CC BY
53
ISSN 0321-3005 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИИ РЕГИОН._ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ. 2016. № 4
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION. NATURAL SCIENCE. 2016. No. 4
УДК 550.385.3,550.343 DOI 10.18522/0321-3005-2016-4-78-86
АЭРОСТАТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОКОЛОЗЕМНОГО КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
© 2016 г. Х.Д. Канониди, К.Х. Канониди, Т.А. Митрофанова
BALLOON STUDIES OF NEAR-EARTH SPACE
Kh.D. Kanonidi, K.Kh. Kanonidi, T.A. Mitrofanova
Канониди Харлампий Дмитриевич - кандидат физико-мате- Kharlampii D. Kanonidi - Candidate of Physics and Mathe-
матических наук, заведующий сектором магнитно-ионо- matics, Head of the Sector of Magnetic-Ionospheric Interac-
сферных взаимодействий, Институт земного магнетизма, tions, Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere
ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова and Radio Wave Propagation, Russian Academy of Sciences,
РАН, Калужское шоссе, 4, г. Троицк, г. Москва, 142190, Kaluzhskoe Highway, 4, Troitsk, Moscow, 142190, e-mail:
e-mail: kanonidi@izmiran.ru kanonidi@izmiran.ru
Канониди Константин Харлампиевич - старший научный Konstantin Kh. Kanonidi - Senior Researcher, Pushkov Insti-
сотрудник, Институт земного магнетизма, ионосферы и tute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave
распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН, Ка- Propagation, Russian Academy of Sciences, Kaluzhskoe High-
лужское шоссе, 4, г. Троицк, г. Москва, 142190, e-mail: way, 4, Troitsk, Moscow, 142190, e-mail: kkkh@izmiran.ru kkkh@izmiran.ru
Митрофанова Тамара Алексеевна - старший научный Tamara A. Mitrofanova - Senior Researcher, Pushkov Insti-
сотрудник, Институт земного магнетизма, ионосферы и tute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave
распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН, Ка- Propagation, Russian Academy of Sciences, Kaluzhskoe High-
лужское шоссе, 4, г. Троицк, г. Москва, 142190. way, 4, Troitsk, Moscow, 142190.
Рассмотрены основные направления геофизических измерений на высотных дрейфующих аэростатах. Указываются преимущества и недостатки аэростатных исследований. Запуски аэростатов по проекту «Омега» позволили получить согласованные по времени данные об электромагнитных процессах на крайних точках одной магнитной силовой линии. Его продолжением и развитием стал проект САМБО. Эти комплексные исследования позволили выяснить многие вопросы, относящиеся к природе и динамике вторжения энергичных частиц в верхнюю атмосферу Земли. Кроме того, был обнаружен двухступенчатый механизм ускорения авроральных электронов. Подтверждена связь горизонтальной составляющей электрического поля на борту высотных дрейфующих аэростатов с наземными наблюдениями вертикальной составляющей атмосферного электричества. Впервые зарегистрированы суббуря одновременно на борту аэростатов и на поверхности Земли.
Ключевые слова: аэростаты, магнитное и электрическое поле, ионосфера, пульсации, магнитные бури.
The basic directions of geophysical measurements on drifting high-altitude balloons are considered in the article. Indicate the advantages and disadvantages of balloon research. Starts the project balloons "Omega" made it possible to receive the agreed time data on electromagnetic processes at the extreme points of a magnetic line offorce. Its continuation and development was the project "SAMBO ". These comprehensive studies have to figure out many of the issues relating to the nature and dynamics of the invasion of energetic particles in Earth's upper atmosphere. In addition was the discovery of a two-stage mechanism of acceleration of auroral electrons. Confirmed connection of the horizontal component of the electric field on board the drifting high-altitude balloons with ground-based observations of the vertical component of atmospheric electricity. For the first time registered substorm while on board the balloon and on the Earth's surface.
Keywords: balloon, magnetic and electric fields, ionosphere, pulsation, magnetic storm.
Введение плексная физико-геологическая интерпретация
аномального магнитного поля позволяет уточнить
Проведение дрейфующих аэростатных наблю- представление о строении тектоносферы. Аэро-
дений в научно-исследовательских работах берет статные исследования помогают выявить магнито-
начало с 20-х гг. ХХ в. С их помощью проводят сферно-ионосферные и литосферные процессы,
исследования структуры геомагнитного поля в взаимодействие ионосферы и магнитосферы, пове-
пространственной и частотной областях, изучают дение электрического поля околоземного космиче-
процессы формирования магнитных аномалий в ского пространства. Изучение сейсмоактивных,
околоземном пространстве, а последующая ком- геотермальных и вулканических зон, исследования
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
зон техногенной и антропогенной активности — это области, в которых используются аэростаты.
Объекты и методы исследований
Преимущества аэростатных измерений. Атмосферный слой между земной поверхностью и ионосферой (высота 20—28 км) является важным и сложным звеном цепи литосфера - ионосфера — магнитосфера.
В частности, проблема космических предвестников землетрясений указывает на существенные воздействия процессов в литосфере на плазму ионосферных слоев. Существующие теоретические модели литосферно-ионосферного взаимодействия включают в себя атмосферные электрические поля. Это делает необходимым их измерение с помощью аэростатов. Использование процессов в стратосфере с помощью высотных аэростатов должно существенно повлиять на развитие этих модельных представлений, особенно в свете практического прогноза и мониторинга природных и искусственных катастроф.
Для КНЧ-, ОНЧ-измерений это отсутствие промышленных помех, для измерений электрического поля - избавление от вклада атмосферного электричества, для регистрации полярных сияний - отсутствие засветки от близлежащих поселений, независимо от погодных условий, сокращение фона атмосферного света.
Изучение и мониторинг радиационной обстановки в верхних слоях атмосферы (25—30 км) для стратосферных полетов (авиация).
Мониторинг климатообразующих и экологически опасных районов. Активные эксперименты. Это новое направление исследований верхних слоев в стратосфере связано с искусственно контролируемой инжекцией энергичных частиц и волновых пучков с борта аэростатов. Такие исследования направлены на диагностику малоисследованного района высот (30—50 км), а также на моделирование ситуаций в природе, аналогичных аномальным молниевым разрядам. Важным пунктом этих работ является проблема аномалий озонного слоя - искусственная инжекция в естественных условиях дает возможность воспроизводить ситуацию генерации / уничтожения озона и проверять основные звенья кинематики этих ресурсов.
Рассмотрение вопроса о возможности установки на аэростате экономичного ионозонда для вертикального, наклонного и трансионосферного зондирования не лишено смысла. Методики восстановления пространственной структуры ионосферы и выделения омического затухания на трассах с использованием коррекции модели ионосферы при
NATURAL SCIENCE. 2016. No. 4
организации обработки больших массивов экспериментальной информации позволили бы внести существенный вклад в проблему совершенствования глобальных моделей ионосферы.
Известно, что крупномасштабные явления, такие как землетрясения, извержение вулканов, тайфуны и т.п., приводят к возникновению электромагнитных возмущений в широком частотном диапазоне. Экспериментальные измерения свидетельствуют, что имеют место специфические проявления в вариациях квазипостоянных магнитных и электрических полей и электромагнитных излучений вблизи земной поверхности, в атмосфере и околоземном космическом пространстве.
Недостатком аэростатного метода является ограничение спектрального диапазона за счет атмосферной отсечки (не ниже 15-20 кэВ) и типа частиц (электроны).
Комплекс аэростатных наблюдений. Измерения на борту аэростатов в высоких широтах являются одним из ведущих методов исследования магнито-сферных процессов. Наибольшие возможности в этом отношении представляет изучение процессов вторжения авроральных частиц в высокоширотную ионосферу во время суббурь, сопровождающихся полярными сияниями, возмущениями магнитного поля Земли, поглощением космического радиоизлучения, очень низкочастотными излучениями, тормозным рентгеновским излучением и т. п. Основное достоинство аэростатных измерений энергичных частиц заключается в значительном ослаблении экранирующего действия земной атмосферы. И если космические лучи в искаженном виде все же достигают поверхности Земли, то по частицам магнитосферного происхождения лишь аэростатные измерения аврорального рентгеновского излучения энергичных электронов дали первые результаты прямого измерения потока и энергетического спектра.
Первый советско-французский проект «Омега» [1], цель которого состояла в изучении возмущений околоземного космического пространства путем комплексных одновременных измерений наземными методами и с помощью аэростатов в магнитно-сопряженных районах Архангельская область - остров Кергелен (сопряженность тех или иных районов поверхности Земли обусловлена общей геометрией ее магнитного поля). Название проекта объясняется тем, что силовая трубка геомагнитного поля, «соединяющая» эти районы, по форме напоминает заглавную греческую букву «омега». Сопряженных точек, т.е. точек в различных полушариях, соединенных одной и той же силовой линией, — бесчисленное множество. Уникальность пары Архангельская область - остров
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
Кергелен в том, что оба конца силовой трубки геомагнитного поля приходятся на сушу в субав-роральных зонах, где возмущения магнитосферы Земли наблюдаются чаще, чем в средних широтах, и вместе с тем реже, чем в авроральных (зонах полярных сияний), где иногда вообще трудно разобраться в общей картине явлений.
В период эксперимента «Омега» во второй половине февраля 1971 г. была осуществлена целая серия сопряженных полетов аэростатов в Архангельской области и на острове Кергелен. Полеты были проведены в достаточно возмущенные периоды. Следует отметить, что в 1971 г. впервые в Советском Союзе удалось выполнить на аэростатах прямые измерения электрических полей магнито-сферного происхождения. Комплексные исследования по советско-французскому проекту «Омега» проясняют многие вопросы, относящиеся к природе и динамике вторжения энергичных частиц в верхнюю атмосферу Земли, оценивают взаимосвязь проявлений магнитосферных возмущений, степень их магнитной сопряженности и в конечном итоге дают физическую картину развития бури в околоземном космическом пространстве (пока еще остающуюся неясной). Результаты таких исследований имеют не только общефизическое (гносеологическое) значение. Использование их в прогнозировании возмущенности полярной ионосферы и магнитного поля Земли, в разработке методов увеличения надежности радиосвязи в полярных районах важно для практических нужд.
Запуски аэростатов по проекту «Омега» позволили получить согласованные по времени данные об электромагнитных процессах на крайних точках одной магнитной силовой линии. Один из важных результатов этого проекта - обнаружение микровсплесков аврорального рентгеновского излучения на субавроральных широтах в полуночные и ранние утренние часы по местному геомагнитному времени.
Во время проведения проекта «Омега» выявлено общее подобие вариаций потока тормозного рентгена, совпадающих с магнитными бухтами и усилениями ионосферного поглощения. Микровсплески тормозного рентгеновского излучения, однако, не проявляют сопряженности. Большие всплески соответствуют крупномасштабным высыпаниям, что подтверждается их подобием в сопряженных точках, несмотря на значительное удаление аэростатов по долготе и широте от сопряженных областей, а микровсплески - локальным неустойчиво-стям магнитосферной плазмы при возмущениях.
Естественным продолжением и развитием проекта «Омега» стал проект САМБО (Синхронные авроральные множественные баллонные обсерва-
NATURAL SCIENCE. 2016. No. 4
тории), в ходе комплексных исследований по проекту которого были получены очень интересные результаты, сочетавшие наземные, аэростатные, ракетные и спутниковые методы [2, 3]. На рис. 1 приведено схематическое размещение в аэростатном контейнере электромагнитного комплекса. В ходе этих экспериментов с территории Швеции (г. Кируна, полигон Эсрейндж) осуществлялся запуск французских высотных аэростатов с советской и французской научной аппаратурой, предназначенной для исследования тормозного рентгеновского излучения, свечения полярных сияний и электрического поля. В соответствии с зимним ветровым режимом на высотах 30—40 км аэростаты дрейфовали на восток, проходя над территориями Швеции, Финляндии и Советского Союза, что с учетом определенных интервалов между запусками обеспечивало одновременность и длительность научных измерений вдоль трасс дрейфа аэростатов. Прием радиотелеметрической информации с борта аэростатов осуществлялся в 5 приемных пунктах (Кируна, Апатиты, Шойна, Нарьян-Мар, Хальмер-Ю). Радиолокационное сопровождение аэростатов обеспечивало информацию о их положении в различные моменты времени.
В ходе экспериментов широко использовались наземные методы исследования возмущений околоземного космического пространства на специально организованной сети опорных и экспедиционных пунктов в высоких широтах.
Полеты аэростатов во время САМБО-74 (февраль-март 1974 г.) проходили в период работы спутника «Ореол-2», на котором в рамках программы «Интеркосмос» советские и французские ученые осуществляли, в частности, измерения потоков электронов и протонов различных энергий с целью исследования полярных сияний. В космической части эксперимента участвовал спутник «Интеркосмос-10», на котором ученые социалистических стран, включая СССР, проводили измерения вариаций электрического и магнитного полей, потоков малоэнергичных частиц, концентрации и температуры ионосферной плазмы, очень низкочастотных излучений.
В этот же период на острове Хейса были осуществлены два запуска ракет с аппаратурой для измерения электрического поля, приуроченные к моментам прохождения спутника «Интеркосмос-10» через плоскость магнитного меридиана острова Хейса и полетам аэростатов с аппаратурой для измерения электрического поля.
Комплекс спутниковых, аэростатных, ракетных и наземных исследований, проводившихся по скоординированной программе, обеспечивал возможность одновременного «поэтажного» изучения
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE.
2016. No. 4
причинно-следственных связей процессов, протекающих в магнитосфере и ионосфере Земли.
30т .
Двухмилли метровый нейлоново-кевральный трос с проводящим покрытием
Т1, Т2, Т3? T4 -тефлоновые куски
[ 1 T1 ft '
1 lOm. t
A 1 T2.
M
t ; T3
10т
п\
_T4
необходимо измерять: (1 ) Электрическое поле н ток
Выходное напряжение: 0-5В Разрешен не электрическое поле-ZmB/m
Максимальная высота: 30-35 км Вес полезной нагрузки: ОЛ кг
полезны! данных 10 км Вес источника: 0,5 кг
Рис. 1. Размещение в аэростатном контейнере электромагнитного комплекса / Fig. 1. Accommodation of electromagnetic complex in a balloon container
САМБО-79 был приурочен к проектам европейского спутника ГЕОС-2 и спутника «Интеркос-мос-18».
Такие комплексные исследования позволили выяснить многие вопросы, относящиеся к природе и динамике вторжения энергичных частиц в верхнюю атмосферу Земли, оценить взаимосвязь различных проявлений магнитосферных возмущений и в конечном итоге исследовать физические механизмы, определяющие фазы развития бури в около-
земном космическом пространстве, во многом остающиеся пока неясными.
Для исследования солнечно-магнитосферно-ионосферных связей большое значение имеет измерение электрического поля на разных высотах.
Систему околоземная межпланетная среда -магнитосфера - ионосфера - верхняя атмосфера Земли вправе считать связанной электродинамической системой, поскольку она включает в себя магнитные и электрические поля и ионизованную среду с разной степенью ионизации. По изменению отдельных параметров в одной части системы можно получить представление о состоянии параметров в другой части. В исследовании электродинамической связи между возмущениями в различных частях такой системы особую роль приобретает электрическое поле.
В настоящее время хорошо исследованы крупномасштабные электрические поля магнитосфер-ной конвекции, имеется довольно много работ, посвященных тонкой структуре электрического поля, связанного с дугами полярных сияний и высыпаниями энергичных частиц. Наименее изученными являются среднемасштабные электрические поля, связанные с суббурями и имеющие пространственные масштабы сотни километров и временные -несколько минут.
В силу изменчивости таких полей, статистические методы трудно применимы, а измерения на ракетах и низкоорбитальных спутниках кратковре-менны. Наиболее пригодны для таких исследований измерения методом некогерентного рассеяния и аэростатные измерения. Преимущество аэростатных измерений заключается в их большей чувствительности и селективности.
Достигнуть существенного прогресса в исследовании среднемасштабной структуры электрического поля можно только при наличии обширного комплекса вспомогательных наземных измерений, не исключая однако аэростатные, спутниковые и ракетные измерения электрических полей.
Очень хорошие возможности в этом плане представляют запуски аэростатов с северо-западной части Европы. Трассы аэростатов в этом случае проходят над территорией, где имеется очень плотная сеть наземных станций (Скандинавия, Кольский полуостров, Архангельская область).
Генерация электрических полей в ионосфере в высоких широтах, которая в основном определяет магнитно-ионосферные возмущения, оказывает существенное влияние на условия распространения радиоволн в полярных районах.
В этом плане большое значение придается решению обратной задачи - изучению свойств среды
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
по особенностям распространения электромагнитных волн.
Эта задача успешно может быть решена только при комплексном подходе к изучению среды - наземные наблюдения, аэростатные, ракетные и спутниковые.
Одним из перспективных методов изучения электрических полей магнитосферно-ионосферного происхождения являются измерения вертикальной компоненты электрического поля вблизи поверхности Земли, проводимые сотрудниками ИЗМИРАН и ЛЭМПЗ РИСИ.
Проведенные измерения вертикальной компоненты электрического поля вблизи поверхности Земли одновременно с аэростатными измерения электрических полей изменили общепринятое представление о том, что возмущения электрических полей магнитосферно-ионосферного происхождения можно регистрировать только спутниковыми, ракетными и аэростатными методами.
В дальнейшем продолжение одновременных измерений электрических полей на всех уровнях позволит заложить основу на базе наземных измерений электрических полей возможности нового более эффективного способа краткосрочного прогнозирования магнитных возмущений.
Известно, что пространственно-временная изменчивость атмосферного электрического поля (АЭП) вблизи поверхности в высоких широтах при выполнении условий хорошей погоды достаточно хорошо отражает соответствующие вариации ионосферного потенциала. Это объясняется тем, что в Арктике и Антарктиде, особенно в зимнее время, вблизи земной поверхности существуют устойчивые и достаточно мощные области температурной инверсии и, следовательно, практически отсутствуют турбулентные конвективные токи, которые при отсутствии гроз являются основной причиной вариаций АЭП. Выполнение условий «хорошей погоды» (отсутствие мощной кучевой облачности, осадков, ветра, не превышающего 6 м/с, и поземки) существенно снижает влияние других локальных метеофакторов на вариации АЭП.
Однако процесс проникновения электрических полей из ионосферы через стратосферу к поверхности Земли изучен в настоящее время недостаточно полно, особенно в экспериментальном плане. Характер этого проникновения зависит от пространственных масштабов неоднородности электрического поля, от профиля проводимости атмосферы, изменчивость которого связана с потоками авро-ральных электронов.
Измерения, проведенные во время аэростатного эксперимента САМБО-79 в авроральной и субавро-ральной зонах северного полушария, показали, что
NATURAL SCIENCE. 2016. No. 4
во время интенсивных магнитосферных возмущений, при выполнении условий хорошей погоды вариации напряженности АЭП вблизи земной поверхности в существенной мере отражают динамику ионосферных электрических полей, измеренных с помощью дрейфующих высотных аэростатов.
Во время одного из экспериментов САМБО-79 проводились на аэростате измерения электрического поля и концентрации частиц в спокойных геомагнитных условиях на высоте порядка 36 км в точке с географическими координатами ф=68о22'; Х=26°46' Е.
Полученная абсолютная величина горизонтальной составляющей вектора электрического поля равнялась ~27 мВ/м, а концентрация положительных ионов составляла ~1,6- 102см-3.
В этом полете электрическое поле измерялось двумя парами зондов в виде дисков диаметром 300 мм, покрытых графитом, входное сопротивление усилителя было ~ 1012 Ом. Расстояние между зондами было ~ 6 м. Были зарегистрированы флуктуации электрического поля с периодом 10 мин. Полет проходил в период умеренной активности между двумя суббурями.
Перед началом второй суббури были зарегистрированы пульсации особого типа с периодом 3— 4 с, возможно, связанные с развитием плазменной неустойчивости. Через несколько десятков секунд после вспышки этих короткопериодных пульсаций появились пульсации электрического поля в области частот Pi 2 (T ~ 50 с), которые сопровождались похожими пульсациями в геомагнитном поле. Предполагается существование связи этих пульсаций с западной компонентой конвекционного электрического поля.
Запуски 1979 г. были исключительно удачными. Подтвердились известные результаты измерений амплитуды и ориентации поля в течение суббури, обнаружены бухтообразные изменения амплитуды поля в относительно спокойное время в дневном секторе, пространственные неоднородности поля, регулярные и нерегулярные пульсации. Особый интерес представляют данные измерения электрического поля одновременно на двух аэростатах, разнесенные на 500 км по долготе (5—6 марта 1979 г.). Удалось получить достаточно полную картину поведения электрического поля вблизи разрыва Харанга.
Очень интересные идеи высказаны в работе [4]. В ней отмечается факт существования связи с высокой статистической зависимостью между параметрами солнечного ветра и величиной электрического поля. На основе обратных корреляций между скоростью солнечного ветра, с одной стороны, и электрическим потенциалом ионосферы и галакти-
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
ческой космической радиацией — с другой, делается вывод, что солнечная активность модулирует электрическое поле Земли за счет своего влияния на ионизацию приземной атмосферы, основным источником которой являются галактические космические лучи.
Предлагается ввести в использование дополнительно к существующим геомагнитным индексам геоэлектрический индекс, который должен характеризовать состояние электрического поля.
В средних и низких широтах амплитуда вариаций ионосферных электрических полей много меньше, а интенсивность конвекционных токов в приземном слое атмосферы значительно выше, чем в высоких широтах. Поэтому здесь трудно ожидать корреляции между вариациями напряженности электрических полей, измеренных на поверхности Земли и на аэростатах, поскольку толщина приземного обменного слоя — 2—3 км, а горизонтальный пространственный масштаб конвекционных токовых ячеек — порядка нескольких сотен метров, то в средних и низких широтах для выделения по наземным атмосферно-электрическим данным крупномасштабных вариаций, имеющих ионосферную природу, целесообразно проводить атмосферно-электрические измерения либо на высокогорных станциях, либо с помощью локальной измерительной сети, состоящей из 3—5 станций с характерными базами 5—7 км.
Таким образом, измерение вариаций АЭП вблизи земной поверхности на сети высокоширотных станций может дать важную информацию о пространственно-временной структуре электрического поля в ионосфере. Кроме того, поскольку АЭП является важным погодообразующим фактором [5], исследование закономерностей и механизмов сол-нечно-магнитосферного взаимодействия на АЭП важно для изучения влияния солнечной активности на погоду и климат.
В связи с этим проведение синхронных спутниковых, аэростатных и наземных измерений электрического поля позволит решить следующие научные задачи:
1. Проникновение электрического поля к поверхности Земли. На основе модельного анализа показано, что неоднородности электрического поля в ионосфере, горизонтальный масштаб которых не менее нескольких сотен километров, проникают к земной поверхности, и вызванные ими вариации АЭП могут достигать 20—30 % от среднего уровня, т.е. вполне могут быть зарегистрированы экспериментально. Оценки, сделанные в рамках нестационарных моделей проникновения электрического поля из ионосферы к поверхности Земли,
NATURAL SCIENCE. 2016. No. 4
и результаты экспериментальных исследований показывают, что во время суббурь, особенно вблизи области разрыва Харанга, вариации АЭП могут значительно превышать 30 %. Синхронные измерения электрического поля на спутниках, аэростатах и на поверхности Земли могут послужить основой для экспериментальной проверки характера проникновения к Земле электрических полей с различной пространственно-временной структурой и для обоснования метода наземной диагностики магнитосферных электрических полей.
2. Воздействие солнечно-магнитосферных факторов на высотный профиль проводимости атмосферы. Одним из механизмов воздействия солнеч-но-магнитосферных факторов на высотный профиль АЭП является изменение профиля проводимости на высотах h=50 км потоками солнечных протонов, магнитосферных возмущений. Существует ряд модельных оценок эффективности такого механизма. Однако экспериментально данный вопрос изучен недостаточно. Для достижения прогресса в этом направлении чрезвычайно полезны одновременные измерения электрических полей на искусственных спутниках Земли, аэростатах и вблизи поверхности Земли.
3. Контроль активности тропосферных источников электрических полей. Возмущения АЭП, генерируемые в тропосфере грозовыми, конвекционными и другими локальными источниками, могут проникать в стратосферу, ионосферу и магнитосферу и служить помехой при спутниковых и аэростатных исследованиях электрических полей маг-нитосферной природы. Поэтому для правильной физической интерпретации результатов спутниковых и аэростатных измерений электрического поля целесообразна непрерывная регистрация АЭП вблизи поверхности Земли на сети высокоширотных станций.
Результаты измерения на аэростатах на разных высотах электромагнитных процессов. В 2000 г. совместно с индийскими учеными Института геомагнетизма (г. Бомбей) в экспедиционных условиях в обсерватории Алибас (Индия) был успешно запущен метеорологический баллон с измерителем атмосферного электричества на высоту подъема 25 м. Во время подъема метеорологического шара было проведено 3 контрольных измерения АЭП Ez: на поверхности Земли - 110 В/м; на высоте порядка 10 м - 80; на высоте 25 м — 180.
Полученные результаты показали, насколько существенно земной слой влияет на величину атмосферного электричества Ez. Из результатов других авторов [6] представляет определенный инте-
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII RE
рес проведение на привязном аэростате измерения АЭП до высоты 1 км.
Впервые удалось одновременно зарегистрировать во время эксперимента САМБО вариацию вертикальной составляющей магнитного поля во время суббури (рис. 2) на поверхности Земли и на борту высотного дрейфующего аэростата. Во время измерений вертикальной составляющей магнитного поля аэростат находился вблизи наземного пункта Апатиты, где действовал наземный комплекс измерения вариаций магнитного поля Земли. При сравнении вариаций вертикальной составляющей магнитного поля на высоте 32 км на борту высотного дрейфующего аэростата с вариациями вертикальной составляющей магнитного поля по наземным данным в Апатитах было получено, что амплитуда вариации на борту аэростата была на 38 нТл больше. Основным источником, вызвавшим разницу амплитуд вариаций вертикальной составляющей, может быть электроструя, так как измерения на аэростате приблизились к ней на 32 км. В плане продолжения этих работ интересно иметь возможность получить достаточное количество данных в этом направлении для исследования тонкой структуры полярной электроструи.
Аэростатные градиентные магнитные измерения. Аэростатные градиентные магнитные съемки на высотных дрейфующих аэростатах на высоте 30-40 км могут быть использованы для исследования морфологии аномального магнитного поля и внутреннего строения литосферы Земли. Кроме того, эти измерения на борту аэростатов помогут исследованию структуры геомагнитного поля в пространственной и частотной областях, изучению процессов формирования магнитных аномалий в околоземном пространстве. Одновременно это позволит провести комплексную физико-геологическую интерпретацию аномального магнитного поля, уточнение представлений о строении текто-носферы.
В ИЗМИРАН впервые разработан аэростатный магнитный градиентометрический комплекс, предназначенный для измерения индукции геомагнитного поля, ее вертикального градиента и приращения градиента по вертикали в аэростатном полете на высоте 30-40 км [7].
Комплекс состоит из трех скалярных (ядерно-процессионных) автоматических магнитометров, равномерно разнесенных вдоль вертикальной линии в пределах 6 км. Аэростатный магнитный градиентометр предназначен для изучения морфологии геомагнитного поля и для исследования геолого-геофизических характеристик источников магнитных аномалий и может найти применение для
N. NATURAL SCIENCE. 2016. No. 4
изучения строения и динамики земной коры, а также процессов, происходящих в ней.
Использование аэростатного магнитного градиентометра открывает новые возможности для поиска полезных ископаемых на глубоких горизонтах земной коры.
Рис. 2. Вариация вертикальной составляющей магнитного поля во время суббури: 1 - наземные измерения вариаций вертикальной составляющей магнитного поля (ВСМП) Земли в Апатитах; 2 - аэростатные измерения ВСМП Земли вблизи Апатит на высоте 32 км / Fig. 2. Variation of the vertical component of the magnetic field during substorms: 1 -ground measurements of variations of the vertical component of Earth's magnetic field in Apatity; 2 - balloon measurements of the vertical component of Earth's magnetic field in close proximity to Apatity at a height of 32 km
Возможность аэростатных наблюдений на планетах. В работе [8] рассмотрены баллонные системы, предназначенные для исследования на Земле, Венере и Марсе. Отмечено, что аэростаты могут быть использованы только для исследования атмосфер Земли, Венеры и, возможно, Титана. Атмосфера Марса слишком тонка, основной компонент планет-гигантов - водород.
Помощь аэростатных наблюдений для изучения происхождения жизни. Недавно ученым удалось оживить микроорганизмы в пробах воздуха, взятых аэростатом «почти в космосе» — на высоте 41 км над Индийским океаном. Такие же микробы и
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
грибки в изобилии встречаются в земной почве. В верхних слоях атмосферы их оказалось так много, что ученые заподозрили их космическое происхождение. Есть вероятность, что микробы и грибки вознеслись туда на конвекционных ветрах, но большие шансы у версии о том, что это космический «посев». Это может означать, что на Землю ежегодно «высыпается» целая тонна микроскопических пришельцев из космоса.
Исследования пульсаций вертикальной компоненты геоэлектрического поля чрезвычайно актуальны. Во время аэростатного эксперимента САМБО-76 на ст. Амдерма ^=5,5) при выполнении условий хорошей погоды были установлены закономерности появления и основные особенности пульсаций Ez в диапазонах Pi 1-2 и Pс 1 [9]. В обоих частотных диапазонах наблюдались пульсации Ez двух типов. К первому относятся пульсации Ez, коррелирующие с регулярными или нерегулярными пульсациями в геомагнитном поле и не сопровождающиеся систематическими изменениями уровня Eoz. Ко второму - пульсации Ez, появляющиеся одновременно в обоих частотных диапазо-
Eo
z и не коррелирующие с пульсациями геомагнитного поля.
Диапазон Р1 1-2. За время эксперимента САМБО-76 (февраль-март 1976 г.) зарегистрировано около 70 цугов пульсаций Ez. Длительность каждого цуга — от 160 до 250 с. Амплитуда пульсаций диапазона Ez в большинстве случаев не превышает 20—30 В/м, иногда могут достигать 50—60 В/м. Сопоставление пульсаций Ez первого типа с одновременными записями геомагнитного поля обнаруживает хорошую корреляцию по амплитуде и длительности пульсаций.
Диапазон Рс-1. Амплитуда пульсаций Ez не превышает, как правило, 5 В/м, а основная частота приблизительно вдвое ниже, чем в Н-компоненте. Спектр жемчужин в Ez обычно значительно шире, чем в магнитном поле, что связано, по-видимому, с влиянием на величину Ez большого числа неучтенных в анализе разнообразных факторов.
Полученные экспериментальные данные позволяют предположить существование двух различных механизмов возникновения пульсаций Ez. Один из них, по-видимому, связан с явлениями электромагнитного комплекса (пульсации первого типа), а другой - с атмосферными процессами (пульсации второго типа).
Космический аэростат. Аэростат в виде кольца диаметром около 18 м будет использован при спуске на Землю автоматических управляемых спутников и пилотируемых космических кораблей. Как показали эксперименты, проведенные американ-
NATURAL SCIENCE. 2016. No. 4
скими исследователями, такой космический аэростат способен доставить на Землю подвешиваемый на стропах груз весом ~ 7 т.
Основные результаты
1. Одним из главных результатов всех этапов САМБО было обнаружение двухступенчатого механизма ускорения авроральных электронов - сначала в локальных областях на градиентной границе магнитосферы в кратковременные периоды взрывов активизации, а затем в крупномасштабном электрическом поле.
2. Дан краткий обзор основных аэростатных ге-лиогеофизических исследований.
3. Подтверждена связь горизонтальной составляющей электрического поля на борту высотных дрейфующих аэростатов с наземными наблюдениями вертикальной составляющей атмосферного электричества.
4. Впервые зарегистрирована суббуря одновременно на борту аэростатов и на поверхности Земли.
Литература
1. Жулин И.А. Проект «Омега» // Вестник АССР. 1971. № 10. С. 62-70.
2. Жавков В.А., Жулин И.А., Канониди Х.Д., Капа-ев И.М., Кобзев В.А., Корнилов И.А., Кузьмин И.А., Лазутин Л.Л., Мельников О.А., Пудовкин М.И., Сахаров Я.А., Турбин Р.И., Хрущинский А.А., Щур Л.И., Ющенко В.Ф. Исследования авроральных процессов с помощью групп дрейфующих аэростатов зимой 1974 г. по проекту САМБО // Магнитосферные возмущения и процессы зоны полярных сияний. Апатиты, 1976. С. 7-23.
3. Анисимов С.В., Дмитриев Э.М. Формирование электрического высотного профиля дня // Геомагнетизм и аэрономия. 1994. № 6. С. 205-214.
4. Markson R., Muir М. Solar Wind Control of the Earth's Electric Field // Science. 1980. Ш. 2018, № 4427. Р. 979-989.
5. Герман Дж.А., Голберг Р.А. Солнце, погода и климат. Л., 1981.
6. Дмитриев Э.М., Анисимов С.В. Отклик атмосферного электрического поля на вариацию проводимости в некотором слое // Геомагнетизм и аэрономия. 1994. Т. 34, № 3. С. 97-103.
7. Цветков Ю.П., Ротанова Н.М., Харитонов А.Л. Повысотная структура магнитных аномалий по градиентным измерениям в стратосфере // Геомагнетизм и аэрономия. 2014. Т. 44, № 3. С. 412-418.
8. Blamont J. Ballons on other planets. Scientific Ballooning - II. Proc. Sump. 6 Perspect. Sci. Ballooning During 1980 s, COSPAR 23 rd Plenary meet. Budapest,
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
2-14 June, 1980 // Adv. Space Res. 1981. Vol. 1, № 11. Р. 63—69.
9. Бандилет О.И., Землянкин Г.И., Федоренко Ю.В. Пульсации вертикальной компоненты геоэлектрического поля в диапазонах Pi 1-2 и Pc1 // Геомагнетизм и аэрономия. 1980. Т. 20, № 1. С. 165—168.
References
1. Zhulin I.A. Proekt "Omega" [Project "Omega"]. Vestnik ASSR. 1971, no. 10, pp. 62-70.
2. Zhavkov V.A., Zhulin I.A., Kanonidi Kh.D., Kapaev I.M., Kobzev V.A., Kornilov I.A., Kuz'min I.A., Lazutin L.L., Mel'nikov O.A., Pudovkin M.I., Sakharov Ya.A., Turbin R.I., Khrushchinskii A.A., Shchur L.I., Yushchenko V.F. [Investigations of auroral processes with the help of groups of drifting balloons in winter 1974 to project SAMBO]. Magnitosfernye vozmu-shcheniya i protsessy zony polyarnykh siyanii [Magne-tospheric disturbances and auroral zone processes]. Apatity, 1976, pp. 7-23.
3. Anisimov S.V., Dmitriev E.M. Formirovanie elektricheskogo vysotnogo profilya dnya [Formation of electric vertical profile of the day]. Geomagnetizm i aeronomiya. 1994, no. 6, pp. 205-214.
Поступила в редакцию /Received
NATURAL SCIENCE. 2016. No. 4
4. Markson R., Muir M. Solar Wind Control of the Earth's Electric Field. Science. 1980, vol. 2018, no. 4427, pp. 979-989.
5. German Dzh.A., Golberg R.A. Solntse, pogoda i klimat [The sun, weather and climate]. London, 1981.
6. Dmitriev E.M., Anisimov S.V. Otklik atmosfer-nogo elektricheskogo polya na variatsiyu provodimosti v nekotorom sloe [The response of the atmospheric electric field on the conductivity variation in a layer]. Geomagnetizm i aeronomiya. 1994, vol. 34, no. 3, pp. 97-103.
7. Tsvetkov Yu.P., Rotanova N.M., Kharitonov A.L. Povysotnaya struktura magnitnykh anomalii po gradi-entnym izmereniyam v stratosfere [In high-rise structure of the magnetic anomalies by gradient measurements in the stratosphere]. Geomagnetizm i aeronomiya. 2014, vol. 44, no. 3, pp. 412-418.
8. Blamont J. Ballons on other planets. Scientific Ballooning - II. Proc. Sump. 6 Perspect. Sci. Ballooning During 1980 s, COSPAR 23 rd Plenary meet. Budapest, 2-14 June, 1980. Adv. Space Res. 1981, vol. 1, no. 11, pp. 63-69.
9. Bandilet O.I., Zemlyankin G.I., Fedorenko Yu.V. Pul'satsii vertikal'noi komponenty geoelektricheskogo polya v diapazonakh Pi 1-2 i Pc1 [The pulsations of the vertical component of the geoelectric field in Pi 1-2 and Pc1 bands]. Geomagnetizm i aeronomiya. 1980, vol. 20, no. 1, pp. 165-168.
_11 июля 2016 г. / July 11, 2016
