Мониторинг сейсмоактивных областей с помощью электромагнитных сигналов грозовых разрядов

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2013, №3

УДК 550.343+550.388+537.874

Мониторинг сейсмоактивных областей с помощью электромагнитных сигналов грозовых разрядов

В.А. Муллаяров, Г.И. Дружин, В.В. Аргунов, Л.М. Абзалетдинова, А.Н. Мельников

Описаны методика и предварительные результаты мониторинга сейсмоактивных областей в Камчатском регионе по наблюдениям в двух пунктах электромагнитных сигналов грозовых разрядов - атмосфериков. Один пункт наблюдения располагается в окрестности Якутска, в котором анализируются сигналы атмосфериков от грозовых источников с дальностей 3000-10000 км, проходящие над Камчатским регионом. Второй пункт располагается на Камчатке в п. Паратунка. В некоторых случаях дополнительно используются данные наблюдений в г. Нерюнгри. Рассматриваются амплитудные вариации сигналов, обусловленные сейсмическими возмущениями в нижней ионосфере. Такая пара приемных пунктов повышает возможности описываемого метода обнаружения сейсмических событий в Камчатском регионе.

Ключевые слова: землетрясение, предвестник, электромагнитные сигналы, пеленгация радиосигналов, ионосфера.

The technique and preliminary results of the monitoring of seismic areas in the Kamchatka region by two-point observations of the electromagnetic signals of lightning discharges - atmospherics, have been considered. One point of observation is located in the vicinity of Yakutsk, on which the signals from lightning atmospherics sources located at a distances of 3000-10000 km, passing over the Kamchatka region are analyzed. The second point is located on the Kamchatka Peninsula. In some cases observational data obtained in Neryungri are used additionally. The signal amplitude variations caused by seismic disturbances in the lower ionosphere are considered. Such a pair of receiving points increases the possibility of the described method for detecting seismic events in the Kamchatka region.

Key words: earthquake, harbinger, electromagnetic signals, radio signals direction finding, ionosphere.

Введение

Одной из актуальных задач геофизики является поиск возможных предвестников землетрясений (ЗТ). К числу возможных инструментов отслеживания сейсмической активности можно отнести наблюдения возмущений нижней ионосферы, обусловленных воздействием литосфер-ных процессов, по низкочастотным радиосигналам. Изменение профиля электронной концентрации и высоты нижней ионосферы в период возмущений должно проявляться в вариациях амплитуды и фазы сигналов, распространяющихся по трассам, проходящим над эпицентрами землетрясений. В достаточно большом числе работ показано, что вариации фазы низкочастотных радиостанций, наблюдаю-

МУЛЛАЯРОВ Виктор Арсланович - к.ф.-м.н., зав. лаб. ИКФИА СО РАН, mullayarov@ikfia.ysn.ru; ДРУЖИН Геннадий Иванович - к.ф.-м.н., доцент, зав. лаб. ИКИР ДВО РАН, drug@.ikir.ru; АРГУНОВ Вячеслав Валерьевич - инженер-электроник I категории ИКФИА СО РАН; АБЗАЛЕТДИНОВА Лариса Муратовна - инженер-электроник I категории ИКФИА СО РАН; МЕЛЬНИКОВ Александр Николаевич - н.с. ИКИФ ДВО РАН.

щихся за несколько дней до землетрясений, могут быть использованы в качестве предвестников [ 1-4]. Однако далеко не для всех сейсмически-активных областей можно «набрать» необходимое количество радиотрасс. Поэтому в [5] в качестве одного из методов выделения предвестников, проявляющихся в возмущениях параметров нижней ионосферы, предложены мониторинговые измерения характеристик электромагнитного излучения грозовых разрядов -атмосфериков. Метод позволяет вести мониторинг сейсмоионосферных возмущений из одного пункта приема атмосфериков сразу по многим направлениям, особенно в летних условиях. Некоторые предварительные результаты рассмотрения данного метода приведены в [6,7]. Вместе с тем из-за особенностей пространственного распределения гроз, а именно из-за недостаточной грозовой активности в том или ином направлении, в данной методике также могут потребоваться дополнительные пункты приема (1-2 пункта). Причем данные измерений из такого дополнительного пункта, располагающегося в сейсмически-активной области, могут повысить вероятность выделения предвестников ЗТ. В данной работе рассматриваются примеры

использования этой системы для выбранных сложных случаев мониторинга событий в Камчатском сейсмически-активном регионе. Основной пункт приема атмосфериков располагается в окрестности г. Якутска (ф=62° N, А,=129° E). Второй пункт располагается в п. Паратунка (Камчатка, ф=52,9° N, ^=158° E). В некоторых случаях дополнительно используются данные наблюдений в третьем пункте -в г. Нерюнгри.

Методика

Воздействие сейсмических процессов на нижнюю ионосферу может быть обнаружено по вариациям радиосигналов, если область возмущения приходится на первые по счету зоны Френеля трассы «источник сигнала - пункт приема». Как известно, размер зон Френеля F определяется расстоянием d и длиной волны X: F = ( nXd1d2/d )1/2, где d = d1+d2; d1 - расстояние от точки до источника; d2 - расстояние от точки до приемника; n - номер зоны.

Измерения импульсных грозовых радиосигналов для целей выявления эффектов, обусловленных сейсмической активностью, проводятся в Якутске с помощью однопунктового грозопеленгатора-дальномера [8], у которого для данной задачи повышается рабочая дальность приема сигналов до 10-12 тыс. км. Для грубой оценки расстояния до грозового разряда (дальние атмосферики) используются спектральные параметры сигнала [5,6]. Коэффициент дальности определен перерасчетом летних пороговых значений в зимние и уточнен сопоставлением с данными спутниковой системы регистрации грозовых разрядов LIS и распределенной наземной сети WWLLN (http://thunder.msfc.nasa.gov, http://wwlln.net).

Методика анализа заключается в следующем. Для каждого выбранного ЗТ определяются азимут и расстояние до Якутска, по которому рассчитываются первые зоны Френеля. Выбираются те атмосферики, азимуты которых соответствуют рассчитанным зонам Френеля, а дальности превышают дальность до ЗТ. Определяется средняя амплитуда атмосфериков, принятых в течение часа. При этом амплитуда сигналов приводится к амплитуде одного расстояния (дальность до очага ЗТ), используя в первом приближении зависимость коэффициента затухания, обратно пропорциональную расстоянию.

Результаты

Рассмотрим событие ЗТ, произошедшее 01.10.11 в Камчатском регионе с координатами 51,78° N, 172,13° E с магнитудой М = 5,4, когда

определение сейсмоионосферных эффектов с одного пункта наблюдения (Якутска) было затруднительно из-за крайне малого числа грозовых разрядов в растворе азимутальных углов приема атмосфериков, чувствительных к сейсмическому воздействию. На рис. 1,а приведено пространственное распределение грозовых разрядов 24.09.11 в ночной часовой интервал 16-17 UT по данным мировой системы регистрации грозовых разрядов WWLLN (www. wwlln.net) в пределах +/- 20 град относительно азимута на эпицентр ЗТ. Имеется достаточно активный грозовой очаг, но существенно к югу от необходимого азимутального раствора, в который попадают только единичные атмосфе-рики (на рис. 1,а «центральная» трасса приведена линией, а эпицентр отмечен кружком).

На рис. 1,в приведены межсуточные вариации средней амплитуды атмосфериков, определяемые в ночной часовой интервал 15-16 UT. Малое количество атмосфериков проявляется в большой ошибке определения среднечасовых значений амплитуды (вертикальные линии) и, кроме этого, в наличии пропусков в анализируемом ряде данных 17-22.09.11 и 26.09.1101.10.11 (29.09.11 и 30.09.11 - единичные атмо-сферики). Тем не менее характер вариаций амплитуды с учетом предшествующих результатов исследований [6,7] позволяет предполагать, что пик 24.09.11 возможно рассматривать в качестве предвестника ЗТ (обычно предвестники наблюдаются в виде однодневного усиления амплитуды за 5-10 дней до события). Действительно, если привлечь данные с другого пункта регистрации атмосфериков (в г. Не-рюнгри), принимающего сигналы, проходящие над эпицентром ЗТ с другого азимутального направления (штриховая линия на рис. 1,г), то данный пик выделяется более четко. Кроме того, вырисовывается и первый пик эффекта ЗТ, приходящийся на 03.10.11 (в соответствии с [6,7] эффект ЗТ обычно проявляется в последующие после события дни). Если пик 24.09.11 является предположительно предвестником, а не отражением усиления мощности грозовых разрядов, то ожидается, что в вариациях амплитуды атмосфериков, регистрируемых в п. Па-ратунка, он должен отсутствовать (рабочие азимутальные секторы для мониторинга ЗТ в Камчатском регионе приведены на рис. 1,б). Действительно, на рис. 2, на котором представлены суточные вариации количества атмо-сфериков в п. Паратунка, данного эффекта не видно. Усиление мощности грозовых разрядов приходилось на период с 25.09.11 по 01.10.11, когда амплитуды атмосфериков на ст. Нерюн-гри были малы (рис. 1,г).

МУЛЛАЯРОВ, ДРУЖИН, АРГУНОВ, АБЗАЛЕТДИНОВА, МЕЛЬНИКОВ

13 16 19 22 25 28 1 4 13 16 19 22 25 28 1 4

сентябрь октябрь сентябрь октябрь

Рис. 1. Параметры мониторинга эффектов землетрясения 01.10.11: а - пространственное распределение грозовых разрядов 24.09.11 относительно трассы распространения сигналов от гроз; б - типовые азимутальные секторы приема сигналов в Якутске и Паратунке; в-г - вариации амплитуды атмосфериков, полученные на ст. Якутск (в) и с учетом данных ст. Нерюнгри (г). Размерность приведенных на рис.1 и 2 величин: 1,а - широта и долгота: в градусах; 1,в,г - по оси ординат: амплитуда в относительных единицах; 2,а,в - по оси ординат: количество атмосфериков за час; 2,б - по оси ординат: азимут в градусах относительно направления на эпицентр

Рис. 2. Вариации параметров атмосфериков в период и перед событиями ЗТ: а - вариации количества атмосфериков в период и перед событием ЗТ 01.10.11 по пеленгационным наблюдениям на Камчатке; б - вариации средней амплитуды атмосфериков в 15-16 иТ (Якутск) в азимутальном растворе +/- 10 град относительно направления на эпицентр; в - вариации количества атмосфериков в период и перед событием ЗТ 25.02.12 по пеленгационным наблюдениям на Камчатке

Приведенный пример показывает, что двухпунктовая регистрация атмосфериков позволяет существенно повысить вероятность выделения предвестников ЗТ.

Рассмотрим еще одно событие в Камчатском регионе, вернее первое из последовательности событий ЗТ 25.02.12-29.02.12. Первое ЗТ с маг-нитудой М = 5,2 произошло на глубине 28,2 км в районе с координатами 49,186° N 155,941° E. Перед данными событиями в массиве данных регистрации атмосфериков в Якутске также имелись пропуски, обусловленные слабой грозовой активностью в азимутальном растворе по направлению на эпицентр землетрясения.

На рис. 4 приведены межсуточные вариации средней амплитуды атмосфериков, определяемые в ночной часовой интервал 15-16 ЦТ, в азимутальном растворе +/- 10 град относительно направления на эпицентр. Как показано в [6], одним из критериев выделения предвестника является его относительно узкосекторная «привязка» к направлению на эпицентр ЗТ (максимум амплитуды наблюдается вблизи направления на эпицентр). В данном случае на рис. 4 обращает на себя внимание азимутальный сектор усиления амплитуды атмосфериков 1314.02.12, располагающийся немного севернее эпицентра (отрицательные значения азимута относительно направления на эпицентр). Если это предвестник, то опять же в данных, полученных в п. Паратунка, он должен отсутствовать. Вариации среднечасовой амплитуды атмо-сфериков в п. Паратунка, приведенные на рис. 5, показывают, что, действительно, соответствующего усиления амплитуды не наблюдалось.

Выводы

Рассмотрены примеры комплексирования (многопунктовых измерений) мониторинга сейсмоактивных областей по наблюдениям электромагнитных сигналов грозовых разрядов-атмо-сфериков. По предварительным результатам одновременных измерений в двух пунктах (в окрестности г. Якутска и на Камчатке в п. Па-ратунка) вариаций сигналов, обусловленных сейсмическими возмущениями в нижней ионо-

сфере, показано, что такая пара приемных пунктов позволяет повысить вероятность выделения сейсмоионосферных эффектов.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Интеграционного проекта СО РАН № 106.

Литература

1. Gokhberg M.B., Gufeld I.L., Rozhnoi A.A. et al. Study of seismic influence on the ionosphere by superlong wave probing of the Earth-ionosphere waveguide // Phys. Earth Planet. Inter. - 1989. - V. 57. -P. 64-67.

2. Hayakawa M., Molchanov O. A., Ondoh T., Ka-wai E. The precursory signature effect of the Kobe earthquake on VLF subionospheric signals // J. Atmos. Electr. - 1996. - V. 16. - P. 247-257.

3. Shvets A.V., Hayakawa M., Molchanov O.A. Su-bionospheric VLF monitoring for earthquake-related ionospheric perturbations // J. Atmos. Electr. - 2002. -V. 22. - P. 87-99.

4. Soloviev O. V., Hayakawa M., Ivanov V.I., Molchanov O.A. Seismo-electromagnetic phenomenon in the atmosphere in terms of 3D subionospheric radio wave propagation problem // Phys. Chem. Earth. - 2004. -V. 29. - P. 639-647.

5. Mullayarov V.A., Karimov R.R., Kozlov V.I. Variations in thunderstorm VLF emissions propagating over the epicenters of earthquakes // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. - 2007. - V. 69/13. - P. 1513-1523.

6. Муллаяров В.А., Абзалетдинова Л.М., Аргунов В.В., Корсаков А.А. Вариации параметров грозовых электромагнитных сигналов на трассах, проходящих над областями землетрясений // Геомагнетизм и аэрономия. - 2011. - Т. 51, № 6. - С. 841-851.

7. Mullayarov V.A,. Argunov V.V., Abzaletdinova L.M., Kozlov V.I. Ionospheric effects of earthquakes in Japan in March 2011 obtained from observations of lightning electromagnetic radio signals // Nat. Hazards Earth Syst. Sci. - 2012. - № 12. - P. 3181-3190.

8. Козлов В.И., Муллаяров В.А., Лаптев А.Д. Грозовая активность в Якутии по наблюдениям с помощью однопунктового грозопеленгатора-дальномера // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. -1996. - Т. 32, №2. - С. 216-221.

Поступила в редакцию 07.05.2013