О моделировании атмосферного акустического канала для некоторых ядерных тестов в районе бывшего советского семипалатинского полигона

В 1970- е годы СибИЗМИР СО АН СССР была создана инфразвуковая станция СибИЗМИР для исследования малоамплитудного инфразвука ес тественного происхождения ( микробаром ). Техни ческие характеристики приемной станции и методика обработки данных регистрации приводятся в [ Поно марев и др ., 1974; Афраймович идр ., 1990].

В 1980- е годы была осуществлена попытка реги страции инфразвуковых сигналов от подземных ядерных взрывов ( ПЯВ ), производимых на бывшем советском ядерном полигоне в районе Семипала тинска . Из четырех ядерных взрывов , произведен ных в 1988 г ., инфразвуковые сигналы были зареги стрированы только для двух . С развитием баз дан ных по пространственно - временной структуре поля ветра и температуры появилась возможность по строить модель распространения инфразвуковых сигналов от источников различного типа , важную для понимания функционирования атмосферного акустического канала ( ААК ). Оценка состояния ААК в моменты ПЯВ позволяет понять , почему не которые из сигналов от ПЯВ не были зарегистриро ваны в СибИЗМИР .

Характеристика атмосферного шума в районе расположения инфразвуковой станции ИСЗФ СО РАН

Для успешного наблюдения в данном месте ин фразвука малой амплитуды от удаленных источни ков необходимо знание метеорологической обста новки и среднего уровня инфразвукового шума в регистрируемом диапазоне . Высотное распределение метеорологических параметров ( температура , направ ление и скорость ветра ) определяет состояние акусти ческого канала в зоне приема , в то же время ветровые пульсации на уровне земной поверхности приводят к увеличению атмосферного шума , препятствующего уверенной регистрации инфразвуковых сигналов .

С целью определения потенциальных возможностей приема сигналов от удаленных импульсных источников были проведены непрерывные измерения инфраакустического шума в диапазоне 0.1–1 Гц в течение длительного периода времени. Измерялись также соответствующие метеорологические величины – скорость и направление ветра, темпера- тура, статическое давление атмосферы. Синхронные измерения инфразвукового шума и соответствующих метеопараметров осуществлялись в течение первых 100 с каждого часа. На основе полученных данных рассчитывались среднемесячные значения параметров.

В табл . 1 и 2 представлены некоторые данные , характеризующие метеорологическую обстановку и средний инфразвуковой фон соответственно за зим ний период 1986 г . ( январь – март , октябрь – декабрь ). При этом размах колебаний давления приводится отдельно для различных видов атмосферного шума ( тип Р 1 – коррелированный инфразвуковой шум , тип P2 – шум в безветренную погоду отдельно и тип Р 3 – шум в присутствии ветра плюс шум в безветрен ную погоду . Из табл . 1 и 2 видно , что увеличение шу ма типа P3 в феврале и марте прямо связано с увели чением средней скорости ветра в этот же период [ Еру - щенков и др ., 1991].

Данные , представленные в табл . 1 и 2, показы вают также , что среднемесячный шум в присутствии

Таблица 1

Среднемесячные данные метеорологических величин за период 1986 г .

Месяц , 1986 г .	Скорость ветра , м /c		Направление ветра , град		Температура , град
	1	2	1	2	1	2
Январь	744	0.3	284	126	744	–23
Февраль	672	0.5	283	130	672	–19
Март	744	1.3	171	140	744	–7
Октябрь	744	0.5	381	115	744	3
Ноябрь	696	0.5	439	120	696	–13
Декабрь	695	0.3	269	106	696	–23

Таблица 2

Средний размах колебаний инфразвукового фона в диапазоне 0.1–1 Гц , 10^–1 Па

Месяц , 1986 год	Кол - во часов в месяце	P1		P2		P3
		1	2	1	2	1	2
Январь	744	247	1.2	601	1.1	744	1.2
Февраль	672	119	1.0	548	0.8	672	1.3
Март	744	33	0.8	423	0.8	744	1.9
Октябрь	744	68	1.8	544	0.7	744	1.0
Ноябрь	720	218	1.6	524	1.1	680	1.3
Декабрь	744	122	1.3	483	1.3	591	1.4
Общее время	4368	807		3123		4175

Примечание : 1 – количество часов наблюдений , 2 – среднее значение .

ветра плюс шум в безветренную погоду ( Р 3) дости гает 0.19 Па ( в марте 1986 г .), а средняя амплитуда фонового инфразвука P1 составляет около 0.18 Па ( в октябре 1986 г ).

Видно , что в течение некоторого времени (~19 % от общей продолжительности регистрации ) наблю дается инфразвуковой шум P1 ( микробаромы ) с максимальным размахом 0.18 Па . Это естественным образом ограничивает нижний порог регистрируе мых инфразвуковых сигналов .

Шум в отсутствие ветра P2 с максимальным раз махом 0.13 Па наблюдается большую часть времени (71 %), что также снижает возможности нижнего по рога обнаружения инфразвуковых сигналов на уровне 0.13 Па . Остальное время приходится на ветреный период , когда при скорости ветра больше 5 м / с про странственные инфраакустические фильтры стано вятся неэффективными , а прием инфразвуковых сигналов невозможным .

В табл . 3 показаны характеристики нескольких ядерных взрывов , регистрация которых была орга низована на станции СибИЗМИР в 1988 г . Видно , что из четырех взрывов реально наблюдались только два . При этом азимут зарегистрированных сигналов соот ветствует азимуту Семипалатинска и позволяет одно значно идентифицировать инфразвуковые сигналы . Заметим , что уровень атмосферного шума , присут ствовавший на момент наблюдения взрыва 06.02.1988 г . на станции , был высок для уверенной регистрации , и , возможно , поэтому сигнал ПЯВ не был обнаружен . Таким образом , можно считать , что условия приема удаленных инфразвуковых сигналов на станции управляются не только локальными метео рологическими условиями , определяющими уровень атмосферного шума , а вообще и метеорологическим состоянием верхней и средней атмосферы , влияющим на формирование атмосферных акустических каналов . Для того чтобы сформировать представление о даль нем распространении инфразвука , в этой работе ис пользуются принцип модельного описания трассы распространения в ААК .

Напомним , что принципы модельного описания трассы распространения в ААК обсуждались ранее [Ponomarev, et al., 2006; Sorokin, Ponomarev., 2008], и здесь применяется методика анализа условий рас пространения сигнала по акустическому волноводу , основанная на использовании некоторого инте грального показателя – « потенциала ААК »:

U = (to-kxV))2/c2 -kx2, (1) где ω – круговая частота звуковой волны, kx – горизонтальное волновое число, c – скорость звука, Vx – скорость ветра в направлении распространения волны. Сигнал свободно распространяется в атмосфере, когда U>0, и не распространяется там, где U<0. Предполагается, что на «стенке» ААК (в точке отражения) расположен узел скорости частиц в волне, и скорость ветра невелика по сравнению со скоростью звука. Ниже мы рассмотрим состояние ААК по трассе Семипалатинск–Иркутск для ядерных взрывов, приведенных на сайте Международной системы мониторинга ядерных взрывов [ ] и показанных на рис. 1 и в табл. 3.

Рис . 1. Инфразвуковые сигналы от подземных ядерных взрывов , зарегистрированные на инфразвуковой станции СибИЗМИР 3 апреля 1988 г . и 22 апреля 1988 г . Вверху – инфразвуковой сигнал , зарегистрированный 3 апреля 1988 г ., а внизу – 22 апреля 1988 г . Время московское ( мск ).

Пространственно - временное распределение потенциала ААК по данным IDEAS

На рис. 2 приведены результаты расчетов потенциала U акустического канала для некоторых характерных пунктов исследуемой трассы на основе данных системы IDEAS. В этой системе аэрологические данные привязаны к узлам координатной сетки и интерполируются по долготе и широте с разрешением 2.5, 5 и 30 град. Максимальная высота зондирования достигает 10 мбар (около 30 км). Более подробные сведения можно получить на сайтах системы IDEAS (серверы проекта IDEAS в России – , в США – http://ideas. и в

На рис . 2, а представлен высотный разрез годо вого хода потенциала U для Иркутска . Черным цве том показан потенциал U <0, отображающий зоны запирания ( нераспространения ), а светлым – потен циал U >0, указывающий на зоны свободного рас пространения сигнала . По оси ординат отложены изобарические высоты ( миллибары , геометрическая высота растет вниз ), по оси абсцисс – время в едини цах запусков метеозондов . Таким образом , представ ленные значения потенциала U имеют вид высотных разрезов годового хода состояния акустического канала для указанных пунктов . Отчетливо видны чередующиеся состояния ААК с периодом 7–10 дней , по - видимому , связанные с синоптическими явлениями . На рис . 2, б показана схема прохожде ния акустической трассы Семипалатинск – Иркутск .

Для исследования общего состояния трассы ААК были рассчитаны потенциалы ААК в направлении инфразвуковой станции Иркутск – Бадары на северо - восток . В направлении станции Иркутск – Бадары представлены расчеты для шести пунктов . Это пунк ты : Семипалатинск (50° N, 80° E;), Усть - Каменогорск (50° N; 87.5° E), Горно - Алтайск (52.5° N; 95° E), Ир кутск (52.5° N; 105° E), Улан - Удэ (52.5° N; 107.5° E), Чита (52.5° N; 113.5° E) ( рис . 2, в ). В северо - восточном направлении трасса акустического канала имеет вид эпизодически образующихся зон ААК , обеспечиваю щих прохождение инфразвукового сигнала .

в

а

Время, количество запусков метеозондов

Рис . 2. Расчет ААК для некоторых пунктов трассы Иркутск – Семипалатинск , построенный на основе данных IDEAS за 1988 г .:

• a )    пространственно - временное распределение потенциала ААК для пункта Иркутск в 1988 г .;

• б )    общая схема трассы акустического атмосферного канала Семипалатинск – Иркутск ;

• в )    фрагменты годового распределения потенциала ААК для некоторых пунктов трассы ААК . 1 – Семипалатинск ; 2 – Усть - Каменогорск ; 3 – Горно - Алтайск ; 4 – Улан - Удэ ; 5 – Чита .

Примечание : по горизонтальной оси отложено время в единицах запусков метеозондов , по вертикальной оси – высота в миллибарах ( высота растет вниз ).

Наибольший интерес представляют состояния ААК в моменты проведения взрывов, подтвержденных наблюдениями. Действительно, из серии тестовых взрывов были зарегистрированы только два инфразвуковых сигнала (рис. 1) – 3 апреля 1988 г., мощность 150 кт, и 22 апреля 1988 г., мощность 20 кт. На рис . 2, а, соответствующем пункту Иркутск, момент регистрации взрыва 3 апреля 1988 г. соответствует позиции оси на абсцисс 380, дата взрыва 22 апреля 1988 г. соответствует позиции на оси абсцисс 452, а взрыв 14 сентября 1988 г. соответствует позиции 1033 (показаны треугольными метками). Видно, что зона ААК с положительным потенциалом 3 апреля 1988 г. могла способствовать прохождению инфразвукового сигнала на станцию Иркутск–Бадары на высоте до 30 км, однако границы ААК размыты и запирающий слой отсутствует, что говорит в пользу только свободного распространения, а 22 апреля 1988 г. канала вообще нет, поскольку потенциал ААК в этой зоне близок к отрицательным значениям и соответствует зоне нераспространения.

Тестовый взрыв мощностью 150 кт , произведен ный 14 сентября 1988 г . на Семипалатинском поли гоне , регистрировался средствами инфразвукового мониторинга на инфразвуковой станции Иркутск – Бада - ры . В результате мониторинга инфразвуковой сигнал от взрыва не был зарегистрирован . Наличие зоны нераспространения в ААК с отрицательным потенциалом ( черный цвет ) на рис . 2, а ( пункт Ир кутск ) на момент 14 сентября 1988 г . может объяс нить отсутствие инфразвукового сигнала . Результа ты моделирования показывают , что отсутствие дей ствующего ААК на момент взрыва 14 сентября 1988 г . связано с образованием на высотах до 30 км зоны нераспространения с U <0 ( темный цвет ) и , соответ ственно , объясняет отсутствие инфразвукового сиг нала на приемной станции на момент регистрации .

По данным IDEAS на нижних высотах ( до 30 км , рис . 2), для события 03.04.1988 г . имеются условия для свободного распространения . Однако зарегист рированный инфразвуковой сигнал от события 22.04.1988 г . не может быть удовлетворительно объ яснен только на основе данных IDEAS, которые , к тому же , ограничены высотой 30 км . Поэтому далее обращаемся к модели MSIS-2000, которая охватыва ет больший диапазон высот .

При моделировании дальнего распространения инфразвука важно знать структуру атмосферного акустического канала . Структура ААК определяется пространственным распределением температуры , скорости и направления ветра . Такие данные можно получить , используя такую известную глобальную модель атмосферы , как MSIS-2000 и модель ветров HWM-93.

На рис . 3 показано высотное распределение по тенциала ААК [Ponomarev, et al., 2006; Sorokin, Ponomarev., 2008], построенное на основе моделей MSIS-2000 и HWM-93 и соответствующее датам взрывов на Семипалатинском полигоне 03.04.1988, 22.04.1988 и 14.09.1988 г . Волноводному распро странению соответствует условие , когда потенциал ААК U <0 ( имеется запирающий слой ). При U >0 происходит скачковое распространение либо сигнал уходит в термосферу .

-8                -4                0                 4

Потенциал ААК , относит . ед .

Рис . 3. Высотный профиль потенциала ААК U для Ир кутска на момент взрыва : 03.04.1988 – а ; 22.04.1988 – б ; 14.09.1988 – в .

На рис . 3, а представлен вид вертикального про филя потенциала акустического канала , характери зующего его волноводные свойства на 03.04.1988 г . для Иркутска . Здесь , в районе приемной инфразву ковой станции Иркутск – Бадары , расчеты по модели MSIS-2000 и HWM-93 на высотах около 50 км дают отрицательные значения потенциала ААК , указы вающие на наличие запирающего слоя . В простран стве атмосферы между запирающим слоем и земной поверхностью обычно и образуется ААК с эффек тивной шириной , соответствующей интервалу высот между двумя запирающими слоями . Таким образом , согласно моделям MSIS-2000 и HWM-93 для даты 3 апреля 1988 г ., на высоте около 50 км виден запи рающий слой , обеспечивающий существование ат мосферного акустического канала .

При распространении сигнала в ААК представ ляет интерес поведение границ АКК , особенно верхней ( зона запирания А ), где U <0 ( выражение (1)), поскольку эта зона является потенциальным барьером для акустической энергии , уходящей в верх нюю атмосферу . Эффективность такого барьера мож но оценить , интегрируя потенциал U акустического канала от некоторой высоты h 1 до h 2 и следуя методике [Ponomarev, et al., 2006; Sorokin, Ponomarev., 2008]:

h 2

I_A = exp( A ) , где A = ∫ U I dh . (2) h 1

Далее мы будем считать « запирание » сигнала в волноводе эффективным , если просачивание через запирающий слой будет не более 0.1 от величины сигнала . Толщину запирающего слоя и его эффек тивность можно оценить , используя выражение (2). Так , согласно модели MSIS, запирающий слой начина ет проявляться от высоты 38.8 км , где величина U <0. Необходимая толщина запирающего слоя с 10- крат ным эффектом запирания наблюдается уже на высоте 44.26 км . Толщина эффективного запирающего слоя составляет около 5.45 км .

Состояние ААК на 22 апреля 1988 г . ( рис . 3, б ) аналогично состоянию ААК 3 апреля 1988 г ., при этом здесь мощность источника существенно ниже ( около 20 кт ). Тем не менее , как видно из рис . 1, ин фразвуковой сигнал прошел через ААК и был обна ружен на станции Иркутск – Бадары . На высоте око ло 50 км , согласно модели MSIS-2000, в этом случае также наблюдается запирающий слой , способст вующий формированию ААК . Следуя выражению (2) для расчета структурных параметров ААК , полу чаем , что необходимая толщина запирающего слоя с 10- кратным эффектом запирания наблюдается на высоте 47.22 км . При этом толщина эффективного запирающего слоя составляет около 5.52 км . Веро ятно , был обеспечен атмосферный акустический канал на высоте около 50 км .

Если обратиться к дате 14 сентября 1988 г . и рас смотреть высотный профиль потенциала ААК для Иркутска ( рис . 3, в ), то можно увидеть , что профиль потенциала практически не переходит через ноль , т . е . почти не имеет отрицательных значений на стратосферных высотах . В этом случае запирающий слой очень слабый или вообще отсутствует , и по этому существование ААК на этих высотах невоз можно .

Рисунки 3, а и 3, в соответствуют двум разным подземным ядерным взрывам с одинаковой мощно стью , произведенным на Семипалатинском полиго не . Разница состоит в том , что инфразвуковой сиг нал 3 апреля 1988 г . ( рис . 3, а ) был зарегистрирован , а сигнал от взрыва 14 сентября 1988 г . ( рис . 3, в ) – нет . Анализ соответствующих распределений по тенциала акустического канала показывает , что в первом случае приемная инфразвуковая станция Иркутск – Бадары находилась в зоне волноводного распространения , во втором – вне ее .

Можно предположить , что искомые инфразвуко вые сигналы 3 апреля и 22 апреля 1988 г . были при няты отраженными в атмосфере на высоте около 50 км . Следует заметить , что приведенные примеры характеризуют метод весьма условно , поскольку содержат некоторые допущения .

Выводы

Приведенная выше методика оценки состояния атмосферного акустического канала была апробиро вана на тестовых источниках инфразвука . Эта мето дика позволяет объяснить прохождение либо отсут ствие инфразвука на станции регистрации соответ ствующим состоянием атмосферного акустического канала . Если канал существует и функционирует , то можно определить его высотное положение , эффек тивную толщину запирающего слоя и положение виртуальных « стенок ». Реальная картина распро странения в атмосферном волноводе много сложнее , и существует еще достаточно сложных процессов , которые следует учитывать в реальном распростра нении . Для ясного понимания результатов дальнего распространения инфразвука явно недостаточно знания « средних » параметров атмосферы , поэтому необходимо развивать более точные модели атмо сферы и разрабатывать новые методы расчета слож ных акустических трасс . Работа выполнена при под держке грантов МНТЦ 1341 и 2845. Авторы выра жают благодарность Г . В . Руденко за помощь в вы полнении расчетов по модели MSIS-2000.