КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2011, том 49, № 3, с. 236-248
УДК 523.62
ЭВОЛЮЦИЯ СЕЙСМО-ИОНОСФЕРНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ПО ДАННЫМ ПЛОТНОЙ СЕТИ СТАНЦИЙ GPS © 2011 г. В. В. Кирюшкин, Э. Л. Афраймович, Э. И. Астафьева
Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск afra@iszf.irk.ru Поступила в редакцию 19.05.2009 г.
В работе исследована эволюция сейсмо-ионосферных возмущений, сопровождавших сильные разрушительные землетрясения в районе Курильских и Японских островов 4.Х.1994 г., 25.IX.2003 г. и 15.XI.2006 г. Для определения динамики пространственно-временных и амплитудных параметров возмущений полного электронного содержания (ПЭС) по данным японской сети приемных GPS станций GEONET и корейской сети KGN использованы метод построения диаграмм "дальность-время" и квазиоптимальный алгоритм пространственно-временной обработки данных GPS-сети. Ионосферный отклик зафиксирован на расстоянии D от эпицентра до 2500 км. Максимальное значение амплитуды возмущения наблюдается при D = 400-600 км. Для землетрясений 25.IX.2003 г. и 15.XI.2006 г. скорость V распространения основной моды возмущения не зависит от расстояния и равна 850 и 1100 м/с, соответственно. На расстоянии D ~ 600 км волновое возмущение от главного толчка землетрясения 4.X.1994 г. разделяется на две моды: скорость "быстрой моды" возмущения увеличивается с расстоянием от 1500 до 2400 м/с, а скорость "медленной моды" V = 600 м/с не зависит от D. Дана возможная интерпретация полученных результатов.
1. ВВЕДЕНИЕ
Известно, что землетрясения являются источником атмосферных и ионосферных возмущений. Возникающие вследствие землетрясений вертикальные смещения земной поверхности возбуждают волны давления в нейтральной атмосфере, амплитуда которых увеличивается до 104 раз при распространении вверх, что вызвано экспоненциальным уменьшением плотности атмосферы с высотой. По достижении ионосферы такие волны способны вызвать колебания полного электронного содержания (ПЭС) [2, 3, 5-7, 9].
Отклик ионосферы на землетрясения может наблюдаться как вблизи эпицентра, так и вдали от него. Однако физические механизмы генерации и распространения сеймо-ионосферных возмущений (СИВ) существенно отличаются и, следовательно, их динамические характеристики также различны. Источником возмущений может быть как сам основной толчок, генерирующий ударно-акустическую волну (УАВ), так и распространяющиеся сейсмические поверхностные волны Рэлея, сейсмические воздушные волны, цунами и т.д.
Ионосферный отклик УАВ в ближней зоне эпицентра землетрясения обычно регистрируется спустя 10-15 мин после основного толчка и распространяется со скоростью 900-1100 м/с, что соответствует скорости звука на высотах ионосферы. При этом форма отклика соответствует Л-волне (волне сжатия-разряжения), амплитуда которой зависит от магнитуды землетрясения, скорости нейтрального ветра, потерь на фронте ударной волны и т.д. [27].
Параметры таких ионосферных возмущений определены с помощью GPS- и КВ доплеровских измерений [2, 11, 14, 15, 18, 19, 28]. Ионосферные возмущения, связанные с распространением поверхностных волн Рэлея, были недавно исследованы с помощью Калифорнийской сети приемников GPS [16, 17]. Такие возмущения распространяются со скоростью порядка 3.3 км/с (как и сейсмические волны Рэлея) и регистрируются на расстоянии до 2000-3000 км от эпицентра.
Сейсмические воздушные волны появляются в результате внезапных вертикальных или наклонных смещений земной поверхности и распространяются горизонтально вдоль земной поверхности со скоростью порядка 300 м/с [10]. Такие волны являются источником квазипериодических неоднородностей в ионосфере и регистрируются в дальней зоне эпицентра землетрясений, вплоть до 4000-5000 км от эпицентра [7, 22]. Цунами также известны как источники квазипериодических ионосферных возмущений, однако такие ионосферные возмущения распространяющихся со скоростью порядка 190 м/с [23, 25].
Таким образом, зная эволюцию формы и динамические характеристики сейсмо-ионосферных возмущений на различных расстояниях от эпицентра, мы можем получить информацию об источнике этих возмущений. Однако для решения этой задачи, прежде всего, необходимо применение соответствующих методов обработки данных, обладающих высоким пространственно-временным разрешением и чувствительностью. Здесь мы используем методы,
основанные на концепции пространственно-временной обработки рядов ПЭС, предложенной нами в 2000 г. [1]. Временные зависимости ПЭС, измеренные одновременно для всей совокупности радиотрасс "спутник—приемник", подвергаются соответствующей фильтрации и последующей когерентной обработке с использованием алгоритмов неэквидистантных фазированных антенных решеток (ФАР). В зависимости от геометрических соотношений размеров решетки и ее расстояния от эпицентра землетрясения, используются модели распространяющегося плоского и сферического фронта волнового возмущения ПЭС. На основе этой концепции были разработаны различные модификации метода [3, 32, 33], наиболее развитым из которых является квазиоптимальный метод [21]. Аналогичные разработки предпринимаются и другими группами [11—15].
Решающее значение для изучения эволюции сейсмо-ионосферных возмущений, имеют созданные в последнее время плотные сети GPS приемников, развернутые в сейсмоактивных регионах Калифорнии (США) и Японии. В настоящей работе мы исследовали эволюцию сейсмических ионосферных возмущений, сопровождавших сильные разрушительные землетрясения в районе Курильских и Японских островов в 1994, 2003 и 2006 гг. Использованы данные GPS-мониторинга ионосферы на японской сети GEONET (1225 станций, ftp://terras. gsi.go.jp/data/GPS_products/) и корейской геодезической сети KGN [20].
2. ГЕОМЕТРИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Информация о землетрясениях представлена на сайте http://www.neic.cr.usgs.gov. По данным сейсмической службы эпицентр землетрясения 4.X.1994 г. был расположен в 80 км восточнее острова Шикотан, одного из Южно-Курильских островов, в точке с координатами (43.77°N, 147.32°E). Время главного сейсмического толчка соответствует 13.22.55 UT а магнитуда землетрясения составила М = 8.1. Землетрясение было связано с очень сильными колебаниями почвы, максимальное понижение которой в эпицентре достигало 50 см. Мониторинг ионосферных возмущений в этом эксперименте осуществлялся на японской сети GEONET которая к 1994 г насчитывала около 100 приемных станций GPS, образующих несколько параллельных цепочек, вытянутых с северо-востока на юго-запад вдоль Японских островов. Необходимо отметить, что накануне 3.X.1994 г. наблюдалось достаточно сильное геомагнитное возмущение, для которого значения индексов геомагнитной активности составили значения Dst = —96 нТ, а Kp = 6 для 09.00.00 UT Однако далее уровень геомагнитной возмущенности уменьшался и к моменту основного точка землетрясения был вполне умеренным (Dst = -39 нТ и Kp = 4).
Эпицентр землетрясения 25.IX.2003 г. находился на расстоянии 60 км от японского острова Хоккайдо
и был расположен в точке с координатами (41.78°N, 143.91°E). Землетрясение произошло как результат горизонтального сдвига североамериканской тектонической плиты, которая простирается до северо-востока евразийского материка, и пододвига Тихоокеанской тектонической плиты. Главный сейсмический удар землетрясения был зафиксирован в 19.50.06 UT, а магнитуда землетрясения составила М = 8.3. Наблюдение сейсмических ионосферных возмущений проводилось на сети GEONET насчитывающей к этому времени около 1200 станций. Кроме того, в этом эксперименте использовались измерения корейской геодезической сети KGN, которая насчитывает 33 двухчастотных приемных станций GPS. При этом геомагнитная активность также была умеренной и характеризовалась значениями индексов Dst = -47 нТ и Kp = 4.
Эпицентр землетрясения 15.XI.2006 г. оказался более удаленным от японских островов (1650 км от Токио) и был расположен в точке с координатами (46.61°N, 153.23°E). Главный сейсмический удар землетрясения был зафиксирован в 11.14.16 UT, а магнитуда землетрясения составила М = 8.3. Как и в предыдущем случае, в этом эксперименте использовались измерения сети GEONET и KGN. Состояние магнитного поля Земли в этом эксперименте было еще более спокойным и на момент главного точка землетрясения характеризовалось Dst = -31 нT и Kp = 1.
Геометрия экспериментов приведена на рис. 1, где звездой, крестиком и треугольником показаны эпицентры соответствующих землетрясений. Двойной штриховкой обозначена область размещения приемных GPS-станций сети GEONET, а наклонной штриховкой выделен регион расположения корейской GPS-сети KGN.
3. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
Метод GPS-мониторинга ионосферы позволяет определить значение ПЭС ионосферы по двухча-стотным измерениям псевдодальности между навигационным спутником и наземным приемником GPS и детально изложен в публикациях [2, 11]. Конечная формула для фазовых измерений ПЭС вдоль луча "спутник-приемник" имеет вид:
2 2
1 = 40 308 f ^f2 [(Ml - LlX2) + AL + (1)
40.308 fi - f2
где/1 = 1575.42 МГц, f2 = 1227.6 МГц, X1, X2 - частоты и длины волн навигационных радиосигналов GPS; L1X1 и L2X2 - фазовый путь сигналов GPS (L1, L2 -число полных оборотов фазы); AL - некоторый неизвестный начальный фазовый путь; nL - ошибка в определении фазового пути.
Для устранения пространственной неопределенности измеренное значение ПЭС соотносится к одной ионосферной точке (ИТ) - точке пересечения
48
44
р
1-е
<£ н о
р и
40
36
32
28
+ 4.X.1994 г. a 25.IX.2003 г. ★ 15.XI.2006 г.
125
130
135
140
145
150 155 Долгота, град
Рис. 1. Схема вычисления диаграммы "дальность—время" для откликов ПЭС на землетрясения в регионе Японии. Символами 0 и Sj отмечено положение центра координат и подионосферной точки для луча между г-й GPS-станцией и выбранным спутником, соответственно; Dj — расстояние между точками 0 и Sj по дуге большого круга; а — азимут направления D¡, отсчитываемый от севера по часовой стрелке. 9 — угол между волновым вектором K и вектором магнитного поля B. Заштрихованы регионы дислокации сетей приемников GPS в Южной Корее (сеть KGN) и Японии (сеть GEONET).
луча спутник
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.