Световые феномены в ионосфере.

[наверх]

Из всех прикладных областей исследование масштабных световых явлений в ионосфере - спрайтов, эльфов, джетов и др., вызываемых сверхмощными грозовыми разрядами, является наиболее четко формализуемой и продуктивной задачей, решаемой с помощью резонанса Шумана. Она сводится к регистрации в реальном времени грозовых разрядов, которые, предположительно, могут вызывать упомянутые световые явления, вычислению их электрических параметров - тока и величины переноса заряда и последующей «привязки» полученных данных к данным видеорегистрации этих явлений. Конечной целью такого рода исследований является установление соотношений между параметрами сверхмощных грозовых разрядов и условиями появления и параметрами индуцируемых ими световых феноменов.

Рис.5.10. Примеры оптических феноменов в ионосфере

 

В простейшем варианте для регистрации разрядов используется только одна станция наблюдения с вычислением расстояния до источника и его азимута на тех же принципах, что и при наблюдении за глобальной грозовой активностью. Для получения более точных и достоверных данных используют наблюдение с нескольких станций резонанса Шумана, а также дополнительно используют данные локальных и региональных сетей мониторинга грозовой активности, работающих в килогерцовых диапазонах, например, сети WWLLN

Рис.5.11. Сигналы грозовых разрядов, породивших спрайты в Австралии, зарегистрированные на станции West Greenwich.

Источник иллюстрации: E.R.Williams, V.C.Mushtak, R.Boldi, R.L.Dowden, Z.I.Kawasaki. Sprite lightning heard round the world by Schumann resonance methods.

В последние годы интерес к этому направлению растет и появляются соответствующие специализированные глобальные сети станций. Примером может служить глобальная сеть, созданная в рамках проекта Sprie Project Университетат Бата (University of Bath, Великобритания). Она включает 4 станции мониторинга, расположенные в Шотландии, Калифорнии, Австралии и Южной Африке. Для повышения точности локализации в данной сети используется модифицированный метод триангуляции, аналогичный описанному в п.5.2.

Рис.5.12. Сигнал грозового разряда, породившего спрайт в Европе, зарегистрированный станциями сети Университета Бата.

Источник иллюстрации: Toby Whitley et al. Worldwide extremely low frequency magnetic field sensor network for sprite studies.

 

* * *

РЕЗОНАНС ШУМАНА НА ДРУГИХ НЕБЕСНЫХ ТЕЛАХ

введение • теоретические модели • практические исследования

 

Введение

[наверх]

Теоретически на любом небесном теле солнечной системы, которое имеет атмосферу, подвергающуюся воздействию какого-либо ионизирующего фактора, может существовать ионосфера. Если при этом тело имеет токопроводящую поверхность, то эта поверхность и ионосфера образуют глобальный волновод - резонатор Шумана, в котором, при наличии источника электромагнитных колебаний, будет возникать резонанс. Расчеты, проведенные некоторыми исследователями, показывают, что необходимые для резонанса условия могут иметь место на целом ряде планет и крупных спутников планет-гигантов, например, на Венере, Марсе, Юпитере, Сатурне и его спутнике Титане и др.

Прямое дистанционное обнаружение резонанса Шумана на других телах солнечной системы с орбиты Земли при сегодняшнем уровне техники практически нереально из-за чрезвычайно низкого уровня сигнала и невозможности создания в земных условиях узконаправленных антенн СНЧ-диапазона. Однако оно возможно косвенными средствами, например, путем регистрации и анализа спектра высокочастотных сигналов. Наиболее же целесообразно осуществлять поиск сигналов резонанса Шумана средствами орбитальных и спускаемых космических аппаратов, и соответствующие попытки уже предпринимались на Марсе с помощью орбитальной станции Mars Express и на спутнике Сатурна Титане с помощью спускаемого аппарата Гюйгенс межпланетной миссии Кассини.

Обнаружение сигналов резонанса Шумана на небесном теле может свидетельствовать о наличии у него не только волновода, образованного поверхностью и ионосферой, но и о наличии мощных электродинамических процессов, возбуждающих сверхнизкочастотные электромагнитные колебания Кроме того, измеренные параметры резонанса могут дать ряд других ценных сведений о небесном теле, например, о наличии в его атмосфере различных компонентов, например, воды, аммиака и пр. Далее остановимся на теории и практике поиска и использования резонанса Шумана при исследовании других планет и спутников солнечной системы более подробно.

Рис.6.1. Схема исследования резонанса Шумана на других небесных телах

 

Теоретические модели

[наверх]

В теоретическом исследовании Schumann Resonance: A Tool for Investigating Planetary Atmospheric Electricity and the Origin and Evolution of The Solar System, выполненном международной группой исследователей International Workshop on Instrumentation for Planetary Missions под руководством ведущего специалиста НАСА Ф.Симоэса, приводятся результаты оценки возможных параметров резонанса Шумана на ряде планет и спутников, а также расчетные требования к измерительной аппаратуре (см. таблицы).

Расчетные параметры резонанса Шумана для некоторых планет и спутников

небесное тело	частота первой моды, Гц	Q-фактор (добротность)
Венера	8.0 - 9.5	5 -10
Марс	7.5 - 14	2 - 4
Юпитер	0.6 - 0.75	5 - 10
Сатурн	0.75 - 0.80	3.5 - 7.0
Титан	18 - 22	4 - 6
Уран	1.0 - 2.5	5 - 20
Нептун	1.2 - 2.6	2 - 16

Расчетные требования к измерительной аппаратуре

параметр	значение
Чувствительность к электрической компоненте	не хуже 10 нВ/м Гц1/2
Чувствительность к магнитной компоненте	не хуже 0.1 пТл/Гц1/2
Частотный диапазон	0 - 100 Гц для планет земного типа
	0 - 10 Гц для планет - гигантов
Частотное разрешение	0.1 Гц для планет земного титпа
	0.01 Гц для планет - гигантов
Амплитудное разрешение	16 бит

 

Известен также ряд теоретических работ других исследователей с оценками параметров резонанса, несколько отличающимися от приведенных.

В работе Using Schumann Resonance Measurements for Constraining the Water Abundance on the Giant Planets - Implications for the Solar System's Formation, также выполненной коллективом исследователей под руководством Ф.Симоэса, обращается на внимание на следующие особенности, которые оказывают существенное влияние на теоретические модели резонанса Шумана для ряда небесных тел:

ВЕНЕРА

Гипотетический резонатор Шумана Венеры имеет три главные особенности, отличающие его от земного:

· поверхность Венеры значительно хуже отражает радиоволны СНЧ-диапазона;

· атмосфера Венеры имеет существенно большую плотность;

· глобальный волновод Венеры имеет существенно большую степень асимметрии.

Теоретические оценки наличия на Венере грозовой активности противоречивы.

МАРС

Вследствие особенностей марсианской атмосферы и поверхности расчетное значение добротности гипотетического резонанса имеет, по сравнению с другими планетами и спутниками, самое низкое значение (2 - 4), т.е. резонанс должен быть выражен слабо. Более того, высокая проводимость тропосферы и стратосферы может вообще создавать препятствие для его существования.

В качестве источника электромагнитной энергии накачки резонанса могли бы выступать электростатические разряды в пылевых бурях.

ПЛАНЕТЫ - ГИГАНТЫ

Главной предполагаемой особенностью резонанса Шумана на газовых гигантах Юпитере и Сатурне является то, что проводимость растет по мере уменьшения радиуса и достигает насыщения в зоне металлизации водорода, при этом нижняя граница волновода должна находиться, предположительно, ниже границы металлизации. Кроме того, на проводимость в значительной мере должны влиять присутствующие в атмосфере частицы водяного льда.

У ледяных гигантов Урана и Нептуна твердое ядро образовано не металлизированным водородом, а смесью фракций горных пород и льда, поэтому нижняя граница волновода, предположительно, образована им. В то же время содержание в атмосфере водяного льда существенно выше, чем у газовых гигантов.

Рис. 6.2. Профили проводимости планет-гигантов

Источник иллюстрации: Schumann Resonance: A Tool for Investigating Planetary Atmospheric Electricity and the Origin and Evolution of The Solar System

ТИТАН

Титан отличается от всех других спутников планет солнечной системы наличием плотной атмосферы. При этом нижняя граница волновода предположительно образована не твердой ледяной поверхностью, а находящейся под ней водно - аммиачной средой. Такого рода субстанция по отражательной способности занимает промежуточное положение между ядрами газовых и ледяных гигантов и поверхностью Земли.

 

Практические исследования

[наверх]

ВЕНЕРА

Еще в сеансах свзязи с космическим аппаратом Венера-2 были обнаружены помехи, предположительно, от грозовых разрядов. Аналогичные помехи были зафиксированы при пролете космическими аппаратами Galileo и Cassini.

Фотометры спускаемых аппаратов Венера-9 и Венера-10 обнаружили в облачном покрове Венеры вспышки, предположительно, вызванные молниями, и измерили их энергетические характеристики, которые оказались в 25 раз выше, чем у вспышек земных молний. Кроме того, вспышки, которые можно было бы соотнести с мощными электрическими разрядами в атмосфере Венеры, фиксировались и в некоторых наблюдениях с Земли.

В рамках миссий Венера-11 и Венера-12 существование грозовых разрядов в атмосфере Венеры было объективно зафиксировано специализированными приборными средствами спускаемых аппаратов. При этом было установлено, что их интенсивность примерно в два раза выше, чем на Земле, при приблизительно одинаковой энергии (см. Значимость миссий Венера-11 и Венера-12). Грозовые разряды были также зафиксированы и спускаемыми аппаратами Венера-13 и Венера-14. Низкочастотные радиосигналы в ионосфере - вистлеры (whistler), вызываемые на Земле молниями, регистрировались и орбитальной станцией ЕКА Венера-Экспресс (Venus-Express).

Т.о., можно утверждать, что все необходимые условия для существования резонанса Шумана на Венере имеются. Однако специальные измерения с целью его обнаружения на этой планете пока не проводились.

Рис. 6.3. Космические аппараты, зарегистрировавшие грозовую активность на Венере

МАРС

Орбитальная станция Mars Express Европейского Космического Агентства в течение 5 лет прослушивала марсианский эфир с целью регистрации электрических разрядов, которые могли бы возникать вследствие накопления статического электричества в пылевых бурях. Для прослушивания использовался приемник комплекса MARSIS, предназначенного для радиозондирования поверхности и ионосферы Марса. Чувствительность приемника (порог 2.8 10^-18 вт/м²Гц) позволила бы с большим запасом регистрировать разряды в атмосфере Земли. В качестве антенны использовался электрический диполь длиной 40 м. Комплекс осуществлял зондирование поверхности и ионосферы в диапазоне 0.1 - 5.5 мГц, но для прослушивания эфира в целях «охоты за разрядами» использовалось окно от 4.0 до 5.5 мГц, в котором отсутствовали отклики зондирования (см. рис.6.4).

Рис. 6.4. Типовая ионограмма с орбитальной станции Марс Экспресс

Источник иллюстрации: D.A.Gurnett, D.D.Morgan, L.J.Granroth, B.A.Cantor, W.M.Farrell, J.R.Espley. Non-detection of impulsive radio signals from lightning in Martian dust storms using the radar receiver on the Mars Express spacecraft

Несмотря на весьма длительный интервал наблюдения и большое число наблюдавшихся в это время пылевых бурь, в том числе и весьма масштабных, обнаружить в окне поиска сигналы, которые могли бы быть произведены атмосферными разрядами, не удалось. Более подробно об условиях и технике данного эксперимента см. по приведенной выше ссылке.

В то же время группой исследователей в мае - июне 2006 года было зафиксировано с Земли нетепловое радиоизлучение с Марса во время наблюдавшихся там пылевых бурь. В качестве инструмента наблюдения использовался 34-х метровая параболическая антенна DSS-13 с шириной лепестка диаграммы 200 угловых секунд и малошумящим усилителем, входящая в сеть дальней космической связи NASA Deep Space Network (DSN), при этом полный диск Марса занимал примерно 0.04% телесного угла ее диаграммы. Наблюдение велось в диапазоне 8470 - 8490 мГц, разбитом на 8 подиапазонов по 8.5 мГц. В качестве тестового сигнала использовался коммуникационный сигнал орбитальной станции Mars Reconnaissance Orbiter (MRO).

Во время наблюдавшейся с MRO 12-ти дневной пылевой бури 8 июня 2006 года были зарегистрированы кратковременные отклонения от нормального закона распределения (куртозис) мощности принимаемого радиотелескопом фонового сигнала, характерные для нетепловой природы излучения (см. рис. 6.5).

Рис. 6.5. Пылевая буря на Марсе и куртозис наблюдаемого электромагнитного сигнала

Рис. 6.6. Спектр модуляции куртозиса наблюдаемого электромагнитного сигнала

Источник иллюстраций: C.Ruf, N.O.Renno, J.F.Kok, E.Bandelier, M.J.Sander, S.Gross, L.Skjerve, B.Cantor. Emission of non-thermal microwave radiation by a Martian dust storm

Спектральный анализ принятого сигнала выявил наличие в нем модуляционных линий спектра на частотах 9.6 Гц, 27.8 Гц и 31.7 Гц (см. рис.6.6), что теоретически может быть соотнесено с расчетными частотами резонанса Шумана для Марса. Авторы исследования предполагают, что обнаруженная модуляция может быть вызвана триггерным эффектом, вследствие которого достаточно мощные электромагнитные колебания резонанса Шумана могут выступать в качестве спускового механизма для новых разрядов в пылевом облаке.

ТИТАН

Межпланетная миссия Кассини - Гюйгенс явилась первой, у которой в ряду других задач стояла и задача прямого обнаружения и регистрации параметров резонанса Шумана на исследуемом небесном теле солнечной системы. Обнаружение резонаса позволило бы констатировать наличие на Титане грозовых разрядов, которые теоретически могли бы способствовать появлению высокомолекулярных органических соединений, необходимых для возникновения жизни, как это, предположительно, было на Земле.

Задача обнаружения электромагнитных волн в расчетном диапазоне резонанса Шумана решалась подсистемой PWA (Permittivity - Waves - and - Altimetry), входящей в состав системы HAIS (Huygens Atmospheric Structure Instrument). В качестве приемной антенны использовался диполь, образованный двумя принимающими электродами RX1 и RX2 (см. рис.6.7, 6.8). Приемная часть обеспечивала измерение радиосигналов в двух диапазонах - 3-96 Гц («шумановский» - ELF) и 180 Гц - 11.5 кГц (ультранизкочастотный - VLF). Анализ производился бортовым компьютером с помощью быстрого преобразования Фурье (FFT).

Рис. 6.7. Элементы приемной антенны резонанса Шумана на структурной схеме системы HASI спускаемого аппарата Гюйгенс

Рис. 6.8. Элементы приемной антенны резонанса Шумана на конструктивной схеме спускаемого аппарата Гюйгенс

Источник иллюстраций: M.Fulchignoni et al. The Characterisation of Titan's Atmospheric Physical Properties By The Huygens Atmospheric Structure Instrument (HASI).

Вследствие отказа одного из телеметрических каналов для высот 140 - 62 км были были получены спектрограммы, содержащие только четные спектральные линии с интервалом 6 Гц и разрешением 3 Гц (см. рис.6.9), а после прохождения высоты 62 км - с интервалом 12 Гц и разрешением 6 Гц. Тем не менее, несмотря на частичную потерю информации на спектрограмме достаточно определенно прослеживается наличие спектральной линии с центральной частотой 36 Гц.

Рис. 6.9. Спектрограмма, полученная со спускаемого аппарата Гюйгенс

Источник иллюстрации: C.Beghin et al. A Schumann-like resonance on Titan driven by Saturn's magnetosphere possibly revealed by the Huygens Probe.

Однако есть ряд обстоятельств, которые ставят под сомнение принадлежность этой линии к резонансу Шумана. Главным является то, что ее частота достаточно далека от расчетной частоты первой моды резонанса для Титана, поэтому эта линия с большим основанием может рассматриваться как линия второй моды. Однако ее мощность на два порядка превышает мощность первой моды земного резонанса, при этом первая мода на Титане отсутствует, хотя в земных условиях первая мода всегда присутствует, если присутствуют моды более высоких порядков. Кроме данных факторов есть еще и ряд других, не позволяющих однозначно отнести обнаруженный сигнал к резонансу Шумана, и вопрос о его природе до настоящего времени остается дискуссионным. Более подробную информацию можно получить из публикации по приведенной выше ссылке.

 

* * *

ПРИЛОЖЕНИЕ A

ЛЕТ РЕЗОНАНСУ ШУМАНА