9-й Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии

Подождите немного. Документ загружается.

511

Пока фронт ударной волны не догнал фронт те-

пловой, излучает слой плазмы, находящийся между

фронтами. По мере распространения ударной волны

этот слой сжимается, разогревается и яркостная тем-

пература его возрастает, достигая максимума, тогда

как излучение области частичной ионизации стано-

вится ничтожно малым. В момент t = t

происходит

слияние фронтов, прогретый слой исчезает, а интен-

сивность излучения резко падает за счет сильного

отражения волн от поверхности фронта. Последую-

щее расширение ударной волны сопровождается но-

вым ростом температуры излучения. К моменту t

вся область, охваченная ударной волной (огненный

шар), излучает как черное тело, температурная зави-

симость снова достигает максимума, а затем медлен-

но убывает. Радиус области повышенной ионизации в

нижней атмосфере зависит от энергии и высоты взры-

ва и может достигать нескольких десятков метров.

Значения моментов t

и t

зависят от энергии и высоты

взрыва, а значение t

связано еще и с характерной час-

тотой выбранного для наблюдения диапазона микро-

волнового излучения. Длительность всего импульса

радиотеплового излучения с фронта ударной волны

зависит от энергии и высоты взрыва. В приведенном

примере с энергией взрыва 84 ТДж на высоте 10 км

яркостная температура убывает медленно до значений

2-3 кК лишь ко времени, составляющему десятые до-

ли секунды. Моменты времени t

и t

являются ин-

формационными параметрами, измерив которые,

можно оценить мощность источника [5].

Излучение в спектральных линиях

По мере остывания огненного шара вновь всту-

пает в игру излучение области частичной ионизации,

но уже обусловленное новым механизмом. На рис. 4

приведены начальные участки зависимости концен-

трации частиц шестикомпонентной плазмы в этой

области от времени для t < 1 мс.

Расчет проведен в области частичной ионизации

на расстоянии 300 м от центра взрыва. Время под

знаком логарифма измеряется в мкс. Первый всплеск

концентраций заряженных частиц обусловлен мгно-

венным гамма-излучением. Второй, более пологий

горб связан со вторичным гамма-излучением. Кон-

центрация всех заряженных частиц убывает, а затем

стабилизируется на низких уровнях (кривые 2-6).

Концентрация же нейтральных молекул окиси азота

(кривая 1) за время порядка 10-15 мкс нарастает, а

затем выходит на квазистационарный уровень, на

порядки превышающий соответствующие уровни

заряженных частиц. Наши расчеты, сделанные до

t~1 c, и оценки, проведенные в работе [8], показыва-

ют, что концентрация молекул окиси азота сохраня-

ется почти постоянной в течение десятков минут, а

затем окись азота переходит преимущественно в дву-

окись. Это свойство окиси азота подтверждается и в

литературе, и в экспериментах на ударных трубах [8].

Концентрация молекул NO определяется плот-

ностью поглощенной энергии вторичного гамма-

излучения за счет процесса неупругого рассеяния

нейтронов [9]. Молекулы окиси азота замечательны

тем, что они имеют чисто вращательные переходы в

окне прозрачности вблизи 2,3 мм и дают излучение в

линиях. Можно оценить вероятность спонтанных

вращательных переходов NO, полагая, что область

частичной ионизации практически не прогрета, ус-

ловия в воздухе близки к нормальным, а ширина ли-

нии излучения обусловлена столкновениями. Тогда

оценка максимальной спектральной мощности излу-

чения на длине волны λ = 2,3 мм дает P

=2,1·10

-11

1/2

Вт/Гц, где E – энергия взрыва в ТДж.

В работе [8] показано, что после остывания ог-

ненного шара до температур ниже 5 кК, в его объеме

образуется около 100 тонн окиси азота при взрывах

на высоте несколько сотен метров над поверхностью

земли. Используя эту массу окиси, получим оценку

сверху для спектральной мощности излучения ог-

ненного шара: P

=2,4·10

-9

1/2

Вт/Гц. Оценим возмож-

ную антенную температуру огненного ша-

ра

9 1/2

2,4 10

4 2

E S

r k

−

⋅

. Здесь k – постоянная Боль-

цмана. Пусть эффективная площадь антенны радио-

метра равна S = 1 м

. Для E = 84 ТДж и радиометра,

размещенного на спутнике на высоте r = 400 км, по-

лучим T

= 400 К. Такую температуру вполне можно

зарегистрировать радиометрами с большой постоян-

ной времени.

Рис. 3. Зависимость яркостной температуры

от логарифма времени.

Рис. 4. Зависимость концентрации частиц от

времени; 1 – молекулы NO; 2 – ионовNO

–

; 3 –

группы

ионов O

–

, O

–

; 4 – ионов O

–

; 5 – электронов;

6 – группы ионов N

; O

, O

, N

512

Заключение

Рассмотрены различные механизмы генерации

миллиметрового излучения, которые в совокупности

охватывают весь процесс генерации импульса. Общая

длительность регистрируемого сигнала составляет

несколько минут. Наибольший успех при мониторинге

атмосферы и попытках обнаружения мощных взры-

вов, сопровождающихся ионизирующим излучением,

может быть достигнут при комплексном использова-

нии радиометров миллиметрового диапазона с разны-

ми постоянными времени. На временах в десятки и

сотни микросекунд могут быть использованы радио-

метры с постоянной времени 0,1-1 мкс, имеющие чув-

ствительность в сотни кельвин. На последних стадиях

развития взрыва при t > 0,1 с выгоднее использовать

радиометры с бóльшей постоянной времени, и, следо-

вательно, с бóльшей чувствительностью.

Литература

1. Горелик А.Г., Семенова Т.А., Соколов В.Б. и

др. Радиометрическое исследование импульсного

микроволнового излучения// Инж. физика. 2002. № 1.

С. 2-10.

2. Федоров В.Ф., Фролов Ю.А., Шишков П.О.

Миллиметровое электромагнитное излучение возврат-

ного удара молнии // ПМТФ. 2001. Т. 42, № 3. С. 9-14.

3. Федоров В.Ф. ЭМИ в микроволновом диапа-

зоне, возбуждаемый асимметричным нестационар-

ным источником гамма-излучения // Изв. ВУЗов. Ра-

диофизика. 1991. Т. 34, № 10, 11, 12. С. 1116-1119.

4. Fedorov V.F., Кotov Yu.B., Semenova T.A. Mi-

crowave radiation caused by double gamma-source. 6

International Symposium on Electromagnetic Compati-

bility and Electromagnetic Ecology. The proceeding.

June 21-24, 2005. СПб.: СПбГЭТУ "ЛЭТИ". P. 262-

265.

5. Вагин Ю.П., Котов Ю.Б., Мозгов К.С., Семе-

нова Т.А., Федоров В.Ф. // Электромагнитные волны

и электронные системы. 2011. Т. 16. № 3. С. 81-87.

6. Котов Ю.Б., Семенова Т.А., Федоров В.Ф.

Модернизированный пакет программ «BRIGHT» для

расчета параметров воздушной плазмы, образован-

ной источником ионизирующих излучений. М.: Пре-

принт ИПМ РАН им. М.В. Келдыша, № 15, 2004. 30

с.

7. Федоров В.Ф., Семенова Т.А. Генерация мик-

роволнового излучения ударным фронтом мощного

атмосферного взрыва // Инж. физика. 2003. № 4. С.

36-38.

8. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных

волн и высокотемпературных гидродинамических

явлений. М.: Наука, 1966.

9. Исаков А.И., Казарновский М.В., Медведев

Ю.А. и др. Нестационарное замедление нейтронов.

Основные закономерности и некоторые приложения.

М.: Наука, 1984.

513

RADIOBRIGHTNESS TEMPERATURE

OF POWERFUL EXPLOSIONS

OTOV

USSIA

EMENOVA

USSIA

EDOROV

USSIA

Keldysh Institute for Applied Mathematics, Russia Acad. of Sci.

National Research Nuclear University "MEPHI", e-mail: kotsem@voxnet.ru

The power air explosion producing neutron, X-ray

and gamma radiation is considered. The millimetric

emission mechanisms studied. They include coherent

radiation caused by asymmetric gamma quanta output

and noncoherent emission from partly ionized plasma

surrounding the explosion. Radiothermal radiation pro-

duced by shock wave and emission in lines

within air

windows studied also. Radiobrightness and antenna tem-

perature are calculated for 84 TJ explosion at 10 km alti-

tude and for wave length about 2,3 mm. Radiometer is

located on satellite at altitude 600 km.

Total time of millimetric pulse generation is about

1-10 minutes after burst origin. The different parts of a

signal caused by different physical mechanisms.

The first signal part appears if the source has

asymmetric gamma quanta output. The asymmetrically

ionized plasma creates a coherent radiation (lasting

about 10

-7

s) in process of particles collective interaction.

Coherent microwave pulse was observed in papers [1, 2]

for the cases like wire explosion, lightning, laser pulse

and output electron accelerator beam in the air. The radi-

ometer applied had the time constant 0,1 µs and wave

length band about 8 mm.

The other signal part presents noncoherent emis-

sion.

The first portion of noncoherent emission is the

bremsstrahlung of partly ionized plasma surrounding the

explosion. The bremsstrahlung is continuing from 0,1 to

10 mcs approximately. We made analytic calculation of

signal form for t < 1 mcs. For t > 1 mcs we used our

software package giving the solution of the transfer

equation for microwave radiation [3, 4]. The explosion

maximal brightness temperature is about 6 kK.

Next signal part is generated by shock wave front

radiation. The shock wave originates behind a thermal

front and overtakes it. The hot plasma compressed be-

tween two fronts is heated additionally. It brightness

temperature grows. When the shock wave front reaches

the thermal one the brightness temperature falls sharply.

The fall caused by wave reflection from the fronts. Later

the shock wave propagates across more cool surrounding

plasma and heats it. The brightness temperature grows

again reaching maximal value about 4–5 kK. A fireball

boarded by shock wave radiates like black body. Then

the brightness temperature decreases slowly. Total dura-

tion of this signal part depends on energy and explosion

altitude and equals approximately tens ms.

Finally last signal part (spectral lines) is created by

changes between rotational energy levels [5]. We calcu-

lated for partly ionized plasma the concentrations of the

electrons, ions and nitric oxide concentrations by means

of our software package. The concentrations of all

charge particles decrease after first short peak. The ex-

ception is nitric oxide (uncharged). Nitric oxide concen-

tration grows sharply (characteristic time ~ 12 µs) and

remains constant up to t ~ 10 min. The nitric oxide mol-

ecule has rotational line near air window 2,3 mm. We

estimated the spontaneous transition probability and

maximal spectral intensity of radiation. A big mass of

nitric oxide (~ 100 tons for energy 84 TJ) appears in a

cooling fireball [6]. For the case we had estimated the

spectral intensity of nitric oxide emission formed within

a cooling fireball.

Thus we considered all mechanisms involved in

millimetric signal generation from explosion origin to

fireball cooling. The possibility of explosion detection is

discussed.

References

1. Gorelic A.G., Semenova T.A., Sokolov V.B. et al.

The Radiometric Research of the Microwave Pulse

Radiation // Eng. Phys. 2002. N 1, p. 2-8. Russia.

2. Fedorov V.F., Frolov Yu.A., Shishkov P.O.

Millimetric Electromagnetic Radiation of Lightning

return shock // J. of Applied Mechanics and Technical

Physics. 2001.V. 42. N 3, p. 9-14. Russia

3. Fedorov V.F., Kotov Yu.B., Semenova T.A. The

Structure of Microwave Pulse Generated by Power Air

Explosion // Eng. Phys. 2007. N 2, p. 14-18. Russia.

4 Kotov Yu.B., Semenova T.A., Fedorov V.F..

Microwave Pulse of Stratospheric Explosion // Atomic

Energy. 2008. V. 105. Is. 4, p. 156-160. Russia.

5. Kotov Yu.B., Popov V.D., Semenova T.A.,

Fedorov V.F. Millimetric Radiation of Power Explosion

in Spectral Lines / Book of Abstracts of the XXXVIII

International (Zvenigorod) Conference on Plasma

Physics and Controlled Fusion. Zvenigorod, February

14-18, 2011. Moscow. 2011, p. 189. Russia.

6. Zeldovitch Ya.B., Raizer Yu.P. Physics of Shock

Waves and High Temperature Hydrodynamic

Phenomenon. M. Science, 1966. Russia.

514

НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ В ИОНОСФЕРЕ НА ГРАДИЕНТЕ

МАГНИТНОГО ПОЛЯ

В.

И.

АРКИНА

ОССИЯ

ИЗМИРАН, larkina@izmiran.ru

Аннотация. По данным спутника «Интеркосмос-18» обнаружены одновременные флуктуации ам-

плитуды низкочастотных шумовых излучений и интенсивности одной или нескольких компонент

магнитного поля в области авроральных широт, где обычно наблюдаются продольные токи. Появле-

ние одновременных мелкомасштабных вариаций интенсивности излучений и компонент магнитного

поля и их динамика во время возмущений являются экспериментальным подтверждением возможно-

сти возбуждения низкочастотных излучений струями продольного тока.

Abstract. The study of the Intercosmos-18 experiment has revealed simultaneous fluctuations in the LF

emission amplitude and in the intensity of the one of magnetic field components in the region of invariant

latitudes where field-aligned currents are usually observed. The observed zone of fluctuations is shown to

move spatially as a geomagnetic storm develops. The correlation between the magnetic field fluctuation am-

plitude and the amplitude of LF noise in the field-aligned current region suggests a common source of the

fluctuations. Presumably, they are related to the filament structure of the plasma. The occurrence of simulta-

neous small-scale variations of the emissions and of the magnetic field components is experimental evidence

for LF magnetic emission generation by field-aligned current streams

Введение

Околоземная плазма существенно неоднород-

на. Для нее характерны градиенты магнитного по-

ля, плотности и температуры плазмы и плотности

потоков частиц, пронизывающих ее. Это определя-

ет возможности возникновения локальных неус-

тойчивостей, что приводит, в свою очередь, к обра-

зованию колебаний и волн различных типов с ши-

роким спектром частот. Вариации геомагнитного

поля приводят к изменению адиабатических инва-

риантов движения энергичных электронов, при

этом, в свою очередь, изменяются условия возбуж-

дения низкочастотных излучений.

Кольцевой ток и волны

Известна роль кольцевого тока в изменении

напряженности геомагнитного поля во время раз-

вития геомагнитных бурь. Кольцевой ток сущест-

вует даже и в магнито-спокойное время. Постоян-

ное существование кольцевого тока является след-

ствием присутствия заряженных частиц, захвачен-

ных в магнитосфере, их дрейфовых движений в

геомагнитном поле.

По результатам экспериментов на ИСЗ «Интер-

космос» трудно различить частицы кольцевого тока

и радиационного пояса. К сожалению, спутники

«Интеркосмос» не пересекали экваториальные об-

ласти кольцевого тока (R

~5…8R

), а существовали

только на высотах внешней ионосферы. Тем не ме-

нее, используя результаты наблюдений КНЧ/ОНЧ

излучений можно сделать некоторые уточняющие

выводы относительно процессов возбуждения низ-

кочастотных излучений. Скорее всего, в процессе

возбуждения плазмосферных излучений реализуют-

ся несколько различных физических механизмов.

Нами установлено, что, в среднем, интенсив-

ность КНЧ/ОНЧ излучений растет линейно с уве-

личением Dst-вариаций [1, 2]. Для исследования

природы связи кольцевого тока и низкочастотных

излучений были привлечены материалы регистра-

ции кольцевого тока на спутниках летавших одно-

временно с нами.

Рассмотрим одновременные пространственно-

временные вариации интенсивности ОНЧ- излуче-

ний, потоков протонов и электронов во время уме-

ренной магнитной бури (24 февраля 1972 г., SC в

6.42 UT) по данным наблюдений на ИСЗ “Интер-

космос 5” и на ИСЗ “Explorer 45”. Высота апогея

спутника “Интеркосмос” 5 не превышала 800 км,

высота перигея составляла 200 км. Апогей траекто-

рии находился в южном полушарии вблизи геогра-

фической широты 48°, экватор спутник пересекал в

21h MLT (восходящий узел), в северном полушарии

спутник находился ночью, в южном – днем. Регист-

рация протонов и электронов 22.3 < E < 30.3 кэВ на

спутнике “Explorer 45” в главную фазу (314 виток)

велась одновременно с регистрацией шумовых из-

лучений на спутнике “Интеркосмос 5” (витки 1254–

1257). Это позволило сопоставить изменения уровня

шумовых излучений, полученные на малых высотах

и вариации частиц кольцевого тока в области эква-

тора, когда спутники находились на одной и той же

L-оболочке в близкое местное время.

Буря 24 февраля 1972 г. началась на умеренном

фоне. Протекание бури в главную фазу было клас-

сически простым – максимальное понижение Dst = –

90 нТл. А

индекс при этом увеличился до 1000 нТл.

Рассмотрим изменения интенсивности излучения на

частоте 500 Гц в южном полушарии во время глав-

515

ной фазы бури в зависимости от L-оболочки. Для

примера выбрано излучение на частоте 500 Гц, так

как оно отражает наиболее характерные вариации

интенсивности низкочастотных излучений.

На рис. 1 приведены пространственные вариа-

ции максимума интенсивности излучения в ходе

развития геомагнитной бури. По вертикали отло-

жена инвариантная широта максимума, по горизон-

тали – время (даты). Из рисунка видно, что макси-

мум излучений в начале фазы развития бури нахо-

дился на Φ = 60°–65°, в ходе развития бури макси-

мум начал смещаться на более низкие широты, на

1254 витке максимум значительно расширился и

был зарегистрирован на Φ = 50°–58°. На последую-

щих витках максимум находился на Φ = 50°–52°. Во

время фазы восстановления максимум постепенно

перемещался к более высоким широтам на Φ = 58°–

61° (26 февраля) и Φ = 60° (29 февраля). В самом

конце фазы восстановления интенсивность излуче-

ния сохранилась на уровне ~30 дБ. 28 февраля 1972

г. была зарегистрирована суббуря, которая обуслов-

лена дополнительной инжекцией частиц в кольцевой

ток и в полярную область. Эту инжекцию можно

заметить на рис. 1 в Dst вариациях. Плотность энер-

гии частиц в это время по данным ИСЗ “Explorer 45”

возросла по сравнению с плотностью энергии на

предыдущем витке. По-видимому, дополнительная

инжекция частиц в кольцевой ток и поддержала из-

лучение на уровне ~ 30 дБ.

Рис. 1.

B10ч UT в главную фазу бури авторы работы

[3] на “Explorer 45” наблюдали плазмопаузу на L =

4.9 в ~18 MLT, увеличение потоков протонов и

электронов с энергиями от 6 до 22.6 кэВ на L = 4.4

и максимум потока протонов на L = 4.5-4.8. С уве-

личением потоков протонов наблюдалось и увели-

чение потоков электронов.

На рис. 1 вертикальными пунктирными линия-

ми показаны границы кольцевого тока по данным

спутника “Explorer 45”. Видно, что до начала воз-

мущения границы кольцевого тока были на Φ =

60°–65° (виток 314), в начале фазы восстановления

– на Φ = 52°–55°. Во время восстановительной фазы

бури границы кольцевого тока сместились на Φ =

57°–60° (26 февраля) и на Φ = 60° (27 и 28 февраля).

На основании совместного рассмотрения данных

двух спутников, можно сделать следующие выводы:

области, где амплитуда излучений максимальна, где

эти излучения, скорее всего и возбуждаются, и об-

ласти кольцевого тока совпадают или очень близки,

во время магнитной бури происходят аналогичные

пространственные перемещения этих областей, по-

ложение среднего радиуса кольцевого тока по на-

блюдениям низкочастотных излучений согласуется с

наблюдениями частиц кольцевого тока и красными

дугами [4]. По полученным оценкам о перемещении

области генерации низкочастотных излучений мож-

но судить об изменениях среднего радиуса кольце-

вого тока и скорости этого изменения, оценена сред-

няя скорость перемещения к Земле области кольце-

вого тока и максимума шумов, эта скорость равна

~4150 км/час [5]. Кроме того, о возможности возбу-

ждения части низкочастотных излучений частицами

кольцевого тока, говорит тот факт, что чем сильнее

магнитная буря, тем дольше сохраняется повышен-

ный уровень интенсивности низкочастотных излу-

чений и также достаточно длительное время необхо-

димо для распада кольцевого тока.

Таким образом, перечисленные факты позволи-

ли сделать предположение о возможности генерации

части зарегистрированных на ИСЗ “Интеркосмос”

шумовых излучений электронами магнитосферного

кольцевого тока при их взаимодействии с холодной

плазмой магнитосферы. По полученным оценкам о

перемещении области, занятой излучениями, можно

судить об изменениях среднего радиуса кольцевого

тока и скорости этого перемещения.

Мелкомасштабные изменения поля и волн

(Продольные токи и волны)

Обдувание магнитосферы солнечным ветром

приводит к образованию в высоких широтах маг-

нитосферно-ионосферной системы продольных

токов. Они существуют вдоль всех силовых линий

на широтах более 60°.

По результатам магнитометрических измере-

ний на спутниках продольные токи образуют чере-

дующиеся полосы втекающих в ионосфере и выте-

кающих из нее токов [6, 7]. Единичные измерения

свидетельствуют о сильной изменчивости крупно-

масшабных продольных токов, связанной с мелко-

масштабными вариациями продольных токов c

временными изменениями крупномасштабных то-

ковых полос.

В авроральных областях во время восстанови-

тельной фазы геомагнитных возмущений были одно-

временно зарегистрированы флуктуации интенсивно-

сти низкочастотных излучений и магнитного поля [8].

На спутнике «Интеркосмос 18» регистрирова-

лись интенсивность низкочастотных излучений в

диапазоне 0.1-20 кГц с чувствительностью 10

-5

516

нТл/√Гц и три компоненты магнитного поля Земли

(с чувствительностью 10 нТл), оси датчиков магни-

тометра были направлены следующим образом: ось

X – вдоль вектора скорости спутника, ось Z к цен-

тру Земли и ось Y дополняет систему до правой.

В качестве примера на рис.2 приведены анало-

говые записи компонент магнитного поля (верхняя

часть рисунка) и низкочастотных излучений на час-

тотах 140, 450, 800 и 4650 Гц во время восстанови-

тельной фазы возмущения 19 января 1979 г.

На рисунке спутник (он двигался справа нале-

во) пересек южную полярную шапку и перемещал-

ся в сторону более низких широт. В 18.29.30 UT

начала заметно возрастать интенсивность излуче-

ний на частотах 140, 450 и 800Гц (Ф’=78,75°) и она

сохранилась повышенной до 18.30.20 UT

(Ф’=78,75°). После этого на частоте 140 Гц интен-

сивность снизилась до уровня собственных шумов.

На частотах 450 и 800 Гц излучение регистрирова-

лось дольше. Интенсивность излучений с 18.29.30

UT по 18.30.20 UT существенно флуктуировала,

причем наиболее мелкомасштабные флуктуации

наблюда- лись с 18.29.35 по 18.29.50 UT (особенно

см. частоту 140 Гц).

В компоненте Y магнитного поля в 18.29.50 UT

зарегистрирован значительный градиент. С 18.29.35

по 18.29.50 UT наблюдались мелкомасштабные

колебания интенсивности Y компоненты магнитно-

го поля. Наличие заметного градиента в компонен-

тах магнитного поля свидетельствует о пересече-

нии спутником продольных токов. Сравнение по-

лученных результатов со среднестатистическим

распределением продольных токов, наблюдаемых в

дневное время в возмущенных условиях, показало,

что области наблюдения одновременных флуктуа-

ций интенсивности низкочастотных излучений и

компонент магнитного поля совпали со среднеста-

тистическим распределением продольных токов.

Как известно, одной из основных компонент ионо-

сферной плазмы является атомарный кислород.

Исследования на спутниках S3-3 и DЕ показали,

что в высоких широтах вдоль силовых линий (вы-

соты 400 км и выше) наблюдаются текущие вверх

потоки энергичных (кэВ) ионов 0+, с немаксвел-

ловским распределением по скоростям (типа “ко-

ники”). В работе [9] высказано предположение, что

такой механизм ускоряет ионосферные ионы пер-

пендикулярно магнитному полю. Подобный попе-

речный разогрев ионов (особенно 0+) может обес-

печить новый механизм, предложенный в [10]. Ра-

зогрев ионов дают возбуждаемые током альвенов-

ские волны с широм (АВШ). Существование

электромагнитной компоненты (возможно, волн

АВШ) в области источника ионных коников дока-

зано в [11]. Авторы показали, что значительная

часть энергии переносится электромагнитными

волнами АВШ. Волны АВШ могут обеспечить по-

перечный разогрев ионов при меньших токах, чем

электростатистические ионноциклотронные волны

(ЭИЦВ). В результате возникают достаточно ин-

тенсивные колебания, частоты которых близки к

циклотронным частотам ионов водорода и кисло-

рода (ω

ВН+

и ω

ВО+

Рис. 2.

В случае рис. 2 величина измеренного геомаг-

нитного поля в 18.29.50 UT составила В

~0,486

Гс. Тогда

еВ

ВО+

=--------; f

B0+

=----------; f

B0+

=50 Гц

16 m

c 2π

Если допустить, что могут возбуждаться и

распространяться волны и более высоких гармоник

(3ω

В0+

), тогда рост интенсивности излучения на

частоте 140 Гц (см. рис.2) может служить подтвер-

ждением генерации электромагнитных волн на вы-

соте спутника (~470 км) днем (~11

÷ 12

MLT) на

широтах 75° ÷ 79°. Вариации Y компоненты маг-

нитного поля свидетельствуют о пересечении спут-

ником мелкомасштабных продольных токов.

В [12] показано, что на ионосферных высотах

интенсивные продольные токи могут дробиться на

токовые волокна, характерный масштаб которых

зависит от плазменной частоты фоновой плазмы.

Показано, такой механизм дробления листового

тока не имеет порога, возникает неустойчивость

токов и полей и в результате образуются различные

колебания и волны.

Если считать приведенную на рис. 2 картину

продольных токов стационарной относительно

спутника, движущегося со скоростью 8 км/с, и

517

принять размер токового волокна ~ 60 м, то частота

колебаний интенсивности магнитного поля регист-

рируемая на спутнике и вызванная только про-

странственной неоднородностью поля будет со-

ставлять ~ 140 Гц.

Флуктуации интенсивности КНЧ излучений на

частотах 140, 450, 800 Гц на широтах Ф=75-79°

можно считать «магнитным шумом», который ука-

зывает на пересечение спутником области полярно-

го каспа. В южном полярном каспе и вблизи него

видны мелкомасштабные продольные токи с ин-

тенсивностью ~10

-3

А/м

в той же области про-

странства, где отмечены всплески КНЧ – шума.

В работе [13] на основе сопоставления данных

спутника “Триад” (~800 км) о продольных токах и

электромагнитных излучений со спутника

“Hawkeye-1” (высота ~2000 км) было высказано

предположение, что продольные токи имеющие

тонкую структуру могут приводить к возбуждению

низкочастотных излучений в каспе. По результатам

полученным на спутнике “Интеркосмос 18”, где

проводились одновременные измерения интенсив-

ности низкочастотных излучений и компонент маг-

нитного поля было высказано предположение [8],

что низкочастотные шумы могут возбуждаться в

области мелкомасштабных продольных токов.

Ранее нами было показано, что некоторая часть

низкочастотных излучений может возбуждаться на

ионосферных высотах потоками высыпающихся и за-

хваченных электронов и протонов. На высотах 450 км

в КНЧ спектрах обнаружены полосы магнитных шу-

мов вблизи локальной гирочастоты протонов. Для на-

шего случая (см. рис. 2) f

BH+

≈770 Гц. Поэтому появле-

ние КНЧ излучений в высоких широтах может быть

связано с возбуждением части излучений или усилени-

ем этих излучений потоками энергичных протонов (с

энергиями в десятки кэВ) в дневное время.

Заключение

Настоящая работа является эксперименталь-

ным подтверждением возможности возбуждения

низкочастотных излучений на градиентах магнит-

ного поля.

Литература:

1. Ларкина В.И., Лихтер Я.И. Плазмосферные

шумовые излучения во время геомагнитных бурь//

Геомагнетизм и аэрономия. 1981. Т. 21, № 4. С. 661-667

2. Ларкина В.И. Развитие геомагнитной бури

в ОНЧ-шумах //Геомагнетизм и аэрономия. 2010.

Том. 50, №3. С. 334-343

3. Konrady S., Semar C.L., Fritz T.A. Injection

loundary dynamic during a geomagnetic storm // J.

Geophys. Res.V. 81. № 22. P. 3851–3856. 1976.

4. Frank L.A. On the extraterrestrial ring cur-

rent during geomagnetic storm //J.Geophys. Res. V. 72.

P. 3753–3758. 1967.

5. Ларкина В.И., Сизова Л.З. Динамика магни-

тосферного кольцевого тока по наблюдениям ОНЧ-

излучений // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 21. № 3.

С. 570–571. 1981

6. Фельдштейн Я.И. и др. Крупномасштабные

продольные токи и другие геофизические явления

//осферные исследования № 37. М.: Радио и связь.

1983. С. 5-29

7. Potemra T.A., Iijima T., Saflekos R.A. Large-Scale

characteristics of Birkeland Currents. Dynamic of Magne-

tosphere//Proc. Of Chapman Conf. Dordrecht. 1980. P.

165-269

8. Ларкина В.И., Струнникова Л.В. Вариации

низкочастотных шумов и геомагнитного поля в

области продольных токов во время возмущения 28

января 1980 г. //Физика ионосферы и магнитосфе-

ры. М.: ИЗМИРАН. 1983. С. 27-38

9. Sharp R.D. et al. Observation of an ionospheric

acceleration mechanism producing energetic (keV) ions

primarily normal to the geomagnetic field direction //J.

Geophys. Res. 1977. Vol. 82, № A6. P.3324-3329.

10. Wingler R.M. et al. Heating of ionospheric O+

ions by shear Alfven waves //J. Geophys. Res. 1987.

Vol. 92, № A6. P.5911-5924.

11. Gurnett D.A. et al. Correlated low-frequency

electric and magnetic noise along the auroral field lines

//J. Geophys. Res. 1984. Vol. 89, № A10. P.8971-8985.

12. Гальперин Ю.И., Зеленый Л.М. и др. Пинче-

вание продольных токов как возможный механизм

образования лучистых форм полярных сияний

//Космические исследования. 1986. Т. 24. С. 865-874.

13. Kinter P.M., Saflecos et al.//J. Geophys. Res.

1979. Vol. 84, № A3. P.1391-1394.

518

ВОЗМУЩЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПРИ ПОДЗЕМНОМ ВЗРЫВЕ

ЗАРЯДА ХИМИЧЕСКОГО ВЗРЫВЧАТОГО ВЕЩЕСТВА (ВВ) МАЛОЙ

МОЩНОСТИ

М.

ИЛАТОВ

ОССИЯ

В.

И.

УТИН

ОССИЯ

О.

А.

СЕНОФОНТОВА

ОССИЯ

В.

Ф.

ОЛОЧКОВ

ОССИЯ

О.

А.

ЕРАСИМЧУК

ОССИЯ

ФГУП «ВНИИА», e-mail: vniia@vniia.ru

Аннотация. При выполнении работ по проекту МНТЦ № 835 на испытательном полигоне РФЯЦ

ВНИИТФ были проведены модельные подземные взрывы зарядов химического ВВ с целью исследо-

вания характеристик электромагнитных возмущений, вызванных детонацией ВВ. В данной статье

приводятся состав измерительной аппаратуры, методика проведения экспериментов, характерные

экспериментальные результаты и физическая модель, интерпретирующая проявление сейсмоэлек-

трического и магнитоиндукционного эффектов.

Abstract. When performing work under the ISTC Project No. 835 at VNIITF RFNC test site there were car-

ried out model underground blasts of chemical explosive charges in order to study characteristics of elec-

tromagnetic distortion generated by denotation of explosives. This paper represents configuration of instru-

mentation, routine of experiments, typical experimental results and physical model interpreting a phenome-

non of seismoelectrical and magnetic induction effects.

Введение

Рассматриваемые эксперименты являются ча-

стью работ, проведённых в рамках проекта МНТЦ

№ 835-98 «Исследование электромагнитных сигна-

лов, сопровождающих подземные химические взры-

вы». В опытах по исследованию электромагнитных

возмущений была использована высоконадёжная и

помехоустойчивая система регистрации с автоном-

ными измерительными каналами, обеспечивающая

высокую чувствительность к полезным сигналам.

Одной из задач выполненной работы была разработ-

ка физической модели, интерпретирующей экспери-

ментальные результаты.

Система регистрации и методика проведения

экспериментов

Для регистрации электромагнитных возмуще-

ний использовались датчики индукционного типа.

Технические характеристики этих датчиков приве-

дены в таблице 1.

Таблица 1

Диапазон рабочих частот на

уровне –3 дБ, Гц

200-20000

Коэффициент преобразования,

мВ/пТл

Приведенный уровень собст-

венных шумов, пТл

Динамический диапазон (для

однократных сигналов), пТл

8-6000

Габаритные размеры, мм 300х150х55

Сигналы с датчиков фиксировались с помощью

цифрового регистратора TDS-540D и трех двухка-

нальных аналоговых аудиорекордеров MZ-R50 фир-

мы SONY.

При проведении исследований датчики магнит-

ного поля были закреплены на специальном штативе

и ориентированы в трёх взаимно перпендикулярных

направлениях. Штатив с датчиками был помещён в

защитный кожух, расположенный в углублении (ни-

же уровня земли). Сигналы с датчиков поступали по

измерительным линиям на рекордеры, которые были

удалены от датчиков на расстояние 5 м с целью сни-

жения уровня возможных помех от работы механи-

ческих узлов рекордеров. Сигнал с датчика магнит-

ного поля записывался в одном канале рекордера, а

сигнал синхроимпульса, соответствующий началу

детонации заряда ВВ – в другом. Подрыв заряда ВВ

инициировался с помощью огнепроводного шнура.

Рекордеры включались в режим записи за 5 минут до

зажигания огнепроводного шнура и выключались

через 5 минут после взрыва заряда ВВ. После прове-

дения экспериментов записанная на рекордерах ана-

логовая информация преобразовывалась в цифровой

вид с использованием осциллографа TDS-540D.

Экспериментальные данные

Характерные переходные процессы, полученные

для одного из подземных взрывов, приведены на

рис. 1, редакции этого взрыва - в таблице 2, ориента-

ция датчиков относительно эпицентра взрыва - на

рис. 1а.

519

Рис. 1.

Осциллограмма сигналов с датчиков магнитного по-

ля №1, 2, 3 и синхроимпульса, зарегистрированных в

опыте № 21 от 02.07. 99 г.

Развёртка по горизонтали - 50 мкс/дел. Чувствитель-

ность - 20 пТ/дел.

Рис. 1а.

Ориентация датчиков относительно эпицентра

взрыва.

Обсуждение экспериментальных данных

В основу физической модели интерпретирую-

щей полученные экспериментальные результаты,

положены известные сейсмоэлектрический [1-3] и

магнитоиндукционный [4] эффекты. При создании

модели принимались во внимание следующие пред-

положения и допущения:

- детонация заряда ВВ вызывает радиальное

движение окружающего грунта под действием рас-

пространяющейся ударной волны [6], повышая его

проводимость в силу проявления сейсмоэлектриче-

ского эффекта;

- перемещающийся грунт рассматривался как

некая проводящая область эллипсоидного типа, рас-

ширяющаяся во внешнем магнитном поле Земли и

ограниченная снаружи - фронтом ударной волны,

изнутри- границей раздела между продуктами взры-

ва и движущимся грунтом;

- в процессе расширения проводящей области

внутри нее индуцируется ток, обусловленный магни-

тоиндукционным эффектом, который и создаёт крат-

ковременное электромагнитное возмущение;

- направление и величина индуцируемого тока

определяется скоростью расширения проводящей

области, её собственной проводимостью, а также

направлением и модулем вектора магнитного поля

Земли.

Таблица 2

Дата, № и

тип взрыва

02.07.99, №21, камуфлет на глу-

бине 2,3 м

Заряд Цилиндр из ТГ 5/5, диаметр

60х420 мм

масса 2,0 кг

Ориентация

заряда

Горизонтальная (восток-запад)

Направление

детонации

С востока

Схематическое изображение предполагаемого

процесса приведено на рис. 2.

Рисунок 2.

Генерация импульсного магнитного поля при

подземном химическом взрыве.

Область грунта с повышенной проводимостью

выделена серым цветом. Вектор индукции внешнего

магнитного поля Земли В

направлен перпендику-

лярно плоскости рисунка. Вектор индукции генери-

руемого магнитного поля В

направлен против В

. На

рисунке стрелками показано направление движения

грунта и направление индуцированного в проводя-

щей области тока I.

Проведём количественную оценку сделанных

предположений.

№1

№2

№3

5 м

Эпицентр

взрыва

520

В расширяющейся проводящей области можно

выделить замкнутый контур радиуса R, все элементы

которого имеют вектор скорости v, направленный от

точки взрыва. Этот контур нагружен на собственное

внутреннее сопротивление r

. Согласно закону элек-

тромагнитной индукции в замкнутом контуре при

изменении магнитного потока возникает ЭДС, опре-

деляемая по формуле:

Е = - dФ/dt (1)

Здесь dФ/dt – скорость изменения магнитного

потока, пронизывающего контур. Максимальная ве-

личина магнитного поля, полученная эксперимен-

тально, согласно рисунку 1 достигается через время

t = 100 мкс после начала детонации ВВ. Область

грунта, приведённого в движение к этому моменту,

имеет радиус ~ 0,40 м. Усреднённая по радиусу ве-

личина Е

ср

= ( Е

макс

+ Е

мин

) / 2 равна 0,18 В. Сопро-

тивление нагрузки r

, к которому приложена ЭДС Е,

определяется эффективной электропроводностью

грунта, подвергнутого воздействию ударной волны.

На основании имеющихся в литературе данных

[1, 5], при средней длине контура L

= 1,82 м и пло-

щади поперечного сечения проводящей области

пр

= 0,40 м

, оцениваемое сопротивления нагрузки

равно 4,5 Ом. Тогда рассчитанная величина проте-

кающего в контуре тока равна 0,04 А.

Рассчитанное значение модуля магнитного ди-

польного момента для предполагаемого контура с

током p

рас

= 0,02 Ам

. По этому значению был про-

веден расчет величины индукции магнитного поля на

расстоянии 5 м от эпицентра взрыва. Получено значе-

ние 30 пТл, что неплохо согласуется с эксперимен-

тальными значениями на рис. 1. Задержка в появлении

импульса магнитного поля относительно сигнала син-

хронизации объясняется тем, что до завершения дето-

нации ВВ отсутствует замкнутая область с электро-

проводностью, достаточной для развития тока, соз-

дающего электромагнитное возмущение на уровне

порога чувствительности использованных датчиков.

При последующем расширении проводящей области и

образовании замкнутого проводящего контура в грун-

те ток возрастает. После достижения максимума зна-

чение тока уменьшается, что связано с затуханием

амплитуды распространяющейся ударной волны и

снижением скорости движения самого грунта.

Исходя из предложенного механизма, сигнал

электрического поля будет опережать импульс маг-

нитного поля. Для рассмотренной редакции взрыва

максимальное значение сигнала электрического поля

следует ожидать к моменту завершения детонации

заряда ВВ через время t ~ 50 мкс.

Заключение

На примере зарегистрированного электромаг-

нитного возмущения при камуфлетном взрыве мо-

дельного заряда химического ВВ создана качествен-

ная модель, объясняющая появление зарегистриро-

ванных импульсных сигналов. Главным варьируе-

мым параметром предлагаемой модели является эф-

фективная проводимость грунта в области между

фронтом ударной волны и продуктами взрыва. Пред-

ложенная качественная модель, по-видимому, может

быть положена в основу описания причин возникно-

вения кратковременных электромагнитных возму-

щений при подземных взрывах химического ВВ.

Работа выполнялась при финансовой поддержке

МНТЦ в рамках Проекта № 835-98.

Литература

1. Потапов О.А., Лизун С.А., Кондрат В.Ф. и др.

«Основы сейсмоэлектроразведки», Москва, «Недра»,

1995г.

2. Иванов А.Г. «О сейсмоэлектрическом эффек-

те первого рода (J) в приэлектродной области», Док-

лады АН СССР, сер. Геофизика, 1949г., том 68, №1,

стр.53-56.

3. Иванов А.Г. «Сейсмоэлектрический эффект

второго рода», Известия АН СССР, сер. Географиче-

ская и геофизическая, 1940г., №5, стр. 699-726.

4. Парселл Э. М. «Электричество и магнетизм»,

Берклеевский курс физики, том 2, «Наука», 1975г.

5. Борщевский А.О., Горшков М.М., Заикин

В.Т., Лобачев С.В. «Некоторые результаты экспери-

ментального определения электропроводности про-

дуктов взрыва и ударносжатых пород», Российско-

Американский семинар «ЭМИ химических взрывов»

по проекту МНТЦ №835-98, 16-17 ноября 1999 г.,

М.,1999 г.

6. Баум Ф.А., Станюкович К.П., Шехтер Б.И.

«Физика взрыва», Москва, ГИФМЛ,1959г.