УДК: 551.594.6; 551.594.11
ЭФФЕКТЫ ГРОЗОВОЙ АКТИВНОСТИ В СПЕКТРАХ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ПРИЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЕ НА КАМЧАТКЕ
© 2010 г. Г. А. Михайлова1, Ю. М. Михайлов1, О. В. Капустина1, С. Э. Смирнов2
Учреждение РАН Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова,
г. Троицк (Московская обл.) e-mail: yumikh@izmiran.ru 2 Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН, с. Паратунка (Камчатский край), e-mail: sergey@ikir.kamchatka.ru Поступила в редакцию 19.03.2010 г.
Выполнен спектральный анализ вариаций ^z-компоненты квазистатического электрического поля в приземной атмосфере в широкой полосе внутренних гравитационных волн (5 мин — 3 ч) в спокойных и сейсмически активных условиях, а также при высокой грозовой активности. Использованы данные наблюдений поля в периоды сентябрь 1999 г., август — сентябрь 2002 г. Показано, что в отсутствие гроз и землетрясений в фоновом спектре присутствуют колебания с максимумами на периодах T ~ 1.8 и 1 ч, 40, 30, 15, 10—13 мин. Их интенсивность в полосе периодов 0.5—3 ч на два и более порядков по величине превышает интенсивность максимумов в полосе 5—30 мин. Накануне землетрясений при наличии аномалий в суточных вариациях напряженности электрического поля наблюдается тенденция усиления фонового спектра на выделенных в нем максимумах. В обеих полосах периодов колебаний интенсивность спектров возрастает на один—полтора порядка по величине. При высокой грозовой активности наблюдается большая изменчивость по сравнению со спектрами предвестников землетрясений как по положению максимумов, так и по их интенсивности. Интенсивность максимумов в полосе периодов 0.5—3 ч на один—полтора порядка по величине и на два порядка и более в полосе периодов 5—30 мин превышает максимумы накануне землетрясений.
1. ВВЕДЕНИЕ
Эффекты грозовой активности в характеристиках различных геофизических параметров экспериментально были обнаружены сравнительно давно (см. ссылки в работе [Pierce and Coroniti, 1966]). Для их интерпретации авторами этой работы впервые был предложен механизм, согласно которому колебания воздуха на вершине грозового облака способны генерировать атмосферные волны в полосе внутренних гравитационных волн (ВГВ). Эти волны могут распространяться как вверх, так и вниз. В настоящее время накоплен достаточно большой объем результатов их регистраций в вариациях атмосферного давления, ветров, напряженности квазистатического электрического поля в приземной атмосфере, колебаний электронной концентрации на различных высотах ионосферы и т.д. Ограничимся некоторыми из этих результатов. Так, например, использование радаров на сверхвысоких частотах позволило исследовать высотные профили ветра непосредственно вблизи грозовых источников [Larsen, 1982]. Более многочисленные наземные эксперименты по измерению атмосферного давления микробарографами с различными полосами пропускания по частоте пока-
зали следующее распределение энергии колебаний в спектрах давления: в полосе периодов 0.5— 15 мин выделены колебания с максимальной интенсивностью на периодах Т = 3.3—5.3; 5.5—10.7 мин [Ва1асИапёгап, 1980]. В более широкой полосе периодов (20—180 мин) выделены устойчивые максимумы с Т ~ 20—40 мин и реже с Т ~ 2 ч [Грачев и др., 1988]. При прохождении грозового облака над пунктом регистрации обнаружена динамика волновой активности в полосе периодов 5 мин — 3 ч: по мере приближения его в спектре давления возрастают колебания с Т ~ 10—20 мин и по мере его удаления максимум в спектре смещается на Т ~ ~ 60—120 мин. [Данилов и Свертилов, 1991]. Измерены также вариации атмосферного давления и напряженности квазистатического электрического поля в приземной атмосфере в инфразвуко-вом диапазоне атмосферных волн на частоте Брен-та—Вяйсяля (Т ~ 5 мин) [Рыбнов и Соловьев, 2007].
Вариации атмосферного давления в приземной атмосфере, как известно [Попов, 2008], вызывают вариации плотности объемного заряда, определяющие вариации напряженности квазистатического электрического поля. Естественно, в спектрах мощности напряженности электриче-
Ег 500
-500 1000
500
0
-500
-1000
2000 1500 1000 500 0
-500 -1000 -1500 -2000
03.09.1990 г.
J_I_I_1_
фК/
S
1Е+6
1Е+5 г
1Е+4 г
1Е+3 1Е+8
1Е+7 1Е+6 1Е+5
1Е+4
17.09.1990 г. -1-1-1-1-1Е+3
1Е+8 г
1Е+7 г
1Е+6 г
0
14.09.1990 г.
_|_1_
5 10 15
-1-1Е+5
20 0 К ч
03.09.1990 г.
_I_1_
17.09.1990 г. _1_
14.09.1990 г. _1_
3
Т, ч
Рис. 1. Слева примеры суточных вариаций напряженности Ег-компоненты поля в условиях хорошей погоды (03.09), накануне землетрясения (17.09) и во время грозы (14.09). Справа зависимость спектральной плотности мощности этих вариаций в полосе периодов 5 мин — 3 ч.
ского поля должны были бы наблюдаться колебания, периоды которых близко совпадали бы с периодами атмосферных волн: тепловые приливные с Т ~ 4, 8, 16, 24 ч, ВГВ в полосе периодов 0.5— 3 ч и волны планетарного масштаба (Т > 24 ч). Эти колебания действительно были выделены в спектрах мощности квазистатического электрического поля, измеренного на Камчатке в обс. "Паратун-ка" [Михайлов и др., 2003; Михайлова и др., 2009]. Более того, было обнаружено усиление ВГВ перед сильными землетрясениями (ЗТ), подтверждая тем самым известный факт, что землетрясения также являются их источником. На фоне временны х вариаций напряженности квазистатического электрического поля как в условиях хорошей погоды, так и при сейсмической активности отчет-
ливо проявляются и имеют характерный вид эффекты грозовой активности.
Представляло интерес оценить относительный вклад грозовых источников в спектры мощности квазистатического электрического поля в широкой полосе периодов от 5 мин до 3 ч. Нижняя граница спектрального диапазона выбрана с учетом того, что она близко совпадает с частотой Брента—Вяйсяля, а верхняя граница примыкает к гармонике суточного теплового прилива. Для этой цели был выполнен спектральный анализ записей Ег-компоненты электрического поля в периоды: сентябрь 1999 г., август — октябрь 2002 г., полученных в обс. "Паратунка" ИКИР ДВО РАН (ф = = 52.97°^ X = 158.25°Е). Сравнение этих результатов с эффектами землетрясений на фоне условий хорошей погоды и составляет содержание данной работы.
0
1
2
1010 И 1000 990
50 0
-150 8
6
4
(---) Осадки, мм/м2 40
- 20
-500 -1000 -1500 -2000 1^-1-
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29
Дни
Рис. 2. Суточные вариации напряженности ^-компоненты квазистатического электрического поля, атмосферного давления, осадков (штриховая линия на верхнем рисунке), Д^-вариаций и Кр-индекса в сентябре 1999 г.
0
2
0
Рис. 3. Средний фоновый спектр мощности поля с СКВ отклонениями в полосах периодов 0.5—3 ч и 5—30 мин и спектральная кривая накануне землетрясений 17 сентября (верхний фрагмент рисунка). Внизу средний спектр мощности поля с СКВ отклонениями во время гроз.
Землетрясения вблизи п-ова Камчатка, зарегистрированные в сентябре 1999 г. и августе—октябре 2002 г.
Номер
Дата
Время, иТ
Географические координаты
ф°, N
1°, Е
1 06.09.1999 15:04:52.81 52.10 159.15 55 5.0 180
2 09.09.1999 14:02:01.59 47.51 154.33 33 5.6 525
3 18.09.1999 21:28:33.17 51.21 157.56 60 6.0 225
4 09.08.2002 23:31:47.90 53.57 161.55 33 4.6 270
5 10.08.2002 03:14:44.65 53.60 161.70 33 4.4 270
6 10.08.2002 09:50:57.94 53.43 161.76 33 4.5 270
7 10.08.2002 21:41:53.72 53.63 161.50 33 4.3 270
8 10.08.2002 22:12:08.95 53.49 161.72 33 4.4 270
9 27.08.2002 04:05:22.13 52.64 160.05 68 4.2 180
10 24.09.2002 09:00:45.26 49.21 155.36 48 5.4 390
11 03.10.2002 00:33:09.95 48.77 155.18 33 4.3 420
12 03.10.2002 15:56:41.13 54.56 161.51 53 5.2 315
13 08.10.2002 09:18:57.95 52.76 160.06 79 5.0 180
14 09.10.2002 13:49:55.60 51.25 157.36 84 4.1 270
15 13.10.2002 00:55:20.18 55.58 162.39 41 4.6 390
16 15.10.2002 05:15:47.30 54.54 161.28 33 4.6 285
17 16.10.2002 10:12:21.43 51.95 157.32 102 6.2 150
18 17.10.2002 02:29:43.15 51.99 157.23 118 4.7 150
19 18.10.2002 10:19:49.97 51.93 159.11 60 4.6 150
20 20.10.2002 01:34:49.10 52.93 160.25 46 5.3 150
21 23.10.2002 06:31:00.38 52.24 158.59 67 4.6 150
22 29.10.2002 13:11:15.72 52.90 158.82 100 4.5 150
23 29.10.2002 15:04:56.80 53.14 160.09 61 4.8 155
24 31.10.2002 21:35:32.24 51.84 158.80 55 4.1 195
Б, км
Мр
г, км
Примечание: Б — глубина эпицентра; г — расстояние от эпицентра до обс. "Паратунка".
2. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
В качестве примера на рис. 1 слева приведены характерные суточные вариации напряженности Ег-компоненты электрического поля, измеренного с дискретностью по времени 1 мин для условий хорошей погоды (03.09), с наличием аномалии накануне землетрясения с магнитудой М ~ 6 (17.09) и в день с грозой (14.09). Видно, что в условиях хорошей погоды в течение суток, за исключением возрастания в интервале времени 20—22 иТ, связанного с местным восходом Солнца [Казешй, 1956], вариации напряженности поля имеют место вблизи уровня 100 В/м со слабым понижением после местного полудня, вызванного солнечной радиацией. Ночью наблюдается почти плоский спокойный уровень напряженности поля. 17 сентября накануне землетрясения происходит продолжительное бухтообразное понижение напряженности поля до — 500 В/м с наложенными колебаниями. Этот эффект приписывается увеличению плотности объемного заряда в приземной атмо-
сфере за счет выхода подпочвенного радона в результате интенсивного процесса образования трещин в коре Земли. Наблюдаемое увеличение напряженности электрического поля перед аномалией, по-видимому, может быть связано с ростом температуры воздуха и с конвекцией объемных зарядов, приводящей к понижению проводимости приземной атмосферы. Во время грозы 14 сентября в течение короткого интервала времени наблюдаются резкие знакопеременные колебания напряженности поля, достигающие величины ±2000 В/м. Справа на рисунке приведены кривые спектральной плотности мощности в логарифмическом масштабе (далее для краткости, спектры мощности) в полосе периодов 5 мин — 3 ч. Из рисунка следует, что интенсивность спектра изменяется в очень широких пределах (от 3 х 104 до 6 х х 106 дл
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.