Яркость ночного неба и собственное излучение верхней атмосферы в регионе Восточной Сибири после падения Челябинского метеорита

Пролет в верхних слоях атмосферы искусствен ных и естественных космических объектов – метео ров и метеорных потоков , космических аппаратов и их фрагментов – может сопровождаться развитием на высотах средней и верхней атмосферы ряда явле ний : образованием ударных и акустико - гравитаци онных волн , нагревом и ионизацией среды , модифи кацией ионосферы и изменением нейтрального со става атмосферы и физико - химических процессов на высотах взаимодействия метеорного вещества с ат мосферой Земли и др . Указанные явления в ряде случаев приводят к появлению возмущений в собст венном излучении верхней атмосферы Земли [ Фиш - кова , Квавадзе , 1987; Beletsky et al., 2004, Mikhalev, 2011]. При этом условия возникновения , основные характеристики и механизмы возмущений оптиче ского излучения выяснены только для некоторых реа лизующихся в верхней атмосфере геофизических си туаций и объектов . Наиболее мощным по своему воз действию на атмосферу является феномен Тунгусского болида 30 июня 1908 г . [ Бронштэн , 1987], когда над обширной территорией Европы и европейской части России отмечались аномально светлые ночи , которые объясняют поступлением в атмосферу большого коли чества метеорного и аэрозольного вещества , образо вавшегося от взрыва метеороида в атмосфере , и рас сеянием на нем излучения , в частности , многократно рассеянного солнечного излучения .

Одной из трудно объяснимых особенностей ано мального свечения неба , сохраняющейся и по на стоящее время , является расположение области све чения только западнее места падения и взрыва Тун гусского метеороида .

В связи с этим пролет и взрыв в атмосфере Земли над территорией России 15 февраля 2013 г. крупного метеороида «Челябинск» представляет уникальное событие для физики и оптики атмосферы Земли и, в частности, для интерпретации оптических эффектов Тунгусского метеороида.

Аппаратура и методика наблюдений

В Геофизической обсерватории ( ГФО ) ИСЗФ СО РАН с 1997 г . по настоящее время проводятся регу лярные наблюдения яркости ночного неба и собст венного излучения верхней атмосферы Земли с по мощью комплекса фотометров , спектрографов и CCD- камер . В феврале 2013 г . в ГФО с помощью спектрографов проводились мультиспектральные измерения излучения верхней атмосферы Земли в линиях атомарного кислорода OI 557.7 нм ( макси мум высоты высвечивания ~97 км ) и 630 нм (~250 км ), натрия NaI 589.0–589.6 нм (~92 км ), в эмиссионных инфракрасных полосах молекул гидроксила ОН (~87 км ) и кислорода О 2 (~97 км ). Интегральная яр кость ночного неба измерялась с помощью цветной широкоугольной камеры FILIN-1C.

В настоящей работе представлены и анализируются оптические данные, полученные с помощью камеры и спектрографа SАТI-1M в эмиссионной линии 557.7 нм. Камера FILIN-1C собрана на основе охлаждаемой цветной ПЗС-матрицы KODAK KAI-11002 (камера «Видеоскан-11002», разработка НПО «Видеоскан», . В качестве входного используется объектив «Мир-20» (фокусное расстояние 20 мм, относительное отверстие 1:3.5). Камера помещена в кожух с термостабилизацией, установлена на поворотной турели и ориентирована в северную часть небосвода в область полюса мира. Угловое поле зрения камеры FILIN-1C составляет ~90°, время экспозиции 300 с, разрешение матрицы 4004×2671 пикселей.

Спектрограф SАТI-1M собран на основе спектрографа ИСП-51 (разработка ЛОМО) и цветной ПЗС-матрицы SONY ICX285AQ (камера «Видеоскан-285», разработка НПО «Видеоскан», . Для согласования размеров матрицы и размеров спектров в фокальной плоскости в качестве камерного установлен объектив «Гелиос-40» (F=85 мм, относительное отверстие 1:1.5). Для освещения входной щели спектрометра используется объектив Юпитер-3 (F=50 мм, 1:1.5). Рабочий спектральный диапазон спектрографа 400–700 нм, время экспозиции спектра 260 с.

Данные оптических наблюдений и их анализ .

Данные наблюдений с помощью цветной ши рокоугольной камеры FILIN-1C

На рис . 1 приведены данные наблюдений с по мощью цветной широкоугольной CCD- камеры FILIN-1C в феврале 2013 г . в ГФО ИСЗФ СО РАН . Представлены средние за ночь суммарные яркости ночного неба в цветовых каналах RGB ( верхние кривые ) и фазы Луны для соответствующих дней ( рис . 1, а ). R - канал ( красный ) соответствует спек тральному диапазону ~600–800 нм , G ( зеленый ) – ~500–600 нм , B ( синий ) – ~400–540 нм . Значения яркости приведены в относительных величинах и относятся к области северного полюса мира . На рис . 1, б приведены фрагменты исходных изобра жений яркости ночного неба для 14 февраля ( слева ) при высокой прозрачности атмосферы и 15 февраля 2013 г . ( справа ) при помутнении атмосферы для времени 13:01 и 13:06 UT соответственно .

Приведенная суммарная яркость ночного неба может быть обусловлена вкладом излучения от раз личных источников ( Луны , звезд , планет , метеоров ), рассеянным светом от этих объектов , собственным излучением верхней атмосферы , многократно рассе янным в области земной тени солнечным излучением и др . Считается , что в отсутствие Луны наибольший вклад в суммарную яркость ночного неба вносит собственное излучение верхней атмосферы Земли . Доля , вносимая каждой составляющей в суммарную яркость ночного неба , зависит от многих метео - и гелиогеофизических факторов . Изгиб на кривых яркости ночного неба на рис . 1, а , отмечаемый 15– 16 февраля 2013 г ., можно объяснить как увеличе нием доли рассеянного света нарастающей Луной , так и увеличением количества рассеивающего , в част ности аэрозольного , вещества .

Можно высказать предположение , что взрыв ме теороида « Челябинск » на стратосферных высотах мог вызвать поступление аэрозольной пыли в сред нюю и верхнюю атмосферу . Тогда , как и для случая Тунгусского метеороида , можно было ожидать уве личения яркости ночного неба и снижения прозрач ности атмосферы . И основной вопрос , возникающий в этом случае , заключается в размерах , расположе нии и эволюции области аэрозольного загрязнения .

Анализ приведенных на рис . 1 данных наблюде ний позволяет высказать предварительную гипотезу о том , что увеличение суммарной яркости ночного неба в регионе Восточной Сибири в последующие после падения Челябинского метеорита ночи 15 и 16

февраля 2013 г . может быть связано и с его взрывом на стратосферных высотах . Увеличение яркости ночного неба для RGB- каналов составило до 50 % относитель но предшествующих ночей .

Основная трудность объяснения , возникающая в этом случае , как и для Тунгусского метеороида , за ключается в небольших временах ( высоких скоро стях ) переноса аэрозольного загрязнения до региона наблюдения в Восточной Сибири , что невозможно объяснить только преимущественными ветрами на тропосферных высотах . Следует отметить , что Тун гусский метеороид , как и Челябинский , вошел в ат мосферу в утренние часы по местному времени , а аномальное свечение атмосферы наблюдалось уже в первую ночь на расстояниях в несколько тысяч ки лометров . Это требует скорости переноса аэрозоль ного загрязнения ~50–100 м /c, что не наблюдается на тропосферных высотах .

Объяснить эти противоречия можно, если допустить, что перенос аэрозольного загрязнения осуществлялся на стратосферных высотах. Анализ преобладающих зональных ветров в феврале 2013 г. [] позволяет говорить о возможных высоких скоростях переноса на высотах верхней стратосферы до 60–80 м/с и более с запада на восток в этот сезон года. Изменение направления зональных ветров на этих высотах с востока на запад в летний период может служить косвенным объяснением наблюдения аномального свечения в случае с Тунгусским метеороидом только западнее места его падения. В случае метеороида «Челябинск» возможную область аэрозольного загрязнения и увеличения яркости ночного неба следует ожидать восточней места взрыва. При этом первые следы аэрозольного наполнения атмосферы в районе ГФО при скоростях переноса на стратосферных высотах ≥100 м/с можно было ожидать уже через 9–10 ч после взрыва метеороида (03:20 UT), т. е. фактически к началу оптических ночных наблюдений ~12 UT 15 февраля 2013 г.

Приведенные возможные скорости переноса аэро золя от взрыва метеороида « Челябинск » совпадают с результатами лидарных наблюдений в эти дни стра тосферных аэрозольных следов на российских ли - дарных станциях [ Иванов и др ., 2013; Николашкин , Титов , 2013]. В частности , в работе [ Иванов и др ., 2013] отмечается , что в анализируемый период вре мени на стратосферных высотах перемещение воз душных масс происходило в восточном направле нии . Наибольшую скорость на высотах 42–44 км имели воздушные массы , которые , обогнув Север ный полюс , к 18–19 февраля достигли Обнинска и Москвы . Согласно расчетам траекторий воздушных масс , выполненным сотрудниками Сибирского фе дерального университета [ Иванов и др ., 2013], пере носимый атмосферной циркуляцией метеорный след мог достичь Якутска , расположенного восточнее Иркутска , уже к 15–16 февраля [ Николашкин , Титов , 2013]. Тогда оценки средней скорости переноса воз душных масс для широт ~50° для указанных высот дают значения ~70–100 м / с и более .

Следует отметить , что идея переноса продук тов взрыва Тунгусского объекта на высотах верхней

б

а

Рис . 1. Средние за ночь суммарные яркости ночного неба в цветовых каналах RGB ( верхние кривые , кружки – R- канал , квадраты – G- канал , треугольники – B- канал ) и фазы Луны ( нижняя кривая ) в феврале 2013 г ( а ); фрагменты исход ных файлов изображений для 14 ( слева ) и 15 февраля ( справа ) 2013 г . ( б ). В центре изображений – Полярная звезда .

атмосферы высказывалась и ранее ( например , [ Иванов , 1967]).

Данные наблюдений спектрометра S АТ I-1M

На рис . 2 приведены данные наблюдений сред них ночных значений собственного излучения верхней атмосферы Земли в эмиссионной линии атомарного кислорода OI 557.7 нм ( высоты высве чивания ~85–115 км ), полученные с помощью пат рульного спектрометра S АТ I-1M; на рис . 3 – дан ные наблюдений внутрисуточных вариаций собст венного излучения верхней атмосферы Земли в линии OI 557.7 нм .

Анализ данных , приведенных на рис . 2 и 3, по зволяет выявить две особенности в вариациях ин тенсивности атмосферной эмиссии 557.7 нм : мини мальное относительно предыдущих и последующих ночей среднее значение интенсивности эмиссии 557.7 нм 15 февраля 2013 г . и изменение ночного хода этой эмиссии в эту и последующие ночи . Ука занные изменения характеристик этой эмиссии ( снижение средней ночной интенсивности , измене ние типа ночного хода эмиссии 557.7 нм ) иногда отмечаются после землетрясений [Fishkova et al., 1985; Mikhalev et al., 2001].

В связи с этим интересно отметить, что падение метеороида «Челябинск» сопровождалось сейсмическим эффектом, эквивалентным землетрясению магнитудой 3–4 балла [Бернгардт и др., 2013; Падение_метеорита_Челя бинск]. Предыдущее подобное явление – падение Тунгусского метеороида – оценивалось в 5.0 баллов. К настоящему времени не определены механизмы влияния сейсмической активности на эмиссии верхней атмосферы – высказываются лишь отдельные гипо-

Рис . 2 . Излучение верхней атмосферы Земли в эмис сионной линии атомарного кислорода OI 557.7 нм 12– 19 февраля 2013 г .

Рис . 3. Внутрисуточные вариации собственного излу чения верхней атмосферы Земли в эмиссионной линии атомарного кислорода OI 557.7 нм .

тезы ( например , [Fishkova et al., 1985]). Простран ственный масштаб возмущений параметров верхней атмосферы и ионосферы при землетрясениях может достигать сотен и тысяч километров [ Липеровский и др ., 1990].

В связи с наблюдаемым изменением ночного хо да эмиссии 557.7 нм интересным представляется факт , отмечаемый в работе [ Фишкова , 1983], о по добии ночных вариаций эмиссии 557.7 нм на стан циях , расположенных на одной широте , но разне сенных по долготе на тысячи километров .

С учетом изложенного можно допустить , что наблюдаемые в вариациях эмиссии 557.7 нм осо бенности , возможно , обусловлены сейсмическим эффектом от падения метеорита « Челябинск ».

Выводы

• 1.    В межсуточных вариациях суммарной яркости ночного неба в регионе Восточной Сибири в первые после падения метеорита « Челябинск » ночи 15/16 и 16/17 февраля отмечается увеличение яркости ночного неба ( до 50 %) относительно предшествующих ночей .

• 2.    Имеющиеся в настоящее время эксперимен тальные данные наблюдений атмосферных парамет ров и их предварительный анализ пока не позволяют однозначно связать указанное увеличение яркости ночного неба с полетом метеорита « Челябинск », так как наблюдаемое помутнение атмосферы может наблюдаться и в обычных метеорологических усло виях . Между тем , в предположении возможного пе реноса аэрозольных продуктов взрывов Тунгусского и Челябинского метеороидов на высотах стратосфе ры – нижней мезосферы ( с учетом регистрируемых на этих высотах зональных скоростей ветров и их сезонного изменения направлений ) представляется возможным допустить следующее :

• •    быстрый перенос возможных продуктов взрывов на большие расстояния ;

• •    западное расположение зоны аномального свечения ночного неба относительно места падения Тунгусского метеороида ( летом направление зо нальных ветров с востока на запад );

• •    возможное аэрозольное наполнение страто сферы – нижней мезосферы во время взрыва метео роида « Челябинск » и преимущественное восточное направление переноса продуктов взрыва на большие расстояния , включая и регион Восточной Сибири .

3. Анализ вариаций интенсивности атмосферной эмиссии OI 557.7 нм выявил в первую после падения метеороида « Челябинск » ночь 15/16 февраля 2013 г . изменение характеристик этой эмиссии , подобное из менениям , регистрируемым после землетрясений .

Регулярные ежедневные измерения собственного излучения верхней атмосферы Земли , используемые в настоящей работе , проводились в рамках проекта № ОНЗ -8.3 Программы ОНЗ РАН № 8, междисцип линарного интеграционного проекта СО РАН № 11 и проекта РФФИ № 12-05-00024- а .

Работа выполнена в рамках гранта № НШ -2942. 2014.5 президента РФ государственной поддержки ведущих научных школ РФ .