Интерпретация ионосферных возмущений в период слабых землетрясений

Интерпретация ионосферных возмущений в период слабых землетрясений

Смирнов В.М. (vsmirnov@ire.rssi.ru) Институт радиотехники и электроники РАН

Рассмотрено влияние тектонической активности на временные вариации полного электронного содержания ионосферы Земли в период слабого землетрясения. Показано, что сильные временные вариации ионосферной плазмы могут быть зафиксированы в удаленных от эпицентра областях. В частности, на двух станциях наблюдения, находящихся на широтах более 55° и удаленных от эпицентра на расстояние более 2000 км, зафиксирована перемещающаяся ионосферная неоднородность, вытянутая в меридиональном направлении на 1200 км и имеющая поперечный размер не более 400 км. Параметры ионосферы определялись методом радиопросвечивания по данным навигационной системы GPS.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант РФФИ №01-05-64040.

Введение

Поиски электромагнитных предвестников землетрясений в ионосфере осуществляются в основном посредством регистрации отклонений в фоновом состоянии ионосферной плазмы. Отклонения фонового состояния, определяющие момент землетрясений, фиксируются, как правило, относительно средних значений уровня электронной концентрации в максимуме слоя F2.

Электронная концентрация в максимуме слоя F2 ионосферы является одним из наиболее чувствительных параметров, связанных с сейсмической активностью. Это было экспериментально установлено методами наземного и спутникового вертикального зондирования ионосферы [1-8].

Проведенный авторами [1] анализ поведения критических частот по данным станций наземного вертикального зондирования, расположенных вблизи эпицентра землетрясений, в период сейсмо-ионосферных вариаций позволил выделить им следующие особенности вариаций критической частоты, регистрируемых в период подготовки сильных землетрясений:

1) Сейсмо-ионосферные вариации более кратковременны (3-4 часа), чем вариации, наблюдаемые во время магнитных бурь (8-36 часов);

2) Сейсмо-ионосферные вариации наблюдаются в течение нескольких суток (2-3 суток) до землетрясений в одно и то же местное время;

3) знак сейсмо-ионосферных вариаций жестко связан с моментом местного времени (в 3-4 LT всегда наблюдаются только отрицательные вариации, тогда как в 12-14 LT -только положительные).

Приведенные результаты, связанные с модификациями ионосферной плазмы в периоды землетрясений, относятся, как правило, к землетрясениям с магнитудой М>5. К настоящему времени накоплены значительные экспериментальные данные наблюдений аномальных изменений состояния ионосферы в периоды времени, предшествующие сильным землетрясениям. Длительности упреждения этими аномалиями момента сейсмического толчка варьируются от нескольких часов до единиц суток. Такие аномалии могут быть использованы как оперативные предвестники землетрясений.

Во многих работах рассматриваются и анализируются только сильные землетрясения силой М>5. В тоже время несколько в стороне остаются землетрясения

магнитуда, которых не превышает 4-5 баллов по шкале Рихтера. По-видимому эта задача в настоящее время трудна для реализации ввиду малости влияния тектонических эффектов землетрясений на состояние ионосферы. Тем не менее, землетрясений с магнитудой М=4-5 баллов, очень много. Возможно, для таких землетрясений необходимо использовать другой критерий, характеризующий фоновое состояние ионосферы. Применение в качестве критерия величины отклонений от среднего состояния фонового состояния ионосферной плазмы, по-видимому, здесь не целесообразно. Более чувствительным параметром может быть не само значение электронной концентрации в максимуме слоя F2, а скорость изменения этой концентрации. При этом необходимо рассматривать и анализировать состояние ионосферы не только вблизи эпицентра землетрясений, (например, сильные землетрясения охватывают область примерно 500 x500км), но и в относительно спокойных, не относящихся к сейсмоопасным, районах, удаленных от эпицентра на расстояния свыше 1000 км и находящихся примерно в одном и том же часовом поясе.

Геометрия зоны мониторинга ионосферы

Для анализа одного из землетрясений с магнитудой М=4 были использованы данные наблюдений глобальной навигационной спутниковой системы GPS. Землетрясение произошло 23 сентября в 21 час 16 мин в Южной Греции. Эпицентр землетрясения располагался на глубине 33 км, географические координаты эпицентра -37,73° с.ш. и 21,04° в.д.

Состояние ионосферной плазмы в районе эпицентра и вдали от него определялось по одновременным наблюдениям навигационных спутников с 6-ти IGS (International Geophysics Station) пунктов наблюдений, расположенных в Анкаре (ANKR, 39,89° с.ш., 32,76° в.д., Турция), Софии (SOFI, 42,56° с.ш., 23,39° в.д., Болгария), Тромсе (TROM, 69,67° с.ш., 18,94° в.д., Норвегия), Звенигороде (ZWEN, 55,7° с.ш., 36,76° в.д., Россия), Менделеево (MDVO, 55,02° с.ш., 37,22° в.д., Россия). Геометрия расположения эпицентра землетрясения и пунктов наблюдения представлена на рис.1.

Траектории подионосферных точек и схема расположения Ю8 пунктов относительно эпицентра землетрясения

65

ZECK

10

15

20

25

30

35

40

45

долгота

Рис. 1.

Здесь прямоугольниками показаны пункты наблюдений, треугольником отмечен эпицентр землетрясения, кругами на траекториях подионосферных точек зафиксирован момент возникновения землетрясения. Направление движения перемещающейся ионосферной неоднородности (возмущения) показано жирной стрелкой. Пунктирной стрелкой показано направление движения спутника относительно пунктов наблюдений. Здесь не показано расположение пункта ТРОМ, траектория подионосферной точки которого находилась на широтах более 60° и долготе менее 5°.

Временные вариации полного электронного содержания

В качестве данных измерений использовались фазовые измерения. Особенность фазовых измерений заключается в том, что они не позволяют непосредственно получать параметры ионосферной плазмы, как-то полное электронное содержание.

Применение фазовых измерений для определения параметров ионосферы рассмотрено в [11]. Напомним, что значения интегральной электронной концентрации можно определить по следующей формуле:

ТЕС() = 1,81 • 1016 {[^ С) - ($)] + [ЗД -Л2N2 ] + Ж, },

где дЯр - суммарная погрешность фазовых измерений, не превышающая в линейной мере 10 см; Я1,Я2 - длины волны излучения в навигационной системе; Ф^ (^), Ф^ (^) - данные

фазовых измерений на частотах Ь2,Ц; Ы2,N - неоднозначности биения фаз.

Используя то обстоятельство, что неоднозначность биения фаз является постоянной величиной (при условии, если с момента начала проведения измерений не было потери фазы), из приведенного соотношения можно получить выражение для параметра, характеризующего изменение влияния полного электронного состояния ионосферы в зависимости от времени (приращение интегральной электронной концентрации ТЕС):

БТЕС& ) = [ТЕС& ) - ТЕС(/м )]& - ^ ).

Определение этого параметра не требует знания начального значения фазы сигнала и позволяет рассчитывать временные вариации полного электронного содержания с высокой точностью.

Результаты мониторинга и анализ полученных данных

Наблюдения за состоянием ионосферы осуществлялись в период с 19 по 24 сентября. Для анализа использовались данные, полученные для одних и тех же спутников, наблюдавшихся на интервале времени, когда произошло землетрясение. По полученным данным, используя метод радиопросвечивания, определялись профили электронной концентрации, полное электронное содержание и скорость его изменения.

Как уже отмечалось [8, 11.], наблюдения за одним и тем же спутником позволяют контролировать состояние ионосферы в определенном регионе в одно и тоже время. Здесь необходимо фиксировать не отклонения поведения фонового состояния ионосферной плазмы от ее среднего состояния, а общее изменение состояния по сравнению с предыдущими наблюдениями. Естественно, здесь следует учитывать и геомагнитную обстановку, используя, например, карты геомагнитных вариаций.

Особенностью обработки данных наблюдений для конкретного землетрясения явилось то обстоятельство, что на наблюдаемых интервалах времени ни один из используемых спутников во время события не проходил через эпицентр землетрясения. Ближайшая проекция траектории подионосферной точки располагалась от эпицентра землетрясения на расстоянии более 500 км. Если учесть, что область возмущения ионосферы при сильных землетрясениях М>5 находится в пределах 500*500 км, то

вполне вероятно, что при землетрясении с М<4-5, область возмущения может быть существенно меньше. Это предположение требует дальнейшего изучения. Для этого необходимо проанализировать землетрясения, произошедшие в регионе с густой сетью навигационных станций, оснащенными высокоточными геодезическими двухчастотными приемниками типа ROGUE. Эти приемники позволяют определять фазу сигнала в линейной мере с точностью не хуже 1 мм.

Для анализа состояния ионосферы были выбраны спутники, которые находились в зоне видимости в момент прохождения землетрясения. Среда 4-х спутников, наблюдавшихся в этот момент времени (с 18 до 24 часов всемирного времени UT), наиболее интересным является спутник №25. Траектория подионосферной точки для одного из пунктов наблюдения проходила непосредственно через эпицентр землетрясения. Траектории подионосферных точек относительно всех пунктов наблюдений показаны на рис.1.

Видно, что в момент возникновения землетрясения траектории подионосферных точек находятся на расстоянии более 500 км от эпицентра. При наблюдении с пункта ANKR траектория наблюдения проходит через эпицентральную область через 2 часа после начала землетрясения.

Анализ изменения параметра DTEC (см. рис. 2 а) показывает, что 22 сентября, за сутки до землетрясения, при прохождении траектории через область эпицентра, наблюдались резкие изменения этого параметра при относительно гладком его изменении для других областей. Отметим также, что в день возникновения землетрясения (за период наблюдения 18-24 часа) не наблюдалось каких-либо заметных вариаций параметра DTEC.

Временные вариации ТЕС по наблюдениям с пункта ANKR в период 22-24 сентября 2001 г.

UT время, мин

Рис.2 а

Небольшие волнообразные изменения наблюдаются около 20 часов, за час до землетрясения. Долгота подионосферной точки в этот период была близка к долготе эпицентра землетрясения. Более сильные вариации наблюдались с пункта 80Б1 (рис. 2 б). Здесь волнообразные колебания Б ТЕС наблюдались не только 23, но и 22 сентября в течение всего времени наблюдения. Период этих колебаний находился в интервале 14-19 минут. Максимальная амплитуда наблюдалась на больших расстояниях от эпицентра (более 600 км). Чем можно объяснить такие колебания, пока непонятно. Более того, попытки использовать другие станции наблюдения, расположенные сравнительно далеко

от эпицентра землетрясения, еще сильнее усложнили анализ причин возникновения волнообразных процессов.

Временные вариации ТЕС по наблюдениям с пункта SOFI

UT время, мин.

Рис. 2 б.

Следует заметить, что 23 сентября геомагнитная обстановка была относительно спокойной. Магнитных бурь и штормов в это период не наблюдалось.

На рис. 3 показаны вариации DTEC при наблюдении с пунктов MDVO и ZWEN в период 22-24 сентября. Видно, что 23 сентября наблюдались очень сильные вариации DTEC, причем эти вариации наблюдались около 19-21 часа. Более того, примерно в 21 час 32 мин на пунктах было зафиксировано резкое увеличение параметра DTEC. Максимумы DTEC сдвинуты примерно на 3,5 минуты (рис. 4).

Временные вариации ТЕС по наблюдениям с пунктов МБУО и ZWEN в период 23 сентября 2001 г.

а «

W

¡= 2

U g 0

о о

1150

U

H -4

H р

-6

ZWEN MDVO

1400

UT время, мин.

Рис. 4.

6

4

Можно предположить, что при слабых землетрясениях происходит модификация ионосферы - образуются перемещающиеся неоднородности больших размеров, которые, по-видимому, уходили в данной ситуации на север, северо-восток. При этом до момента землетрясения возможно образование небольших по размерам неоднородностей. В момент же землетрясения образуются неоднородности большого размера - несколько сотен километров. Оценки показывают, что размер неоднородности, зафиксированной с пунктов MDVO и ZWEN, достигает 1200 км. Средняя скорость ее движения оценивается примерно, в 1100 м/сек в предположении, что эта неоднородность образована в эпицентре землетрясения. Долгота подионосферной точки с максимумом DTEC составляет примерно 22,3°. Напомним, что долгота эпицентральной области равна 21°. Скорость переноса

возникающей неоднородности соответствует скорости движения ударно-акустической волны. В [12] показано, что при землетрясениях средняя скорость их движения около 900 м/сек.

Форма этой неоднородности, по-видимому, представляет собой вытянутый в направлении юг-север эллипс. Эти можно объяснить отсутствие заметных эффектов при наблюдении с других пунктов. Отсюда следует, что для уверенного фиксирования перемещающихся ионосферных возмущений пункты наблюдений должны быть расположены на расстояниях не более 500 км как вдоль, так и поперек оси тектонического разлома.

Влияние электрического поля тектонического происхождения на ионосферу

В работе [9] показано, что в период возникновения землетрясений под воздействием необычных возмущений электрического поля горизонтальное распределение ионосферной плазмы становится существенно неоднородным. Результаты численного моделирования распределения напряженности электрического поля тектонического происхождения в ионосфере, показали, что электрическое поле на ионосферных высотах локализовано в основном в области шириной 300 км, центрированной относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось разлома. Под действием этого электрического поля горизонтальное распределение ионосферной плазмы становится неоднородным. Характерный размер области возмущения зависит от ширины разлома. В зависимости от ориентации разлома электрическое поле в ионосфере будет иметь как зональную, так и меридиональную компоненту [2]. Там же показано, что наибольший эффект от воздействия электрического поля тектонического происхождения имеет место в Б2-области ионосферы над разломами, ориентированными преимущественно в меридиональном направлении. Проведенные авторами [2] расчеты показали, что для разлома, шириной 100 км, под воздействием электрического поля в Б2-области формируется неоднородность ионосферной плазмы, вытянутая вдоль разлома с поперечным размером порядка 200 км.

Этим можно объяснить наличие заметного изменения состояния ионосферы при наблюдении с пунктов МОУО и ZWEN и отсутствие таковых при наблюдениях с других пунктов. Учитывая, что область перемещающегося ионосферного возмущения была формирована на относительно низких широтах, их перемещение в область более высоких широт приводит к таким заметным изменениям. По-видимому, направление электрического поля в эпицентре землетрясения было таково, что возникающие при этом возмущения двигались в северном направлении. Этим также объясняются резкие вариации параметра БТЕС при наблюдении с пункта ТЯОМ в высокоширотной области (более 60°с.ш.) (рис. 5), где само значение электронной концентрации может быть сравнимо с электронной концентрацией перемещающихся ионосферных возмущений. Что характерно, вариации параметра БТЕС, наблюдались с пунктов ТЯОМ, ZWEN и МБУО за 1,5-2 часа до момента землетрясения. В зависимости от траектории подионосферных точек сильные вариации БТЕС наблюдались вплоть до момента землетрясения и несколько позже. Примерно через час после землетрясения источник эффекта землетрясения был, как бы выключен. Этот эффект выключения источника ионосферных возмущений был заметен для всех спутников, наблюдаемых в этот период со станций МБУО и ZWEN. Однако перемещающаяся ионосферная неоднородность большого размера была зафиксирована только по наблюдениям одного из спутников, что подтверждает предположение о ее сильной вытянутости в меридиональном направлении и относительно небольшом поперечном размере.

Временные вариации ТЕС по наблюдениям с пункта TROM

UT время, мин.

Рис. 5.

Заключение

Проведенный анализ состояния ионосферы в период подготовки и прохождения землетрясения показал, что землетрясения с магнитудой М<4 также могут быть обнаружены по ионосферным возмущениям с помощью навигационных спутниковых систем. Вероятность их обнаружения наиболее высока по наблюдениям в высокоширотной ионосфере и зависит от ориентации тектонического разлома в эпицентральной области. Наиболее высока она при меридиональном расположении тектонического разлома.

При слабых землетрясениях также возможно образование области перемещающихся ионосферных возмущений. Сформированная неоднородность ионосферной плазмы для данного землетрясения была вытянута воль меридиана на 1200 км с поперечным размером, по-видимому, не более 500 км. Более точно оценить поперечный размер неоднородности не представлялся возможным из-за конфигурации используемых пунктов наблюдений.

При спокойной геомагнитной обстановке заметные временные вариации полного электронного содержания ионосферы в высокоширотной области могут служить предвестниками готовящихся землетрясений.

Литература

1. Пулинец С.А., Легенька А.Д., Зеленова Т.И. Зависимость сейсмо-ионосферных вариаций в максимуме слоя F от местного времени. //Геомагнетизм и аэрономия. 1998, т.38, с.178-183.

2. Ким В.П., Пулинец С.А., Хегай В.В. Возможные изменения в ночной среднеширотной Б2-области ионосферы над крупномасштабным тектоническим разломом. //Физика земли. 1999, №10, с.90-92.

3. Liu J.Y., et al. Seismo-ionospheric signatures prior to M>6.0 Taiwan earthquakes. //Geophysical Research Letters. 2000, v.27, n.19, p.3113-3116.

4. Liu J.Y., et al. Variations of ionospheric total electron content during the Chi-Chi eartquake. //Geophysical Research Letters. 2001, v.28, n.7, p.13-83-1386.

5. Казакова Н.А., Шинкевич Б.М. Мониторинг электромагнитных предвестников землетрясений. //Вестник МГУ. Серия 3. Физика. Астрономия. 1998, №4, с. 10-13.

6. Липеровский В.А., Похотелов О.А., Шалимов С.Л. Ионосферные предвестники землетрясений. М.: Наука. 1992. 304 с.

7. Шарадзе З.С. и др. Сильные землетрясения и связанные с ними возмущения в ионосфере и геомагнитном поле. //Изв. АН СССР. Физика Земли. 1989. №1. С.20-32.

8. Смирнов В.М. Вариации ионосферы в период землетрясений по данным навигационных систем. //Электронный журнал "Исследовано в России", 153, стр. 17591767, 2001 г.http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/153.pdf

9. Ким В.П., Хегай В.В., Никифорова Л.И. О возможном возмущении ночной Е-области ионосферы над крупномасштабным тектоническим разломом. //Физика Земли. 1995, №7, с.35-39.

10. Warnant R., Pottiaux E. The increase of the ionospheric activity as measured by GPS. //Earth Planets Space. 2000, n.52, p.1055-1060.

11. Марчук В.Н., Смирнов В. М. Определение электронного содержания ионосферы Земли по данным дальномерных и фазовых измерений. //Электронный журнал "Исследовано в России", 127, стр. 1465-1475, 2001 г. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/127.pdf

12. Плотников А.В. Детектирование с помощью GPS-решеток ударно-акустических волн, генерируемых при запусках ракет, землетрясениях и взрывах. //Автореферат дис., Иркутск, ИВАИ, 2001, 22 с.