Дискуссии

« вернуться к списку

версия для печати

Новости магнитного поля Земли

Заведующий лабораторией геоинформатики и геомагнитных исследований Геофизического центра РАН Анатолий Соловьев. Фото с сайта www.polit.ru В рамках цикла интервью об устройстве науки, технологии и бизнеса Анатолий Александрович Соловьев, заведующий лабораторией геоинформатики и геомагнитных исследований Геофизического центра РАН рассказал ProScience о трендах в геоинформатике, создании обсерваторий, а также как и зачем изучается магнитное поле Земли .

Анатолий Александрович, расскажите, пожалуйста, об основных научных трендах в геоинформатике.

Сектор инновационных проектов занимается продвижением наших разработок. Например, у них в арсенале есть сферический акриловый экран 60 и 90 см, внутрь которого встроены система линз и проектор, который способен отображать глобальные явления (магнитное поле Земли, геофизические параметры, поля планетарного масштаба и т.д.) на сферу. Это позволяет увидеть, как, скажем, эволюционирует магнитное поле за года, десятилетия, столетия, как от землетрясений зарождаются волны цунами и т.д. Когда смотришь на эти процессы на плоскости, теряется ощущение объема. Прибор же дает наглядное представление о глобальных процессах на Земле.

Сотрудники сектора ездят по разным учебным заведениям, школам, где дают лекции по астрономии. При помощи этого прибора можно проецировать Луну, планеты солнечной системы, карты ночных огней – это ночные съемки со спутников с шагом в год. По ним можно проследить динамику развития городов: со временем какие-то города затухают, какие-то расширяются. Пока у нас соглашение только с Департаментом Москвы и лекции читаются именно в московских школах.

Сектор также занимается патентованием математических алгоритмов, которые мы разрабатываем, – регистрацией соответствующих свидетельств в Роспатенте и подобных государственных структурах.

Раньше была парадигма фундаментальных исследований: люди занимались изучением явлений, и дальнейшее направление исследований подсказывала внутренняя логика самого явления. Когда люди понимали, что, допустим, существует магнитное поле Земли, есть механизм во внешнем ядре Земли, порождающий это поле, логика подсказывала изучить, каковы эти механизмы, к примеру, магнитного динамо.

Сейчас же парадигма поменялась, это подтверждается всем научным сообществом, включая нобелевских лауреатов – правительства крупнейших стран решили, что теперь наука будет развиваться иначе. Поскольку наука финансируется государством, она призвана изучать явления, имеющие непосредственное прикладное значение. Теперь внешние обстоятельства подсказывают дальнейшее развитие науки, а не внутренняя логика тех явлений и того феномена, который изучает та или иная дисциплина.

Это плохо или хорошо?

Это не плохо и не хорошо. Это так устроено – парадигма XXI века.

Естественным образом, когда мы подстраиваемся под новую парадигму, нам необходимо связующее звено между окружающим миром и Академией наук, призванной заниматься фундаментальной наукой. Звено, занимающееся внедрением, промоушеном математических алгоритмов, приложений, которые мы разрабатываем. Этим и занимается сектор. Состав сектора инновационных проектов – самый молодой, это люди, получившие высшее образование, практически все окончившие вузы с красным дипломом, креативная молодежь.

Помимо прочего они занимаются организацией конференций. Как известно, часто, когда институт проводит международную конференцию, он нанимает фирму для ее организации и проведения. Мы научились это делать сами, причем на порядок лучше любой фирмы, т.к. знаем специфику и тем самым экономим порядочное количество денег.

Осенью мы своими силами провели в Калуге крупнейшую международную конференцию. К нам приехал директор Международного института системного прикладного анализа (IIASA) Павел Кабат, академик Французской академии наук, директор Парижского института физики Земли (IPGP) Клод Жопар и ряд его сотрудников. Освещались вопросы геомагнетизма, data mining – геоинформатика или математические методы извлечения знаний из данных. Это не моделирование, а именно извлечение качественных знаний из огромного массива данных, получаемых о нашей планете. Третье – географические информационные системы и их приложения в различных научных дисциплинах. Четвертая освещаемая тема – прикладной системный анализ. Было порядка 150 человек.

Организацией занимался тот самый сектор инновационных проектов, состоящий из 6 человек. Они большие энтузиасты. Мы в целом делаем ставку на омоложение коллектива и снижение среднего возраста сотрудников. Сейчас у нас средний возраст по всему Отделению наук о Земле один из самых молодых в Академии – порядка 45 лет.

Большинство окружающих меня людей, которые являются моими учителями, чьей школе я принадлежу, все – математики по образованию и пришедшие из школы И.М. Гельфанда. Гельфанд фактически стоял у истоков математической геофизики и предложил математический багаж знаний эффективно использовать в геофизических задачах.

Это бесконечно интересно. Можно раз за разом погружаться в физику тех результатов, которые ты получаешь, обрабатывая, анализируя данные математическими методами. Для тебя данные – это набор цифр, изучать можно все, что угодно. Мы много занимаемся анализом временных рядов, в основном, геомагнитных – как магнитное поле меняется во времени. Я благодарен судьбе за то, что оказался на стыке физики и математики, что возникает приятная необходимость погружаться все глубже и глубже как в математическую суть разрабатываемых и применяемых методов, так и, соответственно, в физику вопроса. Это связанные вещи. Зачастую бывает, что ставится геофизическая задача, и ты под нее адаптируешь и разрабатываешь новые математические методы. Именно это объединяет математических геофизиков.

Какими конкретными разработками занимается лаборатория геоинформатики и геомагнитных исследований?

Можно условно поделить исследования, наверное, на 4 направления. Первое – историческое – геоинформатика. Это разработка математических методов анализа всевозможных геофизических данных с точки зрения извлечения качественной информации, то, что сейчас называется data mining. Раньше это называлось искусственный интеллект, распознавание образов, но это не моделирование, и важно это понимать.

Моделирование – это, к примеру, интерполяция: когда мы имеем данные тут и тут, и нам нужно узнать, что посередине. А в data mining у тебя есть данные, и тебе в них же надо найти зарождающееся явление или какую-нибудь аномалию, которая, возможно, пришла к нам с Солнца, или отличить ее от техногенного влияния, например, железный грузовик проехал мимо, когда измеряли магнитное поле. Все больше это направление смещается в область анализа именно геомагнитных данных, но у нас есть успешные разработки мониторинга вулканической активности, сейсмологии, в области анализа гравитационных данных, поиск гравитационных аномалий по временным рядам или по набору данных в метрических пространствах.

Второй род деятельности – это геоиформационные системы (ГИС), это географические информационные системы, позволяющие хранить, визуализировать и анализировать любые данные, имеющие географическую привязку. А большинство данных о Земле как раз имеют ее. Например, мы занимается тем, что в свое время нам было поручено руководством страны, – созданием геоинформационной системы по всем дисциплинам из области наук о Земле по территории России. Сейчас база насчитывает порядка 300 слоев данных, не только по России, но и по сопредельным государствам: понятно, что глобальные процессы не имеют политических границ.

Изначально с 1954 года Геофизический центр был местом сбора всех данных, имеющих отношение к наукам о Земле. Любая организация, получая данные о Земле, была обязана предъявить их в Центр. Поэтому у нас, в частности, почтовый домен wdcb – world data center b. Был world data center a, который до сих пор находится в штате Колорадо, городе Болдер и NGDC – National Geophysical Data Center при NOAA (National Oceanic and Atmosphere Administration).

Немного истории. В Международный геофизический год (1957-1958 годы) произошло первое масштабное международное событие эпохи холодной войны, когда две главные державы – СССР и США – решили разрушить политический барьер на научном уровне и начать обмен данными. Со стороны СССР главной организацией был наш институт, так он и возник в 1954 году как Национальный геофизический комитет. Со стороны США это был NGDC, с которым мы до сих пор активно сотрудничаем, и который до сих пор выполняет свои функции по сбору и хранению данных.

У нас, к сожалению, это не так – мы возрождаем эту деятельность, в частности по линии геоинформационных систем, собираем все имеющиеся данные как по всем институтам, находящимся в России, бывшему СНГ, так и со всего мира. Зачастую бывает так, что о нас, о нашей стране люди за рубежом знают больше, чем мы сами. И это очень интересно.

Так или иначе, мы собираем информацию в единое целое, предоставляя ученым возможность анализировать данные по разным дисциплинам в комплексе. Понятно, что, исследуя гравитационные аномалии, интересно посмотреть, как это бьется с геомагнитными аномалиями, или наложить данные на карту тектонических разломов, сейсмического районирования, карту городов, обсерваторий. Геоинформационная система "Данные наук о Земле по территории России" обеспечивает комплексный подход к решению задач.

Наша система отличается еще и тем, что называется аналитическая или интеллектуальная геоинформационная система, потому что вся наша библиотека алгоритмов, которые разрабатываются с целью анализа и обработки данных, инкорпорирована в систему. Грубо говоря, наша конечная цель, чтобы пользователь мог зайти на веб-ресурс, отобрать себе необходимые слои данных, создать динамическое картографическое приложение, отобрать из библиотеки алгоритмов применимый к его конкретной задаче, например, алгоритм кластеризации, применить, найти сгустки эпицентров землетрясений, в этой же системе получить результат, наложить на карту сейсморайонирования и посмотреть, как согласуются между собой результаты. Таким образом, наша система – это банк данных и банк алгоритмов обработки данных.

На данном этапе у нас сильна компонента по банку данных, а алгоритмы пока что развиваются отдельно. Это долгосрочный, в каком-то смысле бесконечный проект.

Все развиваемые центром направления одинаковы по важности; порядок, в котором я их называю, не отражает приоритетов.

Третье направление – развитие сетей наблюдения магнитного поля Земли в России. В этой области мы практически уже приобрели статус головного института и занимаемся тем, что развиваем сеть геомагнитных обсерваторий в Российской Федерации. Обсерватория – это ключевое слово.

Как собираются магнитные данные? Самые качественные и незашумленные данные, разумеется, регистрируются спутниками, летающими в нижних слоях ионосферы. Тут в геомагнетизме произошло эпохальное событие, когда 22 ноября Европейским космическим агентством был запущен так называемый улей спутников – три спутника, измеряющих магнитное поле с беспрецедентной точностью. Спутник был запущен с нашего космодрома Плесецк, на отечественном ракетоносителе Рокот. Это было долгожданное событие – запуск откладывался в общей сложности на два года.

Главное магнитное поле, генерируемое недрами Земли, а именно, процессами во внешнем ядре, вносит основной вклад в геомагнитные наблюдения на поверхности Земли, более 90%. Менее 10% вносят солнечная активность и литосферное поле – магнитное поле, генерируемое неоднородностями в литосфере. Литосферное поле с точки зрения жизни человека во времени не меняется, оно меняется в геологическом масштабе. Например, при мощных извержениях застывающая лава "запоминает" намагниченность поля на момент извержения и создает локальные эффекты.

Главное магнитное поле Земли имеет такую характеристику, как вековой ход, что означает, что его изменения наблюдаемы на временных интервалах от нескольких лет. Поскольку оно изменяется медленно, то при его изучении крайне важны долгосрочные наблюдения в конкретных точках, фиксированных в пространстве, и обсерватории играют здесь ключевую роль. Даже с учетом всех современных технологий наблюдения обсерватории никогда не утратят своей актуальности.

Создание обсерватории – кропотливая вещь. Сама магнитная обсерватория – точка на поверхности Земли, в которой производятся абсолютные измерения вектора магнитного поля, а не вариаций поля в относительных единицах. В математическом смысле магнитный вектор представляет собой касательную к силовым линиям, которые исходят из Южного магнитного полюса и приходят в Северный.

Измеряются модуль вектора и углы – отклонение направления вектора от географического северного полюса и от плоскости, касательной геоиду в точке наблюдений, или же осевые проекции x y z в абсолютных единицах. Геомагнитная станция или вариационная – это станция, где измеряются относительные изменения компонент магнитного поля, не в абсолютных единицах. Мировая сеть магнитных обсерваторий называется ИНТЕРМАГНЕТ – это система обсерваторий, предоставляющая данные о магнитном поле Земли наивысшего стандарта качества в абсолютных единицах.

Все участники этой сети – национальные научно-исследовательские институты, которые понимают, что магнитное поле нужно изучать глобально, и вклад, который можно привнести, – это установить очередную обсерваторию и предоставлять данные стандарта ИНТЕРМАГНЕТ. Сеть функционирует исключительно на энтузиазме этих институтов.

Сеть была организована в конце 80-х и до сих пор функционирует, ее главной ценностью является наличие данных о магнитном поле за длительный промежуток времени. Сложность в том, что если магнитные станции можно автоматизировать – поставить вариометр, который эти вариации регистрирует и все, – то как автоматизировать магнитную обсерваторию, еще не придумали. Там также стоит вариометр, скалярный магнитометр, меряющий длину вектора, и в среднем раз в неделю приходит человек, который вручную производит измерения на специальном приборе. В результате чего данные вариометра – относительные изменения – привязываются и пересчитываются в абсолютные единицы. Это рутинная, кропотливая работа, для нее нужно быть крайне аккуратным человеком. Создание каждой обсерватории – длительная, требующая учета огромного количества деталей работа, носящая как техническо-инженерный, так и административный характер.

Как происходит вступление в ИНТЕРМАГНЕТ? Сначала выбирается место – производится магнитная съемка местности; важно, чтобы в выбранной под обсерваторию точке было минимальное зашумление помехами техногенного характера. Дальше строится специальный павильон обсерватории без единого магнитного материала, чтобы исключить опять же техногенное воздействие. Затем в течение года проводятся непрерывные наблюдения приборами и еженедельные ручные измерения, после чего полученные данные передаются в ИНТЕРМАГНЕТ на оценку. ИНТЕРМАГНЕТ – это фактически свод стандартов – точности измерений, погрешности данных, пределов допустимых ошибок и т. д. Если предоставляемая информация выдержана в рамках стандартов, обсерватория входит в сеть.

В России на сегодняшний день всего 8 обсерваторий стандарта ИНТЕРМАГНЕТ, расположенных с запада на восток более или менее равномерно. Для сравнения – в США их 14, но США и в три раза меньше по площади. У нас очень слабо развита эта сеть.

Дело в том, что если говорить о внешнем магнитном поле, генерируемом солнечной активностью, то наиболее ярко солнечное воздействие проявляет себя вокруг Северного магнитного полюса, который находится недалеко от географического Северного полюса. Северный полюс ближе к нам, чем к США; наша страна пересекается авроральной зоной, и изучать ее крайне важно.

Тем самым, изучение и регистрация характеристик магнитного поля в северных широтах, помимо задач изучения главного магнитного поля Земли, обладают еще большей ценностью, т.к. имеют значение и для космофизиков, изучающих "космическую погоду" – прикладной раздел солнечно-земной физики, влияние Солнца и т.д. У нас самая северная обсерватория на сегодняшний момент расположена на 62-й широте, в то время как наибольший интерес представляет область между 60-й и 80-й широтами, где у нас есть станции, но нет обсерваторий.

Одна из функций нашей лаборатории – развитие сети обсерваторий стандарта ИНТЕРМАГНЕТ в России. У нас есть для этого оборудование, мы уже закупили 5 комплектов. Одна из наших крупнейших и перспективных обсерваторий, над которой мы работаем, будет расположена на полуострове Ямал – 72-я широта (и, кстати, долгота). Оборудование будет наше, а вся инфраструктура предоставляется компанией Шлюмберже, это глобальная, самая крупная нефтесервисная корпорация в мире, изначально – французская фирма. Компания обеспечивает работу скважин, через которые добывается нефть и газ. Как известно, в окрестностях Ямала гигантские залежи газа.

Но зачем им нужно спонсировать исследования? Ответ простой. При бурении скважин используется технология наклонного бурения, при этом бур под землей должен как-то ориентироваться. GPS там не работает, поэтому остается только старое доброе магнитное поле как привязка для ориентации. Для этого в окрестности мест бурения будет установлена обсерватория, производящая абсолютные измерения и в реальном времени передающая информацию буру, чтобы корректировать его движения.

Взаимный интерес состоит в следующем: их – в получение данных в реальном времени для ориентации бура при бурении скважин, а наш – долгосрочное поддержание функционирования обсерватории. Нам неинтересно функционирование на полгода – нам нужно пройти сертификацию ИНТЕРМАГНЕТ и обеспечить длительные наблюдения.

Это яркий и показательный случай, когда индустрия, промышленность и наука в тесном контакте делают общее дело на благо человечества.

В мире существуют 5 официальных центров сбора данных ИНТЕРМАГНЕТ, с задержкой в год в этих центрах рассчитываются так называемые окончательные данные, которые уже предоставляются геомагнитному научному сообществу. Один, головной, находится в Канаде – в Оттаве; другой – в Голдене, штат Колорадо, США, обслуживающий исключительно американские станции, поддерживаемые Американской геологической службой; третий – в Париже, в Парижском институте физики Земли, они обслуживают как французские станции, так и станции, расположенные на французских заморских территориях (например, французская Полинезия), одна установлена у нас с французским оборудованием, во Вьетнаме, в Эфиопии; четвертый – в Эдинбурге, Британия, поддерживается британской геологической службой и пятый – в Киото, Япония, Киотский университет.

В этих центрах из данных удаляют техногенные шумы, всплески, данные корректируют, привязывают к абсолютным измерениям, которые проводят вручную. К сожалению, у нас в стране нет такого центра, и все наши восемь обсерваторий "продают сырье" – передают за рубеж сырые данные, где из них уже делаются окончательные данные. Это очень плохо: ведь наша страна достаточно большая для научно-осмысленного изучения магнитного поля на ее территории, поэтому мы должны быть самодостаточными в плане сбора и подготовки окончательных данных.

В связи с чем четвертое направление работы: с 2012 года в Институте на базе нашей лаборатории функционирует Центр геомагнитных данных, обслуживающий российский и украинский сегменты ИНТЕРМАГНЕТ. Все данные стекаются к нам, включая данные с ряда станций, еще не получивших статус ИНТЕРМАГНЕТ, но которые стоят на этом пути.

На Ямале мы уже провели магнитную съемку, досконально обмерили 50 гектаров и выявили место, где оптимально строить павильон. Павильоны предоставляют американцы из Геологической службы США.

Сколько времени заняла съемка?

Съемка заняла 4 дня, но я там застрял на две недели из-за нелетных условий для полета вертолетов. В полярном дне вообще нет никакой романтики.

Пробурить скважину – это несколько сотен миллионов долларов, Шлюмберже уже ставили обсерваторию на Аляске с Американской геологической службой, которая посоветовала нас в качестве специалистов для проведения подобных работ в России. Было решено взять типовой павильон у Геологической службы США. Он уже доставлен в Питер и находится на пути на Ямал. Там его соберут, мы поставим свое оборудование и будем его обслуживать.

На Ямале не только разрабатывают месторождение, но и строят крупнейший порт на побережье вдоль Северного морского пути, а также аэропорт и завод по сжижению газа. Там в комплексе развивается мощная индустрия. И там будет наша совместная обсерватория со Шлюмберже.

То есть к 2015 году вы сможете получить международный статус ИНТЕРМАГНЕТ?

В лучшем случае. Каждая обсерватория требует массу времени и усилий по наладке процесса. Даже когда все необходимое уже есть, это занимает минимум года два. Скрупулезность – главное свойство людей, работающих на обсерваториях, и всей процедуры в целом.

Таким образом, четвертое направление – это поддержание функционирования и развития Национального центра геомагнитных данных и производство окончательных данных из предварительных, поступающих из обсерваторий и станций. Это включает большую программистскую работу, потому что у нас, в отличие от других центров, более продвинутая система хранения данных – при помощи реляционной базы данных, в то время как остальные центры хранят информацию в файловом виде, как было заведено в конце 80-х. Поскольку они скрупулезны, то боятся менять стандарты.

Второе направление программистской работы – наша автоматизированная система на базе искусственного интеллекта по распознаванию техногенных помех и аномалий в данных по мере их поступления. В мировой практике ИНТЕРМАГНЕТ это производится вручную экспертами, поэтому выдача окончательных данных происходит с задержкой в год. Мы же максимально упрощаем работу эксперта.

При этом каждым из упомянутых видов деятельности нашей лаборатории занимается небольшая группа людей – максимум 4 человека, поэтому дело движется довольно медленно. Но с того момента как мы в начале 2011 года на конференции в Угличе, обсудив с геомагнитным сообществом идею создания у нас Центра, решили объединить все обсерватории в единый сегмент, произошел гигантский прогресс. В этом году одно из последних достижений по линии Центра – создание веб-сайта с интерактивным доступом ко всем данным. Для некоторых обсерваторий данные доступны в реальном времени, их можно скачивать в любом удобном виде. Сайт предполагается на двух языках; пока доступна англоязычная версия, так как проект международный. Очевидно, геомагнетизм как глобальное явление невозможно изучать в рамках одной страны.

Анатолий Соловьев

источник: Полит.Ру

Последние материалы раздела

• 30 декабря 2016
  Диссертация Мединского как летучий голландец
• 30 декабря 2016
  Работа есть — денег нет
• 29 декабря 2016
  "Основной удар придется на московские и петербургские институты"
• 29 декабря 2016
  Советник Путина: Россию могут отключить от интернета
• 28 декабря 2016
  Драйверы инноваций

Обсуждение

Добавить комментарий

Обсуждение материалов доступно только после регистрации.

« к началу страницы