CC BY
45
УДК 551.594.221
ОБ ОДНОЙ ВОЗМОЖНОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕАКЦИИ МАГНИТОСФЕРЫ НА АКТИВНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ В.К. Ролдугин
Полярный геофизический институт КНЦ РАН
Аннотация
В 1975 г. две независимые телекамеры зафиксировали светящееся пятно размером 12 км и длительностью менее секунды на высоте 100 км над Архангельской областью. Свечение было вызвано антенным пробоем мощного длинноволнового передатчика. В рамках того же физического механизма, к высыпанию частиц из магнитосферы и свечениям могут приводить молниевые разряды.
Ключевые слова:
молния, магнитосфера, высыпание частиц.
Введение
Геофизики многих стран, в том числе и России (в частности, 111 И) проводят эксперименты по воздействию с помощью мощных радиолокаторов на ионосферу и магнитосферу с целью вызвать высыпание частиц и свечение атмосферы. Автор принимал участие в одном из первых экспериментов такого рода [1] в 1975 г. и считает, что достигнутые почти за 40 лет успехи нельзя признать впечатляющими. Результат одного из последних экспериментов [2] следующий: в области нагрева ионосферы мощным передатчиком на частоте 9 мГц при помощи специальной оптики и обработки снимков удалось обнаружить небольшое пятно свечения в Обычно же факт свечения атмосферы под воздействием мощных радиосигналов доказывается корреляционным анализом, т.е. статистически, и к обнаруженному эффекту всегда можно отнестись скептически.
Результаты, полученные во время советско-французского эксперимента «Аракс» в 1975 г., открывали новый подход к нахождению эффективного способа воздействия на магнитосферу для стимулированного высыпания частиц. К сожалению, они не были в свое время опубликованы. Целью данной работы является изложение тех результатов, выводы из них и предложения экспериментов, возможно полезных для работ в направлении активного воздействия на захваченные частицы в магнитосфере.
Стимулированное высыпание частиц во время эксперимента «АРАКС»
15 февраля 1975 г. в магнитосопряженных точках о-ва Кергелен (Архангельская область) проводился эксперимент «АРАКС» с инжекцией вдоль магнитных силовых линий электронного пучка из ракеты, запущенной с Кергелена. В северном полушарии расположились группы исследователей со своими приборами. В частности, было несколько групп, осуществлявших телевизионные наблюдения в деревнях вблизи Карпогор. Небо над ними поделили на отдельные квадраты, и каждая камера была направлена в свой квадрат. Тщательный просмотр отснятой пленки ни на одной из камер не выявил объекта, который можно было бы считать вызванным искусственным пучком электронов.
Телевизионный отряд Полярного геофизического института (111 И) КНЦ РАН располагался в д. Ваймуша с координатами ф= 63°58’28”, А=44°30’52’’. После длительного изучения кинопленки на одном из кадров было обнаружено светящееся пятно примерно круглой формы, с угловым диаметром около 3°. Время кадра пришлось на 247-ю сек. от старта, за 19 сек. до первой инжекции электронов с борта ракеты, поэтому связать пятно с работой электронной пушки невозможно. На следующем кадре пятно видно гораздо слабее. Фотография кадра, взятого из отчета ПГИ № 3928 за 1975 г., который хранится в фонде № 7 Архива КНЦ РАН, (рис. 1, слева).
Группой Киевского государственного университета (КГУ) под руководством В.Н. Ивченко фотографировался тот же участок неба из д. Пачиха (ф=63°37'26", А=44°23'36"), удаленной на 50 км от д. Ваймуши. В.Н. Ивченко любезно предоставил ПГИ копии кинокадров тех моментов,
эмиссии 630 нм.
когда камера ПГИ обнаружила пятно. На них видно, что в то же время и киевская камера зафиксировала светящееся пятно (рис. 1, справа). Скорость регистрации телекамеры в Ваймуше была 4 кадра в секунду, в Пачихе - 6, поэтому длительность свечения составляла около 0.3 сек. Мировое время появления пятна - 1 ч. 40 мин. 06.8 сек. Два пункта имели раздельное электропитание, небо было ясное, поэтому техногенная причина появления светящегося пятна исключается. Отсутствие магнитных возмущений исключает и его авроральное происхождение.
Рис. 1. Телевизионные кадры светящегося пятна в Ваймуше, ПГИ (слева) и Пачихе, КГУ (справа)
Были построены карты проекций пятен с обеих камер на небо при различных предположениях о высоте свечения. Обе проекции совпали при высоте 100 км. Эта высота соответствует вторжению в атмосферу электронов с энергией около 10 кэв. Карта проекций показана на рис. 2. Размер области свечения составлял примерно 12 км. Была также рассчитана и проекция пятна на землю (рис. 3).
Рис. 2. Проекции пятна по изображениям двух Рис. 3. Проекции пятна на землю
камер на ионосферу при разных высотах при задаваемой высоте 100 и 200 км
Во время эксперимента «АРАКС» советской стороной в этом же регионе проводился другой эксперимент под руководством В.М. Чмырёва из московского Института земного магнетизма и распространения радиоволн РАН (ИЗМИРАН). Целью эксперимента было изучение влияния низкочастотного излучения на физические процессы в атмосфере и магнитосфере. Группа ИЗМИРАН использовала сигналы мощного наземного низкочастотного передатчика, расположенного на географической широте около 60° вблизи Архангельска. Импульсы на частоте 12.5 кГц и длительностью 0.5 сек. имели период повторения 3 сек. В Ваймуше велась соответствующая регистрация очень низкочастотного (ОНЧ) излучения на нескольких частотах. Один из каналов соответствовал частоте передатчика 12.5 кГц и имел, естественно, весьма низкую чувствительность.
По давности лет в ИЗМИРАН утеряны регистрограммы ОНЧ излучения, поэтому предлагается схематический рисунок, сделанный автором по памяти (рис. 4).
Время появления светящегося пятна точно соответствует так называемому антенному пробою на архангельском передатчике, при котором большая мощность излучается в широком диапазоне частот. Он хорошо заметен не только на каналах для приема естественного ОНЧ излучения, но и на канале, регистрирующем импульсы передатчика. Антенный пробой (на рис. 4 обозначен как П) возник при неудачной попытке включения передатчика в указанном режиме.
Незадолго перед пробоем на обычных приемных каналах был зарегистрирован свистящий атмосферик (А), из чего можно заключить о существовании магнитосферного дакта вблизи Архангельска в это время. Через некоторое время передатчик заработал в заданном режиме, излучая полусекундные импульсы (И).
Светящееся пятно явилось результатом высыпания захваченных электронов из дакта под воздействием мощного широкополосного импульса.
Высыпание частиц под воздействием молниевых разрядов
Регистрация данного события, конечно, имела весьма малую вероятность. Было бы ошибочным полагать, что высыпания частиц из дакта - очень редкое явлением на Земле, так как никакой антенный пробой не сравнится по мощности и эффективности излучения с молниевыми разрядами. В данном событии высыпание наблюдалось в том же полушарии, что и излучение, но разумно полагать, что высыпание имело место и на другом конце силовой трубки. Поэтому в области, магнитосопряженной с молниевым разрядом, можно ожидать высыпания захваченных частиц.
Подтверждением этой гипотезы послужило сообщение Ю.А. Надубовича [3] из Якутска. В его распоряжении были данные сети фотометрических наблюдений полярных сияний. Ю.А. Надубович обнаружил на записях фотометров кратковременные, порядка секунды, вспышки свечения неба в невозмущенное время. Такие отклонения пера самописца возможны по случайным причинам: удар по столу с самописцем или касание пера дежурным, неосторожная подсветка фотометра фонариком или автомашиной, запуск сигнальной ракеты и пр. Однако Надубович заметил совпадение таких отклонений на записях станций, отстоящих друг от друга на сотню километров, поэтому объяснить их возможно только вспышкой свечения неба на высоте около 100 км.
Это сообщение было проверено по данным фотометрической сети 111 И. Несколько пар таких всплесков было обнаружено на станциях Лопарская, Апатиты, Кемь.
Анализ этих всплесков показал, что они сопровождаются атмосфериками, т.е. естественным радиоизлучением в диапазоне 1-10 кГц. Атмосферики вызываются молниевыми разрядами. Поскольку всплески имели место в зимнее время в высоких широтах, и к тому же в темное время, причиной сопутствующих им атмосфериков могли быть молнии только в южном, летнем полушарии.
В более ранней работе [4] сообщается о фотометрических наблюдениях в Турции миллисекундных световых импульсов. Импульсы наблюдались часто, до нескольких раз в час, зимой много чаще, чем летом, с максимумом в суточном ходе в 16 ч. мирового времени или ранее. Турция магнитосопряжена с африканским центром грозовой активности, которая максимальна там в 16 ч. по мировому времени.
О телевизионном наблюдении светового пятна в северной Финляндии на Ь=5.5 сообщалось в [5]. Оно было зарегистрировано 9 октября 1991 г. Пятно имело диаметр около 10 км.
Рис. 4. Ориентировочная схема регистрограммы ОНЧ излучения во время появления пятна
Существенной особенностью явилась большая длительность свечения - 4 с. Явление сопровождалось свистом (whistler), начальная частота которого составляла 2.5 кГц.
Проект наблюдений высыпаний частиц из магнитосферы при молниевых разрядах
Целенаправленных исследований по изучению высыпаний частиц из магнитосферы при молниевых разрядах пока не проводилось. Такие исследования представляют самостоятельную научную ценность, т.к. позволяют экспериментально определить условия канализации электромагнитных волн в силовые трубки магнитосферы, взаимодействия волны с частицами, образования дактов и их параметры и др. Полученные результаты были бы важны и тем, что могли использоваться при проведении активных экспериментов по воздействию на магнитосферу излучением наземных передатчиков.
Эксперимент по изучению высыпания частиц под действием грозовой активности, на наш взгляд, не представляет особых трудностей. Необходимо в ночное время фиксировать световые всплески фотометрическим и фотографическим способами и параллельно регистрировать ОНЧ излучение. Место эксперимента - область, сопряженная с регионом высокой грозовой активности в южном полушарии. На территории Российской Федерации таким местом может быть Северный Кавказ. Например, район Архыза сопряжен с точкой, координаты которой ф=-30°, А=+49°, это к юго-востоку от Мадагаскара. Частота молний в этом регионе около 1 км2/год. С помощью цифровых камер всего неба и фотометра можно просматривать круг на небе радиусом 150 км. Его площадь: S=nR2=3.14*22500 км2=70650 км2, среднее число молний в круге за сутки - 193, за ночь - около 60.
Сезонный максимум грозовой активности в указанном районе приходится на октябрь-март, что и определяет время проведения эксперимента.
Неясным пока является вопрос о том, какие молнии могут приводить к высыпанию: все или только разряды облако - ионосфера. Представляется, что разряды облако - земля и облако -облако могут различаться по своей эффективности из-за разницы в конфигурации электромагнитного излучения.
Параметры приборов для исследования:
• фотометр всего неба с оптическим фильтром (или без него) с частотой регистрации 20-50 Гц;
• телевизионная камера всего неба с частотой съемки 5-25 кадр/сек.;
• регистрация ОНЧ излучений в диапазоне 0.5-3.0 кГц.
Наблюдения проводятся в ночное время в автономном режиме, утром просматриваются фотометрические записи, интервалы записей со световыми всплесками сохраняются, а остальное (в случае необходимости экономии памяти системы сбора данных) стирается. Длительность эксперимента - 2-4 недели, предпочтителен безлунный период.
ЛИТЕРАТУРА
1. Искусственная инжекция очень низкочастотных (ОНЧ) волн в ионосферу и магнитосферу Земли / В.М. Чмырёв и др. //Письма в ЖЭТФ. 1976. Т. 23, №8. 2. EISCAT observations of pumpenhanced plasma temperature and optical emission excitation rate as a function of power flux / C.J. Bryers, M.J. Kosch, A. Senior, M.T. Rietveld, and T.K. Yeoman // J. Geophys. Res. 2012.Vol. 117, №A09301, doi:10.1029/2012JA017897. 3. Надубович Ю.А. Геофизические условия возникновения коротковременных оптических вспышек излучения ночного неба // Физика верхней атмосферы высоких широт: сб. 1975. Вып. 3. Якутск. С. 134-150. 4. Ogelman H.Millisecond time scale atmospheric light pulses associated with solar and magnetic activity // J. Geophys.Res. 1973. Vol. 78,№ 16. P. 3033-3039. 5. Manninen J. and Turunen T. Intensive short-lived ionospheric optical emission triggered by whistler // Proceedings of the 19th conference on atmospheric studies on August 10-14. Kiruna, Sweden, 1992. P. 161-166.
Сведения об авторе
Ролдугин Валентин Константинович - к.ф.-м.н., старший научный сотрудник института; e-mail: rold_val@pgia.ru
