Регистрация микроволнового и инфракрасного излучения атмосферы в г. Чите во время магнитной бури 14 декабря 2006 г

УДК 550.35 ББК Д 234.1

Г.С. Бордонский, А.А. Турулев

Регистрация микроволнового и инфракрасного излучения атмосферы в г. Чите во время магнитной бури 14 декабря 2006 г

Приведены результаты измерений мощности излучения атмосферы в г. Чите во время магнитной бури 14 декабря 2006 г. на длинах волн 8,5 мм, 3,3 мм и 8-12 мкм. С 15 до 16 часов московского времени наблюдалось мощное излучение на всех длинах волн, что привело к перегрузкам радиометрических приемников излучения. По выполненным оценкам плотность потока энергии в микроволновом диапазоне в

10-4

полосе частот 2 ГГц составила 10 Вт/м2. Высказывается предположение, что широкополосное излучение связано с высыпанием заряженных частиц из магнитосферы во время магнитной бури или фазовыми переходами воды первого рода в атмосферном фронте.

Ключевые слова: излучение атмосферы, магнитная буря.

G.S. Bordonskij, A.A. Gurulev

Measurement of Microwave and Infra-red Emission of Chita Atmosphere at the Magnetic Storm in December 14, 2006

The article presents the results of the measurements of Chita atmosphere emission at 8.5 mm, 3.3 mm and 8-12 pm at the magnetic storm in December 14, 2006. Strong emission power at all wavelengths was observed and radiometric receivers were locked. The power flux density at microwaves for 2 GHz bandwidth was more than 10-4W/m2. It is supposed that wide band radiation was due to penetration of charge particles from magnetosphere at magnetic storm or due to first order phase transition of water at atmospheric front.

Key words: atmosphere emission, magnetic storm.

1. Введение

При мониторинговых исследованиях природных объектов могут наблюдаться аномалии, связанные с проявлением редких событий. Начиная с 7 декабря 2006 г. по 10 января 2007 г. в Институте природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН (ИПРЭК СО РАН) выполнялись непрерывные радиометрические

измерения атмосферы на длинах волн 8,5 мм;

3.3 мм и 8-12 мкм. Задача исследования заключалась в изучении особенностей радиотепло-вого излучения зимних облаков, состоящих из мелких кристаллов льда. В процессе наблюдения 14 декабря 2006 г. установлено редкое событие - резкое усиление мощности нисходящего излучения в широком диапазоне частот. Это событие совпало по времени с началом сильной магнитной бури и приходом атмосферного фронта. Описанию наблюдаемого явления посвящена данная работа.

2. Экспериментальная установка

СВЧ и ИК-радиометры были установлены на крыше здания ИПРК СО РАН в г. Чите и ориентировались для измерений нисходящего теплового излучения под углом 300 от зенита в южном направлении. СВЧ-радиометры построены по супергетеродинной схеме со смесителем на входе. Их частоты гетеродинных генераторов составляют 35,5 ГГц и 90 ГГц. ИК-радиометр - прямого усиления на основе пироэлектрического детектора. Все три радиометра построены по схеме Дикке с модулятором на входе. Флуктуационный порог чувствительности микроволновых радиометров 0,08 К, ИК-радиометра - 0,02 К при постоянном времени 1 с. Полосы частот супергетеродин-ных радиометров составляют 2,4 ГГц (для длины волны 8,5 мм) и 2,8 ГГц (для длины волны

3.3 мм). Рупорные антенны СВЧ-радиометров и объектива ИК-радиометра имели ширины диаграмм направленности около 6°. Их электрические оси совмещались в пространстве с точностью 1°. При измерениях постоянная времени выходной цепи была установлена на значение 5 с.

Одновременно выполнялись измерения температуры воздуха в приземном слое. Выходные сигналы трех радиометров и термопары записывались на компьютер с использованием системы сбора информации фирмы «Agilent» с 22-разрядным АЦП. Запись сигналов производили с интервалом времени 1 с. Верхнее значение динамического диапазона яркостной температуры (для теплового излучения) СВЧ-радиометров до ~104 К; ИК-радиометра ~103 К. Для монохроматического излучения этот порог порядка 10-9 Вт. При превышении данного порога линейность связи выходного напряжения и мощности на входе нарушается и при мощности сигнала выше 10 7 +10 6 Вт работоспособность приемников нарушается.

3. Результаты измерений

14 декабря 2006 г. около 21 часа по местному времени все три радиометра зафиксировали одновременное скачкообразное увеличение входного сигнала (рис.1). Формально, показания приборов составляли по шкале яркостных температур 270-280 К, поэтому первоначально для объяснения явления предполагали конденсацию пара в облаках. Данные значения яркостных температур соответствовали нулевому значению вытходного напряжения радиометров. Более тщательный анализ записей выходных сигналов показал, что радиометры находились в перегруженном состоянии, т.е. далеко за пределами нормальной работы. Это быпло определено из записей аномальных сигналов, на которытх исчезли собственные шумы приемников. Кроме того, в течение часа напряжение на выходах не изменялось в пределах ошибок работы АЦП. Представляется, что запирание усилителей произошло в высокочастотных каскадах приборов до детекторов, подключенных к выходам усилителей промежуточной частоты. В ИК-радиометре перегрузка возникла в самом пироэлектрическом детекторе. Отметим, что после несколько дней функционирования установки у радиометра на волну 8,5 мм выпшел из строя блок усилителя промежуточной частоты. Такое состояние приборов возможно при мощностях сигнала, значите льно превышающих ю 7 10 6 Вт.

„ . а)

V' '

1300 1500 1700 1900 2100

0)

і-8 5мм \

1300 1500 17:00 1900 2100

Рис. 1. Изменение радиационной температуры атмосферы в г. Чите 14 декабря 2006 г . (время московское) а) в ИК-диапазоне, б) на длинах волн 3,3 мм и 8,5 мм.

Учитывая размеры входных апертур, плотность потока энергии в СВЧ-диапазоне в полосе 2 ГГц составила значение не менее

10 5 +10 4 Вт/м2. Оценить мощность источника излучения сложно, так как не известна его высота над поверхностью и протяженность, а также распределение мощности по спектру.

При экспериментах радиометры и регистрирующие приборы питались от общей сети переменного тока. Каждый прибор имел собственный источник питания. Во время записи аномалий регистрирующий компьютер и система сбора информации продолжали нормально функционировать, что было видно из продолжающихся записей температур воздуха.

Как следует из рис. 1, событие длилось около одного часа - от 15 до 16 часовмосковского времени (МСК). Небольшой выброс излучения наблюдался ранее за три часа до более продолжительного события, после чего на волне

3,3 мм радиояркостная температура возросла на 10 К. После 16 часов (МСК) радиояркостная температура на волне 8,5 мм оказалась выше, чем до события. При этом на волне 3,3 мм среднее значение радиояркостной температуры не изменилось. Интересно отметить, что аномальные сигналы исчезли в микроволновых каналах несколько раньше, чем аномальный сигнал, регистрируемый ИК-

радиометром.

4. Обсуждение результатов

Мощные электромагнитные излучения могут иметь как искусственное, так и естественное происхождение. В данном случае представляется правдоподобной гипотеза об естественном происхождении представленного на рис. 1 события. Как оказалось, в то же время наблюдались геомагнитные аномалии. Станцией ИСЗФ СО РАН в г. Иркутске зарегистрирована магнитная буря с индексом 8 баллов (рис. 2). Ей предшествовала мощная вспышка на Солнце 13 декабря 2006 г и был зафиксирован рост интенсивности космических лучей (по данным Московского нейтронного монитора ИЗМИРАН).

10 гК

Pn

1 -1 декабря 2006 15 декабря 2006

600 1800 600 1800 Время

Рис. 2. Изменение К-индекса в г. Иркутске на станции ИСЗФ СО РАН 14 - 15 декабря 2006 г. (время местное). Штриховая линия - время начала наблюдения аномального излучения атмосферы

Кроме отмеченных глобальных событий, по сообщениям метеослужбы, в Забайкалье наблюдали приход теплых масс воздуха из Средней Азии. В момент начала электромагнитных аномалий на записях температуры воздуха, в месте расположения приборов наблюдалось изменение наклона графика температуры от времени в сторону её понижения. Как следствие, в ночное время выпали незначительные осадки в виде снега. По-видимому, одно из отмеченных явлений или их совокупность явились причиной возникновения активных электромагнитных процессов в атмосфере.

Само по себе существование неравновесного радиоизлучения в атмосфере не вызывает удивления. Широкополосные электромагнитные излучения возникают при разнообразного вида электрических разрядах, при разрушении льда и горных пород, извержениях вулканов, падения болидов и т.д. Однако, насколько нам известно, сообщения о мощных СВЧ и ИК-излучениях в природных средах, длящихся многие десятки минут, отсутствуют.

В нашем случае интересно то, что эффект возник скачком в широком интервале частот (либо на одной частоте, но весьма значительной мощности, при которой порождается прием на гармониках гетеродинных генераторов) и также скачком исчез. Мощные пучки излучения могут приводить к разнообразным атмосферным явлениям. Например, в [7] высказана гипотеза о возникновении шаровых молний под действием СВЧ-излучения. Однако поиски мощных излучений в дециметровом и сантиметровом диапазонах не дали результатов. В работе [6] сообщалось о существовании в атмосферах планет активных лазерных сред с накачкой от солнечного излучения. В работах [4; 5] высказана гипотеза о возможности возникновения в атмосфере Земли узких пучков импульсного лазерного излучения, образующегося в верхних слоях атмосферы. Они могут инициироваться высыпанием заряженных частиц из радиационных поясов при возмущениях магнитного поля [3].

Возможно, что природные нетепловые излучения наиболее вероятны в миллиметровом, субмиллиметровом и дальнем инфракрасном

диапазонах, а не в дециметровом и сантиметровом диапазонах, так как здесь имеется большое число линий вращательного спектра молекул газовых сред, а излучение в данных спектральных интервалах относительно слабо затухает в атмосферных аэрозолях. На их переходах при достаточной протяжности активной среды и мощности накачки принципиально возможно возникновение лазерного излучения. Другой механизм излучения связан с торможением потоков заряженных частиц при взаимодействии с плотными слоями атмосферы, а также излучением ридберговских атомов [3]. Кроме того, имеются данные о превращениях энергии при фазовых переходах первого рода воды в облачных образованиях в электромагнитные излучения нетепловой природы [2]. Такого рода процессы могут возникать при адиабатическом расширении воздуха или взаимодействиях воздушных масс с различной температурой.

Интересно отметить, что несколько ранее, после вспышки на Солнце 5 декабря 2006 г. (самой мощной за последние 30 лет), по данным МЛБЛ, первоначально быпл зарегистрирован поток нейтральных атомов водорода, ко-торыш длился 90 минут. Спустя 30 минут, быпл зарегистрирован поток протонов [1]. Данное необычное наблюдение указывает на возможность появления потоков частиц высоких энергий в атмосфере на любых широтах.

Выводы

Изучение мощных СВЧ и ИК-излучений в атмосфере Земли - трудная задача вследствие редкости условий их возникновения, а также из-за того, что заранее не известны параметры электромагнитного излучения. Вместе с тем, знание механизмов возникновения относительно мощных природных излучений представляет научный и практический интерес (например, для обеспечения безотказной работы электронной аппаратуры и т.д.). Представляется целесообразным проведение специальных наблюдений в указанных спектральных участках и в районах активных геосфер-ных процессов.

Список литературы

1. Mewaldt R. et. al. STEREO observations of energetic neutral atoms during the 2006 December 5 Solar flare / / Astrophysical J. Lett. - 693: L11-L15. - 2009. - March 1.

2. Perelman M.E., Tatarchenko V.A. Phase transitions of the first kind radiation processes // Phys. Letters. 2008. - A 372. - P. 2480-2483.

3. Авакян С.В., Воронин Н.А. О возможном физическом механизме воздействия солнечной и геомагнитной активности на явления в нижней атмосфере // Исследование Земли из космоса. - 2007. - №2. - С. 28-33.

4. Бордонский Г.С. Возможные следы лазерного излучения атмосферы Земли // Оптика атмосферы. - 1990. -Т.3. - №4. - С. 390-393.

5. Бордонский Г.С. Предполагаемые активные природные среды и способы их наблюдения // Деп. ВИНИТИ. - 1991. - №4638-В91. - 20 с.

6. Гордиец Б.Ф., Панченко В.Я. Газовые лазеры с солнечным возбуждением // УФН. - 1986. - Т.149. - Вып.3. -С. 551-576.

7. Капица П.Л. О природе шаровой молнии // ДАН СССР. - 1955. - Т.101. - №2. - С. 245-248.

УДК 62

ББК Ч 486.88

В.Б. Венславский

Педагогическое проектирование и учебное моделирование целостных электронных систем

Формирование готовности студентов к новым условиям организации начальной профессиональной подготовки по направлению «Электроника» автор статьи связывает с необходимостью освоения педагогического проектирования и математического моделирования методом опрокинутой характеристики.

Ключевые слова: линейная система, математическая модель, моделирование, электронное устройство.

V.B. Venslavsky

Pedagogical Designing and Training Modeling of Integral Electronic Systems

The author of the article connects the students' preparedness formation for the new terms of initial professional training in "Electronics" with the necessity of pedagogical designing and mathematical modeling assimilated by the overturned characteristic's method.

Key words: linear system, mathematical model, modeling, electronic device.

Начальное профессиональное образование в области электроники в настоящее время реализуется за счет инициативной организации профильной подготовки учащихся. Определяющими факторами в организации профильных классов является мотивация учащихся на будущую профессию, личностноориентированный подход и компетентность учителя, способного организовывать и участвовать в проектной деятельности. Формирование готовности студентов - будущих учителей физики и технологии к работе в условиях реализации индустриально-технологического

профиля обучения школьников по направлению «Электроника» включает развитие технологической культуры учебного проектирования и моделирования электронных устройств (далее -ЭУ) [3, 186]. На уровне подготовки бакалавров образования освоение технологи моделирования ЭУ является базовым для последующего учебного педагогического проектирования и выполнения исследований инновационного потенциала современной школы. В современные исследованиях проектирование рассматривается как социокультурное явление, как самостоятельный механизм творчества и инструмент в мире культуры [4, с. 19]. От компетентности педагога в современных условиях перехода на профильное обучение школьников зависит направленность и фундаментальность подготовки будущих кадров, способных моделировать и проектировать ЭУ, работать с новой техникой на более высоком уровне физико-технической и технологической подготовки. Изыскание инновационных решений и приемлемых технологий учебного проектирования и моделирования ЭУ как конструктов предстоящей педагогической деятельности, влияющих на мышление педагога, является предметом настоящего обсуждения.

Освоение студентами структуры и содержания учебного проектирования ЭУ опирается на применение проектных процедур как инструмента познания, наиболее значимая из которых - моделирование. Процедура моделирования (творческий процесс создания или выбора модели) в учебном проектировании объединяет основные проектные процедуры - синтез, анализ и оптимизацию, которые направлены на создание приемлемого учебного проектного решения. Технологичное выполнение проектных процедур при схемотехническом изыскании приводит к частным проектным решениям в виде описания математических и информационных моделей (различных схем) прототипа ЭУ. Учебное моделирование простейших электронных систем как информационных моделей, состоящих из минимального количества источников и приемников - задача начального этапа изучения студентами схемотехники. Построение информационной модели-схемы может технологично осуществляться по заданной программе - ма-