Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 11, стр. 1657-1660

ВВЕДЕНИЕ

В работе [1] были представлены результаты регистрации установкой “Арагац” ночного наблюдения (с 1 на 2 сентября 2019 г.) яркого непрерывного свечения грозовых облаков, сопровождаемого значительным возмущением интенсивности гамма-квантов, генерированных электрическим полем. Этот эффект имел место в отсутствие дождя, и, естественно, возникает вопрос об источнике энергии для порождающего процесса. Географически, Арагац и Баксанская нейтринная обсерватория (БНО) ИЯИ РАН расположены в Кавказском регионе, в 340 км друг от друга. Демонстрации того, что в этот период происходило в БНО, посвящена настоящая работа.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ БАЗЫ

Эксперимент по изучению вариаций космических лучей во время гроз включает комплекс измерительной аппаратуры, размещенный на базе установки “Ковер” БНО (43.3° с.ш., 42.7° в.д.). Установка расположена в низине горного ущелья, на высоте 1.7 км над уровнем моря, в 40 м от реки. Соседние вершины гор (4 км над уровнем моря) находятся на расстоянии 4−5 км.

На установке Ковер ведется непрерывная регистрация вторичных частиц космических лучей. По их вариациям во время гроз, методом, разработанным ранее [2, 3], определяется разность потенциалов электрического поля в тропосфере над установкой и в стороне, по кругу, в радиусе от ~10 до ~20 км. Ошибка метода ~20%. Используя одночастотные 6 канальные спутниковые часы GPS170PCI, позволяющие программным образом, в режиме оn line, организовать запрос системе спутников GPS на получение от них сигнала точного времени, определяется полное электронное содержание ионосферы (ПЭС) над установкой. В эксперименте измеряется время (L), затраченное на исполнение команды. Скважность 5 с^–1. Используя данные глобальных ионосферных карт [4], метод корреляционного анализа и прямую калибровку возмущения измеряемых задержек по возмущению ПЭС, в момент фазы развития магнитной бури был получен коэффициент связи, отвечающий локальному возмущению ПЭС над установкой и задержке времени исполнения команды β_Ne/∆L = 0.195 ± 0.009 [TEC/нс]. ПЭС измеряют в единицах TEC (total electron count). 1 TEC = = 10¹⁶ электронов/м². Ежесекундно измеряются атмосферное давление, температура, приземная напряженность электрического поля, электрический ток дождя. Регистрируются импульсные электромагнитные помехи.

В 4.5 км от базовой установки в горизонтальном горном тоннеле расположен измерительный комплекс Северокавказской геофизической лаборатории ИФЗ РАН (описание см. в работе [5]). В этой работе используются данные наклономерной станции, представленной двумя прецизионными маятниковыми наклономерами, измеряющими угол наклона плоскости постамента к плоскости горизонта в направлениях Восток–Запад и Север–Юг. Превышение над горизонтом соответствует положительному значению датчиков. Уровень выходного электрического сигнала ±0.2 (В/с дуги).

Для непрерывной регистрации оптического свечения над установкой два внешних пункта видео регистрации просматривают область неба с расстояния 0.5 км (п. Нейтрино, 20°–65° над горизонтом, преимущественное направление на юг) и 75 км (село Хасанья, 0°–50° над горизонтом, преимущественное направление на запад). В каждом пункте регистрация проводится двумя камерами в цветном (камера Cs280) и инфракрасном (камера Cs265) диапазонах. Для количественного описания регистрации свечения, определена функциональная связь яркости свечения удаленной непрерывной поверхности со средней яркостью пикселей его изображения на фотографии.

РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ

На рис. 1 представлены графики вариаций различных геофизических параметров, анализируя которые можно понять, что происходило. Накануне 01.09.2019, вечером c 17:30 по 18:45, прошло локальное облако с полем грозового характера. Напряженность приземного электрического поля представлена на рис. 1е. Датчик электрического тока дождя зафиксировал положительный ток, характерный для гроз (рис. 1ж). Само грозовое облако фиксировалось видеокамерами лишь в период с 17:30 по 18:20, в остальное время была обычная погода с небольшой облачностью. С 20:30 фиксировались звезды. Причин формирования в атмосфере значительного заряда не наблюдалось. Вместе с тем разность потенциалов в тропосфере, оцениваемая по вариациям мюонов (над установкой – рис. 1д и на периферии – рис. 1г), на протяжении ночи имела значения характерные для гроз. На расстоянии ~10–20 км друг от друга проходили зарядовые волны разного знака. На графике разности потенциалов периферии отчетливо проявляются следы от импульсных разрядов 21:14, 22:05, 01:00. Правда, шумовой канал их не зарегистрировал, что бывает, если разряд горизонтальный или медленный. Первый разряд обозначил начало роста широкомасштабной положительной составляющей поля. Он совпал с остановкой роста наклонения литосферной плиты в районе БНО (рис. 1в). Третий разряд обозначил начало резкого снижения, до переполюсовки, разности потенциалов над установкой. В тот же момент время на получение сигнала от системы спутников GPS (рис. 1а) стало наращивать задержку. Возмущение длилось 20 мин. Максимум, 120 ± 3 нс, был достигнут в 01:10. Соответствующий прирост ПЭС составил 23.3 ± 1.2 TEC. В 01:05 случился излом наклонения, измеренный в г. Нальчик (рис. 1б). Измеритель электрического тока дождя (рис. 1ж) все это время наращивал отрицательное значение ~–1 нА/м², а в районе полуночи испытал резкое усиление на ~–20 нА/м². И это все под небом, на котором камерами засняты звезды. Около 03:00 камера в БНО зарегистрировала усиление свечения всего неба (рис. 1з). Измерены параметры свечения. Предшествующий возмущению фон, в интенсивности фотонов красного цвета (R_630 нм): 0.33 × (2^±1) кРл, зеленого (G_525 нм): 1.53 × (2^±1) кРл, синего (B_430 нм): = = 4.50 × (2^±1) кРл. В фотометрических единицах, соответственно, R: 1.51 × (2^±1) × 10^–5 [кд/м²], G: 2.47 × (2^±1) × 10^–4 [кд/м²], B: 1.31 × (2^±1) × × 10^–5 [кд/м²]. Суммарно: 2.7 × (2^±1) × 10^–4 [кд/м²]. Это соответствует обычной яркости ночного безлунного неба. Здесь (2^±1) – методическая ошибка, определенная при калибровке измерений, полученная в логарифмическом масштабе, одинаковая для всех цветов. Максимум свечения в виде острого пика пришелся на момент 03:03. Статистически значимая максимальная амплитуда возмущения, оцененная за период 03:02–03:04, выраженная в процентах фоновой яркости имеет значения: R: (3.53 ± 0.32)%, G: (3.20 ± 0.42)%, B: (4.22 ± 0.65)%. Суммарно, в фотометрических единицах: 0.9 × (2^±1) × 10^–5 [кд/м²]. Глазом эффект не заметен. Камера в с. Хасанья эффект не выделяет, по причине городской засветки. Эффективный период возмущения, 02:50–03:20, взятый на полувысоте от максимальной яркости, совпал с периодом временной стабилизации кольцевого тока магнитосферы, динамику которого отражают вариации индекса SYM-H (см. рис. 1к). Пиковое значение свечения совпало с максимумом межполушарного тока (индекс SYM D (см. рис. 1и) и началом резкого спада отрицательных показаний измерителя тока дождя до момента 03:30. Обычно, в хорошую погоду, примерно в это время, утренняя роса нарушает электрическую изоляцию антенны датчика измерителя тока.

Рис. 1.

Событие 01.09–02.09 2019 г. Время местное, опережает мировое на 3 ч. Время на получение сигнала точного времени от системы спутников GPS, усреднение 20 с (а). Вариации наклона земной поверхности в г. Нальчик (NS – направление Север–Юг), 1В соответствует 5 с дуги, усреднение –20 с (б). Вариации наклона земной поверхности в п. Нейтрино (EW – направление Восток–Запад), 1В соответствует 5 с дуги, усреднение 20 с (в). Восстановленная по вариациям “периферийных” мюонов с энерговыделением более 70 МэВ разность потенциалов в тропосфере в стороне (10–20 км) от установки, усреднение 5 мин (г). Восстановленная по вариациям “вертикальных” мюонов с энерговыделением 30–60 МэВ разность потенциалов в тропосфере над установкой, усреднение 5 мин (д). Напряженность приземного электрического поля, усреднение 20 с (е). Электрический ток дождя, усреднение 20 с (ж). Яркость (измерение в каналах) свечения центральной области снимка (п. Нейтрино, скважность 10 с), усреднение 20 с (з). Y-компонента симметричной составляющей магнитного поля [7] (скважность 1 мин), (SYM-D индекс), скважность 1 мин (и). Х-компонента симметричной составляющей магнитного поля [7] (скважность 1 мин), (SYM-H индекс), скважность 1 мин (к).

Поскольку ночью были видны звезды, а утром наблюдалось выпадение росы, т.е., выполнялись условия “хорошей погоды”, надо признать, что поля в тропосфере, измеренные по вариациям мюонов и измерителем приземного поля, сформированы зарядами, распределенными в земле. А импульсные разряды 21:14, 22:05, 01:00 – подземные. В работе [6] сообщается что при сжатии гранитной плиты до 10% от разрушающего напряжения регистрировались электрические токи до 50 нА/м². Колебание литосферной плиты, измеренное наклономером в БНО (рис. 1в), демонстрирует случай сжатия при столкновении. Равномерный наклон в одну сторону, сменился наклоном в обратную. В промежутке – период постепенного смятия граней. В этот период должно произойти разделение зарядов. Положительный выходит из зоны сжатия, от сильного к меньшему, отрицательный остается, формируя над установкой положительное поле. Тот факт, что длительность периода смятия плиты (3.5 ч) совпадает с периодом аномального положительного тока из земли в атмосферу, дает основание считать, что это тот самый “отжатый” положительный заряд. Транспортное время 3 ч требует объяснений. По-видимому, именно его выход к поверхности земли в Армении спровоцировал сейсмическую грозу, а в БНО вызвал диффузное свечение.

ЗАКЛЮЧЕНИПЕ

Зарегистрировано свечение ночного неба во время глобальных магнитосферных возмущений на широте 43° с.ш. на фоне звезд. Период максимального свечения совпал с периодом стабилизации кольцевого тока, пиковое значение – с максимумом межполушарного. Свечению предшествовала местная сейсмическая активность, сгенерировавшая подземный отрицательный заряд выходящим на поверхность земли положительным током, 20–25 нА/м². Этот ток был скомпенсирован межполушарным током.