КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2012, том 50, № 3, с. 219-223
УДК 550.385+551.544
ОБ АМПЛИТУДЕ НИЗКОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ В НОЧНОЙ ИОНОСФЕРЕ НАД ГРОЗОВЫМИ РАЗРЯДАМИ
© 2012 г. С. Л. Шалимов
Институт физики Земли РАН, г. Москва Институт космических исследований РАН, г. Москва Поступила в редакцию 16.02.2011 г.
Показано, что происхождение аномальных амплитуд УНЧ/КНЧ сигналов в верхней ионосфере над грозовыми разрядами может быть обусловлено существованием областей высокоионизованной плазмы в нижней ионосфере. Переменный ток электромагнитного импульса молнии может генерировать в области высокоионизованной плазмы, созданной в нижней ионосфере из-за воздействия грозовых разрядов, магнитогидродинамические волны, которые распространяются в верхнюю ионосферу. На основе предложенной модели получены оценки амплитуды и длительности альве-новской моды, распространяющейся в верхнюю ионосферу, которые согласуются с измерениями в ракетных экспериментах над грозами.
ВВЕДЕНИЕ
Обычными источниками электромагнитных сигналов в диапазоне УНЧ (ультра-низкие частоты, 0.1—30 Гц) и на низкочастотном краю диапазона КНЧ (крайне-низкие частоты, <300 Гц) считают геомагнитные пульсации Рс1/РП, шумановские резонансы, ионосферный альвеновский резонатор и шумовой сигнал увеличенной амплитуды вблизи гроз. От молниевого разряда, имеющего характерное время около 102 мкс (что соответствует 10 кГц), казалось, едва ли можно ожидать заметного сигнала, регистрируемого стандартным магнитометром с полосой пропускания до 10 Гц. Однако наблюдения приводят к другому выводу, а именно: сразу после молнии регистрируется однополярный импульс с длительностью, определяемой частотной характеристикой магнитометра (~ 100 мс), но затем обычно следует долгое (до нескольких секунд) спадание интенсивности сигнала [1—3].
Попытки объяснить долгий сигнал в УНЧ диапазоне, обусловленный молниевым разрядом, приводят к предположению о существовании областей высокоионизованной плазмы в нижней ионосфере над грозовыми разрядами [4].
Интересно, что кроме отмеченной проблемы, связанной с аномальной длительностью УНЧ сигнала после молниевого разряда, существует и другая. Именно, согласно теоретическим представлениям, в этом диапазоне частот величины электрических полей в ионосфере над грозовыми центрами не должны быть больше 10—100 мкВ/м [5, 6]. Однако наблюдения на ракетах и спутниках показывают превышение величины наблюдаемых амплитуд электрических полей на один-два порядка над указанным теоретическим порогом [7, 8].
В настоящей работе показано, что происхождение аномальных амплитуд УНЧ сигналов в ионосфере над грозовыми разрядами может быть обусловлено существованием областей высоко-ионизованной плазмы в нижней ионосфере.
МОДЕЛЬ
Кроме непосредственного воздействия обычных грозовых разрядов (типа облако-земля и внутриоблачных), на ионизацию в нижней ионосфере оказывают заметное влияние и высотные разряды — эльвы, гало и спрайты (см. обзор [9]), являясь мощными, хотя и локальными источниками, производящими значительную дополнительную ионизацию.
Экспериментальное исследование и моделирование релаксации этой ионизации показало [10], что, например, после спрайт-производящих молний возможно увеличение степени ионизации на высотах 75—85 км в 102—104 раз по сравнению с фоновыми величинами. Вопрос о реальности столь заметной ионизации, конечно, требует дальнейшего изучения. Отметим, однако, что указания на подобный уровень ионизации уже содержались в предыдущих экспериментальных исследованиях, где речь шла о радарных исследованиях спрайтов [11] и о приеме рассеянного от области ионизации СДВ сигнала [12]. В этих работах для объяснения характеристик принятого сигнала необходимо было предположить наличие повышенной (в 104—105 раз относительно фона) плотности электронов на высотах 55—70 км. Можно указать также на результаты численного моделирования воздействия электромагнитного импульса молний и спрайтов [13—16], откуда следует вывод о повышенной (более, чем на поря-
220
ШАЛИМОВ
Во, км
95
80
Рис. 1. Схема модели
док) плотности электронов на высотах 70—90 км после разряда молнии. При этом из результатов численного моделирования следует, что могут возникнуть области повышенной ионизации, имеющие масштаб несколько км [17] или несколько десятков км [16].
Учитывая сказанное о дополнительной ионизации над грозовыми разрядами, рассмотрим следующую модель. Предположим, что область повышенной ионизации, которая образовалась на высотах нижней ионосферы (80—95 км) имеет форму цилиндрической колонны с высотой к, значительно большей ее радиуса Я (рис. 1), и пусть на нижней границе этой области протекает внешний азимутальный (холловский) ток с плотностью у0(г, г, г), обусловленный разрядом молнии. Этот ток будет излучать магнитогидродина-мические (МГД) волны. В результате трансформации магнитозвуковой волны в холловском слое (на верхней границе Е слоя ионосферы) генерируется альвеновская волна, уходящая в магнитосферу. Ниже будет оценена амплитуда этой уходящей волны.
Исходные уравнения, описывающие МГД возмущения в неоднородной по высоте ионосферной плазме, погруженной в вертикальное геомагнитное поле, и с аксиальной симметрией источника (только азимутальная компонента тока) имеют вид
д2Ег д% 4п дЕг , 4п дД
- а + а н—т.ф = 0,
дг дгдг с
дг
дг
дЕ ф +1А г Еф - Еф -
дг г дг дг
- 4Па дЕ± - 4Па дЕ^ = 4пд]р с2 р дг с2 н дг с2 дг'
(1)
г ± Ег--1 д г д г д г
2 гЕг -ЦаодЕ = 0. гдгдг с дг
Здесь ст0, стР, ан — продольная, педерсеновская и холловская проводимость соответственно, с — скорость света.
Предполагая, что размер скин-слоя на частоте ю больше, чем толщина ионосферы Дг, так что
(4тсстр ю/с2)^2Дг 1, проинтегрируем первое уравнение системы (1) по г в пределах Б и Е слоев ионосферы, подставляя на верхней границе решение, соответствующее уходящей альвеновской волне, а на границе с атмосферой учтем условие непротекания тока в атмосферу дЕг/дг = дЕг/дг (см. например, [18]). Тогда, выражая поле альве-новской волны Ег из первого уравнения системы и подставляя во второе, получим уравнение для магнитозвуковой моды в ионосфере
4 +1А г 11Еф - 4Е а р ^ дг г дг дг г ) с дг
4па
н
с (2р + )
| а н^г
Е дг
4лдк
с2 дг'
(2)
Для достаточно малых масштабов возмущения (определенных ниже) и при медленном изменении источника во времени распределение поля Еф должно быть квазистатическим. Поэтому в последнем уравнении пренебрежем диффузионными слагаемыми на временах больших, чем т ~ П0рЯ2/с2, где Я — горизонтальный размер источника. Тогда уравнение можно решить с помощью преобразования Фурье—Бесселя по переменной г
ад
Еф =2П 111 (кг) йк \ь (к, г') ег-г1^г', (3)
где
(к,г) = и (кг) гйг. * дг
дг
(4)
Для источника, задаваемого в виде ]о = Iо (г)8(г - Я)5(г - к),
где 10(г) — полный сторонний ток на масштабах, больших размера источника Я, получим разложение Х(к, г), и, подставляя его в (3), найдем оценки для амплитуды поля Еф, а с учетом линейной трансформации на холловском слое, и для амплитуды поля Ег альвеновской волны:
Е<? - 2
П
гЯ
2
д1о (г)
Ег - 2
(г2 + |г - к2) гЯ2
П^2 дг
Е
н
д1о (г)
(5)
(2 + |г-к\2)Ер + ^ дг
где Ъцг = с2/4ясА — волновая проводимость, сА — альвеновская скорость.
о
ОБ АМПЛИТУДЕ НИЗКОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ В НОЧНОЙ ИОНОСФЕРЕ
221
Для построения зависимости амплитуд поля МГД волн от времени предположим, что I0(t) = = hRj0(t/T)exp(—t/т), T — характерное время возвратного удара молнии (100 мкс), т — характерное время послеразрядного (квазипостоянного) тока (от единиц до десятков мс).
Следует отметить, что в дневных условиях = = 1012 см/с, = 1013 см/с, Ън = 2 • 1013 см/с. Для ночных условий в ионосфере ~LW = 3 • 1011 см/с, ЪР = ZH = 1011 см/с и, следовательно, отношение 'Ен/(Ер + £W) меньше единицы. В рассматриваемых областях повышенной (на порядок и более) ионизации интегральные педерсеновская и хол-ловская проводимости будут также увеличены, поэтому величина коэффициента ZH/(ZP + £W) в ночной ионосфере будет порядка единицы.
Оценим теперь характерное время диффузии
т ~ паP R2/c2, которое определит законность использования квазистатического приближения. Ясно, что в этом случае масштабы источника должны быть достаточно малыми. При использованных выше (согласно результатам численного моделирования [17] и оптических наблюдений областей спрайтов в виде колонн [19]) R = 5 км с повышенными на порядок величинами стР œ 10-5 См/м получим т œ 80 мкс, так что при более медленных изменениях во времени поле можно считать квазистатическим.
СОПОСТАВЛЕНИЕ С ЭКСПЕРИМЕНТОМ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Первый ракетный эксперимент, в котором измерения электрических полей были проведены одновременно на 4-х уровнях (на земле, баллонах, и в ионосфере на высотах 90 и 150 км) [7], позволил определить основные характеристики всплесков электрического поля в УНЧ/КНЧ диапазоне, инициированных молниевыми разрядами: типичное время нарастания сигнала меньше 0.2 мс, длительность 10—20 мс и амплитуда <10 мВ/м, причем эти всплески точно совпадали с наблюдениями сфериков. Следует отметить, что всплески электрического поля имели заметную компоненту (направленную вверх) вдоль геомагнитного поля. Отметим, также, что наблюдения проведены в ночное время.
Thomas et al. [20] представил примеры ракетных наблюдений электрических полей на высотах 75—130 км после молний. Они обнаружили, что на высотах 85—100 км и на горизонтальных расстояниях от источника 255—275 км всплески квазиэлектростатических полей имели амплитуды до 3 мВ/м.
Удивление вызывало то, что экспериментально зарегистрированные амплитуды оказались почти на 3 порядка выше, чем предсказывала тео-
рия, разработанная для УНЧ сигналов. Например, в работах [5, 6] было показано, что вертикальная компонента квазиэлектростатического поля, имеющая величину 100 В/м на высотах 20 км, из-за сильного ослабления в проводящей среде (60 дБ на высоте 70 км и 140 дБ на высоте 100 км) должна в нижней ионосфере иметь амплитуду порядка 10— 100 мкВ/м.
Последующие измерения уже на высотах 300 км [8] снова подтвердили сильное расхождение теории и эксперимента: при
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.