Siūlomas antžeminis geomagnetinio lauko matavimo metodas vidutinio masto • Jurijus Yerinas • Mokslo naujienos apie "elementus" • Fizika, žemės mokslai

Siūlomas antžeminis geomagnetinio lauko matavimo metodas.

Pav. 1. Schemos brėžinys, rodantis dirbtinės etaloninės žvaigždės gimimą. Lazerinis švyturys-lazerinis siųstuvas sujungia šviesą (švyturio-lazerio pluoštą), kurio bangos ilgis 589 nm į natrio sluoksnį (natrio sluoksnis). Kai lazerio spinduliuotė veikiama nedidelėje srityje, kurioje spinduliuojama spinduliuotė, natrio atazai patenka į sužadintą būseną ir pradeda skleisti geltoną šviesą (spalva paveiksle nenustatyta). Ši maža spinduliuojanti natrio sluoksnio dalis vaidina dirbtinę etaloninę žvaigždutę (sintetinį švyturį), šviesą (atgaline dalyve esančią šviesą), kurią aptinka teleskopas su prisitaikančia optika (imtuvas su adaptuojančia optika). Naudojant dirbtinę etaloninę žvaigždę teleskopas kalibruojamas, atsižvelgiant į turbulencijos atmosferos (turbulencijos srities) įtaką. Skalė nesilaikoma. Paveikslas iš Ronald A. Humphreys ir kt. Natrio sluoksnio sintetiniai švyturiai adaptyviosioms optikoms Lincolno laboratorijos leidinys

Žemos magnetinio lauko indukcija maždaug 100 km atstumu (vidutinio masto) yra labai svarbi norint suprasti tokius geofizinius reiškinius kaip viršutinės mantijos elgesį, vandenynų srovių evoliuciją ir saulės magnetinio lauko poveikį planetos jonosferai. Tačiau tokie tyrimai yra brangūs, nes jie susiję su viršutinių atmosferos sluoksnių (iki maždaug 100 km aukščio) paleidimo specialiomis kosminėmis transporto priemonėmis.Vokietijos ir Jungtinių Amerikos Valstijų mokslininkų komanda pasiūlė pigesnį antžeminį geomagnetinio lauko matavimo metodą tam tikru mastu, kuris yra labai tikslus ir nejautrus magnetiniams aplinkos trukdžiams.

Žemės magnetinio lauko struktūros ir stiprumo tyrimas leidžia "pažvelgti" į mūsų planetos gelmes: matuoti geomagnetinio lauko indukciją ir jo svyravimus įvairiomis svarstyklėmis pateikiama informacija apie šio lauko šaltinius atitinkamuose gyliuose. Taigi per kelias metras sausumos magnetizmo "atvaizdavimas" gali atskleisti požeminius feromagnetinius objektus, pvz., Nesprogusius sviedinius ir minas ar konservuotus konteinerius su toksinėmis atliekomis. Matuojant magnetinį lauką ir jo svyravimus kelių kilometrų atstumu galima aptikti mineralų telkinius. Pasauliniu mastu Žemės magnetinio "korpuso" tyrimas pateikia duomenis apie geodynamo modelį, teoriją, apibūdinančią Žemės magnetinio lauko kilmę ir tolesnę evoliuciją.

Geomagnetinio lauko indukcijos pasiskirstymas vidutiniu mastu, ty 10-100 km spinduliu, taip pat yra reikšmingas mokslinis susidomėjimas.Visų pirma, tai leidžia įvertinti saulės magnetinio lauko įtaką jonosferai, suteikia informacijos apie Žemės viršutinės apvalkalo elgseną ir vandenynų masių cirkuliaciją – vieną iš pagrindinių veiksnių, reguliuojančių klimatą planetoje (galų gale jūrų vanduo yra elektrolitas, o jo judėjimas iš tikrųjų yra joninė srovė ) Siekiant išvengti nepageidaujamos aplinkos įtakos, geomagnetinio lauko matavimai šioje skalėje turėtų būti atliekami aukštyje, atitinkančiose šią erdvinę rezoliuciją. Kitaip tariant geomagnetizmo "žemėlapiams", esant atstumui iki 100 km, reikia pakilti tokiu pačiu dydžiu.

Tokiems matavimams jie paleidžia magnetometrą palydovus, kuriems reikalingos didelės materialinės ir finansinės investicijos. Pasiūlė mokslininkai iš JAV ir Vokietijos žemės režimas Žemės magnetinio lauko matavimai 100 km skalėje, kuris yra labai jautrus ir yra palyginti mažas. Jie apibūdino savo metodą žurnale "Neseniai paskelbtame leidinyje" Magnetometrija su mezosferiniu natriu " Nacionalinės mokslų akademijos darbai. Straipsnio autorių idėja remiasi technologija, naudojama kai kuriose observatorijose, kad sukurtų dirbtines etalonines žvaigždes (lazerio gidų žvaigždutė).

Kas yra dirbtiniai sukimosi žvaigždės?

Žinoma, kad astronominius stebėjimus su optiniu teleskopu, esančiu Žemės paviršiuje, dažnai trukdo atmosferos turbulencija. Atsitiktinės poslinkis oro masių Blur vaizdus žvaigždžių ir žymiai sumažinti didelių teleskopų rezoliuciją su lęšiais nei 1 m. Todėl paprastai naudoja vadinamąsias prisitaikanti optika. Teleskopu yra sumontuotas specialus veidrodis, kurį galima deformuoti ir pritaikyti prie besikeičiančių išorinių sąlygų. Kad būtų atsižvelgta į iškraipymus, teleskopą reikia kalibruoti, nukreipiant jį į kokią nors šviesią žvaigždutę (vadinamą etalonine žvaigždute).

Tačiau natūrali etaloninė žvaigždė ne visada aptinka teleskopo vaizdų lauką, todėl jie išrado sukurti etalonines žvaigždes lazeriu. Lazerio spinduliuotės gamina natrio sluoksnio storis maždaug 10 km esant apie 90 km virš žemės atomų (tai natrio sluoksnis, suformuotas pagal meteoras degimo) aukščio. Jei lazerio šviesos bangos ilgiui 589 nm, ilgis yra, tada į mažą regione, kur lazerio spindulys Rezultatas, natrio atomai gali susijaudinęs: išoriniai elektronai yra judantis aukštesnį energijos lygį,ten gyventi ir tada grįžkite, skleidžiant geltoną šviesą. Be to, šis šviesa iš mažos dangaus dalies, apšvitintos lazeriu, užfiksuota teleskopu. Kaip rezultatas, gimsta dirbtinė etaloninė žvaigždė (1 pav.), Kuri tada naudojama ištaisyti vaizdą teleskopu.

Čia būtina pažymėti svarbų faktą. Kadangi elektronai sukasi, jie sukasi aplink branduolio, o taip pat dėl ​​tam tikro šarminių metalų atomų panašumo su vandenilio atomu (visas šių elektronų atomų skaičius yra 1/2), aukščiau minėtas aukštesnis natrio atomo energijos lygis sklendžia į dvi artimose lygis, kurio kiekvienas gali tapti laikinu "sužadinto" elektrono "namu". Kylantys du natrio atomo lygmenys vadinami natrio dubletas. Jis nustatomas atskirame (linijiniame) natrio spektre kaip du glaudžiai išsidėsčiusias plonas geltonas linijas, žymimas D1 ir D2. Tai reiškia, kad sužadintas natrio kiekis iš tikrųjų išskiria du labai panašius bangos ilgius geltoną šviesą.

Žemės geomagnetinio lauko detektoriaus veikimo principas

1961 m. Buvo nustatyta, kad veikiant lazerio impulsams, turintiems apskritiminę poliarizaciją, esant tam tikroms sąlygoms, sukant šarminius metalus išoriniame magnetiniame lauke, yra stebimas nugaros polarizavimas – šių elementų atomų sukimosi kryptis tampa specifine kryptimi. Ši sąlyga yra lazerinių impulsų dažnio sutapimas (nesupainiamas su lazerio spinduliuojamos šviesos dažniu) ir dažnis, kuriuo atomų magnetinis momentas precesuoja išoriniame magnetiniame lauke. Dalies magnetinio momento vektoriaus sukimosi reiškinys aplink magnetinio lauko linijos kryptį fizikoje yra žinomas kaip Larmoro precedija, o dažnis, su kuriuo jis sukasi, vadinamas Larmoro dažniu. Atomai, tai priklauso nuo jo masės, energijos lygmens struktūros ir išorinio magnetinio lauko indukcijos.

Spin polarizacija lemia tai, kad viena iš natrio doubleto linijų, D2, taps ryškesni, o kita linija (D1) taps nuobodu, palyginus su natrio linijos spektru, gaunamu nuolatinės apšvitos atveju arba kai lazerio impulsų dažnis nesutampa su Larmoro dažniu.Pirmiau aprašyto poveikio stebėjimas reikštų, kad buvo rasta Larmoro dažnis natrio atomų atžvilgiu ir nuo jo dabar lengva apskaičiuoti pageidaujamą magnetinę indukciją. Būtent taip teoriškai atrodo kaip sausumos geomagnetinio lauko detektoriaus 100 km skalės veikimo principas.

Pav. 2 Geomagnetinio lauko matavimas maždaug 100 km skalėje. Apvalaus poliarizuoto lazerio spinduliuotė su 589 nm bangos ilgiu yra nukreipta į stačiakampius impulsus (moduliavimo bangos formą) į natrio sluoksnį (sluoksnį), esantį 90 km aukštyje. Impulsų dažnis pasirenkamas lygus Larmoro dažniui natrio atomų. Tai sukelia natrio atomų sukimosi polarizaciją ir dėl to atsiranda jų spinduliuotės (fluorescencijos) požymis, kurių savybės registruojamos teleskopu (aptikimo teleskopu). Iš gautų duomenų nustatoma norima indukcijos reikšmė. Skalė nesilaikoma. Paveikslėlis iš aptariamo straipsnioPNAS

Praktikoje autoriai teigia, kad lazeris paleido į dangų eilės periodinius impulsus (turinčius apskritimo poliarizaciją), kurių judėjimo kryptis turėtų būti maždaug statmena geomagnetinio lauko jėgos linijoms (2 pav.).Lauko spinduliuotės bangos ilgis yra 589 nm, o jų impulsų dažnis pasirinktas taip, kad būtų lygus Larmoro dažniui natrio atomų, esančių toje vietoje, kur buvo siunčiami lazeriniai impulsai. Galima suprasti, ar dažniai sutampa su teleskopu, kuris šiuo atveju užregistruoja D linijos ryškumo padidėjimą natrio atomų spektre.2 ir, atitinkamai, D linijos silpnėjimas1. Kai ši sąlyga tenkinama, norima magnetinio lauko vertė nustatoma pagal Larmoro dažnio reikšmę.

Leiskite mums atkreipti dėmesį į tai, kad natrio sluoksnis yra pasirinktas kaip atsitiktinis nuotolinis magnetometras. Jos vietos (90 km) aukštis negalėjo būti sėkmingiau suderinta su sąlyga matuoti Žemės magnetinį lauką ir jo svyravimus tam tikrame vidutiniame skalėje.

Bet kuris prietaisas ar prietaisas, kuris bet kokį fizinį kiekį matuoja, neišvengiamai tai daro su tam tikra klaida arba, kaip sako ekspertai, "daro triukšmą". Autorių pasiūlytame geomagnetinio lauko detektoriuje vienas iš triukšmo šaltinių yra lazerio spinduliuotė, kuri iš tikrųjų nėra monochromatinė, tačiau ji turi labai mažą, bet vis dėlto ne nulinę, dažnio ar bangos ilgio nykimą,susijusi su koherentinės spinduliuotės generavimo proceso kvantiniu pobūdžiu. Šio blurėjimo dydis, vadinamas lazerio pločiu, be kita ko lemia detektoriaus jautrumą. Kuo mažesnis spinduliavimo plotis, tuo jautresni bus matavimai.

Be to, prietaiso tikslumą taip pat veikia teleskopo lęšio plotas (kuo daugiau), lazerio intensyvumas ir užpildymo faktoriusapibūdinantis lazerinių impulsų emisijos dažnį ir lygus impulsų trukmės santykiui su jų pasikartojimo laikotarpiu. Kaip nurodyta apibrėžime, užpildymo faktorius yra be matmens dydis, kuris svyruoja nuo 0 iki 1 arba nuo 0 iki 100%. Jei užpildymo faktorius yra 100%, tai yra nuolatinė, pastovi, ne impulso spinduliuotė. Užpildymo faktoriaus reikšmės sumažėjimas reiškia, kad laiko intervalas tarp impulsų per jų pasikartojimo laikotarpį nuolat didėja.

Kaip parodė skaičiavimai, geomagnetinio lauko matavimams geriausia sekti D linijos ryškumo pasikeitimą.1 natrio dubletas. Šiuo atvejujei mes nustatysime lazerio spindulių plotis iki 400 MHz, optimalus jautris pasiekiamas, kai užpildymo koeficientas yra 20%, o lazerio intensyvumas yra apie 30 W / m2. Dėl šių verčių jis bus mažesnis nei 0,5 nTl (nanotesla, 10-9 T) Tai yra pakankamai didelis, kad stebėtų vandenynų masių judėjimą ir saulės magnetinio lauko įtaką, sukuriant apie 1-10 nT indukciją. Palyginimui primename, kad vidutinė Žemės magnetinio lauko indukcija yra maždaug 50 μT (microtesla), tai yra beveik 3-4 kartus daugiau.

Straipsnio autoriai mano, kad siūloma technologija geomagnetinio lauko matavimui iš esmės gali būti įrengta bet kurioje observatorijoje, nepriklausomai nuo to, ar joje yra įrenginių ar objektų, kurie sukuria magnetinius trukdžius. Be to, mokslininkai mano, kad, remiantis jų metodu, galima įdiegti mobilią platformą, kuri galėtų stebėti Žemės magnetinį lauką 100 km skalėje.

Šaltinis: James M. Higbie, Simon M. Rochester, Brian Patton, Ronald Holzlöhner, Domenico Bonaccini Calia, Dmitrijus Budker. Magnetometrija su natrio mezosfera // PNAS. 2011. V. 108. P. 3522-3525.

Jurijus Yerinas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

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