ВЛИЯНИЕ ГЛОБАЛЬНОЙ ГРОЗОВОЙ АКТИВНОСТИ НА ОКОЛОЗЕМНОЕ КОСМИЧЕСКОЕ ПРОСТРАНСТВО. EFFECT OF GLOBAL LIGHTNING ACTIVITY ON CIRCUMTERRESTRIAL COSMIC SPACE

© В.В.Сурков, К.С.Мозгов, С.И.Ренский, А.Х.Забродский
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Симпозиум
2019 г.

Аннотация: В докладе рассмотрены различные аспекты влияния глобальной грозовой активности на околоземное пространство, а также представлены перспективы дальнейшего исследования атмосферных электрических процессов с помощью спутниковых наблюдений. Обсуждаются возможности для комплексного исследования механизмов связи между атмосферой и магнитосферой с помощью серии планируемых космических экспериментов и развертывания наземных сетей регистрации грозовых разрядов, включая спутниковые измерения шумановских резонансов и резонансного спектра ионосферного альвеновского резонатора.

Ключевые слова: глобальная грозовая активность, спрайт, голубой джет, вистлер, шумановские резонансы, ионосферный альвеновский резонатор.

Abstract: In this report, various aspects of the impact of global lightning activity on near-earth space are considered. The prospects for further research of atmospheric electrical processes using satellite observations are analyzed. We have also discussed the possibilities for a comprehensive study of coupling mechanism between the ionosphere and magnetosphere using a series of planned space experiments and the deployment of ground-based lightning detection networks, including satellite measurements of Schumann resonances and resonance spectrum of the ionospheric Alfvén resonator.

Keywords: global lightning activity, sprite, blue jet, whistler, Schumann resonances, ionospheric Alfvén resonator.

Мощным, но малоисследованным, каналом воздействия атмосферных электрических процессов на околоземное космическое пространство являются грозовые электрические разряды. В докладе рассмотрены различные аспекты влияния глобальной грозовой активности на околоземное пространство, а также представлены перспективы дальнейшего исследования атмосферных электрических процессов с помощью спутниковых наблюдений. В результате грозовых разрядов в низкочастотном диапазоне от долей Гц до десятков Гц происходит возбуждение и накопление электромагнитной волновой энергии в резонаторной полости Земля-ионосфера, в альвеновском резонаторе и магнитозвуковом волноводе в верхней ионосфере [1]. Наличие этих природных резонансных структур проявляется на динамических спектрах электромагнитных шумов в виде появления в ночные часы широкополосной спектральной структуры. Молнии возбуждают в системе ионосфера-атмосфера-земля связанную систему волноводных и резонаторных МГД мод. Часть энергии этих мод уходит в верхнюю ионосферу и может быть зарегистрирована на низкоорбитальных спутниках [2]. В докладе обсуждаются перспективы спутниковых измерений шумановских резонансов и резонансного спектра ионосферного альвеновского резонатора. Оцениваются чувствительности приборов, необходимых для регистрации этих эффектов на спутниках. Измерение магнитных полей в околоземном космическом пространстве с высокой точностью в перспективе связано, по всей видимости, с применением атомных магнитометров, размещенных на космических аппаратах, объединенных в группировку, подобную миссии SWARM.

Хорошо известным эффектом воздействия гроз на ионосферу в килогерцовом диапазоне является излучение свистящих атмосфериков (вистлеров), способных распространяться в ионосфере и магнитосфере вдоль линий индукции магнитного поля Земли. Взаимодействие индуцированных молниевыми разрядами вистлеров с магнитосферными электронами может приводить к локальному высыпанию электронов радиационных поясов Земли. Этот эффект, известный как Trimpis- или LEP-эффект (Lightning-induced electron precipitation effect), обнаруживается в наземных измерениях по изменению амплитуды и фазы СДВ-волны, трасса распространения которой проходит под областью ионосферы, где произошло высыпание электронов. Аналогичные эффекты возникают и при работе мощных наземных ОНЧ передатчиков.

В последние два десятилетия были открыты и исследованы новые типы гигантских электрических разрядов, возникающих между грозовым облаком и нижней ионосферой [1]. В зависимости от видов оптических вспышек, размеры которых достигают десятков и сотен км, эти разряды получили названия: спрайты, голубые джеты, гигантские джеты, эльфы и т.д. На российских спутниках «Университетский-Татьяна» и «Вернов» обнаружены оптические вспышки предположительно на мезосферных высотах [3]. Измерения показали, что эти явления встречаются не только в зонах с повышенной грозовой активностью, но практически повсеместно и над сушей, и над океанами. Относительно недавно были обнаружены направленные вверх в сторону ионосферы узкие пучки гамма-квантов с энергиями до 20 МэВ. Вспышки гамма излучений наблюдались в атмосфере над грозовыми облаками и над центрами крупномасштабных тайфунов. В настоящий момент не существует единой точки зрения о происхождении и физических механизмах этих явлений. С этой точки зрения представляется перспективным дополнить оптические наблюдения спрайтов и голубых джетов на низкоорбитальных спутниках, изучением их электромагнитных полей и волн, излучаемых в магнитосферу.

В ближайшие годы появятся уникальные возможности для комплексного исследования механизмов связи между атмосферой и магнитосферой с помощью серии планируемых космических экспериментов и развертывания наземных сетей регистрации грозовых разрядов. В докладе анализируются перспективы изучения влияния молний на околоземное космическое пространство при помощи существующих спутников GOES-16, GOES-17, комплекса приборов ASIM на МКС, планируемых к запуску спутников типа TARANIS, Чибис-АИ и Трабант, а также группировки космических аппаратов перспективной программы Сфера.

Литература

1. Surkov V., Hayakawa M. Ultra and Extremely Low Frequency Electromagnetic Fields. Springer Geophysics Series, XVI, Springer. 2014. – 486 p.

2. Simões F., Pfaff R., Freudenreich H. Satellite observations of Schumann resonances in the Earth’s ionosphere // Geophys. Res. Lett. – 2011. – Vol. 38. L22101, doi:10.1029/2011GL049668.

3. Klimov P., Garipov G., Khrenov B., Morozenko V., Barinova V., Bogomolov V., Kaznacheeva M., Panasyuk M., Saleev K., Svertilov S., Vernov satellite data of transient atmospheric events // J. Applied Meteorology and Сlimatology. – 2017. – Vol. 56. – P. 2189-2201, doi:10.1175/JAMC-D-16-0309.1.