Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физические процессы и механизмы возбуждения свечения атмосферы Земли и источники его вариаций (обзор).
1.1 Физические процессы и механизмы возбуждения свечения атмосферы 14
1.2 Источники гелио-геофизических возмущений и их оптическое проявление в атмосфере Земли 18
Глава 2. Аппаратура и методы регистрации излучения атмосферы Земли 41
2.1 Аппаратура и методы регистрации собственного излучения верхней атмосферы Земли 42
2.1.1. Спектрометры для анализа спектрального состава оптического излучения атмосферы 42
2.1.2. Комплекс фотометров с интерференционными фильтрами 45
2.1.3. Телевизионные мониторы и CCD - камеры для регистрации изображений излучающих атмосферных явлений 50
2.2.Применение результатов лабораторных экспериментов в геофизических исследованиях 57
2.2.1. Аппаратура и методика измерения оптического излучения лабораторной плазмы 61
2.2.2. Излучение газа низкого давления, возбуждаемого в безэлектродной системе типа 0-пинч 65
2.2.3. Оптические и спектральные характеристики плазмы, генерируемой ускорителем УЗДП 70
2.2.4 Оптическая регистрация токовых слоев плазмы низкой плотности 80
Глава 3. Вариации атмосферных эмиссий в периоды геомагнитных возмущений и геомагнитных бурь. Зависимость от солнечной активности 88
3.1. Фоновое излучение верхней атмосферы Земли в средних широтах (эмиссия 630 нм) 88
3.2. Излучение среднеширотной атмосферы при геомагнитных возмущениях. Среднеширотные сияния 91
3.3. Начальная фаза среднеширотных сияний 94
3.4. Излучение среднеширотной атмосферы при экстремальных геомагнитных бурях 97
3.5. Поляризация излучения протонного полярного сияния 119
3.6. Проявление солнечной активности в вариациях атмосферных эмиссий атомарного кислорода 557. 7 и 630 нм в 23 солнечном цикле 126
Глава 4. Вариации атмосферной эмиссии 557.7 нм в периоды стратосферных потеплений и полетов космических объектов
4.1. Фоновое излучение верхней атмосферы Земли в средних широтах (эмиссия 557.7 нм) 139
4.2. Излучение верхней атмосферы в периоды стратосферных потеплений 144
4.3. Возмущения излучения верхней атмосферы в периоды запусков и полетов космических аппаратов 155
4.4. Возмущения излучения верхней атмосферы в период прохождения метеорных потоков 164
Глава 5. Оптические вспышки в излучении ночной атмосферы Земли
5.1. Оптические вспышки в излучении ночной атмосферы 175
5.2. Поляризация оптического излучения верхней атмосферы Земли при оптических вспышках 193
Глава 6. Региональные особенности излучения верхней атмосферы Земли в районе геофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН (Восточная Сибирь).
6.1. Сезонные вариации атмосферной эмиссии 557. 7 нм в Восточной Сибири 202
6.2. UT-зависимость геомагнитных возмущений и вероятность регистрации среднеширотных сияний и SAR-дуг в средних широтах Азиатского континента 210
6.3. Влияние сейсмической активности на характеристики атмосферной эмиссии атомарного кислорода 557.7 нм в Байкальской сейсмической зоне 216
Заключение 224
Список использованных источников 229
Обозначения и сокращения 260
- Источники гелио-геофизических возмущений и их оптическое проявление в атмосфере Земли
- Оптическая регистрация токовых слоев плазмы низкой плотности
- Возмущения излучения верхней атмосферы в периоды запусков и полетов космических аппаратов
- Влияние сейсмической активности на характеристики атмосферной эмиссии атомарного кислорода 557.7 нм в Байкальской сейсмической зоне
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время среди глобальных проблем, решаемых научным мировым сообществом, можно выделить проблемы изменения климата Земли, экологии и космической погоды. Для решения этих проблем осуществлялись и осуществляются национальные и международные проекты и программы, такие как WCRP (World Climate Research Programme), STEP (Solar-Terrestrial Energy Programme), MAP (Middle Atmosphere Programme) и многие другие. Атмосфера Земли является одним из важных объектов исследований этих проектов и программ.
Средняя и верхняя атмосфера Земли представляет собой слабоионизованную, многокомпонентную среду со сложной и изменчивой морфологией, которая контролируется множеством механизмов, включая прямой солнечный нагрев, фотохимические процессы, динамическое взаимодействие между отдельными слоями атмосферы и ее компонентами. Вариабильность основных характеристик средней и верхней атмосферы Земли, поведение атмосферы при гелио-геофизических воздействиях различной природы являются одной из ключевых проблем физики атмосферы, имеющей прямое отношение к глобальным проблемам изменения климата и космической погоды.
Предметом исследований настоящей диссертационной работы являются закономерности вариаций ночного излучения среднеширотной верхней атмосферы Земли, являющегося одним из фундаментальных свойств атмосферы. После открытия собственного свечения верхней атмосферы Земли и осознания его как явления планетарного масштаба возникла проблема исследования свойств этого явления и его связи с характеристиками самой атмосферы. При этом в разные периоды решались различные аспекты и задачи этой проблемы: определение спектрального состава и высоты высвечивания, выявление природы эмиссий (что стимулировало лабораторные исследования скоростей реакций, излучательных характеристик атомов и молекул), морфология, диагностика атмосферных параметров и др. Все аспекты указанной проблемы сохраняют актуальность и в настоящее время. Кроме того, в связи с глобальными проблемами изменения климата, космической погоды, экологии возникли новые задачи и аспекты, относящиеся к собственному свечению атмосферы. Так, накопленный к последнему времени многолетний материал по собственному свечению атмосферы позволил привлекать его для исследования и интерпретации выявленных тенденций глобальных и долговременных изменений в атмосфере Земли. В последние десятилетия стала очевидной роль долготной и региональной зависимостей в собственном свечении атмосферы, указывающих на его тесную связь с нижележащей атмосферой и/или подстилающей поверхностью. Над отдельными крупными регионами континентального масштаба с различными геофизическими условиями следовало ожидать отличий в характеристиках собственного свечения атмосферы и его вариациях. В то же время, к моменту выполнения настоящей работы основные сведения о свечении верхней атмосферы в средних широтах были получены по данным европейских и американских станций.
Собственное излучение атмосферы Земли является отражением фундаментальных свойств любой газовой среды – обладать собственным излучением, характеризующим его состояние и динамику. Объектом исследования настоящей работы и является это фундаментальное свойство земной атмосферы – собственное излучение в различных гелио-геофизических условиях. Излучение верхней атмосферы Земли является проявлением сложного комплекса физико-химических процессов в атмосфере Земли и явлений на Солнце. Собственное излучение верхней атмосферы - геофизическое явление, которое возникает в результате диссоциации, ионизации и возбуждения атмосферных составляющих под действием электромагнитной и корпускулярной радиации Солнца. В настоящее время достаточно хорошо исследованы спектральный состав и регулярные вариации излучения основных эмиссионных атомарных и молекулярных линий и полос верхней атмосферы Земли, полученные осреднением данных наблюдений за длительные периоды – ночи, месяцы, годы. Это позволило в последние годы перейти к созданию эмпирических моделей регулярных вариаций основных эмиссий излучения верхней атмосферы. Важно, что регистрация излучения верхней атмосферы являлась одним из первых инструментальных методов исследования верхней атмосферы, для которого получены одни из самых длинных рядов инструментальных наблюдений для рассматриваемой области высот атмосферы.
Значительно в меньшей степени изучены нерегулярные вариации оптического излучения атмосферы при гелио-геофизических возмущениях различной природы, которые позволяют изучать обширный круг явлений, связанных с солнечной активностью, магнитосферно-ионосферными взаимодействиями, взаимодействиями между нижними и верхними слоями атмосферы, литосферно-атмосферными связями. Нерегулярные вариации среднеширотных эмиссий связаны с процессами распространения возмущений в верхней атомсфере Земли типа внутренних и планетарных волн при геомагнитных бурях, стратосферных потеплениях, землетрясениях, запусках космических аппаратов, прохождении метеорологических образований и других быстропротекающих процессов. Между тем для создания полных моделей поведения эмиссий верхней атмосферы, решения ряда практических и научных задач требуется учет и знание закономерностей всех видов возмущений.
Накопленные в течение прошлого столетия знания позволили научному сообществу подойти к решению проблем изменения климата, космической погоды, катастроф различной природы и их проявлений в атмосфере Земли, требующих комплексного подхода и понимания взаимосвязей между литосферой, атмосферой Земли, околоземным космическим пространством, явлений на Солнце. В этой связи одним из направлений исследований, способствующих решению отмеченных проблем, может являться изучение свойств собственного излучения верхней атмосферы в взаимосвязи с климатическими изменениями.
В исследованиях атмосферы Земли заключены и познавательные, философские аспекты изучения окружающего нас мира, связанные с происхождением и эволюцией планет и их атмосфер.
Цель диссертационной работы состояла в исследованиях закономерностей ночного излучения верхней атмосферы в эмиссионных линиях 557.7 и 630 нм в средних широтах Азиатского континента, позволяющих расширить представления о планетарном распределении, многолетних регулярных и нерегулярных вариациях собственного свечения атмосферы.
Методы исследований. В качестве основных методов исследований в работе используются экспериментальные методы получения информации об оптическом излучении атмосферы, методы статистического анализа экспериментальных данных для выявления их закономерностей, методы вычислений характеристик атомных и ионных ансамблей – заселения спектральных уровней и поляризационных моментов, для интерпретации полученных экспериментальных данных.
Достоверность и обоснованность полученных результатов. Достоверность полученных в работе результатов и выводов обусловлена использованием большого экспериментального материала, сопоставлением с моделями и результатами других исследователей, применением апробированных методов экспериментальных исследований и математических и статистических методик обработки результатов. На работы и результаты автора имеются ссылки отечественных и зарубежных исследователей.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней:
-
Разработаны и внедрены оригинальные методы и устройства для регистрации сверхслабых нестационарных световых потоков лабораторной плазмы и атмосферы Земли.
-
Впервые для региона Восточной Сибири получены данные о характеристиках основных атмосферных эмиссиях 557.7 и 630 нм при различных геофизических условиях, уровнях солнечной и геомагнитной активности. Отдельные виды зарегистрированных вариаций атмосферных эмиссий типичны для всей среднеширотной зоны Азиатского континента и исследованы впервые.
-
Впервые для региона Восточной Сибири исследованы среднеширотные сияния при больших геомагнитных бурях (геомагнитные бури 24-25 марта 1991 г., 6-7 апреля 2000 г., 31 марта 2001 г., 29-31 октября и 20-21 ноября 2003 г. и др.), во время которых на широтах ~ 50 N были отмечены проявления субавроральной и авроральной ионосферы.
-
Впервые в средних широтах (~ 50 N) Азиатского континента зарегистрированы SAR-дуги при высоких уровнях геомагнитной активности, дополняющих морфологию SAR-дуг Азиатского континента, полученную ранее в субавроральных широтах (Якутск) при умеренных уровнях геомагнитной активности.
-
Впервые для Байкальской сейсмической зоны показано влияние сейсмической активности на уровни и вариации атмосферной эмиссии 557.7 нм.
-
Исследован сезонный ход атмосферной эмиссии 557.7 нм в регионе Восточной Сибири, указывающий на существование региональных (долготных) особенностей в характеристиках атмосферной эмиссии 557.7 нм, связанных, в частности, с проявлениями стратосферных потеплений.
-
Исследованы особенности поведения вариаций атмосферных эмиссий 557.7 и 630 нм в 23-м солнечном цикле.
-
Обнаружены и исследованы субвизуальные оптические вспышки в излучении ночной среднеширотной атмосферы, предложен механизм их образования и проанализирован возможный источник оптических вспышек – микровсплески электронных потоков.
-
Предложено использовать свечение верхней атмосферы как параметр – индикатор гелио-геофизической обстановки и космической погоды, ввести индексы возмущенности атмосферных эмиссий.
Научная и практическая значимость работы.
-
Полученные данные о свечении верхней атмосферы Земли в ранее не исследованной широтно-долготной зоне имеют важное значение для изучения глобальных распределений параметров атмосферы, их вариаций и региональных особенностей при гелио-геофизических возмущениях.
-
Результаты проведенных исследований расширяют и существенно дополняют знания об оптических явлениях и связанных с ними физических процессов верхней атмосферы средних широт.
Результаты работы можно использовать для исследования механизмов и процессов влияния гелио-геофизических возмущений на структурные параметры и динамику средней и верхней атмосферы Земли, трендов атмосферных параметров; при анализе результатов наблюдений и моделирования эффектов естественных и искусственных воздействий типа геомагнитных бурь, землетрясений, солнечных и лунных затмений, запусков космических аппаратов, антропогенных изменений в атмосфере Земли; при оптическом мониторинге и прогнозе состояния атмосферы, гелио-геофизической обстановки и космической погоды.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты систематических многолетних исследований характеристик излучения верхней атмосферы в линиях атомарного кислорода 557.7 и 630 нм в ранее не исследованной широтно-долготной зоне Азиатского континента, позволяющие расширить представления о планетарном распределении свечения атмосферы и установить новые особенности излучения верхней атмосферы при гелио-геофизических возмущениях различной природы.
2. Характеристики среднеширотных сияний во время больших и экстремальных геомагнитных бурь в 23-м солнечном цикле. Экспериментальные факты регистрации SAR- дуг в средних широтах Азиатского континента при высоких уровнях геомагнитных возмущений. Межгодовые вариации атмосферных эмиссий 557.7 и 630 нм в 23-м солнечном цикле.
3. Характеристики и физическая интерпретация обнаруженных оптических вспышек в излучении ночной среднеширотной атмосферы.
4. Региональные особенности вариаций интенсивностей атмосферных эмиссий атомарного кислорода 557.7 и 630 нм в Восточной Сибири, обусловленные стратосферными потеплениями, геомагнитной и сейсмической активностью.
5. Разработанные для лабораторных и натурных исследований способы регистрации сверхслабых нестационарных световых потоков, аппаратура и устройства, позволившие исследовать оптические эффекты, процессы и атмосферные явления в широком диапазоне временных масштабов от ~ 10-6 до 104 сек.
Личный вклад автора.
Диссертационная работа является результатом более чем 30-летних исследований автора. В совместных работах и публикациях, относящихся к исследованию свечения атмосферы Земли участие и вклад автора были определяющими, а результаты, выносимые на защиту в настоящей работе, получены лично автором. В совместных работах и публикациях, связанных с лабораторными экспериментами, участие автора заключалось в постановке и проведении оптических и спектральных измерений, анализе и обсуждении полученных результатов.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались на Всесоюзной конференции по высокоскоростной регистрации быстропротекающих процессов (Москва, 1975); Всесоюзной конференции по плазменной астрофизике (Иркутск, 1976); XV и XVI международных конференциях по явлениям в ионизованных газах (Минск,1981; Дюссельдорф, 1983); Российской конференции "Взаимодействие космических аппаратов с окружающей средой" (Иркутск, 1995); Ассамблее IAGA (Упсала, 1997); Международной конференции "Физика ионосферы и атмосферы Земли" (Иркутск, 1998); Ассамблее IUGG (Бирмингем, 1999); Международной конференции “Солнечная активность и ее земные проявления” (Иркутск, 2000); Международной конференции “The First S-RAMP Conference”(Саппоро, 2000); 33 - 36 Ассамблеях COSPAR (Варшава, 2000; Хьюстон, 2002; 2004; Пекин, 2006); Российско-китайских совещания и конференциях по космической погоде (Иркутск, 2000, 2002; 2004, Пекин, 2001, 2003, 2007); XXVI Генеральной ассамблее EGS (Ницца, 2001); VIII - XIV Международных симпозиумах “Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы” (Иркутск, 2001; Томск, 2002 - 2007); Международной конференции “Моделирование, базы данных и информационные системы для атмосферных наук” (Иркутск, 2001); коллоквиуме COSPAR “Solar-Terrestrial Magnetic Activity and Space Environment” (Пекин, 2001); ); Всероссийских конференциях по физике солнечно-земных связей и солнечно-земной физике (Иркутск, 2001,2004); Международной конференции “ENVIROMIS 2002” (Томск, 2002); 4-й Всероссийской конференция по электронным библиотекам (Дубна, 2002); на научных семинарах ИСЗФ СО РАН.
Структура и объем работы.
Источники гелио-геофизических возмущений и их оптическое проявление в атмосфере Земли
Солнечная активность. Существование зависимостей между солнечной активностью (СА), атмосферными параметрами и климатом является актуальной проблемой, обсуждаемой на протяжении нескольких десятилетий. Проведенными исследованиями накоплены многочисленные примеры высокой корреляции СА с самыми разнообразными физическими явлениями. Однако результаты этих исследований в ряде случаев носят противоречивый характер, так как по ряду причин не всегда удается проследить цепочки причинно-следственных связей между взаимосвязанными явлениями.
К настоящему времени зависимости оптического излучения атмосферы Земли от уровня СА получены для большинства основных эмиссий. Влияние СА на интенсивность эмиссии 557.7 нм было отмечено еще достаточно давно на основе наблюдений Рэлея в период 1923-1934 [8, 9]. Позднее эта зависимость неоднократно подтверждалась в других работах [2, 5, 10-13]. Были получены вариации эмиссии 557.7 нм с периодами 11 и 5-6 лет. Так по данным работ [2, 13] амплитуда колебаний эмиссии 557.7 нм с периодом около 11 лет составляет до 30 %, а 5-6 летние вариации имеют амплитуду около 5 % от средней интенсивности этой эмиссии. Отмечается положительная связь многолетнего хода эмиссии 557.7 нм с фазами СА. Интерпретация многолетних вариаций эмиссии 557.7 нм представляет большие трудности, т.к. они определяются многолетними вариациями состава, температуры, ветрового режима и других структурных параметров мезосферы и нижней термосферы [2]. Поэтому в последние годы широкое распространение получили эмпирические модели вариаций эмиссии 557.7 нм [5, 14, 15].
Зависимость эмиссии атомарного кислорода 630 нм от уровня С А исследовалась в работах [2, 13, 16-18] и других. Среднегодовые полуночные интенсивности эмиссии 630 нм меняются синфазно с ходом среднегодовых величин чисел Вольфа и потока радиоизлучения Солнца Fio.7, отображая не только фазовый ход солнечного цикла, но и относительную амплитуду разных циклов [2]. По данным работы [18] интенсивность эмиссии 630 нм в максимуме солнечного цикла в 7 раз превышала интенсивность в минимуме солнечного цикла. Колебания интенсивности гидроксильного излучения, синфазные с 11 — летним циклом солнечной активности, отмечались в работах [2, 13, 19—21]. Относительная амплитуда колебаний среднегодовых интенсивностей эмиссии ОН составляет от 20 до 60 % от средней величины. Так же как и для эмиссии 557.7 нм, для эмиссий полос ОН выявлены колебания с периодами 5-6 лет с относительной амплитудой до 12 %. Были отмечены зависимости от солнечной активности с 11-летним циклом и для других, менее интенсивных эмиссий верхней атмосферы Земли [11]. Практически отсутствуют работы, посвященные возможному влиянию СА на эмиссии верхней атмосферы на протяжении 27 суточного солнечного цикла.
Вероятно, это связано с особенностью регистрации ночного излучения атмосферы в основном в ясные, безлунные ночи, затрудняющей получение непрерывных рядов наблюдений на протяжении нескольких десятков дней. Но можно отметить единичные работы, указывающие на проявление отдельных событий СА - солнечных вспышек — на интенсивности эмиссий 557.7 и 630 нм [22, 23]. Геомагнитные бури. Геомагнитные бури относятся к важнейшим геофизическим явлениям солнечного происхождения, вызывающие возмущения в атмосфере Земли. Поведению эмиссий верхней атмосферы во время геомагнитных возмущений посвящено достаточно большое количество работ. При умеренных геомагнитных возмущениях на средних широтах отмечаются колебания интенсивности эмиссии 630 нм с периодами от 0.5 до 2 ч [24, 25]. Мощные геомагнитные возмущения сопровождаются значительным усилением эмиссии 630 нм, когда эта интенсивность в течение нескольких часов может возрасти в десятки раз. Наличие особенностей в спектрах излучения среднеширотной атмосферы, рассматриваемые механизмы возбуждения эмиссий в период больших геомагнитных возмущений позволяют выделить такие события в класс «средне- и низкоширотных сияний», отличающихся от «обычных» полярных сияний высоких широт.
Оптические спектры среднеширотных сияний (СС) исследованы хорошо, и среди доминирующих эмиссий отмечают эмиссии [01] 630 нм, На 656.3 нм, [NI] 520 нм, полосы N2+(1N) и некоторые другие менее слабые эмиссии [26-34]. Связь СС с ионосферными и магнитосферными параметрами обсуждаются в [24, 25, 28, 30, 32, 33, 35 6]. Рассматриваемые механизмы возбуждения основных эмиссий, роль высыпающих электронов и ионов в формировании СС можно найти в работах [24, 28, 30-34, 36, 40-42, 44, 47]. Еще первоначально предпринимались попытки объяснить усиление доминирующей эмиссии 630 нм в СС потоками частиц низких энергии. Автор работы [48] предположил, что красная эмиссия возбуждается за счет электронов, получивших энергию из магнитосферных источников. В [49] делается вывод, что СС обязаны возбуждением потокам частиц, вероятно, вторичных электронов с энергиями 30 эВ на высотах более 250 км. Однако, исходя из этого механизма, было трудно объяснить наблюдаемые во время СС высокие значения нейтральной и ионной температур (до 2500 К) и очень большие превышения интенсивности эмиссии 630 нм над эмиссией 557.7 нм. Красовский [50] выдвинул гипотезу возбуждения красной эмиссии в СС за счет разогрева атмосферы инфразвуковыми волнами, в частности, ударными волнами, которые могут возникать при сверхзвуковом перемещении областей вторжения заряженных частиц в авроральной зоне. В более поздних работах для интерпретации возбуждения эмиссии 630 нм и других особенностей регистрируемых спектров, в частности, полос N2+(1N), стали привлекать эффекты от высыпающихся энергичных нейтральных атомов и ионов из кольцевого тока [28, 30 - 34,36].
Предполагается, что происходит высыпание ионов Н , 0+, Не с энергиями в десятки кэВ, которые при начальном изотропном питч-угловом распределении теряются в процессах перезарядки с атомами верхней атмосферы в реакциях типа 0++М—»0 +М+. При этом образуются энергичные нейтралы Н, О, Не с энергиями в десятки кэВ, которые не управляются земным магнитным полем и, высыпаясь в термосферу, вступают там в многочисленные реакции перезарядки, приводят к образованию возбужденных частиц и их последующему излучению.
В [51] объяснение «наиболее интересного, но редкого явления субавроральной ионосферы ярких низкоширотных сияний» связывается с нагревом на больших высотах ионов в результате вспышки низкочастотных МГД-волн в ходе магнитной бури и поглощения их левополяризованнои компоненты тепловыми ионами плазмосферы на ионно-циклотронных частотах. В настоящее время для интерпретации механизмов формирования эмиссии 630 нм в СС наиболее широко привлекаются возбуждение атомов кислорода «горячими» электронами ( 10-1000 эВ) и высыпающимися энергичными (десятки кэВ) нейтральными атомами и ионами кольцевого тока [52]. Выполненные в период Международного Геофизического Года (МГГ) и последующие периоды исследования СС решили многие вопросы морфологии и физики СС, позволяющие в настоящее время иметь общее представление об этом явлении. Однако ряд вопросов морфологии и физики СС требует более полного и углубленного исследования.
Относительно морфологиии СС можно отметить, что на протяжении всего периода исследований СС предпринимались попытки отнести СС или к известным формам сияний, или выделить их в особый вид сияний. В работе [53] при анализе открытых к тому времени SAR-дуг (о SAR-дугах см. ниже) и СС, было предположено, что они представляют собой одно и тоже явление. К тому же периоду времени относится высказывание, что сильные СС, по-видимому, нельзя отнести только к появлению SAR-дуг [29], или что появление среднеширотной зоны сияний связано с высыпанием частиц из радиационного пояса, и среднеширотная зона представляет собой совершеннно особый вид сияний [54]. Как представляется, и в настоящее время не существует достаточно полного общепринятого представления о морфологии СС [55]. Практически не исследовались долготные и UT зависимости, которые отмечаются для многих авроральных явлений [56-58], сезонные и суточные вариации. Отсутствие детальных представлений о морфологии и механизмах СС не позволяет в настоящее время широко использовать их для исследования ионосферно магнитосферных связей. Так, разработанная и широко используемая для овала полярных сияний (высокие широты) концепция связи полярных сияний (ПС) с проекциями магнитосферных структур и с высыпающими частицами в меньшей степени проработана для СС.
Оптическая регистрация токовых слоев плазмы низкой плотности
В 70-80 годах XX века широким фронтом проводились лабораторные исследования импульсных газовых разрядов типа 8- и Z пинч с плазмой низкой плотности [255]. Значительный интерес, проявляемый к изучению данных разрядов, был обусловлен целым рядом новых физических явлений, связанных с развитием неустойчивости тока, протекающего через разреженную плазму, и возникновением электромагнитных колебаний, обусловливающих «коллективный» механизм обмена энергией и взаимодействия частиц в плазме. Позже полученные в лабораторных исследованиях результаты стали привлекаться для сравнительного анализа токовых слоев в лабораторной и космической плазме [256].
Ниже приведены отдельные результаты оптической регистрации токовых слоев при исследованиях аксиальных структур в 6-пинче [257] и плазменной ловушки магнитного потока [237, 257, 258].
Эксперименты проводились на установке «УН-ФЕНИКС» [236], частично описанной в разделе 2.3.2. Предварительно созданная замагниченная (Н0 = 150-370 Э) изотермическая плазма (водород, гелий: То 1 эВ, по 2-1012—8-1013 см"3) подвергалась сжатию магнитным полем Hi, нарастающим по синусоидальному закону (Himax 1200 Э, Т/2 10 6 сек). Поле Hi создавалось при разряде конденсатора на ударный сетчатый виток, позволявший проводить оптические наблюдения в плазменном объеме. Токовый слой формировался на границе раздела участков плазмы с различными значениями магнитных полей Но и Hi. Излучение плазмы в интегральном свете в диапазоне длин волн X 400-850 нм фотографировалось в направлении, перпендикулярном оси вакуумного объема с помощью ЭОП в кадровом режиме. Временное разрешение ЭОП определялось длительностью кадрового импульса— 1.5-10- сек. Время регистрации ЭОП относительно начала разряда устанавливалось генератором задержек в диапазоне 0-1000 нсек. Было получено, что при антипараллельной ориентации магнитных полей Но и Hi свечение токового слоя модулировано, в отличие от ситуации, когда поля Но и Н] имели параллельную ориентацию и свечение токового слоя было однородно. При радиальном расширении токового слоя происходило формирование дополнительного светящегося кольца. На рис. 2.8 приведены пространственные распределения яркости свечения плазмы 8-пинча для параллельной и антипараллельной ориентации магнитных полей Но и Ні в различные моменты времени разряда. Авторами [257] был сделан вывод, что модуляция тока протекает под влиянием внешних граничных условий. При антипараллельной ориентации Но и Ні в начальной фазе разряда наличие большого электрического поля на границе объема и направленного от оси дрейфа плазмы позволило связать развитие первичного возмущения с процессами, протекающими на стенке диэлектрика (ионизация, электризация, десорбция газа и т. д.). При параллельной ориентации Но и Hi эти эффекты сильно ослаблены в силу того, что плазменный дрейф направлен к оси системы.
Ловушки магнитного потока - хорошо проводящие оболочки, замкнутые вокруг объема с предварительно созданным магнитным полем, используются для увеличения времени изменения магнитного потока в рабочем объеме. В [259] исследовалась работа плазменной ловушки магнитного потока, в которой захват магнитного поля производился образованием оболочки цилиндрической формы, и показана возможность применения ловушки в модельных экспериментах с токовыми слоями.
Схема ловушки представляет собой два коаксиальных диэлектрических цилиндра, образующих кольцевой Vi и рабочий V2 объемы, каждый из которых имел независимую откачку и напуска газа. Внешний кольцевой цилиндр был плотно охвачен возбуждающим витком длиной 300 мм, к которому подключался конденсатор С= 0.5 мкФ, предварительно заряженный до 30-35 кВ и создающий магнитное поле Н] 1300 Э (Т/4 5-Ю-7 сек). Внутри кольцевого и рабочего объема могло независимо создаваться квазистационарное (Т/4 2.5-10 сек) магнитное поле Н0 0-600 Э.
Изучение возможности применения ловушки в модельных экспериментах проводилось на установке с диаметрами кольцевого Vi и рабочего Уг объемов соответственно 170 и ПО мм и длинами 350 и 1000 мм. Рабочий объем заполнялся водородом при давлении Р 10 -10 торр, кольцевой объем - аргоном (Р 10 —10 торр) или ксеноном (Р 10" -10 торр). Основной диапазон начальных параметров по 10 — 10м см-3, Т0 Те 0.5-1 эВ, Н0 150-600 Э.
После создания предварительной плазмы в рабочем объеме с начальным полем Но, включался возбуждающий виток, магнитное поле Ні которого было направлено противоположно начальному Но. При разряде конденсатора на возбуждающий виток возникающее электрическое поле ионизует газ в кольцевом объеме. Проводимость газа в кольцевом объеме в начальные моменты времени мала, и поле Ні свободно проникает в рабочий объем V2, образуя токовый слой на границе плазмы с Но, динамика которого определяется плотностью предварительной плазмы и Но. В некоторый момент времени ti проводимость плазмы в кольцевом объеме сильно увеличивается. Образующая плазма формирует замкнутый цилиндрический проводник и текущий по плазме ток «удерживает» проникшее в рабочий объем магнитное поле.
В идеальном случае (Z=0) для данной геометрии эксперимента в рабочем объеме плазменной ловушки может быть захвачено не более 40 % начальной энергии конденсатора. Такая величина отобранной энергии из колебательного контура мало сказывалась на амплитуде и величине тока внешней цепи. Регулировка времени ti осуществлялась давлением в кольцевом объеме.
На рис. 2.9 приведена пространственно-временная динамика излучения токовых слоев для одного из режимов работы плазменной ловушки магнитного потока и осциллограммы с магнитного зонда при разных давлениях в кольцевом объеме. Излучение одновременно регистрировалось из кольцевого и рабочего объемов с помощью ЭОП в хронографическом режиме с торца плазменной ловушки. Из рисунка 2.9 а видно, что до развития разряда в кольцевом объеме отмечается движение цилиндрического токового слоя к оси ловушки, которое прекращается с развитием тока в плазме кольцевого объема.
Анализ показал, что процессы, происходящие в плазменных токовых слоях, и параметры плазмы, определяемые зондовыми и СВЧ методами, хорошо согласуются с регистрируемыми пространственно-временными распределениями излучения в оптическом диапазоне.
Сравнительный анализ токовых слоев в лабораторной плазме, получаемых на установке «УН-ФЕНИКС», и наблюдаемых в космической плазме был проведен в [256]. В работе [260] отмечается, что моделирование плазменных явлений вспышечного типа в лабораторных условиях и их изучение методами экспериментальной физики является весьма перспективным. Наряду с апробацией выводов теории, экспериментальные исследования позволяют поставить новые проблемы и перед теорией, и перед наблюдениями. Об этом свидетельствуют предыдущие эксперименты по динамике токовых слоев в магнитных полях с нулевыми линиями, которые были инициированы еще работами СИ. Сыроватского. В работе [261] в лабораторной плазме изучались особенности пучково-плазменного взаимодействия, которое сопровождает вторжение энергичных электронов в полярную ионосферу, и исследовался процесс обтекания тела быстрым потоком бесстолкновительной плазмы, моделирующей движение космического аппарата в ионосфере.
Возмущения излучения верхней атмосферы в периоды запусков и полетов космических аппаратов
Полет в верхних слоях атмосферы искусственных и естественных космических объектов — метеоров, космических аппаратов (КА) и их фрагментов может сопровождаться развитием на высотах верхней атмосферы ряда явлений: образованием ударных и акустико-гравитационных волн [89, 166, 337], нагревом и ионизацией среды [104], модификацией ионосферы в случае движения КА с работающим двигателем [187] и др., что в ряде случаев приводит к проявлению этих явлений в виде возмущений собственного излучения атмосферы [176, 183, 241]. При этом условия возникновения, основные характеристики и механизмы возмущений оптического излучения выяснены только для некоторых реализующихся в верхней атмосфере геофизических ситуаций.
В настоящем разделе приводятся результаты исследования возмущений излучения ночной среднеширотной атмосферы в линиях атомарного кислорода 557.7 и 630 нм при запусках космических аппаратов (КА) в дальней ( 2500 км) восточной зоне от места старта отечественных К А [207, 338].
Результаты относятся к запускам пяти КА: «Энергия», «Союз-4ТМ», «Прогресс-35», «Фобос-2» и «Союз-7ТМ». Наблюдения велись спектрометрами в зенитных направлениях с временным разрешением от 4 мин до 10 сек. Исходные данные подвергались спектральному анализу. Спектральный анализ заключался в цифровой фильтрации исходных данных для устранения постоянной и медленно меняющейся составляющих сигналов и вычислении спектральных плотностей временных рядов. Спектральные плотности временных рядов определялись через корреляционные функции соответствующих выборок с использованием спектрального окна Парзена.
Наиболее сильное возмущение наблюдалось при полете космической системы (КС) «Энергия» 15-16.05.87. Излучение регистрировалось только в линии 557.7 нм с временным разрешением 4 мин. Через 7-8 мин после старта КС «Энергия» можно отметить кратковременное увеличение интенсивности излучения (до 50 %) и последующее, сохраняющееся в течение 30 минут, снижение уровня вариаций излучения и общее снижение интенсивности излучения в последующие 2.5 ч (рис. 4.6.). Ввиду ограниченного числа отсчетов спектральный анализ для этого случая не осуществлялся.
21—22.12.87 при запуске КА «Союз-4ТМ» излучение регистрировалось в линиях 557.7 и 630 нм с временным разрешением соответственно 70 и 105 сек. Для КА «Союз-4ТМ» кратковременное увеличение интенсивности излучения в линии 557.7 нм выражено в меньшей степени, т.к. составляло величину 15 % от средней интенсивности излучения к этому моменту времени и оказалось сопоставимым или лишь немного превышающим предшествующий уровень вариаций, что, безусловно, делает неоднозначным утверждение о его связи с полетом КА. Здесь следует отметить аналогичную трудность с интерпретацией подобных незначительных увеличений интенсивностей для запусков КА «Фобос-2» и «Союз-7ТМ». Но для всех этих случаев именно с этих моментов можно выделить тенденцию к изменению регистрируемых спектров вариаций в излучении 557.7 нм. Для запуска КА «Союз-4ТМ» через время 9 минут после старта КА можно отметить изменение характера вариаций продолжительностью 30—40 минут, аналогичное отмеченному при запуске КС «Энергия». Аналогичные формы кривых спектральных плотностей наблюдаются через 40-50 минут и через 120—150 минут. На кривых спектральных плотностей, соответствующих излучению в линии 630 нм, также можно выделить изменение характерного вида кривых в послестартовые моменты времени (через 40-80 мин). Для указанного случая увеличение спектра мощности можно отметить в случае длины волны излучения 557.7 нм - на периодах 500-600 сек и в высокочастотной части спектра короче 200 сек, для длины волны излучения 630 нм - на периодах 200-300 сек.
При запуске КА «Прогресс-35» излучение регистрировалось в линиях 557.7 и 630 нм с временным разрешением соответственно 70 и 85 сек. В данном случае изменение характера вариаций интенсивности излучения в линии 557.7 нм выражено в меньшей степени, что затрудняет определение момента начала изменения характера колебаний для этой линии.
Спектральный анализ дает в послестартовые моменты регистрации увеличение спектра мощности в высокочастотной части анализируемого спектра (138-200 сек), а ход кривых позволяет допустить развитие еще более высокочастотных колебаний. На сигналах, соответствующих излучению в линии 630 нм, изменение характера колебаний отмечается через 10-15 минут. Спектральный анализ для этого случая также указывает на перераспределение частотно-временного состава колебаний с увеличением колебаний с увеличением спектра мощности для периодов 170-280 сек, аналогично предыдущему случаю для КА «Союз-4ТМ». При запусках КА «Фобос-2» и «Союз-7ТМ» излучение регистрировалось только в линии 557.7 нм с более высоким временным разрешением соответственно 25 и 10 сек. В данных случаях через 20-25 мин после старта КА «Фобос-2» 159 и 15-25 мин после старта КА «Союз-7ТМ» также можно отметить изменение временного спектра колебаний, характеризующееся преобладанием колебаний в диапазоне периодов 40— 70 сек. Для КА «Фобос-2» аналогичное развитие высокочастотных колебаний можно выделить через 50-60 мин и через 120 мин.
Суммируя результаты экспериментальных наблюдений поведения излучения верхней атмосферы в линиях 557.7 и 630 нм в описанных выше случаях запусков КА, можно отметить, что, по-видимому, общей характерной особенностью является кратковременное (десятки мин) изменение временного спектра вариаций оптического излучения в послестартовые периоды регистрации. Характерное время между стартом КА и моментом появления тенденции к изменению временного спектра в случаях, когда его можно определить, для излучения в линии 557.7 нм составляет 7-25 мин. Что касается кратковременного увеличения интенсивности излучения в линии 557.7 нм, то, вероятно, в настоящее время достаточно достоверно это можно отнести к запуску КС «Энергия». Для остальных случаев, если интерпретировать имеющиеся особенности в регистрируемых сигналах как кратковременное увеличение интенсивности излучения 557.7 нм, можно лишь отметить, что величины изменений не превышают 10-15 % от регистрируемых интенсивностей.
Анализ спектров мощности естественных фоновых колебаний и флуктуации излучения 557.7 и 630 нм в исследуемом частотном диапазоне показывает возможность существования разнообразных форм кривых, в частности, совпадающих по форме и значениям периодов колебаний с отмечаемыми нами в послестартовые периоды регистрации. По-видимому, это можно считать естественным, учитывая разнообразие возможных источников возбуждения атмосферных волн в указанном спектральном диапазоне на высотах высвечивания атмосферных эмиссий. Это ставит достаточно сложную задачу идентификации регистрируемых возмущений с вызывающими их конкретными источниками. Здесь следует также отметить, что в диапазон периодов 40-70 сек попадают и турбулентые пульсации атмосферного давления в приземном атмосферном слое [341], которые могут вносить определенный вклад в вариации оптического излучения, и которые частично учитывались в проводимых наблюдениях.
Представляется допустимым рассматривать отмеченные выше особенности вариаций излучения атомарного кислорода в линиях 557.7 и 630 нм как обусловленные запусками КС. В этом случае как вариации излучения в линии 630 нм с отмеченными выше периодами 200-300 сек, так и вариации в линии 557.7 нм с периодами 200 сек и 40-70 сек, соответствуют диапазону периодов атмосферных акустических волн.
В настоящее время известно, что зарегистрированные оптические эффекты в собственном свечении атмосферы, связанные с запусками КС, проявляются в увеличении интенсивности излучения запрещенных линий 557.7 и 630 нм атомарного кислорода в зоне запуска КА [184-186]. Например, при запуске КА «НЕАО-С» интенсивности излучения [OI] в зоне возмущения увеличились со 100 до 8300 релей для эмиссии 630 нм и с 300 до 900 релей для эмиссии 557.7 нм. Максимум интенсивностей наблюдался через несколько минут после старта, а через 10-20 мин интенсивности вернулись в исходное состояние.
Одним из возможных объяснений увеличения интенсивностей излучения [OI] в зоне запуска КА считается результат химических реакций выделяемых при запуске КА молекул Нг, НгО, СС"2 с ионом 0+ (модификация ионосферы), приводящих к ускорению в 100-1000 раз процесса рекомбинации с образованием атомарного кислорода [342]. Для интерпретации динамики развития областей возмущения (в основном электронной плотности) в дальней от места старта КА зоне и существующего диапазона скоростей распространения возмущений в настоящее время привлекаются процессы диффузии продуктов сгорания, распространение акустико-гравитационных волн, образующихся во время полета КА, и возникновение МГД-волн в ионосфере во время запуска КА [187, 188].
Влияние сейсмической активности на характеристики атмосферной эмиссии атомарного кислорода 557.7 нм в Байкальской сейсмической зоне
В настоящее время сохраняется интерес к вопросам, связанным с возможным влиянием сейсмической активности на процессы и параметры средней и верхней атмосферы Земли.
В работах [130-135] для среднеазиатской сейсмической зоны был осуществлен анализ характеристик собственного свечения ночной атмосферы в линиях кислорода [OI] 557.7 и 630 нм., натрия Na 589.3 нм и полосах гидроксила ОН (8-3) в связи с сейсмической активностью. В результате было показано, что в период подготовки и развития землетрясений (ЗТ) в указанных эмиссиях наблюдаются возмущения различных временных масштабов. В частности, для эмиссии 557.7 нм по большой статистике (-400 ЗТ с магнитудой 4) было установлено увеличение ее интенсивности за сутки до ЗТ [133]. По мнению авторов работы [134], существенное увеличение эмиссии 557.7нм имеет место за 2 суток до ЗТ, с резким уменьшением ее в последующие после ЗТ сутки. В [132] отмечается увеличение числа и амплитуд максимумов в спектрах колебаний в диапазоне коротких периодов (единицы - десятки минут) в моменты времени близкие к магистральному разрыву. В этих работах также указывется, что влияние отдельных ЗТ может различаться в некоторой степени в зависимости от расположения эпицентра относительно места наблюдения, глубины Н, атмосферных условий и, возможно, от особенностей сейсмического региона. В связи с рассматриваемым вопросом следует отметить упоминания в отдельных работах по ЗТ о необычном свечении ночного неба до и после ЗТ (см., например, [290]).
К настоящему времени не определены механизмы влияние сейсмической активности на эмиссии верхней атмосферы и высказываются лишь отдельные гипотезы [131-133], требующие детального изучения проблемы.
Нами был проведен анализ параметров излучения верхней атмосферы Земли для линии излучения атомарного кислорода [01] 557.7 нм в период ЗТ для Байкальской сейсмической зоны [291-293].
Для анализа использовались данные наблюдений свечения верхней атмосферы Земли, осуществляемые в ГО СО РАН за период с 1989-1993 и 1997-1999 гг. Данные о ЗТ Байкальского региона использовались из каталога Мирового сейсмологического центра данных (Internet: http://geohazards.cr.usgs.gov/.)
Выбирались интервалы наблюдений свечения верхней атмосферы, совпадающие с днями ЗТ и включающие не менее трех дней наблюдений (день до ЗТ и день после ЗТ). За указанный период для анализа было выбрано 4 таких события с магнитудами М ЗТ от 3.8 до 4.7 удовлетворяющих указанным условиям. На рис. 6.5. представлены средние за ночь значения интенсивностей 557.7 нм для этих ЗТ. За нулевой день выбран день ЗТ. Для 3-6 февраля 1992 г. приведены две кривые, соответствующие усреднению за все ночи наблюдения (тонкая кривая) и за первые половины ночи (жирная кривая), так как 3 и 4 февраля во вторую половину ночей отмечалась повышенная геомагнитная обстановка. На рис. 6.5. б показаны спектры вариаций интенсивностей 557.7 нм для нескольких дней наблюдений в период подготовки и развития ЗТ 16 марта 1999 г. (М = 3.8, R= 350 км).
Наиболее длинный ряд наблюдений атмосферных эмиссий, включающий несколько дней до и после ЗТ, относится к ЗТ 16 марта 1999 г. В поведении средних ночных интенсивностей эмиссии 557.7 нм максимум в этом случае отмечается за сутки до ЗТ. Общей характерной особенностью для всех четырех интервалов наблюдений является более высокие уровни средних ночных значений интенсивностей эмиссии 557.7 нм за сутки до ЗТ по сравнению с последующими днями, что качественно согласуется с данными работ [133, 134]. Амплитуда изменений средних ночных значений эмиссии 557.7 нм от максимальных в день до ЗТ до минимальных в последующие дни достигает значений 40-60 %.
Спектральный анализ вариаций интенсивности эмиссии 557.7 нм в течение ночи также показал наличие особенностей в период подготовки и развития ЗТ. В качестве примера на рис. 6.6. приведены спектры вариаций интенсивности 557.7 нм для ЗТ 16 марта 1999 г.
Из рис. 6.5. б следует, что если спектр вариаций интенсивности 557.7 нм для ночи 10 марта 1999 г. (за 5 дней до ЗТ) считать фоновым, то в спектрах вариаций интенсивности 557.7 нм, начиная за сутки до ЗТ (с 15 марта), отмечается тенденция к увеличению амплитуды максимумов в диапазоне коротких (десятки минут) периодов и появление нового максимума на периодах около 7-8 мин. Отмеченные особенности сохраняются непосредственно в ночь после ЗТ (ЗТ 16 марта произошло за 3 ч до начала ночных оптических наблюдений).
Приведенные данные спектрального анализа подтверждают данные и выводы работы [132] о развитии короткопериодических вариаций эмиссии 557.7 нм перед ЗТ. Интересным является факт, что периоды выделенных колебаний в работе [132] и в настоящей работе оказались близки -30-40, -20, -12-15 и 7-8 мин, несмотря на использование различных спектральных преобразований, интервалов наблюдений и дискретизации анализируемых данных.
Представлял интерес вопрос о возникновении во время ЗТ возмущений с большими периодами и влиянии сейсмической активности и ЗТ на ночной ход атмосферных эмиссии.
Согласно [138], в течение землетрясений в ряде случаев отмечались вариации интенсивности эмиссии 557.7 нм с периодами от одного до нескольких часов. Мы также можем указать на появление вариаций интенсивности эмиссии 557.7 нм больших периодов для некоторых событий. На рис. 6.6. а приведено поведение эмиссии 557.7 нм в течение серии землетрясений 10 февраля 1999 в Байкальской сейсмической зоне, когда отмечались возмущения с периодом около 4 часов. Форма ночного хода эмиссии 557.7 пм в течение этой ночи существенно отличается от типичного ночного хода эмиссии 557.7 нм в течение зимних месяцев, когда максимум интенсивности отмечается около местной полночи. Рис. 6.6. б показывает ночной ход эмиссии 557.7 нм, наблюдаемый в предшествующую ночь 9 февраля (кривая 1) и последующие ночи 11 и 12 февраля 1999 г. (кривые 2 и 3 соответственно).
Для сравнения приведен также усредненный ночной ход эмиссии 557.7 нм (кривая 4) для 9 дней февраля 2000 г. (1-4 и 6-10 дни). Кривые 2 и 3 на рис. 6.6. смещены вверх соответственно на 60 и 100 Рл. Местная полночь показана на рисунке вертикальной штриховой линией.
Таким образом, анализ вариаций интенсивности эмиссии 557.7 нм, выполненный для Байкальской сейсмической зоны, указывает на возможное влияние ЗТ на уровни и вариации собственного излучения верхней атмосферы Земли, аналогично выявленному влиянию ЗТ в среднеазиатской сейсмической зоне.
Полученные результаты влияния сейсмической активности на уровни и вариации свечения верхней атмосферы качественно согласуются с экспериментальными фактами, полученными для других характеристик верхней атмосферы. В [128] при анализе критических частот f$2 за 1-3 суток до ЗТ отмечалось увеличение Ne в F-слое и длиннопериодные (2-3 ч) вариации плотности, в [294] за 2—3 суток отмечается pocT7oF2, за 1-2 суток - усиление флуктуации _/oF2 С периодами 40 мин -2 ч. Авторы работы [295] отмечают в период развития ЗТ флуктуации действующей высоты hf VL/QP2 С периодами 2.5, 3.1, 5.1-5.8, 8-8.8 и 17-19 мин. В [296] авторами при анализе ионограмм делается вывод, что вблизи эпицентра ЗТ за 1-3 суток возрастает доля регулярных крупномасштабных движений, вариаций с длительностью 2 ч, изменчивость Es. В работе [129] за 12-24 ч до ЗТ отмечается всплеск ОНЧ - излучений (10-15 кГц), в [297] за 3 суток до ЗТ и 1 сутки после ЗТ возмущения в F-слое.
Среди возможных механизмов возникновения возмущений в свечении верхней атмосферы приводятся ОНЧ излучение очага ЗТ, вызывающее высыпание электронов на ионосферные высоты [131], возбуждение и проникновение в атмосферу инфразвуковых колебаний [132], генерация внутренних гравитационных волн (ВГВ) в сейсмически активных областях [139, 298], акустические волны [127], акустико-гравитационые волны [299], генерация электромагнитного излучения [300].
