Методы и результаты моделирования геомагнитного поля по данным мировой сети обсерваторий и спутниковых измерений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.10, кандидат физико-математических наук Зверева, Татьяна Ильинична

• Зверева, Татьяна Ильинична
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Зверева, Татьяна Ильинична

Введение.

Глава 1. Обзор.

1.1. Структура магнитного поля Земли.

1.2. Методы измерения магнитного поля

Глава 2. Методика обработки геомагнитных данных.

2.1. Введение.

2.2. Исследование погрешностей моделей, полученных методом сферического гармонического анализа.

2.3. Метод естественных ортогональных составляющих, использующийся для обработки обсерваторских и спутниковых данных.

Глава 3. Моделирование геомагнитного поля по данным мировой сети обсерваторий.

3.1. Введение.

3.2. Данные.

3.3. Разделение геомагнитного поля по пространственно-временному признаку.

3.3.1. Разделение поля по суточным данным.

3.3.2. Разделение поля по часовым данным.

3.3.3. Разделение поля по минутным данным.

Глава 4. Моделирование геомагнитного поля по данным спутников.

4.1. Введение.

4.2. Данные.

4.3. Среднесуточные модели главного геомагнитного поля.

4.4. Выводы.

Глава 5. Разделение магнитного поля по пространственному признаку.

5.1. Разделение магнитного поля на внутреннее и внешнее для тел, имеющих форму вытянутого сфероида.

5.1.1. Введение.

5.1.2. Разделение полей с помощью интегралов типа Коши.

5.1.3. Разделение поля для тел, имеющих форму вытянутого сфероида.

5.1.4. Система координат вытянутого сфероида.

5.1.5. Решение уравнения Лапласа в системе координат вытянутого сфероида.

5.1.6. Разделение поля на поверхности сфероида на внешнее и внутреннее.

5.2. Представление магнитного поля в виде суммы диполей. 108 5.2.1 Введение.

5.2.2. Связь параметров произвольного диполя и коэффициентов сферического гармонического анализа в задачах моделирования магнитного поля Земли.

5.2.3. Выводы. 116 Заключение. 117 Список литературы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и результаты моделирования геомагнитного поля по данным мировой сети обсерваторий и спутниковых измерений»

Актуальность проблемы.

Генерация магнитного поля Земли является одной из важнейших проблем физики (генерация магнитного поля в природе), одной из проблем геофизики (процессы внутри Земли, приводящие к генерации ее магнитного поля) и одной из проблем солнечно-земной физики (взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой Земли).

Изучение геомагнитного поля начинается с измерения его величины во времени и пространстве. Измеренное поле содержит вклад поля, генерируемого в жидком ядре Земли, поля намагниченности ферритосодержащих горных пород, полей, генерируемых в магнитосфере и ионосфере Земли, индукционных полей в электропроводящих оболочках Земли и т.п. Для изучения каждого из этих полей необходимо разработать методы разделения данных измерений на части различной природы. Эта задача является наиболее актуальной в современной магнитометрии.

Следующим шагом является построение пространственно-временных моделей каждого из источников поля, поскольку только такие модели позволяют решать обратную задачу - исследование физических процессов генерации каждого вида источников. Таким образом, моделирование поля также является актуальной задачей.

Поскольку представленная работа посвящена решению задач разделения измеренных полей и их пространственно-временному моделированию, она является актуальной.

Цель работы.

Целью работы является: • разработка новых и модификация известных методов обработки данных для построения моделей отдельных вариаций поля, которые бы соответствовали объемам и точности современных данных геомагнитных измерений за последнее десятилетие;

• создание пространственно-временных моделей магнитного поля Земли по данным обсерваторий и по спутниковым данным, дающих возможность изучения его морфологии;

• создание нового алгоритма измерений магнитного поля на носителях, имеющих собственное магнитное поле.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Результаты разделения геомагнитного поля по данным мировой сети обсерваторий, позволившие построить пространственно - временные модели геомагнитного поля день ото дня для интервалов (1964-65), (1990-91) и (1999-2000) годов.

2. Оригинальная методика обработки спутниковых данных, которая дает возможность оптимальным образом рассчитать модели главного геомагнитного поля и его вековой вариации.

3. Модель главного геомагнитного поля и его вековой вариации по данным спутника CHAMP для интервала времени с 01.05.2001 по 30.01.07.

4. Алгоритм разделения магнитного поля для объекта, имеющего форму вытянутого сфероида, на внутреннюю и внешнюю части, позволяющий определить его динамическую девиацию.

5. Формулы связи сферических гармонических коэффициентов с параметрами произвольно расположенного внутри Земли диполя, дающие возможность решать обратную задачу нахождения параметров диполя по сферическим гармоническим моделям.

Научная новизна и практическая значимость работы.

- Впервые для анализа данных магнитных обсерваторий с временами от минут до суток были выполнены разложения по методу естественных ортогональных составляющих и получены пространственно-временные модели геомагнитных вариаций в этом диапазоне времен.

- Разработан новый метод обработки данных спутниковых магнитных съемок для построения модели главного геомагнитного поля и его вековой вариации. На его основе были получены прогностические модели, которые были предложены в качестве моделей-кандидатов для создания международной модели IGRF MF-2005 и IGRF SV-2007.5.

- Впервые разработан алгоритм разделения магнитного поля для объектов, имеющих форму вытянутого сфероида, с целью определения его динамической девиации. Он лег в основу проекта, по которому получен грант РФФИ по Целевым Ориентированным Фундаментальным Исследованиям.

- Практическая значимость диссертации состоит, в частности, в том, что при использовании полученных автором среднесуточных гармонических моделей можно резко увеличить количество дней с повышенной геомагнитной активностью, в которые возможно выполнять качественные геомагнитные съемки. Эти модели используются для выделения аномальной компоненты геомагнитного поля. В качестве примера можно привести обработку данных полета стратосферного аэростата с магнитометрами на борту в октябре 2003 года на следующий день после прохождения большой магнитной бури. Восстановить уровень геомагнитного поля, относительно которого было выделено аномальное геомагнитное поле, удалось только с использованием разработанной по методике автора диссертации модели.

- Результаты исследования погрешностей моделей СГА позволили оптимизировать сеть морских измерений для экспедиции JIO ИЗМИРАН.

- Вывод формул связи сферических гармонических коэффициентов с параметрами произвольного диполя был включен Смолиным C.B. в курс лекций для студентов кафедры геофизики Красноярского университета.

Личный вклад автора.

В полном объеме автором была выполнена обработка обсерваторских и спутниковых данных и построены по ним пространственно-временные модели геомагнитного поля. Автор самостоятельно разработал алгоритм разделения магнитного поля, измеренного на поверхности тела, имеющего форму вытянутого эллипсоида вращения, на внутреннюю и внешнюю части. Им самостоятельно получены формулы связи сферических гармонических коэффициентов с параметрами произвольно расположенного внутри Земли диполя. Работа была поддержана грантами РФФИ №№ 03-05-64518 и

06-05-64598, aTaoceINTAS 01-0142, МНТЦ KR-214.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты работы докладывались на международных конференциях:

- Научная Ассамблея IAGA, Uppsala, 1997;

- Международная конференция по спутникам OERSTED и CHAMP, Копенгаген, Дания, 2002;

- Международная конференция "Проблемы геокосмоса", Санкт-Петербург, 2004;

- Международная конференция по спутнику CHAMP, Потсдам, Германия. 2004, 2005;

- Генеральная ассамблея Европейского Геофизического Союза, Вена, Австрия, 2005:

- Научная Ассамблея IAGA, Тулуза, Франция, 2005;

- Европейский Симпозиум по баллонным исследованием, Sandefjord, Норвегия, 2005;

- Международная Ассамблея IUGG, Перуджа, Италия, 2007. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ. Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы, содержит 126 страниц, из них 30 рисунков и 10 таблиц. Список литературы включает 102 наименования.

Заключение диссертации по теме «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых», Зверева, Татьяна Ильинична

5.2.3. Выводы.

В заключение хочется отметить, что результаты этой работы были использованы в дальнейшем в работе [Ботвиновский, 2000], который использовал эти формулы, правда, немного упростив их. Также им была использована идея вывода формул, а именно, идея перенумерации порядка разложения ш для вывода связи сферических гармонических коэффициентов с произвольным токовым контуром. Модели, построенные другими авторами по диполям без каких-либо ограничений на их параметры, обеспечивали хорошее приближение к наблюдаемому полю при малом количестве источников. Кроме того, эта работа была включена Смолиным Сергеем Викторовичем в курс лекций для студентов кафедры геофизики Красноярского университета.

Заключение.

В работе решены следующие задачи:

• Изучена зависимость погрешностей сферических гармонических моделей для различного порядка п от неравномерности в пространстве исходных измерений, от количества данных, от погрешностей данных.

• Построены пространственно-временные модели геомагнитного поля по суточным данным обсерваторий для временных интервалов различной степени геомагнитной возмущенности.

• Исследованы пространственно-временные характеристики магнитных бурь по часовым и шестиминутным данным обсерваторий и основных фаз магнитных бурь и содержащихся в них суббурь по шестиминутным и минутным данным.

• Путем совместного использования методов СГА и ЕОС получены модели главного поля и его вековой вариации по спутниковым измерениям.

• Решена задача разделения магнитных полей объектов, имеющих форму вытянутого эллипсоида вращения, на внутреннее и внешнее. (Задача девиации).

• Выведены формулы для расчета связи сферических гармонических коэффициентов с параметрами произвольно расположенного внутри Земли магнитного диполя.