Верхняя атмосфера Земли является чувствительным детектором взрывов

Ученые обнаружили волновые эффекты небольших взрывов на уровне земли на высоте 100 километров в ионизированных слоях верхних слоев атмосферы. Результат предполагает, что метод дистанционного зондирования можно использовать для мониторинга взрывных событий — природных или человеческих — в сотни раз меньших, чем раньше. «Для меня это было большим сюрпризом», — говорит Джихе Пак, учёный-геодезист из Университета штата Орегон, не принимавший участия в исследовании. «Это действительно умно».

Ионизированная область атмосферы, или ионосфера, наиболее известна как родина полярных сияний, которые возникают, когда заряженные частицы Солнца сталкиваются с атомами и заставляют их светиться. Но мощные взрывы, раздающиеся снизу, также могут нарушить ионосферу. В 2022 году извержение вулкана Хунга Тонга-Хунга Хаапай в южной части Тихого океана вызвало рябь в ионосфере, которая была обнаружена за тысячи километров. В 1979 году ионосферное возмущение, связанное с предполагаемым ядерным испытанием Израиля и Южной Африки, было обнаружено ныне несуществующим радиотелескопом Аресибо в Пуэрто-Рико.

Оба взрыва вызвали волны инфразвука, слишком низкие для человеческого слуха, которые могут распространяться на большие расстояния и вызывать вибрации в ионосфере. Лучи радаров, настроенные так, чтобы отражаться от заряженных частиц ионосферы, обнаружили вибрирующие слои.

Но этот метод в основном ограничивался взрывами мощностью более 1 килотонны в тротиловом эквиваленте. (Ядерная бомба, сброшенная на Хиросиму, Япония, в 1945 году, имела мощность около 15 килотонн.) Теперь исследователи сообщают, что они успешно зарегистрировали экспериментальные взрывы мощностью всего в 1 тонну тротила. «Мы не только можем увидеть эти события, но они гораздо яснее, чем я ожидал», — говорит Кеннет Обенбергер, физик из Исследовательской лаборатории ВВС, который руководил исследованием. Результаты были опубликованы в этом месяце в журнале Earth and Space Science.

Обенбергер и его коллеги намеревались наблюдать за последствиями двух однотонных взрывов, произошедших в марте 2022 года в Нью-Мексико. Радар-детекторы команды были разработаны для измерения волн, отражающихся от слоя E ионосферы, области на высоте 100 километров. Они обнаружили признаки каждого взрыва менее чем через 6 минут после взрывов.

Обенбергер говорит, что эту технику можно использовать для мониторинга небольших антропогенных взрывов или даже удаленных извержений вулканов в Тихом океане, которые иначе трудно обнаружить. Он говорит, что удаленность ионосферы объясняет, почему этот метод только сейчас показывает свою перспективность. «Вы посылаете ударную волну через то, что мы называем «игноросферой», — говорит он.

Пак говорит, что повышенное разрешение метода облегчит обнаружение ионосферных возмущений, связанных не только с извержениями вулканов, но и землетрясениями, которые могут вызвать цунами, оползни и другие катастрофы. «Вы можете использовать его в качестве системы раннего предупреждения, например системы предупреждения о цунами», — говорит Пак, который использовал спутники глобального позиционирования для обнаружения ионосферных возмущений в результате ядерных испытаний Северной Кореи и других событий.

Другое возможное применение может быть в планетологии. По словам Обенбергера, для таких миров, как Венера, где густые облака закрывают поверхность, ионосферный радар на орбитальном космическом корабле может удаленно обнаруживать невидимые извержения и землетрясения.

Учитывая недавнее открытие вулканической активности на Венере, о котором было объявлено в марте, «мы можем увидеть события меньшего масштаба», — говорит Пол Бирн, планетолог из Вашингтонского университета в Сент-Луисе. «Я надеюсь, что инженеры космических кораблей подумают об использовании именно этого в будущих миссиях».

На данный момент Обенбергер хочет продолжить исследования на Земле. Он планирует протестировать свой подход в разные времена года, поскольку ионосфера в течение года меняется. «Еще одна вещь, которую я действительно хочу сделать, — это построить дом рядом с вулканом», — говорит он. «Это было бы очень весело».