Эффекты распространения электромагнитных волн над Карибским бассейном по данным широкополосной регистрации на спутниках

Полный текст

1. ВВЕДЕНИЕ

Для исследования электромагнитных сигналов и поиска функциональных связей этих сигналов с источниками возмущений природного и антропогенного характера, а также возможностей диагностики окружающей среды используются наблюдения на спутниках. Далее приводится описание спутников, данные которых были использованы в работе.

Спутник Интеркосмос-24 (Проект “Активный”) был запущен 28 сентября 1989 г. на орбиту с параметрами: высота перигея ~500 км, высота апогея ~2500 км. Наклонение орбиты к плоскости экватора составляло 82.6°, период обращения вокруг Земли – Т ~ 115.8 мин. Для приема электромагнитных сигналов использован УНЧ/ОНЧ бортовой приборный комплекс АНЧ-2МЕ как в широкой полосе (8 Гц−20 кГц), так и на узкополосных фильтрах с центральными частотами 8, 20, 33, 50, 75, 150, 225, 430, 625, 970 Гц; 9 и 15 кГц. Описание аппаратуры и обзор некоторых результатов проведенных исследований опубликованы в работах [Molchanov et al., 1993; Mikhailova et al., 2000], а также в статье [Михайлов, 2015] и в книге [Михайлов, 2018; Mikhailov, 2020].

Спутник Ореол-3 (советско-французский проект “АРКАД 3”) был запущен 21 декабря 1981 г. на орбиту с параметрами: высота апогея 2000 км, высота перигея − 410 км. Наклонение орбиты к плоскости экватора составляло 82.5°. Опубликованы исследования характеристик КНЧ (f = 10−1500 Гц) шумовых излучений в связи с землетрясениями [Larkina et al., 1984]. Экспериментальные результаты сравнивались с теоретическими расчетами характеристик распространения КНЧ электромагнитных волн в многокомпонентной ионной плазме, характерной особенностью которых является наличие затухания на или ниже локальной частоты протонов [Rauch et al., 1984].

Спутник Космос-1809 (К-1809) был запущен на круговую орбиту с апогеем 980 км, перигеем 950 км, наклонением 82.5° 18 декабря 1986 г. В июне−июле 1992 г. на станции, расположенной в Гаване (Куба), проводилась регистрация аналоговой ОНЧ информации со спутника в области широт 0÷50°N и долгот 64°÷100°W. Регистрировались сигналы от молниевых разрядов, вызванных тайфунами в Карибском районе, которые сопровождались необычно высокой грозовой активностью [Sobolev et al., 1998; Соболев и др., 2006].

Генерируемые молниевыми разрядами частично-диспергированные свистящие атмосферики (ч. д. СА) с дисперсией D ~ 5 и максимумом на частоте 2.5 кГц, распространяющиеся по короткому пути из волновода Земля–ионосфера до высот спутника, были зарегистрированы над Индонезией 29.11.2006 г. 05:00:00 UT (~13 LT) на спутнике Вулкан-Компасс-2 [Кузнецов и др., 2011]. В работах Группы исследования космоса при университете Этваша (Будапешт, Венгрия) [Ferencz et al., 2009] было высказано предположение о возможности распространения в дактах мод высоких порядков. Это предположение было подтверждено на основании расчетов распространения свистов с учетом полного волнового уравнения. Рассматривалась замагниченная плазма, в которой распределение электронной плотности образует вокруг Hx-компоненты магнитного поля концентрический волновод, в котором возможно распространение мод высоких порядков – “луковичная структура”.

Возможности диагностики приземной плазмы по спутниковым наблюдениям ОНЧ-КНЧ явлений, в частности протонных свистящих атмосфериков (ПСА), подробно изложены в книге [Лихтер и др., 1988]. Наблюдение протонных свистов начались с первыми полетами спутников, имеющих на борту аппаратуру измерения электромагнитных волн в ОНЧ-КНЧ диапазоне [Gurnett et al., 1965, 1966]. Теория трансформации электронной волны в ионную дана в работе [Будько и Рябов, 1977]. Теоретическое обоснование методики определения температуры протонов представлено в работе [Будько, 1979], пример диагностики приведен в работе [Budko et al.,1980], а также в работе [Михайлова и Капустина, 1979]. Анализ данных ПСА, полученных на спутнике DEMETER, представлен в работе [Shklyar et al., 2012] и докладе [Шкляр и др., 2012], где показаны также ранние спектрограммы ПСА из работ [Gurnett et all, 1965; Gurnett and Shawhan, 1966] и работы [Watanabe and Ondoh, 1976] с предельной частотой ПСА ~300 Гц.

В предлагаемой работе основное внимание было направлено на исследование особенностей распространения электромагнитных сигналов, а именно: частично диспергированных свистящих атмосфериков в диапазоне частот ниже 1 кГц (ч. д. КНЧ СА), зарегистрированных над Карибским бассейном.

2. МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗ ДАННЫХ

Пункт приема спутниковой информации, возглавляемый Сильвио Гонзалес Родригес, сотрудником института геофизики и астрономии, ИГА-Агентства по охране окружающей среды, АООС (Institute of Geophysics and Astronomy, IgA. Environment Agency, Instituto de Geofísica y Astronomía, IGA. Agencia del Medio Ambiente, AMA), находился в Гаване (Куба): 23°08’12"N, 82°21’32"W. Аналоговые широкополосные записи в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц сохранялись на магнитной пленке с использованием магнитофона “Ростов”. Далее эти записи воспроизводились на аналогичном магнитофоне и через звуковую карту с помощью программы “SoundForge” в формате “*.wav” c частотой оцифровки 48 кГц вводились в компьютер и сохранялись на диске. Первичная обработка состояла в последовательном вычислении спектров на интервале Dt ~ 0.02 с и построении динамических спектров по ~20 с а экране монитора ПК. При такой обработке фиксировались события в диапазоне частот выше f = 1/Dt = 1/0.02 = 50 Гц. Во время просмотра этих кадров подсчитывалось количество в минуту разного типа сигналов, а затем были построены графики зависимости от времени.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ

На рис. 1 приведены динамические спектры разных типов исследуемых сигналов, а именно: частично диспергированные свистящие атмосферики (СА) и ч. д. КНЧ СА (f_max < 1 kHz), протонные СА (ПСА) (а), СА (whistlers) (б), сложный СА с эхо СА (в), дуплет ч. д. СА (г).

Рис. 1. Примеры динамических спектров: (а, б) − ч. д. СА+ ч. д. КНЧ СА; (в) – ПСА; (г)− СА.

На рис. 2 представлены графики зависимости числа сигналов в минуту от времени вдоль орбиты спутника Интеркосмос-24 (ИК-24) на витках 5337 (а); 5338 (б); 5375 (в); 5851 (г); 9413 (д). В табл. 1 внесены дата и время начала приема и результаты анализа данных.

Рис. 2. Зависимость от времени числа сигналов в минуту, n(t) вдоль орбиты спутника ИК-24 на витках: (а) – 5337; (б) – 5338; (в) – 5375; (г) – 5851; (д) − 9413. Сплошная толстая линия и черные точки – ч. д. СА, тонкая линия и крестики – ч. д. КНЧ СА, прерывистая линия и полые кружочки – ПСА, пунктирная линия и полые квадратики – СА разного типа.

Таблица 1. Характеристики ОНЧ-КНЧ событий, наблюдаемых на спутнике ИК-24

Примечание.* В таблицу внесено суммарное количество обнаруженных событий каждого типа за время пролета спутника в зоне видимости пункта приема. В скобках в процентах показано количество соответствующих событий относительно количества частично диспергированных свистящих атмосфериков (ч. д. СА) на этом интервале.

Построены аналогичные графики (рис. 3) по данным спутника Ореол-3 на витках 3533 (а), 3559 (б), 9401 (в), 9408 (г), 9487 (д), 9547 (е), 14847 (ж), а в табл. 2 содержится такая же информация, что и в табл. 1. Карта Карибского региона представлена на рис. 4, где квадратиками показаны места действия ураганов в Атлантическом океане во время прохождения спутника над ними. Кружочками на этом же рисунке показаны места действия тайфунов в Тихом океане. Цифры у этих пунктов соответствуют обозначениям на картах ресурса “U.S. DEPARTMENT OF COMMERCE, NATIONAL WEATHER SERVICE NORT ATLANTIC HURRICANE TRACKING CHART”.

Рис. 3. То же, что на рис. 2 для спутника Ореол-3 на витках: (а) − 3533; (б) − 3559; (в) − 9401; (г) − 9408; (д) − 9487; (е) − 9547; (ж) − 14847.

Таблица 2. Характеристики ОНЧ-КНЧ событий, наблюдаемых на спутнике Ореол-3

Примечание.

1. См. Примечание* к табл. 1.
2. Пометка с номером “ ” в графе “Начало регистрации” указывает на наличие урагана в Атлантическом океане во время пролета спутника.
3. Координаты и стадия циклона: “2” ‒ 27° N, 85° W STD no name 1982 г. “3а” ‒ 30° N, 65° W TD Shantal 1983 г. “3б” ‒ 40° N, 50° W TS Shantal. “11” ‒ 44° N, 57° W TS Josefine 1984 г.

Рис. 4. В правой части рисунка квадратики показывают ураганы в Атлантическом океане во время пролета спутника Ореол-3. Надпись вверху справа − координаты и стадия циклонов, связанных с витками, помеченными цифрами в табл. 2. В левой части – кружочки – это тайфуны в Тихом океане во время пролета спутника Космос-1809. Надпись вверху слева ‒ координаты и стадия циклонов, связанных с витками, помеченными цифрами в табл. 3.

На рис. 5 построены графики по данным спутника Космос-1809 на витках 6316 (а), 16387 (б), 16986 (в), 21221 (г), 21222 (д), 23090 (е), 27961 (ж), а в табл. 3 содержится информация, аналогично табл. 1 и табл. 2.

Рис. 5. То же, что на рис. 2 для спутника Космос-1809 на витках: (а) − 6316; (б) − 16387; (в) − 16986; (г) −21221; (д) − 21222; (е) − 23090, (ж) − 27961.

Таблица 3. Характеристики ОНЧ-КНЧ событий, наблюдаемых на спутнике Космос-1809

Примечание.

1. См. Примечание* к табл. 1.
2. Пометка с номером “ ” в графе “Начало регистрации” указывает на наличие тайфуна в Северо-Восточной части Тихого океана во время пролета спутника.
3. Координаты и стадия циклона согласно данным на картах: “5” 10-12° N, 117° W 1991 г. “2” 17° N, 112° W TD 1992 г. “3” 11° N, 95°W TD 1992 г. “4” 12°N, 97°W TD 1992 г.
4. К сожалению, не ко всем виткам есть пояснения, какое время указано, так как мы работаем с архивными данными, а журнала наблюдений у нас нет. Однако нас интересуют статистические характеристики и отсутствие точного времени не критично.

4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В зимнее время ночью на витках спутника ИК-24 5337 (рис. 2а), 5338 (рис. 2б) и 5375 (рис. 2в) наблюдалось достаточно большое количество ч. д. СА, а именно ~50‒80 импульсов в минуту, а также серия ПСА 10−15 сигналов в минуту и до 5 СА в минуту. Относительное количество протонных свистов составляет 14−28% от числа электронных за весь сеанс приема, причем уменьшается ближе к утру. Задержка ионной ветви по отношению к электронной составляет порядка 2 с, что согласуется с оценкой в работах [Шкляр и др., 2012; Shklyar et al., 2012]. Частота максимума ПСА приближается к 300 Гц, как и в работе [Watanabe and Ondoh, 1976], однако не совпадает с данными, представленными в работе [Будько и др., 1980], которые были получены на спутнике Интеркосмос-5, а также в работе [Шкляр и др., 2012] по данным спутника DEMETER. Протонные свисты наблюдались также на витке 9547 спутника Ореол-3 летом в ночное время, и относительное их количество составило в среднем ~7%. На спутнике Космос-1809 из проанализированных ~30 пролетов можно было видеть только 17 событий ПСА на витке 16387 и по одному на витках 6316 и 27961.

Днем на витке 5851 спутника ИК-24 и в утреннее время на витке 9413 количество атмосфериков (ч. д. СА) значительно меньше, чем ночью (в 2−4 раза). Сигналы с максимумом в спектре ниже 1 кГц (ч. д. КНЧ СА), которые в наземных исследованиях называют “хвосты”, на витке 5851 составили до 30% по отношению к общему числу разрядов, а на витке 9413 почти все 100% (табл. 1). Эта оценка совпадает с результатами наземных наблюдений в разных условиях [Hepburn, 1957; Tepley, 1959; Дружин и др., 2023]. Большое количество атмосфериков (~1300 имп/мин) наблюдалось 10.09.1983 на витке 9487 спутника Ореол-3 в вечернее время во время действия урагана “3” на стадии тропической депрессии и несколько меньше (~930 имп/мин) утром 13:29.30 на витке 9547, когда циклон перешел в стадию тропического шторма. Повышенная активность ч. д. атмосфериков наблюдалась также на спутнике Космос-1809 18.03.1990 на витке 16387 (~650 имп/мин), а также 02.03.1991 на витке 21221 (~850 имп/мин), 16.07.1991 на витке 23091 (~650 имп/мин) во время действия тайфуна “5”, 02.06.1992 на витке 27871 (1770 имп/мин) во время действия тайфуна “2” на стадии тропической депрессии и 01.07.1992 на витке 27953 (~680 имп/мин) во время действия тайфуна “3” на стадии тропической депрессии (табл. 3 и рис. 4). Количество “хвостов” варьируется в широких пределах от нескольких до 100 процентов.

Свистящие атмосферики (СА) наблюдались, в основном, ночью, что соответствует как теории, так и данным опубликованных наблюдений [Helliwell, 1963; Лихтер и др., 1988]: на спутнике ИК-24 (до 16 за сеанс), на Ореол-3 (от 20 до 178) и на спутнике Космос-1809 от единиц до 136.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Широкополосные записи электромагнитных наблюдений в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц, выполненные на спутниках во время пролета над Карибским бассейном и записанные на магнитофон Ростов в пункте приема Гавана, оцифрованы c частотой 48 кГц.
2. Первичная обработка 54 файлов данных, записанных на диске компьютера, показала, что в записях спутника Ореол-3 (7), Интеркосмос-24 (5), Космос-1809 (42) наблюдались несколько различных типов сигналов, источниками которых могут быть молниевые разряды.
3. Частично-диспергированные свистящие атмосферики (ч. д. СА) были видны в любое время суток, причем ночью их количество было значительно больше и особенно во время действия тропических циклонов на стадии депрессии.
4. Протонные СА (ПСА) были обнаружены в ночное время на спутнике Интеркосмос-24 (до 30%), на спутнике Ореол-3 на витке 9547 (67%), Космос-1809 на витке 16387 (2.5%). Во всех случаях предельная частота стремилась к ~300 Гц.
5. Ч. д. КНЧ СА (f_max < 1 kHz), так называемые “хвосты” наблюдались в дневное и утреннее время на спутниках ИК-24 (5851 и 9413), Ореол-3 на всех витках, К-1809 почти на всех витках.
6. СА (whistlers), а также эхо СА и дуплеты ч. д. СА наблюдались на спутнике ИК-24 ночью в небольшом количестве (до 6%), на Ореол-3 – утром и вечером до 30%, а на К-1809 почти на всех витках.

В дальнейшем предполагается сопоставить свойства КНЧ атмосфериков в спутниковых и наземных данных.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы благодарят операторов и Сильвио Гонзалес Родригес ‒ руководителя приемного центра в Гаване за качественный прием и сохранение спутниковых данных.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена в рамках Государственного задания “Исследование структуры и динамики ионосферы и условий распространения радиоволн”, ГР № 01201356396.

Об авторах

О. В. Капустина

Автор, ответственный за переписку.
Email: olkap@izmiran.ru
Россия, Москва, Троицк

В. И. Гайдук

Email: olkap@izmiran.ru
Россия, Москва, Троицк

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. Примеры динамических спектров: (а, б) − ч. д. СА+ ч. д. КНЧ СА; (в) – ПСА; (г)− СА.

Скачать (286KB)

Метаданные

3. Рис. 2. Зависимость от времени числа сигналов в минуту, n(t) вдоль орбиты спутника ИК-24 на витках: (а) – 5337; (б) – 5338; (в) – 5375; (г) – 5851; (д) − 9413. Сплошная толстая линия и черные точки – ч. д. СА, тонкая линия и крестики – ч. д. КНЧ СА, прерывистая линия и полые кружочки – ПСА, пунктирная линия и полые квадратики – СА разного типа.

Скачать (199KB)

Метаданные

4. Рис. 3. То же, что на рис. 2 для спутника Ореол-3 на витках: (а) − 3533; (б) − 3559; (в) − 9401; (г) − 9408; (д) − 9487; (е) − 9547; (ж) − 14847.

Скачать (251KB)

Метаданные

5. Рис. 4. В правой части рисунка квадратики показывают ураганы в Атлантическом океане во время пролета спутника Ореол-3. Надпись вверху справа − координаты и стадия циклонов, связанных с витками, помеченными цифрами в табл. 2. В левой части – кружочки – это тайфуны в Тихом океане во время пролета спутника Космос-1809. Надпись вверху слева ‒ координаты и стадия циклонов, связанных с витками, помеченными цифрами в табл. 3.

Скачать (187KB)

Метаданные

6. Рис. 5. То же, что на рис. 2 для спутника Космос-1809 на витках: (а) − 6316; (б) − 16387; (в) − 16986; (г) −21221; (д) − 21222; (е) − 23090, (ж) − 27961.

Скачать (275KB)

Метаданные

В печатной версии статья выходила под DOI: 10.31857/S0016794025020054