ОПТИКА В ГЛОБАЛЬНЫХ ИЗМЕНЕНИЯХ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Сергей Вазгенович Авакян ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР Государственный оптический институт им. С.И. ВАВИЛОВА, Санкт ПЕТЕРБУРГ Ежегодное Общее собрание НАН Республики Армения, Ереван, апреля 2009 г.

OPTICS IN THE GLOBAL CHANGES OF ENVIRONMENT Sergey Vazgenovich AVAKYAN ALL-RUSSIAN SCIENTIFIC CENTER S.I. VAVILOV STATE OPTICAL INSTITUTE St. PETERSBURG, RUSSIA Annual General Meeting of NAS Republic Armenia, Yerevan, April 2009.

Доклад посвящен двум актуальным проблемам современного естествознания: 1.НОВЫМ МЕХАНИЗМАМ в солнечно – биосферных и солнечно – погодно- климатических связях 2. Созданию ПОСТОЯННОГО ПАТРУЛЯ потоков рентгеновского и крайнего ультрафиолетового излучения Солнца, включая периоды вспышек

НАШ ВКЛАД в РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМ ГЛОБАЛЬНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ: 1.Космическая аппаратура контроля солнечной вариабельности и корпускулярных потоков во время магнитных бурь 2.Базы данных (справочники) и оптические ионосферные модели 3. Радио-оптические механизмы в солнечно – биосферных и солнечно – погодно-климатических связях

РЕЗУЛЬТАТЫ НАШЕЙ РАБОТЫ: 1. Создана оптико-электронная аппаратура для "ПОСТОЯННОГО КОСМИЧЕСКОГО СОЛНЕЧНОГО ПАТРУЛЯ" ионизирующего излучения Солнца. 2. Предложена и обоснована концепция о МЕХАНИЗМАХ ВОЗДЕЙСТВИЯ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ (вспышек) и магнитных бурь НА БИОСФЕРУ, включая человека, И НА ПОГОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ (влажность, облачность и температуру)

1. Целью Космического солнечного патруля является создание впервые в мире системы постоянного контроля вариаций потока и спектра (0, нм) ионизирующего излучения Солнца. 2. В настоящее время в мире такой мониторинг отсутствует. Это обстоятельство связано исключительно с техническими и методологическими трудностями проведения измерений и калибровок в данной области спектра на космических аппаратах. 3. В мире пока налажен мониторинг только ниже 0,8 нм и выше 120 нм.

Аппаратура Космического Солнечного Патруля: 1. Радиометр Космического Солнечного Патруля для абсолютных измерений в области 0,14 – 157 нм с 20 фильтрами: фольгами, пленками и кристаллами. 2. Спектрометр крайнего УФ-излучения (КУФ) нормального падения Космического Солнечного Патруля для регистрации спектра Солнца и его вариаций в области 16 – 230 нм (шестиканальный). 3.Спектрометр рентгеновско-ультрафиолетовый (РУФ) скользящего падения Космического Солнечного Патруля для регистрации спектра Солнца и его вариаций в области длин волн 1,8 – 198 нм (четырехканальный).

Рентгеновский / КУФ радиометр Рентгеновский / КУФ радиометр КУФ спектрометр Радиотехнические блоки

Рентгеновский / КУФ радиометр Рентгеновский / КУФ радиометр КУФ спектрометр Радиотехнические блоки

Рентгеновский / КУФ радиометр Рентгеновский / КУФ радиометр Радиотехнический блок радиометра РУФ спектрометр

Рентгеновский / КУФ радиометр Рентгеновский / КУФ радиометр Радиотехнический блок радиометра РУФ спектрометр

Спектральное распределение квантового выхода фотоэлектронов и «солнечная слепота» для фотокатода ВеО открытого ВТОРИЧНО- ЭЛЕКТРОННОГО УМНОЖИТЕЛЯ-ВЭУ , nm

Национальное превосходство в проекте ГОИ - ГАО РАН Постоянный Космический солнечный патруль 4 Создана космическая оптико-электронная аппаратура для измерения ионизирующего излучения Солнца, не имеющая мировых аналогов. 4 Предложена и реализована методология измерения ионизирующего излучения в космосе, не имеющая мировых аналогов. 4 Воссоздана технология изготовления наиболее эффективных солнечно-слепых приемников ионизирующего излучения для диапазона спектра, короче 125 нм, – вторично-электронных умножителей открытого типа, не имеющих мировых аналогов.

НОВЫЙ ФИЗИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ СОЛНЕЧНО-ЗЕМНЫХ СВЯЗЕЙ Предложен единый механизм воздействия солнечной и геомагнитной активности на МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ характеристики и БИОСФЕРУ, ВКЛЮЧАЯ ЧЕЛОВЕКА, – микроволновым излучением земной ионосферы. Генерация усиленных потоков этого излучения во время солнечных вспышек и геомагнитных бурь рассматривается с привлечением известного из ОПТИКИ ПЛАЗМЫ возбуждения РИДБЕРГОВСКИХ атомно-молекулярных состояний быстрыми ионосферными электронами.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ солнечно- земных связей решаются с привлечением известного резонансного воздействия микроволновых излучений на биосистемы, а в случае погодных характеристик (облачности, влажности и температуры) микроволновое излучение ионосферы и солнечных микроволновых всплесков рассматривается как регулятор конденсационного механизма в нижней атмосфере через воздействие на скорости реакций образования и разрушения кластерных ионов в рамках ФИЗИКИ АТОМНЫХ СТОЛКНОВЕНИЙ.

Влияние космофизических факторов на погодные характеристики Микроволновое излучение, генерируемое ионосферой в периоды солнечных вспышек и магнитных бурь. Солнечные радиовсплески (микроволновые). Влажность нижней атмосферы на высотах более 3-х километров Облачные слои Температура у земной поверхности

Пропускание земной атмосферы во всем спектральном диапазоне.

Совпадение всплесков в Пустыне и Уссурийске г., = 50 см. Вспышка на Солнце. Троицкий В.С., Пустынь Уссурийск

Радиоизлучение Солнца и поток, связанный с солнечной активностью [10 –22 Вт / (м 2 Гц)], C.V. Allen, 1973.

Изменение величины потоков электронов во время мировой магнитной бури декабря 1970 г. по данным ИСЗ "Космос-381» (АВАКЯН С.В. и др., 1974). - ПЕРИОД ГЛАВНОЙ ФАЗЫ ГЕОМАГНИТНОЙ БУРИ.

Ридберговский атом Радиоизлучение атома кислорода ДМ радиоизлучение: n = 0 при n = СМ радиоизлучение n = 1 при n = ММ радиоизлучение n > 1 при n > 10 nini n1n1 n0n0 Потенциал ионизации Ридберговские уровни (n i > 10) l = (от (n i 1) до 0) Резонансный уровень Основной уровень

Молекула (M) сталкивающаяся с ридберговским атомом, который состоит из атомного ядра (A) и рассеянное электронное облако, обозначенное заштрихованной областью. Galanger T.F., Rep. Prog. Ph., A+A+

Экспериментальные подтверждения ридберговского механизма генерации излучения в ионосфере Slanger T.G. et al., 2004 Oxygen atom Rydberg emissions in the equatorial ionosphere from radiative recombination. Grach S.M., et al., Грач С., и др., 2002 UHF electromagnetic emission stimulated by HF pumping of the ionosphere. Дециметровое электромагнитное излучение, стимулированное КВ нагревом ионосферы.

Солнце Радиационные пояса Земли в магнитную бурю 1 Вт м -2 Галактические космические лучи Вт м -2 ЭНЕРГЕТИКА КОСМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ Лучистая энергия 1367 Вт м -2 УФ 0,1 Вт м -2 Солнечный ветер Вт м -2 СКЛ Вт м -2 Величины потоков энергии, приходящие к земной атмосфере ВЕЛИЧИНЫ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ, ПОГЛОЩЕННЫЕ В АТМОСФЕРЕ ЗЕМЛИ От Солнца В ионосфере Вт г -1 Из радиационных поясов во время магнитной бури В ионосфере Вт г -1 В нижней атмосфере Вт г -1 Вот почему ионосфера Земли – первый кандидат на роль триггера (СПУСКОВОГО МЕХАНИЗМА) в физике солнечно-земных связей

Ионосфера и медицина Теоретические и экспериментальные резонансы в живых системах. В экспериментах f меньше чем f (Н.Д. Девятков, 1991). Системыf, [Гц] Литература Клетка 41, , ,2 мм 3,6 мм Л.А. Севастьянова и др., 1974 ДНК-спираль ,5 ммН.Д. Девятков, 1991 Молекула ДНК дмH. Frohlich, 1980 Молекула РНК дмH. Frohlich, 1980 Клеточная мембрана см - 3 ммH. Frohlich, 1980 Эритроциты10 3 смH. Pohl, 1983 Молекула гемоглобина 42, ,5-50, ,1 мм 6,0-6,7 мм Н.Д. Девятков, 1983

Солнце ГеомагнитосфераСолнечная активность - вспышки Геомагнитная активность - магнитные бури Усиленный поток УФ и рентгена Высыпающиеся корпускулы Ионизация в ионосфере Фотоэлектроны и вторичные электроны + Оже-электроны – ГОИ, 1974 Ридберговское возбуждение атомов и молекул – ГОИ, 1994 Микроволновое монохроматическое излучение: мм, см, дм – НИРФИ, 1973 Резонансная реакция живых систем – Девятков, 1965, Frohlich, 1968 "Неблагоприятные" для больных дни Чижевский, 1924 Биологические эффекты солнечной активности и ридберговские состояния.

КАК СОЛНЕЧНЫЕ ВСПЫШКИ И МАГНИТНЫЕ БУРИ ВЛИЯЮТ НА СЕРДЕЧНОСОСУДИСТУЮ СИСТЕМУ ЧЕЛОВЕКА? В работах В.Г. Ионовой и др., Реакция организма человека на гелиогеофизические возмущения, 2002 обнаружено, что причина реакции на солнечные вспышки и следующие за ними геомагнитные бури сердечнососудистой системы лежит в изменении реологических свойств крови. В период солнечной вспышки меняются вязкость человеческой крови, количество эритроцитов и их агрегатоспособность. Эти процессы различны для здоровых и больных людей. КРОВЬ БОЛЬНЫХ ВО ВРЕМЯ ГЕОМАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ГУСТЕЕТ. В случае здоровых людей организм готовится к последующей магнитной буре в течение двух дней после солнечной вспышки, непосредственно после этой вспышки.

ВОЗМОЖНЫЕ ПРИЧИНЫ ЧРЕЗВЫЧАЙНО НИЗКИХ ПОРОГОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ МИКРОВОЛН НА БИООБЪЕКТЫ -ВОЗДЕЙСТВИЕ ЧЕРЕЗ АКУПУНКТУРНЫЕ точки - ПЕРМАНЕНТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ потока микроволн из ионосферы на частотах биоритмов, влияние которой на биосистемы наиболее выражено как раз для низких уровней интенсивности (Ю.Г.Григорьев) -СОВОКУПНОЕ СИНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ нескольких источников естественных электромагнитных полей, геомагнитного поля, антропогенных источников, - СТОХАСТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАНС, - СИНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ТОЛПЕ

Ритмы человеческого организма СПЕКТР МАГНИТНОГО ПОЛЯ ИОНОСФЕРНОГО РЕЗОНАТОРА В ОБЛАСТИ БИОРИТМОВ. НИРФИ,

Стохастический резонанс Стохастический резонанс – это кооперативный эффект, при котором энергия шума, распределенная по широкому спектру, перекачивается в выходную энергию на частоте сигнала. Существование стохастического резонанса представляет... возражение против скептицизма по отношению к возможности воздействия на живые системы слабых электромагнитных волн. (В. Макеев, Биофизика, 1993)

Влажность атмосферы на высотах более 3-х км Управление процессом кластерообразования потоками микроволн из ионосферы и от Солнца Кластеры как ядра-зародыши облаков и аэрозольных слоев Ослабление в облаках и аэрозольных слоях потоков лучистой энергии Солнца Выпадение осадков Изменение температуры и давления в приземном слое атмосферы МИКРОВОЛНЫ И ПОГОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Дневной ход общего содержания водяного пара выше уровня 2,1 км для 29 июля 1981 г. W ф восстановленный дневной ход W в фоновых условиях для случая, когда отсутствуют какие-либо возмущающие факторы. В нижней части рисунка ПОКАЗАНЫ ДЛИТЕЛЬНОСТЬ И МОЩНОСТЬ ВСПЫШЕК (SF, IF) И РАДИОВСПЛЕСКОВ (РВ). Г.А. Никольский и др., 1991.

Дневной ход общего содержания водяного пара W. Наблюдения НА ОСИ АБСЦИСС ПОКАЗАНЫ ВСПЫШКИ НА СОЛНЦЕ. Г.А. Никольский и др., 1990.

Вспышечные явления на Солнце РадиовсплескиРентгеновское и КУФ излучение солнечных вспышек Геомагнитосфера Мировая магнитная буря Дополнительная ионизация в ионосфере Высыпания (e, p) в ионосферу Фотоэлектроны, вторичные и Оже-электроны Возбуждение высоковозбужденных (Ридберговских) состояний Спорадическое микроволновое излучение ионосферы, мм, см, дм Управление конденсационным механизмом в нижней атмосфере и изменением атмосферной прозрачности через вариации соотношения: пары H 2 O / водные кластеры Ионизация нижней атмосферы h = км Галактические и солнечные космические лучи

Возрастания микроволнового излучения Солнца и земной ионосферы в периоды солнечных вспышек и магнитных бурь При РАЗРУШЕНИИ КЛАСТЕРОВ: Уменьшение скорости диссоциативной рекомбинации (распада) ионов кластеров водяного пара после образования устойчивых (l>2) РИДБЕРГОВСКИХ СОСТОЯНИЙ в поле микроволн. При ОБРАЗОВАНИИ КЛАСТЕРОВ: ассоциация многоатомных молекул (включая кластеры из водяных паров) с формированием устойчивых (l>2) РИДБЕРГОВСКИХ ОРБИТАЛЕЙ в поле микроволн.

0.1% Irradiance is the total solar energy flux received at the top of the Earths atmosphere PMOD composite: Fröhlich 2006 Since 1985 the total solar irradiance and EUV/X- ray ionizing fluxes have been DECREASING

Shown are variations in the daily total energy of EUV photons at wavelengths less than 120 nm [Lean, 2005].

Тренды аа-индекса геомагнитной активности до и после 2003 года.

Атмосферная плазма в области действия конденсационного механизма - детализация процесса нейтрал-стабилизированной столкновительной диссоциативной рекомбинации комплексных (кластерных) ионов паров воды, а также из углекислого газа, с выделением промежуточного этапа образования РИДБЕРГОВСКИХ УРОВНЕЙ; - исследование влияния интенсивности и спектрального состава микроволнового излучения на скорости рекомбинации кластерных ионов H 3 O + (H 2 O) n и (CO 2 ) n ; - изучение воздействия микроволнового излучения на скорость ассоциации водных кластеров с учетом образования промежуточных РИДБЕРГОВСКИХ ОРБИТАЛЕЙ; - определение роли кластеров в образовании отражающих поглощающих аэрозольных слоев. Некоторые проблемы для будущих исследований:

Заключение. Выводы. Итак: Фундаментальная проблема отсутствие контроля за коротковолновой активностью Солнца, включая периоды солнечных вспышек. Путь ее решения: Создание Постоянного космического патруля мягкого рентгеновского и крайнего УФ-излучения.

Фундаментальная проблема физика воздействия солнечных вспышек и магнитных бурь на человека и погодные характеристики Путь ее решения: Исследование межанизма воздействия микроволнового излучения ионосферы и Солнца на биообъекты и влажность на высотах более 3-х км.

Совокупный спектр тепловых (kT е = 0,12 эВ) и фотоэлектронов в ионосфере на высоте 170 км (модель) На врезке увеличенный спектр в области эВ.

Сигнал из ионосферы с высоты ~ км на частоте ~600 МГц ( = 50 см) во время и после нагрева мощными КВ волнами ~6 МГц. Цитата: "Рассеяние теплового излучения Земли на искусственных неоднородностях электронной концентрации, тормозное излучение электронов, ускоренных высокочастотной плазменной турбулентностью до энергий порядка эВ, переход электронов между высокими ридберговскими уровнями молекул нейтральных компонент ионосферной плазмы, возбужденными при их столкновениях с ускоренными электронами. Проведенные оценки показали, что последний из трех перечисленных механизмов наиболее вероятен." Время нагрева

Тушение ридберговских атомов в ионосфере Столкновениями можно пренебречь на высотах более 100 км (в энергетических расчетах, без учета перераспределения по спектру) изл. ~ n c l 2 - малы предиссоциация, автоионизация, столкновительная ионизация, столкновительная диссоциация

Радиометр (X/EUV) N [импульсы/с см 2 ] Спектрометр РУФ Ф * (X) [импульсы/нм с·см 2 ] Спектрометр КУФ Ф * (EUV) [ импульсы/нм·с·см 2 ] Пользователь Схема получения абсолютной величины потока рентгеновского и крайнего УФ-излучения Солнца в Космическом солнечном патруле. N – показание Радиометра [импульсы/c см 2 ] Ф * – текущая относительная спектральная функция Ф – абсолютный поток рентгеновского и крайнего УФ излучения Солнца [кванты/нм·с·см 2 ] G – геометрический фактор – чувствительность аппаратуры

Одиннадцатилетние циклы активности Солнца с 1755 по 2000 гг., их максимумы и минимумы (год, месяц) и соответствующее число солнечных пятен (Rz) Номер цикла МаксимумМинимум ГодМесяцRzRz ГодМесяцRzRz

Влияние на психику (СВОБОДА ВОЛИ или ВОЛЯ КОСМОСА?) Поток энергии, генерируемый земной ионосферой, в микроволновом диапазоне во время солнечных вспышек и геомагнитных бурь Поток микроволн в резонансных частотах - энергетическое воздействие на биообъекты. Низкочастотная огибающая (в диапазоне биоритмов) - информационное воздействие Влияние на сердечно-сосудистую систему и патологию мозгового кровообращения через рост вязкости крови

Уровни магнитных полей различных естественных и искусственных источников (В.Н.Бинги, 2002). пду

Спектральная зависимость скорости счета для различных приёмников (спектр спокойного Солнца).

ПОТОК МИКРОВОЛН ИЗ ИОНОСФЕРЫ ВО ВРЕМЯ СОЛНЕЧНЫХ ВСПЫШЕК И ГЕОМАГНИТНЫХ БУРЬ СОЛНЕЧНЫЕ РАДИОВСПЛЕСКИ МИКРОВОЛНОВЫЕ СИНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ в присутствии: - геомагнитного поля, геомагнитных пульсаций, - атмосферного электрического поля, - антропогенных эффектов, включая мобильные телефоны, - локальной сейсмической активности (волновой и радоновой) Космофизические факторы влияния на биосферу НИЗКОЧАСТОТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ МИКРОВОЛН В ИОНОСФЕРЕ В ДИАПАЗОНЕ БИОРИТМОВ: ИНФРАЗВУКОМ, АКУСТИКО-ГРАВИТАЦИОННЫМИ ВОЛНАМИ. АЛЬВЕНОВСКИМ И ШУМАНОВСКИМ РЕЗОНАТОРАМИ БИОСФЕРА, ВКЛЮЧАЯ ЧЕЛОВЕКА

Экспериментальные факты об усилении потока микроволнового излучения ионосферы в периоды солнечных вспышек и магнитных бурь В. Троицкий, и др. (НИРФИ), г.г. "Спорадическое радиоизлучение фона, солнечная активность и полярные сияния".

ВСПЛЕСКИ СОЦИАЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ ЛЮДЕЙ

Экспериментальные факты об усилении потока микроволнового излучения ионосферы в периоды солнечных вспышек и магнитных бурь С. Мусатенко, г.г. "Радиоизлучение околоземного космического пространства как результат воздействия солнечных вспышек на магнитосферу и ионосферу Земли". В. Клименко, г.г. "УКВ радиоизлучение полярной ионосферы".

Зависимость (для Горького - вверху, Крыма - внизу) плотности всплесков на = 50 см от площади пятен за 1970/71 гг. n 1 - число всплесков в час (среднее за месяц); S p - площадь пятен в от площади полусферы Солнца. Троицкий В.С., 1973.

Интенсивные всплески радиошума на частоте 2805 МГц г. и вариации H-компонент магнитного поля на станциях Колледж (Аляска), Диксон и Норильск. Внизу – вариации уровня космического радиошума на частоте f=32 МГц по данным риометра ст. Норильск. В.В. Клименко, 2002.

Характерные зависимости свойств ридберговских состояний от величины главного квантового числа n

Конденсационный механизм ведет к образованию отражающих и поглощающих слоев в нижней атмосфере (h > 3-4 км), что может сильно менять энергетический баланс: 1 ) Pudovkin V.I., Babushkina S.V., Atmospheric transparency variations associated with geomagnetic disturbances, J. Atm. Terr. Phys., 54, 9, 1135, ) Пудовкин М.И., Дементеева А.Л., Вариации высоты профиля температуры в нижней атмосфере во время солнечных протонных событий, Гемагн. Аэроном., 37, 3, 84-91, ) Гончаренко Ю.В., Кивва Ф.В., О размерах частиц атмосферного аэрозоля в отражающих слоях, появляющихся после сильных солнечных вспышек, Радиофизика и электроника, т. 7, 3, стр , 2002.

Спектр излучения Солнца. М.А. Лившиц. Солнце. Обзорная статья.

Временная шкала прихода СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ЧАСТИЦ к орбите Земли.

Излучательные характеристики перехода n, (l = 3) n, (l = 2) (Б.М. Смирнов,1982)

Отсутствие геомагнитных пульсаций в периоды эффекта ухудшений психофизического состояния Тип пульсацийPi1CPc2Pc3Pc4 Частота, Гцменее Амплитуда, Э0,020,6 до 10 Дата Время, UT Наличие пульсаций очень слабые Pi1Cнетестьнет нет с естьнет нет нет нет нет нет естьнет нет нет нет

Связь оптической прозрачности тропосферы с солнечными микроволновыми всплесками по данным наблюдений с горных обсерваторий на Северном Кавказе, в области полос поглощения паров воды и водных кластеров Никольский Г.А., Шульц Э.О. Спектрально- временные вариации остаточного ослабления в ближней ультрафиолетовой области спектра, Оптика атмосферы, т. 4, 9, С , 1991.

Энергетика микроволнового излучения ионосферы Земли Микроволновое излучение ионосферы ( 3 50 см) – эксперимент В.С. Троицкого В РАЗ СИЛЬНЕЕ ИЗЛУЧЕНИЯ СПОКОЙНОГО СОЛНЦА, Т.Е ВТ СМ 2 (НА ПОЛОСУ 1 ГГЦ) (В.В. Троицкий, ) Микроволновое излучение ионосферы ( 3 10 см) - расчет ИНТЕНСИВНОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ ИОНОСФЕРЫ ВО ВРЕМЯ СРЕДНЕЙ СОЛНЕЧНОЙ ВСПЫШКИ ВТ СМ 2 В ПЕРИОД СИЛЬНОЙ ГЕОМАГНИТНОЙ БУРИ ВТ СМ 2 (С.В. Авакян, Н.А. Воронин 2006)

Из истории гелиобиологии A.Л. Чижевский, Земное эхо солнечных бурь, М., Мысль, 1976, с.327: "Aгент X - это электрические колебания определенной частоты". A.Л. Чижевский, "Космический пульс жизни", М.,Мысль, 1995, с : Агент влияния солнечной активности - это в частности и "миллиметровое излучение"".