Новости ГЦ РАН: промежуточные итоги выполнения проекта ФЦП по созданию экспериментального образца аппаратно-программного комплекса для мониторинга геомагнитных явлений

Модель китайского компаса периода династии Хань (206 г. до н. э.–220 г. н. э.

В рамках федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы" и в соответствии с соглашением № 14.607.21.0058 между Министерством образования и науки РФ и ФГБУН Геофизическим центром Российской академии наук с 22 сентября 2014 года в ГЦ ведутся прикладные научные исследования (ПНИ) по теме "Разработка инновационной технологии и создание экспериментального образца аппаратно-программного комплекса (ЭО АПК) для мониторинга экстремальных геомагнитных явлений с использованием наземных и спутниковых данных". В настоящей статье мы попытаемся осветить основные достижения, полученные в процессе работы над АПК. Работа эта, как мы увидим, является важной как с научной точки зрения, так и имеет большое значение для практической составляющей жизни человека.

Основной целью ПНИ в рамках проекта является создание необходимой технической базы для осуществления мониторинга, оценки и прогнозирования состояния магнитного поля Земли (МПЗ). Это позволит не только решить ряд научных вопросов, связанных с изучением МПЗ, но и позволит следить за окружающей средой, своевременно детектировать аномалии и экстремальные события и предотвращать негативные последствия чрезвычайных ситуаций как природного, так и техногенного характера. Создаваемый в рамках проекта образец АПК будет предназначен для сбора, хранения и интеллектуального анализа геомагнитных данных, получаемых из наземных обсерваторий и с борта спутников Swarm. Мониторинг геомагнитной активности как на локальном, так и на глобальном уровне, новые методы сбора и интеллектуальный анализ геомагнитных данных, разработка шкал оценки аномальности геомагнитных явлений и прогнозирование экстремальных событий станут опорными пунктами в процессе создания ЭО АПК.

Начать же нам хотелось бы с ответа на вопрос, почему для человечества важно изучать магнитное поле Земли.

Практическое значение изучения магнитного поля Земли

Известно, что первые попытки осмыслить явление магнетизма предпринимались еще более двух тысяч лет назад. С тех пор исследования геомагнетизма дали немало интересных результатов и продолжают вносить свой вклад не только в развитие геофизики и систематизацию наших знаний о Земле, о ее структуре и составе, но и являются источником материала, который широко применяется в повседневной жизни человечества.

Стоит отметить, что первопричиной для изучения магнетизма послужила практическая необходимость людей ориентироваться на местности, в частности – во время морских походов. На сегодняшний день с помощью геомагнитных данных становится возможным решение самых разнообразных задач: осуществление технической поддержки самолетов и спутников, мониторинг экстремальных магнитных явлений с целью предотвращения разрушений, навигация морских и воздушных судов, предсказание помех в работе радиолокационных систем, предупреждение негативных последствий от геомагнитно-индуцированных токов в линиях электропередач, разведка полезных ископаемых, бурение, изучение влияния магнитного поля на биологические системы и т.д. Инициированная президентом РФ В. В. Путиным стратегическая программа по освоению Арктики также оказывается тесно связана с изучением геомагнитного поля Земли.

Методы наблюдения МПЗ

Магнитно-метеорологическая обсерватория, открытая в Павловске в 1878 году

Первые магнитные обсерватории на территории России (тогда еще Российской империи) появились уже к 1830 году благодаря активному участию в этом вопросе Российской академии наук и, в частности, профессора Казанского университета А. Я. Купфера. На настоящий момент важнейшими инструментами для изучения МПЗ являются магнитные обсерватории и магнитовариационные станции, относящиеся к наземным инструментам наблюдения геомагнитного поля. Кроме того, существуют и космические инструменты наблюдения: магнитометры, установленные на борту космических аппаратов, позволяют получать более полную информацию о МПЗ.

На заседании Президиума РАН 28 апреля 2015 года директор ГЦ РАН академик А. Д. Гвишиани выступил с докладом, в рамках которого высказал свое видение проблемы, связанной с наблюдениями магнитного поля Земли. Лавинообразное увеличение объемов знаний в области наук о Земле в целом и в области геомагнетизма в частности подводит ученых к необходимости "развивать методы, позволяющие структурировать эту информацию, выделять индикаторы развития физических процессов, а также выделять новые, ранее неизвестные особенности". Разработкой новых методов мониторинга, оценки и прогнозирования состояния МПЗ, созданием новой системы классификации и кодирования геомагнитных данных занимаются специалисты Лаборатории геоинформатики и геомагнитных исследований ГЦ РАН.

Мировая система мониторинга МПЗ продолжает совершенствоваться, и специалисты ГЦ РАН вносят свой вклад в общее дело. Так, становится все больше обсерваторий высшего стандарта качества, входящих в международную систему ИНТЕРМАГНЕТ. Эта система представляет собой глобальную сеть обсерваторий высшего стандарта качества, которые дают исчерпывающую информацию о магнитном поле Земли в той точке поверхности, где они находятся (абсолютные значения МПЗ). На территории РФ размещается 8 таких обсерваторий, созданных при участии ГЦ РАН, 6 – не входящих в ИНТЕРМАГНЕТ, и 9 магнитовариационных станций. Очевидно, что для повышения эффективности использования экспериментальных данных должно быть создано достаточное количество новых обсерваторий на территории РФ, а также произведено переоснащение существующих обсерваторий современными измерительными приборами с повсеместным доведением качества измерений до стандарта ИНТЕРМАГНЕТ.

Достижения в области создания ЭО АПК за I и II этапы

Исходные данные и их анализ в ЭО АПК для мониторинга экстремальных геомагнитных явлений

Исследование проблемы с последующей разработкой и созданием ЭО АПК проводятся командой Лаборатории геоинформатики и геомагнитных исследований ГЦ РАН в несколько этапов. По итогам 2014 года была проведена масштабная предварительная работа по обзору современной научно-технической, нормативной и методической литературы, отражающей современное состояние проблемы изучения МПЗ. В соответствии с этим был сделан выбор направления исследований и найден оптимальный вариант для решения поставленной задачи.

На втором этапе исследования были получены важные результаты для дальнейшей разработки ЭО АПК. Геомагнитные данные, получаемые из обсерваторий и спутников, поступают в Лабораторию геоинформатики и геомагнитных исследований ГЦ РАН, где обрабатываются с помощью уникальных алгоритмов искусственного интеллекта, созданных специалистами ГЦ. Для решения задач автоматизированной обработки больших объемов спутниковых и наземных данных наблюдений магнитного поля Земли в работу автоматизированных систем были введены новые математические структуры. Разработана система кодирования экстремальных геомагнитных явлений по шкале интенсивности и для кодирования экстремальных явлений различного временного масштаба.

Создание уникальных алгоритмов искусственного интеллекта, применение новых математических методов и систем кодирования экстремальных геомагнитных явлений дает материал для формирования базы данных, которая стала бы не только системой хранения, но и позволяла бы на основе содержащихся в ней обширных данных проводить анализ и оценку экстремальных геомагнитных явлений. Такая база должна постоянно пополняться новым материалом для предоставления максимально полной картины по наблюдениям МПЗ. Источником геомагнитных данных станут уже упомянутые спутники Swarm и обсерватории с измерительным стандартом ИНТЕРМАГНЕТ или близкие к нему.

Свойственной для наблюдений магнитного полем Земли проблемой является необходимость делать глобальные выводы на основе измерений, привязанных к определенному месту и времени. В связи с этим одной из решенных задач в рамках ЭО АПК стало создание новых методов аппроксимации и интерполяции распределения магнитного поля Земли.

Технологические системы, зависящие от состояния космической погоды (НАСА)

Особо стоит отметить и еще одно затруднение: разномасштабность физических процессов, влияющих на геомагнитную обстановку, требует разных подходов к выделению экстремальных событий для главного, литосферного и внешнего магнитного поля Земли. В соответствии с этим в процессе создания АПК исследователям необходимо решить проблему разделения сигналов каждой из трех перечисленных составляющих геомагнитного поля Земли. Так, если главное магнитное поле Земли медленно изменяется во времени, а литосферное – практически не изменяется, то внешнее магнитное поле Земли характеризуется значительной изменчивостью, связанной с солнечной активностью. Специалистами из ГЦ были предложены новые методы для быстрого и точного выделения в спутниковых измерениях вкладов главного и внешнего магнитного поля Земли.

Наконец, в рамках создания ЭО АПК для мониторинга экстремальных геомагнитных явлений учеными были предложены новые индикаторы геомагнитной активности. Прежде всего, речь здесь идет о наблюдениях за космической погодой, которая оказывает влияние на процессы в магнитосфере, ионосфере, атмосфере Земли и на земной поверхности. Здоровье и безопасность человека, а также нормальная работа технологических систем находятся в зависимости от состояния космической погоды, поэтому анализ ее состояния при помощи данных, полученных в ходе наземных и космических геомагнитных наблюдений, представляется важным занятием. Индикатор, основанный на величине меры аномальности (МА), способен в автоматическом режиме измерять уровень геомагнитной активности на разных обсерваториях по единой шкале, что позволяет существенным образом упростить процедуру сбора геомагнитных данных и быстрее реагировать на изменения космической погоды.

Что же дальше?

Все достижения, рассмотренные выше, относятся к периоду времени с сентября 2014 года по июнь 2015 года. Хотя уже достигнутые результаты впечатляют, у участников проекта по созданию ЭО АПК для мониторинга экстремальных геомагнитных явлений остается еще большой простор для научного творчества. Прежде всего, от теоретических исследований ученым будет необходимо перейти к экспериментальным, результатом которых должно будет стать создание ЭО АПК.

На страницах Вестника ОНЗ РАН мы будем освещать основные этапы работы по созданию АПК, чтобы отечественное научное сообщество в области наук о Земле было в курсе инновационной деятельности, развернувшейся в стенах ГЦ РАН.

А. Павленко

Сопутствующие линки:

Печать

Joomla SEF URLs by Artio