Моделирование распространения инфразвуковых волн в атмосфере высоких широт от Витимского болида

DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.5.87-96 УДК 534-6+523.682.4

Е.А. Касаткина, О.И. Шумилов

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ИНФРАЗВУКОВЫХ ВОЛН В АТМОСФЕРЕ ВЫСОКИХ ШИРОТ ОТ ВИТИМСКОГО БОЛИДА

Аннотация

Представлены результаты моделирования распространения инфразвуковых волн от взрыва Витимского болида (24 сентября 2002 г.). Для расчетов применялся метод лучевых траекторий, модифицированный для инфразвуковых волн, а также использовались атмосферные модели М81ЭЕ 2000 и Ь^М07. Приведены данные регистрации инфразвуковых волн и ионосферных эффектов на станциях Кольского п-ова, расположенных на расстоянии около 4000 км от места взрыва Витимского болида. По предварительным модельным представлениям установлено, что атмосферные условия являлись благоприятными для возникновения атмосферного акустического канала и распространения инфразвуковых сигналов от данного источника в западном направлении.

Ключевые слова:

инфразвуковые волны, болиды.

E.A. Kasatkina, O.I. Shumilov

MODELING OF THE INFRASONIC SIGNAL PROPAGATION

IN THE HIGH-LATITUDE ATMOSPHERE FROM THE VITIMSKY FIREBALL

Abstract

The results of modeling of the infrasonic signal propagation from Vitimsky fireball (September 24, 2002) explosion are presented. For calculations, the method of ray tracing modified for infrasonic waves was used, and atmospheric models MSISE 2000 and HWM07 were used. The data of infrasonic wave and ionospheric effect registrations at Kola Peninsula stations located at distance of about 4,000 km from the site of the Vitimsky bolide explosion are presented. According to the preliminary model simulations, it was found that atmospheric conditions were favorable for the emergence of atmospheric acoustic ducts and propagation of infrasonic signals from this source in the west direction.

Keywords:

infrasonic waves, bolides.

Введение

Изучение процессов генерации и распространения инфразвуковых волн в последнее время приобретает все большее значение. Инфразвуковые волны, особенно ВГВ (внутренние гравитационные волны), могут распространяться на большие расстояния, а также до ионосферных высот почти не меняя своего периода. Известно, что источниками инфразвука могут быть естественные (землетрясения, извержения вулканов, падение метеоритов, циклоны, грозы) и антропогенные (взрывы, запуски ракет, удары от самолетов) воздействия. Поэтому задачи таких исследований тесно связаны с прогнозированием

катастроф. Процессы распространения инфразвуковых волн, возникающих при вторжении в атмосферу метеорных тел, исследовались в ряде работ [1-14]. Условия распространения инфразвуковых волн в атмосфере зависят от высотного распределения температуры, а также направления и скорости ветра. Температурные и ветровые инверсии приводят к формированию атмосферных акустических волноводов протяженностью до нескольких тысяч километров. При моделировании в упрощенном варианте используется метод лучевых траекторий, предложенный ранее Буландом и Чепмэном [15] для определения времен пробега сейсмических волн, модифицированный для инфразвуковых волн, перемещающихся в движущейся среде (слоистой атмосфере) с учетом переменных по высоте профилей скорости ветра и температуры [16]. Данное приближение вполне применимо для длин волн, много меньших вертикальных неоднородностей атмосферы и горизонтальных синоптических образований, что позволяет не учитывать влияние силы тяжести и кривизны земной поверхности [17]. Хотя метод лучевых траекторий и предполагает высокочастотное приближение, его применимость при моделировании низкочастотного инфразвукового распространения подтверждено рядом исследований [12]. Для более точного моделирования используются другие методики (например, метод псевдодифференциального параболического уравнения, уравнение Кортевега-де Вриза [5, 17]). Для стандартных атмосферных условий вертикальные градиенты температуры и скорости ветра обычно на порядок превышают горизонтальные, поэтому на расстояниях до 600 км атмосферу грубо можно считать однородной при условии отсутствия значительных синоптических возмущений [18]. В данной работе приведены результаты моделирования предполагаемого распространения в высокоширотной атмосфере инфразвуковых сигналов от взрыва Витимского болида (24 сентября 2002 г.).

Материалы и методы

Высотные профили температуры брались из модели MSISE 2000, скорости зональных и меридиональных ветров - из модели Horizontal Wind Model (HWM07) [19]. С этой целью была модифицирована часть исходного кода (HWM07) для компиляции в среде программирования PGI Visual Fortran. Модель HWM07 является эмпирической и основана на данных ИСЗ AE-E, DE-2 и радаров некогерентного рассеяния. Модель HWM07 позволяет получать профили скоростей зональных ветров до высоты F-слоя ионосферы в любой географической точке с учетом солнечной активности и геомагнитной возмущенности. HWM07 может быть использована при моделировании особенностей распространения инфразвуковых волн от источников искусственного и природного происхождения, а также для изучения волновых возмущений полярной ионосферы при активных воздействиях на неё.

Результаты и обсуждение

В работе [2] приводятся результаты экспериментального обнаружения инфразвукового сигнала от взрыва в атмосфере болида 24 сентября 2002 г. в районе р. Витим, Иркутская обл. (57.9N, 112.9E). Витимский болид был зарегистрирован оптическими и инфракрасными датчиками спутниковой системы наблюдений США 24.09.2022 г. в 16:48:56 UT. Инфразвуковой сигнал от пролета болида был зарегистрирован тремя пространственно разнесенными

микробарографами в обс. Апатиты (67.6К, 33Е) на расстоянии 4000 км от источника (рис. 1). Из рис. 1 Отчетливо видно, что в ~22:20 иТ на всех трех датчиках был зафиксирован приход инфразвукового сигнала с максимумом амплитуды ДР=45 дн/см2. Этот сигнал отчетливо виден даже на фоне постоянно наблюдаемых в данном пункте подветренных волн, регистрация которых обусловлена близостью горного массива Хибины. Зная время прихода сигнала (~22:20 ИТ) и расстояние до источника (~4000 км), можно оценить среднее значение горизонтальной проекции скорости распространения сигнала: V = Я/Т «180-200 м/с. Такие значения скорости характерны для термосферного (на высоте >85 км) распространения сигнала [20], а также для стратосферно-тропосферного распространения уединенных волн (солитонов) [21]. Распространение акустико-гравитационного (АГВ) сигнала от взрыва Витимского болида вызвало возмущение в ионосфере высоких широт. На рис. 2 приведены записи доплеровского радара ПГИ КНЦ РАН, расположенного в обс. Туманный (69.0 К, 35.7Е) [22]. Радар действует в полосе частот 2.6-2.75 МГц с максимальной мощностью ~100 кВт.

Рис. 1. Регистограмма записей микробарографов в обс. Апатиты 24 сентября 2002 г.: (а) суточная запись; (б) интервал времени 22:00 - 24:00 ИТ.

Из рис. 2 видно, что, несмотря на отсутствие каких-либо геомагнитных возмущений в исследуемый период, наблюдается усиление радиошума по сравнению с последующим днем. Первый всплеск интенсивности радиошума наблюдается с 17:40 по 17:50 иТ, второй - 21:00-21:45 ЦТ и третий в 22:35-22:55 ЦТ [22]. Оценки величин соответствующих скоростей распространения сигнала дали следующие результаты: ~1.2 км/с, ~300 м/с и ~200 м/с. Первая величина соответствует скорости распространения МГД-волны в ионосфере, две другие - скорости распространения АГВ и совпадают с величиной, полученной по данным микробарографа [2]. Акустико-гравитационный сигнал в высоких широтах от падения метеорита на таком расстоянии и в таком частотном диапазоне (0.0001-1 Гц) был зафиксирован впервые в мире, что было отмечено в работах [8, 11]. Данные результаты позднее были подтверждены в работе [3], где сообщалось о регистрации АГВ-сигнала от Витимского болида по данным микробарографов на расстояниях 2012 км и 4350 км. Место взрыва Витимского болида, а также станций регистрации инфразвуковых и ионосферных сигналов приведены на рис. 3.

Рис. 2. Вариации интенсивности радиошума и магнитограмма обс. Туманный (69.0 К, 35.7 Е), 24.09.2002 г. [22].

Рис. 3. Карта расположения места взрыва Витимского болида (1), а также станций Апатиты (2) и Туманный (3). Распространение инфразвуковых и ионосферных сигналов обозначены красной и черными линиями

соответственно.

Таблица

Координаты и энергия излучения болидов с мощностью взрыва > 2 кт _по данным NASA [24]._

Дата Время, UT Координаты E

15.04.1988 03:03 4.1S, 124.3E 7.6-1012

1.10.1990 03:51 7.5N, 142.8E 2.54012

1.02.1994 22:38 2.7N, 164.1E 1.8-1013

1.11.1994 06:50 1.5S, 84.5W Ы012

3.11.1994 20:01 6.5N, 89.0E 2.4-1012

14.01.1999 08:06 44.0S, 129.7W 5.1-1012

18.01.2000 16:43 60.3N, 134.6W 1.11012

18.02.2000 09:26 0.9S, 109.2E 3.61012

6.03.2000 08:29 58.0N, 175.0E 9.61011

25.08.2000 01:12 14.5N, 106.1W 1.4-1012

23.04.2001 06:12 28N, 133.6W 4.61012

23.07.2001 22:19 41N, 77W 1.21012

2.06.2002 04:28 34N, 21E 4.51012

11.08.2002 20:43 18.2S, 159.4E 1.51012

24.09.2002 16:49 57.91N, 112.9E 8.61011

27.09.2003 12:59 21N, 86.6E 2.2-1012

5.06.2004 20:34 1.3N, 174.4W 1.84012

22.08.2004 10:01 51.9S, 22.7E 1.41012

3.09.2004 12:07 67.7S, 18.2E 7.3-1012

7.10.2004 13:15 27.3S, 71.5E 1-1013

6.02.2006 01:57 54.5S, 18.1E 1.21012

4.04.2006 11:30 26.6N, 26.6W 2.4-1012

9.08.2006 04:31 23.1S, 53.7E 11012

2.09.2006 04:26 14S, 109.1E 1.21012

9.12.2006 06:31 26.2N, 26E 7.4-1012

7.02.2009 19:51 56.6N, 69.8E 1.61012

4.09.2009 02:23 42.5N, 110E 9.7-1011

8.10.2009 02:57 4.2S, 120.6E 2-1013

21.11.2009 20:53 22S, 29.2E 11013

6.07.2010 23:55 34.1S, 174.5W 7.6-1012

3.09.2010 12:05 61S, 146.7E 1.8^ 1012

25.12.2010 23:24 38N, 158E 24013

25.05.2011 05:40 4.1N, 14E 2.34012

25.01.2013 07:40 60.3N, 64.6W 3.44012

15.02.2013 03:20 54.8N, 61.1E 3.754014

21.04.2013 06:23 28.1S, 64.6W 1.11012

30.04.2013 08:41 35.5N, 30.7W 5.Ы012

12.10.2013 16:07 19.1S, 25W 1.61012

8.05.2014 19:42 36.9S, 87.3E 1.11012

23.08.2014 06:30 61.7S, 132.6E 3.8-1012

6.02.2016 13:55 30.4S, 25.5W 6.94012

11.03.2017 04:51 28.3N, 60.2W 1.31012

15.12.2017 13:14 60.2N, 170E 3.11012

21.06.2018 01:16 52.8N, 38.1E 1.21012

25.07.2018 21:55 76.9N, 69W 8.84011

Для определения частоты подобных событий были проанализированы данные NASA [24]. В Таблице приведены некоторые сведения о болидах (координаты, энергия излучения) с мощностью взрыва более 2 кт ТНТ по данным NASA начиная с момента регистрации (1988 г.) [24]. Всего выявлено 45 таких событий из 761 за период 1988-2018 гг., для большинства из них был зафиксирован приход инфразвукового сигнала по данным мировой сети инфразвукометрических станций [2, 4, 10, 13, 14].

В Таблице выделены Витимский (2 кт) и Челябинский (440 кт) болиды, мощность взрыва которых составляет наименьшую и максимальную величину в данном диапазоне соответственно. Взрыв Челябинского болида 15 февраля 2013 г. привел к разрушениям различной силы в шести населенных пунктах Челябинской области и вызвал землетрясение с магнитудой 4 балла вблизи г. Челябинска [4]. По оценкам NASA мощность взрыва составила 440 кт ТНТ, инфразвуковой сигнал был зарегистрирован практически повсеместно, даже в Антарктиде на расстоянии 15000 км [4, 13]. Ионосферный эффект от взрыва Челябинского болида был также зафиксирован на Кольском п-ове по данным радара обс. Туманный [23]. По данным Геофизической службы РАН датчики инфразвуковой станции в Апатитах также зафиксировали сигналы в диапазоне высоких частот (0.02 - 50 Гц), вызванные пролетом Челябинского метеорита спустя два часа после события [6].

Для моделирования распространения инфразвукового сигнала от Витимского болида использовались расчеты по методу лучевых траекторий, модифицированному для волн, перемещающихся в движущей среде (слоистой атмосфере) с учетом переменных по высоте профилей скорости ветра и температуры [16]. Скорость звука с в спокойной атмосфере можно аппроксимировать выражением [16]:

где т=1.4 (соотношение теплоемкостей), Я - газовая константа, Т - температура, М - молекулярная масса.

Для движущейся среды используется эффективная скорость звука[16]: Р=с+пи, где и - скорость ветра, п - единичный вектор нормали к волновому фронту. При моделировании рассчитывались значения времени распространения волн Т, расстояния вдоль распространения волнового фронта Х, лучевого параметра Р (для сейсмических волн Р = sm0/V, где 0 - угол между лучом и вертикалью, V -скорость распространения волн [16]), функции времени задержки т (т = Т - РХ [16]). С физической точки зрения параметр т характеризует время, которое затрачено волной при вертикальном распространении и позволяет определить местоположение акустического канала в атмосфере. При т<0 волны не распространяются, отражаясь от границ запрещенной области. Для расчетов использовались соотношения [16]:

х=

I [

Р

+ £2и][Б2 -

р1

гГ2 &

т = I (1 - Ри)[£

Р2

-К2 &,

где

р= ^ (1 +

и 0 1

Э=\1У

Атмосфера была разделена на 200 слоев по 1 км. Высотные профили температуры брались из модели MSISE 2000, зональных и меридиональных ветров - из модели HWM07 [19]. Было проведено численное моделирование возможных путей распространения инфразвуковых сигналов от пролета в атмосфере Витимского болида. На рис. 4 представлены высотные профили зональной скорости ветра (рис. 4б) и эффективной скорости звука (рис. 4а) для атмосферной модели, соответствующей времени пролета болида.

2

с

с

Рис. 4. Атмосферная модель для 17:00 ЦТ, 24 сентября 2002 г. (58.2 К, 113.5 Е): а) скорость звука - 1, эффективная скорость звука - 2; б) зональная скорость ветра (положительные значения для восточного направления).

На рис. 5 представлены результаты расчетов параметра т для инфразвуковых волн, распространяющихся в западном направлении от пролета болида в атмосфере. Области ярко-синего цвета - это запрещенные зоны, от границ которых происходит отражение инфразвуковых волн. Видно, что в этих двух случаях в тропосфере и нижней стратосфере, а также на высотах вблизи 90 -100 км возможно волноводное распространение инфразвука, т.е. волна может распространяться практически горизонтально. Данный вывод подтверждается результатами регистрации инфразвукового сигнала от Витимского болида на Кольском п-ове, на расстоянии около 4000 км от места взрыва (правда, в более

низкочастотном диапазоне) [2]. Полученные результаты свидетельствуют о том, что представленная модель позволяет выделять в атмосфере акустические каналы и может быть использована для расчета предполагаемых траекторий и времен прихода инфразвуковых сигналов и связанных с ними ионосферных возмущений от различных источников на расстояниях до нескольких тысяч километров.

Рис. 5. Параметр т, рассчитанный для инфразвуковых сигналов, распространяющихся в западном направлении от пролета Витимского болида на высоте 20 км с использованием атмосферной модели (рис. 4).

Заключение

В работе представлены результаты моделирования предполагаемого распространения инфразвуковых сигналов от пролета Витимского болида. По модельным представлениям установлено, что атмосферные условия являлись благоприятными для возникновения атмосферных акустических каналов и распространения инфразвуковых сигналов от данного источника в западном направлении. Подтверждением модельных расчетов является регистрация инфразвуковых сигналов и ионосферных эффектов от взрывов Витимского болида на Кольском п-ове. В результате показано, что метод лучевых траекторий позволяет выделять в пространстве акустические каналы и рассчитывать распространение инфразвуковых волн от различных источников (падение метеоритов, вулканические извержения, наземные взрывы и пр.).

Литература

1. Голицын Г.С., Григорьев Г.И., Докучаев В.П. Излучение акустико-гравитационных волн при движении метеоров в атмосфере // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1977. Т. 13. С. 926-935.

2. Шумилов О.И., Касаткина Е.А., Терещенко Е.Д., Куличков С.Н., Васильев А.Н. Регистрация инфразвука от Витимского болида 24 сентября 2002 г. // Письма в ЖЭТФ. 2003. Т. 77. С. 121-123.

3. Адушкин В.В., Попова О.П., Рыбнов Ю.С., Кудрявцев В.И., Мальцев А.Л., Харламов В.А. Геофизические эффекты Витимского болида 24.09.2002 г. // Доклады АН. 2004. Т. 397. С. 685-688.

4. Фортов В.Е., Султанов В.Г., Шутов А.В. Взрыв Челябинского суперболида в атмосфере Земли: рядовое событие или уникальное стечение обстоятельств? // Геохимия. 2013. № 7. С. 609-628.

5. Куличков С.Н., Попов О.Е., Авилов К.В., Чунчузов И.П., Чхетиани О.Г., Смирнов А.А., Дубровин В.И., Мишенин А.А. Моделирование распространения инфразвуковых волн и оценка энергии взрыва Челябинского метеороида 15 февраля 2013 года // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2018. Т. 54. № 3. С. 344-356.

6. Кабыш З. Апатитские ученые зафиксировали сигналы пролета Челябинского метеорита // Мурманский вестник. 2013. 16 февраля.

7. Revelle D.O. On meteor-generated infrasound // J. Geophys. Res. 1976. V. 81. P. 1217-1230.

8. Revelle D.O. Recent advances in bolide entry modeling: A bolide potpourri // Earth, Moon, and Planets. 2004. V. 95. P. 441-476.

9. Evers L.G., Haak H.W. Listening to sounds from an exploding meteor and oceanic waves // Geophys. Res. Lett. 2001. V. 28. P. 41-44.

10. Brown P., Spalding R.E., ReVelle D.O., Tagliaferri E., Worden S.P. The flux of small near-Earth objects colliding with the Earth // Nature. 2002. V. 420. P. 314316.

11. Edwards W.N., Brown P.G., ReVelle D.O. Estimates of meteoroid kinetic energies from observations of infrasonic airwaves // J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 2006, V. 68, P. 1136-1160.

12. Le Pichon A., Blanc E., Hauchecome A. Infrasound monitoring for atmospheric studies. New York: Springer, 2010.

13. Le Pichon A., Ceranna L., Pilger C., Mialle P., Brown D., Herry P., Brachet N. The 2013 Russian fireball largest ever detected by CTBTO infrasound sensors // Geophys. Res. Lett. 2013. V. 40. P. 3732-3737.

14. de Groot-Hedlin C.D., Hedlin M.A.H. Infrasound detection of the Chelyabinsk meteor at the USArray // Earth Planet. Sci. Lett. 2014. V. 402. P. 337-345.

15. Buland R., Chapman C. The computation of seismic travel times // Bull. Seism. Soc. Am. 1983. V. 73. P. 1271-1302.

16. Garces M.A., Hansen R.A., Lindquist K.G. Traveltimes for infrasonic waves propagating in a stratified atmosphere // Geophys. J. Int. 1998. V. 135. P. 255-263.

17. Куличков C.H., Авилов К.В., Буш Г.А., Попов О.Е., Распопов О.М., Барышников А.К., Ривелл Д.О., Уитекер Р.В. Об аномально быстрых инфразвуковых приходах на больших расстояниях от наземных взрывов // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2004. Т. 40. C. 3-12.

18. Arrowsmith S.J., Drob D.P., Hedlin M.A.H., Edwards W. A joint seismic and acoustic study of the Washington State bolide: observations and modeling // J. Geophys. Res. 2007. V. 112.

19. Drob D.P., Emmert J.T., Crowley G., et al. An empirical model of the Earth's horizontal wind fields: HWM07 // J. Geophys. Res. 2008. V. 113.

20. Куличков С.Н. Дальнее распространение инфразвука в атмосфере (обзор). -Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 1992. Т. 28. С. 339-360.

21. Романова Н.Н., Якушкин И.Г. Внутренние гравитационные волны в нижней атмосфере и источники их генерации - Изв. РАН. Физика атмосферы и океана, 1995, Т. 31, С. 163-186.

22. Tereshchenko V.D., Ogloblina O.F., Tereshchenko V.A., Chernyakov S.M. About the registration of wave perturbations in the polar lower ionosphere after an explosion of the Vitim meteorite // Proc. of the XXVII Annual Seminar "Physics of Auroral Phenomena", Apatity, Russia. 2004. P. 77-80.

23. Терещенко В.Д., Васильев Е.Б., Терещенко В.А., Оглоблина О.Ф., Черняков С.М. Волновые возмущения в нижней полярной ионосфере во время падения Челябинского метеорита // Proc. of the XXXVII Annual Seminar "Physics of Auroral Phenomena", Apatity, Russia. 2014. P. 104-107.

24. Fireball and bolide reports. http://neo.jpl.nasa.gov/fireballs/.

Сведения об авторах

Касаткина Елена Алексеевна

д.ф.-м.н., с.н.с., Полярный геофизический институт, Апатиты;

г.н.с., Институт проблем промышленной экологии Севера, КНЦ РАН, Апатиты

E-mail: e.kasatki@yandex.ru

Шумилов Олег Иванович

д.ф.-м.н., г.н.с., Полярный геофизический институт, Апатиты;

г.н.с., Институт проблем промышленной экологии Севера, КНЦ РАН, Апатиты

E-mail: oleg@aprec.ru