Введение
В современном мире специалисты, научный интерес которых находится в области биологии, медицины, геофизики, геологии, техники, социологии, психологии и многих других наук, уделяют все большее внимание сопоставлению параметров внешних геомагнитных вариаций (ГМВ) с тенденциями существования и развития под их влиянием объектов и систем различной природы происхождения и последующему анализу полученных результатов.
На основании накопленных статистических данных известно, что некоторые составляющие ГМВ могут воздействовать как на биологические, технические и прочие объекты и системы в целом, так и на человека в частности. Искаженные нормальные условия существования системы вынуждают ее приспосабливаться к изменениям окружающей магнитной обстановки либо продолжать существовать в ней в стрессовом (неустойчивом) режиме [3].
Особенно остро проблема минимизации негативного воздействия ГМВ стоит в области построения и эксплуатации аэрокосмической техники различного целевого назначения. Такая ситуация первостепенно обусловлена взаимодействием человека со значительным количеством сложных навигационных, информационно-измерительных и управляющих систем в условиях непрерывности процесса полета и удаленности от наземных технических
служб [1, 2, 10–12].
Современные методы исследования геомагнитного поля и его вариаций
В настоящее время задача исследования и анализа параметров ГМВ частично решается посредством сети магнитных обсерваторий, расположенных преимущественно на Европы.
Публикуемые учеными-специалистами результаты исследований по данной тематике во многом отражают амплитудный диапазон, характер и динамику изменения параметров геомагнитного поля (ГМП) в точке земной поверхности, определенной географическими координатами. При этом неясно, какое воздействие на объект оказывают частные ГМВ, имеющие место лишь по отношению к конкретному объекту, наводимые в объеме пространства существования этого объекта при его перемещении в условиях анизотропии ГМП (рис. 1).
В [4, 13] вводится понятие эффекта геомагнитной псевдобури (ГМПБ), под которым понимается силовое воздействие на объект со стороны ГМП, возникающее в объеме существования этого объекта в среде невозмущенного анизотропного ГМП при ненулевой угловой и/или линейной скорости объекта.
Приоритетной научной задачей описываемых в настоящей статье исследований является определение, анализ и оценка основных параметров так называемых частных ГМВ, имеющих место в условиях невозмущенного состояния ГМП и наблюдаемых в процессе авиаперелета воздушных судов различного целевого назначения.
Рис. 1. Распределение главного магнитного поля по поверхности Земли и в околоземном пространстве
Таким образом, имеет место явление, получившее название ГМПБ, отражающее характерные воздействия реальных магнитных бурь на объект в условиях анизотропии невозмущенного ГМП и ненулевой скорости этого объекта.
Моделирование и оценка параметров невозмущенного состояния геомагнитного поля
Определим полный вектор индукции магнитного поля Земли в точке географического пространства, заданной пространственно-временными координатами (широта, долгота, высота над уровнем моря и год) как сумму трех составляющих:
где B1 – вектор индукции ГМП внутриземных источников; B2 – регулярная составляющая вектора индукции ГМП магнитосферных токов, вычисляемая в солнечно-магнитосферной системе координат; B3 – иррациональная составляющая вектора индукции ГМП магнитосферных токов.
Магнитное поле внутриземных источников B1 отражает преимущественно силовые характеристики невозмущенного ГМП, порождаемого, главным образом, полем электрических токов в земном ядре (главное поле) и составляющего ~98 % всего поля. Поля же земного магнетизма, обуславливающиеся магнитными свойствами горных пород, составляют ~2 % всего поля. При этом поле земной коры убывает с высотой значительно быстрее, чем главное поле, и начиная с высоты ~100 км им практически пренебрегают.
Представим модель главного поля рядами сферических гармоник, в зависимости от географических координат. В таком случае скалярный потенциал индукции геомагнитного диполя внутриземных источников U [нТл·км] в точке пространства со сферическими координатами r, θ, λ определится согласно выражению:
(1)
где r – расстояние от центра Земли до точки наблюдения (геоцентрическое расстояние), [км]; λ – долгота от Гринвичского меридиана, [градусы]; θ – полярный угол (дополнение до широты, θ=(π/2)-φ’, [градусы], где φ’ – широта в сферических координатах, [градусы]); RЗ = 6371.03 – средний радиус Земли, [км]; gnm(t), hnm(t) – сферические гармонические коэффициенты [нТл], зависящие от времени; Pnm – нормированные по Шмидту присоединенные функции Лежандра степени n, порядка m [4, 9, 13].
Выражение (1) широко известно как ряд Гаусса и общепризнанно в качестве международного эталона невозмущенного состояния магнитосферы Земли. Допустимо предположить, что B0 ≈ B1, где B0 – индукция невозмущенного ГМП в локальной точке земной поверхности. Из-за временных вариаций главного поля коэффициенты гармонических рядов (сферические гармонические коэффициенты) периодически пересчитывают с учетом новых данных, устанавливаемых экспериментально. Изменения главного поля за один год (вековой ход) также представляются рядами сферических гармоник. Результаты их расчета публикуются в том числе Национальным управлением океанических и атмосферных исследований.
Нормированные по Шмидту присоединенные функции Лежандра Pnm, заявленные в выражении (1), представляют собой в общем случае ортогональный многочлен:
где εm – нормировочный множитель (εm = 2 для m ≥ 1 и εm = 1 для m = 0); n и m степень и порядок сферических гармоник соответственно.
Постановка эксперимента и анализ экспериментальных данных
В качестве примера рассмотрим самолет Boeing 767-300 авиакомпании American Airlines, выполняющий рейс AA937: Нью-Йорк (JFK) – Рио-де-Жанейро (RIO). Приближенная траектория движения самолета в этом случае представлена на рис. 2.
На рис. 3 приведены графическое отображение экспериментальных данных, отражающих динамику развития ГМПБ (рис. 3, a) и результаты частотного анализа (рис. 3, б). Обозначен ряд замечательных точек: t1-t2 – время набора высоты; t2-t4 – время полета на крейсерской скорости; t4-t5 – время посадки; t3 – момент перехода через экватор. Данные получены с помощью разработанного авторами программно-инструментального комплекса [9–10] регистрируются на протяжении всего полета через каждые 9 минут (540 с).
Рис. 2. Траектория полета Boeing 767-300, выполняющего рейс АА973
Анализ рис. 3, а также сопоставление амплитудно-частотных характеристик наблюдаемой ГМПБ с аналогичными параметрами традиционных ГМВ [11] позволил сделать вывод, что эффект ГМПБ превосходит ГМВ по амплитуде и частоте в среднем на 2 порядка.
Очевидно, что параметры ГМПБ непосредственно зависят как от региона полета воздушного судна, так и от его летно-технических характеристик.
Было установлено, что амплитудно-частотный диапазон ГМПБ ограничивается значениями 0–70000 нТл по амплитуде и 0–3 мГц по частоте, что как минимум на 3 порядка превосходит традиционные ГМВ. Рассматривая металлический (дюралюминиевый) фюзеляж летательного аппарата как проводник в переменном магнитном поле, согласно известным положениям Максвелла [8], на борту воздушного судна будет иметь место электромагнитное поле определенной частоты и амплитуды, возбужденное эффектом ГМПБ.
Принимая во внимание ранжировку электромагнитных волн, принятую Международным союзом электросвязи (International Telecommunication Union, ITU), нижний диапазон частот которой ограничен 3 Гц и обозначен как «крайне низкий диапазон частот» (ELF), имеет смысл его расширение областью 0 – 3Гц, называемой «субкрайненизкий диапазон частот» (SELF).
Заключение и выводы
Таким образом, на основании результатов исследований, представленных в настоящей статье, справедливо сделать заключение о том, что ГМПБ не только имеют место в процессе авиаперелетов воздушных судов различного целевого назначения, но и обладают значениями амплитуды и частоты, на несколько порядков превосходящими амплитудно-частотные параметры ГМВ естественной природы происхождения.
Рис. 3. Результат амплитудно-частотного анализа эффекта геомагнитной псевдобури
Такое положение дел представляет целесообразным расширение традиционной ранжировки электромагнитных волн, принятой Международным союзом электросвязи (International Telecommunication Union, ITU), диапазоном 0 – 3Гц, который предлагается именовать как «субкрайненизкий диапазон частот» (SELF). Проблема нейтрализации (экранирования) преимущественно негативного воздействия ГМПБ на биологические и технические объекты и системы, находящиеся на борту воздушных судов, на сегодняшний день является нерешенной и весьма малоизученной, что ставит перед современной промышленностью ряд новых сложных научно-технических задач.
Работа поддержана грантами РФФИ №№14-07-00260-а, 14-07-31344-мол-а
Рецензенты:
Веревкин А.П., д.т.н., профессор, зав. кафедрой АТПП ФГБОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет, г. Уфа.
Даринцев О.В., д.т.н., в.н.с., зав. лабораторией «Робототехника и управление в технических системах» ФГБУН Институт механики им. Р.Р. Мавлютова, г.Уфа.