ENG
Всероссийский научно-исследовательский геологический институт им. А.П. Карпинского
Институт
Новости

Новости науки и техники. Магнитометр на мезосферном натрии



Как известно изучение геомагнитного поля дает ценную информацию о внутреннем строении Земли. При этом измерения, выполненные на разном удалении от поверхности планеты, предоставляют сведения об источниках магнитного поля, расположенных на разной глубине. Так исследования, проведенные на высоте нескольких метров, позволяют выявить захороненные в земле или на дне водоемов ферромагнитные объекты (неразорвавшиеся боеприпасы или брошенные суда, содержащие токсичные отходы и пр.). Воздушное магнитное картирование, выполненное на высоте километрового масштаба, используются для поиска геологических формаций, перспективных для выявления месторождений твердых полезных ископаемых или углеводородов. Измерения параметров дипольного магнитного поля, выполненные на очень больших высотах, дают сведения о геодинамических процессах, происходящих на глубине в несколько тысяч километров.

Весьма важную информацию поставляют магнитные измерения на промежуточных высотах, в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен километров. Они позволяют выявить параметры важных процессов, включая поведение вещества верхней мантии, эффектов, инициируемых солнечным ветром в ионосфере и ионными токами, связанными с циркуляцией вод океана. Однако применяющаяся для этих целей техника, размещенная на искусственных спутниках Земли, дорога и не обеспечивает достаточную точность измерений. К тому же спутники практически не могут работать на столь низких (как 100 км) высотах без непрерывного снижения и их чрезмерного разогрева.

Недавно международная группа американских и немецких физиков (J.M. Higbie, S.M. Rochester, B.Patton, R.Holzlöhner, D. Bonaccini Calia, D. Budker) в публикации «Magnetometry with mesospheric sodium» в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences за 2011 год обосновала новый, более простой и экономичный способ дистанционного изучения индукции геомагнитного поля в рассматриваемом диапазоне высот с применением лазерно - телескопической системы, полностью размещенной на Земле (см. рис. 1). Для измерений они привлекают естественный слой воздуха мезосферы, обогащенного за счет сгорания метеоритного вещества атомами натрия. Этот слой подвергается воздействию излучения мощных лазеров, штатно применяемых для создания натриевых лазерных опорных звезд (LGS), которые в последнее время применяются в лучших наземных обсерваториях мира для компенсации возмущающего влияния атмосферной турбулентности (рис. 2).

Расположенные на земле в непосредственной близости от лазерного излучателя небольшие телескопические системы принимают и анализируют натриевый люминесцентный отклик, параметры которого зависят от напряженности локального геомагнитного поля. Предложенный высокочувствительный метод измерения величин индукции магнитного поля с пространственным разрешением 100 км (with 100-km spatial resolution) обеспечивает резкое снижение стоимости исследований и открывает путь для крупномасштабных работ по картированию и мониторингу магнитных полей при решении задач атмосферной физики, навигации и геофизики.

Рис. 1. Схема люминесцентного детектирования магнито-оптического резонанса на мезосферном натрии. Циркулярно поляризованный лазерный луч (λ= 589.0 нм), с частотой следования импульсов близкой к ларморовой частоте, осуществляет накачку атомов натрия в мезосфере (sodium layer). Вызванная этой накачкой спиновая поляризация (Atomic Polarization) вследствие гиромагнитного взаимодействия прецессирует вокруг направления локального магнитного поля. Интенсивность света люминесценции, собранного портативным телескопом, обнаруживает резонансную зависимость от частоты модуляции лазерного излучения. Масштаб не соблюден. Рисунок из статьи «Magnetometry with mesospheric sodium» в PNAS 2011 года.

Рис. 2. Вид на телескоп Субару (Япония), функционирующий с использованием адаптивной оптики LGS (http://www.naoj.org/Pressrelease/2006/11/20/index.html). Эта техника, в которой используется искусственно создаваемая при помощи лазера звезда, позволила улучшить качество изображений слабых звезд в четыре-пять раз по сравнению с адаптивной оптикой на базе естественных звезд.

Принцип метода

Рассматриваемые авторами процедуры тесно связаны с методами атомной магнитометрии, адаптированными к условиям мезосферы. В основе метода - измерение величины магнитной индукции с помощью спин-прецессии атомов натрия вокруг направления локального геомагнитного магнитного поля и выявления последующей эволюции спинового состояния. Реализация спин-поляризованного состояния мезосферных атомов натрия достигается оптической (лазерной) накачкой. Она осуществляется по методу, предложенному ранее для мезосферного натрия, использованного для создания LGS Хаппером и др. (Happer et al., 1994). В простейшем для реализации случае циркулярно поляризованный лазерный луч направляется в направлении приблизительно перпендикулярном силовым линиям геомагнитного поля, как показано на рис. 1.

В присутствии магнитного поля «поперечный компонент» поляризации, генерируемый оптической накачкой, прецессирует вокруг вектора магнитного поля с ларморовской частотой, зависящей от величины зеемановского расщепления используемых линий спектра, которое в свою очередь является функцией величины индукции магнитного поля. Для того чтобы избежать «размазывания» атомной поляризации за счет этой прецессии, излучение лазера подвергается модуляции с частотой близкой ларморовской, как впервые продемонстрировал, Белл и Блум (Bell, Bloom, 1961). Когда частота модуляции совпадает с ларморовой частотой, возникает магнито-оптический резонанс (рис. 3) и достигается повышенная степень атомной поляризации. Этот эффект изменяет характер и интенсивность флуоресценции атомов натрия, что и регистрируется одноканальным фотоприемником, либо ПЗС-матрицей телескопа. Таким образом, рассмотренный эффект позволяет использовать атомы натрия для дистанционного зондирования величины магнитной индукции в мезосфере, при этом рассмотренный измерительный комплекс выступает в качестве скалярного магнитометра.

Рис. 3. Проявление магнитооптического резонанса на дублете линий D2 (переход 32S1/2 - 32P3/2) и D1 (32S1/2 - 32P1/2) мезосферного натрия. Резонанс проявляется в резком увеличении интенсивности зарегистрированной наземным телескопом «возвращенной» флуоресценции для линии D2 (589.0 нм) натрия (или снижении ее на линии D1- 589. 6 нм) при сканировании частоты модуляции лазера.

Путем размещения блока лазеров и детекторов в узлах сетки с базисом в несколько сотен километров можно единовременно получать карту магнитных полей. Возможен и другой вариант. В нем предназначенные для магнитной съемки лазер и детектор могут монтироваться на подвижные платформы (судно или грузовик). Для этих платформ, в отличие от других наземных и спутниковых магнитометрических станций, не предъявляется жестких ограничений по магнитной чистоте и вибрациям.

Таким образом, предложенный авторами рассмотренной статьи мезосферный магнитометр по особенностям своей конструкции, пространственному разрешению и чувствительности (порядка 0.5 нТл) обещает стать оптимальным средством картирования магнитного поля Земли в рассматриваемом «промежуточном» диапазоне высот.

П.Л. Смолянский,
Отдел перспективного развития, ИВЦ ВСЕГЕИ

Источник: James M. Higbie, Simon M. Rochester, Brian Patton, Ronald Holzlöhner, Domenico Bonaccini Calia, Dmitry Budker. Magnetometry with mesospheric sodium // PNAS. 2011. V. 108. №9. P. 3522–3525.

20.04.2011

Возврат к списку


Яндекс.Метрика