Параметрический источник всплесков СНЧ-излучения

Рассмотрены изменения глобальной электрической цепи, связанные с приходом в дневное полушарие Земли гигантской вспышки гамма-излучения от SGR 1806-20. Показано, что возникающий при этом параметрический источник радиоизлучения зависит от строения глобальной электрической цепи. Рассмотрено, как в реал...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2011
1. Verfasser:	Николаенко, А.П.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2011
Schriftenreihe:	Радіофізика та електроніка
Schlagworte:	Поширення радіохвиль, радіолокація та дистанційне зондування
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/78068
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Параметрический источник всплесков СНЧ-излучения / А.П. Николаенко // Радіофізика та електроніка. — 2011. — Т. 2(16), № 3. — С.43-50. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-78068
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-780682015-03-11T03:02:06Z Параметрический источник всплесков СНЧ-излучения Николаенко, А.П. Поширення радіохвиль, радіолокація та дистанційне зондування Рассмотрены изменения глобальной электрической цепи, связанные с приходом в дневное полушарие Земли гигантской вспышки гамма-излучения от SGR 1806-20. Показано, что возникающий при этом параметрический источник радиоизлучения зависит от строения глобальной электрической цепи. Рассмотрено, как в реалистической модели экспоненциального профиля сопротивления атмосферы формируется дискретный импульс радиоизлучения. Показано, что решающую роль играют высоты вблизи тропопаузы. Спектральная плотность излучения обратно пропорциональна частоте. Рассчитаны волновые формы параметрического радиоимпульса, связанного с приходом гамма-всплеска. Changes are addressed in the global electric circuit that were caused by arrival of giant gamma burst from SGR 1806-20 to the dayside of the globe. Properties of relevant parametric source depend on the structure of the global electric circuit. We consider formation of discrete radio pulse in the framework of realistic exponential model profile of air resistance. We show that the air slab around the tropopause plays the crucial role in pulse formation. Spectral density radiated is inversely proportional to the frequency. Waveforms of parametric pulse caused by arrival of the gamma burst have been computed. Розглянуто зміни глобального електричного ланцюга, які пов’язані з появою гігантського спалаху гамма- випромінювання від SGR 1806-20 у денній півкулі Землі. Показано, що параметричне джерело радіовипромінювання, яке виникає при цьому, залежить від будови глобального електричного ланцюга. Розглянуто формування дискретного радіоімпульсу в реалістичній моделі експоненціального про- філю опору атмосфери. Показано, що вирішальну роль відіграє область висот поблизу тропопаузи. Спектральна щільність випромінювання обернено пропорційна частоті. Розраховано хвильові форми параметричного радіоімпульсу, що пов’язаний з появою гамма-сплеску. 2011 Article Параметрический источник всплесков СНЧ-излучения / А.П. Николаенко // Радіофізика та електроніка. — 2011. — Т. 2(16), № 3. — С.43-50. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1028-821X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/78068 550.388.2+521.3 ru Радіофізика та електроніка Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Поширення радіохвиль, радіолокація та дистанційне зондування Поширення радіохвиль, радіолокація та дистанційне зондування
spellingShingle	Поширення радіохвиль, радіолокація та дистанційне зондування Поширення радіохвиль, радіолокація та дистанційне зондування Николаенко, А.П. Параметрический источник всплесков СНЧ-излучения Радіофізика та електроніка
description	Рассмотрены изменения глобальной электрической цепи, связанные с приходом в дневное полушарие Земли гигантской вспышки гамма-излучения от SGR 1806-20. Показано, что возникающий при этом параметрический источник радиоизлучения зависит от строения глобальной электрической цепи. Рассмотрено, как в реалистической модели экспоненциального профиля сопротивления атмосферы формируется дискретный импульс радиоизлучения. Показано, что решающую роль играют высоты вблизи тропопаузы. Спектральная плотность излучения обратно пропорциональна частоте. Рассчитаны волновые формы параметрического радиоимпульса, связанного с приходом гамма-всплеска.
format	Article
author	Николаенко, А.П.
author_facet	Николаенко, А.П.
author_sort	Николаенко, А.П.
title	Параметрический источник всплесков СНЧ-излучения
title_short	Параметрический источник всплесков СНЧ-излучения
title_full	Параметрический источник всплесков СНЧ-излучения
title_fullStr	Параметрический источник всплесков СНЧ-излучения
title_full_unstemmed	Параметрический источник всплесков СНЧ-излучения
title_sort	параметрический источник всплесков снч-излучения
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
publishDate	2011
topic_facet	Поширення радіохвиль, радіолокація та дистанційне зондування
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/78068
citation_txt	Параметрический источник всплесков СНЧ-излучения / А.П. Николаенко // Радіофізика та електроніка. — 2011. — Т. 2(16), № 3. — С.43-50. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series	Радіофізика та електроніка
work_keys_str_mv	AT nikolaenkoap parametričeskijistočnikvspleskovsnčizlučeniâ
first_indexed	2025-07-06T02:14:59Z
last_indexed	2025-07-06T02:14:59Z
_version_	1836861987299000320
fulltext	ППООШШИИРРЕЕННННЯЯ РРААДДІІООХХВВИИЛЛЬЬ,, РРААДДІІООЛЛООККААЦЦІІЯЯ ТТАА ДДИИССТТААННЦЦІІЙЙННЕЕ ЗЗООННДДУУВВААННННЯЯ _________________________________________________________________________________________________________________ __________ ISSN 1028−821X Радіофізика та електроніка, 2011, том 2(16), № 3 © ІРЕ НАН України, 2011 УДК 550.388.2+521.3 А. П. Николаенко ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ВСПЛЕСКОВ СНЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины 12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина E-mail: sasha@ire.kharkov.ua Рассмотрены изменения глобальной электрической цепи, связанные с приходом в дневное полушарие Земли гигантской вспышки гамма-излучения от SGR 1806-20. Показано, что возникающий при этом параметрический источник радиоизлучения зави- сит от строения глобальной электрической цепи. Рассмотрено, как в реалистической модели экспоненциального профиля сопро- тивления атмосферы формируется дискретный импульс радиоизлучения. Показано, что решающую роль играют высоты вблизи тропопаузы. Спектральная плотность излучения обратно пропорциональна частоте. Рассчитаны волновые формы параметрического радиоимпульса, связанного с приходом гамма-всплеска. Ил. 8. Библиогр.: 6 назв. Ключевые слова: резонатор Земля–ионосфера, глобальная электрическая цепь, шумановский резонанс, СНЧ-радио- импульсы, гамма-всплеск. В работе [1] рассматривалось «парамет- рическое» возбуждение полости Земля–ионо- сфера, вызванное резким снижением границы ионосферы при приходе гамма-всплеска. Ток, возбуждающий резонатор, возникает из-за пере- мещения электрического заряда, сосредоточенно- го на ионосферной стенке. Предполагалось, что проводимость Земли и ионосферы бесконечна, ионосфера имеет резкую нижнюю границу, а воз- дух является идеальным диэлектриком [1]. Глав- ная особенность параметрического радиоимпуль- са обусловлена большими размерами источника, поскольку снижение охватывает половину земно- го шара. Такой источник способен возбуждать только первый мод глобального электромагнит- ного (шумановского) резонанса. Анализ имеющихся непрерывных записей естественного радиосигнала позволил эксперимен- тально обнаружить предсказанный СНЧ-всплеск [2, 3]. Сопоставление расчетных и опытных дан- ных выявило недостатки упрощенной модели источника [1], которая предсказала чрезмерно высокую амплитуду импульса, а также наличие волнового пакета в окрестности 60 Гц. В настоя- щей работе предложена более реалистичная мо- дель источника, основанная на концепции гло- бальной электрической цепи. 1. Глобальная электрическая цепь. Электрическая активность атмосферы вызывает токи в системе Земля–ионосфера. Ионосфера за- ряжается положительно относительно Земли [4, 5]. На рис. 1 приведена схема глобальной элек- трической цепи. Заряд конденсатора Земля–ионо- сфера осуществляется суммарным током мировых гроз на ионосферу через заряжающее сопротивле- ние, расположенное над облаками (от 100 кОм до 1 МОм), и сопротивление пограничного слоя, расположенного под облаками (от 10 до 100 кОм). Ток утечки или ток разряда от ионосферы на Зем- лю (ток ясной погоды) имеет плотность 2⋅10–12 А/м2 и проходит через сопротивление, которое для всей атмосферы составляет 200…300 Ом. Вели- чины сопротивлений зависят от ионизирующего космического излучения, поскольку проводи- мость воздуха увеличивается, когда поток косми- ческих лучей возрастает. Рис. 1. Глобальная электрическая цепь и ее параметры. Токи заря- да и утечки показаны жирной линией (адаптировано из [1, 2]) В стационарных условиях на поверхности Земли наблюдается электростатическое поле ясной погоды величиной примерно 130 В/м. Разность потенциалов между ионосферой и Землей VION составляет около +250 кВ, а ионосфера несет по- ложительный заряд +2⋅105 К. Если отключить токи заряда ионосферы, то конденсатор Земля–ионо- сфера разрядится примерно за 2 мин. Полная электростатическая энергия, накопленная конден- сатором Земля–ионосфера, оценивается величиной в 1010 Дж. Емкость конденсатора Земля–ионо- сфера равна примерно 0,7 Ф и приурочена к об- ласти «электросферы», расположенной вблизи тропопаузы и имеющей толщину 6–7 км [4, 5]. Здесь погонное сопротивление вертикального столба воздуха достигает максимума. А. П. Николаенко / Параметрический источник всплесков… _________________________________________________________________________________________________________________ 44 2. Модификация проводимости атмо- сферы при приходе гамма-всплеска. Из данных измерений на сверхдлинных волнах (СДВ) из- вестно, что гамма-всплеск, наблюдавшийся 27 декабря 2004 г., сдвинул нижнюю границу ионосферы от 60 до 40 км [6]. Модификация ох- ватила акваторию Тихого океана и отмечалась на угловых расстояниях вплоть до 60° от центра возмущения. Используя стандартный профиль проводимости атмосферы [4–6], оценим харак- терную величину изменений удельного сопро- тивления воздуха, если профиль сместился как целое на величину Δh = 20 км. На рис. 2 показаны два графика. Рис. 2, а – это общепринятый верти- кальный профиль проводимости воздуха σ (h), заимствованный из работы [2]. Используя наклон этого профиля между высотами 0 и 60 км (тонкие линии), мы находим, что увеличение проводимос- ти в 400 раз (6 высотных масштабов проводимос- ти ζ ) наблюдается на высоте 38,5 км. Отсюда находим, что средний в этом интервале высотный масштаб ζ = 38,5/6 = 6,4 км. Тогда снижение на 20 км отвечает увеличению погонной проводи- мости воздуха в 22,5 раза. ____________________________________________ Профиль проводимости Профиль сопротивления Высота, км Высота, км 10–13 10–12 10–11 10–10 10–9 10–8 10–7 107 108 109 1010 1011 1012 1013 Проводимость, С / м Сопротивление, Ом ⋅ м а) б) Рис. 2. Высотные профили: а) – проводимости; б) – сопротивления атмосферы; схема воздействия гамма-квантов на профиль сопротивления глобальной электрической цепи: 1 – невозмущенный профиль; 2 – возмущенный профиль ___________________________________________ Рис. 2, б демонстрирует, что увеличение погонного сопротивления )(/1)( hh σρ = при не- изменном вертикальном смещении профиля как целого зависит от высоты модификации. Так, в ин- тервале 30…50 км оно составит 6,1 раз. Невоз- мущенный профиль проводимости показан лини- ей 1. Измененный профиль 2 иллюстрирует элект- рическое сопротивление воздуха в тот момент времени, когда вертикально падающие гамма-лучи достигли высоты z(t). Выше этой высоты невоз- мущенный профиль смещен как целое вниз на Δh = 20 км. Ниже этой высоты профиль остался неизменным, поэтому на высоте z(t) имеется ска- чок сопротивления, равный Δρ. Благодаря движе- нию гамма-лучей во времени скачок сопротивле- ния продвигается от ионосферы к земле. Исходя из приведенных выше оценок мы примем, что под воздействием гамма-лучей со- противление воздуха падает в 7 раз. Тогда плот- ность тока утечки j из ионосферы на Землю уве- личится от регулярного значения 2⋅10–12 до 14⋅10–12 А/м2 (Δj = 12⋅10–12 А/м2). В столбе воздуха единичного сечения S = 1 м2 это увеличение про- исходит за конечный промежуток времени. Раньше всего ток атмосферы начинает увеличи- ваться в эпицентре возмущения, где гамма-лучи движутся по вертикали, и время роста равно . c H =γτ (1) Здесь Н = 60 км – дневная высота регулярной нижней ионосферы; с – скорость света. Подставив в (1) численные значения, получим τγ = 200 мкс. 80 70 60 50 40 30 20 10 0 6 ζ = 38,5 км 80 70 60 50 40 30 20 10 0 γ -лучи z(t) 1 Δh 2 Δρ А. П. Николаенко / Параметрический источник всплесков… _________________________________________________________________________________________________________________ 45 В точке, удаленной от центра возмуще- ния на угловое расстояние α, модификация атмо- сферы запаздывает на величину ,cos1 c ad ατ − = (2) где а – радиус Земли. Задержка τd связана со сфе- ричностью ионосферной границы: гамма-кванты раньше всего входят в атмосферу в центре возму- щения. Характерная величина запаздывания τd сос- тавляет миллисекунды, например τd = 21,2333 мс при α = 90°. Из-за наклонного падения при α ≠ 0 ин- тервал нарастания тока в элементарном столбе воздуха уменьшается, и полное время модифика- ции равно .coscos ααττ γα c H == (3) При α = 90° весь вертикальный столб воздуха освещается и ионизируется одновременно, здесь изменение тока происходит мгновенно. 3. Линейная модификация тока. В про- стейшей, «линейной», модели мы постулируем, что изменение плотности тока происходит в ин- тервале времени 0 < t ≤ τα по закону ( ) ,0 ατ tjjtj Δ+= (4) где j0 = 2 и Δj = 12 пА/м2. Эти изменения показаны на рис. 3, а при значениях угла α 0, 30, 60, и 80°. На рис. 3, б показано изменение длины канала ( ),tLα пройденного ионизирующим излучением при тех же α: ( ) , cosαα cttL = 0 < t ≤ τα . (5) Очевидно, что максимальная длина вер- тикального канала, в котором изменился ток, все- гда равна Н, но сами изменения происходят за разные временные интервалы. В расчетах поля область модификации приходится разбивать на элементы, отличающиеся угловым расстоянием от центра возмущения, вычислять соответствую- щие токовые моменты и затем суммировать вкла- ды этих источников в наблюдаемое поле [1–3]. В колонне воздуха с поперечным сечением S = 1 м2 токовый момент равен ( ) , αα ττ tMSHtjtdM LC =Δ= (6) где 0 < t ≤ τα , dМС(t) – токовый момент элемен- тарного источника; МL = ΔjSH – амплитуда токо- вого момента; время изменяется в интервале от 0 до τα . Временные вариации dMC(t) приведены на рис. 3, в. Линейное изменение плотности тока во времени является сильной идеализацией, по- скольку ионизация изменяет не ток, а сопротив- ление воздуха. Полное сопротивление воздушной колонны уменьшается постепенно, и ток в ней возрастает тоже постепенно. Такие изменения будут проанализированы в следующем разделе, а здесь мы отметим простоту линейной модели. На рассматриваемых нами частотах гло- бального электромагнитного (шумановского) ре- зонанса модификация тока происходит практи- чески «мгновенно» и конкретный характер зави- симости не играет существенной роли. Действи- тельно, время модификации не превосходит τγ = 200 мкс. Ему отвечают частоты в области единиц килогерц, которые существенно превос- ходят частоту основного мода глобального резо- нанса 8 Гц. а) б) в) Рис. 3. Линейные временные изменения параметров глобаль- ной электрической цепи: а) – изменения тока утечки ионосфе- ры; б) – длина пути, пройденного ионизирующим излучением; в) – момент тока параметрического источника. Показаны различные угловые расстояния от центра возмущения: 1 – α = 0°; 2 – α = 30°; 3 – α = 60°; 4 – α = 80°. Запаздывание τd не учи- тывается Поскольку изменения токового момента происходят на интервале t ∈ [0; τα ], его спектр зависит от угла α. Из-за кривизны Земли начало изменений тока в каждой колонне запаздывает на τd. Спектр изменений токового момента L, пА /м2 0 40 80 120 160 200 t, мкс L, км А. П. Николаенко / Параметрический источник всплесков… _________________________________________________________________________________________________________________ 46 (спектр источника излучения) находится как пре- образование Фурье от выражения (6) ( ) ( ) ( )[ ].1expexp2 −−−= α α ωτωτ ωτ ω iiMdM d L C (7) Пользуясь соотношением (7), легко оце- нить момент тока на низких частотах (ωτα << 1), где он равен ( ) ω ω i MdM LL C = . На высоких часто- тах (ωτα > 1) сумма, стоящая в квадратных скоб- ках (7), обусловливает «биения», частота которых зависит от α (рис. 4), где представлены расчет- ные амплитудные спектры токовых моментов \| dMC(f) \|. График рис. 4, а охватывает широкую полосу частот, а рис. 4, б отвечает диапазону гло- бального электромагнитного резонанса. Как вид- но, параметрическое излучение глобальной элект- рической цепи в области низких частот изменяет- ся как 1/f. На частотах в несколько килогерц и вы- ше появляется модуляция, период которой умень- шается при возрастании угла α. Таким образом, постулированные линейные изменения тока гло- бальной электрической цепи во времени приводят к «красному» спектру радиоизлучения, отличному от «белого» спектра источника работы [1]. а) б) Рис. 4. Амплитудные спектры токовых моментов при S = 1 м2, вызванные возмущением глобальной электрической цепи на различных расстояниях от центра возмущения: 1 – α = 0°; 2 – α = 30°; 3 – α = 60°; 4 – α = 80°; а) – широкая полоса час- тот; б) – низкочастотная область 4. Экспоненциальный профиль сопро- тивления атмосферы. Корректное описание из- менений глобальной электрической цепи должно учитывать вертикальный профиль сопротивления атмосферы. Обратимся к экспоненциальному профилю с постоянным высотным масштабом (рис. 5): .exp0 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −= ζ ρρ z (8) Рис. 5. Возмущение высотного профиля удельного сопротивле- ния воздуха ρ, вызванное приходом гамма-всплеска. Ступене- образное изменение во времени перемещается вниз, пока не достигнет поверхности Земли Пусть удельное сопротивление столба воздуха сечением 1 м2 у Земли (z = 0) равно ρ0 = 0,20833 Ом⋅м, а высотный масштаб ζ = 6 км, тогда полное сопротивление столба высотой Н есть интеграл .exp1 exp 00 0 0 ζρ ζ ζρ ζ ρ ≅⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛−−= =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛−= ∫ H dzzR H (9) При Н = 60 км и выбранных параметрах получаем R = 1,25⋅1017 Ом⋅м2, что при потенциале ионосферы в 250 кВ обусловливает эксперимен- тально наблюдаемую плотность тока утечки 2 пА/м2. Полное сопротивление промежутка Земля–ионосфера R⊕ находится делением вели- чины R из (9) на площадь поверхности Земли, откуда получаем R⊕ = 243 Ом. Гамма-лучи повышают проводимость атмо- сферы и «снижают» хорошо проводящие слои на 103 102 101 100 10–1 10–2 10–3 dMC ( f ), с⋅пА /м 0 5 10 15 20 f⋅103, Гц 105 104 103 1 10 100 f, Гц dMC ( f ), с⋅пА /м 80 70 60 50 40 30 20 10 0 z, км Гамма-лучи Ионосфера 108 109 1010 1011 1012 1013 ρ, Ом⋅м2 t3 > t2 > t1 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − ζ ρ z exp 0 z, км ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − ζ ρ z exp 1 t1 t2 t3 ρ1 ρ0 Δρ Δh А. П. Николаенко / Параметрический источник всплесков… _________________________________________________________________________________________________________________ 47 высоту Δh. В некоторый момент времени t, от- считываемый от начала изменений, на регуляр- ном профиле (см. рис. 5), который выглядит как наклонная прямая, появляется «ступенька», вы- званная гамма-лучами. Проводимость атмосферы выше «ступеньки» скачком возросла. «Ступенька» во времени движется вниз и за время t проходит путь L(t) = c t, достигая высоты z(t) = H – L(t). На рис. 5 показаны профили для трех моментов времени. Полное сопротивление колонны воздуха зависит от времени как ( ) ,expexp 10 0 ∫∫ − − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −+⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −= H LH LH dxxdxxtR ζ ρ ζ ρ (10) где L = L(t); ρ1 = ρ0exp(–Δh/ζ ) – возмущенное со- противление колонны воздуха у земли. После интегрирования (10) получаем следующую зависимость от времени: ( ) ( ),1 210 EEtR −−= ζρ (11) где )];/exp(1][/)(exp[1 ζζ hLHE Δ−−−−= =2E )]./(exp[ ζhH Δ+−= При t = 0 L = 0, тогда из формулы (11) мы получаем R = ρ0ζ. При t = τα L = H и R = ρ1ζ. Ток и момент тока этой колонны составят ( ) ( ) ; tR Vtj ION= (12) ( ) .jHtCM = (13) На рис. 6 показаны результаты расчетов сопротивления воздуха в поперечном сечении 1 м2 и связанные с этим изменения тока и момента тока глобальной электрической цепи в одно- масштабной экспоненциальной модели. По гори- зонтальной оси отложено время от начала возму- щения в микросекундах. Рис. 6, а показывает вы- соту z(t) в километрах, на которую проникли гамма-лучи. Рис. 6, б демонстрирует, как изменя- ется полное сопротивление столба воздуха сече- нием 1 м2. Рис. 6, в показывает, как изменяется во времени ток утечки ионосферы: он возрастает от невозмущенного значения 2 до 11 пА. График рис. 6, г показывает приращение токового момен- та этого же столба. Он изменяется от 0,12 до 0,66 мкА/м. Как видно, учет экспоненциального про- филя проводимости приводит к более резкому изменению тока и токового момента «параметри- ческого» источника поля, чем это постулирова- лось в линейной модели. Важно отметить ключе- вую роль последних километров пути, пройденно- го в атмосфере ионизирующим излучением (срав- нить с работами [4, 5]). Очевидно, что в расчетах радиоизлучения на высоких частотах необходимо использовать точный профиль погонного сопро- тивления тропосферы и тропопаузы. Модифика- ции в более высоких слоях мало влияют на пол- ный ток и токовый момент, а значит, и на радио- излучение, поэтому в моделировании можно ог- раничиться одномасштабной экспоненциальной моделью. Так мы приходим к выводу о том, что гамма-лучи порождают параметрическое радио- излучение из «электросферы» – области высот вблизи тропопаузы. Именно здесь сосредоточена основная часть сопротивления воздушной колон- ны, которая регулирует ток параметрического источника. а) б) в) г) Рис. 6. Временные изменения глобальной токовой цепи, вы- званные проникновением ионизирующего гамма-излучения в атмосферу На частотах шумановского резонанса из- менения на временных масштабах в десятки микро- секунд можно считать мгновенными. Чтобы по- казать справедливость этого утверждения, оце- ним спектральные плотности трех процессов. 1017 1016 R, Ом⋅м2 z(t), км 60 50 40 30 20 10 0 J(t), пА /м2 10 8 6 4 2 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0,6 0,4 0,2 0 MC, мкА /м t, мкс А. П. Николаенко / Параметрический источник всплесков… _________________________________________________________________________________________________________________ 48 Первый из них – это мгновенное изменение ( ) ⎩ ⎨ ⎧ > < = .0 ,0 при1 при0 t t tu (14) Его фурье-преобразование равно ( ) ( ) ( ) .1exp ω ωω i dtiituu =−= ∫ ∞ ∞− (15) Второй процесс – это линейное нарастание ( ) ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ > ≤≤ < = .0при1 ,0при ,0при0 t tt t tu ττ (16) Его спектр равен ( ) ( )[ ].1exp1 22 −−= ωτ τω ω iu (17) Третий процесс – это нарастание по квадратичному закону ( ) ( ) ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ > ≤≤ < = .0при1 ,0при ,0при0 2 t tt t tu ττ (18) Его фурье-преобразование равно ( ) ( ) ( ) .1expexp2 23 ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ − − +−= ωτωτ ωτωτ τω ω ii iiu (19) Легко убедиться, что все три спектра на низких частотах ωτ << 1 совпадают с выраже- нием (15). Существенной оказывается только ве- личина скачка токового момента, а спектральную плотность можно считать обратно пропорцио- нальной частоте ( ) ( ),exp dM i i HjfC ωτ ω − Δ = (20) где ( ).cos1 ατ −= c a d Таким образом, учет изменений погонного сопротивления воздушной колонны приводит не к «белому», а к «красному» спектру радиоизлуче- ния, убывающему с частотой, что отличается от модели источника, использованной в работе [1]. Спектр параметрического источника в новой мо- дели находится из модификации тока утечки воз- духа, что позволяет получить более реалистич- ную амплитуду импульса. 5. Модельный всплеск СНЧ-излучения. Выяснив основные параметры источника, рассчита- ем спектр и волновую форму ожидаемого сигнала подобно тому, как это было сделано в работе [1]. Расчет выполнен для обсерватории Карымшино, Россия (52.8° с.ш., 158.3° в.д.), где в записях 2004 г. был обнаружен СНЧ-всплеск [3]. Использован спектр токового момента (20) при снижении ио- носферы на 10,2 км, что соответствует шести- кратному изменению сопротивления воздуха. На рис. 7, а показаны амплитудные спект- ры горизонтальных магнитных компонент поля НСЮ = НY – кривая 1 и НЗВ = НХ – кривая 2, а на рис. 7, б – вертикального электрического поля. По горизонтальной оси отложена частота в герцах, а по вертикальным осям показаны спектральные плотности сигнала в мкА/[м(Гц)1/2] и в мВ/[м(Гц)1/2]. Видно, что, как и в работе [1], из-за больших гео- метрических размеров области, занятой токами источника, эффективно возбуждается только пер- вый мод шумановских резонансных колебаний. Его амплитуда в 6 раз выше, чем в других облас- тях спектра. а) б) Рис. 7. СНЧ-спектры параметрического импульса в Карымшино: а) – ортогональные магнитные компоненты поля: 1 – НY, 2 – НX; б) – вертикальное электрическое поле Применив преобразование Фурье к комп- лексному спектру, получим временную форму радиоимпульса, показанную на рис. 8. Она пока- зывает, что параметрический СНЧ-всплеск явля- ется ярким представителем так называемых «спо- койных» всплесков (в англоязычной терминоло- гии Q-bursts), они выглядят как затухающая си- нусоида частоты основного колебания резонатора Земля–ионосфера. ⎪H(f)⎪, мкА /[м (Гц)1/2] 10 0 2 8 14 20 26 32 f, Гц 1 2 2 8 14 20 26 32 f, Гц 20 10 0 ⎪E(f)⎪, мВ /[м (Гц)1/2] А. П. Николаенко / Параметрический источник всплесков… _________________________________________________________________________________________________________________ 49 Рис. 8. Ожидаемые волновые формы параметрического СНЧ-им- пульса в Карымшино: 1 – НY; 2 – НX 6. Выводы. Расчетная волновая форма СНЧ-всплеска лучше согласуется с наблюдения- ми прежде всего потому, что в ней отсутствует «высокочастотная» 60-Гц составляющая. Ампли- туда колебаний, полученная для снижения про- филя на Δh = 10,2 км и соответствующего скачка плотности тока Δj = 9 пА/м2, оказалась близкой к экспериментальной. Расчетный сигнал изменяет- ся от –60 до +30 мкА/м, и для того, чтобы полу- чить наблюдавшиеся ±6 мкА/м, необходимо уменьшить Δh до 4 км. Такое снижение оправда- но физически, поскольку речь идет о профиле проводимости в области тропопаузы (высоты 15…20 км), а использованное в расчетах 10-км смещение, вытекающее из опубликованных СДВ-наблюдений, представляется чрезмерным. Оценки показали, что начало параметри- ческого импульса задержано на время распро- странения гамма-лучей от ионосферы до электро- сферы на величину около 150 мкс или несколько больше. Отсюда следует, что наблюдаемый СНЧ-всплеск запаздывает по сравнению с нача- лом изменений ионосферы на СДВ-радиотрассах, что противоречит наблюдательным данным [3]. Объяснение состоит в том, что мы пред- полагали одинаковую модификацию на разных высотах. Такое представление идеализировано, поскольку атмосфера разных высот чувствитель- на к различным частям спектра ионизирующего излучения. В частности, рентгеновские и гамма- кванты создают плазму верхней ионосферы вплоть до максимума области F. Озоновый слой, напротив, создается длинноволновой частью ультрафиолетового излучения Солнца, которое относительно свободно проходит через верхнюю атмосферу. Ранее мы отмечали, что параметрическое излучение приурочено к высотам тропопаузы. Именно поэтому можно применять простую одно- масштабную модель профиля. Очевидно, что па- раметрический импульс усилится, если в спектре ионизирующего излучения имеется область, к которой чувствительна атмосфера указанных вы- сот. Вероятнее всего, это некая длинноволновая часть ультрафиолетового спектра. Модификация токов глобальной электри- ческой цепи и наблюдательные факты должны зависеть от спектрального состава вспышки в диапазоне от ближнего ультрафиолета до гамма- квантов. Если весь спектр ионизирующего излу- чения приходит одновременно, то СНЧ-импульс должен отставать от начала модификации ионо- сферы. Но если жесткому излучению предшест- вует мягкое, то запаздывание может смениться опережением, как это наблюдается в записях об- серватории Карымшино [3]. Для современных моделей источников гамма-всплесков (SGR – soft gamma repeaters) такой сценарий излучения представляется вполне естественным. Считается, что гамма-вспышки возникают из-за резкой аккреции вещества пери- ферии на центральное тело звездной системы, на так называемый магнетар − увеличенный аналог нейтронной звезды или черная дыра. Естествен- но, что жесткие гамма-лучи будут предваряться более мягким излучением из-за нарастания коли- чества выпадающего вещества. Мягкие лучи мо- гут пройти незамеченными или оказаться слиш- ком слабыми для космических рентгеновских и гамма-обсерваторий. В то же время это мягкое излучение, предвестник гамма-вспышки, спо- собно изменить проводимость воздуха в окрест- ности тропопаузы и породить «упреждающий» СНЧ-всплеск. Возможно, что опережение, отме- ченное в записях Карымшино [3], свидетельству- ет о развитии аккреции вещества на магнетар, в результате чего сформировался гамма-всплеск, который отправился в космос вслед за предвест- ником. Перечислим основные результаты работы: • В модели модификации тока глобальной электрической цепи с экспоненциальным профи- лем сопротивления атмосферы дискретный им- пульс радиоизлучения формируется областью высот вблизи тропопаузы. • Спектральная плотность токового момен- та параметрического источника в области частот глобального электромагнитного резонанса обрат- но пропорциональна частоте. • Спектр параметрического источника и планетарный размер области, занятой возмуще- нием тока, обусловливают доминирование перво- го шумановского резонанса в электромагнитном импульсе. 1. Николаенко А. П. Параметрическое возбуждение сверх- низкочастотного радиоимпульса всплеском внегалактиче- ского гамма-излучения 27 декабря 2004 г. / А. П. Никола- енко // Изв. вузов. Радиофизика. – 2010. – 53, № 4. – С. 235–245. 0 100 200 300 400 500 t, мс 20 0 –20 –40 –60 H(f), мкА 1 2 А. П. Николаенко / Параметрический источник всплесков… _________________________________________________________________________________________________________________ 50 2. Воздействие гамма-всплеска на шумановский резонанс / А. П. Николаенко, И. Г. Кудинцева, О. Печеная и др. // Изв. вузов. Радиофизика. – 2010. – 53, № 9–10. – С. 542–556. 3. Николаенко А. П. Экспериментальное обнаружение им- пульса СНЧ радиоизлучения связанного с внегалактиче- ской гамма–вспышкой 27 декабря 2004 г. / А. П. Нико- лаенко, А. Ю. Щекотов // Изв. вузов. Радиофизика. – 2011. – 54, № 1. – С. 1–10. 4. Rycroft M. J. The global atmospheric electric circuit, solar activity and climate change / M. J. Rycroft, S. Israelsson, C. Price // J. of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. – 2000. – 62, iss. 17−18. – P. 1563–1576. 5. New model simulations of the global atmospheric electric circuit driven by thunderstorms and electrified shower clouds: The roles of lightning and sprites / M. J. Rycroft, A. Odzimek, N. F. Arnold et al. // J. of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. – 2007. – 69, iss. 17−18. – P. 2485–2509. 6. Massive disturbance of the daytime lower ionosphere by the giant γ -ray flare from magnetar SGR 1806–20 / U. S. Inan, N. G. Lehtinen, R. C. Moore et al. // Geophys. Res. Lett. – 2007. – 34. − L08103. A. P. Nickolaenko PARAMETRIC SOURCE OF ELF BURSTS Changes are addressed in the global electric circuit that were caused by arrival of giant gamma burst from SGR 1806-20 to the dayside of the globe. Properties of relevant parametric source depend on the structure of the global electric circuit. We consider formation of discrete radio pulse in the framework of realistic exponential model profile of air resistance. We show that the air slab around the tropopause plays the crucial role in pulse forma- tion. Spectral density radiated is inversely proportional to the frequency. Waveforms of parametric pulse caused by arrival of the gamma burst have been computed. Key words: Earth–ionosphere cavity, global electric circuit, Schumann resonance, ELF bursts, gamma burst. О. П. Ніколаєнко ПАРАМЕТРИЧНЕ ДЖЕРЕЛО СПЛЕСКІВ ННЧ-ВИПРОМІНЮВАННЯ Розглянуто зміни глобального електричного ланцю- га, які пов’язані з появою гігантського спалаху гамма- випромінювання від SGR 1806-20 у денній півкулі Землі. Показано, що параметричне джерело радіовипромінювання, яке виникає при цьому, залежить від будови глобального електричного ланцюга. Розглянуто формування дискретного радіоімпульсу в реалістичній моделі експоненціального про- філю опору атмосфери. Показано, що вирішальну роль відіг- рає область висот поблизу тропопаузи. Спектральна щільність випромінювання обернено пропорційна частоті. Розраховано хвильові форми параметричного радіоімпульсу, що пов’яза- ний з появою гамма-сплеску. Ключові слова: резонатор Земля–іоносфера, глобальний електричний ланцюг, шумановський резонанс, ННЧ-радіо- імпульси, гамма-сплеск. Рукопись поступила 25.02.11 г.

Параметрический источник всплесков СНЧ-излучения

Institution

Ähnliche Einträge