CC BY
0
Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. 2023. Т. 45. №4. C. 201-228. ISSN 2079-6641
ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ИМЕРЕНИЙ " https://doi.org/10.26117/2079-6641-2023-45-4-201-228 Научная статья
Полный текст на русском языке УДК 550.380.2
Помехи от железной дороги в магнитных измерениях на Геофизической обсерватории «Новосибирск»
С. Ю. Хомутов1*, А. А. Ковалев2, А.Ю. Гвоздарев1, Н. Н. Семаков2
1 Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН, 684034, Камчатский край, Елизовский район, е. Паратунка, ул. Мирная, д. 7, Россия
2 Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, г. Новосибирск, проспект Академика Коптюга, 3, Россия
Аннотация. После перехода Геофизической обсерватории «Новосибирск» (ЫУБ) на цифровые магнитометры в результатах измерений проявились помехи в виде кратковременных скачков и выбросов амплитудой до нескольких нТл, которые ранее не были видны на аналоговой фотозаписи. Основной эффект наблюдается в вертикальной составляющей и в значениях модуля. В качестве возможного источника этих помех рассматривается железная дорога на постоянном токе, проходящая в 10 км к западу от обсерватории. В 2006-2012 гг. были выполнены маршрутные съёмки модуля Р по двум профилям различной протяженности, примерно перпендикулярные железной дороге. Показано, что амплитуда помех падает с расстоянием Я как 1/Я. Сопоставление суточного распределения мощности шума в вертикальной составляющей вариаций поля на обсерватории с расписанием движения поездов (пригородных и пассажирских) также показало, что вероятным источником является железная дорога. Сделан обзор работ последних лет по проблеме влияния железных дорог и метро на результаты магнитных измерений на обсерваториях, при полевых измерениях и МТЗ. В рамках простой модели распределения токов утечки, учитывающей наличие высокоомного фундамента в геоэлектрическом разрезе в районе обсерватории, вычислены магнитные эффекты в вертикальной и горизонтальной составляющих поля. Модель дает только частичное объяснение наблюдаемых зависимостей. Отмечена тенденция снижения в последние годы интенсивности помех.
Ключевые слова: магнитные обсерватории, помехи, железная дорога Получение: 17.11.2023; Исправление: 05.12.2023; Принятие: 13.12.2023; Публикация онлайн: 14.12.2023
Для цитирования. Хомутов С. Ю., Ковалев А. А., Гвоздарев А. Ю., Семаков Н. Н. Помехи от железной дороги в магнитных измерениях на Геофизической обсерватории «Новосибирск» // Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. 2023. Т. 45. №4. C. 201-228. EDN: UGPBOY. https://doi.org/10.26117/2079-6641-2023-45-4-201-228. Финансирование. Работа С. Ю. Хомутова и А. Ю. Гвоздарева выполнена в рамках Государственного задания по теме (2021—2023 гг.) «Физические процессы в системе ближнего космоса и геосфер при солнечных и литосферных воздействиях», регистрационный номер АААА-А21-121011290003-0. Работа А. А. Ковалева и Н. Н. Семакова выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (проект FWZZ-2022-0019). Конкурирующие интересы. Конфликтов интересов в отношении авторства и публикации нет. Авторский вклад и ответственность. Авторы участвовали в написании статьи и полностью несут ответственность за предоставление окончательной версии статьи в печать.
* Корреспонденция: A E-mail: khomutov@ikir.ru ф
Контент публикуется на условиях Creative Commons Attribution 4.0 International License © Хомутов С.Ю., Ковалев А. А., Гвоздарев А. Ю., Семаков Н.Н., 2023 © ИКИР ДВО РАН, 2023 (оригинал-макет, дизайн, составление)
Vestnik KRAUNG. Fiz.-Mat. nauki. 2023. vol. 45. no. 4. P. 201-228. ISSN 2079-6641
INSTRUMENTS AND METHODS OF MEASUREMENT " https://doi.org/10.26117/2079-6641-2023-45-4-201-228 Research Article Full text in Russian MSC 86A25
Possible Railway Effects in Magnetic Measurements at Geophysical Observatory Novosibirsk
S. Y. Khomutov1*, A. A. Kovalev2, A. Y. Gvozdarev1, N.N. Semakov2
1 Institute of Cosmophysical Research and Radio Wave Propagation FEB RAS, 684034 Kamchatka region, Elizovskiy district, Paratunka, Mirnaya str., 7, Russia
2 Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090 Novosibirsk, Koptug ave. 3, Russia
Abstract. After renewing the Geophysical Observatory Novosibirsk (NVS) from analog photorecording to digital magnetometers, noise in the form of spikes and short jumps of records with an amplitude of up to several nT, which were not previously visible, appeared in the measurement results. The main effect was observed in the vertical intensity Z and total field intensity F. A direct current railway running 12 km west of the observatory was considered as a possible source of these disturbances. In 2006-2012, route surveys of F were carried out along two profiles of different lengths, approximately perpendicular to the railway. It has been shown that the noise amplitude decreases linearly with the distance from the source. An attempts were made to identify the noise origin, linking them with the schedule of trains. A review of recent work on the problem of the railways and subways effects on the results of magnetic measurements at observatories, field measurements and magnetotelluric sounding is made. Magnetic effects in the vertical and horizontal components of the field are calculated within the framework of a simple leakage current distribution model that takes into account the presence of a high-resistance foundation in the geoelectric section in the observatory area. The model provides only a partial explanation of the observed effects. There has been a tendency to decrease the intensity of interference in recent years.
Key words: magnetic observatories, noise, railway
Received: 17.11.2023; Revised: 05.12.2023; Accepted: 13.12.2023; First online: 14.12.2023
For citation. Khomutov S.Y., Kovalev A. A., Gvozdarev A. Y., Semakov N.N. Possible railway effects in magnetic measurements at Geophysical Observatory Novosibirsk. Vestnik KRAUNC. Fiz.-mat. nauki. 2023, 45: 4,201-228. EDN: UGPBOY. https://doi.org/10.26117/2079-6641-2023-45-4-201-228.
Funding. The work of S. Y. Khomutov and A. Y. Gvozdarev was carried out within the framework of the State task on the topic (2021—2023) «Physical processes in the system of near space and geospheres under solar and lithospheric impact», registration number AAAA-A21-121011290003-0. The work of A. A. Kovalev and N.N. Semakov was carried out with the financial suppor of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation (project FWZZ-2022-0019). Competing interests. There are no conflicts of interest regarding authorship and publication.
Contribution and Responsibility. All authors contributed to this article. Authors are solely responsible for providing the final version of the article in print. The final version of the manuscript was approved by all authors.
* Correspondence: A E-mail: khomutov@ikir.ru
The content is published under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License © Khomutov S.Y., Kovalev A. A., Gvozdarev A.Y., Semakov N.N., 2023
© Institute of Cosmophysical Research and Radio Wave Propagation, 2023 (original layout, design, compilation)
Введение
Историческая тенденция повышения временного и амплитудного разрешения магнитометров и развитие более эффективных методов обработки результатов измерений приводит к тому, что фактором, ограничивающим ожидаемый рост качества получаемых данных, становятся условия, в которых выполняются эти магнитные измерения. Одним из таких факторов являются электромагнитные помехи, в том числе, от мощных распределённых токовых систем железных дорог (ж/д), метро и трамвайных линий, работающих на постоянном токе. Проблема имеет долгую историю, например, она нашла отражение в резолюции IAGA, принятой ещё в 1948 г. в Осло «При планировании новых обсерваторий следует позаботиться о выборе мест ... расстояние от электрифицированных железных дорог должно составлять не менее 30 км.» (цитируется по [1], с. 218).
Несмотря на понимание важности учёта влияния ж/д на постоянном токе на результаты магнитных измерений, реально при выборе места для создания магнитных обсерваторий в прошлом столетии это не всегда учитывалось должным образом. Причин несколько: (1) используемые в прошлом магнитометры имели чувствительность и временное разрешение на один-два порядка ниже, чем современные, т. е. эффекты от уже существующих электрифицированных дорог просто не могли быть зарегистрированы; (2) при выборе места ж/д отсутствовала или не была электрифицирована и в будущем этого не ожидалось; (3) наличие подходящей инфраструктуры (электричество, дороги, жильё) или подходящие условия для других видов геофизических измерений считались более важными, чем снижение качества магнитных измерений из-за возможного влияния ж/д.
Существует, условно, два методических подхода в исследованиях по этому вопросу. Первый базируется на детальном анализе данных, полученных на магнитной обсерватории или в районе проведения магнитотеллурического зондирования (МТЗ, магнитные каналы), в окрестности которых имеется ж/д, метро или маршруты трамваев, включая сопоставление с расписанием движения поездов. Второй подход — это попытки моделировать эффекты в магнитном поле, которые ожидаются при передвижении поезда между тяговыми подстанциями.
В [2] приводятся оценки импульсных помех в модуле магнитного поля, зарегистрированные от ж/д вблизи Парижа при проведении МТЗ (полоса частот 0.2-2 Гц), достигающие 10 нТл на расстоянии 200 м и 0.5 нТл на расстоянии 5 км (цитируется по обзору [3], в котором представлен обширный список исследований по помехам в геофизических измерениях). В [4] рассмотрены помехи, зарегистрированные на обсерватории Tangerang (TNG), от ж/д, проходящей на расстоянии около 350 м к югу. 24 электропоезда следуют мимо обсерватории с 05:30 до 22:00 LT, вызывая импульсные помехи размахом 20-40 нТл в горизонтальных составляющих и до 300 нТл в вертикальной составляющей. Вне трафика помех в магнитных данных нет.
В работе [5] рассмотрено влияние ж/д на юго-востоке Бразилии на результаты МТЗ. Особенностью здесь является то, что дорога проходит по двум районам, сильно различающимся геологически: один представляет собой кристаллический
фундамент с удельным сопротивлением до 10000 Ом-м с вышележащим тонком слоем пород с удельным сопротивлением 30 Ом-м, второй — район с осадками толщиной до 800 м и средним значением удельного сопротивления 5 Ом-м. Было выполнено МТЗ вдоль нескольких профилей с максимальной длиной до 150 км. Магнитные измерения выполнялись с помощью трёхкомпонентных феррозондовых магнитометров. По ж/д курсирует всего один электропоезд, восемь рейсов в сутки, что позволяло легко идентифицировать помехи. Измерения показали, что возмущения в магнитных данных достигают единиц нТл на расстояниях в несколько км до ж/д и экспоненциально падают с расстоянием. При этом зависимость от геологических особенностей не отмечается.
В работе [6] рассматриваются шумы, зарегистрированные на обсерватории BJI (Beijing Geomagnetic Observatory), расположенной в 3 км от одной из веток метро, и на обсерватории Beijing Ming Tombs Geomagnetic Observatory (BMT), которая находится на расстоянии 33 км от метро. Данные получены с частотой 1/60 Гц и показывают, что во время работы метро возмущения на BJI достигают ±3 нТл в H-составляющей и ±6 нТл в вертикальной составляющей Z. В данных BMT помех не видно. Специальные измерения модуля F были сделаны возле другой ветки метро, на расстоянии 680 м. Были записаны интервалы с двумя встречными поездами (размах возмущений в F более 500 нТл), одним поездом (возмущения до 100 нТл) и при отключённой энергии (возмущений в данных не было).
В [7] в результатах стационарных магнитных измерений на Тайване (в охраняемой парковой зоне) обнаружены помехи величиной 3-5 нТл, которые привязаны к локальному времени. Авторы показывают, что источник этих помех — скоростная железная дорога (аналог метро), проходящая в 6.4 км к югу. Были выполнены специальные измерения модуля магнитного поля F на разных расстояниях, в том числе в ближней зоне от 2.5 до 150 м, показавшие, что интенсивность помех обратно пропорциональна расстоянию от путей (исключая расстояние 2.5 м). Результаты моделирования показали, что подобный эффекты могут быть получены при токе утечки 300 А (тяговый ток - 2000 А, в пиковых моментах - до 5000 А). Помехи при магнитотеллурическом зондировании на расстояниях 0.2 и 1.1 км от ж/д, работающей на частоте 60 Гц, т. е. на переменном токе, наблюдали на Тайване. Выбросы в горизонтальных составляющих более ±20 нТл и более ±(1-2) нТл, соответственно, приходились на периоды движения шести поездов [8].
В работе [9] приводятся результаты измерения модуля поля F в трёх пунктах, расположенных на расстояниях 200, 750 и 1500 м от ж/д в Новосибирской области. Интенсивность помех достигала 140, 40 и 20 нТл, соответственно. В [10] показано, что после электрификации ж/д на обсерваториях «Бельск» (BEL) и «Львов» (LVV), расположенных от ж/д на расстояниях 14 и 7 км, появились помехи размахом до 2 и 6 нТл, соответственно, преимущественно в вертикальной составляющей. В работе [11] рассматриваются изменения в проявлении импульсных помех в результатах магнитных измерений на обсерватории «Хайдарабад» (HYB), источником которых предположительно
являются линия метро и силовые подстанции на расстояниях 0.5-1 км, в период полного локдауна трафика во время эпидемии COVID-19. Показано, что величина выбросов (в вертикальной составляющей) во время локдауна понизилась в 2 раза, примерно с 4-8 до 2-4 нТл, а частота их появления — в 8 раз.
В целом, результаты исследований по оценке помех от ж/д на постоянном токе и от метро, выполненных преимущественного полевыми геофизиками и магнитологами, показали, что интенсивность помех составляет единицы нТл на расстояниях в первые км и доли нТл на расстояниях в десятки км. В ближней зоне (сотни метров) наблюдается большой разброс величины помех, от десятков до сотен нТл. Основной вопрос, который присутствует в этих исследованиях - что с этими помехами можно сделать, чтобы результаты регулярного мониторинга были приемлемыми.
Второй методический подход при изучении влияния железных дорог, метро и трамвайных линий на магнитные измерения ориентирован на моделирование источника этих помех. Генеральная модель включает токовую цепь: тяговая подстанция — контактный провод (или третий рельс) — поезд — рельсы. В идеальном случае тяговый ток в контактной линии и возвратный ток в рельсах равны и даже на относительно небольшом удалении компенсируют друг друга, практически не создавая возмущающее магнитное поле. Однако, цепь не идеальная, существует связь рельсов с поверхностью земли, вследствие чего возникают токи утечки, заметно усложняющие математический аппарат и численные расчёты. Тем не менее, такие модели разработаны и их результаты опубликованы.
Вероятно, одними из наиболее объёмных и полных можно считать исследования F. J. Lowes с соавторами, с обобщающей статьёй [12], в которой представлен исторический обзор исследований по этой проблематике с обширным списком публикаций, а также подробно рассмотрены различные аспекты проблемы, включая технические особенности электрических сетей на железных дорогах, их структурных элементов и др. Автором написаны уравнения и представлены их решения для различной степени детализации. Делаются выводы, что огромное разнообразие различных факторов, таких например, как типы электровозов, расположение подстанций, параметры тягового тока, режимы торможения поездов, способы заземления, величина тока утечки и т.п., которые требуется учитывать при расчётах, могут существенно влиять на достоверность получаемых оценок, даже при наличии в исследовательской группе инженера - специалиста по электроснабжению железной дороги. Ситуация с расчётом эффектов в магнитном поле становится ещё более сложной из-за необходимости учитывать, например, реальную электропроводность подстилающих пород или наличие в приповерхностных слоях протяжённых проводящих объектов, таких как кабели или трубопроводы.
Значительные исследования по моделированию магнитных эффектов от железной дороги выполнены R. Pirjola с коллегами [13, 14], в т. ч. был разработан пакет программ в среде Matlab и Fortran. Модель позволяет рассчитать
магнитное поле, которое возникает при заданной конфигурации путей, подстанций, поездов и распределения токов утечки при различных параметрах питающей сети. В качестве примера приводятся сопоставление расчётных возмущений с результатами прямых магнитных измерений возле прямолинейного участка ж/д в Калгари (Канада) на расстояниях от 0.6 до 50 км. Параметры модели: единственный поезд, тяговый ток 1000 А, ток утечки 20 А, тяговая подстанция в 3 км от поезда [13]. Эффект наблюдался только до 5 км (0.3 нТл), на расстоянии 0.6 км он составил 4 нТл. Расчётные значения получились достаточно близкими к измеренным. Работа [14] интересна тем, что в ней приводятся результаты моделирования динамических магнитных эффектов от поезда, движущегося по расписанию (ускорение до скорости 80 км/час за 20 с, равномерное движение, торможение до полной остановки за 20 с, стоянка 20 с), т. е. именно та ситуация, с которой сталкиваются обсерватории. Параметры ж/д: длина перегона с пятью подстанциями 15 км, тяговый ток при разгоне 3000 А, при равномерном движении - 500 А. Расчётная точка находится в 5 км от путей. Максимальный эффект в магнитном поле достигает 0.14 нТл.
Серьёзное внимание к проблеме шума от ж/д в измерениях магнитного поля уделялось в Японии. Одной из первых попыток были расчёты возможного эффекта в наблюдениях на обсерватории «Какиока», вблизи которой планировалась электрификация ветки ж/д, идущей от Токио на север [15]. Эксперименты включали искусственное генерирование токов в рельсах и регистрацию эффектов магнитометрами для оценки токов утечки на южном сегменте (с постоянным тяговым током) и на северном (вблизи обсерватории). Было показано, что имеется заметное различие в двух областях, связанное с неоднородностью распределения электропроводности, и в районе обсерватории ожидаются значительные магнитные эффекты. В работе [16] предлагается математическая модель, которая используется для оценки величины помех в магнитном поле, измеряемом на обсерватории «Какиока». Поскольку обсерватория расположена вдоль направления основного сегмента ж/д на постоянном токе, то, согласно модели, ожидаются возмущения только в горизонтальной составляющей поля, поперёк ж/д путей, при максимальном значении эффекта не более 0.1 нТл на расстояниях от 5 до 40 км. Однако реальные измерения магнитного поля, выполненные в восьми пунктах на расстояниях от 2 до 40 км от ж/д, показали, что аномалии в магнитном поле на расстоянии до 5 км достигают 1-2 нТл и проявляются во всех составляющих.
В целом, можно отметить, что модельные расчёты показывают заметно меньшие амплитуды аномалий, ожидаемых от ж/д на постоянном токе, чем амплитуды аномалий, которые наблюдаются в результатах прямых магнитных измерений. Возможной причиной таких расхождений может быть несоответствие параметров модели реальным характеристикам конкретной ж/д, а также упрощение самой модели. Кроме того, существенным может быть влияние неточности используемого представления о геологических и геофизических условиях в районе, где расположена магнитная обсерватория и проходит ж/д.
В настоящей работе рассматриваются результаты непрерывных магнитных измерений на Геофизической обсерватории «Новосибирск» ИНГГ СО РАН, в которых присутствуют аномалии-помехи амплитудой до 5-8 нТл и которые предположительно вызваны ж/д на постоянном токе. Для проверки этого предположения были выполнены прямые магнитные измерения в пунктах на расстояниях от 3 до 30 км от ж/д, а также сделано сопоставление шума в данных и количества аномалий с расписанием движения электричек и пассажирских поездов, следующих по ближайшей ветке ж/д.
Магнитные измерения на Геофизической обсерватории «Новосибирск»
Геофизическая обсерватория «Новосибирск» ИНГГ СО РАН («Ключи», код IAGA - NVS) была построена в 1965 г. как часть сети комплексных магнитно-ионосферных станций, развернутой после Международного геофизического года (1957) по решению Совета министров СССР и ряда постановлений АН СССР, принятыми в 1962 г. и позже [17]. Место для обсерватории выбиралось в 1963 г., когда только начиналась электрификация ж/д ветки из Новосибирска на юг, проходящей в 10 км от будущей обсерватории. Место было признано очень перспективным в отношении сейсмических и ионосферных наблюдений.
В 1966 г. были начаты регулярные магнитные измерения: вариационные с помощью кварцевых датчиков Боброва с регистрацией на фотобумагу и абсолютные с помощью кварцевых QH-магнитометров и деклинометров и протонных магнитометров. Результатом такого мониторинга были часовые значения полного вектора магнитного поля. Возможные помехи от ж/д не были предметом внимания магнитологов, т.к. на фотозаписи были практически неразличимы. В 2003 г. на обсерватории начали использоваться цифровые магнитометры - феррозондовый вариометр LEMI-008 для регистрации вариаций Х,У^-составляющих с частотой 1 Гц и разрешением до 0.01 нТл и скалярный Оверхаузеровский магнитометр POS-1 для измерения вариаций модуля поля F с периодичностью от 1 с и более и чувствительностью до 0.01 нТл. В ноябре 2004 г. обсерватория «Новосибирск» была сертифицирована как магнитная обсерватория международной сети INTERMAGNET.
После перехода на цифровую регистрацию стало видно, что данные, прежде всего вертикальная составляющая Z, содержат помехи: присутствует фоновый шум размахом до 1-3 нТл и скачки с амплитудой до 8 нТл продолжительностью от единиц секунд до единиц минут. Пример суточной записи феррозондового вариометра LEMI-008 представлен на рис.1.
На рис.2 представлены примеры выбросов и скачков в магнитных данных NVS для различных дат. Пример на рис.2 d показывает, что обсуждаемые помехи синхронно проявляются не только в измерениях феррозондового трёхкомпонентного вариометра LEMI-008, но и в результатах скалярного Оверхаузеровского магнитометра POS-1 (частота 1/3 Гц), установленного в другом
павильоне на расстоянии около 20 м и работающего на других физических принципах.
Рис. 1. Суточная запись феррозондового вариометра LEMI-008 (частота
измерений 1 Гц) за 05.12.2011 [Figure 1. Daily record of fluxgate variometer LEMI-008 with the frequency of 1 Hz, 05.12.2011]
0 5 10 15 20
(a)
0 5 10 15 20 25
(c)
10 (b)
0 0.5 1 1.5 2 2.5
(D)
Рис. 2. Примеры выбросов и скачков в вертикальной составляющей Z и модуле поля F за 05.12.2011 (a, b), 29.12.2022 (c) и 01.03.2019 (d). Средние значения вычтены. По оси ординат - значения вариаций в нТл, по оси абсцисс -время в минутах
[Figure 2. Examples of spikes and jumps in the vertical component Z and the total field F for 05.12.2011 (a, b), 29.12.2022 (c) and 01.03.2019 (d). The mean values are subtracted. The ordinate axis is the values of variations in nT, the abscissa axis is the time in minutes]
4
2
0
0
5
15
20
Таким образом, эффект проявляется именно в магнитном поле, а не из-за возможных проблем с аппаратурой, и его источник находится на заметном удалении от магнитометров. Также можно отметить, что длительность выбросов/скачков достигает десятков секунд — единиц минут, т. е. эти помехи будут присутствовать и в минутных данных, подготавливаемых и передаваемых обсерваторией в GIN INTERMAGNET, при этом уже практически не выделяемых на фоне естественных геомагнитных вариаций. Удаление наиболее сильных помех непосредственно в первичных данных приводит к пропускам в минутных данных.
В окружении обсерватории на расстояниях ближе 10 км нет очевидных источников подобных помех в магнитном поле. Можно отметить наличие жилых коттеджных посёлков и садовых обществ, в трёх километрах проходит ЛЭП, в двух километрах находится горнолыжная база. И ЛЭП, и база построены уже после начала цифровых измерений на обсерватории, которые обнаруживают сильные помехи и до строительства этих объектов. Кроме того, ожидается, что эффекты от горнолыжной базы будут иметь сезонный характер.
Таким образом, наиболее вероятным источником обсуждаемых помех может быть электрифицированная железная дорога на постоянном токе, проходящая с севера (из Новосибирска) на юг (на Алтай) в 10 км к западу от обсерватории.
Рис. 3. Карта района Новосибирской области, где расположена обсерватория «Новосибирск» (отмечена символом К западу от обсерватории
находятся Новосибирский научный центр (Академгородок), г. Бердск и восточный берег Новосибирского водохранилища. Примерно с севера на юг проходит железная дорога. Символами О и △ отмечены пикеты вдоль профилей магнитных измерений в 2006, 2007, 2012 гг. Основа для рисунка получена с https://yandex.ru/maps/ [Figure 3. Map of the Novosibirsk region area where the observatory «Novosibirsk» is located (marked with the symbol To the west of the observatory are the Novosibirsk Scientific Center (Akademgorodok), the city of Berdsk and the eastern coast of the Novosibirsk water reservoir. The railway runs approximately from north to south. The symbols О and △ mark the pickets along the profiles of magnetic measurements in 2006, 2007, 2012. The map base are used from https://yandex.ru/maps/]
На рис.3 показана Яндекс-карта района, где расположена обсерватория. Основные особенности на западе — Новосибирский научный центр, железная дорога, г. Бердск, р. Бердь и Новосибирское водохранилище с ГЭС, в других направлениях — относительно малолюдные места. Геологические и тектонические структуры имеют простирание преимущественно с юго-запада на северо-восток. Обсерватория находится в зоне пониженных удельных электрических сопротивлений (15-30 Ом-м до глубины 100-150 м), связанных с Шадрихинским разломом [18]. Вне зоны разлома слой пониженных УЭС мощностью в первые десятки метров перекрывает высокоомный фундамент из глинистых сланцев (8004000 Ом-м)
Поскольку магнитное поле падает с расстоянием от источника, а обсуждаемые аномалии (помехи) могут быть идентифицированы как по величине, так и по морфологии, то в 2006, 2007 и 2012 гг. были организованы магнитные измерения вдоль профилей, ориентированных примерно перпендикулярно к ж/д. Ожидалось, что при приближении к ж/д величина помех будет расти, а характер этого роста позволит сделать выводы и об их источнике. Пикеты вдоль профилей показаны на современной яндекс-карте на рис.3 и с более детальной маркировкой - на топографической карте на рис.4.
Рис. 4. Топографическая карта (1:200000) района обсерватории c пикетами
профилей магнитной съемки в 2006, 2007 и 2012 гг. [Figure 4. Topographic map (1:200000) of the observatory area with marked pickets of magnetic survey profiles in 2006, 2007 and 2012]
Магнитные измерения вдоль профилей к западу от железной дороги
Во всех съёмках регистрировались вариации модуля магнитной индукции Р, измерения выполнены с помощью скалярного Оверхаузеровского магнитометра РОБ-1 [19].
Питание обеспечивалось от аккумуляторной батареи. Запись выполнялась на ноутбук. Для синхронизации измерений использовалось системное время ноутбука. Координаты пикетов и время UT, необходимое для установки и контроля таймера ноутбука, были получены с помощью GPS-навигатора Garmin eTrex Legend.
Для перемещения между пикетами в 2006 г. вдоль профиля длиной 30 км использовался автомобиль УАЗ, съёмка в 2007 и 2012 гг. (длина профиля около 10 км) выполнена в пешеходном режиме. Во всех случаях перемещение выполнялось вдоль автомобильных дорог, магнитометр устанавливался на расстоянии 50-100 м от дороги, с визуальным контролем дорожного трафика. Продолжительность измерений на пикете составляло около 0.5 ч, переход (переезд) с пикета на пикет и подготовка также занимали около 0.5 ч. Примеры расположения аппаратуры во время съёмок показаны на рис.5.
(Ь) (с)
Рис. 5. Аппаратура, используемая при магнитной съёмке вдоль профилей. (a) в 2006 г. (впереди датчик магнитометра POS-1, на заднем плане автомобиль УАЗ); (b) в 2007 г. (регистрирующая аппаратура); (c) в 2012 г. (сзади датчик POS-1, впереди его электронный блок) [Figure 5. Equipment used for magnetic survey along profiles. (a) in 2006 (POS-1 magnetometer sensor in front, UAZ car in the background); (b) in 2007 (recording equipment); (c) in 2012 (POS-1 sensor at the back, its electronic unit in front)]
Обработка результатов измерений заключалась в сопоставлении вариаций Р на пикете и на обсерватории, представленных графически, и выделения синхронных аномалий, которые могут быть вызваны одним и тем же источником. Далее делалась усредняющая визуальная оценка амплитуд этих аномалий на профиле и на обсерватории и вычислялось их отношение. Примеры представлены на рис.6.
(а)
(Ь)
(с)
Obs —•-03
45 50 55
UT-07,min
30 40 50 60 UT-05,min
20 30 40 UT-06,min
Рис. б. Примеры вариаций F, полученных при измерениях на обсерватории и на пикетах профилей в годах 2006 (a), 2007 (b) и 2012 (c). Верхние панели - вариации F, в легенде указан номер пикета, средние значения вычтены, кривые смещены для наглядности. Расстояния пикетов от ж/д: 24 км -"03"(2006 г.), 7.8 км - "КА03"(2007 г.), 5.1 км - "КА05"(2012 г.). Нижние панели - диаграммы зависимости вариаций на профиле от вариаций на обсерватории
[Figure 6. Examples of F variations obtained during measurements at the observatory and at the profile pickets in the years 2006 (a), 2007 (b) and 2012 (c). The upper panels are F variations, the picket number is indicated in the legend, the mean values are subtracted, the curves are shifted for clarity. Picket distances from the railway: 24 km - "03"(2006), 7.8 km - "KA03"(2007), 5.1 km - "KA05"(2012). The lower panels are the dependence of variations on the profile from variations on the observatory]
На графиках видно, что на кривых вариаций выделяются синхронные аномалии, именно они используются для оценки соотношения амплитуд.
Диаграммы на нижних панелях для 2007 и 2012 гг. демонстрируют хорошую корреляцию вариаций, т. е. соотношение амплитуд помех сохраняется как на заметных, так и на незначительных аномалиях. Для 2006 г. результаты в целом менее надежные из-за сбоев полевого магнитометра РОБ-1. Пикеты 02 и КА07 находились в относительной близости от высоковольтных ЛЭП (300 и 100 м). Карта с разметкой пикетов показана на рис.6. Цифрами "1 "5"промаркированы пикеты профиля 2006 г., маркерами "КА01 "КА04"— пикеты профиля 2007 г., маркерами "КА02 "КА07"— пикеты профиля 2012 г. Сводные характеристики профилей и оценка отношения амплитуд представлены в табл. 1.
Таблица 1
Параметры профилей при магнитной съёмке в 2006, 2007 и 2012 гг. [Profile parameters during magnetic survey in 2006, 2007 and 2012]
Год Пункт Высота,м Щж/д),км R(06c),km V
2007 КА01 157 10.15 0.41 1.04
2007 КА02 211 9.2 1.34 1.09
2012 209 9.2 1.32 1.11
2007 КА03 224 7.80 3.05 1.58
2012 241 7.83 3.05 1.18
2007 КА04 209 6.07 4.70 1.44
2012 223 6.06 4.71 1.82
2012 КА05 225 5.10 5.60 2.01
2012 КА06 210 3.68 6.94 2.72
2012 КА07 194 3.37 7.32 8.22
2006 01 266 12 0.8-1.0
2006 02 302 19 1.0-6.0
2006 03 297 24 0.4-0.6
2006 04 278 30 0.2-0.6
2006 05 244 8 1.4-1.6
Примечания:
1) «Высота» — высота пикета по данным GPS;
2) Н(ж/д) и Н(пав) — расстояния от пунктов измерений до ближайшего участка ж/д и до
3) V — отношение амплитуд синхронных помех на пикете и на обсерватории.
обсерватории;
5 10 15 20 2530
Distance from railway, km
5 10 15 20 2530
Distance from railway, km
Рис. 7. Зависимость от расстояния до железной дороги амплитуды аномалий в магнитном поле, полученной по результатам съемки в 2006, 2007, 2012 гг. и нормированной на амплитуду аномалий на обсерватории. На правой панели не показаны результаты измерений вблизи высоковольтных ЛЭП [Figure 7. The dependence of the amplitude of magnetic anomalies on the distance to the railway, calculated from the survey results in 2006, 2007, 2012 and normalized by the amplitude of anomalies at the observatory. The right panel does not show the results of measurements near high-voltage power lines]
2
5
2
На рис.7 показана зависимость амплитуды аномалий от расстояния до ж/д. В двойном логарифмическом масштабе эта зависимость близка к линейной с коэффициентом -0.9, т. е. обсуждаемый эффект в магнитном поле падает как 1/Б,, где Я - расстояние от ж/д.
Сопоставление шума в магнитных данных с расписанием движения поездов
Сопоставление помех в результатах измерения магнитного поля на обсерваториях с расписанием движения электропоездов по ж/д на постоянном токе достаточно часто используется магнитологами (см. обзор во Введении). Метод особо эффективен, если трафик не интенсивный и ограничен, например, следованием вблизи обсерватории одного-двух поездов в сутки. Также эффективно можно делать сопоставления с движением поездов метро, приходящих и отправляющихся со станций строго по расписанию. В отношении обычной ж/д, в т.ч. и Западно-Сибирской ж/д, ветка на юг которой проходит в районе обсерватории, проблемы видятся в не очень жёстком следовании расписанию, принятому для пригородных электропоездов (электричек), и не всегда регламентированному изменению этого расписания по тем или иным причинам. Зачастую остаётся неизвестным расписание следования грузовых поездов. Кроме того, в свободном доступе нет информации о движении пригородных поездов за прошедшие годы - в основном в публичном доступе имеется только расписание на текущий и прошедший годы, что ограничивает возможности работы с архивными данными. Тем не менее, некоторые статистические оценки корреляции между шумом в магнитных данных и расписанием электропоездов могут быть сделаны.
Один из очевидных методов - сопоставить по времени интенсивность движения поездов с некоторыми параметрами, характеризующими шум в магнитных данных. Это возможно по той причине, что расписание пригородных электропоездов мало меняется в течение года, хотя некоторые сезонные особенности имеются, и остается в целом постоянным на протяжении двух-трёх лет.
В табл. 2 приводится фрагмент расписания электропоездов по маршруту «Новосибирск-Черепаново», прибывающих и отправляющихся со станции «Сеятель» в Новосибирском научном центре в 2023 г. Сравнение с расписанием 2022 г. показало, что изменения во времени прибытия и отправления не превышают нескольких минут.
Можно видеть, что движения пассажирских и пригородных поездов в ночное время (с 23 до 06 ч) нет. В дневное время интенсивность движения через станцию «Сеятель» высокая и относительно равномерная.
Для оценки шума в магнитных данных использовалась следующая методика:
- для каждых локальных суток ЬТ по секундным значениям вертикальной составляющей Е, измеряемой феррозондовым вариометром ЬЕМ1-008, вычислялись первые разности dZ. Помехи, связанные с аппаратурными или локальными причинами, предварительно убирались;
Таблица 2
Фрагмент расписания поездов через станцию «Сеятель» в 2023 г. [A fragment of the train schedule through the «Seyatel» station in 2023]
Приб. Ст. Отпр. Н Т № Маршрут
05:09 2 05:11 1 1 602Н Бийск-Томск
05:48 1 05:49 1 2 6630 Искитим-Новосибирск
05:55 1 05:56 2 6613 Новосибирск-Черепаново
06:26 1 06:27 1 2 6632 Ложок-Новосибирск
06:40 1 06:41 1 2 6634 Черепаново-Новосибирск
06:45 1 06:46 2 6617 Новосибирск-Бердск
07:04 1 07:05 1 2 6604 Бердск-Новосибирск
07:24 1 07:25 1 2 6640 Бердск-Новосибирск
07:37 1 07:38 2 2 6605 Новосибирск-Барнаул
20:36 1 20:37 1 2 6644 Бердск-Новосибирск
20:52 1 20:53 2 2 6627 Новосибирск-Черепаново
21:45 1 21:46 2 2 6629 Новосибирск-Искитим
22:11 22:13 2 1 601Н Томск-Бийск
22:16 1 22:17 1 2 6626 Искитим-Новосибирск
23:11 1 23:12 2 2 6631 Новосибирск-Искитим
Примечания:
1) "Приб. "Ст. "Отпр."— местное время прибытия, продолжительность стоянки и время отправления;
2) "Н"— направления движения (1 — на север, 2 — на юг);
3) "Т"— тип поезда (1 — пассажирский, 2 — пригородный).
- сутки ЬТ разбивались на 15-минутные интервалы и в каждом интервале вычислялось стандартное отклонение первых разностей SD(dZ), формируя годовую матрицу размерности (365x96);
- далее для каждого 15-минутного интервала вычислялись средние арифметические значения за год MEAN(SD(dZ)), средние медианные значения MEDIAN(SD(dZ)), для различных уровней возмущённости магнитного поля Земли (по суммарным К-индексам, получаемым на обсерватории).
Результаты вычислений по описанной выше методике для полного 2022 г. и для января-апреля 2023 г. представлены на рис. 8.
Оценки сделаны раздельно для всех дней года и для дней со слабо возмущённым магнитным полем (суммарный за сутки локальный К-индекс менее 10) - подобный подход, облегчающий разделить шум и естественные вариации, использовался, например, в [20]. Как видно на рисунке, шум в вертикальной составляющей Z в магнитных измерениях на обсерватории заметно и резко снижается, когда движения пригородных поездов нет. Заметной связи уровня шума с уровнем геомагнитной активности, определяемой локальным К-индексом, не видно. Картина для 2023 г. менее чёткая, что, вероятно, связано с уменьшением статистики при использовании данных только за 4 мес. В целом полученные
0.11
(а)
* О
О All days
ж Ksum<10
A train to N
V train to S
0 passag.train
0.09 -
а м
Z < 0.07 Q
* О
О
»#« о
I ж
о
8
<
о *
J о * *
• a
1 * *
©
О $
* » :
*
0.06
8
ЛЛСУУУЛЛЛЛЛ ДД V V V V V V V
> 00
A A AAA A AAA V V V V V www V
А V
00
0.04
0.11
12
16
20
24
0.09
а ся
<
о
0.07
0.05
ЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛ лл V V V V V V V
о о
A A AAA А АДА А V V V V v www V V V
о о
12
Local time, hours
16
20
24
Рис. 8. Оценка уровня шума в исходных магнитных данных (по дисперсии первых разностей секундных значений вертикальной составляющей Z в 15-минутных интервалах местного времени). (a) - по данным за 2022 г., (b) - по данным за январь-апрель 2023 г. Символом о показаны медианные оценки за год по всем дням, символом * - по суткам с суммарным локальным K-индексом меньше 10. Символами △, у, отмечены пригородные поезда, движущиеся на север и на юг, и пассажирские поезда [Figure 8. Estimation of the noise level in the raw magnetic data (by the dispersion of the first differences of the vertical component second values Z in 15-minute intervals of local time). (a) 2022 data were used, (b) January-April 2023 data were used. The symbol о shows the median estimates for all days of year, the symbol * shows results for days with a daily summary local K-index less than 10. The symbols △, у, ° indicate commuter trains moving north and south and passenger trains]
0
4
8
0
4
8
результаты подтверждают предположение, что шум в магнитных данных на обсерватории в значительной степени определяется движением электропоездов по железной дороге.
Полученные выше результаты кроме шумовой составляющей включают в себя также естественные вариации геомагнитного поля, которые могут происходить внутри 15-минутных интервалов. Например, магнитная буря будет оказывать эффект, накладывающийся на помехи от ж/д. Понятно также, что мощные и небольшой длительности аномалии, подобные показанным на рис. 2, с большей вероятностью вызваны именно искусственными причинами, а не естественными источниками. Поэтому была предпринята попытка непосредственно выделить подобные аномалии и выполнить их статистический анализ. Для этого в исходных вариациях вертикальной составляющей Z визуально выделялись помехи с амплитудой больше 1-2 нТл и фиксировались время начала и конца аномалии и амплитуды на переднем и заднем фронтах. Были обработаны данные за 1-21 декабря 2011 и 2022 гг.
140 120
и 100
■§
а
<я 80
0
® ел
_Q 60
ЕЕ
1 40 20
0
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 Spike amplitude, nT
Рис. 9. Распределение локализованных помех (выбросов, скачков) в вертикальной составляющей Z в зависимости от амплитуды (за 01-21 декабря 2011 и 2022 гг.)
[Figure 9. Distribution of localized noise (spikes, jumps) in the vertical component Z depending on the amplitude for December 01-21, 2011 and 2022]
На рис. 9 представлено распределение аномалий по величине (по среднему значению амплитуд на переднем и заднем фронтах). Провал на малых амплитудах вызван селективностью отбора только заметных помех, когда их можно уверенно идентифицировать. Из-за субъективности такого ручного отбора статистика для малых амплитуд не является представительной. Тем не менее, гистограмма очевидно указывает на различия в статистике появления подобных помех в декабре 2011 и в декабре 2022 гг. Особенно ярко это проявляется для помех с амплитудами больше 2 нТл, где представительность выборки более надёжная.
При этом количество помех с большими амплитудами между 2011 и 2022 гг. уменьшилось незначительно.
50
40
м 30
20 10 0
Liiii
Ii Ii П Ii
11
I 2011 I 2022
4
12 16 Local time, hours
20
24
0
8
Рис. 10. Распределение амплитуды (верхняя панель) и интенсивности (нижняя панель) локализованных помех в вертикальной составляющей Z (за 0121 декабря 2011 и 2022 гг.). [Figure 10. Distribution of amplitude (upper panel) and intensity (lower panel) of localized noise (spikes, jumps) in the vertical component Z for December 01-21, 2011 and 2022]
На рис. 10 показано распределение амплитуды идентифицированных помех по времени суток и количества помех в 30-минутных интервалах по времени суток. Здесь также хорошо видно, что в 2022 г. по сравнению с 2011 г. интенсивность появления аномалий в результатах магнитных измерений на обсерватории заметно снизилась. При этом и их амплитуда выше порога в 2-3 нТл также уменьшилась.
Статистика выделенных помех на рис. 10 показывает также, что их амплитуда и частота появления связана с расписанием движения пригородных и пассажирских
поездов, как это было отмечено и по общему уровню скорости изменения вертикальной составляющей Е магнитного поля.
Различие имеется в конце суток, где интенсивность выделенных помех не снижается, как для общего шумового фона. Тем не менее, представленные на рис. 9 и 10 результаты позволяют связать ослабление амплитуды и интенсивности появления помех с 2011 до 2022 гг. именно с изменениями, которые произошли на железной дороге.
Обсуждение и заключение
Результаты исследований, представленные выше, показали, что действительно прогресс в разработке современных магнитометров ведёт к возможности обнаруживать в вариациях магнитного поля небольшие эффекты, которые ранее не могли быть замечены. Обратная сторона этой тенденции - рост значимости слабых помех, что может полностью нивелировать преимущества измерений с высокой чувствительностью. Проблемы с шумами в результатах магнитного мониторинга на обсерватории «Новосибирск» - типичный пример.
2200
- 2000
о
о ст
СО сл
ст
CD С CD О
1800
1600
¿= 1400
о
LLI
1200
8 12 16 Local time, hours
20
24
Рис. 11. Распределение фактического потребления электроэнергии в Новосибирской обл. за сутки в сентябре 2023 г. Каждая метка —потребление за час
[Figure 11. Distribution of actual electric energy usage in the Novosibirsk region per day in September 2023. Each marks is energy usage per hour]
0
4
Одним из существенных источников подобных помех на обсерватории «Новосибирск» является железная дорога на постоянном токе, проходящая в 10 км к западу. Сравнение уровня шума в вертикальной составляющей Е поля
и интенсивности импульсных, хорошо выделяемых помех с амплитудой более 2 нТл с расписанием движения пригородных и пассажирских поездов показало высокую степень корреляции: в период, когда движения по ж/д нет (с 23 до 06 часов местного времени), уровень шума и помех заметно снижается, вероятно, до фонового уровня естественных вариаций поля. Аналогичные выводы на основании подобного распределения делаются в [20]. Тем не менее, такое сравнение в определённой степени формальное, т. е. не исключено наличие других энергоёмких источников, которые могут создавать помехи и мощность которых имеет подобное суточное распределение.
На рис. 11 представлено почасовое суммарное фактическое потребление электроэнергии в Новосибирской области за 1-29 сентября 2023 г. (взято с https://www.atsenergo.ru/results/market/fact_region). График показывает пиковые нагрузки около 06-07 и 16-17 ч. В отличие от распределения дисперсии первых разностей Z здесь отсутствуют резкие фронты, картина более сглаженная, что косвенно может подтверждать реальность связи расписания движения поездов и шумов на обсерватории.
Выполненные в 2006, 2007 и 2012 гг. магнитные наблюдения вдоль профилей протяженностью до 30 км к западу от ж/д, показали, что помехи, предположительно вызванные ж/д, уменьшаются как 1/R, где R — расстояние от ж/д. Подобная зависимость ожидается для линейного проводника с током, если его длина существенно больше расстояния до точки измерений. В нашем случае обсерватория расположена в 10 км от ж/д. С учётом средних расстояний между тяговыми подстанциями постоянного тока до 20 км или 10-15 км при интенсивном движении (см., например, https://lokomo.ru/elektrosnabzhenie/svedeniya-o-tyagovyh-podstanciyah-postoyannogo-toka.html), расстояния 12 км между подстанциями на ст. «Сеятель» и «Бердск» и заметного уменьшения этих значений при движении поезда по перегону, полученная зависимость 1/R требует некоторого обсуждения.
В опубликованных работах встречаются различные оценки. Так, в статье [21] приводятся результаты расчёта эффекта в Z от двухпутевой линии метро протяженностью 25 км, с тяговым током 5 кА, током утечки 600 А, при одновременном нахождении на линии 10 пар поездов. Модельные расчёты сравниваются с реальными измерениями в 7 наземных пунктах, расположенных от 15 до 45 км, с интервалом 5 км. Показано высокое совпадение модельных и измеренных вариаций Z, получена зависимость от расстояния 1/R1-8, т. е. эффект падает как обратный квадрат расстояния. В [2] амплитуда импульсных помех от ж/д на постоянном токе на расстояниях 0.2-5 км от ж/д обратно пропорциональна квадрату расстояния (взято из [3]). R. Pirjola и др. [13] показали, что амплитуда непосредственно измеренных аномалий в магнитном поле на расстояниях R = 0.5 — 5 км от ж/д падает примерно как 1/R1'2, при этом модельные расчёты завышают амплитуду на расстояниях до 2 км и занижают в более удалённых пунктах. На расстояниях свыше 5 км измеренные аномалии малы и их оценка недостоверна. F. J. Lowes [12] считает, что эффекты в магнитном поле, вызванные
токами утечки, в ближней зоне ж/д (сотни метров) могут падать как 1/R, на больших расстояниях — как 1/R2.
Таким образом, полученная в наших измерениях оценка зависимости от расстояния не противоречит результатам других авторов, хотя и охватывает зону до 30 км. Необходимо отметить, что в целом вопросу о геологических и геофизических особенностях района магнитных наблюдений и влияния этих особенностей на распределение амплитуды помех от ж/д в исследованиях уделяется недостаточно внимания. Но на важность этого особо указывал F. J. Lowes [12], отмечая, что структурная пространственная неоднородность электропроводности подстилающих пород может приводить как к усилению аномального магнитного поля из-за токов утечки, т. е. дальнодействующих эффектов, так и к его ослаблению. Например, в статье [5] отмечается, что при измерениях вдоль осадочного бассейна эффект от ж/д в горизонтальной составляющей магнитного поля в пункте с существенно меньшей толщиной осадков оказался заметно больше. Более того, подобное влияние могут оказывать протяжённые технические объекты (заглублённые или расположенные на поверхности), такие как трубопроводы или кабели, действуя как концентраторы токов утечки [12]. В нашем случае подобными концентраторами могут быть разломы, существующие между обсерваторией и ж/д.
Как уже отмечалось выше, в большинстве рассмотренных выше моделей для оценки эффектов в магнитном поле от ж/д игнорировалось геолого-геофизическое строение подстилающих пород. Считалось, что ток утечки уходит в нижнюю полусферу на бесконечное расстояние, поэтому им можно пренебречь, либо рассматривалось поле токов утечки в однородно проводящей нижней полусфере [12]. Однако геоэлектрический разрез обычно более сложен. В частности, в районе, где расположена обсерватория «Новосибирск», он представлен двумя слоями с заметно различающимся удельным электрическим сопротивлением (УЭС): верхний слой рыхлых отложений с УЭС 15-30 Ом-м мощностью в первые десятки метров и подстилающим слоем высокоомных кристаллических пород с УЭС 800-4000 Ом-м [18]. В этом случае токи утечки не смогут уйти на большую глубину, а будут растекаться преимущественно по поверхности. Эти токи утечки, текущие в приповерхностном слое, будут создавать магнитное поле, дающее вклад в горизонтально ориентированные компоненты поля, Bxy = Цо]/2, где ц0 = 4п ■ 10-7 Гн/м - магнитная постоянная, j - линейная плотность тока. Заметим, что в [12] было сформулировано утверждение, что при любом распределении проводимости по глубине (без латеральной составляющей) токи утечки дают вклад только в горизонтально ориентированные компоненты поля.
Необходимо учитывать, что каждый элемент ж/д является источником токов утечки, которые стремятся вернуться к тяговой подстанции. В таком случае мы имеем совокупность источников тока вдоль железной дороги и один сток (тяговая подстанция). В простейшем случае можно считать, что эти источники распределены вдоль дороги линейно и имеют одинаковую интенсивность. В работе [14] обсуждаются более реалистичные модели, но показано, что их
различие с моделью линейно распределенных токов утечки несущественно. Поверхностная плотность тока, создаваемая таким элементарным источником длиной dL, определяется полным током утечки ¡о, расстоянием до обсерватории г и длиной активного участка железной дороги между тяговой подстанцией и электровозом Ь, ]+ = ¿Птт. Плотность тока, создаваемого стоком, определяется аналогичной формулой = .
Предположим для простоты, что перегон, по которому происходит движение поезда, является прямой, направленной вдоль оси х, причем минимальное расстояние до обсерватории у0 достигается на расстоянии х0 от тяговой подстанции. Тогда ориентация векторов плотностей тока утечки задается расположением их источников ] + = ]+(_(% _ х0)/т,у0/т), а ориентация вектора плотности тока стока является постоянной, т. к. относительное положение тяговой станции и обсерватории являются постоянными ]_ = ]_(_х0/т0,_у0/т0). Суммарный вектор плотности тока можно найти, сложив вектора плотностей тока всех элементарных источников тока и стока ] = ] _ + | dj+. Данные токи будут создавать горизонтально ориентированное поле.
Ток компенсации 1с направлен горизонтально от стока к источникам тока вдоль рельсов [12]. Этот ток компенсирует токи утечки и создает вертикально направленное магнитное поле. Для каждого элементарного участка длиной dL оно может быть определено по закону Био-Савара-Лапласа dBz = тцо4пТ25те, где зтб = у0/т, а ток компенсации при равномерном распределении тока утечки вдоль активного участка железной дороги можно представить в виде 1с = 10(1 _ х/Ь). Суммарное поле от всех элементов получаем по формуле В2 = | dBz. Заметим, что при полевых измерениях наблюдались вариации модуля полного вектора, а не компонент поля. Как известно, его вариации связаны с вариациями компонент следующим соотношением dF = + Н^Н. В нашем случае вариации полного вектора могут быть определены по формуле dF = + НВхусоз(а), где а - угол между горизонтальной компонентой Н и полем токов утечки Вху.
Были выполнены модельные расчёты при следующих параметрах: ток утечки 10 = 500 А, х0 = 4 км, минимальное расстояние до ж/д менялось в диапазоне от 1 до 30 км.
Результаты расчёта магнитного поля, создаваемого таким поверхностным током, представлены на рис. 12 и показывают, что на расстоянии 10 км поверхностные токи способны создать магнитное поле амплитудой 5 нТл. Штрих-пунктирной прямой на графике показана зависимость, обратно пропорциональная расстоянию до ж/д. Видно, что на расстояниях более 5 км модель хорошо ей соответствует. Вертикальная составляющая, создаваемая током компенсации, падает с увеличением расстояния гораздо быстрее: на расстоянии 1 км от ж/д она близка по модулю к полю токов утечки, но с увеличением расстояния она все ближе к обратной квадратичной зависимости и на расстоянии в 10 км её модуль падает до 1 нТл.
Заметим, что вклад токов утечки в модуль полного вектора существенно зависит от ориентации его поля относительно горизонтальной компоненты.
с CQ
10
10
R, km
Рис. 12. Зависимость модельного магнитного поля от расстояния до железной дороги
[Figure 12. Dependence of the model magnetic field on the distance from the railway]
На рис. 12 показаны три кривые, соответствующие значениям угла а = 0, 45, 90°. В первом случае вклад поля токов утечки в вариации полного вектора максимален, в последнем - отсутствует. Как видим, результаты реальных измерений (за исключением результатов 2006 г.) находятся внутри диапазона возможных значений поля согласно модели. Тем не менее, модельные представления расходятся с реальной картиной, т. к. на обсерватории основные помехи наблюдаются в Е, а не в горизонтально ориентированных составляющих. С другой стороны, существует несоответствие между реальным геолого-геофизическим строением местности и нашей упрощённой моделью, не учитывающей наличие разломов в месте расположения обсерватории, Новосибирского водохранилища в непосредственной близости от ж/д, реальной геометрии ж/д и пр. Также надо учитывать зависимость токов утечки от сопротивления заземления рельсов, которое может меняться со временем как из-за эксплуатационных, так и из-за погодных факторов. Таким образом, предлагаемая здесь модель, давая приемлемые оценки амплитуды аномального магнитного поля, всё же не позволяет сделать выводы об источнике помех в вертикальной составляющей.
Важным практическим результатом нашего исследования можно считать демонстрацию заметного различия оценок уровня фонового шума и амплитуды и частоты проявления изолированных помех на обсерватории «Новосибирск», полученных для 2011 и 2022 гг. Фактически, за 10 лет магнитное поле на
NVS стало заметно менее зашумлённым, что напрямую сказалось на качестве и достоверности получаемых и публикуемых через INTERMAGNET данных. Вероятными причинами такого улучшения ситуации с магнитным мониторингом являются мероприятия, осуществляемые на Западно-Сибирской железной дороге, например, замена подвижного состава, обновление путей, тяговой электросети и др., отразившиеся на снижении тока утечки.
Поскольку одна из основных задач данной работы была прагматической -обнародовать результаты сделанных в 2006, 2007 и 2012 гг. магнитных измерений вдоль двух профилей к западу от ж/д и ранее неопубликованных, то некоторые важные моменты здесь не были рассмотрены. Например, в 13 км к северу от обсерватории проходит ж/д из Новосибирска на Кузбасс, электрифицированная постоянным током. Вопрос о том, какую долю обсуждаемых эффектов оказывает эта ж/д, требует специальных исследований. Однако, поскольку начало и окончание движения пригородных поездов практически совпадает с расписанием движения поездов на юг (на Алтай), выводы о корреляции шума и изолированных помех в вертикальной составляющей Z на обсерватории с трафиком ж/д не изменятся. Также не рассматривался вопрос о влиянии движения грузовых поездов на Алтай и Кузбасс.
Авторы понимают, что обсуждаемая проблема влияния ж/д на магнитные измерения представляет скорее академический, чем практический интерес, поскольку не даёт эффективных рекомендаций для обсерватории о том, что же делать в этой ситуации. И можно согласиться с мнением Анне Неска и Яна Реды с коллегами, которые на приведённый выше вопрос дают три ответа: (1) переносить обсерваторию на новое место, (2) пытаться убрать влияние от ж/д, например, переводом её на переменный ток, или (3) "во многих случаях ответ сотрудника обсерватории на проблему шума в данных заключается в том, что с этим просто нужно жить" [10, С. 386].
Благодарность. Авторы выражают признательность всем сотрудникам обсерватории «Новосибирск» ИНГГ СО РАН, которые своим самоотверженным трудом на протяжении многих лет поддерживают мониторинг магнитного поля Земли, обеспечивая непрерывность и высокое качество получаемых данных в непростой ситуации с помехами.
Список литературы
1. Jankowski J., Sucksdorff C. Guide for magnetic measurements and observatory practice. Warsaw: IAGA, 1996. 235 pp.
2. Chaize L., Lavergne M. Signal et bruit en magnetotellurique, Geophysical Prospecting, 1970. vol. 18, no. 1, pp. 64-87.
3. Szarka L. Geophysical aspects of man-made electromagnetic noise in the Earth - a review, Surveys in Geophysics, 1988. vol. 9, pp. 287-318.
4. Margiono R., Yusuf M. On the influence of DC railway noise on variation data from Tangerang geomagnetic observatories / Proceeding Conference on Applied Electromagnetic Technology (AEMT), Lombok, 11 - 15 April, 2014,2014, pp. 27-32.
5. Padua M.B., Padilha A.L., Vitorello I. Disturbances on magnetotelluric data due to DC electrified railway: A case study from southeastern Brazil, Earth Planets Space, 2002. vol. 54, pp. 591-596.
6. Ding X., Li Y., Wu Y., Duan S., Li Z., Yin Y., Pan L.A reduction method for magnetic disturbance caused by DC railway system, Earth Planets Space, 2021. vol.73, pp. 107 https://doi.org/10.1186/s40623-021-01428-x.
7. Chen C.-H., Lin C.-H., Yen H.-Y., Chen C.-R., Jan J.C., Wang C.-Ho, Liu J. Artificial magnetic disturbance from the mass rapid transit system in Taiwan, Terra Nova, 2017. vol.29, pp. 306-311 https://doi.org/10.1111/ter.12277.
8. Chang P.-Y., Hsu H.-L., Lin D.-J. Fikri, A., Puntu J. M. Characteristics of electromagnetic Taiwanese-Railway signals and the signals' influences on magnetotelluric measurements, Terr. Atmos. Ocean. Sci., 2020. vol.31, pp. 589-601 https://doi.org/10.3319/TA0.2020.07.02.01.
9. Дядьков П. Г., Цибизов Л. В., Борисенко Д. А. Методика учета интенсивных промышленных помех при проведении магнитной съемки/ Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. (г. Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.): Междунар. науч. конф.: Сб. материалов в 3 т., Т. 2, 2015, С. 57-62.
10. Neska A., Reda J., Neska M., Sumaruk Y. On the influence of DC railway noise on variation data from Belsk and Lviv geomagnetic observatories, Acta Geophysica, 2013. vol.61, no. 2, pp. 385-403 https://doi.org/10.2478/s11600-012-0058-0.
11. Lingala M., Nelapatla P. C., Arora K. Evaluating the effect of noise from traffic on HYB Magnetic Observatory data during COVID-19 lockdown, Appl. Sci., 2022. vol.12, pp. 2730 https://doi.org/10.3390/app12052730.
12. Lowes F. J. DC railways and the magnetic fields they produce - the geomagnetic context, Earth Planets Space, 2009. vol.61, pp. i-xv.
13. Pirjola R., Newitt L., Boteler D., Trichtchenko L., Fernberg P., McKee L., Danskin D., Jansen van Beek G. Modelling the disturbance caused by a dc-electrified railway to geomagnetic measurements, Earth Planets Space, 2007. vol. 59, pp. 943-949.
14. Pirjola R. Modelling the magnetic field caused by a dc-electrified railway with linearly changing leakage currents, Earth Planets Space, 2011. vol.63, pp. 991-998.
15. Yanagihara K. Magnetic field disturbance produced by electric railway, Memoirs of the Kakioka Magnetic Observatory, 1977. vol. 7, no. Supplement, pp. 17-35; translate to English, p.17-35
16. Tokumoto T., Tsunomura S. Calculation of magnetic field disturbance produced by electric railway, Memoirs of the Kakioka Magnetic Observatory, 1984. vol. 20, no. 2, pp. 33-44; translate to English, p.27-37
17. Хомутов С.Ю., Янчуковский В. Л., Кузнецов В. В., Плоткин В. В. История развития Института геологи и геофизики СО (АН СССР и РАН) и его научных направлений. Новосибирск: Академ. изд-во «Гео», 2010.
18. Горностаева Е. С., Оленченко В. В., Потапов В. В. Строение Шадрихинского разлома (Правобережное Приобье) по данным аудиомагнитотеллурического зондирования/Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. X Междунар. науч. конгр. (г. Новосибирск, 2015 г.): Междунар. науч. конф.: Сб. материалов в 3 т., Т. 2,2014, С. 32-35.
19. Processor Overhauser Sensor - Magnetometer., User Manual: Ural State Technical University, 2004.
20. Santarelli L., Palangio P., De Lauretis M. Electromagnetic background noise at L'Aquila Geomagnetic Observatory, Ann. Geophysics, 2014. vol.52, no. 2, pp. G0211 https://doi.org/10.4401/ag-6299.
21. Xie Fan, Teng Yuntian, Xu Xuegong, Xing Xichun, Hu Xingxing Magnetic perturbation to geomagnetic observation caused by Tianjin railway transit, Acta Seismologica Sinica, 2011. vol. 33, no. 2, pp. 252-261.
Информация об авторах
Сергей Юрьевич ХомутовА - кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, заведующий Геофизической обсерваторией «Паратунка», Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН, с. Паратунка, Камчатка, Россия, © СЖСГО 0000-0002-6231-7041.
Ковалев Александр АлександровичА - младший научный сотрудник Лаборатории (обсерватории) солнечно-земной физики Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, г. Новосибирск, © СЖСГО 0009-0006-0528-6935.
Гвоздарев Алексей Юрьевичй - кандидат технических наук, старший научный сотрудник обсерватории «Паратунка», Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН, с. Паратунка, Камчатка, Россия, © СЖСГО 0000-0002-0196-4712.
Семаков Николай НиколаевичА - старший научный сотрудник Лаборатории (обсерватории) солнечно-земной физики Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, г. Новосибирск, © СЖСГО 0000-0003-4067-5603.
References
[1 [2
Jankowski J., Sucksdorff C. Guide for magnetic measurements and observatory practice. Warsaw, IAGA, 1996, 235 pp.
Chaize L., Lavergne M. Signal et bruit en magnetotellurique, Geophysical Prospecting, 1970, vol. 18, no. 1, pp. 64-87.
Szarka L. Geophysical aspects of man-made electromagnetic noise in the Earth - a review, Surveys in Geophysics, 1988, vol. 9, pp. 287-318.
Margiono R., Yusuf M. On the influence of DC railway noise on variation data from Tangerang geomagnetic observatories, in Proceeding Conference on Applied Electromagnetic Technology (AEMT), Lombok, 11 - 15 April, 2014, 2014, pp. 27-32. Padua M.B., Padilha A. L., Vitorello I. Disturbances on magnetotelluric data due to DC electrified railway: A case study from southeastern Brazil, Earth Planets Space, 2002, vol. 54, pp. 591-596.
Ding X., Li Y., Wu Y., Duan S., Li Z., Yin Y., Pan L. A reduction method for magnetic disturbance caused by DC railway system, Earth Planets Space, 2021, vol. 73, p. 107, https://doi.org/10.1186/s40623-021-01428-x.
Chen C.-H., Lin C.-H., Yen H.-Y., Chen C.-R., Jan J.C., Wang C.-Ho, Liu J. Artificial magnetic disturbance from the mass rapid transit system in Taiwan, Terra Nova, 2017, vol. 29, pp. 306-311, https://doi.org/10.1111/ter.12277.
Chang P.-Y., Hsu H.-L., Lin D.-J. Fikri, A., Puntu J.M. Characteristics of electromagnetic Taiwanese-Railway signals and the signals' influences on magnetotelluric measurements, Terr. Atmos. Ocean. Sci., 2020, vol. 31, pp. 589-601, https://doi.org/10.3319/TA0.2020.07.02.01.
Dyadkov P. G., Tsibizov L. V., Borisenko D. A. Method of the intensive industrial noise reduction during magnetic survey, in Proc. INTEREXPO GEO-SIBERIA 2015, Novosuibirsk, 2015, vol. 2, No. 2. pp. 57-62 (In Russian).
Neska A., Reda J., Neska M., Sumaruk Y. On the influence of DC railway noise on variation data from Belsk and Lviv geomagnetic observatories, Acta Geophysica, 2013, vol. 61, No. 2, pp. 385-403, https://doi.org/10.2478/s11600-012-0058-0.
Lingala M., Nelapatla P.C., Arora K. Evaluating the effect of noise from traffic on HYB Magnetic Observatory data during COVID-19 lockdown, Appl. Sci., 2022, vol. 12, p. 2730, https://doi.org/10.3390/app12052730.
Lowes F. J. DC railways and the magnetic fields they produce - the geomagnetic context, Earth Planets Space, 2009, vol. 61, pp. i-xv.
Pirjola R., Newitt L., Boteler D., Trichtchenko L., Fernberg P., McKee L., Danskin D.,
Jansen van Beek G. Modelling the disturbance caused by a dc-electrified railway to
geomagnetic measurements, Earth Planets Space, 2007, vol. 59, pp. 943-949.
Pirjola R. Modelling the magnetic field caused by a dc-electrified railway with linearly
changing leakage currents, Earth Planets Space, 2011, vol. 63, pp. 991-998.
Yanagihara K. Magnetic field disturbance produced by electric railway, Memoirs of the
Kakioka Magnetic Observatory, 1977, vol. 7, No. Suppl, pp. 17-35.
Tokumoto T., Tsunomura S. Calculation of magnetic field disturbance produced by electric railway, Memoirs of the Kakioka Magnetic Observatory, 1984, vol. 20, No. 2, pp. 33-44. Khomutov S.Y., Yanchukovsky V. L., Kuznetsov V.V., Plotkin V.V. Novosibisk JIMS - KGFO «Klyuchi» (history of establishment and development), in The history of the development of the Institute of Geology and Geophysics SB (USSR Academy of Sciences and RAS) and its scientific directions Novosibirsk, 2010, pp. 697-709 (In Russian).
[18] Gornostaeva E. S., Olenchenko V. V., Potapov V. V. Structure Shadriha fault by result of the audiomagnetotelluric sounding, in Proc. INTEREXPO GEO-SIBERIA 2014, Novosuibirsk, 2014, vol. 2, No. 2. pp. 32-35 (In Russian).
[19] Processor Overhauser Sensor - Magnetometer. User Manual, Ural State Technical University, 2004, pp. 1-21.
[20] Santarelli L., Palangio P., De Lauretis M. Electromagnetic background noise at L'Aquila Geomagnetic Observatory, Ann. Geophysics, 2014, vol. 52, No. 2, pp. G0211, https://doi.org/10.4401/ag-6299.
[21] Xie Fan, Teng Yuntian, Xu Xuegong, Xing Xichun, Hu Xingxing Magnetic perturbation to geomagnetic observation caused by Tianjin railway, Acta Seismologica Sinica, 2011, vol. 33, No. 2, pp. 252-261 (In Chinese).
Information about authors
Khomutov Sergey Yur'evichA - Cand. Sci. (Phys. & Math.), Head of Geophysical Observatory Paraunka, Institute of Cosmophysical Research and Radio Wave Propagation FEB RAS, Paratunka, Kamchatka, Russia, B ORCID 0000-0002-6231-7041
Kovalev Alexander Alexandrovic^t - junior researcher, Research Laboratory (Observatory) Solar-Terrestrial Physics, Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics of SB RAS, Novosibirsk, © ORCID 0009-0006-0528-6935
Gvozdarev Alexey Yur'evichA - Cand. Sci. (Tech.), senior researcher, Geophysical Observatory Paraunka, Institute of Cosmophysical Research and Radio Wave Propagation FEB RAS, Paratunka, Kamchatka, Russia, © ORCID 0000-0002-0196-4712
Semakov Nikolay Nokolaevich^ - Cand. Sci. (Phys. & Math.), senior researcher, Research Laboratory (Observatory) Solar-Terrestrial Physics, Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics of SB RAS, Novosibirsk, © ORCID 0000-0003-4067-5603.
