ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2015, том 55, № 3, с. 370-385
УДК 550.388
ЭФФЕКТЫ ЧЕЛЯБИНСКОГО МЕТЕОРОИДА В ИОНОСФЕРЕ
© 2015 г. Л. Ф. Черногор
Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, г. Харьков, Украина e-mail: Leonid.F.Chernogor@univer.kharkov.ua Поступила в редакцию 30.10.2013 г. После доработки 02.02.2015 г.
Приведены результаты наблюдения возмущений в нижней и верхней ионосфере, сопровождавшие пролет и взрыв космического тела "Челябинск". Эффекты вблизи места пролета метеороида изучались по вариациям полного электронного содержания, регистрируемого GPS-радиоприемниками. Наблюдения за ионосферой на расстояниях ~2000—3000 км осуществлялось при помощи ионозон-дов и измерений фазы и амплитуды радиосигнала на частоте 66.67 кГц на трассе Москва—Харьков. Обнаружены проявления как акустических, так и гравитационных волн, последовавшие за полетом и взрывом космического тела. Обсуждается их связь с пролетом Челябинского метеороида.
DOI: 10.7868/S0016794015030049
1. ВВЕДЕНИЕ
В последнее время проблеме астероидно-ко-метной угрозы уделяется значительное внимание (см., например, [Hazards ..., 1994; Катастрофические ..., 2005; Астероидно-кометная ..., 2010; Черногор, 2012а; Чурюмов и др., 2012]).
Ярким примером подобного события является пролет и взрыв в атмосфере Челябинского метеороида [http://ru.wikipedia.org/wiki/Падение_ме-теорита_ Челябинск].
Метеороид вторгся в атмосферу Земли 15 февраля 2013 г. в 03:20:26 (здесь и далее UT). Космическое тело двигалось примерно с востока на запад (азимут составлял ~270°) под углом к горизонту ~20°, начальная масса тела m0 ~ 11 кт, начальная скорость v0 ~ 18.5 км/с, а начальный диаметр тела d0 ~ 18 м [http://neo.jpl.nasa.gov/fireballs/; http://neo.jpl.nasa.gov/news/fireball_130301.html; http: // www.nasa.gov/topics/solarsystem/features/aster-oidflybyhtml]. Найденные осколки метеорита свидетельствуют о том, что космическое тело представляло собой хондрит типа LL5, в составе которого были металлическое железо, оливин и сульфиты. Остатки тела упали в озеро Чебаркуль и вблизи него.
Взаимодействию метеороидов с атмосферой посвящено большое число работ (см., например, [Бронштэн и Станюкович, 1979; Григорян, 1979; Бронштэн, 1981; Hills and Goda, 1993; Стулов и др., 1995; Кручиненко, 2012]). В них детально изучены особенности движения и разрушения болидных тел в атмосфере. В то же время ионосферно-маг-нитосферные эффекты падения крупных космических тел остаются малоизученными.
Теоретические расчеты и оценки основных физических эффектов, сопровождавших пролет и взрыв Челябинского метеороида, выполнен в статьях [Черногор, 2013а; Chernogor and Rozumenko, 2013]. Отдельные результаты расчетов эффектов приводятся в работах [Черногор, 2013б; Chernogor, 2013]. Основным итогом упомянутых работ является демонстрация того, что обладающее значительной энергетикой Челябинское тело должно было вызвать заметные, а в ряде случаев и сильные, эффекты во всех подсистемах системы Земля—атмосфера—ионосфера—магнитосфера (системы ЗАИМ [Chernogor, 2011]).
Результаты первых наблюдений ионосферных эффектов пролета Челябинского метеороида опубликованы в статьях [Гохберг и др., 2013; Ги-вишвили, 2013; Данилкин и др., 2013]. В первых двух работах сообщается, что метеороид вызвал возмущения в ионосфере, а в последней работе отмечено, что их наличия не обнаружено. Требуется привлечение как других методов диагностики, так и иных методов обработки данных наблюдений.
Цель настоящей работы — изложение результатов наблюдения возмущений в ионосфере, сопутствовавших падению Челябинского метеорита.
2. СРЕДСТВА И МЕТОДЫ 2.1. Сеть ионозондов
Для общего контроля состояния ионосферы использовались ионограммы ионозондов, размещенных как северо-западнее от места взрыва (ст. Москва, ф = 55.5° N, X = 37.3° E), так и юго-
восточнее (ст. Алма-Ата, 43.15° N, 76.54° E). Для оценки возможности распространения возмущений на большие расстояния (R > 3000 км) привлекались измерения на станциях Pruhonice (50.0° N, 14.6° E) и Juliusruh (54.6° N, 13.4° E). Расстояние вдоль земной поверхности от места взрыва до станций Москва, Алма-Ата, Pruhonice и Juliusruh составляло ~1510, 1730, 3145 и 3020 км соответственно. Ионограммы на всех станциях снимались каждые 15 мин.
2.2. Сеть станций GPS
Для радиопросвечивания возмущений, вызванных падением Челябинского метеорита, как и в работе [Гохберг и др., 2013], использовались сигналы спутников GPS. Обработке подлежали сигналы станций TUMP, ARTU и TRIM. Как известно, спутники оказались удобными для изучения пространственно-временной картины возмущений различной физической природы (см., например, [Афраймович и Перевалова, 2006]). При распространении через возмущенную область ионосферы сигналы спутников приобретают дополнительный набег фазы, который пропорционален полному электронному содержанию (ПЭС) в наклонном столбе NL. Из-за относительно малой скорости сканирования (~100 м/с) возмущенной области ионосферы диагностика среды носит пространственно-временной характер. При этом характерный пространственный масштаб (длина волны возмущения) X s может быть оценен из следующей простой формулы: Xs = vsTZilzs, где vs — скорость спутника; Т — период наблюдаемых колебаний. Строго говоря, Xs представляет собой проекцию пространственного масштаба, которая изменяется при изменении траектории ИСЗ по отношению к направлению распространения волнового возмущения (ВВ).
Обработка сводилась к получению зависимости А N L(t) = d ANL(t)/dt. При гармонической зависимости AN L(t) амплитуда колебаний AN Lm = = А N LmT / 2п. Здесь T — период основного колебания; AN Lm — амплитуда колебания А N L(t).
Для анализа выбраны спутники, которые пролетали как вблизи, так и южнее, восточнее и севернее от области взрыва. На рисунке 1 приведены расчетные траектории подыоносферных точек в период времени, близкий к моменту падения космического тела относительно станций наблюдения ARTU, TRIM и TUMP. Положение спутников на орбите определялось по навигационным данным того же дня. В качестве системы координат использовалась система координат с указанием северной широты и восточной долготы в градусах. Заметим, что прямоугольная сетка система
координат сохраняет масштаб расстояний только по долготе.
Удаление GPS-приемников от эпицентра взрыва составляло 240—360 км. Приемники располагались северо-западнее и северо-восточнее от эпицентра взрыва.
Для обнаружения ВВ, сгенерированных пролетом Челябинского тела, анализировались временные вариации производной N L(t). Для этого в каждой расчетной точке определялась не только величина NL, но и оценка ее математического
ожидания NL на временном интервале 3—5 мин. Оценка производной NL по времени рассчитывалось как отношение приращения NL к интервалу времени между соседними измерениями. Для различных радиоприемников интервал времени между измерениями составлял 30, 5 или 1 c.
2.3. Приемно-обрабатывающая система мириаметрового диапазона
Для целей автоматизированного измерения искажений фазы и амплитуды сигналов при их распространении в природном волноводе "Земля—ионосфера" создана приемная система на базе доработанного приемника-компаратора ПК-66 [Черногор и др., 2013]. В качестве зондирующих используются радиосигналы станции РБУ службы эталонных сигналов частоты и времени f= = 66.67 кГц), расположенной вблизи г. Москвы (56.75° N, 37.5° E). Приемная система расположена в г. Харькове (50° N, 36.25° E). Расстояние от места взрыва до середины радиотрассы составляло ~1575 км.
Погрешность значений фазы после обработки экспериментальных данных, как правило, близка к 0.1°—0.3°, а относительная погрешность измерения амплитуды составляет несколько процентов [Черногор и др., 2013].
3. СОСТОЯНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ
Состояние космической погоды контролировалось при помощи измерений концентрации, скорости и температуры солнечного ветра, выполненных на ИСЗ ACE, спутниковых измерений компонент межпланетного магнитного поля и индексов геомагнитной активности (AE, Dst и Kp).
В день пролета Челябинского метеорита концентрация частиц в солнечном ветре не превышала 5 х 106 м-3, их скорость была ~400 км/с, а температура --4 х 104 K.
Компонента Bz межпланетного магнитного поля изменялась в пределах от 0 до -1 нТл. Вариации Dst-индекса не опускались ниже -30 нТл. В дневное время (с 03:00 до 18:00) значения индекса Kp
30 40 50 60 70 80
60
50
G6 —. /
AR Gr?- 4
J G 1» 1 N.G29 \ \ G' 5
G Я8
40
30
40
50
60
70
80
60
50
40
( 16'--^ /
\ G21, TRIM s •
/ \
G18 \
Рис. 1. Траектории подыоносферных точек спутников GPS в интервале времени 02:50—04:50 15 февраля 2013 г. Крестиком отмечено место взрыва метеороида.
изменялись в пределах от 0 до 1, а индекса АЕ — от 30 до 150 нТл.
Таким образом, состояние космической погоды было благоприятным для наблюдения эффектов в геокосмосе, вызванных пролетом и взрывом метеорита.
4. РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ
4.1. Эффекты в нижней ионосфере
Временные вариации фазы ф(?) и амплитуды А(?) ионосферной волны на частоте 66.67 кГц с периодами Т< 5 мин показаны на рис. 2 и рис. 3. Из рисунка 2
Лф, град
13 февраля 2013 г.
1 I
16 февраля 2013 г.
17 февраля 2013 г.
04:00
05:00
ит
Рис. 2. Временные вариации флуктуаций фазы ионосферного сигнала частотой 66.67 кГц станции РБУ (г. Москва) с периодами менее 5 мин в день падения Челябинского тела (15 февраля 2013 г.) и в соседние дни. Вертикальной линией здесь и далее отмечен момент падения космического тела.
видно, что первый цуг колебаний ф(0 продолжи- ~10 мин и амплитудой 6°—7° — через А^ ~ 68 мин. тельностью ~6 мин и амплитудой 7°-8° возник Значения квазипериодов составили ~140 и 200 с через А^ ~ 46 мин, а второй продолжительностью соответственно.
Рис. 3. ВременнЫе вариации амплитуды ионосферного сигнала частотой 66.67 кГц станции РБУ (г. Москва) в день падения Челябинского тела (15 февраля 2013 г.) и в соседние дни.
Следующий цуг колебаний с периодом T ~ В контрольные дни 13, 16 и 17 февраля
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.