Запропоновано наземний метод вимірювання геомагнітного поля в середніх масштабах • Юрій Ерін • Новини науки на "Елементи" • Фізика, Науки про Землю

Запропоновано наземний метод вимірювання геомагнітного поля в середніх масштабах

Мал. 1. Схематичний малюнок, який ілюструє народження штучної опорної зірки. Лазер (beacon-laser transmitter) вистрілює променем (beacon-laser beam) з довжиною хвилі 589 нм в натрієвий шар (sodium layer). Під дією лазерного випромінювання в тій маленькій області, куди потрапив промінь, атоми натрію переходять в збуджений стан і починають випромінювати жовте світло (колір на малюнку не дотримано). Цей маленький випромінює ділянку натрієвого шару грає роль штучної опорної зірки (synthetic beacon), світло (backscattered light) від якої детектується телескопом з адаптивною оптикою (receiver with adaptive optics). За допомогою штучної опорної зірки відбувається калібрування телескопа, в якій враховується вплив турбулентного шару атмосфери (turbulent region). Масштаб не дотримано. Малюнок зі статті Ronald A. Humphreys et al. Sodium-layer Synthetic Beacons for Adaptive Optics в The Lincoln Laboratory Journal

Вимірювання індукції магнітного поля Землі на відстанях порядку 100 км (середній масштаб) дуже важливі для розуміння таких геофізичних явищ, як поведінка верхньої мантії, еволюція океанічних течій і вплив магнітного поля Сонця на іоносферу планети. Однак такі дослідження дорогі, оскільки пов'язані з запуском в верхні шари атмосфери (на висоту близько 100 км) спеціальних космічних апаратів.Колектив вчених з Німеччини та США запропонував дешевший, наземний, спосіб вимірювання геомагнітного поля в заданому масштабі, який має високу точність і нечутливий до магнітних перешкод з боку оточення.

Дослідження структури і сили магнітного поля Землі дозволяє "зазирнути" в надра нашої планети: вимір індукції геомагнітного поля і його варіацій на різних масштабах дає інформацію про джерела цього поля на відповідних глибинах. Так, "картографування" земного магнетизму в межах декількох метрів здатне виявити підземні феромагнітні об'єкти, наприклад снаряди і міни або законсервовані ємності з токсичними відходами. Вимірювання магнітного поля і його флуктуацій на відстанях в декілька кілометрів може бути використано для виявлення покладів корисних копалин. У глобальному масштабі дослідження магнітної "оболонки" Землі надає дані для моделі геодінамо – теорії, яка описує зародження і подальшу еволюцію магнітного поля Землі.

Вивчення розподілу індукції геомагнітного поля на середньому масштабі, тобто в межах 10-100 кілометрів, також становить значний науковий інтерес.Зокрема, це дозволяє оцінити вплив магнітного поля Сонця на іоносферу, дає інформацію про поведінку верхньої мантії Землі і циркуляції океанічних мас – одного з основних чинників, що регулюють клімат на планеті (адже морська вода – це електроліт, а її рух фактично являє собою іонний струм ). Щоб уникнути небажаного впливу оточення, вимірювання геомагнітного поля на цьому масштабі необхідно проводити на висотах, що відповідають цьому просторовому вирішенню. Іншими словами, для "картографування" геомагнетизму на відстанях порядку 100 км потрібно на стільки ж піднятися вгору.

Для таких вимірів запускають супутники з магнітометром, що вимагає серйозних матеріальних і фінансових вкладень. Вчені з США та Німеччини запропонували наземний спосіб вимірювання магнітного поля Землі в масштабах близько 100 км, який має високу чутливість і має порівняно низьку вартість. Свій метод вони описали в недавній публікації Magnetometry with mesospheric sodium в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences. Ідея авторів статті заснована на технології, що використовується в деяких обсерваторіях для створення штучних опорних зірок (laser guide star).

Що таке штучні опорні зірки?

Відомо, що астрономічні спостереження за допомогою оптичного телескопа, розташованого на поверхні Землі, часто утруднені через атмосферної турбулентності. Випадкові переміщення повітряних мас розмивають зображення зірок і суттєво зменшують роздільну здатність великих телескопів з об'єктивами більше 1 м. Тому зазвичай використовують так звану адаптивну оптику. У телескопі встановлюють спеціальне дзеркало, яке може деформуватися і підлаштовуватися під мінливі зовнішні умови. Щоб врахувати спотворення, телескоп треба відкалібрувати, направивши його на якусь яскраву зірку (її називають опорною).

Однак в поле зору телескопа не завжди виявляється природна опорна зірка, тому придумали створювати опорні зірки лазером. Лазер виробляє опромінення шару атомів натрію товщиною близько 10 км, розташованого на висоті близько 90 км над поверхнею Землі (ця натрієва прошарок сформувалася в результаті згоряння метеорів). Якщо довжина хвилі світла лазера дорівнює 589 нм, то в тій невеликій області, куди потрапив лазерний промінь, атоми натрію переходять в збуджений стан: зовнішні електрони перебираються на більш високий енергетичний рівень,живуть там деякий час, а потім повертаються назад, випромінюючи при цьому жовте світло. Далі цей світ з опромінюється лазером маленького ділянки неба реєструється телескопом. В результаті відбувається народження штучної опорної зірки (рис. 1), по якій потім коригується зображення в телескопі.

Тут треба відзначити важливий факт. Оскільки електрони мають спін, здійснюють обертальний рух навколо ядра, а також з причини деякої схожості атомів лужних металів з атомом водню (сумарний спін всіх електронів в цих атомах дорівнює 1/2) згаданий вище більш високий енергетичний рівень атома натрію розщеплюється на два близько розташованих по енергії рівня, кожен з яких може стати тимчасовим "будинком" для порушеної електрона. Виникаючі два рівня атома натрію отримали назву натрієвий дублет. Його ідентифікують на дискретній (лінійчатому) спектрі натрію як дві близько розташованих тонких жовтих лінії, які охоплюють D1 і D2. Це означає, що збуджений атом натрію фактично випромінює жовте світло двох дуже близьких за значенням довжин хвиль.

Принцип роботи наземного детектора геомагнітного поля

У 1961 році було виявлено, що під дією лазерних імпульсів, що мають кругову поляризацію, за певної умови в парах лужних металів, що знаходяться в зовнішньому магнітному полі, спостерігається спінова поляризація – спини атомів цих елементів набувають конкретний напрям. Цією умовою є збіг частоти лазерних імпульсів (не плутати з частотою світла, випромінюваного лазером) і частоти, з якою магнітний момент атомів прецессирует в зовнішньому магнітному полі. Явище обертання вектора магнітного моменту частки навколо напрямку силової лінії магнітного поля відомо у фізиці як ларморова частота, а частота, з якою він обертається, називається частотою Лармора. Для атома вона визначається його масою, будовою енергетичних рівнів і індукцією зовнішнього магнітного поля.

Спінова поляризація призведе до того, що одна з ліній натрієвого дублета, D2, Стане яскравішою, а інша лінія (D1) Потьмяніє, якщо порівнювати з лінійчатим спектром натрію, отриманого в разі постійного опромінення, або коли частота лазерних імпульсів не збігається з ларморовской частотою.Спостереження описаного вище ефекту буде означати, що частота Лармора для атомів натрію знайдена, а з неї тепер нескладно розрахувати бажану індукцію магнітного поля. Саме так в теорії і виглядає принцип роботи наземного детектора геомагнітного поля в масштабі 100 км.

Мал. 2. Вимірювання геомагнітного поля в масштабі близько 100 км. Лазерний світло з круговою поляризацією і з довжиною хвилі 589 нм направляється у вигляді серії прямокутних імпульсів (modulation waveform) в натрієвий шар (sodium layer), розташований на висоті 90 км. Частота подачі імпульсів підбирається рівній частоті Лармора для атомів натрію. Це призводить до спінової поляризації атомів натрію і, як результат, виникає особливість в їх випромінюванні (fluorescence), властивості якого реєструється телескопом (detection telescope). З отриманих даних потім знаходиться шукане значення індукції. Масштаб не дотримано. Малюнок з обговорюваної статті вPNAS

На практиці, за задумом авторів, має відбуватися наступне: лазер стріляє в небо серією періодичних імпульсів (мають кругову поляризацію), напрямок руху яких має бути приблизно перпендикулярно силовим лініям геомагнітного поля (рис. 2).Довжина хвилі лазерного випромінювання становить 589 нм, а частота їх імпульсів експериментальним шляхом підбирається так, щоб бути рівною ларморовской частоті для атомів натрію, що знаходяться в тому місці, куди були послані лазерні імпульси. Зрозуміти, чи збіглися частоти, можна за допомогою телескопа, який в цьому випадку зареєструє в спектрі атомів натрію збільшення яскравості лінії D2 і, відповідно, ослаблення лінії D1. Коли ця умова виконана, за значенням частоти Лармора знаходиться шукане значення індукції магнітного поля.

Звернемо увагу на невипадковість вибору натрієвого шару в якості такого собі віддаленого магнитометра. Висота його розташування (90 км) як не можна більш вдало відповідає умові для вимірювань магнітного поля Землі і його коливань в заданому середньому масштабі.

Будь-який прилад або інструмент, що вимірює якусь фізичну величину, неминуче робить це з певною похибкою, або, як кажуть фахівці, "шумить". У запропонованому авторами статті детекторі геомагнітного поля один з джерел шуму – лазерне випромінювання, яке в реальності не є монохроматичним, а має хоч і зовсім мале, але тим не менше нульове розмиття по частоті або довжині хвилі,пов'язане з квантової природою самого процесу генерації когерентного випромінювання. Розмір цього розмиття, званого шириною лазерного випромінювання, серед усього іншого визначає чутливість детектора. Чим менше ширина випромінювання, тим чутливішим будуть проведені вимірювання.

Крім цього на точність роботи пристрою також впливає площа об'єктива телескопа (чим більше, тим краще), інтенсивність лазера і коефіцієнт заповнення, Що характеризує частоту випущення лазерних імпульсів і рівний відношенню тривалості імпульсів до періоду їх повторення. Як випливає з визначення, коефіцієнт заповнення – безрозмірна величина, яка змінюється в інтервалі від 0 до 1 або від 0 до 100%. Якщо коефіцієнт заповнення 100%, то спостерігається безперервне, постійне, що не імпульсне випромінювання. Зменшення значення коефіцієнта заповнення означає, що часовий проміжок між імпульсами в рамках періоду їх повторення безперервно збільшується.

Як показали розрахунки, для вимірювань геомагнітного поля найкраще стежити за зміною яскравості лінії D1 натрієвого дублета. В цьому випадку,якщо покласти ширину лазерного випромінювання рівної 400 МГц, оптимальна чутливість досягається при коефіцієнті заповнення 20% і інтенсивності лазера близько 30 Вт / м2. Для цих значень вона складе менше 0,5 нТл (нанотесла, 10-9 Тл). Цього цілком достатньо, щоб стежити за циркуляцією океанічних мас і впливом з боку магнітного поля Сонця, що створюють індукцію порядку 1-10 нТл. В якості порівняння нагадаємо, що середнє значення індукції магнітного поля Землі приблизно дорівнює 50 мкТл (мікротесел), тобто майже на 3-4 порядки більше.

Автори статті вважають, що запропоновану технологію вимірювання геомагнітного поля в принципі можна інсталювати в будь-яку обсерваторію, незалежно від того, чи присутні в ній пристрої або предмети, що створюють магнітні перешкоди. Більш того, вчені вважають, що на основі їхнього методу існує можливість реалізувати мобільну платформу, яка могла б моніторити магнітне поле Землі в масштабах 100 км.

джерело: James M. Higbie, Simon M. Rochester, Brian Patton, Ronald Holzlöhner, Domenico Bonaccini Calia, Dmitry Budker. Magnetometry with mesospheric sodium // PNAS. 2011. V. 108. P. 3522-3525.

Юрій Ерін


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: