CC BY
77
УДК 550.388.2
А.Ю. Белинская, С.Ю. Хомутов АСФ ГС СО РАН, Новосибирск
ВОЗМУЩЕНИЯ ИОНОСФЕРЫ НАД НОВОСИБИРСКОМ, ВЫЗВАННЫЕ ПУСКАМИ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ С КОСМОДРОМА БАЙКОНУР
A.Yu. Belinskaya, S.Yu. Khomutov
Altay-Sayan branch of Geophysical Survey SB RAS
Geophysical observatory «Klyuchi»
THE DISTURBANCES OF THE IONOSPHERE ABOVE NOVOSIBIRSK DURING LAUNCHES OF THE ROCKETS FROM BAIKONUR
The results of the ionospheric observations on Geophysical observatory «Klyuchi» (Novosibirsk) during the rocket launches from Baikonur are presented. The «ionospheric holes» and the travelling ionospheric disturbances generated by launches and flights of the heavy rockets were detected.
Ионосфера - это переходная область от Земли к Космосу, ионизированный слой, защищающий нашу планету от жестких излучений, а также важное звено в системе радиосвязи. До недавнего времени свойства ионосферы рассматривались только в связи с воздействиями солнечной активности и космических лучей. Однако исследования последних лет показали, что эта часть атмосферы реагирует и на природные процессы на Земле (вулканическая деятельность, цунами, землетрясения) и на техногенные события (например, запуск космических аппаратов).
Механизм воздействия работающих двигателей ракет-носителей (РН) на околоземное пространство (ОКП) условно делят на три группы [1]:
1) Засорение ОКП, например, облака мелкодисперсных обломков и конденсата;
2) Химическая модификация атмосферы продуктами сгорания топлива ракет. При этом наблюдают значительное падение электронной концентрации Ne в F-области (когда ракета входит на высоты 200-400 км). Называют это явление «ионосферная дыра», и оно имеет размеры в десятки и сотни километров и время жизни от десятков минут до нескольких часов. Уменьшение Ne связано с рекомбинацией молекулярных ионов кислорода с молекулами воды, азота и углекислого газа;
3) Волновая модификация окружающей среды:
- Генерация факелом ракеты волн в нейтральном газе;
- Возбуждение неустойчивостей и волн в плазме и взаимодействие их с потоками заряженных частиц;
- Генерация ударно-акустической волны (УАВ), возникающей при пролете ракеты на горизонтальном участке траектории.
Воздействие первого фактора на ионосферу традиционными радиофизическими методами не обнаруживается. Однако при запусках космических аппаратов они позволяют регистрировать и изучать крупномасштабные эффекты, такие, например, как падение N в слое Б2, а также в ряде случаев уверенно детектировать перемещающиеся ионосферные возмущения (ПИВ), генерируемые УАВ. Стандартный метод вертикального зондирования (ВЗ) дает возможность фиксировать модификацию ионосферы, связанную с пусками РН, в том числе:
1) Изменение критической частоты слоя Б2 (1^2), величина которой хорошо коррелирует с величиной №;
2) Волновые вариации значений 1^2, вызванные широким спектром акустико-гравитационных волн, которые в свою очередь были возбуждены УАВ;
3) Регистрация ПИВ, которая, правда, существенно зависит от состояния верхней атмосферы и расположения ионозонда относительно траектории полета [2].
На Геофизической обсерватории «Ключи», расположенной вблизи г. Новосибирск (54°50' с.ш., 83° 14' в.д.), наблюдения за состоянием ионосферы ведутся с помощью цифрового ионозонда «Парус» [3]. В периоды пусков РН ионозонд работал в интенсивном режиме ВЗ, обычно с интервалом зондирования 20 с (при стандартном мониторинге 1 раз в час), в результате получены цифровые ионограммы, с которых сняты стандартные характеристики, рекомендуемые ИКБ1, а также получены оценки особых состояний ионосферы, проявившиеся на ионограммах.
Информация о пусках РН с космодрома Байконур (460 с.ш. 630 в.д., расстояние до Новосибирска около 1 700 км; информация получена с сайта Роскосмоса http://www.roscosmos.ru), во время которых проводились ионосферные измерения, представлена в табл. 1.
Таблица 1
№ п/п Дата Время ит Типа РН Падение 2-й ступени
1 30.03.2006 02:30 Союз-ФГ (средний класс) Алтайский край, Республика Алтай
2 10.10.2007 13:22 Союз-ФГ (средний класс) Алтайский край, Республика Алтай
3 26.10.2007 07:35 Протон-К с РБ (тяжелый класс) Томская обл.
4 *17.11.2007 22:40 Протон-М (тяжелый класс) Алтайский край, Республика Алтай
5 14.12.2007 13:17 Союз-ФГ (средний класс) Пермская обл.
6 *23.12.2007 07:12 Союз-У (средний класс) Алтайский край, Республика Алтай
7 *25.12.2007 19:32 Протон-М(тяжелый класс) Томская обл.
8 *11.02.2008 11:33 Протон-М(тяжелый класс) Республика Алтай
9 15.03.2008 23:18 Протон-М с РБ Алтайский край, Республика Алтай
Пуски, помеченные в таблице символом «*», не использовались для анализа, так как в это время в ионосфере наблюдались сильные возмущения, которые начинались еще до пуска РН и не были с ним связаны. Геомагнитная обстановка во время остальных наблюдений была спокойной.
На рис. 1 представлены вариации критических частот (слева) и действующих высот (справа) основных ионосферных слоев и следов ПИВ. Нулевой момент времени на графиках соответствует моменту старта РН с космодрома. Подробный анализ каждого запуска приведен ниже.
6 5 4 3 2 1
0 1 время, час
01
время, час
400 300 200 100
Рис. 1. Критические частоты и действующие высоты ионосферных слоев, следы ПИВ. Сплошная вертикальная линия - момент старта РН
30.03.2006 г. измерения проводились каждые 15 мин. Через 30 мин после старта было уменьшение 1^2, что свидетельствует о падении N в высоком ионосферном слое, т. е. явление «ионосферной дыры». Подобное уменьшение повторилось через 1.5 часа. Через 45 мин наблюдалось повышение 10Б1, т. е. возрастание N в слое Б1, с одновременным падением N в спорадическом слое Es. В это же время возросла высота слоя Б2, а высота слоя Es уменьшилась. Такое поведение характеристик ионосферы можно интерпретировать, как проявление акустико-гравитационных волн, генерированных УАВ.
10.10.2007 г. через 26 мин наблюдалось понижение 1^2. Через 5 мин после старта на ионограммах появились следы ПИВ. Их появление можно связать с отделением 2 ступени РН над Алтайским краем, которое произошло через 287 с после старта. Через 30 мин опять наблюдалась «ионосферная дыра» в слое Б2.
26.10.2007 г. был старт РН тяжелого класса с траекторией полета наиболее близкой к обсерватории «Ключи». Через 40 мин после старта упала электронная концентрация в слое Б2 и возросла в слоях и Es, т. е. произошла кратковременная перестройка в вертикальном профиле ионосферы. Кроме того, через 2 мин после старта наблюдались следы ПИВ в виде «крючков» и наклонных отражений. 1 ступень отделилась через 127 с над Карагандинской областью, а 2 ступень - через 338 с над Томской областью. Во время этого пуска ионосфера реагировала особенно бурно.
14.12.2007 г. через 45 мин после старта наблюдалось возрастание 1^2, через 12 мин и через 30 мин на ионограммах наблюдались наклонные отражения, а более чем через 1 час - следы ПИВ. Через 15 мин возрастала высота Б2, еще один пик был через 25 мин после первого повышения. Это можно интерпретировать как проявление УАВ. Во время этих наблюдений высокая концентрация в слое Es сменилась на низкую именно после старта РН.
15.03. 2008 г. старт был ранним местным утром. Проявлений полета РН через ионосферу нами не было отмечено.
Таким образом, результаты вертикального зондирования ионосферы в Новосибирске во время запусков РН с космодрома Байконур позволяют сделать следующие выводы:
- После старта РН наблюдаются «ионосферные дыры» в слое Б2, за исключением 14-15 марта 2008 г., когда эффект был кратковременный и появился только через один час после события;
- После пролета РН на ионограммах фиксируются проявления ПИВ в виде специфических следов («крючков») и наклонных отражений, которые можно связать с отделением ступеней РН;
Особенно заметно ионосфера прореагировала на старт 26 октября 2007 г. РН «Протон-К» с разгонным блоком, траектория полета которой проходила через Карагандинскую и Томскую обл.
В целом, экспериментальные данные показывают, что после запуска РН в течение примерно одного часа происходит частичная перестройка структуры ионосферы, которая проявляется в возникновении волновых возмущений ионосферы различного масштаба.
Благодарности. Авторы выражают благодарность операторам ионозонда «Парус» Н.Ф. Ващенко, Г.В. Ивлевой, В.П.Мухортовой и Н.А. Шакировой за оперативную и качественную обработку первичных ионограмм. Работа выполнена при частичной поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 16 «Изменение окружающей среды и климата: природные катастрофы», часть 3 «Солнечная активность и физические процессы в системе Солнце-Земля» (госконтракт с ИСЗФ СО РАН).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. -Иркутск: ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН, 2006. - 480 с.
2. Нагорский П.М., Таращук Ю.Е. Искусственная модификация ионосферы при стартах ракет, выводящих на орбиту космические аппараты // Изв. вузов. Физика. - 1993. - Т. 36. - № 10. - С. 98-107.
3. Белинская А.Ю., Колесник С.А., Хомутов С.Ю. Создание банка данных вертикального зондирования ионосферы на Геофизической обсерватории «Ключи», позволяющие решать задачи программы «Космическая погода» // Байкальская молодежная научная школа по фундаментальной физике, VI Сессия молодых ученых «Волновые процессы в проблеме космической погоды», Программа и тезисы докладов. Иркутск, 15-20 сентября 2003 г. - Иркутск, 2003. - С. 51.
© А.Ю. Белинская, С.Ю. Хомутов, 2009
