Геомагнетизм и аэрономия, 2019, T. 59, № 4, стр. 524-528

1. ВВЕДЕНИЕ

По сообщениям СМИ, в частности, телеканала Россия 24, со ссылкой на Министерство обороны России, 26 октября 2017 г. “в процессе тренировки по управлению стратегическими ядерными силами России были проведены пуски межконтинентальных баллистических ракет (МБР) с космодрома Плесецк, из акватории Баренцева моря и с полигона “Чижа” на полигон “Кура” [S1, 2017] (рис. 1).

Пуск ракеты с космодрома Плесецк был осуществлен после захода Солнца, но значительный участок траектории полета ракеты находился выше земной тени в области, освещенной Солнцем.

Геофизическая активность в этот период была на достаточно высоком уровне, поэтому в северных районах от Кольского п-ова до Восточной Сибири проводились наблюдения полярных сияний. При этом в ряде случаев были получены фотографии необычного оптического явления – светящейся сферы, которая перемещалась с запада на восток и постепенно увеличивалась в размерах. Наиболее полная картина развития этого явления была представлена на сайте [S2, 2017].

Картина развития облака (см. рис. 2) соответствует явлениям, рассмотренным в публикациях [Алпатов и др., 2016; Kozlov еt al., 2016], сопровождавшим запуски твердотопливных ракет. Свечение облаков вызвано рассеянием солнечного света на дисперсных частицах компонентов топлива и продуктов сгорания, выброшенных в атмосферу при отсечке тяги двигателя ракеты. На всех снимках наблюдается “бирюзовое” свечение моноокиси алюминия AlO, образующейся в результате взаимодействия металлического алюминия, содержащегося в топливе и продуктах сгорания, с кислородом атмосферы [Николайшвили и др., 2015; Платов и Николайшвили, 2018].

Аналогичные явления неоднократно наблюдались в различных регионах Земли при запусках твердотопливных баллистических ракет. В частности, в 80-х годах прошлого столетия на станциях наблюдения полярных сияний в северных районах России были зарегистрированы крупномасштабные сферические быстро расширяющиеся облака на удалениях свыше тысячи километров от предполагаемого места старта ракет. Размеры облаков в ряде случаев превышали 1500 км в диаметре, а скорости их расширения варьировались от 3 до 7 км с^–1 [Tagirov et al., 2000].

2. ДИНАМИКА ГАЗОПЫЛЕВОГО ОБЛАКА

На рисунке 3 приведена схема наблюдений облака из северной части Томской обл. (г. Стрежевой) с указанием положения центра облака для разных кадров.

Наличие изображений звезд на фотографиях (созвездия Большой Медведицы, Волопаса, Северная Корона) позволило определить угловые координаты наблюдавшегося облака, а также оценить его размеры и динамические характеристики. Измерения проводились путем определения углового положения центра облака относительно звезд с последующим вычислением линейных размеров. Результаты, представленные на рис. 4, показывают, что горизонтальная скорость перемещения центра облака вдоль траектории полета ракеты составляет ~3.1 км с^–1. Скорость расширения облака (увеличение радиуса) ~2.2 км с^–1. Скорость расширения облака и скорость перемещения его центра вдоль траектории полета ракеты практически не меняются в течение времени съемки, что свидетельствует об отсутствии торможения вещества облака в верхних слоях атмосферы [Chernouss et al., 1998].

На рисунке 5 приведен фотометрический разрез наблюдавшегося облака по оси AB, имеющий характерный “двугорбый” вид. В работе [Николайшвили и др., 2015] была рассмотрена модель облака, образованного при разделении ступеней твердотопливной ракеты, в виде размытой сферической оболочки и было показано, что для оптически тонкого облака распределение яркости по диаметру изображения облака должно быть именно таким. Отметим, что максимальная яркость изображения не превышает предельного для изображений формата JPEG уровня 255, т.е. яркость облака не выходила за пределы динамического диапазона светочувствительного элемента. Вместе с тем различные точки изображения облака имеют различную яркость. Таким образом можно сделать вывод, что к моменту, когда был сделан кадр, облако уже не являлось оптически плотным.

3. ФОТОМЕТРИЯ ГАЗОПЫЛЕВОГО ОБЛАКА

Наличие на снимках большого количества звезд различной яркости и спектральных классов дает возможность достаточно корректно оценить интегральную светимость облака [Platov, 2000]. Поскольку свечение облака обусловлено рассеянием солнечного света, процесс калибровки заключается в определении светимости облака в единицах светимости какой-либо реперной звезды, светимость которой может быть выражена в долях светимости Солнца.

В качестве реперной была выбрана звезда Неккар созвездия Волопас (β Boo), звездная величина m = 3.45, спектральный класс G8. Звездная величина Солнца S_m = –26.7, спектральный класс G2. Выбор определялся тем, что спектральный класс данной звезды достаточно близок к спектральному классу Солнца.

Светимость реперной звезды в долях светимости Солнца:

На рисунке 6 приведена зависимость от времени интегральной светимости облака, выраженной в единицах светимости Солнца – Σ_c. Быстрый рост этой величины до ~80 с с последующим замедлением свидетельствует о том, что в начальный период облако не было оптически прозрачным. Такой эффект наблюдался и ранее при запусках жидкостных ракет [Ветчинкин и др., 1993].

При рэлеевском рассеянии зависимость интенсивности рассеянного света от параметров рассеивающего облака определяется выражением

где I₀ – интенсивность падающего излучения; k – константа, зависящая от свойств рассеивающего вещества (для воды/льда k ~ 10); M – общая масса рассеивающего вещества; $\text{v}$ – объем рассеивающей частицы; r – расстояние до наблюдателя; λ – длина волны; ρ – плотность вещества частиц; θ – угол рассеяния.

Массу вещества, выбрасываемого при отсечке тяги твердотопливного двигателя, можно приближенно оценить, как M = PVμ/RT (P – давление в камере сгорания ~10⁷ Па; V – объем камеры сгорания ~2–5 м³; μ – молярная масса продуктов горения ~0.035; M ~ 50–100 кг) [Платов и др., 2013].

Для частиц с характерным размером l (r ~ 1000 км, λ = 0.5 мкм и ρ ~ 10³ кг м^–3) получаем:

Полученные значения светимости облака хорошо согласуются с вероятными значениями массы вещества, выброшенного при разделении ступеней и размерами дисперсных частиц в облаке. Однако следует отметить, что измеренная интегральная светимость облака соответствует размеру рассеивающих частиц 0.1 мкм < l < 0.25 мкм, т.е. приближение рэлеевского рассеяния является не вполне корректным.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам анализа последовательности снимков атмосферного оптического явления, сопровождавшего запуск МБР, могут быть сделаны следующие выводы.

Разлет продуктов сгорания и компонентов топлива, выбрасываемых в верхнюю атмосферу при отсечке тяги твердотопливных ракетных двигателей, происходит со скоростями, превышающими 2 км с^–1.

Практически постоянная скорость расширения облака свидетельствует о том, что оно состоит из достаточно крупных дисперсных частиц, не тормозящихся в верхней атмосфере.

Скорость расширения облака определяется ускорением дисперсной компоненты продуктов сгорания на фронте ударной волны, развивающейся при отсечке тяги твердотопливного двигателя в верхней атмосфере.

Общая картина развития явления соответствует модели, описанной в работах [Платов и др., 2013; Алпатов и др., 2016; Kozlov еt al., 2016].

Мы благодарны авторам снимков за возможность использования их фотографий для анализа наблюдавшегося явления.