ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2015, том 55, № 4, с. 525-539
УДК 550.34
ИЗМЕНЕНИЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ ФУНКЦИОНАЛОВ ОТ КРИТИЧЕСКОЙ ЧАСТОТЫ СЛОЯ F2 ИОНОСФЕРЫ ПЕРЕД СИЛЬНЫМИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯМИ
© 2015 г. Л. П. Коган
Нижегородский архитектурно-строительный университет, г. Нижний Новгород
e-mail: l_kog@list.ru
Поступила в редакцию 10.08.2014 г. После доработки 18.03.2015 г.
Рассматривается методика краткосрочного прогноза сильных землетрясений. Теоретически обосновывается высокая вероятность изменения перед подобным сейсмическим явлением свойств некоторых статистических функционалов от физических величин, измеряемых в районе предстоящего события. Полученные результаты тестируются на примере проведения расчетов по данным о значениях критической частоты ионосферы. Формулируется алгоритм оценки величины вероятности сильного тектонического события для предстоящего интервала времени порядка одних суток по завершении цикла измерений совокупности физических полей, потенциально содержащих информацию о предвестниках землетрясения. Обсуждается возможность распространения полученных результатов применительно к катастрофическим событиям произвольной физической природы.
DOI: 10.7868/S0016794015040069
1. ВВЕДЕНИЕ
Первые работы, в которых предпринималась попытка строго научного подхода к предсказанию сильных тектонических событий, появились еще в начале XX века. В частности, в работе [Kovesligethy, 1908; Reid, 1910] рассматривались модели изменения во времени упругих свойств земной коры и накапливания напряжений при ее деформациях, вызванных перемещениями лито-сферных плит. В более поздних работах, например, [Bullen, 1953; Гамбурцев, 1960; Уломов и Ма-вашев, 1960], внимание уделялось взаимосвязи накопления энергии предстоящего землетрясения и возникновения сети локальных разрывов, проходящих по ослабленным зонам между отдельными более прочными блоками земной коры. При этом выделялись интервалы длительного начального сжатия системы с появлением отдельных трещин, их дальнейшего слияния, принимающего лавинообразный характер к моменту наступления собственно крупного сейсмического события, а также последующей релаксации упругих напряжений в надочаговой зоне, сопровождающейся серией повторных толчков.
К началу 80-х годов прошлого столетия по итогам обобщения проведенных исследований, включая статистику удачных и ошибочных сейсмических прогнозов, была разработана концепция зоны подготовки землетрясения [Dobrovol-sky et al., 1979; Добровольский, 2009; Keilis-
Borok, 1990]. В пределах данной зоны происходит накопление энергии тектонических напряжений, сопровождающихся изменениями в свойствах земной коры. Эти изменения могут быть выявлены при измерениях выхода радона, определении флуктуаций углов наклона земной поверхности, вариаций температурного режима области вблизи эпицентра готовящегося события, возмущений параметров соответствующих областей ионосферы и так далее.
Как следующий шаг в понимании процессов подготовки землетрясений, в настоящее время сформулирована теория литосферно-атмосфер-но-ионосферных связей, позволяющая объяснять корреляции таких предшествующих сильному землетрясению явлений, как большие флуктуации полного электронного содержания и критической частоты ионосферы, существенное изменение проводимости пограничного слоя, возникновение тепловых аномалий, появления линейных облачных структур вдоль линии разлома и т.п. феноменов. В частности, согласно результатам [Пулинец и др., 2012; Давиденко и др., 2012; Боярчук и др. 2010; Рu1inеts et al., 2006; FuH^s and Ouzounov, 2011, Депуева и др., 2007], подтвержденным результатами измерений для реально происходивших сейсмических явлений, имеет место временная корреляция и причинно-следственная связь между атмосферными, в том числе тепловыми, и ионосферными предвестниками. Пусковым механизмом соответствующей
цепочки внелитосферных аномалий является усиленный выход радона при миграции газов, в свою очередь вызываемой активизацией разломов. Далее в пределах зоны подготовки события происходит ионизация воздуха а-частицами, вызывающая формирование кластерных ионов, что приводит к самоорганизующейся цепи явлений в атмосфере и ионосфере. Их фиксация современными системами наблюдения, в первую очередь спутниковыми, позволяет сделать вывод о процессе подготовки предстоящего в ближайшее время землетрясения, интенсивность которого с высокой вероятностью должна быть пропорциональна амплитуде происходящих аномалий и масштабу охваченной ими области.
Вместе с тем, с учетом сложности, нелинейности и многофакторности сейсмических явлений, не вызывает сомнений необходимость расширения теоретической базы, относящейся к проблематике краткосрочного прогноза землетрясений большой интенсивности. В данной статье, в развитие исследований [Коган, 2014], предлагается методика вычисления вероятности подобного события для интервала времени порядка предстоящих 24 ч. Рассматриваемый подход основан на гипотезе о независимости фонового шума, фиксируемого при измерении любых физических полей, и случайных флуктуаций, возникающих в районе предстоящего в ближайшее время тектонического события из-за влияния на измеряемые величины процесса подготовки сильного землетрясения.
2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Существуют различные механизмы ионосферных возмущений, не связанные с тектоническими процессами. Сюда относятся ионосферные бури, флуктуации, вызываемые ультрафиолетовыми и рентгеновскими вспышками на Солнце и т.д. Ключевое свойство таких событий состоит в их глобальном и почти одновременном влиянии на всю земную ионосферу и, следовательно, в статистической взаимозависимости вызываемых ими воздействий на параметры ионосферы. Другими словами, как изменения параметров ионосферы, прямо связанные с деятельностью Солнца (например, связанные с высыпанием энергичных электронов из радиационных поясов магнитосферы под действием солнечного флуктуаций солнечного ветра), так и влияние ионосферных возмущений, вызываемых механизмами наподобие акустических гравитационных волн, возникающих, в частности, при воздействии выбросов корональной массы на земную магнитосферу, с высокой вероятностью оказываются статистически взаимозависимы.
В то же время ионосферные возмущения, вызванные процессом подготовки предстоящего
вскоре сильного землетрясения, географически являются локальными, то есть охватывают зону порядка нескольких процентов от полного телесного угла и генерируются сейсмическими явлениями, относительно мало зависящими от текущей деятельности Солнца. Следовательно, отвечающие сейсмическим процессам флуктуации будут статистически слабо независимыми с указанными выше глобальными процессами, формирующими фон ионосферных возмущений. Поэтому можем полагать, что при существовании процесса подготовки сильного землетрясения измеряемые значения параметров ионосферы в соответствующей географической области могут быть записаны в виде суммы двух независимых случайных слагаемых. Одно из них отвечает фоновому шуму, а другое — собственно воздействию указанного процесса подготовки тектонического события. В этом случае свойства статистических функционалов наподобие характеристической функции, рассчитанной по результатам измерений параметров ионосферы, с высокой вероятностью будут изменяться непосредственно перед землетрясением.
Такое изменение, как будет показано далее, связано со сглаживанием мелкомасштабных флуктуаций соответствующей плотности вероятности, по которой рассчитывается характеристическая функция. Поскольку она будет являться сверткой плотностей вероятностей, отвечающих указанным независимым случайным процессам. При этом возникает эффект усреднения мелкомасштабных вариаций. Что с большой вероятностью приведет к уменьшению модуля характеристической функции, поскольку данный фурье-функционал зависит не только от амплитуды, но в равной мере и от скорости и горизонтального масштаба изменения прообраза. Это уменьшение может рассматриваться как непосредственный предвестник готовящегося события. В итоге появляется возможность составления вывода о высокой вероятности существования процесса подготовки землетрясения даже в случае, когда соответствующие возмущения значений измеряемых ионосферных параметров малы по сравнению с их фоновыми флуктуациями.
Разумеется, существуют и другие механизмы генерации случайных ионосферных и атмосферных возмущений, относительно независимые от деятельности Солнца. Например, такие возмущения могут быть связаны с грозовой активностью. Тем не менее, как показывают результаты дальнейших вычислений, вероятность появлений малых значений модуля характеристической функции (при указанных в работе значениях аргумента этой функции), вычисленной по циклу измерений критической частоты ионосферного слоя ¥2, с существенной вероятностью значительно воз-
растает непосредственно перед сильными землетрясениями в рассматриваемом регионе.
Таким образом, при постановке задачи вводим предположение, что физические величины, измеряемые с целью прогнозирования тектонических событий, могут рассматриваться как случайные процессы вида:
х(0 = х() + х2(0, (1)
где х1(1) и х2(0 — вещественные случайные функции от времени Функция х1(1) — фоновый случайный процесс, например, обычный прямо или косвенно связанный с тектоникой шум, включая в это определение и влияние относительно малых тектонических событий, а также погрешность работы измерительной аппаратуры. Тогда как "слабый процесс" х2(1) — меньшие, за исключением отдельных пиковых значений, по сравнению с х1(1) флуктуации, связанные с подготовкой сильного землетрясения, которое ожидается в течение небольшого промежутка времени. Непосредственно измерены могут быть только значения х(0, совпадающие с фоновым шумом х1(1) при отсутствии процесса х2(1).
В настоящей статье предлагается гипотеза о статистической независимости значений случайных процессов х1(1) и х2(0, с учетом которой будут проводиться все дальнейшие вычисления. Укажем, что станем называть отдельными отрезками реализации перечисленных случайных процессов отвечающие им функции на локальных временных интервалах.
Для каждого отрезка
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.