Геомагнетизм и аэрономия, 2020, T. 60, № 1, стр. 83-92

1. ВВЕДЕНИЕ

Ионосферные эффекты, сопровождавшие падения на Землю крупных (размер ∼1–10 м) космических тел, мало изучены. Фактически исследователи располагают одним событием – падением Челябинского метеороида [Астрономический …, 2013; Popova et al., 2013а, b; Черногор, 2013; Челябинский …, 2016; Chernogor and Rozumenko, 2013]. Метеороид вторгся в атмосферу Земли 15 февраля 2013 г. Его размер был ~18 м, начальная скорость – ~18.5 км/с, начальная кинетическая энергия – ~440 кт ТНТ.

Ионосферные эффекты Челябинского метеороида изучались рядом авторов [Гивишвили и др., 2013; Гохберг и др., 2013; Данилкин и др., 2013]. В первых двух работах сообщается, что метеороид вызвал возмущения в ионосфере, а в последней работе их наличие не обнаружено. Потребовалось привлечение как других методов диагностики, так и иных методов обработки данных наблюдений. В определенной степени это сделали авторы работ [Бернгардт и др., 2013; Гивишвили и др., 2013, 2014; Калихман и др., 2014; Козлов и др., 2014; Кузьмичева и Лосева, 2013; Кузьмичева и др., 2014; Кутелев и Бернгардт, 2014; Перевалова и др., 2013, 2014а, б; Ратовский и др., 2014; Ружин и др., 2014; Терещенко и др., 2014; Челябинский суперболид …, 2016; Черногор и Гармаш, 2013; Черногор и др., 2013; Черногор и Барабаш, 2014; Черногор, 2015, 2017]. В этих работах обсуждаются ионосферные эффекты, последовавшие за пролетом и взрывом Челябинского метеороида. Измерения выполнены различными радиофизическими методами и на различных высотах. Из работ [Бернгардт и др., 2013; Гивишвили и др., 2013, 2014; Калихман и др., 2014; Козлов и др., 2014; Кузьмичева и Лосева, 2013; Кузьмичева и др., 2014; Кутелев и др., 2014; Перевалова и др., 2013, 2014а, б; Ратовский и др., 2014; Ружин и др., 2014; Терещенко и др., 2014; Челябинский суперболид …, 2016; Черногор и Гармаш, 2013; Черногор и др., 2014; Черногор, 2015, 2017] следует, что метеороид вызвал заметные эффекты в ионосфере.

В работе [Перевалова и др., 2013; 2014а, б] по данным GPS-приемников описано поведение ионосферы после взрыва Челябинского метеороида.

В работе [Бернгардт и др., 2013] изложены результаты наблюдения геофизических явлений, последовавших за падением Челябинского космического тела.

В работах [Кузьмичева и Лосева, 2013; Кузьмичева и др., 2014] также проанализированы ионосферные эффекты Челябинского метеороида.

Авторы [Тертышников и др., 2013] описали возмущения в ионосфере, последовавшие за взрывом Челябинского космического тела, и ошибки позиционирования наземного навигационного приемника.

Авторами [Черногор и Гармаш, 2013; Черногор, 2015, 2017] обнаружены и объяснены квазипериодические и апериодические возмущения в нижней ионосфере.

Ионозондовые наблюдения позволили обнаружить проявления атмосферных гравитационных волн с периодом 75–135 мин на расстояниях до 3000 км [Черногор и Барабаш, 2014; Черногор, 2015].

Авторами [Черногор и др., 2013] описаны результаты GPS-наблюдений ионосферных квазипериодических возмущений, последовавших за падением Челябинского метеороида.

Не все наблюдавшиеся разными авторами возмущения удалось объяснить. Поэтому не кажутся до конца убедительными аргументы в пользу того, что наблюдаемые при помощи десятка ионозондов европейского и азиатского регионов России возмущения вызваны взрывом Челябинского космического тела. Возможно, что часть обнаруженных возмущений генерировалась при движении тела на термосферно-мезосферных высотах. Не исключаются и проявления неизвестного механизма генерации долгоживущих (до 9 ч) ионосферных возмущений [Гивишвили и др., 2013].

Поэтому актуальной задачей является изучение возможных возмущений в ионосфере, вызванных падением других космических тел.

Целью настоящей работы является изложение результатов наблюдения ионосферных возмущений, последовавших за падением метеороида метрового размера в центре европейской части России.

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТЕОРОИДЕ

Возле г. Липецка (Россия) 21 июня 2018 г. в 01:16:20 UT (здесь и далее всемирное время) в атмосферу Земли вторглось космическое тело, взорвавшееся на высоте ~27 км. Тело получило название Липецкого метеороида. Оно было обнаружено при помощи многочисленных видеорегистраторов на расстояниях не менее 300 км. Основные параметры космического тела были зарегистрированы приборами на спутниках США, выполняющих задачи контроля космического пространства [Center …, 2019]. К ним относятся: проекции скорости (v_x = –8.9 км/с; v_y = –4.3 км/с; v_z = –10.5 км/с); интегральная энергия свечения E_r ≈ 1.22 × 10¹² Дж ≈ 0.29 кт ТНТ; высота вспышки z_r ≈ 27 км и ее координаты: 52.8° N, 38.1° E. На поверхности Земли найдены фрагменты космического тела. Оказалось, что тело было каменным, точнее хондритом с плотностью ~3.3 т/м³.

По трем проекциям был вычислен угол наклона траектории к горизонту (79°) и модуль скорости (v ≈ 14.4 км/с). Поскольку начальная кинетическая энергия E связана уравнением регрессии [Brown et al., 2002] с E_r, удалось оценить E ≈ 1.17 × × 10¹³ Дж ≈ 2.8 кт ТНТ. По E и v вычислена масса тела m ≈ 113 т. По массе и плотности вещества определены объем (34.2 м³) и диаметр шароподобного тела (4 м).

3. СРЕДСТВА И МЕТОДЫ

Радар, предназначенный для доплеровского зондирования (ДЗ) ионосферы, расположен вблизи г. Харькова [Черногор и др., 2013]. Основные параметры радара, излучающего радиоимпульсы вертикально вверх, следующие: диапазон частот f = 1–24 МГц, импульсная мощность радиопередающего устройства – 1 кВт, длительность импульса τ ≈ 500 мкс, частота повторения импульсов – 100 Гц, полоса пропускания фильтра радиоприемного устройства – 10 Гц. Антенная система представляет собой вертикальный ромб с коэффициентом усиления G ≈ 1–10 в зависимости от частоты волны. Отношение сигнал/помеха q достигает 10⁵–10⁶ в ночное время и 10³–10⁴ в дневное время суток. Радар сопряжен с персональным компьютером, образуя программно-аппаратный комплекс, ведущий измерения и предварительную обработку сигнала в реальном масштабе времени. Высотная протяженность отраженного сигнала существенно превышает сτ/2 ≈ 75 км. Поэтому используется стробирование по высоте с дискретностью Δz = 75 км в диапазоне действующих высот 75–450 км. Сигнал биений колебаний опорного генератора и отраженного сигнала в цифровом виде (частота опроса – 10 Гц) записывался на носитель информации, а затем при помощи преобразования Фурье вычислялись доплеровские спектры в диапазоне возможных доплеровских сдвигов от –2.5 до + 2.5 Гц на интервале времени 60 c (разрешение по частоте ~17 мГц). Погрешность оценки доплеровского смещения частоты (ДСЧ) f_d составляет ~10^–3 Гц при типичном значении q.

Для общего контроля за состоянием ионосферы использовался ионозонд, расположенный рядом с радаром ДЗ. Частота регистрации ионограмм – 1 ионограмма за 5 мин.

4. СОСТОЯНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ

При анализе вариаций в ионосфере, вызванных любым источником, во избежание ошибок необходимо тщательное изучение состояния космической погоды. По данным ИСЗ ACE [Space…, 2019] 17–19 июня 2018 г. в солнечном ветре наблюдались рост до 3 раз концентрации частиц, их скорости до 2 раз и температуры частиц в 3–10 раз (рис. 1). В результате этого 18 июня 2018 г. возникла весьма умеренная магнитная буря с Kp_max = 4 и Dst_min = –35 нТл (см. рис. 1). Ее проявления частично сказывались даже 20 июня 2018 г.

21 июня 2018 г. в день падения Липецкого метеороида значения Kp-индекса не превышали 1, а Dst-индекса были больше – (3–4) нТл.

Таким образом, магнитная обстановка была вполне благоприятной для наблюдения ионосферного эффекта Липецкого метеороида. Требованиям контрольного дня лучше соответствовал день 22 июня 2018 г.

5. РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА

Временны́е вариации доплеровских спектров (ДС) в контрольные сутки с 19 на 20 июня 2018 г. на частотах 3.2 и 4.2 МГц приведены на рис. 2. Из рисунка 2 видно, что в течение всего времени имели место как апериодические, так и квазипериодические вариации ДС. После 01:00 постоянная составляющая доплеровского смещения частоты (ДСЧ) $\overline {{{f}_{d}}} $ стала положительной, причем ее значение составляло ~0.36 и 0.46 Гц на частотах 3.2 и 4.2 МГц соответственно. При $\overline {{{f}_{d}}} > 0$ происходит опускание области отражения радиоволны. Максимальная скорость опускания была ~16 м/с. За 3.5 ч область отражения радиоволн опустилась вниз примерно на 100 км. Продолжительные квазипериодические процессы в интервале времени, приведенном на рис. 2, отсутствовали. Эпизодически ДС становились диффузными.

Накануне и в день падения Липецкого метеороида с 21:00 20 июня 2018 г. до 00:30 21 июня 2018 г. ДС были диффузными (рис. 3). Утреннее опускание высоты отражения радиоволны началось около 01:00 и продолжалось до 04:30. Примерно с 00:55 и до 01:27 наблюдался квазипериодический процесс с периодом T ≈ 14 мин и амплитудой ~0.11 и 0.19 Гц на частотах 3.2 и 4.2 МГц соответственно. В интервале времени 01:27–01:48 имел место “развал” ДС, квазипериодические вариации оказались разрушенными. Примерно после 01:48 наблюдались квазипериодические изменения ДСЧ. Период колебаний ДСЧ на частоте 4.2 МГц постепенно увеличивался от 10 до 20 мин. Амплитуда колебаний была ~0.11 и 0.19 Гц на частотах 3.2 и 4.2 МГц соответственно. Квазипериодический процесс продолжался около 2 ч.

В контрольный день 22 июня 2018 г. отмечались как квазипериодические, так и апериодические вариации ДСЧ (рис. 4). “Развал” спектров в интервале времени 01:00–02:00 отсутствовал. После 02:05 на частоте 3.2 МГц появилось квазипериодическое колебание, которое продолжалось ~80 мин. На частоте 4.2 МГц в это же время периодический процесс отсутствовал. С 02:20 до 03:20 наблюдалось раздвоение ДС, свидетельствующее о наличии двух отраженных лучей.

Таким образом, в день падения Липецкого метеороида наблюдалось два эффекта: с временем запаздывания Δt₁ ≈ 11 мин “развал” ДС и с временем запаздывания 33 и 31 мин на частотах 3.2 и 4.2 МГц соответственно появление продолжительного (∼2 ч) квазипериодического процесса.

6. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ЭФФЕКТОВ

Время запаздывания первого эффекта, т.е. “развала” ДС, составляло ~11 мин. Это наводит на мысль, что эффект вызван распространением ударной волны от взрыва метеороиода до высот ионосферы.

Приведем результаты расчета высотной зависимости избыточного давления Δp в ударной волне и ее длительности ΔT (табл. 1). При этом использовались соотношения для Δp/p и ΔT из работы [Infrasound …, 2010]. Расчеты производились без учета диссипации ударной волны. Из таблицы 1 видно, что на высотах z ≥ 100 км Δp/p > 1. Это означает, что ударная волна эффективно поглощается, нагревая среду. Атмосфера при этом турбулизуется, возникают неоднородности концентрации электронов, приводящие к “развалу” ДС.

Нагретый объем атмосферы становится источником атмосферных гравитационных волн (АГВ). Оценим их параметры.

Из геометрических соображений следует, что нагретая инфразвуком область атмосферы из высоты взрыва метеороида видна под углом 2Δβ, где Δβ дается соотношением

Здесь z₁ и z₂ высоты начала и окончания нагрева; z_e ≈ 27 км – высота взрыва метеороида. При z₁ ≈ ≈ 100 км и z₂ ≈ 150 км имеем Δβ ≈ 54° ≈ 0.94 рад. Горизонтальный радиус нагретой области изменяется от R₁ = (z₁ – z_e) tg Δβ ≈ 100 км до R₂ = (z₂ – – z_e) tg Δβ ≈ 170 км. При этом длина АГВ λ изменяется от 2R₁ до 2R₂, т.е. в пределах 200–340 км. При средней скорости звука v_s ≈ 300–450 м/с на высотах 100–150 км имеем для периода AГВ T ≈ ≈ 7.4–18.9 мин соответственно.

Энергию АГВ можно оценить из следующего соображения:

где η₁ ≈ 0.6 – доля энергии E, преобразуемой в энергию инфразвука; η₂ = ΔΩ/4π ≈ 0.31 – доля энергии в телесном угле η₃ – доля энергии инфразвука, поглощаемой слоем атмосферы толщиною z₂ – z₁; η₄ – доля поглощенной энергии инфразвука, преобразуемая в энергию АГВ. Полагая η₃ ≈ 0.5, η₄ ≈ 1, получим, что η₁η₂η₃η₄ ≈ 0.06, а E_g ≈ 7 × 10¹¹ Дж.

Далее оценим тепловую энергию E_T в нагретом объеме:

где ε_T = Cρ₀T₀ – плотность тепловой энергии невозмущенного воздуха; T₀ ≈ 210 K – невозмущенная температура атмосферы на высоте z₁ ≈ 100 км; ρ₀ ≈ 10^–6 кг/м³ – плотность атмосферы на высоте z₁; C ≈ 10³ Дж/(кг K) – удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении. Оценка E_T имеет вид: При R₁ ≈ 100 км, H ≈ 7 км имеем E_T ≈ 4.9 × 10¹³ Дж. Тогда относительное возмущение температуры На высотах 120 и 150 км значение ΔT/T₀ порядка 10 и 100% соответственно. При этом относительное давление в АГВ такого же порядка. Учитывая, что АГВ каналируется в волноводе на высотах ∼100–200 км, относительная амплитуда АГВ остается достаточно большой (∼3–30%) на расстояниях ~1000 км.

Значения удельной волновой энергии ε_w и тепловой энергии ${{\varepsilon }_{T}}$ приведены в табл. 2. Здесь

Δp – избыточное давление в АГВ; ρ₀ и p₀ – плотность и давление в невозмущенной атмосфере; v_s – скорость звука; γ = 1.4 – показатель адиабаты.

Разумеется, нагрев атмосферы инфразвуком выше 150 км невозможен из-за его поглощения в диапазоне высот 100–150 км. Из таблицы 2 видно, что при z > 120 км ${{{{\varepsilon }_{w}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{\varepsilon }_{w}}} {{{\varepsilon }_{T}}}}} \right. \kern-0em} {{{\varepsilon }_{T}}}}$ > 0.3. Это означает, что выше 120 км эффективно генерируются АГВ.

Время запаздывания Δt₁ ≈ 11 мин начала “развала” ДС состоит из двух частей: времени распространения ударной волны от высоты взрыва до высоты отражения радиоволн, вычисленной по данным ионозонда (~250 и 270 км для частот 3.2 и 4.2 МГц соответственно), и времени становления атмосферно-ионосферных процессов, влияющих на “развал” ДС.

Длительность ΔT₁ ≈ 21 мин процесса “развала” ДС определяется длительностью ударно-волнового воздействия. По нашим оценкам, на высотах 100–120 км оно составляет ~14–17 мин (см. табл. 1). На бо́льших высотах оно должно быть еще больше.

Время запаздывания Δt₂ ≈ 32 мин определяется скоростью движения АГВ в горизонтальном направлении

Здесь R – расстояние от эпицентра взрыва до обсерватории.

При R ≈ 360 км, Δt₂ ≈ 33 мин (f = 3.2 МГц) и Δt₂ – Δt₁ = 22 мин имеем v₁ ≈ 273 м/с. Для f = = 4.2 МГц, Δt₂ ≈ 31 мин, а v₂ ≈ 300 м/с. Такие скорости и периоды T ≈ 10–20 мин свойственны АГВ. Различие значений Δt₂ и скоростей для различных частот свидетельствует о том, что волновой процесс действительно вызван взрывом метеороида. Радиоволна с большей частотой отражается на большей высоте, где скорость АГВ больше.

Таким образом, физические механизмы обоих эффектов получают свое объяснение.

7. ОБСУЖДЕНИЕ

Анализ временны́х вариаций ДС в день падения Липецкого метеороида и в два соседних дня позволил обнаружить два эффекта. Первый из них заключается в “развале” ДС примерно через 11 мин после взрыва метеороида. Время запаздывания и продолжительность эффекта связаны с распространением и воздействием на среду ударной волны от взрыва.

Второй эффект представляет собой квазипериодические вариации ДСЧ с периодом T ≈ 10–20 мин. Времена запаздывания Δt₂, равные 33 и 31 мин, указывают на то, что скорость распространения волны в горизонтальном направлении была ~273 и 300 м/с. Такую скорость и периоды имеют АГВ (см., например, [Госсард и Хук, 1978; Григорьев, 1999]). Эти волны являются вторичными. Они сгенерированы в результате поглощения в диапазоне высот ∼100–150 км ударной волны от взрыва метеороида.

Рассмотрим квазипериодические вариации ДСЧ, имеющие амплитуду f_d1 = 0.11 Гц и f_d2 = 0.19 Гц на частотах ${{f}_{1}}$ = 3.2 МГц и ${{f}_{2}}$ = 4.2 МГц. Если бы обе волны отражались на одной и той же высоте, то

При этом ${{{{f}_{{d2}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{f}_{{d2}}}} {{{{\tilde {f}}}_{{d2}}}}}} \right. \kern-0em} {{{{\tilde {f}}}_{{d2}}}}}$ = 1.36. Увеличение f_d2 по сравнению с ${{\tilde {f}}_{{d2}}}$ обусловлено увеличением относительной амплитуды возмущений концентрации электронов при увеличении высоты. Действительно, на высотах z ≤ 200–250 км К этому следует добавить, что при вертикальном зондировании где L – характерный высотный масштаб, определяющий толщину слоя ионосферы, дающую вклад в ДСЧ; c – скорость света; T – период колебания; δ_N = ΔN/N₀. При δ_N(z)/δ_N(z₀) = 1.36 и H ≈ 35 км имеем Δz = z – z₀ ≈ 21 км. Это означает, что радиоволна с частотой f₂ = 4.2 МГц отражалась примерно на 21 км выше, чем радиоволна с f₁ = 3.2 МГц. По данным ионозонда высоты отражения составляли ~250 и 270 км для частот 3.2 и 4.2 МГц. Из соотношения (2) при f_d1 = 0.11 Гц, f₁ = 3.2 МГц, L ≈ ≈ 30 км и T ≈ 10 мин имеем δ_N ≈ 1.6%.

Таким образом, отличия в характере вариаций ДС в день падения Липецкого метеороида от характера вариаций в контрольные дни, наличие адекватных механизмов возникновения обнаруженных эффектов свидетельствуют в пользу того, что эти эффекты вызваны взрывом космического тела.

8. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Взрыв Липецкого метеороида привел к двум эффектам: “развалу” ДС и квазипериодическим вариациям ДСЧ.

2. Первый эффект имел время запаздывания ~11 мин и длительность 21 мин. Эффект вызван распространением и диссипацией ударной волны на ионосферных высотах.

3. Второй эффект имел время запаздывания ~31–33 мин, продолжительность – ~2 ч и период – 10–20 мин. Причиной этого эффекта является генерация и распространение вдоль ионосферы АГВ, порожденной диссипацией энергии ударной волны в атмосфере над местом взрыва метеороида.

4. Предложены и обоснованы механизмы генерации обоих эффектов.

5. Показано, что метеороиды с кинетической энергией ∼10¹³ Дж способны вызывать регистрируемые эффекты в ионосфере на удалениях в сотни километров от места взрыва.