Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 498, № 2, стр. 158-162

Результаты инструментальных наблюдений свидетельствуют о наличии постоянно присутствующих в атмосфере Земли длиннопериодных и короткопериодных микробарических вариаций. Источниками указанных вариаций являются природные процессы (землетрясения, вулканические извержения, прохождение атмосферных фронтов и т.д.) и процессы техногенного происхождения (взрывы разного предназначения, наземный и воздушный транспорт, работающая техника и т.д.) [1–3]. Вызывают возмущение естественного микробарического поля также источники космического происхождения, связанные с вхождением космических тел в атмосферу, солнечными затмениями, полярными сияниями и т.д. [2, 4, 5]. Интерес к изучению микробарических вариаций связан с возможностью их использования для определения характеристик и всестороннего описания вызывающих их явлений и процессов, а также общей динамики атмосферы Земли. Немаловажной является также практическая сторона таких исследований. Данные о микробарических вариациях востребованы при разработке прогностических признаков опасных природных явлений (землетрясения, ураганы, шквалы, сильные грозовые явления) и при определении условий и механизмов возбуждения ионосферы, а также описании распространения акустических волн в земной атмосфере [3, 6].

Среди многочисленных источников возбуждения микробарических вариаций в атмосфере нас заинтересовали сильные геомагнитные возмущения, проявляющиеся в виде магнитных бурь.

В настоящем сообщении рассматриваются некоторые характеристики микробарических вариаций в атмосфере Земли, сопутствующие магнитным бурям. В качестве исходных данных использовались ряды инструментальных наблюдений за геомагнитными вариациями в Геофизической обсерватории “Михнево” (MHV) и микропульсациями атмосферного давления в MHV и в Центре геофизического мониторинга г. Москвы ИДГ РАН (ЦГМ) [7, 8].

Наблюдения за вариациями компонент индукции магнитного поля¹¹ B_x, B_y и B_z выполнялись с помощью трехкомпонентного феррозондового цифрового магнетометра LEMI-018, обеспечивающего регистрацию в диапазоне ±68 000 нТл с разрешением 10 пТл (частота выборки 1 с^–1). Микропульсации атмосферного давления Р и акустические колебания регистрировались с помощью микробарометров МБ-02 в диапазоне частот 0.05–30 Гц и с помощью микробарометров МБ-03 в диапазоне частот²² 0.0008–10 Гц (микробарометры обеспечивали регистрацию в диапазоне 0.02–200 Па с точностью не хуже 10%). Выделение полезного сигнала на фоне естественных микробарических вариаций осуществлялось на основе авторегрессионной фильтрации [9]. Одновременно с помощью цифровой автоматической метеостанции Davis Vantage Pro2 регистрировались метеорологические параметры: скорость ветра, атмосферное давление, температура и влажность воздуха в приземной атмосфере.

Анализировались данные, полученные в период 2016–2019 гг. при магнитных бурях с индексом геомагнитной активности K_р ≥ 5. Результаты регистрации в виде привязанных ко времени t цифровых рядов Р(t) накапливались на жестких носителях и выкладывались на сайте ИДГ РАН (www.idg-copm.chph.ras.ru) в графическом и цифровом видах. С целью более качественного выделения сопутствующих магнитным бурям акустических сигналов выбирались данные, полученные в периоды, характеризующиеся спокойной метеообстановкой: отсутствием сильных атмосферных возмущений в виде ураганов и шквалов, а также атмосферных фронтов. В общей сложности рассмотрено 57 событий (табл. 1).

Возникновение акустических возмущений в атмосфере Земли в период сильных геомагнитных вариаций связано с воздействием авроральных токов, вызванных солнечной активностью, на нейтральную атмосферу. Движение электрически заряженных частиц в геомагнитном поле под действием силы Лоренца передается посредством столкновений нейтральному газу, вызывая генерацию механических колебаний, распространяющихся по атмосфере в виде акустических волн [10]. В качестве другого механизма генерации механических колебаний нейтралов рассматривается Джоулев нагрев нижней части термосферы в приполярных областях и на авроральных широтах, что также вызывает механические колебания в результате формирующейся циркуляции воздушных масс [11]. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что возбужденные атмосферные волны способны распространяться из авроральной зоны во всех направлениях со скоростью приблизительно 400–500 м/с, и могут достигать с некоторой задержкой по времени даже низких широт в зависимости от их энергии и атмосферных условий на трассе распространения [3, 10].

Полученные в настоящей работе данные расширяют в ряде деталей представления о вызванных магнитными бурями акустических возмущениях. В известных работах, как правило, основное внимание уделяется генерации акустико-гравитационных волн (АГВ) [3, 6, 10–12]. Действительно, как показывают результаты настоящих исследований, во всех случаях сильных геомагнитных возмущений наблюдаются АГВ с частотами, близкими к частоте Брента–Вяйсяля. В качестве типичного примера на рис. 1 приведена вейвлет-скалограмма³³ акустического сигнала, сопутствующего магнитной буре 25.10.2016 г. (индекс геомагнитной активности K_р = 6, станционный К-индекс 7 по данным MHV). Из рис. 1 видно, что в период магнитной бури в диапазоне периодов 2–8 мин (диапазон частот ~0.002–0.008 Гц) действительно регистрируются повышенные амплитуды микробарических вариаций. Однако при этом необходимо отметить, что вызванный магнитными бурями акустический сигнал не ограничивается АГВ. Наряду с АГВ магнитные бури вызывают атмосферные колебания с существенно большими периодами. На рис. 2 и 3 представлены вызванный рассматриваемым событием акустический сигнал, зарегистрированный в двух пунктах (MHV и ЦГМ), и соответственно его спектр. Для сравнения на рис. 2 приведены вариации наиболее чувствительной к внешнему воздействию горизонтальной компоненты магнитного поля ${{B}_{H}}$ = $(B_{x}^{2}$ + $B_{y}^{2}{{)}^{{1/2}}}$ по данным MHV.

Рис. 1.

Вейвлет-скалограмма микробарических колебаний в период магнитной бури 25.10.2016 г.

Рис. 2.

Вариации микробарических колебаний, зарегистрированных в MHV и ЦГМ в период магнитной бури 25.10.2016 г.

Рис. 3.

Зависимость спектральной плотности микробарических колебаний S от частоты в период магнитной бури 25.10.2016 г.

Как это следует из рис. 2, геомагнитные возмущения в виде не сильно выраженного внезапного начала магнитной бури проявились, начиная с ~09:30 UTC, основная фаза магнитной бури пришлась на период с ~10:00 UTC до ~15:00 UTC. Из рис. 2 также видно, что в обоих пунктах наблюдений повышенные микробарические вариации возникают примерно в одно время, близкое к моменту возникновения внезапного начала магнитной бури, и характеризуются максимальными вариациями Р амплитудой ~7–9 Па в начальный период развития сильного геомагнитного возмущения. Видимый период сигналов, выделенных из исходных записей в полосе частот ~0.00015–0.005 Гц, составляет ~66 мин (частота ~0.00025 Гц). Интересно также отметить, что наиболее сильные микробарические вариации вызываются не в период наибольших вариаций магнитного поля, а следуют сразу за внезапным началом магнитной бури.

Анализ спектральных характеристик сигнала показывает, что наряду с основной частотой ~0.00025 Гц в спектре акустического сигнала отчетливо выделяются и другие квазигармонические составляющие, в частности наиболее ярко представлены пики с частотами ~0.0007 и ~0.0014 Гц (периоды соответственно ~24 и ~12 мин). Наличие нескольких характерных частот на спектрах акустических сигналов свидетельствует о более сложном, чем это обычно представляется [4, 13], характере возбуждения акустических колебаний в атмосфере в период магнитных бурь.

Амплитуды вызванных магнитными бурями акустических сигналов приведены в табл. 1 в виде максимальных амплитуд Р*. Максимальная амплитуда акустических колебаний лежит в широком диапазоне значений от 2 до 20 Па при максимальных амплитудах магнитного возмущения от 15 до 200 нТл. Для получения статистически обоснованной зависимости величины отклика в виде акустического сигнала от величины магнитного возмущения необходимо дальнейшее накопление экспериментального материала.

Результаты настоящих исследований свидетельствуют о том, что в периоды всех рассмотренных магнитных бурь наблюдаются повышенные микробарические вариации, хорошо выраженные на фоне естественных колебаний атмосферного давления. Амплитуда указанных вариаций, как это следует из данных табл. 1, изменяется в широких пределах: от 2 до 20 Па. При этом следует особо отметить, что амплитуда вызванных вариаций при сходных значениях K-индекса может отличаться в ~6 раз, что может свидетельствовать, в частности, о возможном влиянии локальных геофизических условий в месте регистрации.

Установленные особенности акустического отклика на сильные геомагнитные возмущения в виде наличия нескольких характерных квазигармонических составляющих в спектре и несовпадения максимальных микробарических вариаций и максимальных вариаций магнитного поля необходимо иметь в виду в дальнейшем при разработке конкретных моделей преобразования энергии электрофизической природы в энергию механических колебаний.