Методы измерений характеристик электромагнитных полей в море

В последние годы чрезвычайно актуальной стала проблема истощения минерального и углеводородного сырья на континентах литосферы. Поэтому наблюдается расширение добычи минерального и углеводородного сырья в океане, прежде всего на его шельфе. Морские электромагнитные исследования позволяют проводить изучение глубинного геоэлектрического строения морского дна (электромагнитное зондирование) с целью определения строения и динамики океанического дна, для изучения внутренней структуры Мирового океана и происходящих в нем гидродинамических процессов. Результаты измерений электромагнитных полей на морских акваториях необходимы также при решении ряда прикладных задач.

Вместе с тем в морских электромагнитных исследованиях имеется существенная проблема, заключающаяся в том, что несмотря на их актуальность и практическую значимость эти исследования проведены в очень малом объеме. Основными причинами этого являются как естественные трудности проведения таких исследований, связанные со специфическими сложностями и стоимостью их проведения, так и отсутствие необходимого и достаточного парка инструментальных средств для проведения морских экспериментальных исследований в нужном масштабе и объеме. Это обусловлено непростыми особенностями создания морских измерительных систем, которые, в отличие от аналогичных наземных средств, должны быть оснащены надежными системами автоматической ориентации измерительных датчиков относительно измерительной системы координат и компенсации постоянной части поля, а также должны удовлетворять более высоким требованиям по таким важным параметрам, как чувствительность, долговременная стабильность метрологических характеристик, автономность и надежность.

Теоретическая сторона успешно разрабатывалась и продолжает развиваться благодаря усилиям советских и российских ученых В. В. Шулейкина, М. Н. Бердичевского, В. И. Дмитриева, А. Н. Козлова и др., а также зарубежных исследователей J. Н. Filloux, С. S. Сох, A. D. Chave, R. N. Edwards, J. С. Larsen, J. Bennet, S. C. Constable, D. S. Luther, L K. Law, S. C. Webb, A. White и др.¹

Измерение электрической составляющей электромагнитного поля в морской воде в наиболее общем случае представляет собой измерение разности потенциалов между двумя точками на некоей измерительной базе L^{1[1][2]. Эта разность связана с объемной плотностью электрического тока; и с напряженностью поля Е₀ следующей зависимостью:}

где X — удельная электрическая проводимость воды; а — угол между измерительной базой L и направлением векторов; и с напряженностью поля Е₀.

Необходимо разделять методический и технический аспекты таких измерений. Методический аспект заключается преимущественно в выборе базы L и условий выполнения измерений; технический — в выборе средств измерений. Выбор базы L обусловлен тем, какое именно поле предполагается изучать в процессе эксперимента. Если ставится задача изучения индуцированного поля, источник которого находится вне изучаемой области, то база L не должна превышать половины длины волны этого поля. При этом необходимо учитывать, что длина волны в морской воде намного меньше длины волны, например в атмосфере, при одной и той же частоте.

Кроме выбора базы важным методическим фактором является выбор условий измерений. В океанологической практике принято осуществлять измерения в трех основных вариантах: стационарном, буксируемом и зондирующем.

Для экспериментального исследования электрических полей в океане наиболее удобным является стационарный вариант измерений. Тем не менее в таких задачах становится необходимым использовать буйковые станции с присущими им особенностями динамики несущего буя и базового троса, на котором и располагаются измерительные устройства. Все это может способствовать возрастанию как систематических, так и случайных погрешностей измерений.

В Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН была разработана измерительная система для регистрации вариаций электрических полей в море (ЭЛИС). Обобщенная блоксхема такого устройства представлена на рис. 2.6.1^[3].

Рис. 2.6.7. Обобщенная блок-схема электроизмерительной системы ЭЛИС представляет собой законченную автономную систему сбора, обработки, хранения и передачи информации о медленно изменяющихся процессах. Имеет высокое разрешение — 24 двоичных разряда, чрезвычайно низкое потребление — 15 мВт на канал, имеет возможность программным путем гибко изменять параметры измерений (даже в составе готового устройства) и работать в широком диапазоне температур.

Учеными из Института ядерных исследований РАН и НИИ прикладной физики Иркутского государственного университета были проведены электромагнитные исследования на озере Байкал. Одним из важных результатов явилась организация долговременных наблюдений вариаций вертикальной компоненты электрического поля с помощью стационарной установки, показанной на рис. 2.6.2.

Рис. 2.6.2. Блок-схема установки для измерения E_z

Высота конструкции на 20 м меньше глубины озера в точке постановки, что обеспечивает ее скрытность и не вносит помех судоходству. Основная длина конструкции реализована с помощью бронированного кабель-троса, к верхнему и нижнему концам прикреплены изолирующие вставки из капронового троса длиной 200 м. В середине этих вставок закреплены измерительные электроды. Глубина озера в точке постановки — 1350 м. За первые два года автономной работы установки было получено 400 суток качественной непрерывной записи. Такие длинные ряды экспериментальных измерений E_z получены впервые в мире. В настоящее время установка продолжает работать.

• [1] Гайдаш С. П. Морские электромагнитные исследования: создание инструментально-методического обеспечения, эксперимент, результаты: дисс. канд. физ.-мат.наук. Троицк: Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволнРАН, 2007.
• [2] Доронин Ю. П., Степанюк И. А. Электромагнитное поле океана.
• [3] Гайдаш С. П. Морские электромагнитные исследования: создание инструментально-методического обеспечения, эксперимент, результаты.