Эффект часовых меток в активности электромагнитных колебаний Рс1 как свидетельство антропогенного воздействия на ионосферу и магнитосферу

На рис . 1 представлены динамические спектры двух широко известных в настоящее время разновид ностей естественных электромагнитных колебаний Рс 1. Напомним , что аббревиатура Рс 1 расшифровы вается как « непрерывные колебания (pulsations continuous) в диапазоне частот 0.2–5 Гц ». Вверху на рис . 1 показано так называемое « ожерелье жемчужин » (pearl necklace) по терминологии E. Саксдорфа , кото рый обнаружил колебания такого рода и опубликовал свои наблюдения в 1936 г . [Sucksdorff, 1936] ( см . также [Harang, 1936]). Стандартный сценарий воз никновения « жемчужин » ( в дальнейшем мы будем для краткости использовать этот термин ) состоит в том , что в результате неустойчивости плазмы в эква ториальной зоне магнитосферы происходит самовоз буждение пакетов ионно - циклотронных волн , кото рые распространяются вдоль геомагнитных силовых линий и проникают через ионосферу до земной по верхности ( см . например [Troitskaya, Guglielmi, 1967; Гульельми , 1979; Mazur, Potapov, 1983]). Динамиче ский спектр второй широко известной разновидности Рс 1 выглядит как ряд веерообразных полос ( рис . 1, нижняя панель ). ( Заметим , что верхняя часть полос выходит за пределы частотного диапазона Рс 1 и мо жет достигать 10 Гц , но основная энергия колебаний сосредоточена в области ниже 5 Гц .) Эта разновид ность была обнаружена коллективом авторов [ Поля ков , Рапопорт , 1981; Беляев и др ., 1987, 1989a, б ] в 80- х гг . прошлого века ( см . также [Belyaev е t al., 1990, 1999, 2000; Остапенко , Поляков 1990; Беляев

Рис . 1. Динамические спектры двух разновидностей есте ственных электромагнитных колебаний Рс 1. Колебания заре гистрированы магнитометром , расположенным на средне широтной обсерватории Борок ( Ярославская область ). На верхней панели показаны так называемые жемчужины , на блюдавшиеся 29.10.1984 г . Веерообразная структура на ниж ней панели дает представление о так называемых резонансах . Колебания наблюдались 18–19.09.1985 г .

и др., 1997; Yahnin et al., 2003; Семенова и др., 2008; Ермакова, 2009]). Стандартная модель, предложенная авторами открытия, базируется на представлении о резонансных колебаниях Альвена в слое F ионосферы. Отсюда происходит часто употребляемая в литературе аббревиатура IAR (Ionospheric Alfvèn resonances). Нам же при обозначении явлений желательно, по крайней мере в рамках данной статьи, уклоняться от явного указания на интерпретацию. Поэтому мы будем условно называть вторую разновидность Рс1 «резонансами», не вкла- дывая, однако, в это особого физического содержания, подобно тому, как мы не вкладываем физического содержания в название pearl necklace, когда говорим об электромагнитных колебаниях.

Итак , в данной статье речь пойдет о жемчужинах и о резонансах . Вне всякого сомнения , обе эти раз новидности Рс 1 представляют собой естественные колебания околоземной плазмы . Ни стандартные теории , упомянутые выше , ни совокупность широко обсуждаемых экспериментальных фактов , касаю щихся Рс 1, не дают никаких указаний на то , что обычная человеческая активность имеет какое бы то ни было отношение к Рс 1. Подчеркнем , что мы го ворим о регулярной , обычной хозяйственной дея тельности . Целенаправленные эксперименты в кос мосе , например взрывы атомных бомб на ионосфер ных высотах , а также другие специальные опыты с использованием колоссальных мощностей приводи ли к возбуждению искусственных электромагнит ных колебаний в диапазоне Рс 1 и к видоизменению режима колебаний Рс 1 естественного происхожде ния . Но мы не рассматриваем здесь экстремальные события такого рода . В данной статье мы обращаем внимание на загадочный эффект часовых меток ( ЧМ ). Этот слабый эффект , спорадически проявляю щийся в активности Рс 1, безусловно , имеет человече ское происхождение . Его существование свидетель ствует о заметном силовом и / или тепловом импульс ном воздействии техносферы на околоземную среду . Обнаружение эффекта ЧМ поставило перед физикой ионосферы и магнитосферы вообще и перед теорией Рс 1 в частности весьма трудные вопросы .

Эффект часовых меток в активности жемчужин и резонансов

Эффект ЧМ ( его называют также Big Ben effect, chime effect или effect of pulse clock) проще проде монстрировать на рисунке , чем описать словами . Обратимся к динамическому спектру , показанному на верхней панели рис . 2. Серия жемчужин с несу щей частотой 2.1 Гц выглядит как квазигоризон - тальная полоска . Часовые метки , т . е . вертикальные линии на рисунке , отмечают начало каждого часа по мировому времени . С одной стороны , сами по себе ЧМ не имеют никакого отношения к естественным процессам во внешней среде . С другой стороны , мы отчетливо видим , что серия жемчужин « включается » сразу вслед за появлением ЧМ в 03:00 UT. Возникает впечатление , что « бой часов » парадоксальным обра зом стимулирует колебания космической плазмы .

Привязка начал , а иногда и окончаний серий жемчужин к ЧМ происходит нечасто , и может по казаться , что события такого рода следует рассмат ривать как простые совпадения . Но мы придержива емся другой точки зрения . Исходя из предположения , что ЧМ являются своего рода тактовыми сигналами , синхронизирующими работу технологических систем во всем мире , мы нашли ряд аргументов , позволяю щих считать эффект ЧМ проявлением глобального воздействия человеческой деятельности на околозем ную плазму . Во - первых , нами и нашими коллегами из Геофизической обсерватории Борок ИФЗ РАН и из Института солнечно - земной физики СО РАН собрана

Рис . 2 . Динамические спектры жемчужин ( вверху ) и резонансов ( внизу ). Колебания зарегистрированы на обс . Борок 22.11.1984 г . и 07.08.1985 г . соответственно . Верти кальные линии на рисунке указывают начало часа по ми ровому времени .

богатая коллекция динамических спектров жемчу жин , психологически убедительно иллюстрирующая реальность эффекта ЧМ . Часть этой коллекции представлена в публикациях [ Гульельми и др ., 1978; Гульельми , 1979; Довбня и др ., 2008]. Во - вторых , статистическая достоверность антропогенного эф фекта ЧМ установлена в работе [ Гульельми , Зотов , 2010] на весьма высоком уровне значимости путем исследования каталога [ Матвеева , 1996] ( см . также [ Зотов , Калишер , 1979; Гульельми , Зотов , 1986]). Заметим , что каталог Э . Т . Матвеевой содержит дан ные о примерно 17500 сериях жемчужин , которые были зарегистрированы на обс . Борок с 1958 по 1992 г . Анализ каталога показал , что существует не более одного шанса из ста , что обнаруженный нами эффект ЧМ есть просто игра случая . Далее , в работе [ Зотов , Гульельми , 2010] указаны факты , явно сви детельствующие о резких переключениях режима функционирования мощных технологических сис тем в момент прохождения ЧМ . Наконец , нами бы ли ориентировочно указаны физические механизмы импульсного воздействия техносферы на околозем ную среду , ответственные за эффект ЧМ ( помимо упомянутых публикаций см . [Samadani et al., 1981; Guglielmi, Zotov, 2007; Zotov, Guglielmi, 2010]).

Итак , на основе изложенных фактов и соображе ний мы пришли к выводу , что имеет место антропо генный эффект ЧМ в активности жемчужин . Однако для нас было некоторой неожиданностью обнару жение аналогичного эффекта также и в активности резонансов . Ниже мы объясним , какие представле ния лежали в основе наших ожиданий . Здесь же приведем несколько характерных примеров резкого изменения активности жемчужин и резонансов , свя занного с прохождением ЧМ .

Рисунок 2 показывает, что с ЧМ связано не только появление жемчужин, но и резкое усиление интенсивности резонансов. Мы говорим об усилении, поскольку оригинальная спектрограмма свидетельствует о том, что и до 17:00 UT существовала слабая активность резонансов, но на нижней панели рис. 2 эта слабая активность различима не вполне хорошо. Как уже сказано выше, спорадическое появление жемчужин сразу после ЧМ было известно и довольно подробно изучено. Новым и неожиданным является резкое усиление интенсивности резонансов в 17:00 UT, отчетливо видное на рис. 2.

На рис . 3 показан обратный эффект , а именно ис чезновение колебаний в 03:00 UT и резкое ослабле ние колебаний в 24:00 UT на верхней и нижней пане лях соответственно . С одной стороны , наличие пря мого и обратного эффектов ЧМ в активности жемчу жин и резонансов требует теоретического обоснова ния и ставит перед теоретиками особо трудные зада чи . С другой стороны , эта неоднозначность может указать путь для поиска ответа на вопрос о происхо ждении спорадической реакции колебательных сис тем ионосферы и магнитосферы на ЧМ .

Рисунок 4 иллюстрирует переключение с режима жемчужин на режим резонансов ( верхняя панель ) и обратно ( нижняя панель ) в момент появления часо вых меток в 16:00 UT и 19:00 UT соответственно . Вообще говоря , характерной особенностью жемчу жин является дискретность структуры динамическо го спектра . Эта дискретность хорошо различима на рис . 1–3. На рис . 4 дискретность не видна , но , тем не менее , она существует , о чем свидетельствует ана лиз оригинальных спектров при достаточно боль шом увеличении . Другими словами , мы действи тельно имеем здесь дело с жемчужинами .

Обсуждение

Приведенные выше примеры , по - видимому , не оставляют сомнения в том , что эффект ЧМ споради чески проявляется в активности не только жемчу жин , но и резонансов . Нет сомнения и в том , что эффект свидетельствует о заметном воздействии техносферы на околоземную плазму . Механизм та кого воздействия пока достоверно не известен . По этому здесь вполне будут уместны следующие энер гетические сопоставления . По оценке [ Капица , 2010] энерговооруженность человечества составля ет ~500 эксаджоулей в год , или ~1.5·10²⁰ эрг / с . Эта величина сопоставима с полным потоком энергии солнечного ветра через поперечное сечение магни тосферы и , согласно оценкам [ Гульельми , Троицкая , 1973], по меньшей мере на 3–4 порядка превышает среднюю скорость притока энергии в колебательные системы магнитосферы во всем диапазоне ультра - низкочастотных электромагнитных колебаний , т . е . от миллигерц до нескольких герц . Если теперь учесть , что энергия , запасенная в околоземной плазме в виде жемчужин и резонансов , составляет лишь весьма малую долю от полной энергии ульт - ранизкочастотных колебаний , то не покажется слишком неправдоподобной наша идея о том , что начало каждого часа глобально синхронизирует ра боту технологических систем , в результате чего спорадически наблюдается эффект ЧМ .

Теперь следует объяснить , почему обнаружение эффекта ЧМ в активности резонансов показалось нам особенно удивительным . Как известно , жемчу жины распространяются вдоль земной поверхности

Рис . 3 . Эффект внезапного исчезновения жемчужин в 03:00 UT ( верхняя панель , обс . Борок , 04.08.1985 г .) и резкого ослабления резонансов в 24:00 UT ( нижняя па нель , обс . Борок , 08.09.1988 г .).

Рис . 4. Переключение с режима жемчужин в режим резонансов в 16:00 UT ( верхняя панель , обс . Борок , 15.08.1985 г .) и с режима резонансов в режим жемчужин в 19:00 UT ( нижняя панель , обс . Борок , 08.04.1985 г .).

в ионосферном МГД-волноводе на многие тысячи, а иногда на десятки тысяч километров от места внедрения волн из магнитосферы в ионосферу (см., например, монографии [Гульельми, Троицкая, 1973; Нишида, 1980]). В отличие от этого ионосферный источник резонансов располагается над точкой наблюдения, причем горизонтальный масштаб волнового поля составляет 100–200 км [Семенова и др., 2008]. Таким образом, если в случае жемчужин радиус поиска возможного агента техногенного воздействия на околоземную среду неопределенно велик, то в случае резонансов этот радиус, казалось бы, должен быть ограничен первыми сотнями километров. Другими словами, в случае резонансов вопрос об источнике техногенного воздействия при- обретает особую остроту и требует конкретного ответа. На расстояниях до 200 км от обсерватории Борок располагаются крупные промышленные центры в Рыбинске (30 км), Ярославле (110 км) и Череповце (130 км). Целесообразно в ходе дальнейших наблюдений производить учет вариаций энергопотребления прежде всего именно в этих центрах. Методика такого учета разработана О.Д. Зотовым при исследовании энергопотребления в одном из крупнейших промышленных регионов США [Зотов, Гульельми, 2010].

Заканчивая обсуждение , обратим внимание на существование естественных процессов , приводя щих к эффектам , в той или иной мере аналогичным эффекту ЧМ . Мы имеем в виду резкие импульсы , временами возникающие в околоземной среде и воздействующие на колебательный режим Рс 1. Как это делается иногда в электромагнетизме , мы будем использовать собирательное название « джерки » (jerks) для обозначения импульсов такого рода неза висимо от их происхождения и физической приро ды . Примером джерка внемагнитосферного проис хождения является так называемое внезапное нача ло магнитной бури (storm sudden commencement, или сокращенно SSC). Джерк возникает в момент контакта магнитосферы с фронтом межпланетной ударной волны [ Нишида , 1980]. Пример внутримаг - нитосферного джерка – импульсная инжекция энер гичных частиц из хвоста вглубь магнитосферы . Ин жекция приводит , в частности , к возбуждению элек тромагнитных колебаний Pi1B, динамический спектр которых отдаленно напоминает размытую часовую метку [ Гульельми , Троицкая , 1973]. Часто вслед за SSC [Kangas et al., 1986], а иногда и вслед за Pi1B [ Довбня , Зотов , 1985] начинается возбужде ние серии жемчужин . Известны также джерки лито сферного происхождения , однако их физическая природа пока остается загадочной . Два широкопо лосных импульса такого рода показаны на рис . 5, причем мы видим , что первый из них совпадает с началом , а второй с окончанием серии жемчужин ( более подробно о событиях такого рода см . в рабо тах [ Довбня и др ., 2006, 2007; Dovbnya, 2007]). В свете того , что изложено в данной статье , естест венно предположить , что джерки могут оказывать влияние на режим не только жемчужин , но и резо нансов . Результат поиска связей такого рода будет опубликован в другой статье .

Заключение

За десятилетия исследований у многих сложи лось убеждение , что две модели естественных элек тромагнитных колебаний Рс 1, упомянутые во вве дении , дают достаточно прочную основу для теоре тического осмысливания результатов наблюдений и для планирования дальнейших экспериментов . В то же время в ряде работ настойчиво подчеркивается неудовлетворительность теоретических представле ний о возбуждении и распространении Рс 1. Напри мер , в работе [Guglielmi et al., 2001] подчеркнуто , что при учете многокомпонентного состава магнито сферной плазмы необходима существенная модифи кация стандартной теории жемчужин ( см . также обзор [ Гульельми , 2007]). Неадекватность или , по крайней

Рис . 5. Пример связи возбуждения и подавления узко полосных колебаний космической плазмы на частоте 1 Гц ( жемчужин ) короткими широкополосными импульсами . Колебания зарегистрированы в Борке 30.12.1974 г .

мере , существенная неполнота теоретических пред ставлений проявляется также в том , что эффект ЧМ не удается удовлетворительно объяснить в рамках известных моделей жемчужин . Аналогичным обра зом эффект ЧМ , обнаруженный нами при наблюде нии резонансов , не имеет очевидного объяснения в рамках теории [ Поляков , Рапопорт , 1981; Беляев и др ., 1989 б ]. В заключение мы хотим подчеркнуть актуальность проблемы интерпретации эффекта ЧМ . Ее решение может пролить свет на еще одно зага дочное явление , а именно на связь колебаний Рс 1 с землетрясениями . В случае как ЧМ , так и землетря сений речь идет об изменении режима колебаний под действием джерка , т . е . резкого электромагнит ного и / или акустического импульса индустриально го происхождения в первом случае и литосферного происхождения во втором . Мы планируем проана лизировать эту аналогию в другой статье . Здесь лишь укажем , что подробные сведения о связи жем чужин и резонансов с джерками литосферного про исхождения содержатся в работах [Guglielmi et al., 2006; Dovbnya, 2007; Довбня и др ., 2008; Потапов и др ., 2008; Kotsarenko et al., 2008].

Выражаем благодарность О . Д . Зотову , Б . И . Клайну и Б . Цэгмэду за обсуждение проблемы воздействия индустриальной активности на колебательный режим околоземной плазмы . Работа выполнена при частичной поддержке Российского фонда фунда ментальных исследований ( гранты № 09-05-00048 и № 10-05-00661).