Глава 1. Геомагнитное поле и его вариации

Содержание

«Информационно измерительные системы (ИИС) регистрации параметров геомагнитного поля (ГМП)»

Введение.

Глава 1. ГМП и его вариации.

1.1.Природа ГМП и его вариации………………………………………………..

1.2.Известные методы регистрации параметров ГМП…………………………

1.3.Критический анализ методов и актуальности их модернизации……………

Глава 2.Математическое и схемотехническое моделирование ИИС регистрационных параметров.

1.1.Моделирование датчика……………………………………………………….

1.2.Моделирование Фильтра………………………………………………………

1.3.Моделирование преобразователя аналогового сигнала……………………..

Глава3. Конструкторская часть.

3.1.Синтез ПО для Микроконтроллера…………………………………………

3.2.Подход и проектирование печатной платы………………………………….

3.3.Синтез ПО для (ПК)……………………………

Список литературы ………………………………………………………………

Приложения ……………………………………………………………………….

Глава 1. Геомагнитное поле и его вариации.

1.1.Природа ГМП и его вариации.

Учение о магнетизме возникло всего три с половиной века назад, а регулярные исследования геомагнитного поля ведутся немногим больше ста лет. Отсюда понятно, что сведения о вековых вариациях, почерпнутые из непосредственных наблюдений, не могут быть полными. Здесь на помощь приходят палео- и археомагнитные исследования. Любая горная порода содержит небольшое количество зерен магнетита или других способных намагничиваться минералов, а значит, в магнитном поле Земли она намагнитится. Если эта порода, содержащая магнитные (точнее, ферромагнитные) зерна, будет разогрета до температуры 500—700° и потом остынет в магнитном поле Земли, она приобретет очень сильную намагниченность. Исследования говорят, что такая полученная во время охлаждения в магнитном поле намагниченность сохраняется десятки миллионов лет. Ее направление и величина соответствуют магнитному полю, действовавшему на породу во время охлаждения. Изучая эту намагниченность, можно узнать, каково было вызвавшее ее магнитное поле.

Магнитное поле Земли лучше всего описывается полем геоцентрического диполя с наклоном оси по отношению к оси вращения Земли в 1105'. Центр диполя - элементарного бесконечно малого магнита - смещен в Восточное полушарие от центра Земли на 430 км. Силовые линии магнитного поля "входят" в планету вблизи Северного географического полюса и "выходят" вблизи Южного. Там, где силовые линии "входят" в земной шар, располагается "Южный магнитный полюс". Следовательно, истинный Южный магнитный полюс находится вблизи Северного географического полюса, но так уж исторически сложилось, что Южный магнитный полюс для удобства договорились считать Северным.

Диполь — идеализированная система, служащая для приближённого описания распространения поля. Дипольное приближение основано на разложении потенциалов поля в ряд по степеням радиус-вектора и отбрасывании всех членов выше первого порядка.

Магнитное поле Земли является векторным и характеризуется положением вектора в пространстве и его напряженностью. Суммарный вектор Т, изображенный на рисунке выше, II, разлагается на горизонтальную Н и вертикальную Z составляющие. Угол I между горизонтальной составляющей Н и полным вектором Т называется магнитным наклонением, а угол D - между направлениями на магнитный и географический полюсы - магнитным склонением. Существуют карты линий равных величин магнитных склонений (изогон), линий равных магнитных наклонений (изоклин) и линий равных значений полной напряженности магнитного поля (изодинам). На Северном магнитном полюсе наклонение равно + 90, на Южном соответственно - 90. В пределах магнитного экватора, не совпадающего с географическим, наклонение равно нулю.

Напряженность современного магнитного поля составляет около 0,3 Гаусс на Экваторе и 0.7 Гаусс в полярных районах. Считается, что в геологическом прошлом величина напряженности могла колебаться, но максимум на порядок величин. Геомагнитное поле Земли за последние 2,0 - 2,5 млрд. лет, что составляет больше половины ее геологической истории, принципиально не изменялось.

Еще в XVII веке было обнаружено изменение магнитного склонения со временем. Так называемые вековые вариации и всех остальных элементов магнитного поля Земли сейчас достоверно установлены и регулярно составляются специальные карты изопор, то есть линий равных годовых изменений какого-либо элемента магнитного поля. Такие карты можно использовать только в определенный, не более 10 лет, интервал времени в связи с периодичностью вековых вариаций, особенно "быстрых". Все магнитные материковые аномалии, например изогоны, то есть линии равных магнитных склонений, медленно, со скоростью 22 км в год (0,2% в год), смещаются в западном направлении (западный дрейф), что объясняется разной угловой скоростью относительного вращения ядра и мантии Земли.

Вариации склонения могут составлять угол в несколько минут а напряжённости около 10-4 Гаусс (Гс). Однако в некоторые дни, в связи с изменением состояния ионосферы при изменении солнечной активности, они могут достигать 0.1 Гс. Такое состояние может длиться несколько дней и называется магнитной бурей.

В дополнение к абсолютным измерениям геомагнитного поля магнитные обсерватории ведут непрерывную запись компонентов H, D и Z, поскольку происходят регулярные и нерегулярные вариации магнитного поля. Амплитуда этих вариаций гораздо меньше, чем напряженность постоянного магнитного поля. Приборы для измерения вариаций называются вариометрами. Их действие основано на том, что изменения каждого магнитного элемента вызывают соответствующее отклонение магнитной стрелки, к которой прикрепляется зеркальце, а на него направляется свет от маленькой лампы. Отраженный луч падает на поверхность покрытого фотобумагой цилиндра, который вращается с постоянной скоростью вокруг своей оси. В вариометрах, одновременно измеряющих три компонента поля, фиксируются сразу три кривых на одной магнитограмме. Для регистрации вариаций различной амплитуды и частоты используют разные типы вариометров.

Напряженность общего магнитного поля Земли складывается из нескольких частей , где М-главное поле, обусловленное внутренними источниками, m -вековая вариация, D-регулярная или нерегулярная часть поля возмущений, связанная с внешними источниками; N-нециклическая вариация в спокойные периоды от внешних источников. Поле S является периодическим и обусловлено влиянием Солнца, Поле L также периодическое, возникает под влиянием Луны.

Дни, в течение которых записи магнитного поля (магнитограммы) по трем элементам Н, D и Z или X, У, Z обнаруживают регулярные плавные вариации, называются магнитно-спокойными днями. Если же наблюдаются большие флуктуации, имеющие неправильный характер, то такие дни называются возмущенными днями. Солнечная магнитная вариация S в спокойные дни обозначается S_q. Суточная вариация магнитного поля в возмущенные дни после исключения S_q называется возмущенной суточной вариацией S_d.. Она является частью планетарного возмущенного поля D. Для изучения "истинных" вариаций Sq все другие вариации должны быть исключены статистическими методами. Вариация S_q зависит от солнечных приливных движений (S₁) и термоприливных движений (S₂) атмосферы, приводящих к движениям ионосферы.

Ионосфера представляет собой проводящий слой плазмы, и ее движение индуцирует силу Лоренца, действующую на ионы и электроны, которые в свою очередь образуют электрические токи в ионосфере (фиксированные относительно Солнца). Аналогично лунный прилив генерирует силу Лоренца и соответствующую токовую систему, фиксированную относительно Луны. На станции, перемещающейся под этими токовыми системами будут наблюдаться магнитные вариации, зависящие от лунного времени. Они называются просто L-вариациями и имеют полусуточный характер с максимумами от 6 до 18 ч по лунному времени. Из наблюдений геомагнитного поля на поверхности Земли могут быть выделены S_q - и L-вариации и построены идеализированные эквивалентные токовые системы в ионосфере. Интенсивность типичной S_q -вариации в средних широтах составляет около 20 нТ, и она отчетливо прослеживается на магнитограммах, в то вpeмя как L - вариация очень мала (несколько нТ) и для ее выделения необходим статистический анализ.

Солнечно-суточная вариация усиливается вблизи экватора наклонения и может составлять 100-200 нТ. Токовая система S_q усиливается током электроструи, текущей в узкой полосе (+/-5°) над экватором. Токовая система S_q- это токовый вихрь, расположенный в каждом полушарии с центром на 30° геомагнитной широты вблизи полуденного меридиана. Токи текут вокруг этого центра, называемого фокусом S_q в направлении по часовой стрелке в южном полушарии и против часовой, стрелки в северном полушарии (северный и южный фокусы S_q находятся не на одном меридиане). Сильные S_q -токи существуют на освещенной стороне Земли между экватором и средними широтами. Интенсивность эквивалентных токов может составлять 120 000 А. Для обнаружения этих токов в средних широтах проводятся ракетные эксперименты с магнитометрами. Токовая система изменяется день ото дня, усиливаясь летом, реагирует на солнечные вспышки, солнечные затмения и, возможно, зависит от межпланетных полей и динамики магнитосферы.

Геомагнитные индексы С_i, К_р и А_р показывают существование 27-дневных циклов геомагнитной активности солнечного происхождения. Активные области на Солнце выбрасывают солнечную плазму в виде высокоскоростных потоков, которые вызывают геомагнитные возмущения. Так как активные области на Солнце иногда сохраняются в течение нескольких солнечных оборотов, они создают 27-дневную периодичность геомагнитной активности. Некоторые солнечно-земные явления (например, авроральные S_q-токи, земные токи, интенсивность космических лучей, полярные сияния) отражают эту периодичность возрастанием амплитуды в периоды высокой геомагнитной активности. Имеется несколько субпериодов от 12 до 14 и от 6 до 9 суток, наблюдаемых в геомагнитной активности. Возможно, что эти меньшие периоды связаны с секторами межпланетного магнитного поля, взаимодействующего с геомагнитным полем. В солнечно-земных исследованиях они проявляются в интенсивности космических лучей в секторах межпланетного поля.

Среднемесячные значения геомагнитных индексов С_i были использованы для изучения годовых вариаций. Вопрос о существовании значительного годового периода (12-месячной волны) считается до некоторой степени спорным, но отмечаются два отчетливых максимума вблизи 22 марта и 20 сентября. Эти полугодовые вариации геомагнитного поля с амплитудой около 15 нТ (амплитуда изменяется в зависимости от солнечной активности) с максимумами около равноденствий и минимумами вблизи солнцестояний сейчас установлены достоверно. Однако их физический механизм определенно все еще не известен.

Геомагнитное поле испытывает также долгопериодные вариации. Сообщается о небольших годовых вариациях, хотя и не полностью установленных, которые могут объясняться ионосферными ветрами. Кроме того, имеются хорошо известные 11-летние и 22-летние периоды, связанные с циклом солнечных пятен. Другие периоды составляют от 2 до 80 лет.