Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 504, № 2, стр. 183-188

Постоянный интерес к изучению эффектов, сопровождающих падение космических тел на Землю, определяется наряду с оценкой астероидной и кометной опасности также возможностью рассмотрения вопросов, связанных с закономерностями распространения возмущений в атмосфере, вызванных сильными природными событиями, и описанием поведения атмосферы в условиях экстремальных возмущений [1, 2]. Одновременно с этим изучение эффектов, сопутствующих падению и взрывному разрушению болидов, позволяет расширить представления о механизмах взаимодействия и преобразования геофизических полей в приповерхностных слоях атмосферы [3].

Известные работы [4–7] посвящены изучению локальных возмущений в области взрывного разрушения болидов. При этом основное внимание уделяется оптическим эффектам, на основе которых оцениваются координаты взрыва и энергия события. Трудности, возникающие при разработке адекватных моделей, описывающих последствия входа болидов в атмосферу с учетом всех эффектов, связаны с недостатком наблюдательного материала. Имеющиеся к настоящему времени результаты инструментальных наблюдений и теоретических построений, касающихся волновых движений в атмосфере или же электромагнитных возмущений при падении болидов, [8–10] требуют статистического обоснования.

В настоящей работе на примере одного из событий 17.11.2021 г.¹¹ демонстрируются акустический и магнитный эффект болида, взрывное разрушение которого произошло в ~16:30 UTC в районе г. Ижевск.

В качестве исходных привлекались результаты инструментальных геомагнитных наблюдений, выполненных среднеширотными обсерваториями, входящими в сеть INTERMAGNET (табл. 1), и среднеширотной Геофизической обсерваторией “Михнево” (MHV; 54.94° с.ш.; 37.73° в.д.) ИДГ РАН, а также данные регистрации микробарических вариаций в MHV, в г. Звенигороде (ZVE; территория ИНАСАН; 55.69° с.ш.; 36.76° в.д.) и в Центре геофизического мониторинга г. Москвы (ЦГМ; 55.71° с.ш.; 37.57° в.д.) [11, 12]. Данные обсерваторий сети INTERMANGET представляли собой цифровые ряды с периодом дискретизации 1 мин, обсерватории MHV – цифровые ряды с частотой дискретизации 1 Гц. Акустическая регистрация выполнялась с частотой дискретизации 20 Гц.

Метеорологические параметры атмосферы (температура Т и влажность W воздуха, атмосферное давление Р₀, скорость ветра V, мощность солнечного излучения S₀) регистрировались с помощью цифровой автоматической метеостанции Davis Vantage Pro2.

Акустический эффект. Наблюдаемые инструментально микробарические вариации связаны с ударной волной, вызванной взрывоподобным разрушением болида [6, 13]. Характеристики волнового возмущения, регистрируемого на больших эпицентральных расстояниях R от места взрыва болида преимущественно в виде инфразвуковых волн, определяются величиной выделенной в атмосферу энергии и состоянием самой атмосферы. Пример записи акустического сигнала, вызванного взрывом болида 17.11.2021 г., приведен на рис. 1 (данные MHV). Следует отметить, что сигналы, зарегистрированные в ZVE и ЦГМ, близки по характеристикам к сигналу, приведенному на рис. 1. Зарегистрированные в разных пунктах сигналы распространялись с примерно одинаковой скоростью (~306–310 м/с). Регистрация в трех пунктах позволила оценить эпицентральную область взрывного разрушения болида, которая представлена на рис. 2. Согласно нашим оценкам, можно принять, что эпицентр взрыва болида находился ориентировочно в точке с координатами 57.48° с.ш. и 52.09° в.д.

Рис. 1.

Вызванный взрывом болида акустический сигнал по данным MHV.

Рис. 2.

Вероятная область взрывного разрушения болида (выделена желтым маркером) по результатам анализа акустического сигнала.

Результаты спектрального анализа акустического сигнала приведены на рис. 3 (для примера выбран сигнал, зарегистрированный в ZVE). Из рис. 3 следует, что максимум спектральной плотности соответствует частоте ~0.94 Гц. Оценка энергии взрыва болида Q выполнялась на основе метода, предложенного в работах [14, 15]. Метод основан на свойстве вызванного взрывом акустического сигнала сохранять значение преимущественной частоты f₀ при его распространении на значительные расстояния. В нашем случае оценка дает значение Q ≈ (8–9) × 10¹⁰ Дж.

Рис. 3.

Зависимость спектральной плотности от частоты акустического сигнала (по данным ZVG).

Геомагнитный эффект. Анализ результатов инструментальных наблюдений, выполненный в настоящей работе, показывает, что падение болида сопровождалось характерными вариациями магнитного поля. Следует отметить, что сутки 17.11.2021 г. характеризовались невозмущенными магнитными условиями (в табл. 2 приведены значения Кр-индекса и станционного (MHV) К-индекса магнитной активности). Это значительно облегчило выделение вызванных болидом вариаций магнитного поля на фоне суточного хода. На рис. 4 приведены вариации наиболее чувствительной к внешним воздействиям горизонтальной компоненты магнитного поля В_Н в период взрывного разрушения болида по данным обсерваторий INTERMAGNET и обсерватории MHV. Из графиков рис. 4 следует, что взрыв болида вызвал бухтообразное уменьшение В_Н на всех рассмотренных эпицентральных расстояниях R. При этом максимальная амплитуда вызванных взрывом болида вариаций горизонтальной составляющей магнитного поля ΔВ_Н заключена в узком интервале: от ~1.5 до ~4 нТл (табл. 1). Характерно, что вызванные вариации наблюдаются во всех обсерваториях примерно в одно и то же время, близкое ко времени взрыва болида. В данном случае это может свидетельствовать о глобальном характере возмущения магнитного поля, либо высокой скорости распространения вызванного болидом локального возмущения по ионосфере.

Рис. 4.

Вариации горизонтальной компоненты магнитного поля в период взрывного разрушения болида на разных эпицентральных расстояниях (значения R приведены в поле рисунков).

Результаты инструментальных наблюдений показывают, что помимо геомагнитных вариаций в период взрыва болида отчетливо регистрируются вариации магнитного поля в период прихода в точку наблюдений вызванного взрывом акустического сигнала. На рис. 5 приведены возмущения магнитного поля, вызванные приходом акустического сигнала. Из рис. 5 видно, что пришедший в MHV в ~17:27 UTC акустический сигнал вызвал бухтообразное уменьшение горизонтальной компоненты геомагнитного поля в течение ~30 мин, осложненное знакопеременными вариациями ΔВ_Н.

Рис. 5.

Вызванные вариации горизонтальной компоненты магнитного поля в период прихода акустического сигнала в MHV.

В целом можно констатировать, что взрывное разрушение болида вызывает не только волновые возмущения в атмосфере, но и значимые по амплитуде геомагнитные вариации в приземной атмосфере, причем как в период взрыва болида, так и в период прихода акустического сигнала в точку регистрации.

Вопрос о механизмах, определяющих вариации магнитного поля Земли непосредственно в период взрывных разрушений космических объектов, окончательно не решен. Полученные данные свидетельствуют о значительных скоростях распространения сигнала (не менее десятков км/с), а также высокой синхронности наведенных геомагнитных вариаций в пунктах, расположенных на разных, в ряде случаев значительных, расстояниях друг от друга. Вероятнее всего возмущение магнитного поля вызывается в этом случае акустическим воздействием на ионосферу Земли в эпицентральной зоне события.