CC BY
14
УДК 550.37+550.388
И.Ю. Бабаханов(11, А.Ю. Белинская(2, М.А. Бизин(33,
0.М. Грехов(2), В.В. Кузнецов(1), А.Ф. Павлов(2), С.Ю. Хомутов(2)
(1) - ИКИР ДВО РАН, Паратунка, Камчатка; (2) - АСФ ГС СО РАН, Новосибирск; (3) -ИХКиГ СО РАН, Новосибирск
ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ВОЗМУЩЕНИЯ ВО ВРЕМЯ ПОЛНОГО СОЛНЕЧНОГО ЗАТМЕНИЯ 1 АВГУСТА 2008 ГОДА В НОВОСИБИРСКЕ (ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ)
1.Yu. Babakhanov(1 , A.Yu. Belinskaya(2), M.A. Bizin(3), O.M. Grekhov(2 , S.Yu. Khomutov(2), V.V. Kuznetsov(1), A.F. Pavlov(2)
(1) - IKIR FEB RAS, Paratunka, Kamchatka region; (2) - ASB GS SB RAS, Novosibirsk; (3) -ICKC SB RAS, Novosibirsk
THE GEOPHYSICAL DISTURBANCES DURING TOTAL SOLAR ECLIPSE AT AUGUST 1, 2008 IN NOVOSIBIRSK (THE PRELIMINARY RESULTS)
The preliminary results of the geophysical observations at Geophysical observatory «Klyuchi» during total solar eclipse at 1 August 2008 are presented in this paper. The significant variations of the ionospheric critical frequencies, of the intensity of the atmospheric electrical field and of the surface ozone concentration are noted.
1. Введение
Полное солнечное затмение - это уникальное природное явление, которое из-за очень быстрого перемещения лунной тени оказывает специфическое воздействие на все внешние геооболочки Земли и проявляется в различных полях и процессах. Исторически наиболее существенные научные достижения по наблюдениям затмений были получены в оптике земной атмосферы и физике Солнца. Но постоянное появление в геофизике новых видов измерений и их комплексное использование во время затмений позволило получить важнейшие результаты в относительно недалеком прошлом. Например, наблюдения эффектов ионизации воздуха на различных высотах во время затмения 17 апреля 1912 г. привели к открытию космических лучей, а ионосферные измерения во время затмения 31 августа 1932 г. позволили сделать вывод о солнечном излучении как основном источнике ионизации плазмы на ионосферных высотах.
Существуют обширные исследования ионосферных эффектов, результаты которых в целом подтверждают тенденцию перехода ионосферы во время затмения в ночное состояние [1, 2, 3]. Не менее широко представлены работы по изучению метеорологических явлений во время затмений [4, 5, 6]. Большой интерес представляют экспериментальные наблюдения вариаций атмосферного электрического поля, магнитного поля Земли, концентрации приземного и стратосферного озона и др. [7, 8, 9, 10]. Однако полученные результаты часто неоднозначны, сильно различаются и в некоторых случаях приводят к противоположным выводам. Основная причина этого - большое разнообразие условий, при которых происходят затмения, и отсутствие объединяющей это
1
разнообразие теории. Каждое затмение по-своему уникально, поэтому геофизические измерения во время каждого нового затмения дают дополнительный существенный вклад в понимание процессов, происходящих в околоземном пространстве.
Полное солнечное затмение 1 августа 2008 г. обладает определенной спецификой: лунная тень начинает свое движение в околополярных областях, а на средних широтах перемещается на юг практически в меридиональном направлении. Геофизическая обсерватория «Ключи» АСФ ГС СО РАН (Новосибирск) находится в полосе полного затмения и, имея развитую инфраструктуру, представляет собой прекрасное место для организации наблюдений различного вида.
2. Используемая аппаратура, условия наблюдений
Комплекс геофизических измерений включал:
- Вертикальное зондирование ионосферы с помощью цифрового ионозонда «Парус» с периодичностью 1 мин во время затмения и 5 мин в течение ближайших суток;
- Измерение вертикальной составляющей Е2 напряженности атмосферного электрического поля с помощью двух серийных электрометров «Градиент-М2» и «Градиент-МЗ», разнесенных на расстояние около 1 км. Периодичность измерений 2 с, чувствительность по двум каналам 0.25 и 2.5 В/м;
- Измерение вариаций магнитного поля штатными приборами обсерватории - цифровым феррозондовым магнитометром ЬБМ1-008 с частотой измерения составляющих (х, у, 7) магнитного поля 1 Гц, и протонным магнитометром РО8-1с периодичностью отсчетов 5 с, чувствительность обоих приборов 0.01 нТл;
Измерение интенсивности космических лучей штатным многоканальным комплексом с площадью сбора 24 м2, включающий спектрограф на эффекте локальной генерации и матричный мюонный телескоп;
Измерение концентрации приземного озона с помощью стандартного газоанализатора 3.02-ПА с усреднением 20 мин. (вблизи полной фазы затмения были вручную сняты мгновенные данные N03);
- Измерение акустических колебаний в инфразвуковом диапазоне 2-15 Гц с помощью пьезодатчиков ПДС-7 (частота измерений 83 Гц).
Также во время затмения с помощью цифрового термодатчика 0818820 измерялась температура воздуха вблизи освещаемой Солнцем стены. Все приборы и регистраторы были синхронизованы с помощью ОР8-приемников.
ГО «Ключи» находилась в полосе полной тени, примерно в 30-40 км к востоку от центральной линии затмения. На поверхности первый контакт произошел в 09:41:19ЦТ, максимальная фаза - в 10:45:12иТ, последний контакт - 11:45:09ЦТ. Продолжительность полной фазы около 2.5 мин. Высота Солнца над горизонтом в максимальной фазе была около 30°, закат 1 августа произошел
в 14:29ЦТ. Необходимо отметить, что из-за относительно низкого расположения Солнца над горизонтом основные фазы затмения на высотах ионосферы (100200 км) запаздывали относительно соответствующих моментов на поверхности примерно на 1 мин, а полная фаза над Новосибирском вообще не произошла.
Погодные условия были благоприятными - до обеда наблюдались редкие кучевые облака, которые к началу затмения полностью исчезли. Температура на открытом месте непосредственно перед началом и после окончания затмения достигала +30 °С. Солнечная активность в течение нескольких дней до и после затмения была чрезвычайно низкой, соответственно, геомагнитная активность также была невысокой (стандартизированный Кр-индекс 1 августа не превышал значения 2).
5
н
& 3
8 10 12 14 16
время, ЬТ=иТ+7
18 20 22 24
3. Основные результаты
Наиболее выразительные и ожидаемые результаты получены в результатах наблюдений ионосферы. На рис. 1 представлены вариации критических частот
слоев Е, Б1 и Б2 1 августа. Фазы затмения отмечены
вертикальными линиями. Тонкие линии - медианные значения, имеющие хорошо выраженный суточный ход и характеризующие невозмущенное состояние
ионосферы (они вычислены по данным с 15 июля по 15 августа, исключая день затмения).
Наибольшее отклонение от суточного хода, полученного полиномиальной аппроксимацией медианных значений за сутки до и после затмения, наблюдалось в критической частоте слоя Б1 (около 1.6 МГц, что составило 43 % от невозмущенного уровня), наибольшее относительное отклонение было в слое Е (46 % в максимуме, 1.2 МГц по частоте), в слое Б2 наблюдалось уменьшение критической частоты на 1.3 МГц (30 %). Задержка реакции критической частоты слоев Е, Б1, Б2 относительно момента максимальной фазы на уровне Земли составила примерно 2, 3, и 11 мин., соответственно. Восстановление невозмущенного уровня в слоях Е и Б1 произошло практически «одновременно» с окончанием затмения. Слой же Б2 восстанавливался порядка двух часов после окончания СЗ, причем характер восстановления носил волнообразный характер (с периодом около 60 мин).
На рис. 2 показаны вариации вертикальной составляющей Е7 напряженности атмосферного электрического поля (АЭП) 1 августа 2008 г. в двух пунктах, разнесенных примерно на 1 км. Как видно по кривым, эффект затмения достаточно отчетливо проявился в записях обоих электрометров, прежде всего, как резкий рост напряженности АЭП в фазе полного покрытия.
Рис. 1. Вариации критических частот ионосферных слоев над Новосибирском 1 августа 2008 г.
На обоих пунктах Ez до начала затмения понижается, однако характер этого изменения несколько различается. При среднем уровне Ez в невозмущенные дни около 500 В/м, аномалия во время затмения представляется чрезвычайно сильной.
На рис. 3 представлены результаты измерения концентрации приземного озона в день затмения. Газоанализатор был установлен рядом с
электрометром (кривая (а) на рис.2). Общая картина соответствует обычному суточному поведению концентрации озона - отсутствие в ночное время и зависимость от солнечного излучения в дневное. Понижение концентрации в
"5
период затмения проявляется достаточно надежно и достигает 10-20 мкг/м . Важно отметить, что экстремум в происходит позже полной фазы затмения примерно на 20-30 мин.
800
600
400
2 200 т
ШЕ 0 -200 -400 -600
0246
8 10 12 14 16 18 20 22 24 Время 1_Т=11Т+7
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Время 1_Т=11Т+7
Рис. 2. Вариации атмосферного электрического поля в двух разнесенных пунктах. Треугольными маркерами показаны моменты восхода и заката, вертикальными линиями -начало, максимум и конец затмения
Рис. 3. Вариации концентрации
приземного озона. Кривая -
измерения с 20-минутным
усреднением, отдельные маркеры -
мгновенные значения, треугольные
маркеры - моменты восхода и
заката, вертикальные линии -
„ _ . моменты основных фаз затмения
В других наблюдаемых геофизических
параметрах эффект затмения проявился слабо. Так, в вариациях X- и Z-
компонентах магнитного поля можно отметить аномалии амплитудой несколько
нТл, которые соотносятся с затмением. Однако на фоне естественных
геомагнитных колебаний эти аномалии не представляются надежными.
Интерпретация результатов инфразвуковых измерений осложнена сильными
шумами как естественного (например, метеорологического), так и
искусственного (включая электромагнитные помехи в измерительных трактах
аппаратуры) происхождения. Вариации космических лучей, описываемых
такими параметрами как интегральная интенсивность нейтронной компоненты,
общая ионизующая компонента и вертикаль жесткой (мюонной) компоненты, в период затмения не превышают естественный уровень шумов.
4. Заключение
Предварительный анализ данных, полученных при комплексных наблюдениях на Геофизической обсерватории «Ключи» во время полного солнечного затмения 1 августа 2008 г., показал, что эффект затмения надежно проявляется в одних геофизических характеристиках (ионосферные критические частоты, концентрация приземного озона, напряженность атмосферного электрического поля) и практически отсутствует в других характеристиках (космические лучи, инфразвук, магнитное поле). Последнее может быть следствием как использования на начальном этапе простейших методов анализа, так и сложностью самого явления и его следствий. В дальнейшем предполагается исследовать полученные данные с применением более глубоких методов и привлечением физических моделей наблюдаемых процессов.
Благодарности. Авторы признательны Б.М. Шевцову и С.Э. Смирнову (ИКИР ДВО РАН) за интерес к работе и предоставление электрометров «Градиент». Авторы выражают благодарность операторам ионозонда «Парус» Н.Ф. Ващенко, Г.В. Ивлевой, В.П. Мухортовой и Н.А. Шакировой за оперативную и качественную обработку первичных ионограмм.
Работа выполнена при частичной поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 16 «Изменение окружающей среды и климата: природные катастрофы», часть 3 «Солнечная активность и физические процессы в системе Солнце-Земля» (госконтракт с ИСЗФ СО РАН).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Farges T. et al. Disturbances of the western European ionosphere during the total solar eclipse of 11 August 1999 measured by a wide ionosonde and radar network // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. - 2001. - Vol.63. - P. 915-924.
2. Белинская А.Ю., Хомутов С.Ю., Григорьева С.А. Ионосферный отклик на солнечное затмение 29.03.2006 г. // Изв. вузов. Сер. Физика. - 2006. - № 9. - С. 68-72.
3. Григоренко Е.И., Ляшенко М.В., Черногор Л.Ф. Эффекты в ионосфере и атмосфере, вызванные солнечным затмением 29 марта 2006 г. // Геомагн. и аэрономия. -2008. - Т. 48. - № 3. - С. 350-364.
4. Anderson R.C., Keefer D.R. Observation of the temperature and pressure changes during the 30 June 1973 solar eclipse // J. Atmos. Sci. - 1975. - Vol. 32. - P. 228-231.
5. Mauder M. et al. Atmospheric response to a partial solar eclipse over a cotton field in Central California // J. Appl. Meteorology and Climatology. - 2007. - Vol. 46. - P. 1792-1803.
6. Founda D. et al. The effect of the total solar eclipse of 29 March 2006 on meteorological variables in Greece // Atmos. Chem. Phys. - 2007. - Vol. 7. - P. 5543-5553.
7. Dolozalek H. Effects of the 7 March 1970 solar eclipse on atmospheric electricity, a contribution to the boundary layer discussion // Arch. Met. Geoph. Biokl., ser.A. - 1972. - Vol. 21. - P.221-245.
8. Malin S.R.C. et al. Geomagnetic signature of the 1999 August 11 total eclipse // Geophys. J. Int. - 2000. - Vol. 140. - P. F13-F16.
9. Chudzynski S. et al. Observation of ozone concentration during the solar eclipse // Atmos. Res. - 2001. - Vol. 57. - P. 43-49.
10. Адушкин В.В. и др. Геофизические эффекты солнечного затмения 29 марта 2006 г. // Докл. АН. - 2007. - Т. 417. - № 4. - С. 535-540.
© И.Ю. Бабаханов, А.Ю. Белинская, М.А. Бизин, О.М. Грехов, В.В. Кузнецов, А.Ф. Павлов, С.Ю. Хомутов, 2009
