полю достигается разложением на сферические гармоники. Величина, характеризующая магнитное поле Земли непосредственно у поверхности планеты, описывается формулой (5)
U ([, 0, ф) = R
n-1 m=0
a
n+1
X
x^Cosmq + hmSinmq)PnmCos0 . (5)
Получаемая величина U является скалярной и представлять вектор магнитного поля в выбранной точке не может. Величина U называется геомагнитным скалярным потенциалом. Напряженность магнитного поля B получается из геомагнитного потенциала U путем взятия градиента с обратным знаком B = - grad U.
Хорошие современные модели эталонного геомагнитного поля, такие как IGRF или «всемирная магнитная модель» («World Magnetic Model» WMM), имеют точность в пределах 30’ для магнитного склонения и наклонения и в пределах 0,2 мкТл по интенсивности.
Динамика магнитного поля Земли. Дрейф полюсов
Существующие модели IGRF и WMM не предсказывают поведение магнитных аномалий или дрейф полюсов с абсолютной точ-
ностью. Характер векового дрейфа магнитных полюсов в течение ХХ века имеет пока не выясненную природу, но процессы, приводящие к изменению положения геомагнитного диполя, имеют явную тенденцию к ускорению, особенно хорошо это видно на примере дрейфа Северного магнитного полюса. Хотелось бы особо отметить, что дрейф магнитных полюсов Земли, изменение рисунка изолиний магнитного склонения, все эти явления имеют наиболее выраженную картину непосредственно на поверхности земного шара. По мере удаления от поверхности планеты эта картина микшируется, смягчается и уже на расстояниях порядка 100 км от поверхности Земли существенное влияние на картину геомагнитного поля оказывает лишь такое мощное локальное возмущение, как бразильская магнитная аномалия.
Несмотря на лабильность параметров геомагнитного поля и зависимость его характеристик от времени (вековой ход магнитных полюсов) в литературе почему-то утвердились «незыблемые» значения параметров эквивалентного магнитного диполя [4, 6]. Эти значения соответствуют параметрам геомагнитного диполя для эпохи 1970 г. В эту эпоху геомагнитное поле соответствовало полю эквивалентного эксцентричного диполя, смещенного относительно центра Земли на 436 км в направлении точки поверхности земного шара с координатами 15,6° с.ш., 150,9° в.д. Ось эквивалентного магнитного диполя в эпоху 1970 г. была наклонена относительно земной оси на 11,5°. С течением времени ось эквивалентного магнитного диполя изменила свое местоположение, и к началу XXI в. можно говорить, что ось эквивалентного магнитного диполя наклонена на угол порядка 10°. Координаты центра эксцентричного магнитного диполя и характер его изменения, а также магнитного момента в течение ХХ в. приведены в табл. 3.
Для табл. 3 приняты следующие обозначения. X, Y, Z - положение эксцентричного диполя в прямоугольных декартовых координатах (начало координат находится в центре масс Земли, ось X проходит 0° д., 0° ш., расположенную на гринвическом меридиане, ось Y - через точку 90° з.д., 0° ш., ось Z направлена к Северному географическому полюсу).
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 7/2010
115
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
Таблица 3
Положение центра эксцентричного диполя Земли и координаты его полюсов
Модель Положение центра Сев. полюс Юж. полюс
X (км) Y (км) Z (км) d (км) С. ш. 3. д. Ю. ш. В. д.
DGRF-45 -355,24 175,47 92,33 406,83 80°54’ 83°52’ 75°31’ 121°05’
DGRF-50 -359,03 190,67 101,29 418,95 81°02’ 84°23’ 75°23’ 120°41’
DGRF-55 -362,59 203,52 110,75 430,30 81°09’ 84°56’ 75°15’ 120°17’
DGRF-60 -365,90 214,78 122,42 441,58 81°18’ 85°34’ 75°11’ 119°59’
DGRF-65 -368,77 223,78 133,56 451,57 81°24’ 86°16’ 75°08’ 119°37’
DGRF-70 -373,13 230,96 146,40 462,60 81°32’ 87°04’ 75°06’ 119°24’
DGRF-75 -378,57 237,02 159,83 474,38 81°41’ 87°59’ 75°07’ 119°17’
DGRF-80 -385,41 247,49 170,21 488,63 81°53’ 89°03’ 75°07’ 119°10’
DGRF-85 -391,78 258,51 178,73 502,26 82°09’ 90°03’ 75°09’ 119°11’
DGRF-90 -396,49 270,82 185,88 514,87 82°23’ 91°03’ 75°11’ 119°03’
IGRF-95 -400,51 282,84 192,87 526,89 82°39’ 92°12’ 75°14’ 118°52’
IGRF-2000 -401,86 300,25 200,61 540,27 83°03’ 93°30’ 75°34’ 118°66’
Рис. 4. Проекция центра эксцентричного диполя из центра Земли на ее поверхность за период 1945-2000 гг. (модель IGRF)
Тогда расстояние от центра масс Земли до центра эксцентричного диполя выражается формулой
D =7X2 + Y2 . (6)
Проекция центра эксцентричного диполя на поверхность Земли может быть найдена из следующих соотношений
широта X = arcsin(Z/d), [град], (7) долгота ф = 90° - arctg(X/Y), [град]. (8) В 2000 г. эта точка находилась в северо-западной части Тихого океана, у северной оконечности Марианских островов.
Характер дрейфа проекции центра эксцентричного геомагнитного диполя по поверхности Земли показан на рис. 4.
116
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 7/2010
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
Динамика геомагнитного поля особенно ярко проявляется при дрейфе магнитных полюсов. Дрейф полюсов в ХХ в. покрывал обширные районы Арктики и Антарктики. На рубеже XXI в. Южный магнитный полюс покинул территорию материковой Антарктиды и переместился в Индийский океан. Весьма интересна и динамика такого дрейфа. Если Южный магнитный полюс несколько снизил скорость своего перемещения, то Северный магнитный полюс резко (в разы!) увеличил скорость дрейфа. Характер перемещения Северного магнитного полюса в ХХ столетии представлен на рис. 5.
Если в начале 1970-х гг. ускорение движения Северного магнитного полюса составляло величину 0,22 км/год2, то к концу 1990-х гг. ускорение движения северного магнитного полюса достигло отметки 2,21 км/год2. Из источников по палеомагнитным наблюдениям и истории таких наблюдений известно, что за последние 450 лет наклон эксцентричного диполя по отношению к оси вращения планеты сперва увеличивался от 3°06' до 11°30', а теперь снова стремительно уменьшается - со скоростью около 2'24'' в год.
Еще удивительнее ведет себя общий магнитный момент планеты M: он монотонно убывает. Всего за 450 лет напряженность магнитного поля Земли уменьшилась почти на 20 %. Палеомагнитные данные говорят о том, что убывание M продолжается уже около двух тысячелетий, причем в последние века его величина падает особенно интенсивно. Динамика магнитного момента Земли достаточно точно описывается линейным законом
M = (8.27 - 0,004t)-1015 Тл-м3, (9) где t - время в годах, отсчитываемое вперед или назад от 1900 г.
Экспериментальный характер этой зависимости приведен на рис. 6.
Приблизительно с 1970 г. ситуация еще усугубилась. Коэффициент перед t в возрос до 0,006. Ослабление общего магнитного момента планеты неизбежно скажется на характере взаимодействия магнитосферы с потоками солнечной плазмы, что изменит обстановку на околоземных орбитах не только в области полярного каспа, но и на всем протяжении магнитосферы.
Рис. 5. Скорость дрейфа северного магнитного полюса в1948-2001 гг. (км/год)
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 7/2010
117
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЛЕСА
Как показывает история развития активных экспериментов в верхней атмосфере и ионосфере Земли, и в дальнейшем следует ожидать интенсивного проведения подобных экспериментов [4]. Следовательно, эти воздействия приводят к изменению общей картины магнитосферы Земли.
Изменяя случайным образом параметры магнитосферы, мы неизбежно изменяем параметры верхней атмосферы, что приводит к образованию случайных неустойчивостей, которые в процессе развития вызывают аномальные атмосферные процессы. К сожалению, к настоящему времени сложно оценить масштабы этой разбалансировки.
Участившиеся в последние годы аномальные атмосферные процессы могут быть откликом системы на дополнительные воздействия. Эффект от такого воздействия в локальной области сопоставим с воздействием мощной солнечной вспышки. Поэтому триггерные механизмы запуска разрушительных явлений могут быть обусловлены искусственным вмешательством в магнитосферные процессы.
Данные, представленные в настоящей работе, могут свидетельствовать как pro-, так и contra- гипотезы о влиянии техногенных процессов на характер изменения магнитного поля Земли. Возможно, что мы имеем дело с естественными циклическими процессами. Правда, корреляция резких изменений параметров земного магнитного поля с техногенными процессами, на которые был так богат ХХ в., настораживает. Смущает и привязка во времени ускорения дрейфа магнитных по-
люсов и окончания Второй мировой войны. Именно в этот период получило широкое распространение телевещание и радиолокация (радионагрев ионосферы), впервые было использовано ядерное оружие, были проведены ядерные и термоядерные взрывы в околоземном космическом пространстве.
Помимо вышесказанного, нарушение установившихся солнечно-земных связей может изменить степень влияния Солнца на состояние биосферы. К сожалению, к настоящему времени сложно оценить масштабы этой разбалансировки. Статистика, которой располагают авторы, не позволяет количественно определить изменения, происходящие в биосистемах под воздействием изменения собственных параметров магнитосферы.
Можно сделать следующие выводы:
1. Наблюдается ярко выраженная тенденция к дальнейшему совершенствованию и модификации существующих средств и разработке новых источников искусственного возмущения ионосферы, верхней атмосферы и магнитосферы Земли.
2. При искусственном возмущении околоземного космического пространства возможен непроизвольный запуск весьма разрушительных механизмов. Уровень и качество экспериментальных и теоретических исследований по проблеме в целом не позволяют в данный момент разработать и предложить обоснованные критерии экологической безопасности при проведении такого рода экспериментов. В том случае, если искусственное воздействие на магнитосферу совпадет с
118
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2010
