Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В Пушкова РАН, г. Троицк (Московская обл.) e-mail: kostin@maryno.net: belyaev@izmiran.ru
Поступила в редакцию 04.06.2009 г.
После доработки 09.09.2009 г.
Анализируются данные измерений ИСЗ "Космос-1809" различных параметров плазмы верхней ионосферы во время развития более десяти тайфунов в различных регионах. Показано, что на стадии интенсификации формируются специфичные зоны повышенного давления электронного газа, электрического поля и интенсивных ионных колебаний. В отдельных случаях в ионосфере над зоной тропической депрессии обнаружено формирование "глаза тайфуна", области с резко пониженной плотностью и давлением плазмы, которая наблюдается за сутки и более до того, как это произойдет в атмосфере.
УДК 551.510.535; 551.594
ВОЗМУЩЕНИЯ ВЕРХНЕЙ ИОНОСФЕРЫ, ВЫЗВАННЫЕ ТАЙФУНАМИ
© 2010 г. Н. В. Исаев, В. М. Костин, Г. Г. Беляев, О. Я. Овчаренко, Е. П. Трушкина
1. ВВЕДЕНИЕ
Мощными естественными процессами на Земле являются тропические ураганы. В рамках Всемирной Метеорологической Организации (ВМО) функционируют 8 центров, которые контролируют динамику региональных тропических циклонов. На сайтах центров представлена обширная информация о тропических ураганах и дана соответствующая библиография. Однако в метеорологии, как правило, исследуются параметры атмосферы на высотах не выше стратосферных. Так как общее энерговыделение в структурах ураганов достигает 1025 Дж, то их влияние должно простираться до магнитосферы.
В 80—90 гг. в ИЗМИРАН под руководством академика РАН В. В. Мигулина стали исследоваться влияние литосферных процессов и мощных антропогенных источников на ионосферу [Мигулин и др., 1998]. Активным участником этих работ был Н.В. Исаев. Наиболее известны его работы [Ьаеу е!а1., 1987; СИтугеу, Ьаеу е! а1., 1989].
Одним из важных факторов воздействия на ионосферу являются мощные естественные процессы в атмосфере: циклоны, атмосферные погодные фронты, тайфуны и т.д. Наиболее цитируемыми публикациями в этой области были [Метеорологические ... 1987; Вагузкшкоуа е! а1., 1987; Иок^огЛ е! а1., 1985; Ке11еу е! а1., 1985; М1кИа11оуа е! а1., 2000; Ка§Иауагао е! а1., 1987]. В это же время вопросы взаимосвязи атмосферы и ионосферы стали изучаться в лаборатории Н.В. Исаева [Ьаеу е! а1., 2000; Исаев и др., 2002; 8огокт, Ьаеу е! а1., 2005]. Другая группа ученых ИЗМИРАН, плодотворно работающих в этой области, по данным ОНЧ-измерений показала, что зона воздействия
тайфунов на верхнюю ионосферу значительно шире области, занятой циклоном [М1кИа11оуа е! а1., 2002; Михайлов и др., 2005]. В последней работе Н.В. Исаева [Ьаеу е! а1., 2008] для выяснения физики взаимосвязи тайфунов и ионосферы использовались данные комплекса приборов ИСЗ "Космос-1809" и привлекались результаты измерений, выполненных на этом же спутнике, для исследования антропогенного воздействия на ионосферу. В лаборатории Н.В. Исаева подобрана информация по рабочим пролетам ИСЗ "Кос-мос-1809" более чем над 70-ю тайфунами. Часть этой информации обработана и представлена в настоящей работе с целью выявления взаимосвязи тайфунов с параметрами внешней ионосферы.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
Для изучения ионосферных эффектов, которые могут быть связаны с тайфунами, были использованы результаты наблюдений со спутника "Космос-1809". Он был копией ИСЗ "Интеркос-мос-19" с аппаратурой для исследования внешней ионосферы [Аппаратура ... 1980] и, в основном, решал задачи Росгидромета. Спутник "Космос-1809" работал 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.
Наиболее успешно на ИСЗ "Космос-1809" работали следующие приборы:
1. Детектор электрического поля (ДЭП). ДЭП позволял измерять электрическое поле (/ = 0—3 Гц) в диапазоне ±500 мВ/м (при измерительной базе 5 м) с разрешением 0.5 мВ/м. Эти измерения осуществлялись методом двойного зонда с плаваю-
Названия тайфунов и их положение при работе спутника "Космос-1809"
№ Имя тайфуна Время существования Положение тайфуна при прохождении спутника
широта долгота
(градус)
1 Edme 17-26.01.1989 20 S 80 E
2 Firinga 24.01-01.02.1989 11 S 62 E
3 Kirryly 05-10.02.1989 25 S 102 E
4 Harry 06-22.02.1989 19 S 162 E
5 Roslyn 13-30.09.1992 18 N 138 W
6 Ted 14-24.09.1992 37 N 134 E
7 Tina 17.09-11.10.1992 13 N 110 W
8 Bonnie 17.09-02.10.1992 37 N 52 W
9 Seymour 17-27.09.1992 24 N 122 W
10 Val 19-27.09.1992 30 N 151 E
11 TC05B 21-25.09.1992 22 N 90 E
12 Charley 21-27.09.1992 36 N 34 W
13 Danielle 22-26.09.1992 34 N 73 W
14 Ward 23.09-07.10.1992 16 N 178 E
15 Aviona 25.09-01.10.1992 4 S 84 E
щим потенциалом. Причем измерялись две компоненты: Еу — в горизонтальной плоскости под углом 45° против часовой стрелки к вектору скорости и Ех — в почти вертикальной плоскости под углом ~45° по часовой стрелке к вектору скорости.
2. Анализатор низких частот (АНЧ-2МЕ). Измерялись компоненты электромагнитного поля в полосе 70 Гц — 20 кГц в режиме прямой передачи, а также в узкополосных каналах на частотах 140, 450, 850, 4600 Гц, 15 кГц; = 1/8 в режиме запоминания. Чувствительность по электрической компоненте составляла 5 х 10-7 В/мГц1/2, а по магнитной — 10-5 нТл/Гц1/2. Динамический диапазон — 60 дБ. В работе использовались данные узкополосной регистрации.
3. Импедансный зонд (ИЗ-2) для измерения плотности электронов и ее вариации. Датчик радиорезонансного зонда — штырь длиной 1 м, который включался в качестве емкости в контур ВЧ-генератора. Генератор работал на частоте ~ 5 МГц. При изменении плотности плазмы изменялась емкость контура и соответственно его резонансная частота. Постоянная времени прибора определялась ВЧ-фильтром и составляла ~15—20 мс. Пространственное разрешение мелкомасштабных неодно-родностей в режиме ЗАП-4 составляло 1.5 км.
4. Высокочастотный зонд (КМ-9) для измерения электронной температуры в области 600— 5000°К. Точность измерений до 50°.
Кроме того, дополнительно рассчитывалось давление электронного газа по формуле P = Ne к T, где к — постоянная Больцмана.
Была использована база данных ИСЗ "Кос-мос-1809". Оказалось, что информация со спутника в режиме запоминания с опросностью 2.56 с (ЗАП-4) и общим временем сеанса ~17 ч почти всегда содержит фрагмент прохождения над зоной тайфуна. В рассматриваемой нами базе данных выявлено свыше 70-ти тайфунов. Для начальной обработки выбраны 4 сеанса: 23 января 1989 г., 10 и 11 февраля 1989 г. и 24 сентября 1992 г. В таблице представлены данные о тайфунах в эти периоды.
3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Наиболее интересными для анализа являются моменты прохождения спутника над ураганом Harry (четвертой категории) в его интенсивной фазе развития. Выбраны и проанализированы данные, полученные при ночном пролете спутника 10 февраля 1989 г. относительно центра урагана соответственно: виток 10849 — восточнее на 23.4°, 10850 — западнее на 2.8° и 10851 — западнее на 29°. Местное время на экваторе для выбранных пролетов — 00:36. На рис. 1 представлены параметры плазмы: температура и концентрация электронов, давление электронного газа, компонента Ey квазипостоянного электрического поля и вариации ОНЧ-колебаний на частотах 450 и 4600 Гц. Кроме урагана Harry, в исследуемой области наблюдались и другие ураганы: Kirilly, Edme и Firinga. На нижней панели стрелками отмечены моменты прохождения широт ураганов и первые буквы их названия.
В результате анализа были выявлены следующие особенности.
Над зоной тропического урагана возникает аномальное электрическое поле (на панели Ey отмечено цифрой 1), которое отвечает за дрейф плазмы вверх. Так как выбран ночной пролет, то поле не проходит в магнитосопряженную область другого полушария [Гдалевич и др., 1973]. Только в этих областях аномального электрического поля наблюдаются сильные (до 8% на витке 10850) колебания плотности плазмы AN/Ne [Исаев и др., 2002]. Общее квазипостоянное поле (компоненты Ex и Ey) указывает на дрейф плазмы в экваториальной области на восток. Скачок Ey, отмеченный цифрой 2, соответствует моменту прохождения спутником геомагнитного экватора, и наведенная разность потенциалов изменяет знак.
Над "глазом" мощного тайфуна на высоте спутника наблюдается восходящая струя плазмы, которой соответствует пик концентрации плазмы Ne на витке 10850. Другие особенности изменения интегральных характеристик плазмы видны на па-
orbit 10849
Satellite Cosmos-1809 Date:1989-02-10 orbit 10850
orbit 10851
m 100
1 m
13 50
CD
0
3000
(D 2500
н 2000
3
a Рч Ö 2
CD 1
Рч 0
S 20
0
s
w -20
20
0 5 m
4 ^ 10
w i
0
200
0 0 m
^100
w а
0
0 100
0 0 m
5 ^ 50
^ i
w 0
_l_
JIL^
J_L
UT [hh:mm]12:00 LAT [deg] 28.5
12:05 11.3
LONG [deg]185.7 187.0 188.0 189.2
159.9 161.1 162.1 163.3
4.3 -12.9 -30.1 134.0 135.1 136.1 137.5
Рис. 1. Параметры плазмы (h = 960 км) ночной ионосферы (LT = 00:36) над зонами урагана 4 категории Harry (19° S, 163° E) в период его интенсификации и ослабевающего Kirrily (28° S, 102° E).
нели давления электронного газа. Зона аномального давления смещена относительно геомагнитного экватора, что позволяет говорить о существовании градиента давления плазмы (штриховая наклонная линия на витках 10849 и 10850 относительно прямой линии на витке 10851). Это указывает на присутствие дополнительного источника возмущения плазмы в южном полушарии. Увеличение давления электронов на витке 10851, по-видимому, связано с воздействием тропического циклона Кт11у.
На панелях вариаций ОНЧ-колебаний наблюдаются следующие особенности. На частоте 450 Гц — резкое усиление прохождения неканализирован-ных свистов по причине интенсивной грозовой активности в южном полушарии, которые приводят к аномальному усилению колебаний на циклотронной частоте водорода в магнитосопряжен-ной области другого полушария (канал 450 Гц). Та
же причина приводит к резкому изменению интенсивности потенциальных колебаний вблизи нижнегибридного резонанса (регистрируется в канале 4600 Гц).
На следующий день ураган Harry сохранил максимальную интенсивность и
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.