Возмущения ОНЧ/НЧ сигналов на дальневосточных трассах, вызванные Индонезийским катастрофическим цунами 2004 года

Геофизика

Вестник ДВО РАН. 2015. № 6

УДК 551.510.535,537.87,550.344.42

М.С. СОЛОВЬЕВА, А.А. РОЖНОЙ, Б.В. ЛЕВИН, В.Б. ГУРЬЯНОВ

Возмущения ОНЧ/НЧ сигналов на дальневосточных трассах, вызванные Индонезийским катастрофическим цунами 2004 года

Данные наблюдений очень низкочастотных и низкочастотных (ОНЧ/НЧ) электромагнитных сигналов, полученные на принимающей станции в Петропавловске-Камчатском, были использованы для анализа отклика нижней ионосферы на цунами, возникшее в результате землетрясения 26 декабря 2004 г. вблизи о-ва Суматры в Индонезии. Отрицательные аномалии в ночных наблюдениях амплитуды сигналов были найдены 26-28 декабря на трех субионосферных трассах различной протяженности и направления, проходящих над Тихоокеанским регионом.

Ключевые слова: низкочастотные электромагнитные сигналы, цунами, ионосфера.

Perturbations of the VLF/LF signals in the Far Eastern wave paths induced by the 2004 Indonesian disastrous tsunami. M.S. SOLOVIEVA, A.A. ROZHNOI (Institute of Physics of the Earth, RAS, Moscow), B.W. LEVIN, V.B GURIANOV (Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS, Yuzhno-Sakhalinsk).

Observations data of the very low and low frequency (VLF/LF) electromagnetic signals obtained from the receiving station in Petropavlovsk-Kamchatsky, has been used to analyze the response of the lower ionosphere to the tsunami triggered by 26 December 2004 earthquake near the Sumatra island in Indonesia. The negative nighttime anomalies of the signal amplitudes have been found 26-28 December in the three sub-ionospheric wave paths of different length and orientation passing above the Pacific region.

Key words: low-frequency electromagnetic signals, tsunami, ionosphere.

Введение

После великого землетрясения вблизи о-ва Суматры в декабре 2004 г. и последующего разрушительного цунами усилился интерес к альтернативным методам удаленного океанического мониторинга для повышения надежности обнаружения цунами и его оценки. Одним из таких методов является ионосферный мониторинг на основе электромагнитных волн. Теоретические исследования, выполненные в 70-е годы прошлого века [6, 12], показали, что цунами генерирует внутренние гравитационные волны, которые распространяются вверх в атмосферу, где их амплитуда усиливается вследствие уменьшения плотности воздуха с высотой. Когда эти волны достигают ионосферных высот,

*СОЛОВЬЕВА Мария Сергеевна - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник,

*РОЖНОЙ Александр Александрович - кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник (Институт физики Земли РАН, Москва), ЛЕВИН Борис Вульфович - член-корреспондент РАН, директор, ГУРЬЯНОВ Вячеслав Борисович - научный сотрудник (Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН, Южно-Сахалинск). *Е-таП: rozhnoi@ifz.ru

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 14-05-00099а).

они диссипируют и, таким образом, вызывают возмущения плотности плазмы, которые могут быть зарегистрированы электромагнитными волнами как посредством спутников GPS, так и методом ОНЧ-просвечивания ионосферы. Первое наблюдение возмущений в ионосфере было получено в 2005 г. [4] на основе измерений общей плотности ионосферы на сети GPS-станций в Японии при анализе цунами, вызванного землетрясением в Перу 23 июня 2001 г. В дальнейшем подобные возмущения были подтверждены при анализе цунами, вызванных Курильским 2006 г., Самоа 2009 г., Чилийским 2010 г. и Японским 2011 г. землетрясениями [5, 7, 8, 13]. Полученные результаты были промоделированы и объяснены во многих работах (например, [9-11]).

Применение GPS-наблюдений дает информацию о состоянии верхней ионосферы (F-области). Одним из немногих экспериментальных методов, который может регистрировать изменения в ионизации нижней ионосферы (D-области), является метод очень низкочастотного и низкочастотного (ОНЧ/НЧ) зондирования. Волны от передатчиков, работающих на частотах 10-50 кГц, распространяются между Землей и ионосферой, как в сферическом волноводе, нижней стенкой которого является Земля, а верхней - нижний слой ионосферы. Эффективная высота отражения сигнала обычно составляет днем около 70, а ночью ~ 90 км. Характер распространения ОНЧ/НЧ-сигналов зависит главным образом от высоты отражения, которая определяется величиной и градиентом электронной плотности около границы атмосфера-ионосфера. Модификация ионосферной плотности приводит к изменениям в амплитуде и фазе регистрируемых сигналов. Такие сигналы распространяются на расстояния в тысячи и десятки тысяч километров практически без потерь, что дает возможность контролировать состояние верхней атмосферы и нижней ионосферы в пределах больших регионов. При этом, хотя приемники и передатчики расположены на суше, возможно, например, отслеживать изменения в электронной плотности нижней ионосферы над огромной территорией Тихого океана. Отклик нижней ионосферы на распространение цунами от Курильского, Японского и Чилийского землетрясений был впервые рассмотрен авторами статьи в работах [14-16]. В них результаты анализа данных ОНЧ-наблюдений были сопоставлены с данными записей колебаний уровня моря, полученными с японской сети GPS-буев, расположенных у побережья Японии, и с данными DART (Deep-ocean assessments and reporting of tsunamis) станций, расположенных в Тихом океане. Анализ спектральных характеристик ОНЧ-вариаций показал хорошее совпадение частотных максимумов с данными записей in situ колебаний уровня моря (8-50 мин). Подробная количественная интерпретация наблюдаемых эффектов была рассмотрена в терминах взаимодействия внутренних гравитационных волн с нижней ионосферой [3, 16].

В данной работе анализируются возмущения ОНЧ/НЧ-сигналов на дальневосточных трассах, вызванные Индонезийским катастрофическим цунами 2004 г.

Результаты анализа

Подводное землетрясение в Индийском океане произошло 26 декабря 2004 г. в 00:58:53 UT (07:58:53 по местному времени). Гипоцентр землетрясения находился к северо-западу от Индонезийского о-ва Суматры (3°30' с.ш., 95°96' в.д.) на глубине 30 км. Очаг землетрясения имел значительную протяженность - более 1000 км. Магнитуда землетрясения составила 9,0 (каталог USGS). Землетрясение вызвало цунами, которое было признано самым смертоносным стихийным бедствием в современной истории. Высота волн в ближней прибрежной зоне превышала 15 м, а в зоне заплеска - 30 м [1]. Цунами привело к огромным разрушениям и огромному количеству жертв (более 200 тыс. чел.).

Цунами было записано различными прибрежными мареографами, но система DART-буев еще не была создана. В отличие от анализа предыдущих цунами, где было возможно сопоставить приход волны и аномалии в ОНЧ-сигнале, здесь такой возможности не было. Помимо этого направление распространения основной волны цунами

иго1 бо*и о1 бог >го° 1Эвт

Ьопдкийе

Рис. 1. Расчетное положение фронта волны цунами - белые линии с цифрами, показывающими время от момента землетрясения [17]. На врезке вверху показана модель источника, включающего четыре сегмента с подвижками (с юга на север) 21, 13, 17 и 2 м, и распределение амплитуд в Бенгальском заливе

в случаях Японского, Курильского и Чилийского цунами совпадало с направлением распространения сигнала от NPM-передатчика на Гавайских островах. Аномалии в амплитуде и фазе ОНЧ-сигнала были найдены только для этого передатчика, и они точно соответствовали регистрации волны цунами на DART-буях, расположенных на концах трассы распространения сигнала. В данном случае картина была более сложная для анализа, поскольку основная энергия цунами была направлена от Суматры на юг и запад (рис. 1). В Тихий океан, где расположена наша система ОНЧ-наблюдений (рис. 2), волны цунами попали, обогнув Австралию и пройдя через Индонезию. Распространение волн в некоторой степени совпадало с распространением ОНЧ-сигнала вдоль трассы NWC-PTK (рис. 1 и 2). Цунами также пересекло под большим углом всю трассу ОТМ-РТК (рис. 1 и 2).

Рис. 2. Положение приемника в Петропавловске-Камчатском (РТК) и передатчиков (черные кружки): NWC (19,8 кГц) в Австралии, ОТМ (21,4 кГц) на Гавайских островах, JJY (40 кГц) и JЛ (22,2 кГц) в Японии. Закрашенные эллипсы показывают зоны чувствительности трасс

Данные о цунами показали, что, в отличие от проявления вблизи источника, максимальная амплитуда волн в дальней зоне не была связана с лидирующей волной [17]. Как видно из рис. 3, в Тихом океане максимальные высоты волн наблюдались с задержкой от нескольких часов до суток после вступления фронта цунами. Например, в Северо-Курильске разница составила почти половину суток. После этого колебания продолжались с неутихающей интенсивностью еще сутки. Это связано с возрастанием роли волн, отраженных от берегов и неровностей дна, а также с распространением волн вдоль естественных волноводов - подводных хребтов. Относительно медленное, но энергосберегающее волноводное распространение обеспечивает позднее вступление максимальных волн. Численное моделирование, сделанное в работе [2], показало, что волновое возмущение часто состоит из двух (и более) хорошо различимых пакетов. Один из них имеет относительно небольшую амплитуду и распространяется напрямую с большой скоростью, второй пакет имеет большую амплитуду, но распространяется вдоль подводных хребтов.

Анализ был сделан для всех сигналов, принимаемых в Петропавловске-Камчатском (см. рис. 2). Установленный там приемник регистрирует одновременно амплитуду и фазу ОНЧ/НЧ-сигналов от четырех передатчиков с временным разрешением 20 с. Прием осуществляется на электрическую штыревую антенну.

Прежде всего имело смысл проанализировать трассу NWC-PTK. Трасса очень сложная, ее длина около 10 000 км, и она пересекает экватор. Поскольку эффекты являются кумулятивными, локальные возмущения сигнала на такой длинной трассе могут быть смазаны и не так заметны, как на более короткой трассе КРМ-РТК, которая была использована для анализа в предыдущих случаях. NWC-сигнал был достаточно возмущенным в течение декабря 2004 г., особенно в середине месяца, когда наблюдались магнитная буря (13 декабря), потоки протонов и электронов (10-12 декабря), прохождение тайфуна через зону чувствительности трассы (14-16 декабря), а также серия землетрясений с М = 5,8-6,2 (18 декабря). Однако в период анализа (26-28 декабря) магнитное поле было спокойным (Dst близко к 0), не наблюдалось экстремальных погодных условий и сейсмической активности. Как было неоднократно отмечено, возмущения в ОНЧ/НЧ-сигналах, вызванные различными факторами (за исключением солнечного рентгеновского излучения), можно заметить только в условиях местной ночи, когда концентрация свободных электронов и ионов в разы меньше, чем в освещенном солнцем секторе ионосферы, и ионосфера более чувствительна к внешним воздействиям.

На рис. 4 приведены записи амплитуды NWC (19,8 кГц) сигнала в Петропавловске-Камчатском 26-28 декабря 2004 г. и для сравнения - среднемесячные значения сигнала. При расчете среднемесячных значений использовались только данные для невозмущенных дней. На рисунке показаны примерные времена, когда цунами достигло Австралии, Гавайских островов и Японии, Северо-Курильска и Камчатки. Для анализа сигнала на этой и других трассах были использованы только амплитуды сигнала, которые не требуют никакой предварительной обработки. Записи фазы всегда значительно осложнены импульсными помехами (скачкообразным изменением дополнительной фазы на 2-4 п), вызванными взаимодействием мод в окрестностях терминатора. В это время происходит резкое изменение отражающей высоты ионосферы.

Рис. 3. Записи волн цунами в различных точках Тихого океана. Линия с символом Е показывает момент землетрясения. Стрелками отмечены времена вступления лидирующей волны [17]

Особенно сложная картина наблюдается на длинных трассах при перпендикулярном движении терминатора (или линии светораздела, отделяющей освещенную часть Земли от неосвещенной) вдоль трассы. Как видно из рисунка, вечерний терминатор на трассе NWC-PTK длился около 6 ч (это время движения линии светораздела от Камчатки до Австралии), и все это время в фазе наблюдались скачки сигнала.

Землетрясение произошло 26 декабря утром по местному времени и вызвало волну цунами, которая через 5 ч (см. рис. 1) достигла Австралии, т.е. зоны чувствительности трассы NWC-PTK. В это время почти вся трасса находилась в дневном секторе. Возмущения в амплитуде NWC-сигнала наблюдаются после 12 ч ит, с началом местной ночи. Отрицательная аномалия достигает значений 6-7 дБ. Примерно через сутки после землетрясения, в 2 ч ит 27 декабря, цунами достигает Японии и Гавайских островов, а еще через 4 ч лидирующая волна приходит в Северо-Курильск и на Камчатку (рис. 3). В это время трасса находилась полностью в дневном секторе. Хотя амплитуда ОНЧ-сигнала была довольно возмущенной в течение всей ночи 27 декабря, ее отклонения от среднемесячных значений практически не выходят за пределы 2с (или 5 дБ). Наиболее заметные возмущения (около 6 дБ) совпадают с приходом второй, максимальной волны цунами в Северо-Курильск. Самая сильная и длительная отрицательная аномалия амплитуды NWC-сигнала (до 10 дБ) была зарегистрирована в течение всей ночи 28 декабря, когда наблюдались наиболее значительные колебания уровня моря в Северо-Курильске (рис. 3).

На рис. 5 показаны записи амплитуды №М (21,4 кГц) сигнала в Петропавловске-Камчатском 26-28 декабря 2004 г. Данная трасса находилась полностью в ночном секторе с 6 до 16 ч ит. Амплитуда 26 декабря практически совпадала с ее среднемесячными значениями, поэтому на данном рисунке среднемесячные значения не приводятся. С 12 до 14 ч ит каждый день передатчик не работал. Видно, что после выключения передатчика уровень сигнала не сразу возвращался к его нормальным значениям, поэтому анализ сигнала возможен только до выключения передатчика. Как было отмечено, 26 декабря уровень сигнала практически соответствовал его среднемесячному значению, однако 27 и 28 декабря наблюдаются значительные

Рис. 4. Записи амплитуды NWC

ночные отрицательные аномалии амплитуды сигнала (7-8 дБ). Аномалии начинаются сразу же с началом местной ночи в 6 ч UT и длятся до выключения передатчика. Рис. 6 показывает записи амплитуды JJI (22,2 кГц) сигнала в Петропавловске-Камчатском 27-28 декабря 2004 г. в том же формате, что и на рис. 4. Местная ночь на этой трассе продолжалась с 9 до 20 ч UT. 26 декабря не рассматривается, поскольку волна цунами достигла Японии, где находится JJI передатчик (см. рис. 1 и 2), примерно в 2ч UT 27 декабря. Это очень стабильный, не MSK (minimum shift keying) модулированный сигнал (как остальные), и отклонение более чем в 2дБ (уровень 2с) для него наблюдается довольно редко. Как видно из рис. 6, поведение NWC и JJI сигналов 27 и 28 декабря весьма схоже. 27 декабря JJI сигнал хотя и возмущен, но находится в дисперсионных границах. 28 декабря отрицательная амплитудная аномалия до 4 дБ наблюдается с 14 до 18 ч UT, что довольно близко к поведению NWC-сигнала.

Анализ JJY сигнала не выявил заметных аномалий. Хотя сигнал был довольно возмущенный как по амплитуде, так и по фазе, но уровень возмущений не превышал 2с. Скорее всего, это вызвано большой разницей в частотах анализируемых сигналов (JJY-сигнал по частоте почти в 2 раза превышает остальные сигналы) и, следовательно, различной высотой отражения.

Заключение

Резюмируем результаты анализа.

1. По наблюдениям ОНЧ-сигналов, распространяющихся над Тихоокеанским регионом, были выявлены возмущения нижней ионосферы, связанные с прохождением волны цунами, вызванной катастрофическим землетрясением вблизи о-ва Суматры.

Рис. 5. Записи амплитуды ОТМ (21,4 кГц) сигнала в Петро-павловске-Камчатском 26-28 декабря 2004 г. С 12 до 14 ч иТ передатчик не работал. Данная трасса находится полностью в ночном секторе с 6 до 16 ч иТ

Рис. 6. Записи амплитуды JЛ (22,2 кГц) сигнала в Петропав-ловске-Камчатском 27-28 декабря 2004 г. (сплошная линия) и среднемесячные значения сигнала (штриховая). Треугольник с цифрой 3 показывает примерное время, когда цунами достигло Северо-Курильска и Камчатки, с цифрой 4 - время прихода второй волны в Северо-Курильск (см. рис. 3). Местная ночь на этой трассе продолжалась с 9 до 20 ч иТ

2. Наиболее отчетливо ночные отрицательные аномалии в амплитуде сигнала наблюдались на трассе №М-РТК 27 и 28 декабря и на трассах NWC-PTK и JЛ-PTK 28 декабря.

3. Аномалии 28 декабря хорошо согласуются с данными записей мареографов вблизи Камчатки.

4. Аномалии также наблюдались на трассе NWC-PTK во время местной ночи 26 декабря.

По результатам анализа можно предположить, что эффекты в ионосфере в дальней зоне, вызванные цунами, были связаны не с лидирующей, относительно небольшой волной, а с более поздней, максимальной волной, распространяющейся вдоль естественных волноводов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кайстренко В.М., Разжигаева Н.Г., Королев Ю.П., Полухин Н.В., Зайцев А.И. Проявления цунами 26 декабря 2004 г. на побережье севера Индонезии (по результатам международной экспедиции) // Вестн. ДВО РАН. 2006. № 1. C. 123-130.

2. Левин Б.В., Носов М.А. Физика цунами. М.: Янус-К, 2005. 360 с.

3. Шалимов С.Л. Ионосфера над цунами // Науч.-техн. революция. 2013. Т. 92, № 4. С. 3-18.

4. Artru J., Ducic V., Kanamori H., Lognonné P., Murakami M. Ionospheric detection of gravity waves induced by tsunamis // Geophys. J. Int. 2005. Vol. 160, N 3. P. 840-848. doi:10.1111/j.1365-246X.2005.02552.x.

5. Galvan D.A., Komjathy A., Hickey M.P., Mannucci A.J. The 2009 Samoa and 2010 Chile tsunamis as observed in the ionosphere using GPS total electron content // J. Geophys. Res. 2011. Vol. 116. A06318. doi:10.1029/2010JA016204.

6. Hines C.O. Gravity waves in the atmosphere // Nature. 1972. Vol. 239. P. 73-78.

7. Komjathy A., Galvan D.A., Stephens P., Butala M.D., Akopian V., Wilson B., Verkhoglyadova O., Mannucci A.J., Hickey M. Detecting ionospheric TEC perturbations caused by natural hazards using a global network of GPS receivers: The Tohoku case study // Earth Planets Space. 2012. Vol. 64, N 12. P. 1287-1294. doi:10.5047/eps.2012.08.003.

8. Liu J., Tsai Y., Ma K., Chen Y., Tsai H., Lin C., Kamogawa M., Lee C. Ionospheric GPS total electron content (TEC) disturbances triggered by the 26 December 2004 Indian Ocean tsunami // J. Geophys. Res. 2006. Vol. 111. A05303. doi:10.1029/2005JA011200.

9. Occhipinti G., Kherani A., Lognonné P. Geomagnetic dependence of ionospheric disturbances induced by tsunamigenic internal gravity waves // Geophys. J. Int. 2008. Vol. 173, N 3. P. 753-765. doi:10.1111/j.1365-246X. 2008.03760.x.

10. Occhipinti G., Coïsson P., Makela J.J., Allgeyer S., Kherani A., Hébert H., Lognonné P. Three dimensional numerical modeling of tsunami-related internal gravity waves in the Hawaiian atmosphere // Earth Planet. Sci. 2011. Vol. 63. P. 847-851. doi:10.5047/eps.2011.06.051.

11. Occhipinti G., Lognonné P., Kherani E.A., Hébert H. Three dimensional waveform modeling of ionospheric signature induced by the 2004 Sumatra tsunami // Geophys. Res. Lett. 2006. Vol. 33. L20104. doi:10.1029/2006GL026865.

12. Peltier W.R., Hines C.O. On the possible detection of tsunamis by a monitoring of the ionosphere // J. Geophys. Res. 1976. Vol. 81. P. 1995-2000. doi:10.1029/0JGREA000081000C12001995000001.

13. Rolland L.M., Occhipinti G., Lognonné P., Loevenbruck A. Ionospheric gravity waves detected offshore Hawaii after tsunamis // Geophys. Res. Lett. 2010. Vol. 37. L17101. doi:10.1029/2010GL044479.

14. Rozhnoi A., Shalimov S., Solovieva M., Levin B., Shevchenko G., Hayakawa M., Hobara Y., Walker S.N., Fedun V. Detection of tsunami-driven phase and amplitude perturbations of subionospheric VLF signals following the 2010 Chile earthquake // J. Geophys. Res. 2014. Vol. 119. P. 5012-5019. doi:10.1002/2014JA019766.

15. Rozhnoi A., Solovieva M., Hayakawa M., Yamaguchi H., Hobara Y., Levin B., Fedun V. Tsunami-driven ionospheric perturbations associated with the 2011 Tohoku earthquake as detected by subionospheric VLF signals // Geomatics, Natural Hazards and Risk. 2014. Vol. 5, iss. 4. P. 285-292. doi:10.1080/19475705.2014.888100.

16. Rozhnoi A., Shalimov S., Solovieva M., Levin B.W., Hayakawa M., Walker S.N. Tsunami-induced phase and amplitude perturbations of subionospheric VLF signals // J. Geophys. Res. 2012. Vol. 117. A09313. doi:10.1029/2012JA017761.

17. Titov V., Rabinovich A.B., Mofjeld H.O., Thomson R.E., González F.I. The Global Reach of the 26 December 2004 Sumatra Tsunami // Science. 2005. Vol. 309, N 5743. P. 2045-2048.