УДК 551.510.535;551.594
ИОНОСФЕРНЫЕ ПРЕДВЕСТНИКИ УСИЛЕНИЯ УЕДИНЕННЫХ ТРОПИЧЕСКИХ ЦИКЛОНОВ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВ ИКБ-1300 И КОСМОС-1809
© 2015 г. В. М. Костин13, Г. Г. Беляев1, Б. Бойчев2, Е. П. Трушкина1, О. Я. Овчаренко1
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН),
г. Москва, г. Троицк
2Институт космических исследований и технологий Болгарской академии наук, София 3Государственный университет управления, г. Москва e-mails: belyaev@izmiran.ru; boytchev@bas.bg; kostin@maryno.net Поступила в редакцию 02.07.2014 г.
После доработки 18.08.2014 г.
Выполнен анализ ионосферных параметров, позволивший выделить ряд последовательных стадий развития уединенных тропических циклонов (ТЦ). Использованы экспериментальные данные со спутников "Космос-1809" и "Интеркосмос Болгария-1300" при пролетах над несколькими десятками ТЦ. Первая стадия развития ТЦ — резкое усиление высотной грозовой активности, вызванной как тропическим возмущением, так и тропической депрессией. На этой стадии за сутки до формирования тропического шторма или даже урагана I категории ночью в верхней ионосфере наблюдаются каверны плотности плазмы размером в несколько сотен км. Вторая стадия, характерная для ТЦ, достигающих интенсивности I—II категории — смещение широкого максимума плотности плазмы в верхней ионосфере с геомагнитного экватора в область, центр которой по силовой линии геомагнитного поля проецируется до высот 200—230 км на широте ТЦ. Третья стадия, характерная для ТЦ III—V категорий, — формирование около зенита ТЦ дополнительного пика Ne (шириной до 1000 км), включающего в себя возмущения ANe и сопровождающегося электростатическими колебаниями на циклотронных частотах H+, He+ и на частоте нижнегибридного резонанса, а также электрическими полями, проецирующимися в магнитосопряженную область. Детально рассмотрен случай, когда ТЦ IV категории Harry пересекал о-в Новая Каледония. Показано, что в данном случае, вероятно, произошло меридиональное отклонение восходящей струи нейтральных частиц.
DOI: 10.7868/S0016794015020121
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время основные физические процессы, приводящие к формированию ураганов или тайфунов, достаточно хорошо известны, например, [Голицын, 2008; Holton et al., 2003]. Всемирная Метеорологическая Организация (ВМО) предоставляет информацию о циклонах, полученную в центрах, контролирующих их динамику. Развернута сеть спутниковых систем. Предложены десятки моделей для расчета движения циклонов. Все эти материалы и ссылки на работы можно найти на сайтах http://www.wmo.int, http://cli-mate.gstc .nasa.gov, http://www.nhc .noaa.gov/climo, http://www.usno.navy.mil. Ниже в статье приводятся ссылки только на приоритетные работы.
К сожалению, метеорологи не учитывают влияние ионосферы на циклонические процессы, считая их малыми. Вместе с тем, как показано в работе [Данилов и др., 1987], ионосфера является чувствительным индикатором мощных метеорологических процессов. Ранее в ряде работ рассматривалось электрическое поле над очагами
мощных грозовых разрядов и прохождение его в ионосферу [Kelley et al., 1985; Hegai et al., 1990; Pulinets et al., 2000; Исаев и др., 2002]. Влияние на ионосферу грозовой активности и возникающих внутренних гравитационных волн рассматривалось на ряде международных конференций. Например, материалы одной из них представлены в специальном выпуске журнала J. Atmos. Solar-Terr. Phys. [Effects of Thunderstorm Activity ..., 1998]. Роль электромагнитных взаимодействий в динамике мощных атмосферных вихрей обсуждалась в работах [Артеха и др., 2003; 2013].
Структуру ионосферы над ТЦ в настоящее время изучают с помощью ракетного зондирования [Ванина-Дарт и др., 2008], томографического зондирования как с низкоорбитальных спутников [Ванина-Дарт и др., 2011], так и навигационной системы GPS [Захаров и Куницын, 2012; Захаров и др., 2012]. Ранее было показано, что модификация КНЧ-ОНЧ колебаний над тропическими циклонами охватывает области большие, чем зона проникновения электрического поля [Mikhailo-
va et al., 2002]. Ретроспективный анализ данных комплексных измерений на спутнике "Космос-1809" таких как КНЧ-ОНЧ-колеба-ния, плотность и температуры плазмы, электрические поля, показал [Исаев и др., 2010; Беляев и др., 2011; Belyaev et al., 2012], что влияние ТЦ на ионосферу значительно сложнее, чем дополнение в модель IRI [Araujo-Pradere et al., 2003].
Показано, что усиление тропического шторма происходит при высокой температуре поверхностных вод океана t > 26°C [Holton et al., 2003]. Дополнительным фактором для его усиления, как полагают, является увеличение количества центров конденсации. Это аэрозоли, пыль, поступающая с материка, (например, пыльная буря в Сахаре вызвала ураган Izabel (2003)) или ионы при ионизации атмосферных газов энергичными частицами различного происхождения [Веретенен-ко и Пудовкин, 1996; Криволуцкий и Репнев, 2012]. Так, усиление урагана Katrina (2005), как считают авторы работы [Бондур и др., 2008], вызвано увеличением потока галактических космических лучей. Такое изменение, возможно, является следствием магнитной бури [Иванов, 2006; 2007].
Целью настоящей работы является поиск возможных предвестников усиления уединенных тропических циклонов. В процессе самоорганизации ТЦ над центром депрессии в тропопаузе формируется высотный антициклон. Восходящая струя нейтральных частиц (конвекция) последовательно достигает высот D, E, F-слоев и выше. В этих случаях в ионосфере можно обнаружить предвестники усиления уединенного ТЦ. Следует отметить, что для взаимодействующих ТЦ, например, тайфуны V-категории Page и Owen (1990), структуры Ne в ионосфере изменяются иначе [Костин и др., 2011].
2. ИСХОДНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ
ДАННЫЕ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
В Болгарии был разработан спутник "Интеркос-мос-Болгария-1300", на борту которого установлены 11 приборов, предназначенных для исследования физических процессов в ионосфере и магнитосфере. Спутник был запущен 7 августа 1981 г. на орбиту с апогеем ~900 км, перигеем ~800 км и наклонением 81.3° и функционировал по 1983 г. Это был первый спутник серии Интеркосмос с трехосной стабилизацией, обеспечивающей хорошее разрешение по времени.
Уникальность измерений со спутника "Ин-теркосмос-Болгария-1300" состояла в том, что они проводились в годы очень высокой солнечной активности. Через 10 лет другой спутник "Космос-1809" также работал в годы максимума солнечной активности (с 18 декабря 1986 г. по 23 мая
1993 г.). Параметры его орбиты: апогей — 980 км, перигей — 950 км, наклонение — 82.5°, период — 104 мин. Так как спутник был солнечно синхронизирован, то все близкие орбиты проходили при одинаковой освещенности ионосферы.
В августе, сентябре 1981 г. в Атлантическом океане наблюдалась целая серия тропических ураганов. Активная фаза сильнейшего из них урагана IV категории Harvey была зарегистрирована 11—19 сентября. Его максимальная скорость была ~215 км/ч, падение давления — 946 гПа. Обычно ураганы в этом регионе развиваются из тропических волн, зарождающихся над антициклоном в Западной Африке.
На рисунках 1, 2 показаны результаты, полученные со спутника "Интеркосмос-Болгария-1300", с учетом динамики развития тропической волны (тропическая депрессия и тропический шторм) до стадии урагана и его разрушения. Данные измерений плотности Ni, Ne представлены в логарифмическом масштабе, а измерений Te, потенциала спутника и ОНЧ-КНЧ-колебаний, зарегистрированных в узкополосных каналах на частотах 140, 1200 и 4900 Гц, — в телеметрических вольтах.
Панель а на рис. 1 за 29.08.1981 г. отражает зарождение тропической волны. Как видно, всплески плотности Ne и провалы Ni (жирная линия) на L = 1.25 отмечены над антициклоном в Западной Африке.
На L = 1.25, по-видимому, наблюдались захваченные свистящие атмосферики (СА) от электрических разрядов в облаке пылевой бури. Качественным подтверждением такой точки зрения являются: каверны плотности Ni без синхронного изменения Те, всплески в ОНЧ- канале Е-4900 Гц, подавление колебаний в КНЧ канале Е-140 Гц и падение потенциала спутника в магнитосопря-женной области.
Типичный провал плотности вблизи магнитного экватора соответствует перестройке ионосферы за вечерним терминатором в период высокой солнечной активности (F10.7 ~ 260).
Панель б на рис. 1 соответствует началу затухания урагана Harvey. Скорость ветра в циклоне уменьшилась до 110 км/ч, а давление повысилось до 995 гПа. В архивных данных (http:// www.nhc.noaa.gov/climo) указывается, что в период с 11 по 15 сентября 1981 г. в стратосфере над ураганом Harvey сформировался мощный антициклон. В течение двух дней после этого центр урагана (36.8° N, 50.6° W) удалялся на север от высотного антициклона (~30° N), на широте которого L = 1.5 наблюдаются флуктуации Ne. Эти флуктуации, как и на панели а, по-видимому, могут быть вызваны интенсивными грозовыми разрядами, сопровождавшимися ливневыми осадками перед разрушением тайфуна [Mikhailova et al., 2002]. В этой области наблюдается необычно значительное падение потенциала
6
ад 5 о
29.08.1981 г.
17.09.1981 г.
Интеркосмос-Болгария-1300
-3.0 т. в.
-6.5 -3.0 т. в. -6.5 -3.0
т. в. -6.5
, , , Ne Ni | L = 125 | Маг. экват.^ - Te а I L = 1.25 Потенциал -ыиг^^ tL = ^^rViSw, t L = 1.5 f Маг. экват. ^ = l;23.
i i i i 140 1 1 1 1 I,,, 1------ 140 i i i i i
1200 , , МРгЛ . , Л. t\ A! i. ii 1200 X <. И/Л, >. ..rx ......л* У
А X . M ± ш ilLft! 1500 iJl J^ 1500 i 1,:. t. , .i h.Ad ^x.f.il.ilil^'
UT 0:45 0:48 0:51 0:54
Ф 20.96 10.35 0.30 -10.96
1 350.93 351.94 352.84 353.74
L 1.22 1.18 1.18 1.29
21:57 22:00 22:03
31.67 21.03 10.36
351.76 353.05 354.07
1.44 1.21 1.14
22:06 22:09 22:12
-.33 -11.00 -21.62
354.97 355.88 356.91
1.18 1.30 1.50
Рис. 1. а — зарождение урагана Harvey над Западной Сахарой (L = 1.25); б — флуктуации электронной компоненты на широте центра высотного антициклона над ураганом (L = 1.5).
18.09.1981 г.
Интеркосмос-Болгария-1300
L = 1.15 + L = 1.21 а i! \ г'Щ f L = 1.52 iV \L = 1.31 U = 1.31 | Маг. экват. Потенциал
tМaг. экват. Te 1 1 1 1
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.