Характеристики электромагнитного окружения земли на высотах спутника Demeter

В течение последних двух десятилетий благодаря космическим исследованиям получены экспериментальные и теоретические результаты, значительно продвинувшие исследование физических процессов, сопровождающих землетрясения и предшествующие им [1, 2]. Для выявления специфических сейс-моэлектромагнитных эффектов и проведения статистического анализа возмущений от многих источников необходимо проводить комплексные регулярные наземные и спутниковые наблюдения ионосферы в периоды различных геофизических явлений, изучать влияние антропогенной деятельности на электромагнитную обстановку в ионосфере. Одной из научных задач спутника DEMETER является обнаружение аномальных вариаций электромагнитного поля и параметров ионосферной плазмы, которые могут быть связаны с сейсмической активностью. Полученная спутником база данных дает возможность полномасштабного исследования электромагнитного окружения Земли [3, 4]. В настоящее время существует ряд публикаций, в которых рассмотрены и промоделированы эффекты в ионосферной плазме во время затмений Солнца, полученные наземными радиофизическими средствами. Отмечено, что солнечное затмение вызывает комплекс сложных явлений в атмосфере и ионосфере [5-8]. Поэтому исследование процессов в околоземной космической среде во время солнечных затмений с использованием спутниковых данных имеет самостоятельный интерес. В статье представлены результаты исследования ионосферных эффектов полных солнечных затмений 29 марта 2006 г. и 1 августа 2008 г. по данным спутника DEMETER. Проведен анализ данных электрического датчика ICE в диапазоне 0-20 кГц, электронной и ионной концентраций, электронной температуры, полученных инструментом ISL - детектором Лэнгмюра.

Программа DEMETER

Cпутник DEMETER– D etection of E lectro- M agnetic E missions T ransmitted from E arthquake R egions был запущен 29 июня 2004 г. на круговую полярную орбиту с наклонением –98.3° и высотой ~710 км. Спутник разработан в CNES (Centre National d'Etudes Spatiales) и контролируется из Тулузы (Франция) [3, 4].

Научные цели программы DEMETER: исследование возмущений ионосферы, связанных с сейсмической активностью, изучение до и после сейсмических эффектов; изучение ионосферных возмущений, связанных с антропогенной деятельностью и механизмов генерации этих возмущений; получение динамических данных о глобальном электромагнитном окружении Земли на высоте ~ 700 км. Для достижения этих целей DEMETER измеряет шесть компонент электромагнитного поля в широком диапазоне частот и определяет параметры плазмы: ионный состав, электронную концентрацию и температуру, потоки энер- гичных электронов . Научное оборудование состоит из пяти инструментов : ICE измеряет три компоненты электрического поля от постоянного тока (DC) до 3.5 MГц; IMSC - три магнитных датчика проводят измерения компонент магнитного поля от нескольких Гц до 20 кГц ; IAP - анализатор ионов ; IDP - детектор энергичных частиц; ISL - детектор Лэнгмюра, измеряет концентрации электронов и ионов в плазме, электронную температуру.

Общие сведения о затмениях Солнца 29 марта 2006 г . и 1 августа 2008 г .

Полное солнечное затмение 29 марта 2006 г. началось в 08 ч 36 мин по всемирному времени (UT) в Бразилии у восточной оконечности Южной Америки. Тень Луны покинула Бразилию со скоростью 9000 м/с. Наибольшая фаза затмения имела место на Африканском континенте в 10:11:18 UT (23° 09´N; 16°45´E), в это время высота Солнца над горизонтом составляла 67°, ширина полосы полного затмения была ~184 км, к этому времени скорость тени на Земле уменьшилась до 697 м/с. Закончилось затмение на заходе Солнца в 11 ч. 48 мин на территории Монголии вблизи границы с Россией. Частные фазы затмения наблюдались в широкой полосе от Северного полюса до южной части Африканского континента. Полное солнечное затмение 1 августа 2008 г. началось на севере Канады в 09:21 UT и продолжилось через северную Гренландию, Арктику, центральную Россию, Монголию и Китай. Полутень от Луны охватила северо-восток Северной Америки и почти всю Европу и Азию. Затмение закончилось в 11:21 UT на территории Китая. Момент наибольшей фазы произошел в 10:21:07 UT (65°39´N, 72°18´E), в это время максимальная длительность затмения была 2 мин 27 с., высота Солнца была 34°, ширина дорожки полной фазы составляла 237 км, скорость тени - 908 м/с [9]. Геомагнитная активность в периоды обоих затмений была низкой, вариации индекса геомагнитной активности Kp не превышали 2 [10].

Результаты наблюдений и обсуждение

В статье даны результаты измерений электромагнитного поля в диапазоне ОНЧ и некоторых плазменных параметров в период солнечных затмений на борту спутника DEMETER. Выполнены качественный анализ и сравнение полученных данных с работами других авторов, которые проводили наземные и спутниковые наблюдения верхней ионосферы. На рис. 1 показаны обстоятельства затмения 29 марта 2006 г. на 9:00 UT с полуорбитой спутника DEMETER 09253_0 (а) и на 10:00 UT с полуорбитой 09254_0 (б). Спутник находился вблизи области затмения примерно в 08:50 UT (полуорбита 09253_0), на следующем витке он пересек область затмения в период времени от 10:05 до 10:20 UT (рис. 1 б) [4, 9].

Существует несколько механизмов, которые могут привести к заметным изменениям уровня поля в периоды различных геофизических явлений и затмений Солнца:

• а)                                                               б)

  
  
  

  Рис. 1. Обстоятельства затмения 29 марта 2006 г. на 9:00 UT с полуорбитой 09253_0 (а) на 10:00 UT с полуорбитой 09254_0 (б)

  
  

  а)

  
  

  б)

  
  

  в)

  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  

  Рис. 2. Спектрограммы по электрической компоненте в диапазоне 0-20 кГц: а) 09253_0 (29.03.08, в ~8:45-8:55 орбита проходит вблизи области затмения); б) 09254_0 (29.03.08, в ~10:07-10:17 орбита проходит в области полутени); в) 21827_0 (1.08.08, в ~10:18-10:28 орбита проходит вблизи области затмения).

В таблице 1 даны частоты и координаты ОНЧ радиостанций Восточного полушария [2]. Существует несколько механизмов, которые могут привести к заметным изменениям уровня поля в периоды различных геофизических явлений и затмений Солнца:

• -    дифракция волн на затененной области. В определенных условиях куполообразное возмущение ионосферы может сыграть роль собирательной линзы, фокусируя сигнал на значительных расстояниях от лунной тени [5];

• -    взаимодействие потоков высыпающихся частиц с излучениями радиопередающих устройств в зависимости от геофизических условий может приводить к усилению и частотному уширению излучений [11];

• -    движение лунной тени со сверхзвуковой скоростью приводит к образованию ионосферных возмущений, которые могут быть откликом на ионосферное проявление акустико-гравитационных волн. В околоземной плазме образуются нестабильные образования, обусловленные вариациями электронной и ионной концентраций и температур из-за изменения излучения Солнца и ударной волной, которые могут вызвать нестационарные процессы в плазме [7].

Таблица 1

Частота, кГц	Место расположения	Долгота	Широта
11,9; 12,64; 14,88	Краснодар, Россия	38,39	45,02
11,9; 12,64; 14,88	Новосибирск, Россия	82,58	55,04
11,9; 12,64; 14,88	Комсомольск на Амуре, Россия	136,58	50,34
16,56	DFY, Германия	13,0	52,5
17,8	JP, Южная Япония	~130	~32
18,3	UFT, Франция	1,05	46,37
19,8	NWC, Австралия	114,08	–21,47

Затмение 29.03.06. г проходило в двух поясах: экваториальном (±30°) и среднеширотном поясе северного полушария (30%65°), затмение 1.08.08 г. проходило в средних и высоких широтах северного полушария (30%75°). Рассмотрим вариации ионосферной плазмы, полученные с помощью детектора Лэнгмюра (ISL) на высотах спутника DEMETER (~670 км). В период затмения 29.03.06 г. в среднеширотном северном поясе отмечено постепенное понижение уровня ионной концентрации Ni (см^-3) на 15-20%. В экваториальном поясе (+30% - 30°) спутником регистрируется особенность ионизации экваториального пояса – максимум ионной концентрации (рис. 3а, 3б). Во время затмения в этом поясе имело место увеличение уровня максимума на ~40%, которое через ~1,5 ч. вернулось к исходному состоянию.

а)

б)

в)

Рис 3. Ионная концентрация - Ni (см-3) на высоте ~ 670 км: а) 09253_0 (29.03.08, в ~8:45-8:55 орбита проходит вблизи области затмения); б) 09254_0 (29.03.08, в ~10:07-10:17 орбита проходит в области полутени); в) 21827_0 (1.08.08, в ~10:18-10:28 орбита проходит вблизи области затмения)

Оно может быть связано с тем, что реакция ионосферы на изменение потока УФ-излучения определяется постоянными времени ионизации и рекомбинации порядка часа [12]. В период затмения 1.08.08 г. при пролете спутника вблизи области солнечного затмения в северном полушарии отмечены вариации ионной концентрации Ni : на 40-50° N значения Ni увеличились с 2,104 до 3,104 см-3, в то время как на 50-60° N отмечено понижение Ni с (2-3),104 до (1-2),104 см-3 (рис. 3в). По данным работы [8], при исследовании верхней ионосферы во время затмения 29 марта 2006 г. с помощью радара некогерентного рассеяния (49,6°N; 36,3°E) отмечено увеличение относительной концентрации ионов водорода на 25 и 20% на высотах 900 и 1200 км. По мнению авторов, оно явилось результатом усиления потока частиц из плазмосферы в ионосферу, значительный вклад в увеличение нисходящего потока плазмы вносит поток заряженных частиц за счет амбиполярной диффузии.

• а)                                   б)                                  в)

665.78            677.43            688.76

; 2006/03/29 Orbit: 09254 0

I I I I I I I I I I I

10:22:43/10:14      1032:19/09:51       10:41:51

357 89            349.56            327.75

Рис 4. Электронная концентрация – Nе (см-3) на высоте ~ 670 км: а) 09253_0 (29.03.08, в ~8:45-8:55 орбита проходит вблизи области затмения); б) 09254_0 (29.03.08, в ~10:07-10:17 орбита проходит в области полутени); в) 21827_0 (1.08.08, в ~10:18-10:28 орбита проходит вблизи области затмения).

Во время затмения 29 марта 2006 г. в среднеширотном поясе северного полушария значения электронной концентрации не изменились, вариации Ne находились пределах (1,7-2).104 см-3. После его окончания в среднеширотном и экваториальном поясах отмечено понижение Ne на ~20%, зарегистрировано исчезновение максимума экваториальной аномалии электронной концентрации (рис. 4а,б), которая произошла в экваториальной области Земли в равноденственный период, в то время как затмение 1.08.2008 г. происходило в высоких и средних широтах в летнее время. По дан- ным наземного зондирования ионосферы [7, 8], во время затмения 29.03.2006 г. выявлено уменьшение концентрации электронов на высотах F2-слоя ионосферы (250-400 км) на 15% ^ 30%.

Данные спутника DEMETER показали, что в экваториальном и среднеширотном поясах до и после затмения 29.03.2006 г. электронная температура Te составляла ~ 2500-2550°K и 3500-3600°K соответственно. Во время затмения в экваториальном поясе отмечена минимальная электронная температура ~ 2150°K, на 40°-50° северной широты зарегистрировано понижение электронной температуры на ~200-300°K (рис. 5 а,б). Во время затмения 1.08.2008 г. также отмечено понижение электронной температуры в среднем на ~200°К.

В работе [8] отмечено понижение электронной температуры в области F ионосферы на 150-300°K. В обоих случаях уменьшение температуры было малоинерционным. Изменение Te в период затмения и после его окончания связано с изменением интенсивности солнечного излучения, которое ионизирует ионосферу и влияет на термосферу, изменяя температуру и общую концентрацию верхней атмосферы [12].

а)                                     б)                                     в)

Рис 5. Электронная температура – T e (K) на высоте ~ 670 км: а) 09253_0 (29.03.08, в ~8:45-8:55 орбита проходит вблизи области затмения); б) 09254_0 (29.03.08, в ~10:07-10:17 орбита проходит в области полутени); в) 21827_0 (1.08.08, в ~10:18-10:28 орбита проходит вблизи области затмения). В период затмения 1.08.2008 г. значения электронной концентрации N е увеличились с 7,10³ до ~10⁴ см^-3 (рис 4 в).

Заключение

Сравнение эффектов в ионосферной плазме во время затмений Солнца 29 марта 2006 г. и 1 августа 2008 г., по данным спутника DEMETER, показало:

• -    во время обоих затмений отмечено увеличение интенсивности и уширение спектров сигналов ОНЧ-передатчиков;

• -    во время обоих затмений зарегистрировано понижение электронной температуры на 200°К-400°К;

• -    обнаружены вариации уровня ионной и электронной концентраций, значительно зависящие от широты и обстоятельств затмений.

При интерпретации спутниковых спектрограмм, а также вариаций электронной и ионной концентрации и температуры необходимо учитывать сезонные и широтно-долготные вариации ионосферных параметров, так как они имеют широтное районирование и зависят от сезона года. Большая часть затмения – 29.03.2006 г. Отличие изменений в ионосфере в периоды обоих затмений можно объяснить тем, что уменьшение потока солнечного излучения во время затмения вызывает изменение баланса между процессами ионизации и переноса заряженных частиц в ионосферной плазме, а также различием обстоятельств затмений. Неравномерно освещенная область затмения занимает большие пространственные масштабы, поэтому на уровень изменений в ионосфере в значительной степени влияют обстоятельства затмения: фаза, время начала и конца, продолжительность, зенитный угол Солнца, скорость и геометрия трассы перемещения полутени.

Статья подготовлена при финансовой поддержке Междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН № 56 и гранта РФФИ № 08-02-98007).