Геомагнитная станция «Владивосток»

Стационарные наблюдения магнитного поля Земли (далее – МПЗ) начались в Приморском крае в 1952 году. До 1959 г. магнитная обсерватория (МО) в административно-хозяйственном отношении была подчинена Уссурийской радиостанции №7 и находилась на территории Ярославского оловокомбината. В 1955 году Президиум ДВФ АН СССР дал согласие на размещение МО на территории Горнотаежной станции ДВФ АН СССР. Для увязки плана строительства МО была создана комиссия из представителей Гидрометслужбы и АН СССР. Обсерватория была принята ДВФ СО АН СССР от Министерства Связи РСФСР 24 ноября 1959 года во исполнение распоряжения Совета Министров РСФСР от 30 сентября 1959 г. №6163-РС и приказа Министра связи РСФСР №022 от 6 октября 1959 г. «О передаче магнитных и ионосферных станций и бюро радиопрогнозов Министерства связи РСФСР Сибирскому отделению АН СССР». В настоящее время МО входит в состав Уссурийской астрофизической обсерватории ИПА РАН и имеет мнемонический код «VLA» (имя «ВЛАДИВОСТОК») в глобальной сети обсерваторий, осуществляющих мониторинг магнитного поля Земли.

Основной целью стационарных непрерывных наблюдений является определение векового хода МПЗ. По результатам наблюдений вычисляются среднегодовые значения полного вектора и трёх компонент поля, а именно: горизонтальной H, вертикальной Z и склонения D. Под склонением здесь понимается угол между H и плоскостью географического меридиана. Одновременно ведется запись теплового режима в наблюдательном павильоне для введения поправок за температурный ход измеряемых величин. МПЗ играет важнейшую роль во многих земных процессах и измерение характеристик МПЗ и их вариаций имеет огромное значение для жизнедеятельности людей.

Магнитосфера Земли подвержена воздействию солнечного ветра: со стороны, обращенной к Солнцу, геомагнитное поле сжимается, а с ночной стороны оно вытягивается в длинный «хвост». Солнечный ветер – величина переменная, и эта картина претерпевает значительные изменения, что отражается на величинах вариаций МПЗ. Заметное влияние на МПЗ на поверхности оказывают токи в ионосфере. Её состояние определяется взаимодействием МПЗ с солнечным ветром, чем и объясняется связь магнитных бурь на Земле с солнечными активными процессами. Для МПЗ характерны и возмущения, называемые геомагнитными пульсациями вследствие возбуждения гидромагнитных волн в магнитосфере Земли. Для регистрации вариаций геомагнитного поля, наблюдаемых, вследствие перечисленных выше процессов (и не только их) предназначена геомагнитная станция «Владивосток».

Для решения подобных задач в МО необходима современная измерительная аппаратура. Поэтому в 2007-2010 г.г. была произведена замена устаревшего оборудования на новое с цифровой магнитовариационной станцией (ЦМВС) «Кварц-4» и процессорным оверхаузеровским датчиком POS-1. С января 2011 г. станция «Владивосток» полностью перешла на цифровую технику.

ЦМВС «Кварц-4» была выбрана потому, что ее датчики сделаны на основе магнитного вариометра В.Н.Боброва, который имеет приемлемую систематическую погрешность в процессе естественного старения (ориентировочно 2–3 нТ/год), что позволяет использовать такие датчики для измерений векового хода МПЗ. Процессорный оверхаузеровский датчик POS-1 измеряет абсолютное значение полного вектора МПЗ. Стабильность метрологических параметров POS-1 позволяет использовать его результаты измерений для контроля за вековым ходом МПЗ.

Основные характеристики используемых приборов

Цифровая магнитовариационная станция (ЦМВС) “КВАРЦ-4” предназначена для непрерывного измерения и регистрации вариаций составляющих вектора МПЗ и температуры кварцевых магнитных измерительных преобразователей (МИП). ЦМВС состоит из следующих основных узлов:

1. блока датчиков (БД);
2. юстировочной платформы (ЮП);
3. блока электроники (БЭ);
4. блока измерения и накопления информации (БИН).
5. блока питания (БП);
6. персонального компьютера (ПК) и приемника GPS.

БД включает в себя три вариометра, состоящих из кварцевых магнитных датчиков (КМД) D, H, Z с градуировочными кольцами, катушками обратной связи, фотопреобразователями и элементами точной настройки на магнитное поле в точке измерений. Базисные векторы на ЮП взаимно ортогональны с точностью до 1′ и имеют жесткую фиксацию. Вариометры имеют приспособление для визуальной установки КМД по отношению к направлению горизонтальной составляющей МПЗ с погрешностью не более 5′. Датчик температуры имеет тепловой контакт с корпусом БЭ. БЭ обеспечивает передачу данных и обмен информацией с БИН по последовательному каналу передачи, имеет максимально немагнитное исполнение и располагается вблизи БД. МИП и БИН установлены в одном измерительном рабочем павильоне.

Основные характеристики прибора:

• Динамический диапазон измерения вариаций составляющих МПЗ ± 2000 нТл.
• Частота оцифровки измеряемых вариаций от 0 до 10 Гц.
• Цена единицы счета младшего разряда цифрового отсчетного устройства по каждому из измерительных каналов вариометров – 0,1 нТл
• Цена единицы счета младшего разряда цифрового отсчетного устройства канала измерения температуры – 0,1 ^о С
• Цикл автоматических измерений 1, 60 с
• Диапазон рабочих температур в павильоне + 20 ±5 ^о С
• Емкость энергонезависимой памяти данных –16 Мб

На графическом дисплее БИН предусмотрена возможность вывода графиков вариаций МПЗ в реальном времени, вывода значений измеренной температуры окружающей среды и построение трехчасового К-индекса магнитной активности. Предусмотрены возможности просмотра на дисплее графиков данных, ранее записанных в память прибора, масштабирования измеряемых данных по временной и амплитудной шкале, поканального вывода данных с максимальной разрешающей способностью МИП, визуализации процесса заполнения памяти прибора и контроль напряжения источника питания. Предусмотрено накопление данных в БИН или персональный компьютер в непрерывном режиме. Программное обеспечение позволяет обеспечить организацию базы данных ЦМВС, возможность их обработки для использования в формате, пригодном для участия в программе ИНТЕРМАГНЕТ.

Процессорный оверхаузеровский датчик POS-1 является бесклавиатурным, управляемым по порту, прецизионным измерительным прибором циклического типа, основанным на принципе поляризации атомных ядер рабочего вещества. Датчик предназначен для измерения модуля индукции МПЗ в диапазоне 20000-100000 нТл. Основой датчика служит оверхаузеровский ядерно-прецессионный преобразователь на стабильном рабочем веществе (время жизни ~5-10 лет). По сравнению с протонными преобразователями данный тип преобразователя обладает меньшим энергопотреблением, большей чувствительностью и градиентоустойчивостью. Использование в составе датчика микропроцессора и последовательного порта позволяет: обрабатывать и пересчитывать частоту свободной ядерной прецессии непосредственно в величину модуля измеряемого поля; адаптировать обработку сигнала ядерной прецессии в зависимости от условий измерения; контролировать качество и условия измерения; управлять датчиком по порту с внешнего блока управления; проводить автоматическую внутреннюю настройку датчика, а также «ручную» настройку с внешнего блока управления; выводить результаты измерений и дополнительную информацию в цифровом виде через порт.

Метрологические характеристики датчика:

• Коэффициент преобразования датчика – 1*10 ^{^12} .
• Систематическая погрешность измерения, не более – 1.0 нТл.
• Модуль среднего квадратического отклонения случайной составляющей погрешности измерения при длительности измерения не менее 3 секунд, не более – 0,1 нТл
• Модуль среднего квадратического отклонения случайной составляющей погрешности измерения при длительности измерения не менее 3 секунд и градиенте модуля поля 10000 нТл/м, не более – 50 нТл.

Стабильность метрологических параметров POS-1 за длительный интервал времени позволяет использовать результаты его измерений для контроля векового хода МПЗ.
Высокие технические и эксплуатационные параметры датчика в комплекте с различными внешними блоками управления обеспечивают возможности его применения в качестве обсерваторского магнитометра или вариационной станции.

В стационарных условиях, а именно: закрытое помещение, постоянная температура, стабильный постамент, POS-1 может быть использован как мера магнитной индукции для метрологической поверки протонных и квантовых магнитометров. В настоящее время POS-1 работает в режиме МВС, делая одно измерение за 10 сек.