Предложен наземный метод измерения геомагнитного поля в средних масштабах

Измерения индукции магнитного поля Земли на расстояниях порядка 100 км (средний масштаб) очень важны для понимания таких геофизических явлений, как поведение верхней мантии, эволюция океанических течений и воздействие магнитного поля Солнца на ионосферу планеты. Однако такие исследования дорогостоящи, поскольку связаны с запуском в верхние слои атмосферы (на высоту около 100 км) специальных космических аппаратов. Коллектив ученых из Германии и США предложил более дешевый, наземный, способ измерения геомагнитного поля в заданном масштабе, который обладает высокой точностью и нечувствителен к магнитным помехам со стороны окружения.

Исследование структуры и силы магнитного поля Земли позволяет «заглянуть» в недра нашей планеты: измерение индукции геомагнитного поля и его вариаций на разных масштабах дает информацию об источниках этого поля на соответствующих глубинах. Так, «картографирование» земного магнетизма в пределах нескольких метров способно выявить подземные ферромагнитные объекты, например неразорвавшиеся снаряды и мины или законсервированные емкости с токсичными отходами. Измерение магнитного поля и его флуктуаций на расстояниях в несколько километров может быть использовано для обнаружения залежей полезных ископаемых. В глобальном масштабе исследование магнитной «оболочки» Земли предоставляет данные для модели геодинамо — теории, описывающей зарождение и последующую эволюцию магнитного поля Земли.

Изучение распределения индукции геомагнитного поля на среднем масштабе, то есть в пределах 10–100 километров, также представляет значительный научный интерес. В частности, это позволяет оценить влияние магнитного поля Солнца на ионосферу, дает информацию о поведении верхней мантии Земли и циркуляции океанических масс — одного из основных факторов, регулирующих климат на планете (ведь морская вода — это электролит, а ее движение фактически представляет собой ионный ток). Чтобы избежать нежелательного влияния окружения, измерения геомагнитного поля на этом масштабе необходимо проводить на высотах, соответствующих этому пространственному разрешению. Иными словами, для «картографирования» геомагнетизма на расстояниях порядка 100 км нужно на столько же подняться ввысь.

Для таких измерений запускают спутники с магнитометром, что требует серьезных материальных и финансовых вложений. Ученые из США и Германии предложили наземный способ измерения магнитного поля Земли в масштабах порядка 100 км, который обладает высокой чувствительностью и имеет сравнительно низкую стоимость. Свой метод они описали в недавней публикации Magnetometry with mesospheric sodium в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Идея авторов статьи основана на технологии, использующейся в некоторых обсерваториях для создания искусственных опорных звезд (laser guide star).

Что такое искусственные опорные звезды?

Известно, что астрономические наблюдения с помощью оптического телескопа, расположенного на поверхности Земли, часто затруднены из-за атмосферной турбулентности. Случайные перемещения воздушных масс размывают изображения звезд и существенно уменьшают разрешающую способность крупных телескопов с объективами более 1 м. Поэтому обычно используют так называемую адаптивную оптику. В телескопе устанавливают специальное зеркало, которое может деформироваться и подстраиваться под меняющиеся внешние условия. Чтобы учесть искажения, телескоп надо откалибровать, направив его на какую-нибудь яркую звезду (ее называют опорной).

Однако в поле зрения телескопа не всегда обнаруживается естественная опорная звезда, поэтому придумали создавать опорные звезды лазером. Лазер производит облучение слоя атомов натрия толщиной около 10 км, расположенного на высоте около 90 км над поверхностью Земли (эта натриевая прослойка сформировалась в результате сгорания метеоров). Если длина волны света лазера равна 589 нм, то в той небольшой области, куда попал лазерный луч, атомы натрия переходят в возбужденное состояние: внешние электроны перебираются на более высокий энергетический уровень, живут там некоторое время, а затем возвращаются обратно, излучая при этом желтый свет. Далее этот свет из облучаемого лазером маленького участка неба регистрируется телескопом. В результате происходит рождение искусственной опорной звезды (рис. 1), по которой затем корректируется изображение в телескопе.

Здесь надо отметить важный факт. Поскольку электроны имеют спин, совершают вращательное движение вокруг ядра, а также по причине некоторой схожести атомов щелочных металлов с атомом водорода (суммарный спин всех электронов в этих атомах равен 1/2) упомянутый выше более высокий энергетический уровень атома натрия расщепляется на два близкорасположенных по энергии уровня, каждый из которых может стать временным «домом» для возбужденного электрона. Возникающие два уровня атома натрия получили название натриевый дублет. Его идентифицируют на дискретном (линейчатом) спектре натрия как две близкорасположенных тонких желтых линии, обозначаемых D₁ и D₂. Это означает, что возбужденный атом натрия фактически излучает желтый свет двух очень близких по значению длин волн.

Принцип работы наземного детектора геомагнитного поля

В 1961 году было обнаружено, что под действием лазерных импульсов, имеющих круговую поляризацию, при определенном условии в парах щелочных металлов, находящихся во внешнем магнитном поле, наблюдается спиновая поляризация — спины атомов этих элементов приобретают конкретное направление. Этим условием является совпадение частоты лазерных импульсов (не путать с частотой света, излучаемого лазером) и частоты, с которой магнитный момент атомов прецессирует во внешнем магнитном поле. Явление вращения вектора магнитного момента частицы вокруг направления силовой линии магнитного поля известно в физике как ларморовская прецессия, а частота, с которой он вращается, называется частотой Лармора. Для атома она определяется его массой, строением энергетических уровней и индукцией внешнего магнитного поля.

Спиновая поляризация приведет к тому, что одна из линий натриевого дублета, D₂, станет более яркой, а другая линия (D₁) потускнеет, если сравнивать с линейчатым спектром натрия, полученного в случае постоянного облучения, или когда частота лазерных импульсов не совпадает с ларморовской частотой. Наблюдение описанного выше эффекта будет означать, что частота Лармора для атомов натрия найдена, а из нее теперь несложно рассчитать желанную индукцию магнитного поля. Именно так в теории и выглядит принцип работы наземного детектора геомагнитного поля в масштабе 100 км.

На практике, по задумке авторов, должно происходить следующее: лазер стреляет в небо серией периодических импульсов (имеющих круговую поляризацию), направление движения которых должно быть приблизительно перпендикулярно силовым линиям геомагнитного поля (рис. 2). Длина волны лазерного излучения составляет 589 нм, а частота их импульсов экспериментальным путем подбирается так, чтобы быть равной ларморовской частоте для атомов натрия, находящихся в том месте, куда были посланы лазерные импульсы. Понять, совпали ли частоты, можно с помощью телескопа, который в этом случае зарегистрирует в спектре атомов натрия увеличение яркости линии D₂ и, соответственно, ослабление линии D₁. Когда данное условие выполнено, по значению частоты Лармора находится искомое значение индукции магнитного поля.

Обратим внимание на неслучайность выбора натриевого слоя в качестве эдакого удаленного магнитометра. Высота его расположения (90 км) как нельзя более удачно соответствует условию для измерений магнитного поля Земли и его колебаний в заданном среднем масштабе.

Любой прибор или инструмент, измеряющий какую-либо физическую величину, неизбежно делает это с определенной погрешностью, или, как говорят специалисты, «шумит». В предложенном авторами статьи детекторе геомагнитного поля один из источников шума — лазерное излучение, которое в реальности не является монохроматическим, а имеет хоть и совсем малое, но тем не менее ненулевое размытие по частоте или длине волны, связанное с квантовой природой самого процесса генерации когерентного излучения. Размер этого размытия, называемого шириной лазерного излучения, среди всего прочего определяет чувствительность детектора. Чем меньше ширина излучения, тем более чувствительным будут проводимые измерения.

Помимо этого на точность работы устройства также влияет площадь объектива телескопа (чем больше, тем лучше), интенсивность лазера и коэффициент заполнения, характеризующий частоту испускания лазерных импульсов и равный отношению длительности импульсов к периоду их повторения. Как следует из определения, коэффициент заполнения — безразмерная величина, которая меняется в интервале от 0 до 1 или от 0 до 100%. Если коэффициент заполнения 100%, то наблюдается непрерывное, постоянное, не импульсное излучение. Уменьшение значения коэффициента заполнения означает, что временной промежуток между импульсами в рамках периода их повторения непрерывно увеличивается.

Как показали расчеты, для измерений геомагнитного поля лучше всего следить за изменением яркости линии D₁ натриевого дублета. В этом случае, если положить ширину лазерного излучения равной 400 МГц, оптимальная чувствительность достигается при коэффициенте заполнения 20% и интенсивности лазера около 30 Вт/м². Для этих значений она составит менее 0,5 нТл (нанотесла, 10^–9 Тл). Этого вполне достаточно, чтобы следить за циркуляцией океанических масс и влиянием со стороны магнитного поля Солнца, создающими индукцию порядка 1–10 нТл. В качестве сравнения напомним, что среднее значение индукции магнитного поля Земли приблизительно равно 50 мкТл (микротесла), то есть почти на 3–4 порядка больше.

Авторы статьи считают, что предложенную технологию измерения геомагнитного поля в принципе можно инсталлировать в любую обсерваторию, независимо от того, присутствуют ли в ней устройства или предметы, создающие магнитные помехи. Более того, ученые полагают, что на основе их метода существует возможность реализовать мобильную платформу, которая могла бы мониторить магнитное поле Земли в масштабах 100 км.

Источник: 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.