Полярная геофизика Ямала

Проект
«Полярная геофизика Ямала»

Участники проекта

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В.Пушкова
Российской Академии наук (ИЗМИРАН)
Геофизический Центр Российской Академии наук (ГЦ РАН)
Институт прикладной геофизики им. адемика Е.К.Федорова Гидрометслужбы (ИПГ)
Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт (ААНИИ)
Департамент международных и внешнеэкономических отношений ЯНАО
ООО «Газпром добыча Ямбург»
ООО «Газпром добыча Надым»



Описание проекта


Обоснование. Плотная сеть магнитно-вариационных станций на Ямале была создана в рамках Международного проекта «Геомагнитный меридиан» в 1972-1980 гг., который был поддержан специальной резолюцией МАГА на Ассамблее в Киото в 1972 году. Затем это направление работ было продолжено в рамках программы International Magnetospheric Study (IMS, 1976-1986), а затем работа магнитных меридианов стала основой большого числа космических экспериментов. По мере развития цифровой регистрации и систем сбора вариаций магнитного поля развивались способы обработки и представления данных и их практического использования. Большой шаг был сделан при создании системы INTERMAGNET, которая начала свою работу в 1985 году. Главное достижение системы INTERMAGNET – сбор данных и доступ к ним в реальном времени.

На сегодняшний день использование магнитных данных стало массовым средством при проведении всех видов наземных и космических работ и научных исследований.

В последние десятилетия космических исследований выявлено определяющее влияние космической среды на состояние околоземного пространства во всех его сферах. Имеются убедительные доказательства, что состояние и динамика процессов в атмосфере, озоносфере, ионосфере, магнитосфере контролируются во многих отношениях воздействием излучений нашей звезды – Солнца, – в атмосфере которой (гелиосфере) движется наша Земля. В период 2012-2014 гг. будет достигнут очередной 24-й максимум солнечной активности.

Эффекты магнитных бурь проявляются на земле и в космосе самым различным образом, в том числе в виде мощных индукционных токов в газопроводах и энергетических сетях, наличии помех при точной GPS навигации, приводят к существенным ошибкам при наклонном бурении, при реализации электромагнитных методов геофизической разведки. Отсюда возникает проблема точного описания состояния магнитного поля в виде открытой справочно-информационной системы, используемой как для научных изысканий, так и для практических работ. Ввиду того, что регион Ямала представляет собой стратегический ресурс России на ближайшие несколько десятилетий, представляется особо важным учитывать эффекты космической погоды именно в этом регионе, так как здесь имеются особые геофизические условия. Именно поэтому назрела необходимость создания открытой справочно-информационной системы «Полярная геофизика Ямала» как инструмента контроля возможных рисков под воздействием космической погоды.

Для предприятий нефти и газа внешние воздействия в первую очередь будут проявляться в нарушениях энергоснабжения, при работе геофизических приборов, в том числе приборов для навигации бурового инструмента при наклонном бурении. Не следует упускать из виду воздействие космических бурь (геомагнитных возмущений) на биосферу, в том числе и на человека. Хотя такое воздействие не является катастрофой для большинства людей, но сотрудники, которые находятся в экстремальных полярных условиях, которые страдают сердечной недостаточностью, депрессивными (психическими) расстройствами и т.п. будут проявлять вполне заметную реакцию на магнитные бури, которая иногда становится фатальной.

Вернуться к началу

Содержание. Ввиду универсальной потребности сведений о состоянии электромагнитного поля Земли как для науки, так и для практики, в рамках проекта «Полярная геофизика Ямала» предусмотрено в первую очередь решение задач по использованию данных в реальном времени для точных геофизических измерений и оценки влияния магнитных возмущений на работу высокотехнологических систем. При этом получаемая информация служит основой для выявления факторов космических воздействий на все объекты – от геофизических приборов до состояния здоровья человека. Ввиду этого проект «Полярная геофизика Ямала» включает развитие работ по следующим направлениям.

1. Научно-исследовательская работа. Проблема передачи энергии в системе солнечный ветер – магнитосфера – ионосфера – атмосфера до сих пор остается предметом активных исследований. Помимо выяснения физических процессов, необходимо детальное знание состояния среды при его практическом освоении как для ближнего космоса – авиация, пилотируемая космонавтика, так и для удаленных областей, где работают специальные спутниковые системы связи, дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и навигации. Без этих систем невозможно обеспечить работу высокотехнологичных приложений на Земле. Детальные данные по территории Ямала дадут новую информацию по физике геомагнитных возмущений и токовых систем и их связи с внешней космической средой. Одновременно может быть решена задача перехода от суточных прогнозов космической погоды к прогнозам состояния космической среды за более короткие интервалы, вплоть до предупреждений в пределах нескольких часов.

Вернуться к началу

2. Прикладные исследования эффектов воздействия космической среды на технологические системы. Освоение новых участков месторождений на Ямале, в Обской губе и на шельфе Карского моря включает разведку и бурение месторождений методами наклонно-направленного бурения. При этом навигация бурового инструмента проводится с помощью магнитометров. Эффекты магнитных возмущений приводят к существенным ошибкам при бурении, а их исключение становится важной задачей. Эффекты воздействия магнитных возмущений также проявляются в виде наличия помех при точной GPS навигации, приводят к сильным индукционным токам в газопроводах и энергетических сетях, что необходимо учитывать при геофизической разведке, при других точных измерениях. Открытая справочно-информационная система, охватывающая территорию Ямала, в которой информация о состоянии электромагнитного поля собирается в режиме реального времени, позволит учесть факторы внешнего космического воздействия и их влияния на технологические системы. Для создания такой системы необходимо установить цифровую магнитно-вариационную станцию (ЦМВС) в ключевых точках Ямала. Реализация этих работ проводится в рамках договоров между ИЗМИРАН и Администрацией ЯНАО, а также договоров с ООО «Газпром добыча Ямбург» и ООО «Газпром добыча Надым».

Вернуться к началу

3. Эколого-медицинское направление. Как известно, у лиц сменной и вахтовой работы наблюдаются нарушения деятельности организма, в том числе возникающих под воздействием магнитных бурь. В недавних исследованиях (С.И.Рапопорт) было показано, что одним из самых главных механизмов такого воздействия является нарушение продукции мелатонина (гормона эпифиза). Очевидно, что оперативная информация о состоянии магнитного поля может быть использована для профилактики нарушений деятельности организма человека, возникающих под воздействием магнитных бурь, особенно у лиц сменной и вахтовой работы, что позволит повысить их адаптивные возможности, улучшить состояние здоровья, что в конечном итоге принесет существенный экономический эффект. Первые положительные результаты были получены в Институте медицинских проблем Крайнего Севера (г. Надым) в 2007-2009 гг., где был установлен магнитометр для оценки состояния магнитного поля Земли. Очевидно, что такая же информация будет п олезна и для других городов и поселков Ямала. Нужная информация должна поступать через открытую региональную справочно-информационную систему «Полярная геофизика Ямала».

Вернуться к началу

4. Образование и просвещение (Public Outreach and Education). В качестве первого шага по данному направлению с поддержкой Администрации ЯНАО в 2009 году была установлена цифровая магнитно-вариационная станция (ЦМВС) в пос. Сеяха в школе-интернате. Администрация ЯНАО взяла на себя финансирование расходов, связанных с изготовлением и транспортировкой ЦМВС, приобретением иного необходимого оборудования, приглашением специалистов по настройке прибора и т. п. ИЗМИРАН подготовил научно-образовательный проект «Возмущения магнитного поля как проявления космической погоды». Следующим шагом является работа по освоению в школах ЯНАО образовательной программы с использованием получаемых данных, методическое сопровождение проекта на долгосрочной основе и использование данных по ЦМВС в пос. Сеяха в реальном времени для мониторинга магнитного поля Земли. В дополнение к этому предлагается использовать базу данных магнитометров на Ямале, выставленных в сети Интернет. Кроме магнитных данных предлагается использовать данные по полярным сияниям.

Направление «просвещение» связано с большим интересом к магнитным бурям и полярным сияниям со стороны рядовых жителей Ямала. Эту функцию выполняют средства массовой информации и телевидение. Предлагается передавать информацию о состоянии магнитного поля на Ямале в виде регулярных сообщений, а также вести разъяснительную работу среди населения.

Вернуться к началу

Инструменты. Плотные сети магнитометров являются наиболее простым, надежным и информативным способом исследований воздействия Солнца на магнитосферу Земли. Солнечная плазма в виде солнечного ветра проникает в околоземное пространство, формирует токовые системы в магнитном поле Земли и влияет на всю цепочку процессов в системе магнитосфера-ионосфера-атмосфера. В полярных широтах это воздействие приводит к возникновению мощных ионосферных токов. Характерным явлением становится появление полярных сияний, отражающих быстрое изменение пространственно-временных характеристик токовых систем. Исследование этих характеристик и мониторинг полярных геомагнитных возмущений является важной научной и прикладной задачей.

В Арктике сложилось несколько полигонов, где расставлено большое количество магнитометров. В Скандинавии их число достигает более 40, причем значительная часть данных доступна в реальном времени по сети INTERMAGNET. Это сервер в Тромсе, Норвегия и в Финляндии. Кроме систем сбора магнитных данных работают система контроля ионосферы с помощью радаров SuperDARN, система контроля поглощения в ионосфере по риометрам, проект Университета в Ланкастере, Англия, наземная сеть съемки полярных сияний с помощью камер всего неба в Канаде. Отдельно надо упомянуть радары некогерентного рассеяния, работающие в Тромсе, на Шпицбергене, в Гренландии, на Аляске которые дают новые исследовательские данные по физике ионосферы. Вся эта армада наземных установок и приборов действует согласованно с инструментами в космосе, где на разных орбитах действуют спутниковые платформы с которых ведется мониторинг всех электромагнитных параметров космической среды от высот в 500 км до орбиты Луны. Несколько спутников ведут съемку полярных сияний, так что имеется возможность исследовать их динамику во время развития магнитных возмущений.

Карта-схема сети магнитометров Карта-схема сети магнитометров, работавшей с 1972 г.
в районе Карского моря и полуострова Ямала.

Все станции вели аналоговую регистрацию. Аналоговые записи на магнитно-вариационной станции «ИЗМИРАН-4» сданы в Мировой центр данных (МЦД) по Солнечно-Земной физике в Москве и продублированы в других МЦД за рубежом.
С 1985 года часть станций вела цифровую регистрацию. Эти данные находятся сайте ИКИ РАН.

На карте-схеме красным цветом выделены станции, составляющие основу проекта «Полярная геофизика Ямала». Вся сеть делится на две части:

– действующие на 1 января 2010 года станци:
    Амдерма (17), Диксон (02), Норильск (19) и Надым (25);
– планируемые к восстановлению станции:
    Салехард (18), Мыс Каменный (15), Сеяха (14), Харасовей (13), Сабетта (20), о. Белый (11).

Жирными линиями нанесены геомагнитные координаты, в системе которых струйные ионосферные токи находятся в пределах от 62 до 70 градусов широты. Сеть геофизических приборов на Ямале позволит нам включиться в глобальную сеть магнитометров и в глобальные проекты исследований характера геофизических возмущений в полярных широтах. Это даст возможность использовать данные других полигонов для сравнения, детальной оценки и прогноза ожидаемых эффектов для региона Ямала.

В рамках реализации проекта «Полярная геофизика Ямала» предстоит создать справочно-информационную систему (СИС) для пользователей конкретного региона, и при этом обеспечить пользователей актуальной информацией под их конкретные нужды.

Научное обоснование этой работы выполнено в рамках гранта РФФИ № 10-07-00159 на 2010-2012 гг. «Виртуальная магнитная обсерватория в зоне полярных сияний на полуострове Ямал». Для региональной СИС «Полярная геофизика Ямала» критически важным является задача сбора и представления данных в реальном времени, так как именно данные в реальном времени будут востребованы конечными пользователями. При этом ожидается реальный экономический эффект, так как благодаря СИС «Полярная геофизика Ямала» удастся избежать возможных рисков из-за влияния космической погоды. Один из первых магнитометров был восстановлен в поселке Сеяха в 2009 году с опорой на школу-интернат. Эти наблюдения используются в качестве исходной информации для программы дополнительного образования «Возмущения магнитного поля на Ямале как проявления космической погоды». Можно рассчитывать, что эта программа будет освоена в других школах Ямала, так как данные наблюдений доступны по сети Интернет.

В 2010 году ООО «Газпром добыча Надым» закупила цифровой магнитометр для установки в п. Харасовей, в 2011 году ООО «Газпром добыча Ямбург» оплатила работы по магнитометру для Мыса Каменный, который находится в режиме тестирования в Салехарде. Самым трудным делом при восстановлении сети магнитометров является подбор места установки и согласование с местными организациями. В этой работе специалисты ИЗМИРАН рассчитывают на поддержку Администрации ЯНАО и на сотрудничество с Гидрометслужбой – в прошлом в период 1971-1991 гг. выполняли присмотр и обеспечивали работоспособность магнитометров сотрудники метеостанций.

Вернуться к началу

Результаты. По опыту работы Центр прогнозов космической погоды ИЗМИРАН, общественный интерес к данным о магнитных бурях и космической погоде постоянно растет. В период 2011-2014 гг. ожидается рост солнечной активности, что заведомо приведет к росту числа пользователей СИС «Полярная геофизика Ямала». В прогнозе возможных последствий больших магнитных бурь в период 24-го цикла солнечной активности на 2012-2015 гг. по данным ученых США представляются очень существенными для высокотехнологичной экономики США, и учет этих рисков совершенно необходим и в России. Начиная с 2009 года в НАСА реализуется проект «Solar Shield» для защиты энергетических сетей в США. Существенным дополнением такой системы будет сбор и обработка бортовых магнитометров новой системы связи ИРИДИУМ (всего 66 спутников), которая позволяет оценить риски космических возмущений в их проявлениях как на земле, так и в космосе, проект АМПЕР.

В работах по проекту «Полярная геофизика Ямала» и по созданию справочно-информационной системы в 2011-2015 гг. согласились принять участие сотрудники Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В.Пушкова Российской академии наук (ИЗМИРАН), Геофизического центра Российской академии наук (ГЦ РАН), Института прикладной геофизики им. академика Е.К.Федорова Гидрометслужбы (ИПГ) и Арктического и Антарктического института Гидрометслужбы (отдел геофизики ААНИИ). В дальнейшем можно рассчитывать, что на региональном уровне появятся специалисты, способные поддержать работу сервера СИС «Полярная геофизика Ямала» самостоятельно. В этом случае роль ИЗМИРАН и других научных организаций сводится к научно-методическому руководству работы по программе и использование СИС как для науки, так и для практики. В качестве базовых организаций могут выступить держатели «зеркал» системы: ООО «Газпром добыча Ямбург», ООО «Газпром добыча Надым» и Департамент образования и Департамент науки ЯНАО в Салехарде. Кроме того запланировано отображать оперативную информацию на сервере «Ситуационный центр губернатора ЯНАО».

Представленные сведения по работам над проектом «Полярная геофизика Ямала» однозначно подтверждают тезис о необходимости формирования региональной справочно-информационной системы, обеспечивающей контроль и представление данных о состоянии магнитного поля, ионосферы и полярных сияний по территории Ямала. Главное содержание работы над программой – создание условий для оценки, прогноза и развития методов и практики предотвращения возможных рисков под воздействием космической погоды. Очевидно, что по мере работы над программой содержание и решаемые задачи при создании региональной справочно-информационной системы «Полярная геофизика Ямала» будут уточняться. Главной целью остается контроль космической погоды для оценки возможных рисков на территории полуострова Ямал. В тоже время использование данных СИС «Полярная геофизика Ямала» можно ожидать по широкому кругу задач – от образования и медицины до новых направлений исследований в области солнечно-земной физики. Ближайший российский проект в этой области – запуск четырех спутников системы РЕЗОНАНС в 2014 году для исследований физики внутренней магнитосферы и авроральных областей, и создание спутниковой системы «Арктика».

Вернуться к началу
 

URL :   http://www.wdcb.ru/polar/project.ru.html           © 2014 МЦД по ФТЗ, ГЦ РАН