ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2008, том 48, № 2, с. 261-269
УДК 551.510.522;551.510.535
ПРОХОЖДЕНИЕ ВНУТРЕННИХ ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН НА ВЫСОТЫ D- И ДИНАМО-ОБЛАСТЕЙ ИОНОСФЕРЫ В СЕЙСМИЧЕСКИ АКТИВНОМ РЕГИОНЕ (КАМЧАТКА): ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ © 2008 г. Г. А. Михайлова1, Ю. М. Михайлов1, О. В. Капустина1, Г. И. Дружин2, С. Э. Смирнов2
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова,
РАН, г. Троицк (Московская обл.). 2Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН, пос. Паратунка (Камчатский край). e-mail.: yumikh@izmiran.ru e-mail: drug@ikir.kamchatka.ru Поступила в редакцию 07.08.2007 г.
Выполнен спектральный анализ одновременных суточных вариаций ^z-компоненты квазистатического электрического поля в приземной атмосфере, ОНЧ — радиошумов и горизонтальной компоненты геомагнитного поля, наблюдаемых на Камчатке в сентябре 1999 г. Эти геофизические параметры использованы в качестве косвенного средства изучения волновых процессов в приземной атмосфере, в D- и динамо-областях ионосферы в полосе периодов внутренних гравитационных волн (T = 0.5—3.5 ч). Для анализа взаимосвязи волновых процессов в этих областях атмосферы использован корреляционный метод в частотной области. Исследованы взаимные спектры мощности различных пар геофизических параметров в зависимости от метеорологической, сейсмической и геомагнитной активностей. Показано, что колебания в спектрах мощности в полосе периодов T ~ 1— 1.5 ч вызваны источниками внутренних гравитационных волн в приземной атмосфере, а в полосе периодов T ~ 1.5—3 ч — удаленными источниками выше динамо-области ионосферы.
PACS: 94.20.Ee, 94.20.Gg, 94.10.Jd
1. ВВЕДЕНИЕ
Проблема литосферно-ионосферного взаимодействия остается актуальной в настоящее время и активно исследуется многочисленными коллективами и теоретиков, и экспериментаторов. Предложено несколько возможных моделей этого взаимодействия [Гохберг и др., 1988; Липеровский и др., 1992; Pulinets and Boyarchuk, 2004, и цитируемая там литература]. В одной из них в качестве главного фактора, модифицирующего ионосферу по всей ее высоте в период подготовки землетрясений (ЗТ), рассматриваются преимущественно вариации напряженности квазистатического электрического поля в приземной атмосфере. Вместе с тем в одном из возможных механизмов литосфер-но-ионосферного взаимодействия рассматривается также канал связи через атмосферные волны, в частности, через внутренние гравитационные волны (ВГВ), возбуждаемые у поверхности Земли перед землетрясениями (ЗТ) и распространяющиеся до высот ионосферы [Гохберг, 1999; Mareev et al., 2002]. Для проверки этих моделей требовался анализ результатов наблюдений как во временной, так и в частотной области, проводимых одновременно в комплексных наземных экспери-
ментах. Такая возможность в настоящее время реализуется в Институте космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН в обсерваториях "Паратунка" (ф = 52°58. ЗТС; X = 158°14.9'Е) и "Карымшина" (ф = 52.8°М; X = 158.15°Е). В качестве исходных данных используются суточные вариации напряженности квазистатического электрического поля (^-компонента), ОНЧ-радиошумов и горизонтальной компоненты геомагнитного поля. В спектрах мощности суточных вариаций этих параметров нами впервые были выделены колебания, совпадающие с периодами ВГВ (Т = 0.5—3.5 ч). Более того, было обнаружено усиление интенсивности этих колебаний и изменение спектрального распределения перед ЗТ [Михайлов и др., 2003; Михайлов и др., 2004; Михайлов и др., 2008]. С другой стороны, эти колебания совпадают с сейсмо-гравитационными колебаниями Земли, которые возбуждают колебания атмосферного давления в приземной атмосфере и усиливаются в период подготовки ЗТ [Гармаш и др., 1989; Линьков и др., 1990]. Это позволило нам сделать вывод, что обнаруженные аномальные эффекты в колебаниях Ег-компоненты поля, ОНЧ-радиошумов и гори-
зонтальной компоненты геомагнитного поля перед ЗТ являются эффектами литосферной природы. Возбуждаемые у поверхности Земли атмосферные волны, усиливаясь, распространяются до высот ионосферы. Возмущения нейтральной компоненты ионосферной плазмы благодаря столкновениям вызывают колебания заряженных частиц на различных высотах ионосферы. Б-об-ласть ионосферы (60—90 км) ответственна за распространение ОНЧ-электромагнитных волн в приземном волноводе, а процессы в динамо-области (100—130 км) проявляются в вариациях горизонтальной компоненты геомагнитного поля. Поэтому суточные вариации ОНЧ-радиошумов и горизонтальной компоненты геомагнитного поля были использованы нами в качестве косвенного средства изучения волновых процессов на соответствующих высотах ионосферы. Полагая, что аномальные эффекты в рассматриваемых параметрах вызваны ВГВ, возбуждаемыми в приземной атмосфере, представляло интерес детально исследовать в комплексе вариации их спектров мощности в полосе 0.5—3.5 ч и взаимосвязь между ними.
Цель работы: во-первых, оценить вклад различных источников ВГВ в колебания спектров мощности этих параметров и, во-вторых, выделить ожидаемые эффекты литосферной природы и тем самым проследить прохождение ВГВ на указанные выше высоты ионосферы. Для этой цели в работе применяются корреляционные методы анализа экспериментальных данных в частотной области, которые позволяют оценивать авто- и взаимные спектры мощности различных пар параметров, квадрат функции когерентности, а также частотные характеристики каналов связи: приземная атмосфера — соответствующий уровень ионосферы. Эта работа является продолжением исследований электрических и электромагнитных процессов и их взаимодействия в сейсмоактивном регионе на Камчатке, начатых авторами в 1999 г. [Михайлов и др., 2002].
2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОД ОБРАБОТКИ
В качестве исходных данных использованы суточные вариации квазистатического электрического поля в приземной атмосфере (Ег-компо-нента), ОНЧ-радиошумов и горизонтальной компоненты (Н) геомагнитного поля, измеренные одновременно с одинаковой дискретностью по времени в одну минуту. Во временной области колебания в полосе периодов 0.5—3.5 ч представляют собой короткопериодные вариации шумового характера, наложенные на регулярные суточные вариации рассматриваемых параметров. Метод их выделения описан в работе [Михайлов и др.,
2003], а алгоритм их последующего спектрального анализа состоял в следующем:
1. Для оценки авто- и взаимной спектральной плотности мощности (далее, для краткости, спектров мощности) этих шумовых колебаний использован метод модифицированных периодограмм Уэлча [Welch, 1967]. В этом методе исходная суточная вариация разделялась на n коротких сегментов длительностью T (с перекрытием на половину интервала). Для каждого сегмента рассчитывалась модифицированная периодограмма введением временного "окна" Ханна: u(t) = = 0.5(1—cosnt/T) при 0 < t < T. Для более детального расчета спектров по частоте на интервале T использовалась процедура дополнения этого интервала нулями. Далее спектр мощности исходной суточной реализации определялся путем усреднения спектров, рассчитанных для этих коротких сегментов. Известно, что метод Уэлча при увеличении количества коротких сегментов при заданной длительности исходной реализации уменьшает дисперсию оценки мощности и повышает ее устойчивость, но при этом понижает разрешение спектров по частоте. Между длительностью T и величиной n существует своего рода соотношение неопределенности. Нами были рассмотрены различные варианты этого соотношения. В результате для дальнейшей обработки были выбраны значения T = 8 ч и n = 5.
2. Для оценки связи между двумя волновыми процессами рассчитывался их взаимный спектр мощности также с использованием метода Уэлча. В качестве базового процесса рассмотрены колебания ^-компоненты электрического поля. Аргумент взаимного спектра различных пар геофизических параметров позволяет определять, например, запаздывание или опережение волновых процессов в D- и динамо-областях ионосферы относительно колебаний электрического поля. Кроме того, рассчитывался взаимный спектр горизонтальных компонент геомагнитного поля, зарегистрированного на Камчатке в обс. "Паратунка" и в полярной обс. "Barrow" (ф = 71.32°N; X = 203.38°E), для того, чтобы отделить на рассматриваемых высотах атмосферы эффекты источников ВГВ в приземной атмосфере от эффектов суббурь и геомагнитных возмущений. Взаимный спектр мощности, как известно [Бендат и Пирсол, 1983], является комплексной величиной Sxy(f = |Sxyf)|exp(—jQx y), где
\Sx,y(f)\ = VRey + Jmy, а аргумент 0x,y(f) =
= arctg(ImSx, y/ReSx, y). В относительных единицах связь двух волновых процессов характеризуется величиной квадрата функции когерентности у2(/) = = |Sx,yf)|2/Sx,x(/) Syyf). Квадрат функции когерентности аналогичен квадрату нормированной корреляционной функции на данной частоте. Величина его мала, когда мало отношение полезного
Рис. 1. Пример корреляционной обработки в полосе периодов 0.5—3.5 ч суточных вариаций ^-компоненты электрического поля в приземной атмосфере и H-компоненты геомагнитного поля в обсерваториях "Паратунка" и "Barrow" 8 сентября 1999 г.: S(E) — средний спектр мощности Ez-компоненты; S(HP) — средний спектр мощности H в обс. "Паратунка"; S(HB) — соответственно в обс. Barrow; S(E, HP) и S(HP, HB) — средние взаимные спектры мощности, где
\S(E, HP)|, \S(HP HB)| и arg — соответственно их модули и аргументы; -S(E H^^ и - S(И{КР) ^^ — квадрат функции прохождения ВГВ; у2 — квадрат функции когерентности.
сигнала к шуму, когда два процесса между собой не связаны линейно и когда второй процесс зависит не только от базового процесса, но и от других источников [Бендат и Пирсол, 1983]. Такие ситуации реализовались в анализируемых нами данных. Квадрат функции прохождения волн через атмосферу оценивается следующим образом: Н(/)2 = ^//)/£*, /
Пример предложенного метода обработки исходных данных Ег-компоненты S(E) и Н-компо-ненты S(HP) приведен на рис. 1. (Из-за малости значений частоты в полосе периодов 0.5—3.5 ч спектры мощности представлены более наглядно
в зависимости от периодов.) На левом фр
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.