Анализ крупномасштабных ионосферных возмущений, наблюдавшихся в день взрыва челябинского метеороида на ионозондах в азиатской части России

Взрыв Челябинского метеороида в атмосфере Земли 15 февраля 2013 г . является интересным со бытием с разных точек зрения . Предварительный ана лиз позволил выявить различные эффекты в геомаг нитном поле , литосфере , атмосфере и ионосфере , со провождавшие пролет и взрыв метеороида [ Бернгардт и др ., 2013].

Целью данной работы является анализ крупномасштабных ионосферных возмущений, наблюдавшихся в день взрыва Челябинского метеороида на ионозондах, расположенных в азиатской части России. Предполагается, что взрыв должен был вызвать мощную внутреннюю гравитационную волну (ВГВ), способную распространяться в верхней атмосфере Земли на расстояния до нескольких тысяч километров. Ионосферным проявлением ВГВ являются крупномасштабные перемещающиеся ионосферные возмущения (ПИВ), которые наблюдаются в суточном ходе критической частоты (foF2) в виде квазиперио-дических колебаний с характерными квазипериодами от ~0.5 до ~6 ч. Наблюдение более быстрых колебаний ограничено стандартным 15-минутным шагом измерений на ионозондах, а более медленные колебания маскируются характерными изменениями суточных вариаций. Анализ суточных вариаций foF2, полученных по данным пяти ионозондов, заключался в выделении интервалов квазипериодиче-ских колебаний foF2, которые рассматривались в каче- стве возможных ионосферных откликов на взрыв и/или пролет Челябинского метеороида. В табл. 1 представлены координаты и время взрыва метеороида, координаты ионозондов и местное солнечное время, а также расстояния между ионозондом и местом взрыва.

Необходимо отметить , что день взрыва Челябин ского метеороида (15 февраля 2013 г .) характеризовал ся чрезвычайно спокойной геомагнитной обстановкой ( трехчасовой индекс K p не превышал 1 на интервале 00–12 UT) и отсутствием солнечных вспышек класса C и выше , что позволило исключить из анализа ионо сферные эффекты геомагнитных возмущений и сол нечных вспышек .

Анализ суточных ходов критической частоты

На рис . 1 показаны суточные вариации f o F2, на блюдавшиеся 15 февраля 2013 г . на пяти рассмот ренных станциях . Вертикальная линия , соответст вующая 03:20 UT, показывает момент взрыва . Пря моугольниками выделены интервалы наиболее ин тенсивных квазипериодических колебаний f _oF2. Возмущения обозначены как ПИВ -0, ПИВ -1, ПИВ -2 и ПИВ -3: ПИВ -0 наблюдаются до момента взрыва , ПИВ -1 – непосредственно после момента взрыва , ПИВ -2 – спустя ~1.5–4 ч после момента взрыва . От дельно выделено возмущение ПИВ -3, наблюдавшее ся на наиболее близко расположенной к месту взрыва ст . « Екатеринбург » спустя ~6 ч после момента взрыва . Интерпретация полученной картины воз мущений представлена в следующем разделе .

Таблица 1

Координаты места взрыва : 54.8° N, 61.1° E		Время взрыва : 03:20:33 UT
Станция	Координаты	Расстояние от места взрыва	Местное солнечное время
Екате ринбург	56.4° N, 58.6° E	200 км	UT+3.9
Новоси бирск	54.8° N, 83.2° E	1375 км	UT+5.5
Норильск	69.4° N, 88.1° E	2088 км	UT+5.9
Иркутск	52.3° N, 104.3° E	2850 км	UT+7
Якутск	62.0° N, 129.6° E	3885 км	UT+8.7

Рис . 1. Суточные вариации f _oF2, наблюдавшиеся 15 февраля 2013 г . на пяти ионозондах .

Интерпретация полученной картины возмущений

Возмущения ПИВ-0 (наблюдаются в Иркутске и Якутске) не могут рассматриваться в качестве ионосферных откликов на взрыв и/или пролет Челябинского метеороида, в силу того, что их начало предшествует моменту взрыва. При этом их наличие говорит о присутствии в рассматриваемый день доста- точно интенсивных возмущений, не связанных ни с метеороидом, ни с геомагнитными возмущениями.

Возмущения, обозначенные как ПИВ-1 (наблюдаются в Иркутске и Норильске), не могут являться следствием взрыва метеороида, поскольку необходимо время порядка нескольких часов, чтобы волна преодолела расстояние от места взрыва до Иркутска (2850 км). ПИВ-1 могут являться следствием волны, порожденной пролетом метеороида в земной атмосфере со сверхзвуковой скоростью (время пролета в атмосфере отличается от времени взрыва на несколько минут). Однако в таком случае остается непонятным, почему ПИВ-1 наблюдаются только на ст. «Иркутск» и «Норильск» и почему колебания foF2, наблюдаемые на этих станциях, практически синфазны. Ожидалось, что колебания foF2 в Норильске должны запаздывать относительно колебаний в Иркутске, ввиду того что предполагаемая траектория пролета [Zuluaga, Ferrin, 2013] должна быть гораздо ближе к Иркутску, чем к Норильску.

Возмущение ПИВ -3 ( наблюдается в Екатерин бурге ), по всей видимости , не связано с взрывом и / или пролетом Челябинского метеороида . В про тивном случае мы вынуждены предположить , что оно имело очень низкую скорость распространения : с учетом расстояния от места взрыва (200 км ) и вы соты наблюдения возмущения (~250 км ) получаем скорость ~ 14 м / с .

Наиболее вероятным откликом ионосферы на взрыв метеороида является возмущение , обозначен ное как ПИВ -2. Из рис . 1 видно , что это возмущение наблюдается сначала в Новосибирске (1.2 ч после взрыва метеороида ), затем в Норильске (4.1 ч после взрыва ), а затем в Иркутске (4.6 ч после взрыва ). Такой порядок наблюдения позволяет предположить , что ПИВ -2 обусловлено ВГВ , порожденной взрывом Челябинского метеороида , так как задержка относи тельно момента взрыва возрастает по мере увеличения расстояния от станции до места взрыва .

На рис . 2 показаны фрагменты суточных ходов f _oF2 в Новосибирске и Иркутске . Вариации f _oF2 от ложены на разных осях UT для компенсации трех часовой задержки . Из рис . 2 видно , что минимумы и максимумы колебаний f _oF2 в Новосибирске и Ир кутске совпадают с точностью до 15 мин с учетом компенсации трехчасовой задержки . Таким образом , высокая корреляция колебаний f _oF2 в Иркутске и Новосибирске подтверждает то , что ПИВ -2, наблю даемое в Иркутске и Новосибирске , является одним и тем же возмущением .

ПИВ -2 характеризуется длительностью ~3 ч , ква зипериодом ~1 ч и размахом колебаний f _oF2 ( от мини мума к максимуму ) порядка 1.5–2 МГц . Для оценки интенсивности возмущения электронной концен трации в ионосфере были рассчитаны возмущения максимума электронной концентрации N _mF2 ( в см ^–3), связанного с f _oF2 ( в МГц ) хорошо известным соот ношением

N m F2·10^–5=0.124 f o F2².

Возмущение рассчитывалось как относительное отклонение наблюдаемых значений N _mF2 от 27- днев ной медианы . На рис . 3 показаны вариации возмуще ния N m F2 для Иркутска с 3:00 до 12:00 UT. Из рис . 3 видно , что относительная амплитуда ПИВ -2 со ставляет ~20 %. Такая амплитуда приблизительно в два раза превышает среднюю вариативность N m F2 в диапазоне периодов ВГВ для зимнего сезона [Deminov et al., 2013].

Наблюдение ПИВ-2 на трех станциях позволяет оценить групповую скорость распространения вол- ны простым делением расстояния от станции до места взрыва на характерное время задержки возмущения относительно момента взрыва. С учетом того, что азимут направления Новосибирск–Иркутск близок к азимуту направления Челябинск–Иркутск, скорость волны также может быть оценена по разнице задержек между наблюдениями волны в Новосибирске и Иркутске . Оценки скорости распространения волны для различных трасс представлены в табл. 2. Из табл. 2 видно, что оценка дает большой разброс скоростей: от 117 м/c для трассы Новосибирск–Иркутск до 318 м/c для трассы Челябинск–Новосибирск.

Таким образом , из всей совокупности возмущений , наблюдаемых на пяти ионозондах в азиатской части России , в качестве отклика на взрыв метеороида может рассматриваться возмущение , последовательно на блюдавшееся в Новосибирске (1.2 ч после взрыва ), Норильске (4.1 ч после взрыва ) и в Иркутске (4.6 ч после взрыва ). Причиной возмущения может являться ВГВ , порожденная взрывом метеороида . В пользу этой версии говорит то , что задержка возмущения относи тельно момента взрыва возрастает по мере увеличения расстояния между станцией и местом взрыва , а также высокая корреляция колебаний критической частоты в Новосибирске и Иркутске . При этом в дополнитель ном объяснении нуждаются :

• а )    большой разброс скоростей распространения возмущения на различных трассах ;

• б )    причина отсутствия наблюдений этого возму щения на ст . « Екатеринбург » и « Якутск ».

Большой разброс скоростей может быть связан со следующими причинами . Во - первых , изначально волна от взрыва распространяется как удар - ная / акустическая волна со сверхзвуковой / звуковой скоростью , а собственно ВГВ формируется уже на высотах термосферы , после чего распространяется со скоростью ~100 м / с [Kunitsyn et al., 2007]. Задержка

Таблица 2

Оценки скорости распространения волны для различ ных трасс

Трасса	Дальность	Задержка	Скорость
Челябинск – Новосибирск	1375 км	1.2 ч	318 м /c
Челябинск – Норильск	2088 км	4.1 ч	141 м /c
Челябинск – Иркутск	2850 км	4.6 ч	172 м /c
Новосибирск – Иркутск	1438 км	3.4 ч	117 м /c

Рис . 2. Фрагменты суточных вариаций f _oF2 в Новоси бирске ( серый цвет , верхняя ось UT) и Иркутске ( черный цвет , нижняя ось UT).

Рис . 3. Вариации относительного возмущения N _mF2 ( Δ N _mF2, %) для Иркутска .

возмущения относительно момента взрыва зависит от того , какую часть трассы волна прошла со сверхзвуко - вой / звуковой скоростью . Для трассы Челябинск – Новосибирск эта составляющая является наибольшей , соответственно , средняя скорость волны максимальна . Для трассы Новосибирск – Иркутск эта составляющая отсутствует и , соответственно , средняя скорость воз мущения минимальна . Во - вторых , скорость ВГВ су щественно зависит от фонового ветра и температуры атмосферы [Vadas, Nicolls, 2008]. Таким образом , раз личие скоростей распространения возмущения на трассах Челябинск – Иркутск и Челябинск – Норильск может объясняться разными фоновыми термосферны ми условиями на этих трассах .

Тот факт , что возмущение не наблюдается на ст . « Екатеринбург » (200 км от места взрыва ), может объясняться тем , что ВГВ , порожденная взрывом метеороида , формируется в верхней атмосфере только на достаточном горизонтальном удалении от источника [Kunitsyn et al., 2007].

Возмущение ПИВ -2 должно было наблюдаться в Якутске с ~9:30 до ~12:30 UT ( интервал , выделен ный штриховым прямоугольником на рис . 1). Этот временной интервал соответствует вечерне - ночным условиям на ст . « Якутск ». Причиной отсутствия интенсивных квазипериодических колебаний f _oF2 на этом интервале могут являться неблагоприятные термосферные условия для распространения ВГВ , реализующиеся при переходе ото дня к ночи . Такие неблагоприятные условия могут быть обусловлены увеличением затухания ВГВ из - за уменьшения плотности термосферы при переходе ото дня к ночи , поскольку коэффициент молекулярной вязкости ВГВ обратно пропорционален плотности термосферы ( см ., например , [Kunitsyn et al., 2007]).

Сравнение с наблюдениями ионосферных возмущений на ионозондах в европейской части России

В работе [Гивишвили и др., 2013] осуществлен анализ суточных ходов критической частоты foF2, полученных на трех ионозондах в европейской части России: в Москве (55.5° N, 37.3° E), Ростове-на-Дону (47.2° N, 39.6° E), Санкт-Петербурге (60.0° N, 30.7° E) – и на ионозонде в Екатеринбурге. В качестве возможного ионосферного отклика на взрыв и/или пролет Челябинского метеороида рассматри- валось крупномасштабное ионосферное возмущение, которое наблюдалось в Екатеринбурге (~200 км от места взрыва) через ~5.5 ч после взрыва, в Ростове (~1700 км от места взрыва) и Санкт-Петербурге (~1900 км от места взрыва) через ~6 ч, а в Москве (~1400 км от места взрыва) через ~7 ч. Отмечено [Гивишвили и др., 2013], что время задержки возмущения не пропорционально расстояниям от станций до места взрыва, и выдвинуто предположение о существенной анизотропии скоростей распространения возмущения в горизонтальной плоскости. В работе [Данилкин и др., 2013] было высказано сомнение в том, что упомянутые возмущения связаны именно с взрывом и/или пролетом Челябинского метеороида.

Заключение

Анализ крупномасштабных ионосферных возму щений , наблюдаемых в день взрыва Челябинского метеороида на ионозондах в азиатской части России , показал , что в качестве отклика на взрыв может рас сматриваться крупномасштабное возмущение , после довательно наблюдавшееся в Новосибирске (1.2 ч по сле взрыва ), Норильске (4.1 ч после взрыва ), в Иркут ске (4.6 ч после взрыва ). Причиной возмущения может являться внутренняя гравитационная волна , порож денная взрывом метеороида . В пользу этого предпо ложения говорит то , что задержка возмущения относи тельно момента взрыва возрастает по мере увеличения расстояния между станцией и местом взрыва , а также высокая корреляция колебаний критической частоты слоя F2 в Новосибирске и Иркутске . Большой разброс скоростей распространения возмущения на различных трассах и отсутствие наблюдений этого возмущения на ст . « Екатеринбург » и « Якутск » могут объясняться особенностями формирования и распространения аку стических и внутренних гравитационных волн в атмо сфере .

Работа выполнена при поддержке междисципли нарного интеграционного проекта СО РАН № 11, гранта № НШ -2942.2014.5 Президента РФ государ ственной поддержки ведущих научных школ РФ и гранта РФФИ № 14-05-00514-a.