«Техника-молодежи» 1987 г №10, с.14-16
Сначала несколько слов о природной среде, изучению которой была посвящена серия экспериментов, проведенных в последние годы сотрудниками Института физики Земли АН СССР, а также нашими коллегами из Института космических исследований АН СССР, Института физики атмосферы АН СССР, Института ионосферы АН КазССР, Института земного магнетизма и распространения радиоволн АН СССР, других научных организаций и при участии группы французских ученых (в рамках проекта «АРКАД-3»).
Магнитосфера — это не просто совокупность магнитных силовых линий, каждая из которых начинается и заканчивается на поверхности Земли (они похожи на крылья причудливой бабочки). Силовые поля удерживают огромное количество заряженных частиц. Земля является островком, погруженным в море ионизированного газа (плазмы).
Непосредственно плазменные свойства оболочки планеты начинают проявляться с высот порядка 70-100 км. По мере удаления от Земли степень ионизации газа повышается. Ионосфера постепенно переходит в магнитосферу.
Магнитосфера, как и любое плазменное образование, находится в неустойчивом турбулентном состоянии. В ней хаотически возникают и исчезают волны и электромагнитные излучения самых разных типов. Диапазон периодов колебаний, достигающих поверхности Земли, от десятков минут до считанных микросекунд.
Геофизики научились не только регистрировать эти колебания с помощью спутников и наземных обсерваторий, но и «читать», извлекать из них массу полезной информации. Однако воспроизвести эти природные эффекты оказалось очень сложно. (Искусственные сигналы, да и то небольшой амплитуды, удавалось возбудить в ионосферной плазме лишь исключительно энергоемким путем — локальным разогревом электронной компоненты плазменного газа при помощи модулированного излучения мощных радиопередатчиков, а также с помощью пучков частиц, излучаемых с ракет или спутников.) А наука без хорошо поставленного модельного эксперимента развиваться не может. Рассказу о таких вот экспериментах, лабораторным полем которых является вся планета, и посвящена наша статья.
Зададимся на первый взгляд странным вопросом: может ли быть магнитосфера в сейсмическом шоке? Казалось бы, трудно подыскивать дисциплины более разнородные, чем наука о том, что происходит глубоко под землей, и наука о процессах, которые идут высоко над поверхностью планеты. Тем не менее причудливые пути научных поисков привели к пересечению интересов сейсмологов и специалистов по околоземному космическому пространству и даже к проведению ими совместных глобальных геофизических экспериментов.
Именно землетрясения подсказали исследователям простой способ искусственной генерации электромагнитных возмущений в ближнем космосе. Уже при первых попытках радиозондажа ионосферы ученые заметили, что крупным подвижкам земной коры сопутствует появление специфических аномалий «наверху».
Физический механизм процесса оказался довольно прост. Колебания земной поверхности возбуждают в атмосфере акустические волны, которые распространяются до самых верхних слоев газовой оболочки Земли. Наблюдается интересный парадокс. Амплитуда звукового возмущения (то есть амплитуда «дрожания» вовлеченных в движение молекул газа) не убывает, а нарастает с высотой. Поднимаясь все выше, звуковые волны «вырываются на простор» ионосферы. В разреженном воздухе атомы-камертоны уже не прижимаются друг к дружке столь плотно, как в нижних слоях, у поверхности Земли. Атом атому не мешает звучать.
Нейтральные частицы вовлекают в движение и ионизированные атомы. «Ионный звук» сопровождается удивительными эффектами. Возникают токи, неоднородности структуры, в том числе довольно сложные электрически заряженные газовые образования. (Причина их возникновения в том, что электроны и ионы имеют разную подвижность.)
В итоге структура радиосигнала, отраженного от ионосферы и случайно совпавшего по времени с землетрясением, начинает дробиться и распадаться на отдельные фрагменты. Это происходит по мере того, как в ионосфере распространяются акустические возмущения.
Сейсмическая волна бежит в земле со скоростью от 1 до 10 км/сек. «Эхо» крупного землетрясения расходится тысяч на десять километров, порождая на своем пути «отклики» в ионосфере. Так была зафиксирована девиация (изменение) частоты радиосигнала на обсерватории Боулдер, удаленной на 4 тыс. км от эпицентра аляскинского землетрясения. Девиация возникла из-за эффекта Доплера при отражении луча от колеблющейся ионосферы.
Явление легло в основу предложенного японскими учеными метода прогноза цунами. Система установок наклонного (луч направляется под углом к зениту) доплеровского зондирования постоянно следит за состоянием ионосферы над Тихим океаном. Появление характерного ионосферного возмущения над эпицентром подводного землетрясения служит предупреждением о возможном подходе мощной океанской волны.
Но землетрясения не происходят по заказу. Использовать их в качестве источника модельного воздействия на ионосферу нельзя. Зато есть другой, вполне предсказуемый источник акустических колебаний — мощные промышленные взрывы, которые применяют при строительстве плотин и каналов, рудных разработках и т. п. Научные результаты станут в этом случае «побочным продуктом» строительства и не потребуют практически никаких специальных затрат.
Эта идея и легла в основу серии экспериментов, организованных и проведенных рядом институтов Академии наук.
Участники работ поставили задачу: детально изучить картину распространения интенсивной акустической волны до высот ионосферы, поймать отклик ионосферы на различных удалениях от места взрыва, оценить возможность трансформации акустической волны в колебания другого типа.
Исключительно широк был диапазон экспериментальных методов. Ученые использовали обширную сеть наземных установок радиозондирования ионосферы, большое число инфразвуковых датчиков. Кроме того, наблюдения велись на радиотрассах, проходящих вблизи района взрыва, проводилась регистрация электромагнитных излучений. Даже те атмосферные сигналы, которые уходили в открытый космос, были перехвачены учеными (над ионосферой, на высоте порядка 800 км). «Высотную миссию» обеспечивал спутник «Ореол-3» в рамках советско-французского проекта.
Время взрывов подбиралось так, чтобы к моменту прихода акустической волны в ионосферу (то есть через 5 минут после взрыва) спутник пролетал бы вблизи силовой линии геомагнитного поля, проходящей через эпицентр взрыва. Наблюдательная сеть, использованная при одном из первых взрывов, показана на рисунке.
О результатах экспериментов можно рассказывать долго. Они дали «информацию к размышлению» специалистам в самых разных областях геофизики. Например, атмосферщикам удалось расширить представления о возможностях дальнего распространения инфразвука. А вот ионосферщики столкнулись, по-видимому, со «следами» каких-то новых типов волн, которые бегут по ионосфере с необычными скоростями.
Здесь, пожалуй, стоит сделать небольшое отступление. До сих пор физики-атмосферщики имели дело только со звуковыми волнами, скорость распространения которых на больших высотах что-то около 0,5 км/сек. У плазменщиков, напротив, были свои единицы отсчета — тысячи км/сек. Так быстро распространяются магнитные возмущения в плазме (так называемые альвеновские моды).
Однако во время экспериментов поймали очень странный импульс. Для звукового (скорость незнакомца составляла десятки км/сек) он был слишком резв, до альвеновского же, наоборот, недотягивал. Что это, представитель нового класса природных явлений?
Вопрос пока остается открытым.
Впрочем, самые интересные и неожиданные результаты были получены на борту спутника «Ореол-3». При подлете к геомагнитной силовой линии, проходящей через точку взрыва, космическая лаборатория попала в область, заполненную электромагнитными шумами (то есть нерегулярными колебаниями) в диапазоне частот от сотен Гц до десятка кГц. Эта область расширялась со скоростью около 0,5 км/сек, что соответствует, как мы знаем, скорости звука в ионосфере. Каким образом электромагнитные колебания смогли «уподобиться» звуковым (звук в вакууме — это уже что-то новое!) — для ученых загадка.
Но чудеса продолжались. Пролетая вблизи силовой линии взрыва, бортовой магнитометр зафиксировал резкий импульс магнитного поля большой величины (около 100 нТл). Достаточно сказать, что подобные возмущения магнитосферы обычно наблюдаются только в высоких широтах, над областями полярных сияний. «Корона» землетрясения имела несимметричную форму с резким передним фронтом и пологим спадом напряженности поля. По соотношению электрической и магнитной компонент импульса был рассчитан вектор Пойнтинга, показавший, что поток энергии действительно направлен от Земли и его скорость порядка тысячи км/сек, то есть соответствует уже знакомой нам альвеновской скорости, с которой распространяются низкочастотные возмущения магнитного поля в плазме (обычно называемые МГД-волнами).
Импульс представляет собой альвеновскую МГД-волну, возбужденную токами, индуцированными в ионосфере акустической волной взрыва. В некоторых экспериментах импульс наблюдался спутником даже над ионосферой противоположного полушария. То есть МГД-волна распространялась вдоль силовой линии геомагнитного поля от одного полушария к другому (проходя расстояние в десятки тысяч км) без искажения формы! Теоретикам-плазменщикам были известны разные виды устойчивых нелинейных образований (так называемых солитонов), но с подобной оригинальной разновидностью они встретились впервые.
Теперь отвлечемся от описания конкретных физических результатов и попытаемся разобраться, насколько проведенные эксперименты со взрывами расширили наше представление об окружающем мире. Почему идея акустического воздействия на ионосферу настолько завладела помыслами ученых, что вскоре аналогичные эксперименты со взрывами были проведены в США и других странах?
В последние годы геофизики (впрочем, как и ученые многих других специальностей) все чаще приходят к мысли, что изолированное рассмотрение процессов, происходящих в Земле, атмосфере или ионосфере, не срабатывает. Земля-атмосфера-ионосфера-магнитосфера образуют единую очень сложную систему, которую следовало бы назвать геосферой. Составные части геосферы находятся в постоянном динамическом взаимодействии. Его необходимо учитывать в дополнение к таким всем хорошо известным внешним факторам, как, например, солнечная активность. Изменения в геосфере могут происходить под влиянием таких внутренних процессов, как метеорологическая или сейсмическая активность.
Наконец-то мы можем сказать, какой практической цели послужат вышеописанные эксперименты. Искусственные взрывы — это калибровочные источники акустических волн, сопутствующих любому землетрясению. Если мы детально установим, какие процессы генерируются в магнитосфере наземными взрывами, то над Землей, образно говоря, появится удивительный экран. Сведущий человек без труда прочитает, что происходит в недрах планеты. Землетрясения оставляют визитную карточку на небесах!
В последние годы геофизики обнаружили, что ионосфера «не равнодушна» к аномалиям электромагнитных полей у поверхности Земли. Они, в свою очередь, возникают непосредственно перед сдвижками земной коры. Стало быть, появляется возможность, наблюдая за ионосферой, не только засекать, но и предсказывать катастрофические землетрясения. Но это уже тема другого, отдельного разговора.