Грозы Южной Америки и Южноатлантическая геомагнитная аномалия

Значительный объем информации, собранный космическими аппаратами «Оптический импульсный детектор» (ОИД) и «Сенсор изображений гроз» (СИГ), широко применяется в самых различных исследованиях. Высыпание частиц из радиационных поясов Земли вызывало ложные срабатывания оптических детекторов, когда эти с...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2010
Автори:	Печеная, О.Б., Николаенко, А.П.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2010
Назва видання:	Радіофізика та електроніка
Теми:	Распространение и рассеяние волн
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105797
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Грозы Южной Америки и Южноатлантическая геомагнитная аномалия / О.Б. Печеная, А.П. Николаенко // Радіофізика та електроніка. — 2010. — Т. 15, № 2. — С. 42-51. — Бібліогр.: 37 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-105797
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1057972025-02-10T00:00:08Z Грозы Южной Америки и Южноатлантическая геомагнитная аномалия Грози Південної Америки та ПІвденноатлантична геомагнітна аномалія South American thunderstorms and the South Atlantic geomagnetic anomaly Печеная, О.Б. Николаенко, А.П. Распространение и рассеяние волн Значительный объем информации, собранный космическими аппаратами «Оптический импульсный детектор» (ОИД) и «Сенсор изображений гроз» (СИГ), широко применяется в самых различных исследованиях. Высыпание частиц из радиационных поясов Земли вызывало ложные срабатывания оптических детекторов, когда эти спутники пролетали над Южноатлантической аномалией (ЮАА) геомагнитного поля, приуроченной к юго-восточному побережью Южной Америки. Для устранения помех применялся жесткий отбор данных (фильтрация), что неизбежно приводило к потере вспышек от настоящих молний. Отличия во взаимодействии аппаратуры космического аппарата с аномалией, а также различные способы фильтрации данных привели к заметному отличию в распределениях молний, полученных ОИД и СИГ для этого района. В статье проводится сравнение с данными спутника ДЕМЕТЕР и обсуждаются возможные причины отличий данных ОИД и СИГ. Выдвигается предположение, что повышенная молниевая активность в области ЮАА, регистрируемая СИГ, может свидетельствовать не только об общей связи космической и земной погоды, но и о стимулировании грозовых разрядов высыпаниями космических частиц. Значний об’єм інформації, що зібраний космічними апаратами «Оптичний імпульсний детектор» (ОІД) і «Сенсор зображень гроз» (СЗГ), широко застосовується в різноманітних дослідженнях. Висипання часток із радіаційних поясів Землі призводило до хибних спрацьовувань оптичних детекторів, коли ці супутники пролітали над Південноатлантичною аномалією (ПАА) геомагнітного поля, яка розташована поблизу південно-східного узбережжя Південної Америки. Для усунення завад застосовували жорсткий відбір даних (фільтрація), що неминуче призводило до втрати сполохів від дійсних блискавок. Відміни у взаємодії апаратури космічного апарата із аномалією, а також різні способи фільтрації даних призвели до помітних відмін у розподілах блискавок, що одержані ОІД та СЗГ для цього району. У статті приведено порівняння з даними супутника ДЕМЕТЕР та обмірковуються можливі причини відміни даних ОІД та СЗГ. Сформульовано гіпотезу, що підвищена блискавична активність в області ПАА, що реєструється СЗГ, може свідчити не тільки про зв’язок космічної та земної погоди, але й про стимулювання грозових розрядів висипаннями космічних часток. Extensive information on global lightning activity was accumulated by the spaceborvne Optical Transient Detector (OTD) and Lightning Imaging Sensor (LIS), which is applied in different research. Precipitation of cosmic particles from Earth’s radiation belts causes numerous false lightning detections when satellites pass through the South Atlantic Anomaly (SAA), centered near the lower east coast of South America. Aggressive filtering procedures were applied toward the data resulting in inavoidable losses of true flashes along with radiation noise. Differences in exposure to SAA and filtering procedures result in notable differences between OTD and LIS lightning distributions in this region. We compare optical data with DEMETER satillite observations and discuss possible causes of deviations among OTD and LIS data We also suggest that high lightning activity in the SAA region indicated by LIS might be a manifestation of a link between the space and treestrial weather, and, possibly, a yet unexplored feedback mechanism between lightning discharges and cosmic particle precipitation. 2010 Article Грозы Южной Америки и Южноатлантическая геомагнитная аномалия / О.Б. Печеная, А.П. Николаенко // Радіофізика та електроніка. — 2010. — Т. 15, № 2. — С. 42-51. — Бібліогр.: 37 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105797 537.87 ru Радіофізика та електроніка application/pdf 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	Распространение и рассеяние волн Распространение и рассеяние волн
spellingShingle	Распространение и рассеяние волн Распространение и рассеяние волн Печеная, О.Б. Николаенко, А.П. Грозы Южной Америки и Южноатлантическая геомагнитная аномалия Радіофізика та електроніка
description	Значительный объем информации, собранный космическими аппаратами «Оптический импульсный детектор» (ОИД) и «Сенсор изображений гроз» (СИГ), широко применяется в самых различных исследованиях. Высыпание частиц из радиационных поясов Земли вызывало ложные срабатывания оптических детекторов, когда эти спутники пролетали над Южноатлантической аномалией (ЮАА) геомагнитного поля, приуроченной к юго-восточному побережью Южной Америки. Для устранения помех применялся жесткий отбор данных (фильтрация), что неизбежно приводило к потере вспышек от настоящих молний. Отличия во взаимодействии аппаратуры космического аппарата с аномалией, а также различные способы фильтрации данных привели к заметному отличию в распределениях молний, полученных ОИД и СИГ для этого района. В статье проводится сравнение с данными спутника ДЕМЕТЕР и обсуждаются возможные причины отличий данных ОИД и СИГ. Выдвигается предположение, что повышенная молниевая активность в области ЮАА, регистрируемая СИГ, может свидетельствовать не только об общей связи космической и земной погоды, но и о стимулировании грозовых разрядов высыпаниями космических частиц.
format	Article
author	Печеная, О.Б. Николаенко, А.П.
author_facet	Печеная, О.Б. Николаенко, А.П.
author_sort	Печеная, О.Б.
title	Грозы Южной Америки и Южноатлантическая геомагнитная аномалия
title_short	Грозы Южной Америки и Южноатлантическая геомагнитная аномалия
title_full	Грозы Южной Америки и Южноатлантическая геомагнитная аномалия
title_fullStr	Грозы Южной Америки и Южноатлантическая геомагнитная аномалия
title_full_unstemmed	Грозы Южной Америки и Южноатлантическая геомагнитная аномалия
title_sort	грозы южной америки и южноатлантическая геомагнитная аномалия
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Распространение и рассеяние волн
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105797
citation_txt	Грозы Южной Америки и Южноатлантическая геомагнитная аномалия / О.Б. Печеная, А.П. Николаенко // Радіофізика та електроніка. — 2010. — Т. 15, № 2. — С. 42-51. — Бібліогр.: 37 назв. — рос.
series	Радіофізика та електроніка
work_keys_str_mv	AT pečenaâob grozyûžnoiamerikiiûžnoatlantičeskaâgeomagnitnaâanomaliâ AT nikolaenkoap grozyûžnoiamerikiiûžnoatlantičeskaâgeomagnitnaâanomaliâ AT pečenaâob grozipívdennoíamerikitapívdennoatlantičnageomagnítnaanomalíâ AT nikolaenkoap grozipívdennoíamerikitapívdennoatlantičnageomagnítnaanomalíâ AT pečenaâob southamericanthunderstormsandthesouthatlanticgeomagneticanomaly AT nikolaenkoap southamericanthunderstormsandthesouthatlanticgeomagneticanomaly
first_indexed	2025-12-01T23:40:27Z
last_indexed	2025-12-01T23:40:27Z
_version_	1850351239049510912
fulltext	__________ ISSN 1028–821X Радиофизика и электроника, 2010, том 15, № 2, с. 42–51 © ИРЭ НАН Украины, 2010 РАСПРОСТРАНЕНИЕ И РАССЕЯНИЕ ВОЛН УДК 537.87 ГРОЗЫ ЮЖНОЙ АМЕРИКИ И ЮЖНОАТЛАНТИЧЕСКАЯ ГЕОМАГНИТНАЯ АНОМАЛИЯ О. Б. Печеная, А. П. Николаенко* NASA Goddard Institute for Space Studies and Columbia University, New York, NY E-mail: opechony@giss.nasa.gov *Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины 12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина E-mail: sasha@ire.kharkov.ua Значительный объем информации, собранный космическими аппаратами «Оптический импульсный детектор» (ОИД) и «Сенсор изображений гроз» (СИГ), широко применяется в самых различных исследованиях. Высыпание частиц из радиационных поясов Земли вызывало ложные срабатывания оптических детекторов, когда эти спутники пролетали над Южноатлантической аномалией (ЮАА) геомагнитного поля, приуроченной к юго-восточному побережью Южной Америки. Для устранения помех при- менялся жесткий отбор данных (фильтрация), что неизбежно приводило к потере вспышек от настоящих молний. Отличия во взаимо- действии аппаратуры космического аппарата с аномалией, а также различные способы фильтрации данных привели к заметному отличию в распределениях молний, полученных ОИД и СИГ для этого района. В статье проводится сравнение с данными спутника ДЕМЕТЕР и обсуждаются возможные причины отличий данных ОИД и СИГ. Выдвигается предположение, что повышенная мол- ниевая активность в области ЮАА, регистрируемая СИГ, может свидетельствовать не только об общей связи космической и зем- ной погоды, но и о стимулировании грозовых разрядов высыпаниями космических частиц. Ил. 5. Библиогр.: 37 назв. Ключевые слова: Южноатлантическая аномалия геомагнитного поля, мировая грозовая активность, оптические де- текторы. Мониторинг различных параметров окружающей среды принадлежит к наиболее по- пулярным темам научных исследований. Одним из интереснейших разделов является регистра- ция электрической активности атмосферы, по- скольку имеется надежда связать ее с темпера- турой подстилающей поверхности. Это позволи- ло бы отслеживать климатические изменения с помощью «глобального электрического термо- метра», [1]. Несмотря на то что еще первые опы- ты А. С. Попова в области радио (1895 г.) были связаны с регистрацией радиоизлучения молний, в настоящее время о мировых грозах нам из- вестно не так уж много. Первые карты распреде- ления мировой грозовой активности по планете были получены только в ходе Первого междуна- родного геофизического года (1957 г.). Тогда регистрация гроз проводилась с помощью запи- си «числа грозовых дней» месяца и года, т. е. таких дней, когда на станциях Мировой метео- рологической сети были слышны раскаты грома. Обрабатывая эти косвенные акустические дан- ные, удалось получить глобальное распределе- ние гроз, опубликованное в «Справочнике по геофизике» [2] для каждого месяца, квартала и всего года. О временных изменениях активности известно еще меньше. Столь непривычный для современности способ наблюдений был связан с объективными трудностями регистрации молний, которая долж- на, с одной стороны, обеспечить глобальное по- крытие, а с другой – достаточную пространствен- но-временную точность. Эта задача в полном объеме не решена до настоящего времени. В конце 1990-х гг. была предпринята попытка изучить динамику мировых гроз с помо- щью оптических наблюдений из космоса. Опти- ческий импульсный детектор (ОИД), выведенный на орбиту в апреле 1995 г., был первым спутником, на борту которого находился датчик оптических вспышек молний, способный работать как над ночным, так и над дневным полушарием Земли [3]. Полученные в течение пяти лет записи содержат колоссальный объем информации, в частности, доказательства того, что мировые грозы сконцент- рированы над сушей в тропическом поясе [3, 4]. В распределениях планетарной грозовой активно- сти, которые можно найти на сайтах [3, 4], легко распознаются контуры континентов. Наблюдения ОИД обозначили ряд про- блем, часть из которых была учтена при подго- товке и запуске следующего космического аппа- рата: сенсора изображений гроз (СИГ), запущен- ного на два года позднее ОИД. Чувствительность оптических детекторов СИГ увеличилась почти вдвое по сравнению с ОИД, а сектор обзора зем- ной поверхности у этого спутника был значи- тельно сужен. Вспышки молний регистрирова- лись только в интервале от 35 ю. ш. до 35 с. ш., что не способствует наиболее полным наблюде- ниям гроз средних широт. Данные ОИД-наблюдений мировой гро- зовой активности с 1995 по 1999 г. были собраны и опубликованы группой по изучению гроз Цент- mailto:opechony@giss.nasa.gov mailto:sasha@ire.kharkov.ua О. Б. Печеная, А. П. Николаенко / Грозы Южной Америки… _________________________________________________________________________________________________________________ 43 ра глобальных и гидрологических исследова- ний [3] (рис. 1, а). Здесь представлена ставшая клас- сической карта мировых гроз, на которой хорошо видны области повышенной активности (мировые грозовые центры) в Африке, Северной и Южной Америке и в Юго-Восточной Азии. В этих обла- стях земного шара чаще всего наблюдались опти- ческие вспышки грозовых разрядов. В той же ссылке [3] дан адрес вэб-сайта, где находятся карты распределений молний, полученные спут- ником СИГ. Итоговая карта наблюдений этого космического аппарата приводится на рис. 1, б. ___________________________________________ а) б) Рис. 1. Глобальное распределение мировых гроз [3]: а) – мировая грозовая активность за все годы регистрации ОИД; б) – грозы Земли, зарегистрированные в наблюдениях СИГ На рис. 1 показаны данные ОИД и СИГ, прошедшие окончательную обработку, они хо- рошо согласуются между собой. Единственным исключением является Южная Америка, где вид- ны значительные отличия. Если карты ОИД гово- рят о высокой грозовой активности в тропической Южной Америке, то данные СИГ указывают на заметный пик активности, сдвинутый к юго- О. Б. Печеная, А. П. Николаенко / Грозы Южной Америки… _________________________________________________________________________________________________________________ 44 востоку и расположенный над морем у Южного тропика. Здесь число световых вспышек достига- ет уровня, сравнимого с активностью африканско- го грозового центра. 1. Космические частицы и ложные срабатывания оптических детекторов. Одна из главных проблем оптических наблюдений из космоса связана с ложными срабатываниями оп- тического детектора при попадании в него энер- гичных частиц (электронов) из радиационных поясов Земли, что подтверждается картами рис. 2. На рис. 2, а показаны необработанные многолетние оптические данные ОИД, а на рис. 2, б – распределение высыпаний энергич- ных электронов. Исходные орбитальные данные ОИД [3] имеют не столь привлекательный вид, как окончательное распределение (см. рис. 1, а). В этом распределении видны многочисленные события над акваторией южной части Атланти- ки, в области Южноатлантической аномалии (ЮАА) [4]. При окончательной обработке дан- ных большая часть из этих вспышек была отбра- кована, поскольку здесь проявляется влияние энергичных частиц, высыпающихся из магнито- сферы Земли и попадающих на оптический де- тектор [5]. ___________________________________________ а) б) Рис. 2. Сопоставление данных спутников ОИД и ДЕМЕТЕР: а) – многочисленные вспышки молний над ЮАА в многолетних неот- фильтрованных орбитальных данных ОИД [4]; б) – максимум потока электронов с энергией 200 КэВ [6] 150 120 90 60 30 0 30 60 90 120 150 <10 10 20 50 100 150 200 300 400 500 750 1000  6 0  3 0 0 3 0 6 0 6 0 3 0 0  3 0  6 0 150 120 90 60 30 0 30 60 90 120 150 150 120 90 60 30 0 30 60 90 120 150  6 0  3 0 0 3 0 6 0 6 0 3 0 0  3 0  6 0 3,1 1,5 1,0 1,0 3,2 150 120 90 60 30 0 30 60 90 120 150 О. Б. Печеная, А. П. Николаенко / Грозы Южной Америки… _________________________________________________________________________________________________________________ 45 Трудности интерпретации оптических ор- битальных наблюдений отчетливо иллюстрирует подобие карт рис. 2. Карта рис. 2, б показывает распределение высыпаний энергичных элект- ронов, полученное счетчиком космических ча- стиц на борту спутника ДЕМЕТЕР [6]. Как видно, карты рис. 2 во многом идентичны, особенно в области ЮАА, хотя они отображают совершенно разнородные физические процессы: рис. 2, а – это число оптических вспышек, наблюдавшихся в 1995–1999 гг., а рис. 2, б – это современная плот- ность потока электронов, высыпающихся из ра- диационных поясов Земли. Очевидно, что опти- ческие данные явно подвержены влиянию косми- ческих частиц. К сожалению, в оптических изме- рениях ОИД параллельная регистрация частиц не была предусмотрена, что не позволяло исключить или компенсировать шумовые сцинтилляции, не связанные с оптическими вспышками гроз. Энергичные космические частицы за- метно повышают радиационный шум в районе ЮАА [4–6]. Это та область, в которой из-за сме- щения наклонного магнитного диполя Земли ра- диационные пояса ближе всего подходят к поверх- ности планеты. В ней резко возрастает вероят- ность столкновения частиц радиационных поясов с атмосферными и ионосферными частицами, что приводит к «высыпанию». В исходных данных ОИД явно прорисовывается ЮАА с ее повышен- ным радиационным шумом. Орбита космического аппарата ДЕМЕТЕР лежит на 710 км [6], что очень близко к 735-км высоте ОИД [4, 5]. Оба аппарата пересекают практически одну и ту же область высот над ЮАА. Это объясняет визуальное сходство очертаний географической области высокой опти- ческой активности (преимущественно ложной), наблюдавшейся ОИД, с районом увеличения по- тока электронов из радиационного пояса, заре- гистрированного счетчиком частиц ДЕМЕТЕР. Все это свидетельствует об абсолютно правиль- ной интерпретации исходных оптических дан- ных о грозах. Спутник СИГ был запущен двумя годами позднее ОИД, и радиус его орбиты был уменьшен до высоты 402 км [7], поэтому оптический детек- тор СИГ подвергался меньшему воздействию космического радиационного фона вообще, а в области ЮАА – в особенности. Записи СИГ со- держали здесь вдвое меньше ложных срабатыва- ний, чем ОИД [5, 7]. Для корректировки исходных орбиталь- ных оптических данных при окончательной обра- ботке применялся оригинальный алгоритм «чист- ки». При отбраковке ложных вспышек, в частно- сти, требовалось, чтобы истинные события наблюдались примерно в одном и том же районе и происходили с частотой, соответствующей вре- мени восстановления заряда типичного грозового облака [5, 7]. Большая часть ложных срабатыва- ний оптического детектора в области ЮАА при этом отфильтровывалась. Однако при такой се- лекции истинных событий неизбежно отбрасыва- ется часть световых вспышек от настоящих мол- ний, особенно если эти молнии происходили с невысокой частотой и были расположены в изо- лированных малоразмерных очагах [5, 7]. Впоследствии, как описано в документа- ции по данным спутников ОИД/СИГ, пришлось дополнительно корректировать число разрядов, зарегистрированных ОИД над Южной Америкой. Для этого использовалось климатологическое отношение более достоверных вспышек, запи- санных СИГ, к событиям, зарегистрирован- ным ОИД. Эта калибровочная процедура после отладки приводит к распределениям молний ОИД и СИГ, хорошо согласующимся между собой во всех районах мира, включая ЮАА. Эти распреде- ления и показаны на рис. 1. Важно отметить, что при окончательной селекции оптических вспы- шек отсутствовал физический критерий, посколь- ку неизвестны данные об энергичных частицах, подобные показанным на рис. 2, б. 2. Шумановский резонанс, СНЧ-всплески и фильтрация редких вспышек. Авторы рабо- ты [5] отмечают, что окончательная фильтрация данных ОИД могла оказаться избыточной из-за отсутствия объективного критерия отбора вспы- шек, вызванных в детекторе частицами из радиа- ционных поясов, от отдельных, хоть и редких, световых вспышек от настоящих молний. Фор- мально при обработке предполагалось, что собы- тия, наблюдаемые с частотой меньше 1 события в минуту, относятся к радиационным помехам, они отбрасывались из общего ансамбля данных [8]. Существуют и такие грозовые разряды, которые будут одновременно отбракованы из за- писей ОИД и СИГ. В эту группу, прежде всего, попадают сравнительно редкие молнии, сосредо- точенные в стороне от наиболее активных в дан- ный момент грозовых областей. На первый взгляд, такие разряды составляют малую часть мировой грозовой активности и поэтому «не делают пого- ды». В действительности это не так, и чисто фор- мальная отбраковка событий приведет к потере важной информации по крайней мере в двух ас- пектах. Фоновый резонансный сигнал. Изолиро- ванные грозы, удаленные от наиболее активных областей и поэтому характеризуемые невысокой плотностью событий, могут составить значитель- ный фоновый электромагнитный сигнал, если такая «внеурочная» активность охватывает зна- чительную часть планеты. Известно, что подоб- ная составляющая обнаружена в записях гло- бального электромагнитного (шумановского) ре- О. Б. Печеная, А. П. Николаенко / Грозы Южной Америки… _________________________________________________________________________________________________________________ 46 зонанса, где она обеспечивает так называемый «пьедестал» (рис. 3). Сигнал шумановского резо- нанса создается радиоизлучением мировых гроз, которое из-за низкого затухания на частотах в несколько герц регистрируется в любой точке резонатора Земля-ионосфера [9, 10]. При моделировании шумановского резо- нанса с помощью данных ОИД [11–17] хорошо воспроизводится суточный (и сезонный) ход его амплитуды. Рис. 3. Пьедестал в экспериментально измеренной амплитуде шумановского резонанса [13]: 1 – эксперимент, кривая «при- поднята» над горизонтальной осью; 2 – расчетные вариации в модели однородного резонатора с распределением гроз из ОИД-данных; 3 – резонатор с неоднородностью день-ночь и координатами гроз из ОИД-наблюдений Однако наблюдаемые на опыте (кривая 1 на рис. 3) относительные вариации (отношение максимальной интенсивности резонансных коле- баний к минимальной) оказываются заметно ни- же, чем в расчетах (кривые 2 и 3 на рис. 3). Отли- чия возникают из-за «пьедестала», постоянно присутствующего в экспериментальных спектрах мощности и не зависящего от времени суток. Наблюдаемые спектры состоят из двух частей. Первая часть обусловлена радиоизлуче- нием подвижной компактной области (мировым грозовым центром), который в течение суток об- ходит Землю. Интенсивность центра изменяется так, чтобы электрическая активность над сушей была больше, чем над морем [16, 17]. Вторая часть связана с постоянным некогерентным излу- чением гроз, разбросанных по всему тропическо- му поясу Земли и имеющих неизменную интен- сивность. Это «внеурочное» излучение также создает резонансный сигнал, ответственный за пьедестал, «приподнимающий» спектры над осью частот. При этом относительные суточные вариа- ции, связанные с молниями компактного подвиж- ного центра, уменьшаются. Очевидно, что алгоритм отбора оптиче- ских вспышек с высокой степенью вероятности отбросит световые вспышки фоновой грозовой активности как помеху, вызванную ложными срабатываниями. В результате расчеты глобаль- ного электромагнитного резонанса, основанные на записях ОИД, будут давать завышенные отно- сительные суточные вариации, что и наблюдается в практике моделирования [16, 17]. На существование двух типов пространст- венного распределения источников косвенно ука- зывают и результаты измерений поляризации горизонтальной компоненты магнитного поля в диапазоне шумановского резонанса [18–21]. Примерно 50 % природного радиосигнала отно- сится к поляризованному (когерентному) излуче- нию, а остальные 50 % – к деполяризованному (некогерентному) излучению. Первая часть естест- венным образом связывается с молниями, сосре- доточенными в сравнительно компактной обла- сти, а вторая – с излучением взаимно независи- мых пробоев, равномерно распределенных отно- сительно азимута прихода (равномерно распреде- ленных в тропическом поясе). Очевидно, что применение отфильтро- ванных ОИД-распределений гроз при моделиро- вании и интерпретации СНЧ-экспериментальных данных должно столкнуться с трудностями. Всплески СНЧ-излучений. Часть редких по времени пробоев и связанных с ними световых вспышек относится к всплескам СНЧ-излуче- ний [9]. СНЧ-всплески – это дискретные импуль- сы, которые в 10 и более раз превышают по ам- плитуде обычный резонансный сигнал. Импульсы приходят от редких сверхмощных молний при- мерно один раз в несколько минут. По имеющимся данным [22], СНЧ-всплес- ки порождаются разрядами, которые способны вызывать над собой электрические пробои и им- пульсное свечение в разреженном воздухе мезо- сферы, так называемые «красные спрайты». Спрайты документированы над редкими, но очень мощными положительными разрядами, характеризуемыми гигантскими моментами заря- да. Положительные пробои происходят, как пра- вило, в заключительной фазе грозы. Они приуро- чены к верхней, положительно заряженной части облака («наковальне») [22]. Свое название пробои получили из-за того, что переносят на землю по- ложительный электрический заряд. СНЧ-всплески и спрайты наблюдаются примерно один раз в не- сколько минут и происходят в сильно развитых, но «умирающих» грозовых системах [23]. Оче- видно, что вспышки таких редких молний, веро- ятнее всего, будут отсеяны из окончательных данных оптических наблюдений. Отбрасывание световых вспышек при окончательной обработке только из-за того, что они редки и наблюдаются в стороне от наиболее активных во время наблюдения грозовых обла- 10 8 6 4 2 0 0 4 8 12 16 20 24 E Z Местное время, ч 1 2 3 О. Б. Печеная, А. П. Николаенко / Грозы Южной Америки… _________________________________________________________________________________________________________________ 47 стей, приведет к потере информации о положи- тельных пробоях. А ведь именно эти сверхмощ- ные события способны порождать СНЧ-всплески и спрайты. Следует опасаться, что статистика оптических наблюдений после проведения «чист- ки» перестает соответствовать действительному распределению сверхмощных молний, а значит, и спрайтов. Сравним ОИД карту с непосредствен- ными распределениями источников всплесков СНЧ-излучений по планете [24] с тем, чтобы об- наружить отличия. На рис. 4 совмещены две кар- ты. Одна из них контурами показывает простран- ственное распределение мировых гроз по данным ОИД в августе, а вторая – точками отмечает ко- ординаты сверхмощных молний, породивших СНЧ-всплески. Координаты точек найдены из результатов наблюдений в обсерватории Уэст Гринвич (Род Айленд, США) в августе 1996 г. На рис. 4 видны только те мощные разряды, ко- торые выходят за область, занятую грозами по оптическим данным. Как видно, наблюдения СНЧ-импульсов говорят о большом количестве импульсов, приходящих от «странных» источни- ков, которые расположены в тропиках, но над океанами, или же в Австралии над пустыней, т. е. там, где грозовая активность по данным климато- логии и наблюдениям ОИД, мала. Отбраковка оптических вспышек при окончательной селек- ции может привести к негативным последствиям. ___________________________________________ Рис. 4. Пространственное распределение гроз в августе по данным ОИД, совмещенное с координатами молний, породивших СНЧ-всплески, зарегистрированные в обсерватории Уэст Гринвич (Род Айленд, США) _____________________________________________ 3. Грозовая активность и высыпание частиц радиационных поясов. Как отмечено выше, окончательная обработка данных, собран- ных над областью ЮАА, все более жестко от- браковывает события, требуя увеличивающейся пространственно-временной связи для оставля- емых вспышек [5]. Фактически это означает, что учитываются «молнии-середнячки», происходя- щие в пределах наиболее активных грозовых ячеек. А вот пробои в одиночных изолирован- ных грозах или сверхмощные события, которые происходят с невысокой частотой, будут пред- ставлены слабо или совсем утеряны в ОИД и СИГ-данных. В отфильтрованных, а возможно, и из- лишне отфильтрованных записях СИГ, представ- ленных на рис. 5, б, все же присутствует заметная зона, выдвинутая в Южную Атлантику. Ее очер- тания напоминают неоткорректированные запи- си ОИД на рис. 1, а. Данные ОИД в области ЮАА были откорректированы с помощью климатоло- гического отношения СИГ/ОИД-импульсов, по- дробное описание обработки и сами данные мож- но найти на сайте [5]. Возможно, что область повышенной ак- тивности возникла из-за увеличенного радиацион- ного шума над ЮАА и что истинное количество молний Южной Америки ниже. Однако нам представляется более вероятным, что вспышки, записанные СИГ над ЮАА, отражают истинное распределение из-за того, что чувствительность его оптических детекторов высока, а сам спут- ник мало подвержен воздействию энергичных частиц радиационного пояса по сравнению с ОИД. Если при этом учесть, что окончательная обработка данных могла дополнительно отбро- сить одиночные редкие вспышки, то окажется, что приводимая карта дает нижнюю оценку ко- личества событий, а истинное количество мол- ний в этой области было большим. О. Б. Печеная, А. П. Николаенко / Грозы Южной Америки… _________________________________________________________________________________________________________________ 48 а) б) Рис. 5. Плотность молний (вспышки/км2/год) по данным высокого разрешения: а) – ОИД; б) – СИГ ___________________________________________ Примем, что записи СИГ отражают ис- тинную грозовую активность. Тогда подобие об- ластей, где концентрируются молнии (рис. 5, б), и высыпания в ЮАА (рис. 2, б), указывает на воз- можную связь высокоэнергичных частиц радиа- ционных поясов с грозовыми разрядами. Оказы- вается, что именно в районе ЮАА следует искать молнии, спровоцированные высыпаниями косми- ческих частиц. Взаимодействие низкочастотного радио- излучения грозовых разрядов и заряженных ча- стиц, захваченных магнитосферой, давно и хоро- шо известно. Одним из проявлений такого взаи- модействия является высыпание частиц из маг- нитных силовых трубок. Детальные спутниковые измерения высыпаний электронов, индуцирован- ных молниями (ВЭИМ), были представлены в работе [25]. Последующие наблюдения показали, что отдельная гроза может индуцировать сотни событий ВЭИМ, каждое из которых приводит к образованию неоднородностей («сосулек») на нижней границе ионосферы [26, 27]. Сами не- однородности отмечаются в записях сигналов СДВ-радиостанций как характерные фединги (тримпи-эффект). Отдельный грозовой разряд может вызвать значительный поток энергичных электронов [28]. В последние годы наряду с вы- сыпаниями, спровоцированными сигналами СДВ-радиостанций [29], удалось даже провести локацию отдельных молний, вызвавших высыпа- ние электронов из магнитосферы [30]. Были об- наружены также «ранние/быстрые события» [31], <1,0 1,0 2,0 5,0 10,0 15,0 20,0 30,0 40,0 50,0 75,0 100,0 150 120 90 60 30 0 30 60 90 120 150  6 0  3 0 0 3 0 6 0 6 0 3 0 0  3 0  6 0 150 120 90 60 30 0 30 60 90 120 150 <1,0 1,0 2,0 5,0 10,0 15,0 20,0 30,0 40,0 50,0 75,0 100,0 6 0 3 0 0  3 0  6 0  6 0  3 0 0 3 0 6 0 150 120 90 60 30 0 30 60 90 120 150 150 120 90 60 30 0 30 60 90 120 150 О. Б. Печеная, А. П. Николаенко / Грозы Южной Америки… _________________________________________________________________________________________________________________ 49 обусловленные не высыпаниями, а разогревом ионосферной плазмы падающим радиоизлучени- ем молний [32, 33]. Высокая грозовая активность Южной Америки может иметь отношение к ЮАА. Здесь отметим следующее: при упоминании гроз Юж- ной Америки, как правило, предполагается, что речь идет о бассейне Амазонки [34]. Данные оп- тических наблюдений спутника СИГ, скорее, ука- зывают на бассейн Ла Платы, которому уделялось недостаточное внимание. Сравнение интенсивно- сти гроз над Африкой и Южной Америкой гово- рит в пользу второй [34]. В то же время вклад африканских гроз в интенсивность глобального электромагнитного резонанса и в атмосферное электростатическое поле (поле ясной погоды) оказывается более заметным. Этот парадокс изве- стен давно, и в 1920-х гг. Вильсон предложил объяснение, построенное на учете электрических зарядов, переносимых на землю заряженными дождевыми каплями. Наблюдать заряженные до- жди значительно сложнее, чем молнии, поэтому в данных могут возникать неожиданные расхожде- ния. Согласно этой концепции [34], заряженные дожди могут превратить район с меньшим коли- чеством зарегистрированных молний (Африку) в главный генератор атмосферного электричества за счет невидимых заряженных капель. Влияние заряженных дождей не является единственно возможным объяснением. Тот же ре- зультат будет получен, если предположить, что типичные молнии Африки и Америки характери- зуются разными по величине токами и переносят разное количество электричества. Проверить та- кую гипотезу экспериментально намного проще. Если она верна, то одинаковая по числу оптиче- ских вспышек активность над этими континентами может соответствовать разной электрической ак- тивности. По нашему мнению, «асимметрия» гро- зовых пробоев может быть вызвана влияни- ем ЮАА. Действительно, в литературе обсужда- лось и моделировалось образование электрическо- го пробоя атмосферы за счет «убежавших» элек- тронов [35, 36]. Было показано, что эти частицы способны вызвать развитие стримеров, формиру- ющих лидеры при образовании грозовых пробоев [35, 36]. Вторичные космические лучи формиру- ют ионизированные плазменные колонны (стри- меры), в которых развиваются локальные элек- трические пробои над облаком или внутри него. В области ЮАА интенсивность космических лу- чей максимальна [37], здесь заряженные частицы радиационных поясов способны проникать глу- боко в атмосферу и тем самым способствовать развитию пробоев. Высыпание частиц радиационных поясов может привести к образованию своеобразного «стока» в общем балансе зарядов, накапливаемых грозовым облаком. Такой механизм препятствует накоплению рекордно высоких зарядов и напря- жений в грозовом облаке, поскольку очередная порция «разряжающих» электронов из магнито- сферы приходит до того, как облако сумеет при- обрести очень высокий потенциал. Наличие кос- мических частиц «обрежет хвосты» статистиче- ских распределений зарядов облака или токов молний в американском центре грозовой актив- ности. Здесь молнии (и вспышки) могут наблю- даться чаще, но средний ток этих источников бу- дет меньше, чем у африканских разрядов, и пере- носимый на землю заряд тоже будет меньшим. Так появляется механизм, альтернативный пред- ложенному в 1920 г. Вильсоном. Возможно и «обратное» взаимодействие, когда высокая грозовая активность в бассейне Ла Платы провоцирует высыпание электронов из магнитосферы над ЮАА. Для выяснения истин- ной картины взаимодействия необходимы специ- альные исследования. Однако уже сейчас мы должны признать, что повышение уровня грозо- вой активности в области ЮАА, вероятнее всего, обусловлено связью космической погоды с зем- ными грозами (имеется в виду малоизученный механизм формирования грозовых разрядов при их взаимодействии с энергичными частицами, высыпающимися из магнитосферы). Вопрос о связи оптических наблюдений с истинным распределением гроз Южной Америки, включая изолированные грозы и редкие сверх- мощные события, до настоящего времени все еще остается открытым. Выводы. Окончательные результаты оп- тических наблюдений гроз из космоса можно применять при моделировании электрической активности атмосферы и глобального электро- магнитного резонанса. Однако пользоваться эти- ми данными необходимо с большой осторожно- стью, поскольку фоновая грозовая активность, как и сравнительно редкие сверхмощные пробои, могли быть отфильтрованы при окончательной обработке оптических данных. Высокий уровень грозовой активности в районе ЮАА может быть обусловлен влиянием космической погоды на земную. Здесь может су- ществовать еще не изученный механизм инициа- ции грозовых разрядов частицами, высыпающи- мися из магнитосферы. Этот механизм, возмож- но, повышает среднюю частоту грозовых разря- дов Южной Америки и одновременно снижает токи молний и переносимый ими электрический заряд. Вопрос о том, насколько оптические наблюдения вспышек молний из космоса отвеча- ют истинной электрической активности атмосфе- ры над Южной Америкой, все еще остается от- крытым. О. Б. Печеная, А. П. Николаенко / Грозы Южной Америки… _________________________________________________________________________________________________________________ 50 1. Reeve N. Lightning activity as an indicator of climate change / N. Reeve, R. Toumi // Q. J. R. Meteorol. Soc. – 1999. – 125, N 6. – Р. 893–903. 2. Справочник по геофизике. – М.: Наука, 1965. – 571 с. 3. Christian H. J. Satellite measurements of global lightning / H. J. Christian, J. Latham // Q. J. R. Meteorol Soc. – 1998. – 124, N 11. – Р. 1771–1773 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://thunder.msfc.nasa.gov/otd; http://thunder.ms- fc.nasa.gov/lis. – Загл. с экрана. 4. Global frequency and distribution of lightning as observed from space by the Optical Transient Detector / H. J. Christian, R. J. Blakeslee, D. J. Boccippio et al. // J.Geophys.Res. – 2003. – 108, N D1. – Р. 4005–4025 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://thunder.msfc.nasa.gov/otd. – Загл. с экрана. 5. Boccippio D. J. Performance assessment of the Optical Tran- sient Detector and Lightning Imaging Sensor. Part I: Predicted diurnal variability / D. J. Boccippio, W. J. Koshak, R. J. Blakeslee // J. Atmos. Oceanic Tech. – 2002. – 19, N 8. – Р. 1318–1332 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ghrc.msfc.nasa.gov. – Загл. с экрана. 6. Parrot M. Preface: Special issue of Planetary and Space Sci- ence «DEMETER» / M. Parrot // Planet. Space Sci. – 2006. – 54, N 5. – Р. 411–412. 7. Finke U. Optical detection of lightning from space, Lightning: principles, instruments and applications, chapter 12 / U. Finke // Springer: Netherlands, 2008. 8. Radar, passive microwave, and lightning characteristics of precipitating systems in the tropics / E. R. Toracinta, D. J. Cecil1, E. J. Zipser, S. W. Nesbitt // Monthly Weather Review. – 2002. – 130. – Р. 802–824. 9. Nickolaenko A. P. Resonances in the Earth-ionosphere Cavity / A. P. Nickolaenko, M. Hayakawa. – Dordrecht-Boston-London: Kluwer Academic Publishers, 2002. – 380 p. 10. Price C. Schumann resonances in lightning research / C. Pri- ce, O. Pechony, E. Greenberg // J. Lightning Res. – 2006. – 1, N 1. – Р. 1–15. 11. Hayakawa M. Diurnal variations of electric activity of global thunderstorms deduced from OTD data / M. Hayakawa, M. Sekiguchi, A. P. Nickolaenko // J. Atmos. Electr. – 2005. – 25, N 2. – Р. 55–68. 12. Nickolaenko A. P. Model variations of Schumann resonance based on OTD maps of the global lightning activity / A. P. Nickolaenko, O. Pechony, C. Price // J. Geophys. Res. – 2006. – 111, N D23102. 13. Pechony O. Relative importance of the daynight asymmetry in Schumann resonance amplitude records / O. Pechony, C. Price, A. P. Nickolaenko // Radio Sci. – 2007. – 42, N RS2S06. 14. Pechony O. Modeling and simulations of Schumann Reso- nance parameters observed at the Mitzpe Ramon field station / O. Pechony // Ph. D. thesis, Tel-Aviv University, Israel 2007. 15. Результаты сравнения экспериментальных наблюдений шумановского резонанса с моделью одного мирового гро- зового центра / Е. И. Яцевич, А. В. Швец, Л. М. Рабино- вич и др. // Изв. вузов. Радиофизика. – 2005. – XLVIII, № 4. – С. 283–298. 16. Two component source model of Schumann resonance signal / A. P. Nickolaenko, E. I. Yatsevich, A. V. Shvets, L. M. Rab- inowicz // J. Atmos. Electricity. – 2006. – 26. – N 1. – P. 1– 10. 17. Николаенко А. П. Суточные и сезонные вариации интен- сивностей и пиковых частот трех первых модов шуманов- ского резонанса / А. П. Николаенко, Е. И. Яцевич, О. Б. Пе- ченая // Изв. вузов. Радиофизика. – 2008. – LI, № 7. – С. 528–540. 18. Обнаружение расщепления собственных частот шуманов- ских резонансов / А. П. Николаенко, Л. М. Рабинович, А. В. Швец, А. Ю. Щекотов // Радиофизика и электрон.: сб. науч. тр. / Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украи- ны. – Х., 2002. – 7, № 3. – С. 498–508. 19. Поляризационные характеристики низкочастотных резо- нансов / А. П. Николаенко, Л. М. Рабинович, А. В. Швец, А. Ю. Щекотов // Изв. вузов. Радиофизика. – 2004. – XLVII, № 4. – С. 267–291. 20. Polarization characteristics of low-frequency resonances in the Earth-ionosphere cavity / A. P. Nickolaenko, L. M. Rab- inowicz, A. V. Shvets, A. Yu. Schekotov // Radiophysics and Quantum Electronics. – 2004. – 47, N 4. – С. 238–259. 21. Nickolaenko A. P. Line splitting in the Schumann resonance oscillations / A. P. Nickolaenko, D. D. Sentman // Radio Sci. – 2007. – 42, N RS2S13. 22. Sprites, ELF transients, and positive ground strokes / D. J. Boccippio, E. R. Williams, S. J. Heckman et al. // Scien- ce. – 1995. – 269, N 5. – P. 1088–1091. 23. Lyons W. A. Characteristics of luminous structures in the strato- sphere above thunderstorms as imaged by low‐light video / W. A. Lyons // Geophys. Res. Lett. – 1994. – 21, N 10. – Р. 875–878. 24. Global validation of single station Schumann resoance light- ning location / D. J. Boccippio, C. Wong, E. R. Williams et al. // J. Atmos. Solar – Terr. Phys. – 1998. – 60, N 5. – Р. 701– 712. 25. Lightning-induced electron precipitation / H. D. Voss, W. L. Imhof, J. Mobilia et al. // Nature. – 1984. – 312, N 4. – Р. 740–743. 26. Dowden R. L. Phase and amplitude perturbations on subiono- spheric signals explained in terms of echoes from lightning- induced electron precipitation ionization patches / R. L. Dowden, C. D. D. Adams // J. Geophys. Res. – 1998. – 93, N A10. – Р. 11,543–11,550. 27. Inan U. S. Geographic distribution of lightning-induced electron precipitation observed as VLF/LF perturbation events / U. S. Inan T. G. Wolf, D. L. Carpenter // J. Geophys. Res. – 1988. – 93, N 4. – Р. 9841–9850. 28. Johnson M. P. Subionospheric VLF signatures of oblique (nonducted) whistler-induced precipitation / M. P. Johnson, U. S. Inan, D. S. Lauben // Geophys. Res. Lett. – 1999. – 26, N 4. – Р. 3569–3573. 29. Radiation belt electron precipitation due to VLF transmitters: Satellite observations / J. A. Sauvaud, R. Maggiolo, C. Jacquey et al. // Geophys. Res. Lett. – 2008. – 35, N L09101. 30. DEMETER satellite observations of lightning-induced electron precipitation / U. S. Inan, D. Piddyachiy, W. B. Peter et al. // Geophys. Res. Lett. – 2007. – 34, N L07103. 31. Inan U. S. Heating and ionization of the lower ionosphere by lightning / U. S. Inan, T. F. Bell, J. V. Rodriguez // Geophys. Res. Lett. – 1991. – 18, N 4. – Р. 705–709. 32. Николаенко А. П. О нaгpеве электpонов нижней ионо- сферы электpомaгнитным излучением возвpaтных гpо- зовых paзpядов / А. П. Николаенко // Геомaгнетизм и Aэpономия. – 1976. – 16, № 2. – С. 260–264. 33. Кучеpов К. И. О нaгpеве электpонов нижней ионосфеpы гоpизонтaльными гpозовыми paзpядaми / К. И. Кучеpов, А. П. Николаенко // Изв. вузов. Радиофизика. – 1979. – XXII, № 7. – С. 884–896. 34. Williams E. R. Lightning, thermodynamic and hydrological comparison of the two tropical continental chimneys / E. R. Williams, G. Sátori // J. Atmos. Solar – Terr. Phys. – 2004. – 66, N 5. – Р. 1213–1232. 35. Gurevich A. V. Runaway electron mechanism of air break- down and preconditioning during a thunderstorm / A. V. Gurevich, G. M. Milikh, R. A. Roussel-Dupre // Phys. Lett. – 1992. – A165, N 2. – Р. 463–468. 36. Kinetic theory of runaway air breakdown / R. A. Roussel- Dupre, A. V. Gurevich, T. Tunnell, G. M. Milikh // Phys. Rev. – 1994. – E49, N 3. – Р. 2257–2271. 37. Poirier J. The south atlantic magnetic field anomaly and its effect on the calculated production of atmospheric neutrinos / J. Poirier // ArXiv Astrophysics e-prints: Proc. of the 26th ICRC. – Salt Lake City, 1999. – Vol. 2. – Р. 253. http://thunder.msfc.nasa.gov/otd http://thunder.ms-fc.nasa.gov/lis http://thunder.ms-fc.nasa.gov/lis http://thunder.msfc.nasa.gov/otd http://ghrc.msfc.nasa.gov/ О. Б. Печеная, А. П. Николаенко / Грозы Южной Америки… _________________________________________________________________________________________________________________ 51 SOUTH AMERICAN THUNDERSTORMS AND THE SOUTH ATLANTIC GEOMAGNETIC ANOMALY O. В. Pechony, A. Р. Nickolaenko Extensive information on global lightning activity was accumulated by the spaceborvne Optical Transient Detector (OTD) and Lightning Imaging Sensor (LIS), which is applied in different research. Precipitation of cosmic particles from Earth’s radiation belts causes numerous false lightning detections when satellites pass through the South Atlantic Anomaly (SAA), centered near the lower east coast of South America. Aggressive filtering procedures were applied toward the data resulting in inavoidable losses of true flashes along with radiation noise. Differences in exposure to SAA and filtering procedures result in notable differences between OTD and LIS lightning distributions in this region. We compare optical data with DEMETER satillite observations and discuss possible causes of deviations among OTD and LIS data We also suggest that high lightning activity in the SAA region indicated by LIS might be a manifestation of a link between the space and treestrial weather, and, possibly, a yet unexplored feedback mechanism between lightning discharges and cosmic particle precipitation. Key words: Global thunderstorm activity, Optical de- tectors, South Atlantic Anomaly of geomagnetic field. ГРОЗИ ПІВДЕННОЇ АМЕРИКИ ТА ПІВДЕННОАТЛАНТИЧНА ГЕОМАГНІТНА АНОМАЛІЯ О. Б. Печена, О. П. Ніколаєнко Значний об’єм інформації, що зібраний космічними апаратами «Оптичний імпульсний детектор» (ОІД) і «Сенсор зображень гроз» (СЗГ), широко застосовується в різноманіт- них дослідженнях. Висипання часток із радіаційних поясів Землі призводило до хибних спрацьовувань оптичних детек- торів, коли ці супутники пролітали над Південноатлантичною аномалією (ПАА) геомагнітного поля, яка розташована поб- лизу південно-східного узбережжя Південної Америки. Для усунення завад застосовували жорсткий відбір даних (фільт- рація), що неминуче призводило до втрати сполохів від дійс- них блискавок. Відміни у взаємодії апаратури космічного апарата із аномалією, а також різні способи фільтрації даних призвели до помітних відмін у розподілах блискавок, що оде- ржані ОІД та СЗГ для цього району. У статті приведено порів- няння з даними супутника ДЕМЕТЕР та обмірковуються мо- жливі причини відміни даних ОІД та СЗГ. Сформульовано гіпотезу, що підвищена блискавична активність в області ПАА, що реєструється СЗГ, може свідчити не тільки про зв’язок космічної та земної погоди, але й про стимулювання грозових розрядів висипаннями космічних часток. Ключові слова: Південноатлантична аномалія гео- магнітного поля, світова грозова активність, оптичні детектори. Рукопись поступила 26 ноября 2009 г.

Грозы Южной Америки и Южноатлантическая геомагнитная аномалия

Репозитарії

Схожі ресурси