Уникальная «тишина» этого места — главный инструмент обсерватории: вдали от антропогенного шума чувствительные приборы синхронно наблюдают за процессами внутри планеты, атмосферы и на границе с космосом.
Геомагнитная обсерватория запущена летом 2023 года под управлением ИДГ РАН и ГЦ РАН на базе Геофизической обсерватории «Михнево» (ГФО). Здесь работает и базовая кафедра «Теоретическая и экспериментальная физика геосистем» МФТИ. Ученые кафедры исследуют целый спектр научных проблем: от глубинных процессов до влияния космической погоды на магнитосферу Земли.
Сердце обсерватории: как устроен магнитный щит Земли
ГФО «Михнево» отслеживает малейшие возмущения магнитосферы. Каждый день она генерирует терабайты данных, но как их использовать, каждый ученый решает сам: кто-то создает точные магнитные карты, кто-то ищет ископаемые, кто-то калибрует навигационные системы или изучает внутреннее строение Земли.
Без единого гвоздя: уникальные павильоны для сверхчувствительных измерений
Павильоны обсерватории построили без единого металлического гвоздя. Чувствительные магнитометры могут уловить даже самые слабые и тонкие вариации магнитного поля с точностью до секунды, поэтому любой металлический предмет создает помехи. Внутри домиков поддерживается постоянная температура, а все коммуникации специально вынесены на большое расстояние.
В одном помещении ученые определяют абсолютное значение магнитного поля Земли, склонение и наклонение силовых линий. В другом работает уже сверхчувствительный Трёхосевой феррозондовый магнитометр модели FGE, который улавливает малейшие вариации магнитного поля Земли.
«Михнево» — не только про «внутренности» Земли. В реальном времени мы отслеживаем магнитные бури — возмущения магнитосферы, которые возникают, когда облако плазмы от Солнца достигает Земли. Сильная буря может вывести из строя спутники, нарушить связь и навигацию.
Эксперт добавил, что особо опасны наведенные токи, которые возникают в длинных линиях электропередач и провоцируют аварии. Например, во время «События Каррингтона» — одной из самых сильных бурь в 1859 году из строя вышли многие телеграфные системы. Многие города остались без света. с помощью геомагнитной обсерватории можно отслеживать смещение магнитных полюсов Земли относительно географических, изучать медленные вариации, которые рассказывают о процессах, происходящих в ядре Земли.
Ионосфера: как поймать кокон из заряженных частиц
Верхние слои атмосферы на высоте от 50 километров постоянно бомбардирует высокоэнергетическое излучение, заряженные частицы от Солнца и космические лучи. Они выбивают электроны из атомов, превращая газ в кипящий «суп» из ионов и свободных электронов — ионосферу. Малейшее изменение космической погоды меняет ее характеристики, что также нарушает радиосвязь со спутниками и на Земле, обрушивает навигацию и энергосети.
За тем, как меняется этот слой следят с помощью чувствительных GPS-приемников в геофизическом комплексе «Михнево». Проходя сквозь ионосферу, радиоволны от спутников замедляются. Измеряя задержку сигнала с точностью до наносекунд, ученые могут вычислить столь важную интегральную величину, как полное электронное содержание ПЭС, численно равное количеству свободных электронов на пути спутник-приемник.
Так ученые в реальном времени видят внезапные всплески ионизации, когда излучение от вспышки на Солнце долетает до Земли, возмущения во время магнитных бурь и даже следы мощных землетрясений, которые порождают в атмосфере гравитационные волны.
От антенн до волноводов: технологии для связи и изучения атмосферы
В основании этого «невзрачного» столба, на которой размещена антенна, стоит мощный фундамент, заглубленный на глубину 5 метров. Все для того, чтобы исключить малейшие колебания, вызванные сезонным движением грунта, ведь даже миллиметровый сдвиг антенны может исказить данные. На отдельной стойке также установлена небольшая метеостанция, датчики пыли и электрического поля.
В лабораторном корпусе стоит небольшая коробка с платами и проводами — это прибор для регистрации вариаций электромагнитных полей в килогерцовом диапазоне, который разрабатывают ученые МФТИ и ИДГ РАН.
Эти волны могут распространяться в волноводе земля-ионосфера на тысячи километров, что позволяет использовать их даже тогда, когда из-за сильных магнитных бурь отказывают традиционные системы связи.
На территории ГФО «Михнево» установлена большая ромбическая антенна с диагоналями 140×80 метров. Благодаря высокой чувствительности, она принимает сигналы КВ-диапазона с расстояний в тысячи километров.
Исторически ее создавали, чтобы отслеживать работу нагревных стендов ISCAT, HAARP и СУРА, основной задачей которых являются эксперименты по искусственной модификации ионосферы. Их идея заключалась в том, чтобы превратить ионосферу в гигантскую природную антенну для передачи сигналов и дальней связи. Однако эффект оказался крайне нестабильным и непредсказуемым.
Шумановские резонансы — всемирный детектор молний
Помимо приборов для изучения недр и ионосферы Земли, здесь работает уникальное оборудование, регистрирующее вариации электромагнитных сигналов в диапазоне от долей Гц до сотен Гц. Именно в них можно наблюдать важное для понимания геофизики явление — Шумановские резонансы.
Их основной источник — грозовые разряды. Пространство между земной поверхностью и ионосферой работает как природный волновод, где постоянно распространяются электромагнитные волны. Каждая молния рождает мощный радиоимпульс, который «бьет» в земной волновод. Таким образом любые изменения в глобальной грозовой активности отражаются на амплитудах, частоте и добротности Шумановских резонансов.
Таким образом, чувствительная антенна «Михнево» — всемирный детектор молний, который уже на протяжении 15 лет отслеживает грозовую активность на всей планете сразу и определяет основные ее очаги.
В 2022 году в Тихом океане произошло мощное извержение вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай. Огромное облако пепла радиусом порядка 600 метров породило беспрецедентное количество молний — около 80 разрядов в секунду.
Этот дополнительный источник грозовой активности привел к резкому увеличению амплитуды Шумановских резонансов, что и было зафиксировано высокочувствительным оборудованием ГФО «Михнево» на расстоянии более 15000 км от вулкана. Данные результаты были опубликованы в ведущем научном геофизическом издании.
Подслушивая дрожь Земли: сейсмическая антенна на страже планеты
Расположение обсерватории «Михнево» выбрали не просто так — его удаленность от промышленных шумов, дорог и городов позволяет регистрировать даже самые слабые подземные толчки, которые берут начало за тысячи километров.
Для этого в Михнево работает Малоапертурная Сейсмическая Антенна (МСА) — гигантское «ухо», позволяющее не только услышать подземный толчок, но и с высокой точностью определить направление, откуда он пришел.
Она состоит из 14 датчиков: они разнесены на 600 метров вокруг центрального пункта и синхронизированы друг с другом точностью до 5 миллисекунд. Сейсмическая волна достигает их с задержкой, по которой ученые могут точно определить направление волны. Центральный элемент сейсмометра находится в шахте под землей на глубине 20 метров.
Наши приборы способны уловить практически все мощные землетрясения в мире с магнитудой выше 5.5. С момента своего запуска антенна зафиксировала более 5000 событий, среди которых не только природные землетрясения, но и искусственные источники: карьерные взрывы и подземные испытания.
Данные обсерватории открыты для ученых всего мира и используются для изучения внутреннего строения нашей планеты.
Бумажная «летопись»: архив, который хранит историю планеты
С момента открытия обсерватории с 1955 года данные с сейсмометров записывались на фотобумагу. В 1990-е годы ей на смену пришли электронные носители, но на полках архива в обсерватории «Михнево» до сих пор хранится бумажная «летопись» сейсмической активности планеты за десятки лет.
Ранее мы рассказывали о новом телескопе «Роман», который станет новым защитником Земли от астероидов.
