Направления исследований
Научная деятельность ГО «Борок» ИФЗ РАН ведется по следующим основным направлениям геофизики:
- мониторинг геофизических полей, геоинформатика
(Лаборатория геофизического мониторинга); - глобальная электрическая цепь и электричество атмосферы
(Лаборатория геофизического мониторинга); - динамика солнечного ветра и магнитосферы Земли
(Лаборатория динамики геофизических волновых полей); - палеомагнетизм и эволюция магнитного поля Земли
(Лаборатория палеомагнетизма и физико-химических свойств горных пород); - физико-химические и магнитные свойства вещества горных пород
(Лаборатория палеомагнетизма и физико-химических свойств горных пород); - изучение напряженно-деформационного состояния земной коры сейсмоактивных регионов
(Лаборатория геофизического мониторинга).
Мониторинг состояния геоэлектромагнитных полей
Сбор данных геофизических наблюдений осуществляется через сеть сбора данных, функционирующую на базе Лаборатории геофизического мониторинга. Основная система сбора данных оснащена 16-ти канальным, 16-ти разрядным аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Сбор данных производится с тактовой частотой 10 Гц (0.1 сек). В настоящее время на основной системе сбора регистрируются данные с датчиков следующих геофизических полей:
- Hx - компонента север-юг геомагнитных пульсаций;
- Hy - компонента восток-запад геомагнитных пульсаций;
- Hz - вертикальная компонента геомагнитных пульсаций;
- Hp - параллельная компонента геомагнитных пульсаций;
- Ex - компонента север-юг теллурических токов;
- Ey - компонента восток-запад теллурических токов;
- Ez - вертикальная компонента теллурических токов;
- Ja - вертикальная компонента атмосферного электрического тока;
- Ea - вертикальная компонента атмосферного электрического поля;
- Δp - вариации атмосферного давления.
Помимо основной системы сбора данных в сеть сбора данных входят компьютеры, осуществляющие регистрацию данных с трехкомпонентного феррозондового магнитометра, автоматической геомагнитной обсерватории сети INTERMAGNET, а также метеоданные с цифровой метеостанции WS-2500, ультразвуковой метеостанции МЕТЕО-2, содара ВОЛНА-3.
Географические координаты точки наблюдения − 58.03N, 38.97E.
Исправленные геомагнитные координаты точки наблюдения − 53.53N, 114.28E.
Параметр Мак Ильвена − L=2.88.
Геоинформатика
Непрерывно поддерживается База данных среднеширотной Геофизической обсерватории «Борок», зарегистрированная в Государственном регистре баз данных за #0229905895. Регистрационное свидетельство #5548 от 21 декабря 1999г.
В базе данных представлены результаты аэроэлектрических, геоэлектромагнитных и метеорологических обсерваторских наблюдений. Сервер базы данных обеспечивает хранение и предоставление доступа к данным через Интернет.
Глобальная электрическая цепь и электричество атмосферы
Глобальная электрическая цепь представляет собой токовый контур, образованный проводящими слоями нижней ионосферы и земной коры, с грозовыми генераторами в качестве основных источников электродвижущих сил и невозмущенными областями свободной атмосферы в качестве зон возвратных токов. Проводимые в Обсерватории исследования сосредоточены на изучении совокупности глобальных, региональных и локальных генераторов электричества атмосферы, определении степени влияния состояния ионосферы и процессов в земной коре на атмосферные электрические характеристики, создании базы экспериментальных данных по основным аэроэлектрическим параметрам средних широт.
Основные результаты получены при изучении ультранизкочастотных аэроэлектрических пульсаций, характеризующих динамику электрического состояния приземной атмосферы. На основании натурных наблюдений короткопериодных пульсаций электрического поля и их спектральных и структурных представлений детально исследовано электрическое состояние приземного слоя атмосферы в условиях хорошей погоды и тумана. Показано, что основная энергетика короткопериодных аэроэлектрических пульсаций сосредоточена в приземных аэроэлектрических структурах. Развита модель формирования спектров аэроэлектрических пульсаций, учитывающая турбулентное перемешивание заряженных частиц и наличие аэроэлектрических структур. Указана принципиальная роль нелокальности связи напряженности электрического поля и плотности объемного заряда в условиях пространственно неоднородной турбулентности. По наблюдениям электрических полей в условиях тумана обнаружены долгоживущие мезомасштабные аэроэлектрические структуры, сформированные ультранизкочастотными аэроэлектрическими пульсациями с амплитудами, превышающими на порядок невозмущенный уровень изменений поля. Полученные результаты позволяют оценить вклад генераторов аэроэлектрического поля приземного слоя и нижней атмосферы в формирование глобальной электрической цепи.
Динамика солнечного ветра и магнитосферы Земли
Основной целью проводимых исследований является изучение происхождения и эволюции низкочастотных волн в солнечном ветре и магнитосфере Земли, исследование изменения структуры поля длиннопериодных иррегулярных пульсаций по данным Арктических и Антарктических обсерваторий, развитие исследований геомагнитных пульсаций, динамики солнечной и геомагнитной активности методами обратной задачи теории колебаний (методами нелинейной хаотической динамики).
Методами нелинейной хаотической динамики проведено исследование изменения структуры длиннопериодных иррегулярных пульсаций типа np, в зависимости от геомагнитной широты. В качестве количественной характеристики структуры пульсаций использована фрактальная размерность, определяемая на основе спектрального анализа и метода критических экспонент. По профилю фрактальной размерности пульсаций np выделен интервал широт, соответствующий положению границы магнитосферного резонатора. Обнаружена асимметрия в динамике структуры np-пульсаций сопряженных полушарий. Показано, что асимметрия структуры пульсаций np в сопряженных областях связана с уровнем турбулентности системы стационарных продольных токов, втекающих в ионосферу в дополуденном секторе магнитосферы вблизи приполюсной и экваториальной границы аврорального овала.
Исследование спектральных и поляризационных характеристик серий всплесков длиннопериодных иррегулярных пульсаций ipcl, наблюдаемых в области дневного полярного каспа, позволило обнаружить зависимость типа поляризации всплесков от локального времени и авроральной активности. Полученные результаты показали, что механизм возбуждения всплесковых структур пульсаций ipcl обусловлен перемежаемостью, возникающей в среде, описываемой параболическим уравнением с диссипацией.
В рамках концепции случайных фракталов проведен анализ динамики солнечной и геомагнитной активностей. С помощью методов нормированного размаха Херста и вычисления фрактальной размерности по покрытию показано, что вышеперечисленные процессы являются случайными самоаффинными фракталами с различными размерностями. Отмечена динамика размерностей в цикле солнечной активности. Показано, что хаотическая динамика магнитосферной активности практически не содержит в себе признаков хаотической динамики активности Солнца.
Палеомагнетизм и эволюция магнитного поля Земли
В результате проведения сотен определений палеонапряжённости по методике Телье, показано в частности, что:
- На границе раннего и среднего эоцена произошло падение палеонапряженности приблизительно в два раза, и этот пониженный уровень сохранялся до середины верхнего плиоцена. На границе Гаус -Матуяма произошел рост Ндр (магнитного момента Земли) до его современного уровня: верхняя часть позднего плиоцена характеризуется величинами Ндр, сопоставимыми с современными значениями.
- Магнитная эпоха Матуяма характеризуется палеонапряженностью, более высокой, чем ее современное значение. В целом величина магнитного момента Земли в плейстоцене близка к современному его значению.
- Возврат от пониженной величины магнитного момента Земли в мезозое к её современному значению имел место в сантон-коньяке верхнего мела.
Впервые в магнетизме горных пород произведено успешное теоретическое и экспериментальное моделирование методики Телье для образцов, содержащих многодоменные зерна. Установлена конкретная причина провала методики Телье для таких образцов: это разрушение высокотемпературных парциальных термоостаточных намагниченностей в ходе промежуточных нагревов и стабилизация доменной структуры, приводящая к росту блокирующих температур. Первое из этих явлений приводит к повышенному спаду естественной остаточной намагниченности при нагревах до промежуточных температур в нулевом поле, а второе - к понижению способности восстанавливать разрушенную часть намагниченности при повторном прогреве и охлаждении в лабораторном поле. Оба эти явления вместе приводят к значительным ошибкам при применении методики Телье. Проанализированы магнитная структура и стабильность доменных состояний малых псевдооднодоменных частиц магнетита. Анализ выполнен на основе численного решения трехмерных микромагнитных уравнений с высокой степенью их дискретизации.
Физико-химические и магнитные свойства вещества горных пород
Основные носители магнетизма в горных породах – титаномагнетиты (ТМ) – в условиях высокого парциального давления кислорода и относительно низких температур термодинамически неустойчивы и могут претерпевать различные превращения, основными из которых являются окисление и распад. В результате таких превращений может происходить изменение доменной структуры ТМ, разрушение первичной (древней) намагниченности, образование вторичной (химической) намагниченности и т.д. Поэтому оценка влияния различного рода превращений на сохранность естественной (первичной) намагниченности Jn является одной из важнейших задач палеомагнетизма и магнетизма горных пород. В рамках решения указанной проблемы в обсерватории на гетерофазно-окисленных ТМ обнаружено явление частичного самообращения термоостаточной намагниченности (TRM). Явление самообращения Jn, которая чаще всего имеет термоостаточную природу, приводит к нарушению фундаментального принципа палеомагнетизма и магнетизма горных пород: направление вектора остаточной намагниченности соответствует направлению геомагнитного поля, существовавшему во время намагничивания горной породы. Детальное изучение явления самообращения показало, что:
- Самообращение TRM возможно на ТМ любого состава и связано с образованием в результате окисления ферримагнитных фаз: высокотемпературной (магнетитовой) и низкотемпературной (гемоильменитовой).
- Магнетитовая фаза жестче гемоильменитовой из-за напряжений, возникающих при гетерофазном окислении.
- Длительная выдержка ТМ при высоких температурах приводит к реализации напряжений, уменьшению жесткости фаз, особенно магнетитовой, и затуханию эффекта вплоть до его исчезновения.
Таким образом, с геофизических позиций явление частичного самообращения Jn (TRM) возможно ан быстро остывающих с геологической точки зрения объектах и может приводить как к аномально низким значениям Jn (магнитные аномалии), так и к появлению компоненты, намагниченной противоположно геомагнитному полю времени намагничивания.
В обсерватории также проводились работы по экспериментальному моделированию процессов магматического образования железного ядра планет. Впервые показан механизм выделения капельных (сфероидных) форм железа из силикатных расплавов при температурах ниже температуры плавления металлического железа и его сплавов с никелем. Этот процесс является альтернативным гипотетическому выделению жидкого металлического железа (и его сплавов) из перегретого силикатного расплава (магматического океана) и не требует сильного разогрева планет на ранних стадиях формирования железных ядер в ходе дифференциации ультраосновного протопланетного вещества.
Изучение напряженно-деформационного состояния земной коры сейсмоактивных регионов
Разработан метод диагностики напряженно-деформационного состояния земной коры сейсмоактивных регионов по типам разрушения (хрупкое или вязкое), которые опознаются по характеру первого вступления продольных волн слабых землетрясений. Основные результаты применения метода изложены в публикациях авторов.
В настоящее время осуществляется мониторинг жесткости земной коры для предсказания землетрясений в Калифорнии. Первичная информация ежедневно поступает из базы данных локальных сейсмических сетей Северной и Южной Калифорнии.