ЛЕНИНСКИЕ ГОРЫ Д.1, СТР. 6|Посмотреть на карте

проекты лаборатории

Задачи для научно-исследовательской работы по теме "Транзиентные атмосферные явления"

Научно-исследовательская работа школьников по теме

«Транзиентные атмосферные явления» на основе данных спутниковых экспериментов МГУ

 

1.Введение. Транзиентные атмосферные явления 

   

Исторически первыми наблюдениями транзиентных, т.е. очень быстрых скоротечных, явлений в атмосфере были наблюдения молний. Характерным признаком молниевого разряда является его локальность – шнур молнии всегда имеет малый поперечный размер, хотя длина его может достигать  нескольких километров. Молния = пробой атмосферы между облаками или облаком и Землей.
Другим типом атмосферных разрядов являются транзиентные световые явления (в английской транскрипции TLE) – светящиеся разряды над грозовыми облаками. Характерным для большинства разрядов является кратковременность вспышек – длительность порядка 1 – 100 миллисекунд. Окраска вспышек и их форма зависит от высоты, на которой они происходят. Эти разряды имеют большие, по сравнению с молниями, пространственные размеры. Морфология TLE довольно разнообразна: эльфы, спрайты, голубые и гигантские струи и др (см. рисунок.1).

     

Рисунок.1 Транзиентные атмосферные явления.

          

Самый распространённый (например, по данным спутникового эксперимента ISUAL: [1]) тип TLE это – эльфы. Эльфы длятся менее 1 мс и являются прямым следствием взаимодействия электромагнитной волны, произведенной в результате разряда молнии облако-земля, с нижней ионосферой. Горизонтальные размеры этого явления могут достигать 300 км, а свечение происходит в основном в красной области электромагнитного спектра. Разряды типа спрайт генерируются более мощными молниями, нежели эльфы (пиковое значением тока более ~ 60кА). Временная задержка между родительской молнией и спрайтом от десятков миллисекунд (short delayed sprite) до сотни миллисекунд (long delayed sprite), а среднее расстояние между ними – 40 км [2].

Голубые струи – разряды восходящие вверх от облаков и простирающиеся до 40 км. Голубое свечение и малый диаметр "струи" в этом разряде связаны со сравнительно большой плотностью атмосферы на малых высотах в атмосфере, где красное свечение подавлено. Есть указания на то, что голубые струи не являются прямым следствием ни положительных, ни отрицательных молний облако-земля. Однако, такие события происходят над грозовыми облаками и ассоциируются с молниевой активностью в течение времени близкого к событию (несколько секунд). Аналогичное наблюдение было сделано и относительно гигантских струй, которые, в целом, происходят над грозовыми районами, но совпадений по времени с молниями также не обнаружено.

     

2. Актуальность научно-исследовательской работы по теме «Транзиентные атмосферные явления»

     

Об этих физических явлениях – кратковременных гигантских светящихся образованиях в верхних слоях атмосферы – мало кто знает, хотя открыты они были уже более 20 лет назад и сейчас активно изучаются. Традиционно считается, что каждой высоко-атмосферной вспышке предшествует разряд обычной молнии облако-Земля, однако последние исследования показывают, что это бывает далеко не всегда [3,4]. Природа «необычных» быстрых вспышек вдали от грозовых областей пока неясна, и требует детального исследования.

Транзиентные атмосферные явления являются неотъемлемой частью глобальной электрической цепи (ГЭЦ), играют свою важную роль в формировании токов разрядки и разрядки ГЭЦ, которая составляет существенную часть модели атмосферы Земли. В тоже время, физические процессы, определяющие функционирование глобальной электрической цепи, механизмы, обеспечивающие её стабильное состояние, до конца не изучены. Исследование отдельных составных частей ГЭЦ, позволяет получить целостное представление о работе всей системы.

      

3. Цель научно-исследовательской работы по теме «Транзиентные атмосферные явления»

      

Одним из наиболее эффективных способов исследования ТАЯ является их наблюдения с борта искусственных спутников Земли, поскольку это позволяет производить изучение глобальных закономерностей, связанных с этими явлениями на большом пространственном и временном масштабе. Более того, верхняя атмосфера является наиболее прозрачной, облачность находится ниже исследуемых объектов, что лишь облегчает задачу! За последнее десятилетие МГУ им. М.В. Ломоносова провел ряд орбитальных экспериментов по регистрации ТАЯ (на борту спутников «Университетский-Татьяна», «Университетский-Татьяна-2», «Вернов»), накоплен большой банк данных.

Целью предлагаемой научно-исследовательской работы является изучение характерных особенностей транзиентных световых явлений в атмосфере Земли по этим экспериментальным данным искусственных спутников МГУ.

         

        

Рисунок. 2 Спутники МГУ «Университетский-Татьяна», «Университетский-Татьяна-2» и «Вернов».

          

4. Метод исследования. Спутники МГУ

             

Для исследования транзиентных явлений в атмосфере Земли В МГУ были разработаны и созданы детекторы ультрафиолетового (УФ) и красного-инфракрасного (К - ИК) излучения – ДУФиК и установлены на микроспутниках «Университетский-Татьяна», «Университетский-Татьяна-2», «Вернов». Эти детекторы наблюдали собственное свечение атмосферы в диапазоне длин волн 240–400 нм и 600–800 нм и вспышки УФ и К-ИК свечения длительностью от долей до сотен миллисекунд. Синхронное измерение сигнала вспышек в двух диапазонах длин волн, с одной стороны,  позволяет изучать отношение интенсивности УФ и ИК излучений для каждого события, а, с другой стороны, обеспечивает достоверный отбор событий, так как одновременное случайное срабатывание двух каналов детектора, маловероятно. Детально ознакомиться с аппаратурой и первыми результатами можно в работах [5-7].

За время работы спутников на орбите накоплена достаточно большая статистика разнообразных событий в атмосфере Земли, зарегистрированных оптическим детектором. Среди них есть и обычные молнии и высоко-атмосферные разряды (эльфы, спрайты, струи и пр.), и необычные транзиентные ультрафиолетовые вспышки вне грозовых областей. Отклик детектора зависит от многих параметров: интенсивности самой вспышки, ее высоты, состояния атмосферы в районе наблюдения, расположения события в поле зрения детектора и его геометрии. Чтобы понять суть физических процессов, которые обуславливают разнообразие «транзиентов» в атмосфере нужно внимательно разобраться что есть что!

     

5. Задачи научно-исследовательской работы по теме «Транзиентные атмосферные явления»

       

Задача 1. «Отбор вспышек в атмосфере Земли по данным искусственного спутника Земли «Университетский-Татьяна-2»

    

Цели работы.

Научная: Выделить полезные события из массива экспериментальных данных.

Учебная: Научиться работать с базой данных спутникового эксперимента, выделять физические явления из массива экспериментальных данных, содержащих много «шумовых» событий.

Содержание работы:

1)     Изучение современной научной литературы о типах ТАЯ.

2)     Изучение структуры событий и принципа построения базы данных.

3)     Формирование (придумывание) обоснованного математически и физически критерия отбора полезных событий.

4)     Отбор, по выработанному критерию полезных событий и их исследование: географическое распределение, длительность, энергии событий.

Вспомогательные материалы для Задачи 1

 

Задача 2. «Классификация атмосферных вспышек по данным искусственного спутника Земли «Университетский-Татьяна-2»

   

Цели работы.

Научная: Систематизировать набор имеющихся данных о полезных событиях по характерным признакам.

Учебная: Изучение принципов отбора событий, их систематизации, классификации, изучение характерных признаков ТАЯ различного типа.

Содержание работы:

1)     Изучение современной научной литературы о типах ТАЯ.

2)     Изучение структуры событий и принципа построения базы данных.

3)     Придумать обоснованный способ классификации вспышек по имеющимся экспериментальным данным.

4)     Рассмотреть особенности географического распределения событий разных типов. Оценить их длительность и энергию. Сопоставить эти данные с параметрами известных явлений в атмосфере.

 

Задача 3. «Поиск и исследование «необычных» транзиентных явлений вдали от грозовых районов»

   

Цели работы.

Научная: Выделить класс внегрозовых транзиентных явлений из базы данных и исследовать их характерные особенности.

Учебная: Научиться сопоставлять различные наборы данных спутниковых и наземных экспериментов.

Содержание работы.

1)     Изучение сетей регистрации молниевых разрядов.

2)     Изучение спутниковых данных МГУ по регистрации ТАЯ, базы данных  событий УФ и ИК вспышек.

3)     Сравнение данных экспериментов по регистрации молний и спутниковых данных по регистрации высоко-атмосферных разрядов. Поиск совпадений и «необычных» транзиентов: событий вдали от гроз.

4)     Анализ основных характеристик событий вдали от гроз.

  

Задача 4.* «Анализ корреляции возникновения транзиентных явлений с различными параметрами состояния Земной атмосферы и факторами воздействия околоземного пространства»

   

Цели работы.

Научная: Определить факторы, влияющие на особенности транзиентных разрядов и частоту их регистрации.

Учебная: Научиться сопоставлять различные наборы данных и понимать взаимодействие различных процессов в системе.

Содержание работы.

1)     Изучение строения атмосферы и факторов, определяющих ее состояние с точки зрения глобальной электрической цепи.

2)     Анализ корреляции отобранных полезных событий с разными параметрами состояния поверхности Земли (температура океана, топографические особенности), атмосферы Земли (влажность, температура, особенности химического состава, аэрозолей), околоземного пространства (состояние магнитного поля, уровень солнечной активности) и др.

  


Список литературы

1)     Chen, A. B., et al., Global distributions and occurrence rates of transient luminous events, J. Geophys. Res., 113, A08306, doi:10.1029/2008JA013101, 2008.

2)     Sao-Sabbas, F.T., D.D. Sentman, E.M. Wescott, O. Pinto, Jr., O. Mendes, Jr., and M.J. Taylor, Statistical analysis of space-time relationships between sprites and lightning. J. Atmos. Solar Terr. Phys., 65, 525-535, doi:10.1016/S1364-6826(02)00326-7, 2003.

3)     Yair, Y., et al., Space shuttle observation of an unusual transient atmospheric emission,Geophys. Res. Lett., 32, L02801, doi:10.1029/2004GL021551, 2005

4)     G.K. Garipov, B.A. Khrenov, P.A. Klimov, V.V. Klimenko, E.A. Mareev, O. Martines, E. Mendoza, V.S. Morozenko, M.I. Panasyuk, I.H. Park, E. Ponce, L. Rivera, H. Salazar, V.I. Tulupov, N.N. Vedenkin, and I.V. Yashin. Global transients in ultraviolet and red-infrared ranges from data of universitetsky-tatiana-2 satellite. Journal of Geophysical Research, Volume. 118, Issue 2, pages 370–379, DOI: 10.1029/2012JD017501, 2013.

5)     Sadovnichy V.A. et al., First results of investigating the space environment on board “Universitetsky-Tatiana” satellite, Cosmic Res., 45, 273–282, 2007.

6)     Sadovnichy V.A., M.I. Panasyuk, I.V. Yashin et al., Investigation of Space Environment Aboard “Universitetsky-Tatiana” and “Universitetsky-Tatiana - 2” Microsatellites, Solar System Res., 45(1), 3–29, 2011.

7)     Garipov G.K., B.A. Khrenov, M.I. Panasyuk, Rubinshtein I.A., Tulupov V.I., Salazar H., Shirokov A.V., Yashin I.V., UV radiation detector of the MSU research educational micro satellite “Universitetsky-Tatyana” Instrum. Exp. Tech., 49, 126–130, 2006.

Новости лаборатории

Сборка и тесты mini-EUSO 28.04.2017

все новости

навигация по разделу

календарь событий