Статистичні характеристики геофізичних полів, збурених погодними фронтами
Рубрика:
| Чорногор, ЛФ |
| Косм. наука технол. 2024, 30 ;(3):80-94 |
| https://doi.org/10.15407/knit2024.03.080 |
| Мова публікації: Українська |
Анотація: Утворення Земля (внутрішні оболонки) – атмосфера – іоносфера – магнітосфера (ЗАІМ) є єдиною системою з прямими та зворотними, позитивними та негативними звʼязками, а також їхньою комбінацією. Високоенергетичні джерела природного та антропогенного походження активізують взаємодію підсистем у системі ЗАІМ. Вплив на систему ЗАІМ джерел різної фізичної природи досить добре досліджено. Менше інших вивчено вплив на систему ЗАІМ та її підсистеми погодних фронтів і інших потужних атмосферних джерел.
Мета цієї роботи – виклад результатів статистичного аналізу варіацій основних параметрів геофізичних полів, що супроводжували рух атмосферних фронтів. Аналіз гістограм для перепаду атмосферного тиску , температури атмосфери, тривалості дії атмосферного фронту, швидкостей зміни тиску та температури, а також для варіацій атмосферного електричного поля, густини атмосферного струму та магнітного поля показав, що під впливом фронту ці параметри змінюються в широких межах. Середні значення цих параметрів відповідно складають 145 Па, 6 °C, 70 хв, 2.4 Па/хв, 0.23 °C/хв, 3.2 кВ/м, 63 пА/м2 та 20 нТл.
Аналіз кореляційних полів показав, що майже завжди кореляція між варіаціями фізичних параметрів була відсутня. Це означає, що впродовж руху атмосферного фронту єдиного керуючого параметру не існує. Отримано просте аналітичне співвідношення для оцінки збурення напруженості електричного поля атмосферним фронтом. Оцінки дали значення ~6…60 кВ/м. Під час гроз ця величина зростає на порядок. Показано, що у збурених умовах густина атмосферного струму зростає від 10–12 до 10–11…10–10 А/м2. Розглянуто три механізми зростання збурень індукції магнітного поля під впливом атмосферного фронту: збурення стороннього струму, електромагнітна індукція, магнітний ефект турбулентності. Всі ці параметри дають величину ефекту не більше ~1 нТл. Тільки магнітний ефект іоносфери здатен пояснити збільшення варіацій магнітного поля до 10…70 нТл. Оцінено енергетику баричного (~1016…1017 Дж, ~1013…1014 Вт), теплового (~1018…1019 Дж, 1015…1016 Вт), електричного (~109…1011 Дж, ~106…108 Вт) і магнітного (~1010…1011 Дж, 107…108 Вт) полів.
Обґрунтовано наступні канали, за якими здійснюється взаємодія підсистем у системі ЗАІМ під впливом атмосферних фронтів: перепад атмосферного тиску, перепад концентрації електронів у іоносфері, генерація інфразвукових і гравітаційних хвиль, генерація блискавками електромагнітного випромінювання та збурення глобального електричного кола.
|
| Ключові слова: гістограма, геофізичні поля, кореляційне поле, погодний фронт, приземна атмосфера, система ЗАІМ, статистичні характеристики |
References:
1. Avdyushin S. I., Sedunov Yu. S., Borisenkov E. P., et al. eds. (1991). Atmosphere. Handbook. (Reference Data and Models). Leningrad: Gidrometeoizdat [in Russian].
2. Burmaka V. P., Domnin I. F., Uryadov V. P., Chernogor L. F. (2009). Variations in the Parameters of Scattered Signals and the Ionosphere Connected with Plasma Modification by High-Power Radio Waves. Radiophys. Quantum Electron., 52(11), 774-795.
https://doi.org/10.1007/s11141-010-9191-2
3. Gossard E. E., Hooke W. H. (1975). Waves in the Atmosphere. New York: Elsevier, 456 p.
4. Imyanitov I. M., Shifrin K. S. (1962). Present State of Research on Atmospheric Electricity. Phys. Usp., 76(4), 593-642.
https://doi.org/10.3367/UFNr.0076.196204a.0593
5. Soloviev S. P., Rybnov Yu. S., Kharlamov V. A. (2015). The synchronic disturbances of the acoustic and electric fields caused by artificial and natural sources. Abstracts of 3rd All-Russian Seminar-Meeting on Trigger Effects in Geosystems. Eds V. V. Adushkin, G. G. Kocheryan. Moscow: GEOS Publ., 71 [in Russian].
6. Soloviev S. P., Rybnov Yu. S., Kharlamov V. A. (2015). The synchronic disturbances of the acoustic and electric fields caused by artificial and natural sources. Trigger Effects in Geosystems. Proc. 3rd All-Russia Meeting. Eds V. V. Adushkin, G. G. Kocheryan. Moscow, Russia: GEOS Publ., 317-326 [in Russian].
7. Somsikov V. M. (1983). Solar terminator and dynamic phenomena in the atmosphere. Alma-Ata, Kazakhstan: Nauka Publ. [in Russian].
8. Somsikov V. M. (1991). Waves in the Atmosphere Caused by the Solar Terminator: A Review. Geomag. Aeron., 31(1), 1-12 [in Russian].
9. Spivak A. A., Loktev D. N., Rybnov Yu. S., Soloviev S. P., Kharlamov V. A. (2016). Geophysical fields of a megalopolis. Izv. Atmos. Ocean. Phys., 52(8), 841-852.
https://doi.org/10.1134/S0001433816080107
10. Spivak A. A., Rybnov Yu. S., Soloviev S. P., Kharlamov V. A. (2017). Acoustic and electric precursors of heavy thunderstorm under megalopolis conditions. Geophys. processes and biosphere, 16(4), 81-91 [in Russian].
https://doi.org/10.21455/GPB2017.4-7
11. Spivak A. A., Rybnov Yu. S., Kharlamov V. A. (2018). Variations in Geophysical Fields during Hurricanes and Squalls. Dokl.Earth Sci., 480, 788-791.
https://doi.org/10.1134/S1028334X18060193
12. Spivak A. A., Riabova S. A., Kharlamov V. A. (2019). The Electric Field in the Surface Atmosphere of the Megapolis of Moscow. Geomagn. Aeron., 59(4), 467-478.
https://doi.org/10.1134/S0016793219040169
13. Spivak A. A., Riabova S. A. (2021). Electrical and Geomagnetic Effects during Powerful Atmospheric Fronts. Dynamic processes in geospheres, 13, 123-131.
https://doi.org/10.26006/22228535_2021_1_123
14. Chalmers J. A. (1967). Atmospheric electricity. Oxford, New York: Pergamon Press.
https://doi.org/10.1016/B978-0-08-012005-8.50019-7
15. Chekryzhov V. M., Svirkunov P. N., Kozlov S. V. (2019). The Influence of Cyclonic Activity on the Geomagnetic Field Disturbance. Geomagn. Aeron., 59(1), 53-61.
https://doi.org/10.1134/S0016793219010031
16. Chernogor L. F. (2009). Radiophysical and Geomagnetic Effects of Rocket Engine Burn: Monograph. Kharkiv, Ukraine: V. N. Karazin Kharkiv Nat. Univ. Publ. [in Russian].
17. Chernogor L. F. (2012). Physics and Ecology of Disasters. Kharkiv: V. N. Karazin Kharkiv Nat. Univ. Publ. [in Russian].
18. Chernogor L. F. (2014). Physics of High-Power Radio Emissions in Geospace: Monograph. Kharkiv: V. N. Karazin Kharkiv Nat. Univ. Publ. [in Russian].
19. Chernogor L. F., Garmash K. P. (2018). Magnetospheric and Ionospheric Effects Accompanying the Strongest Technogenic Catastrophe. Geomagn. Aeron., 58(5), 673-685.
https://doi.org/10.1134/S0016793218050031
20. Chernogor L. F. (2019). Physical Effects of the Lipetsk Meteoroid. Parts 1-3. Kinematics and Physics of Celestial Bodies,
https://doi.org/10.3103/S0884591319060023
Part 1, 35(4), 174-188. DOI:10.3103/S0884591319040020 ,
https://doi.org/10.3103/S0884591319040020
Part 2, 35(5), 217-230.DOI:10.3103/S0884591319050027 ,
https://doi.org/10.3103/S0884591319050027
Part 3, 35(6), 271-285. DOI:10.3103/S0884591319060023
https://doi.org/10.3103/S0884591319060023
21. Chornogor L. F. (2021). Physics of geospace storms. Space Sci. Technol., 27(1), 3-77.
https://doi.org/10.15407/knit2021.01.003
22. Chernogor L. F. (2023). A Tropical Cyclone or Typhoon as an Element of the Earth-Atmosphere-Ionosphere-Magneto-sphere System: Theory, Simulations, and Observations. Remote Sensing, 15(20). id:4919.
https://doi.org/10.3390/rs15204919
23. Yampolski Yu. M., Zalizovski A. V., Litvinenko L. M., Lizunov G. V., Groves K., Moldwin M. (2004). Magnetic Field Variations in Antarctica and the Conjugate Region (New England) Stimulated by Cyclone Activity. Radio Phys. Radio Astron., 9(2), 130-152 [in Russian].
24. Astafyeva E., Maletckii B., Mikesell T. D., Munaibari E., Ravanelli M., Coisson P., Manta F., Rolland L. (2022). The 15 January 2022 Hunga Tonga eruption history as inferred from ionospheric observations. Geophys. Res. Lett., 49(10), e2022GL098827.
https://doi.org/10.1029/2022GL098827
25. Balachandran N. K., Donn W. L., Rind D. H. (1977). Concorde Sonic Booms as an Atmospheric Probe. Science, 197(4298), 47-49.
https://doi.org/10.1126/science.197.4298.47
26. Che I.-Y., Park J., Kim I., Kim T. S., Lee H.-I. (2014). Infrasound signals from the underground nuclear explosions of North Korea. Geophys. J. Int., 198(1), 495-503.
https://doi.org/10.1093/gji/ggu150
27. Chernogor L. F., Blaunstein N. (2014). Radiophysical and Geomagnetic Effects of Rocket Burn and Launch in the Near-the- Earth Environment. Boca Raton, London, New York: CRC Press. Taylor & Francis Group.
28. Chernogor L. F., Garmash K. P., Guo Q., Rozumenko V. T., Zheng Y., Luo Y. (2021). Supertyphoon Hagibis action in the ionosphere on 6-13 October 2019: Results from multi-frequency multiple path sounding at oblique incidence. Adv. Space Res., 67(8), 2439-2469.
https://doi.org/10.1016/j.asr.2021.01.038
29. Chou M.-Y., Lin C. C. H., Yue J., Chang L. C., Tsai H.-F., Chen C.-H. (2017). Medium-scale traveling ionospheric disturbances triggered by Super Typhoon Nepartak (2016). Geophys. Res. Lett., 44(15), 7569-7577.
https://doi.org/10.1002/2017GL073961
30. Chou M.-Y., Lin C. C. H., Shen M.-H., Yue J., Huba J. D., Chen C.-H. (2018). Ionospheric Disturbances Triggered by SpaceX Falcon Heavy. Geophys. Res. Lett., 45(13), 6334-6342.
https://doi.org/10.1029/2018GL078088
31. Chou M.-Y., Shen M.-H., Lin C. C. H., Yue J., Chen C.-H., Liu J.-Y., Lin J.-T. (2018). Gigantic Circular Shock Acoustic Waves in the Ionosphere Triggered by the Launch of FORMOSAT-5 Satellite. Space Weather, 16(2), 172-184.
https://doi.org/10.1002/2017SW001738
32. Ding F., Wan W., Mao T., Wang M., Ning B., Zhao B., Xiong, B. (2014). Ionospheric response to the shock and acoustic waves excited by the launch of the Shenzhou 10 spacecraft. Geophys. Res. Lett., 41(10), 3351-3358.
https://doi.org/10.1002/2014GL060107
33. Donn W. L., Ewing M. (1962). Atmospheric waves from nuclear explosions. J. Geophys. Res., 67(5), 1855-1866.
https://doi.org/10.1029/JZ067i005p01855
34. Donn W. L., Ewing M. (1962). Atmospheric Waves from Nuclear Explosions - Part II: The Soviet Test of 30 October 1961. J. Atmos. Sci., 19(3), 264-273.
https://doi.org/10.1175/1520-0469(1962)0192.0.CO;2
35. Donn W. L. (1978). Exploring the Atmosphere with Sonic Booms: Or How I Learned to Love the Concorde. Amer. Sci., 66(6), 724-733.
36. Donn W. L., Rind D. (1979). Monitoring Stratospheric Winds with Concorde-Generated Infrasound. J. Appl. Meteor., 18(7), 945-952.
https://doi.org/10.1175/1520-0450(1979)0182.0.CO;2
37. Farges T., Blanc E. (2010). Characteristics of infrasound from lightning and sprites near thunderstorm areas. J. Geophys. Res. Space Phys., 115(A6), A00E31.
https://doi.org/10.1029/2009JA014700
38. Farkas E. (1962). Transit of Pressure Waves through New Zealand from the Soviet 50 Megaton Bomb Explosion. Nature, 193(4817), 765-766.
https://doi.org/10.1038/193765a0
39. Garcés M., Caron P., Hetzer C., Le Pichon A., Bass H., Drob D., Bhattacharyya J. (2005). Deep infrasound radiated by the Sumatra earthquake and tsunami. Eos, 86(35), 317-320.
https://doi.org/10.1029/2005EO350002
40. Gardiner G. W. (1962). Effects of the nuclear explosion of 30 October 1961. J. Atmos. Terr. Phys., 24(11), 990-993.
https://doi.org/10.1016/0021-9169(62)90146-0
41. Gibbons S. J., Ringdal F., Kv rna T. (2007). Joint seismic-infrasonic processing of recordings from a repeating source of atmospheric explosions. J. Acoust. Soc. Amer., 122(5), EL158. DOI:10.1121/1.2784533
https://doi.org/10.1121/1.2784533
42. Guo Q., Chernogor L. F., Garmash K. P., Rozumenko V. T., Zheng, Yu. (2019). Dynamical processes in the ionosphere following the moderate earthquake in Japan on 7 July 2018. J. Atmos. and Sol.-Terr. Phys., 186, 88-103.
https://doi.org/10.1016/j.jastp.2019.02.003
43. Guo Q., Chernogor L. F., Garmash K. P., Rozumenko V. T., Zheng Y. (2020). Radio Monitoring of Dynamic Processes in the Ionosphere Over China During the Partial Solar Eclipse of 11 August 2018. Radio Sci., 55(2), e2019RS006866.
https://doi.org/10.1029/2019RS006866
44. Infrasound monitoring for atmospheric studies. (2019). Eds A. Le Pichon, E. Blanc, A. Hauchecorne. Switzerland: Springer Int. Publ. 1167 p.
https://doi.org/10.1007/978-3-319-75140-5
45. Kakinami Y., Yamamoto M., Chen C.-H., Watanabe S., Lin C., Liu J.-Y., Habu, H., (2013). Ionospheric disturbances induced by a missile launched from North Korea on 12 December 2012. J. Geophys. Res. Space Phys., 118(8), 5184-5189.
https://doi.org/10.1002/jgra.50508
46. Kulichkov S. N., Chunchuzov I. P., Popov O. E., Gorchakov G. I., Mishenin A. A., Perepelkin V. G., Bush G. A., Skorokhod A. I., Vinogradov Yu. A., Semutnikova E. G., epic J., Medvedev I. P., Gushchin R. A., Kopeikin V. M., Belikov I. B., Gubanova D. P., Karpov A. V., Tikhonov A. V. (2022). Acoustic-Gravity Lamb Waves from the Eruption of the Hunga-Tonga-Hunga-Hapai Volcano, Its Energy Release and Impact on Aerosol Concentrations and Tsunami. Pure and Appl. Geophys., 179, 1533-1548.
https://doi.org/10.1007/s00024-022-03046-4
47. Le Pichon A., Herry P., Mialle P., Vergoz J., Brachet N., Garc s M., Drob D., Ceranna L. (2005). Infrasound associated with 2004-2005 large Sumatra earthquakes and tsunami. Geophys. Res. Lett., 32(19), L19802.
https://doi.org/10.1029/2005GL023893
48. Le Pichon A., Pilger C., Ceranna L., Marchetti E., Lacanna G., Souty V., Vergoz J., Listowski C., Hernandez B., MazetRoux G., Dupont A., Hereil P. (2021). Using dense seismo-acoustic network to provide timely warning of the 2019 paroxysmal Stromboli eruptions. Scientific reports, 11, id:14464.
https://doi.org/10.1038/s41598-021-93942-x
49. Li Y. Q., Jacobson A. R., Carlos R. C., Massey R. S., Taranenko Y. N., Wu G. (1994). The blast wave of the Shuttle plume at ionospheric heights. Geophys. Res. Lett., 21(24), 2737-2740.
https://doi.org/10.1029/94GL02548
50. Lin C. H., Lin J. T., Chen C. H., Liu J. Y., Sun Y. Y., Kakinami Y., Matsumura M., Chen W. H., Liu H., Rau R. J. (2014). Ionospheric shock waves triggered by rockets. Ann. Geophys. 32(9), 1145-1152.
https://doi.org/10.5194/angeo-32-1145-2014
51. Lin C. C. H., Shen M.-H., Chou M.-Y., Chen C.-H., Yue J., Chen P.-C., Matsumura M. (2017). Concentric traveling ionospheric disturbances triggered by the launch of a SpaceX Falcon 9 rocket. Geophys. Res. Lett., 44(15), 75787586.
https://doi.org/10.1002/2017GL074192
52. Luo Y., Chernogor L. F. (2020). Electromagnetic effects of acoustic and atmospheric gravity waves in the near-earth atmosphere. Radio Phys. and Radio Astron., 25(4), 290-307.
https://doi.org/10.15407/rpra25.04.290
53. Luo Y., Chernogor L. F., Garmash K. P., Guo Q., Rozumenko V. T., Zheng Yu. (2021). Dynamic processes in the magnetic field and in the ionosphere during the 30 August - 2 September, 2019 geospace storm. Annales Geophysicae, 39(4).
https://doi.org/10.5194/angeo-39-657-2021
54. Luo Y., Chernogor L. F., Garmash K. P. (2022). Magneto-Ionospheric Effects of the Geospace Storm of March 21-23, 2017. Kinematics and Physics of Celestial Bodies, 38(4), 210-229.
https://doi.org/10.3103/S0884591322040055
55. Mccrory R. A. (1967). Atmospheric Pressure Waves from Nuclear Explosions. J. Atmos. Sci., 24(4), 443-447. DOI:10.1175/1520-0469(1967)024%3C0443:APWFNE%3E2.0.CO;2
https://doi.org/10.1175/1520-0469(1967)0242.0.CO;2
56. Mutschlecner J. P., Whitaker R. W. (2005). Infrasound from earthquakes. J. Geophys. Res. Atmos., 110(D1). D01108.
https://doi.org/10.1029/2004JD005067
57. Nishioka M., Tsugawa T., Kubota M., Ishii M. (2013). Concentric waves and short-period oscillations observed in the ionosphere after the 2013 Moore EF5 tornado. Geophys. Res. Lett. 40(21), 5581-5586.
https://doi.org/10.1002/2013GL057963
58. Panasenko S. V., Otsuka Y., Van de Kamp M., Chernogor L. F., Shinbori A., Tsugawa T., Nishioka M. (2019). Observation and characterization of traveling ionospheric disturbances induced by solar eclipse of 20 March 2015 using incoherent scatter radars and GPS networks. J. Atmos. and Sol.-Terr. Phys., 191, 105051.
https://doi.org/10.1016/j.jastp.2019.05.015
59. Rose G., Oksman J., Kataja E. (1961). Round-the-World Sound Waves produced by the Nuclear Explosion on October 30, 1961, and their Effect on the Ionosphere at Sodankyl . Nature, 192(4808), 1173-1174.
https://doi.org/10.1038/1921173a0
60. Row R. V. (1967). Acoustic-gravity waves in the upper atmosphere due to a nuclear detonation and an earthquake. J. Geophys. Res., 72(5), 1599-1610.
https://doi.org/10.1029/JZ072i005p01599
61. The Encyclopedia of Volcanoes (2015). (2th ed.). Academic Press, 1421 p.
https://doi.org/10.1016/B978-0-12-385938-9.00063-8
62. Watt A. D. (1967). International series of monographs in electromagnetic waves. New York: Pergamon, 724 p.
63. Wexler H., Hass W. A. (1962). Global atmospheric pressure effects of the October 30, 1961, explosion. J. Geophys. Res., 67(10), 3875-3887.
https://doi.org/10.1029/JZ067i010p03875
64. Yuen D. A., Scruggs M. A., Spera F. J., Zheng Y., Hu H., McNutt S. R., Thompson G., Mandli K., Keller B. R., Wei S. S., Peng Z., Zhou Z., Mulargia F., Tanioka Y. (2022). Under the surface: Pressure-induced planetary-scale waves, volcanic lightning, and gaseous clouds caused by the submarine eruption of Hunga Tonga-Hunga Ha'apai volcano. Earthquake Res. Adv., 2(3), 100134.
https://doi.org/10.1016/j.eqrea.2022.100134
65. Zheng Y., Chernogor L. F., Garmash K. P., Guo Q., Rozumenko V. T., Luo Y. (2022). Disturbances in the ionosphere and distortion of radio wave characteristics that accompanied the super typhoon Lekima event of 4-12 August 2019. J. Geophys. Res.: Space Phys., 127, e2022JA030553.
https://doi.org/10.1029/2022JA030553