ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 5, с. 646-657
УДК 550.388.2
ОТКЛИК ИОНОСФЕРЫ НА ВТОРЖЕНИЕ И ВЗРЫВ ЮЖНОУРАЛЬСКОГО СУПЕРБОЛИДА © 2014 г. Ю. Я. Ружин1, В. Д. Кузнецов1, В. М. Смирнов2
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН), г. Москва, г. Троицк 2 Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, г. Фрязино (Московская обл.)
e-mail: ruzhin@izmiran.ru Поступила в редакцию 15.01.2014 г.
После доработки 26.03.2014 г.
Южноуральский метеороид, который упал в районе Челябинска 15 февраля 2013 г., несомненно является самым документированным в истории. Его прохождение через атмосферу зафиксировано видеозаписями, фотоснимками, визуально наблюдателями, инфразвуковыми микрофонами и сейсмографами на земле и спутниками на орбите. В работе приведены результаты анализа трансионосферного GPS зондирования окрестности взрыва Южноуральского метеороида, которые показали весьма слабый эффект в ионосфере. Обнаружена асимметрия возмущений в ионосфере относительно эпицентра взрыва. Проведено сравнение полученных сигналов как по форме, так и по амплитуде с известными случаями эффектов в ионосфере от наземных взрывов с диагностикой радиосредствами. Показано, что уверенная регистрация ионосферных эффектов в виде акустико-гравитационных волн (АГВ) при вертикальном зондировании и посредством технологий GPS для наземных взрывов зарядов весом 0.26—0.6 кт заставляет нас сомневаться в существующих оценках тротилового эквивалента (вплоть до 500 кт) для Челябинского события. Отсутствие эффектов в магнитном поле и в дальней зоне ионосферы на расстояниях 1500—2000 км от эпицентра взрыва суперболида также ставит вопрос о завышенном эквиваленте. Обсуждается возможный альтернативный вариант — суперпозиция цилиндрической баллистической волны (из-за гиперзвукового движения метеороида) и сферических ударных волн из-за нескольких моментов фрагментации (взрывов) суперболида — как результирующий источник АГВ воздействия на ионосферные слои.
DOI: 10.7868/S0016794014050150
1. ВВЕДЕНИЕ
Ионосфера Земли демонстрирует огромную изменчивость параметров, которые только в среднем контролируются уровнем солнечной активности, но также зависят от множества других трудно идентифицируемых факторов. Ионосферные возмущения выступают естественным индикатором процессов, воздействующих на ионосферу, и в этом качестве представляют практический интерес. Непосредственное же сопоставление теории возмущений в ионосфере с экспериментальными данными возможно, если известны локализация источника волн и время его действия, например, когда возмущения генерируются при воздействии на ионосферу мощных взрывов или инициируются сильным землетрясением. Существует заметное количество экспериментальных фактов по реакции ионосферы на атмосферные и наземные взрывы (в основном промышленные и ядерные) [Сорокин и Федорович, 1982; Blanc, 1985; Адушкин и др., 1994; Fitzgerald, 1997; Calais et al., 1998]. В серии экспериментов "Масса" [Gohberg, 1983; Козин и Сайфутдинов, 1988; Китов и Гох-берг, 1992] проводилась проверка эффективности
воздействия наземных взрывов на ионосферу и моделирование связей в системе литосфера—атмосфера—ионосфера. Аппаратура располагалась как вблизи взрыва (сейсмографы, оптические наблюдения), так и на расстояниях в десятки и сотни километров от взрыва (магнитометры, акустические и радиофизические измерения). Наиболее детальные измерения осуществлены 28.11.1981 г. для взрыва заряда весом 260 т тринитротолуола (ТНТ), проведенного вблизи Алма-Аты. Отклик ионосферы через 8—9 мин был обнаружен на высоте 200 км при регистрации доплеровского сдвига во время радиозондирования на частоте 4.9 МГц. Спутником Aureol 3 были зарегистрированы аль-веновские импульсы на высотах ~840 км с амплитудой ~100 нТл [Гальперин и др., 1985].
С помощью радиопросвечивания сигналами спутников GPS в эксперименте [Fitzgerald, 1997] реакция ионосферы регистрировалась пятью приемниками GPS, расположенными на расстояниях от 50 до 200 км от места карьерного взрыва (1.5 кт). Возмущение зафиксировано только для пар спутник—приемник, для которых спутник находился на юго-западе от взрыва (анизотропия
ионосферного отклика). Возмущение началось через 10—15 мин после взрыва и продолжалось ~30 мин. Амплитуда составила 3 х 1014 м-2 (или 0.03 TECU). Для другого взрыва [Calais et al., 1983] вблизи Нью-Мехико (2 кт) зарегистрирован GPS отклик на 585-ой с после взрыва с STEC = 0.15 TECU. При регистрации сигналов геостационарного спутника на частоте 137 МГц (фарадеевское вращение) из двух приемников эффект проявился только для северного.
Таким образом, отклик в ионосфере для наземного взрыва заряда весом в сотни тонн регистрируется уверенно при помощи радиосредств, и заметно проявляется его анизотропия.
Взрыв болида в атмосфере - это весьма редкое явление, которое особенно важно для исследования эффектов воздействия на ионосферу источниками снизу (атмосферного характера). Исследуемое явление (вторжение суперболида) вызывает интерес и в аспекте проверки существующих теоретических представлений о возмущениях ионосферы, вызванных такими источниками. 15.02.2013 г. в ~9:22 по местному времени (UT +6 ч) жители Курганской, Тюменской, Свердловской и Челябинской областей стали свидетелями пролета яркого болида. Множество видеокамер зафиксировали это явление. Над Челябинском полет космического тела завершился взрывом, видимым с Земли в виде яркой вспышки, за которой последовала мощная ударная волна. Наша задача — выявить отклики ионосферы на это событие и сравнить их с известными фактами и модельными представлениями.
2. ПАРАМЕТРЫ ВЗРЫВА МЕТЕОРОИДА И ФОНОВЫЕ УСЛОВИЯ (ТЕРМИНАТОР,
КАРТА, ГЕОМАГНИТНАЯ ОБСТАНОВКА)
2.1. Параметры метеороида и характеристики его взрыва
На основе анализа данных инфразвуковых станций слежения уже 15.02.2014 г. ученые НАСА обнародовали первые данные о метеороиде: до входа в атмосферу Земли объект был ~17 м в диаметре, массой до 10000 т и двигался со скоростью 18 км/с. Через 32.5 с после входа в атмосферу объект полностью разрушился, в результате чего высвобожденная энергия предположительно составила ~500 кт в тротиловом эквиваленте [http://www.nasa.gov/mission_pages/asteroids/news/ asteroid20130215.html]. По оценке НАСА данное тело существенно превышало по размерам Си-хотэ-Алинский метеорит, и является крупнейшим после Тунгусского метеорита 1908 г. По оценкам ученых России [http://www.utro.ru/articles/ 2013/02/20/1102314.sh tml; http://ria.ru/science/ 20130321/928388033.html] мощность взрыва была существенно меньше (от 40 кт).
Чешскими астрономами, на основе изучения записей камер наблюдений, была реконструирована траектория полета метеороида в атмосфере [Borovicka et al., 2013]. По их данным метеоритное тело вошло в атмосферу со скоростью 17.5 км/с. Самая яркая вспышка произошла над точкой с координатами 54.836° N и 61.455° E на высоте 31.73 км. На высоте 25.81 км тело начало терять скорость, которая сократилась до нескольких километров в секунду.
1.03.2013 г. НАСА стали известны уточненные данные [http://neo.jpl.nasa.gov/fireballs/] по полной светимости суперболида, которая составила E0 = 3.75 х 1014 Дж, или 90 кт, из чего по эмпирической формуле для полной энергии взрыва следует E = 8.2508Дз°'885, что составляет 440 кт. Скорость болида по тем же данным в момент максимальной яркости составила 18.3 км/с. Событие произошло в точке с координатами 54.8° N, 61.1° E на высоте 23.3 км в 03:20:33 по Гринвичу. Оценка массы и характерного размера болида, предполагая значение средней плотности равным 3.6 г/см3, составила соответственно 11000 т и 18 м.
В течение прошедшего 2013 г. появился ряд работ [Popova et al., 2013; Brown et al., 2013; Le Pichón et al., 2013; Emel'yanenko et al., 2013], в которых эквивалент по разным видам измерений оценивается в пределах 40 кт —1.4 Мт. Таким образом, можно ожидать, что эффекты в ионосфере от вторжения метеороида должны быть весьма заметные для обнаружения их радиосредствами.
2.2. Состояние ионосферы и геомагнитная обстановка
Расчеты показывают, что в момент взрыва болида Солнце для трассы Москва—Челябинск было под горизонтом. Угол погружения для Москвы составил 14°, и граница тени была на высоте ~200 км. На рисунке 1 показано состояние ионосферы в ТЕС (IONEX технология) на момент вторжения. Отмечены штриховыми линиями долготы Чебарку-ля (высота тени — 500 м) и Москвы (высота тени — 195 км). Судя по карте распределения ТЕС, ионосфера была в значительной мере спокойной (невозмущенной), что удобно для поиска волновых возмущений как в месте вторжения болида, так и в дальней зоне. В данном случае просматривается некоторая аналогия с экспериментами 1991 г. по программе CRRES с инжекцией бария (см. дальше): распространение возмущения (АГВ) на запад (до Москвы) должно было проходить в зоне терминатора, по освещенной ионосфере. Расстояние ~1500 км.
Гелиогеофизический фон, предшествовавший падению метеороида, был спокоен. Индекс солнечной активности /10.7 не превышал 105 ед., число солнечных пятен Rz — 38 ед., планетарный
55
<я
н ^50
45 -
30
40
50 60
Долгота
70
80
Рис. 1. Положения тени (штриховые линии) и распределение TEC в ионосфере в зоне терминатора перед взрывом (03:00 UT).
Кр-индекс — 4 ед. Геомагнитная обстановка в момент взрыва по данным сети ИНТЕРМАГНЕТ была слабовозмущенная. Отметим, что одними из первых наблюдений, связанных с возбуждением ионосферы вторжением метеороида, являются вариации геомагнитного поля Земли, которые наблюдались в 1908 г. на Иркутской магнитной обсерватории после взрыва Тунгусского метеорита [Иванов, 1961]. Возмущения геомагнитного поля вблизи обсерватории начались через 2.3 мин после
16260
£ я
<3
т
Я
(D
X
о
с
s
о
а
tq
16250 -
16240
0 60 120 180 240 Время, мин
300 360
Рис. 2. Горизонтальная компонента геомагнитного поля (разрешение 0.1 нТл) в пределах (0—6:00 иТ). Момент взрыва отмечен штриховой линией.
взрыва и продолжались несколько часов. В нашем случае, по данным обс. Арти, которая находилась на расстоянии всего 200 км
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.