О возможной геоэффективности пролета Челябинского метеороида в магнитосфере Земли

Пятнадцатого февраля 2013 г . суперболид диа метром около 17 м и массой порядка 17 тыс . т вошел в атмосферу Земли на скорости порядка 18 км / с и в 03:20:33 UT взорвался над Челябинском на высоте около 22 км . Продолжительность атмосферного по лета предполагает , что вход в атмосферу произошел под острым углом к горизонту [Yeomans, Cyodas, 2013]. Этот метеорит относится к классу обыкно венных хондритов с общим содержанием железа 19– 22 %. Для сравнения в табл . 1 представлены пара метры метеоритов , наблюдавшихся и упавших на территории России в XX–XXI вв . Как видно из табл . 1, после падения Тунгусского метеорита 30 июня 1908 г . Челябинское событие является вторым по величине вторжением небесного тела в атмосферу Земли за прошедшие сто с лишним лет .

Если предположить, что полет этого небесного тела был геоэффективен, то полезный сигнал надо отслеживать после вторжения его в магнитосферу Земли и до взрыва в атмосфере. Естественно предположить, что ожидаемый сигнал в вариациях маг- нитного поля будет очень слабым и может быть обнаружен только на очень спокойном и невозмущенном магнитном фоне. Время нахождения Челябинского метеороида в магнитном поле Земли (МПЗ) при размерах магнитосферы 10–14 радиусов Земли (65 000–90 000 км) и скорости метеороида 18 км/с оценивается от 60 до 80 мин до момента взрыва.

Фоновые условия наблюдений

Анализ спутниковых данных показал , что в пе риод времени , предшествующий вхождению болида в плазмосферу , и вплоть до момента достижения им плотных слоев атмосферы условия в солнечном вет ре были очень спокойными ( см . рис . 1).

Анализ вариаций магнитного поля по данным авроральных станций также продемонстрировал , что прохождение болида через плазмосферу Земли при ходится на очень магнитоспокойный период , о чем свидетельствуют значения авроральных AU- , AL- , AE- и AO - индексов ( рис . 2).

Анализ длиннопериодных вариаций по магнито граммам обс . « Иркутск » ИСЗФ СО РАН ( пос . Патроны )

Таблица 1

Характеристики некоторых крупных метеоритов, наблюдавшихся на территории России в XX–XXI вв.

	Тунгусский метеорит	Сихотэ - Алинский метеороид	Куня - Ургенч метеорит	Витимский болид	Метеорит « Челябинск »
Дата и время ,	17(30).06 1908 г .	12.02.1947 г .	20.06.1998 г .	24.09.2002 г .	15.02.2013 г .
UT	00:14.5	00:38	12:25	16:50	03:20
Высота взрыва , км	7–10	25	10–15	30	15–25
Координаты	60°54 ′ 07 ″ N	46°09'36 "  N	42°15’ N	58°16 ’ 16 "  N	58°48' N
взрыва	101°54 ′ 16 ″ E	134°39'12 "  E	59°10’ E	113°27 ’ 13 "  E	61°06' E
Масса , т	Не установлен	100	3	160	17 000
Состав	Не определен	94 % железо	Хондрит	Не определен	Хондрит
Энергия , Мт ТНТ	50	0.01	0.01	0.2	до 0.5
Траектория	Не определен	С – Ю	ЮВ – СЗ	ЮЗ – СВ	В – З

Рис. 1. Параметры солнечного ветра с КА ACE. Вертикальная линия – время взрыва метеороида [ ].

и « Арти » ИГФ УрО РАН ( пос . Арти ) не выявил ка ких - либо резких , хорошо отождествляемых измене ний МПЗ на очень спокойном магнитном фоне , как это видно на графиках вариаций горизонтальной составляющей , зарегистрированных на этих обсер ваториях ( рис . 3).

Анализ материалов магнитных обсерваторий для оценки возможной геоэффективности метеороида

Учитывая , что сам метеороид двигался с востока на запад , мы проанализировали данные сети магнитных станций ( табл . 2), расположенных недалеко от проек ции на поверхность Земли траектории пролета метео роида ( рис . 4).

Как уже говорилось, в медленных вариациях МПЗ заметных эффектов, сопровождающих пролет метеороида, не отмечено. В связи с этим был выполнен анализ данных высокочувствительных индукционных магнитометров, установленных на станции регистрации геомагнитных пульсаций (далее – ст. «Монды »), Норильской комплексной магнитно-ионосферной станции (далее – ст. «Норильск») и в геомагнитной обсерватории «Паратунка» ИКИР ДВО РАН, позволяющих регистрировать геомагнитные пульсации в диапазоне частот 0–30 Гц с амплитудами от тысячных долей нТл. На ст. «Монды » и «Норильск» функционировал магнитометр LEMI-30 [ ], в обс. «Паратунка» – японский индукционный магни-

Рис. 2. Авроральные индексы возмущенности МПЗ [].

Рис. 3. Вариации МПЗ по данным среднеширотных обс. «Иркутск» и «Арти» []. Вертикальная линия – время взрыва метеороида в атмосфере Земли над Челябинском.

Таблица 2

Координаты станций, данные которых использовались в эксперименте

Обсерватория	Географические координаты		Геомагнитные координаты
	Φ (град.)	λ (град.)	Ф (град.)	Λ (град.)
Монды	51.4	100.5	48.2	175.2
Норильск	69.3	88.2	64.2	160.4
Паратунка (Камчатка)	53.1	158.4	46.6	222.5
Арти	56.42	58.52	52.1	131.7
Иркутск	52.46	104.04	48.2	175.2

Рис . 4 . Проекция траектории движения метеороида на поверхность Земли. Маркерами показаны магнитные обсерватории вдоль траектории.

тометр STELAB [ magne/].

На первом этапе исследований мы использовали данные ст . « Монды » и « Норильск » ИСЗФ СО РАН [ Бернгардт и др ., 2013]. Анализ записи индукцион ного магнитометра на ст . « Монды » показал наличие аномалии в горизонтальных компонентах ( С – Ю и В – З ), что хорошо заметно в динамическом спектре в виде шумового сигнала примерно c 02:30 до 03:05 UT в диапазоне частот 0–4 Гц ( рис . 5).

На нижней панели рис . 5 показана вариация Н - ком - поненты по измерениям в Норильске . Видно , что в высоких широтах эти шумовые всплески появляются на достаточно спокойном геомагнитном фоне .

Для выяснения более детальной картины этого события были получены оценки динамических спектров [Levshin et al., 1972] по данным ст . « Монды », « Норильск » и обс . « Паратунка » ( рис . 6).

Анализ записей индукционных магнитометров среднеширотных ст . « Монды » и обс . « Паратунка » показал наличие шумового всплеска в вариациях гео магнитного поля в диапазоне частот 0.2–5 Гц в интер вале 02:45–02:58 UT, т . е . за 35 мин до взрыва метео роида . По данным ст . « Монды » всплески наблюда ются в обеих компонентах , в то время как по данным обс . « Паратунка » слабый сигнал можно отметить только в D - компоненте , в Н - компоненте в этот момент наблюдается очень интенсивная помеха ( что хоро шо видно на спектре Н - компоненты после 02:55:10). По данным ст . « Норильск » не обнаружено сколько - нибудь заметного сигнала , который мог бы быть связан с эффектами пролета метеороида .

Рис . 5 . Динамический спектр вариаций магнитного поля по данным среднеширотной ст. «Монды» и Н -компонента на высокоширотной ст. «Норильск» 15.02.2013 г.

Таким образом , в расчетное время , определяемое вхождением болида в плазмосферу Земли , на очень спокойном магнитном фоне наблюдался шумовой всплеск в диапазоне частот 0–4 Гц . Причиной возник новения шумового всплеска на среднеширотных стан циях , выделяемого на спокойном геомагнитном фоне , могут быть процессы , возникающие при взаимодейст вии метеороида с плазмосферой Земли .

Интерпретация полученных данных

Как было отмечено выше , в спокойных усло виях граница плазмосферы располагается на рас стоянии 5–6 радиусов Земли . Время , которое не обходимо метеороиду , чтобы достичь поверхно сти Земли после входа в плазмосферу , может со ставлять 25–40 мин при скорости 18 км / с . Эта оценка согласуется с наблюдением шумового всплеска за 35 мин до взрыва метеороида . Ско рость распространения возмущения в магнито сфере составляет порядка 500–4000 км / с [ Распо пов и др ., 1976] и дает лишь малые поправки к этой задержке . При этом практически не имеет большого значения траектория движения метео роида в МПЗ . На расстоянии 6–8 радиусов Земли нет принципиальной разницы , как падал метеоро ид на поверхность Земли – под каким - либо углом или вертикально . Отсутствие эффекта в Нориль ске может быть обусловлено тем , что в этот мо мент проекция плазмопаузы на поверхность Зем ли находилась южнее Норильска .

Таким образом , время возникновения шумового всплеска в диапазоне частот 0.2–5 Гц на среднеши ротных обсерваториях на спокойном геомагнитном фоне соответствует времени вхождения метеороида в плазмосферу Земли . Сам всплеск может являться результатом взаимодействия метеороида с плазмо сферой .

Рис . 6 . Динамические спектры вариаций горизонтальных составляющих магнитного поля по данным ст. «Монды », «Норильск» и обс. «Паратунка» за 02–04 UT 15.02.2013 г. Вертикальной линией отмечен момент взрыва.

При прохождении метеороида через магнито сферу могла образоваться газоплазменная оболочка вокруг него либо могли возникнуть эффекты элек тризации самого космического тела . Это могло сти мулировать возбуждение слабых шумовых сигналов в электромагнитном поле Земли , которые и были зарегистрированы наземными станциями .

Далее мы посчитали уместным вспомнить и рас смотреть электромагнитные явления , которые со провождали взрыв Тунгусского космического тела ( ТКТ ) 30 июня 1908 г .

Исследование магнитных эффектов при падении Тунгусского космического тела

Первые работы по изучению вариаций магнитного поля Земли при падении ТКТ базировались на дан ных иркутских сейсмографов [ Вознесенский , 1925] и магнитограмм Иркутской магнитной обсервато рии , расположенной в д . Зуй недалеко от Иркутска , расстояние до места взрыва составляло около 1000 км [ Иванов , 1961, 1964].

Результаты обработки сейсмограмм Иркутской магнитной обсерватории показали , что взрыв ТКТ произошел в 00:17:12 по среднему гринвичскому времени (07:04:48 LT) [ Вознесенский , 1925]. Ано малии в Н - составляющей магнитного поля начались в 00:19:30, т . е . через 2 мин 18 с после взрыва [ Ива нов , 1961, 1964].

Возмущения магнитного поля, вызванные Тунгусской катастрофой, описаны в начале 1960-х гг. К.Г. Ивановым [Иванов, 1961, 1962, 1964] и А.Ф. Ковалевским [Плеханов и др., 1960]. В этих работах отмечается локальность зарегистрированного эффекта, так как на записях остальных российских магнитных обсерваторий (Свердловской, Павловской и Тбилисской) отсутствовали магнитные возмущения в это время [Иванов, 1961, 1962, 1964]. Для выделения геомагнитного эффекта от взрыва ТКТ К.Г. Иванов [Иванов, 1961, 1964] исключил из видимых изменений составляющих поля спокойную солнечносуточную Sq-вариацию магнитного поля [Справочник…, 1954]. Результаты представлены на рис. 7, а.

Для объяснения физической природы эффектов в магнитном поле было предложено несколько меха низмов , предполагающих , что причиной послужила взрывная волна , пришедшая в ионосферу [ Иванов , 1962]. Основанием для такого допущения был эффект запаздывания , поскольку магнитная аномалия про явилась с задержкой относительно момента взрыва . При этом время запаздывания примерно соответст вовало интервалу , достаточному , чтобы взрывная волна могла пройти нужный путь .

Необходимо отметить , что многие специалисты - магнитологи сконцентрировали свои усилия на ис следовании самой магнитной аномалии . И только в отдельных работах обращено внимание на незначи тельные изменения магнитного поля до начала взрыва ( участок аб на рис . 7, а ). К таким работам можно причислить исследование [ Кучеров , 2011], где отмечено следующее ( цитируем ):

« Геомагнитное возмущение , по мнению К . Г . Ива нова [ Иванов , 1961, 1962, 1964], обнаружившего эффект , началось в 0 ч 19.5 мин – с запаздыванием на 2.3 мин относительно начала взрыва ( точка б на кривой горизонтальной составляющей магнито граммы Н ). Большинство исследователей [ Плеха нов и др ., 1960; Иванов , 1964; Журавлев , 1998; Кузнецов , 2002, 2003] интерпретацию геомагнитного

Рис . 7 . Магнитограммы, полученные во время пролетов ТКТ 30.06.1908 г. ( а ) и Челябинского метеороида 15.02.2013 г. ( б , в ). Вертикальная линия – момент взрывов космических объектов.

эффекта Тунгусского явления начинают именно с этой точки в рамках модели точечного взрыва . Однако участок аб – ослабление напряженности магнитно го поля Земли , которое начинается примерно за 80–85 мин до взрыва ТКТ ( точка а ), – исследовате лями не принимается во внимание . Две другие со ставляющие магнитного поля – вертикальная со ставляющая Z и склонение D – также начинают свои изменения заметно раньше момента взрыва ТКТ ( рис . 7, a ). За 80–85 мин до взрыва ТКТ нахо дилось на расстоянии , соизмеримом с протяженно стью магнитного поля Земли с солнечной стороны (~80 тыс . км ). Т аким образом , магнитографы Ир кутской обсерватории зафиксировали как вторже ние ТКТ в магнитное поле Земли ( точка а ), так и его воздействие на земное магнитное поле вплоть до момента взрыва тела ( участок аб )».

Т аким образом , имеющиеся в то время магнито графы отметили изменение магнитного поля при вхождении ТКТ в магнитосферу Земли . Остается только сожалеть , что парк магнитометрических приборов не имел в своем арсенале в то далекое время более высокочувствительных и высокочас тотных приборов . Учитывая мощность Тунгусско го взрыва , можно предположить , что эффекты , вы званные полетом ТКТ в магнитосфере Земли , были существенно сильнее и многообразнее , чем спро воцированные Челябинским метеороидом .

Для сравнения на рис . 7 представлены магнито граммы , полученные во время полета ТКТ и Челябин ского метеороида в обс . « Иркутск » и « Арти » ( лун но - суточная S q - вариация исключена ).

Обращает на себя внимание поведение Н - и Z - ком понент по данным « Иркутск » за 70–80 мин до взры ва Челябинского метеороида : аналогично ТКТ на блюдается изменение магнитного поля . На магни -

Рис . 8 . Магнитограммы обс . «Иркутск» и «Арти» без коррекции за S _q-вариацию в период пролета Челябинского метеороида. Масштаб как рис. 7, а .

тограмме обс . « Арти » виден незначительный рост Н - компоненты после взрыва .

И наконец , мы также посчитали целесообразным привести « нормальные » магнитограммы – види мые изменения компонент МПЗ в обс . « Иркутск » и « Арти » в формате магнитограммы 1908 г ., т . е . без коррекции за S _q- вариацию ( рис . 8).

В заключение отметим , что в этой работе пред ставлены только первые оценки возможных магнит ных эффектов от пролета в магнитосфере Земли и взрыва в атмосфере Челябинского метеороида . Со поставление с данными по Тунгусскому космиче скому телу позволило отметить аналогии в этих двух событиях и даже , по нашему мнению , выде лить похожие магнитные эффекты . В дальнейшем мы надеемся более детально рассмотреть обнару женные эффекты с использованием разнородных магнитных измерений с большего числа станций .

Работа выполнена при частичной поддержке гранта РФФИ № 14-05-04088- р _ Сибирь _ а .