кандидатская

• VI Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых,

г. Санкт-Петербург, 2009 г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 14 публикациях, в том числе одна статья в издании из перечня, рекомендованного ВАК, пять статей в сборниках научных трудов, семь публикаций в трудах конференций и одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Основное содержание работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, библиографии и приложения.

Во введении обоснована актуальность, сформулированы цель работы и задачи, которые необходимо решить для ее достижения.

В первой главе произведен обзор причин, вызывающих вариации параметров магнитосферы Земли, выполнен их анализ и классификация. Рассмотрены известные научно-технические решения количественной и качественной оценки геомагнитных вариаций, выполнена постановка задач исследований. Выполнен анализ влияния магнитных полей (МП) как на биосферу Земли в общем, так и на биологические объекты в частности. Обоснована актуальность регистрации параметров геомагнитных возмущений.

Анализ исследований в области магнитобиологии позволил выявить амплитудно-частотный диапазон магнитных полей, вариации в рамках которого наиболее негативно отражаются на жизнедеятельности человека. Данный амплитудно-частотный диапазон известен как диапазон нетеплового воздействия магнитных полей и находится в пределах:

0<|В|<200 мкТл; 0<f<100 Гц.

Изучение структур современных магнитометрических ИИС, их критический анализ показал, что специалистами уделено недостаточное

И

внимание разработке ИИС, позволяющих в автоматизированном режиме регистрировать комплекс параметров геомагнитных вариаций полигармонического спектра в реальном времени.

На основании анализа известных методов регистрации геомагнитных

вариаций в пределах нетеплового диапазона МП установлено, что для решения сформулированных задач исследований наиболее целесообразным является метод, основанный на магниторезистивном эффекте.

Выполнена постановка задач исследований и определены наиболее перспективные направления в области построения магнитометрических

ИИС.

Во второй главе рассматриваются математические методы описания

вектора магнитной индукции, и производится синтез базовых

математических моделей (ММ) ИИС регистрации параметров ГМВ.

В качестве интегральной оценки параметров ГМВ была предложена переменная «индекс М», которую можно определить как отношение полученной дозы воздействия МП к безопасной норме, определенной в СанПиН 2.2.4.1191-03 , «Электромагнитные поля в производственных условиях».

Произведен синтез базовых математических моделей ИИС регистрации параметров геомагнитных возмущений, которые позволяют анализировать информационный сигнал как в широком амплитудно-частотном диапазоне, так и в субгармонической области.

Предложенные ММ являются базой, синтезируемого далее программно-алгоритмического обеспечения осуществляющего обработку информационного сигнала как в широком спектре частот, так и в субгармонической области. Совокупность ММ представляет собой математическое обеспечение, необходимое для решения поставленных задач исследований.

12

В третьей главе производен синтез структуры исследуемой ИИС. Разработана методика регистрации параметров ГМВ и структурная схема ИИС. Синтезированы алгоритмы работы и управления подсистемой магниторезистивных модулей.

Проведены тестовые исследования с целью предварительной калибровки и настройки ИИС регистрации параметров ГМВ. Произведена отладка алгоритмического обеспечения.

Анализ известных магниторезистивных датчиков выявил, что наиболее целесообразно в качестве чувствительного элемента ИИС использовать трехкомпонентный магниторезистивный модуль НМС2003.

На базе методического и алгоритмического обеспечения разработан пакет прикладных программ для ИИС регистрации параметров ГМВ (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2009611194).

Разработанные алгоритмические, методические и программные решения обеспечивают в автоматизированном режиме регистрацию параметров ГМВ (в реальном времени), особенно в субгармонической области информационного сигнала.

В четвертой главе рассматриваются вопросы технической реализации системы с последующим анализом данных, полученных в результате ряда экспериментов. Рассчитаны и обозначены основные метрологические характеристики «РПГВ-1».

Представлены данные, полученные в результате экспериментальных исследований по регистрации параметров ГМВ в жилом помещении г. Уфы.

Регистрация параметров геомагнитных возмущений выявила, что 29.03.2009г. локальная магнитная обстановка имела характер существенного магнитного возмущения (£М>100%), превышающего нормы, регламентированные СанПиН 2.2.4.1191-03.

В заключении изложены основные и наиболее значимые результаты диссертационной работы.

13

В приложении представлены коды разработанных программ, как для микроконтроллерной вычислительной системы, так и непосредственно для ПЭВМ. Представлены акты внедрения результатов диссертационной работы в государственное учреждение здравоохранения, и учебный процесс УГАТУ. Представлено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

14

Глава 1. Обзор и анализ существующих методов регистрации

параметров геомагнитных возмущений

Настоящая глава посвящена рассмотрению природе Земного магнетизма, а так же существующих геомагнитных аномалий и причинам, их порождающих. Проведен анализ взаимосвязи вариаций внешнего магнитного поля и биосферы Земли. Обоснована актуальность регистрации параметров геомагнитных возмущений. Сформулированны основные задачи исследований.

1.1 Природа вариаций параметров геомагнитного поля

Известно, что внешнее ядро Земли жидкое и металлическое

(Fe - 23.6 %, Ni - 3.6 %) [43]. По причине вращения Земли, в жидком ядре существуют постоянные течения, а соответствующий им электрический ток создает геомагнитное поле. Земля в некоторой аппроксимации является магнитным диполем. Ось магнитного поля проходит под углом в 11,43° к оси вращения планеты. Причём северный магнитный полюс Земли медленно перемещается вместе с самой магнитной осью в связи с переменностью порождающих магнитное поле процессов. Кроме того, ось магнитного поля не проходит через центр Земли, а отстоит от него на 430 км.

Магнитное поле Земли несимметрично [62]. В идеальном предположении, в котором Земля была бы одинока в космическом пространстве, силовые линии магнитного поля планеты располагались бы в виде симметричных дуг протянувшихся от южного магнитного полюса к северному. Плотность линий (напряженность магнитного поля) падала бы с удалением от планеты. Практически, магнитное поле Земли находится во взаимодействии с магнитными полями Солнца, планет и «темной материи», что кардинально меняет характер магнитного поля Земли.

15

Магнитосфера — самая внешняя защитная оболочка Земли. Она представляет собою деформированное солнечным ветром магнитное поле и является своеобразным препятствием для плазмы солнечного ветра. В результате солнечный ветер обтекает Землю, создавая вокруг нее особую полость, в которой и заключено геомагнитное поле. На обращенной к Солнцу стороне граница этой полости располагается на расстоянии около 10 радиусов Земли (некоторое среднее значение). Когда динамический напор солнечного ветра возрастает, граница приближается к Земле, в противном случае — граница магнитосферы отдаляется. Сама граница обнаруживает некоторую структуру, а непосредственно перед ней в солнечном ветре всегда присутствует так называемый «газодинамический разрыв». При глобальном наблюдении магнитосферы Земли, она является сильно переменным источником радиоизлучения на низких и сверхнизких частотах. И таким образом, непосредственно или косвенно влияет на биосферу планеты.

Форма магнитосферы определяется балансом динамического давления солнечного ветра и ударов корональных плазменных потоков, с одной стороны, и давлением магнитного поля Земли - с другой стороны (рисунок 1.1). Величина магнитного поля на границе магнитосферы (магнитопаузе) соответствует ~ 1030*10"5 Тл (для сравнения: магнитное поле у поверхности Земли на экваторе ~ 3*10"5 Тл, а у полюсов ~ 6*10" — 7*10"5 Тл) [5]. С дневной стороны магнитопауза проходит на расстоянии от 10 до 13 радиусов Земли (Р3~ 6400 км), с ночной стороны силовые линии геомагнитного поля вытянуты в сторону от Солнца и образуют геомагнитный хвост протяженностью ~ 103 РЗ и диаметром ~ 20 - 40 РЗ. Между ударной волной и магнитопаузой - переходная область, магнитный слой, заполненный турбулентной горячей плазмой. Через воронкообразные зазоры между магнитными силовыми линиями в лобовой части магнитопаузы и силовыми линиями, вытянутыми в магнитосферный хвост, полярные каспы (от англ. cusp - выступ), эта плазма может проникать

16

в магнитосферу и далее в ионосферу в пограничных областях полюсов

Земли.

Фронт ударной волны

Рисунок 1.1 — Схематическое изображение магнитосферы Земли

Изменение магнитосферы Земли обусловливается двумя основными составляющими. Во первых - это возмущения, наводимые в результате активности солнечных ветров, либо в результате перекрывания силовых линий магнитного поля Земли с силовыми линиями иных планет Солнечной системы. Второй причиной возмущений магнитосферы Земли, а точнее её локальных участков, является техногенный фактор, обусловленный функционированием техносферы.

Солнечный ветер - это радиальный поток плазмы солнечной короны в межпланетное пространство. По составу солнечный ветер не отличается от плазмы короны. У её основания (106 м от фотосферы Солнца) частицы имеют радиальную скорость порядка ~ 5-10 м/с, на расстоянии нескольких солнечных радиусов она достигает скорости звука в плазме (105-1.5*105 м/с). У орбиты Земли скорость протонов составляет 3*105- 7.5*105 м/с, а их пространственная концентрация - от нескольких частиц до нескольких десятков частиц на 1 см (~ 7-10 см" ) [1].

17

Вместе с плазмой солнечного ветра в межпланетное пространство выносятся магнитные поля, определяющие структуру солнечного ветра. Взаимодействуя с геомагнитным полем, в результате сложного многоступенчатого процесса эти поля влияют на экосистему Земли, важную роль при этом играют вариации скорости и плотности солнечного ветра. Каждый «порыв» солнечного ветра можно зафиксировать на Земле, регистрируя изменения составляющих вектора магнитного поля. Установлено, что изменения межпланетного магнитного поля вызывают соответствующие изменения «космической погоды» в магнитосфере. Особенно велика роль вертикальной составляющей этого поля (по отношению к плоскости земной орбиты - эклиптике). Когда эта составляющая направлена к югу, неизбежно развиваются магнитосферные возмущения. Это связано с тем, что силовые линии геомагнитного поля на дневной стороне магнитосферы в это время направлены к северу и противоположны направлению межпланетного магнитного поля.

Наиболее сильные магнитосферные возмущения связаны с приходом к Земле плазменного облака, выброшенного в межпланетное пространство при развитии достаточно сильной хромосферной вспышки на Солнце. Комплекс явлений, которые при этом развиваются, называют «магнитной бурей», поскольку в наземных измерениях оно было впервые обнаружено по хаотическим вариациям напряженности геомагнитного поля. Как правило, магнитная буря влечёт за собой значительное понижение вектора магнитной индукции (от ДВ=10" до 10" Тл), происходящее иногда в средних и низких широтах Земли. На фоне этих геомагнитных вариаций происходят побочные природные явления. Например, на географических широтах выше 67° развивается полярное сияние — свечение атмосферы на высотах порядка 100 км вызванное ускоренными частицами, которые «сбрасываются» из магнитосферы вниз, к земной поверхности.

18

Магнитные бури по многим своим показателям отличаются друг от

друга. Различают два типа бурь [61]:

1)вспышечные магнитные бури (следуют спустя примерно двое суток после вспышки), они характеризуются «внезапным началом» - скачкообразным изменением напряженности горизонтальной составляющей магнитного поля;

2)магнитные бури с постепенным началом, (в отличие от вспышечных магнитных бурь) возникают тогда, когда Земля попадает в высокоскоростную струю солнечного ветра, такие струи могут существовать относительно долго, несколько солнечных оборотов (до 35 Земных лет).

Всвязи с этим, магнитные бури с постепенным началом нередко образуют последовательности с характерным периодом повторяемости в 27 суток. Положение начала струи на солнечном диске может быть найдено из оптических наблюдений короны: на этом месте обычно располагается область пониженной температуры и плотности - «коронарная дыра». Магнитные бури имеют главную фазу и фазу восстановления. Уменьшение поля иногда может наблюдаться и без внезапного начала бури, а таюке протекать в различных иррегулярных формах.

Нужно отметить, что техносфера созданная в процессе жизнедеятельности человека, а вернее магнитные поля, наводимые ей в процессе функционирования, не влияют на глобальное изменение состояния магнитосферы Земли. Тем не менее, сильные магнитные поля, генерируемые электромагнитными приборами, устройствами и системами, непосредственно влияют и значительно меняют картину магнитного поля того или иного локального участка магнитосферы планеты. В особом рассмотрении нуждаются такие зоны, как:

-общественный транспорт (электропоезда, трамваи, троллейбусы и т.п.);

-системы метрополитена;

19

-мощные буровые установки;

-крупные узлы теле - и радио вещания;

-станции спутниковой связи;

-высоковольтные линии электропередач;

-зоны геомагнитных аномалий.

Регулярные суточные вариации магнитного поля создаются в основном изменениями токов в ионосфере Земли из-за изменения освещенности ионосферы Солнцем в течение суток. Нерегулярные вариации магнитного поля создаются вследствие воздействия потока солнечной плазмы (солнечного ветра) на магнитосферу Земли, изменениями внутри магнитосферы, и взаимодействия магнитосферы и ионосферы.

Индексы геомагнитной активности предназначены для описания вариаций магнитного поля Земли, вызванных причиной нерегулярного воздействия солнечного ветра на магнитосферу Земли [34].

К-индекс - это квазилогарифмический индекс (увеличивается на единицу при увеличении возмущенности приблизительно в два раза), вычисляемый по данным конкретной обсерватории за трехчасовой интервал времени. Индекс был введен Дж. Бартельсом в 1938 г. и представляет собой значения от 0 до 9 для каждого трехчасового интервала (0-3, 3-6, 6-9 и т.д.) мирового времени. Для вычисления индекса берется изменение магнитного поля за трехчасовой интервал, из него вычитается регулярная часть, определяемая по спокойным дням и полученная величина по специальной таблице переводится в К-индекс [45].

Поскольку магнитные возмущения проявляются по разному в различных местах на Земном шаре, то для каждой обсерватории существует своя таблица, построенная так, чтобы различные обсерватории в среднем за большой интервал времени давали одинаковые индексы.

20