научная статья по теме ЭФФЕКТ ВЫХОДНЫХ ДНЕЙ В СЕЙСМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ЭФФЕКТ ВЫХОДНЫХ ДНЕЙ В СЕЙСМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ»

ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2007, № 12, с. 27-34

УДК 550.34

ЭФФЕКТ ВЫХОДНЫХ ДНЕЙ В СЕЙСМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ

© 2007 г. О. Д. Зотов

Геофизическая обсерватория Борок ИФЗ РАН, пос. Борок Ярославской обл.

E-mail: ozotov@inbox.ru Поступила в редакцию 25.09.2006 г.

Сделана попытка обнаружить так называемый "эффект выходных дней" в вариациях сейсмической активности, предположительно связанный с человеческой деятельностью. Путем статистического анализа мирового каталога землетрясений показано, что такой эффект, вероятно, существует. Методом синхронного детектирования обнаружено, что максимум семидневной вариации числа землетрясений с магнитудой M < 5.0 приходится на воскресение, причем относительная амплитуда вариации составляет около 5%. Не удалось найти убедительной физической интерпретации эффекта. Предположительно эффект связан с семидневным циклом индустриальной активности.

Ключевые слова: землетрясения, индустриальная активность, эффект выходных дней. PACS: 91.30.Dk

1. ВВЕДЕНИЕ

Не вызывает сомнений тот факт, что индустриальная деятельность оказывает влияние на разнообразные геофизические процессы, иногда в масштабах всей планеты. Один из спорных вопросов касается степени такого влияния. Считается, что если при статистическом анализе достаточно длинного ряда наблюдений за каким-либо процессом удается обнаружить недельный цикл, и особенно наиболее яркое его проявление - эффект выходных дней (ЭВД), которому и посвящено данное исследование, то это убедительно свидетельствует о наличии антропогенного воздействия на процесс.

Например, при анализе вариаций температуры приземного слоя был обнаружен эффект выходных дней как планетарное климатическое явление, связанное с индустриальной активностью [de Forster and Solomon, 2003]. Приведем еще один пример, который относится к другой области исследований, а именно - к физике магнитосферы Земли. В работе [Guglielmi and Zotov, 2006] рассмотрен вопрос о существовании ЭВД в вариациях частоты появления геомагнитных пульсаций типа Pel, которые возбуждаются в магнитосфере в виде ионно-циклотронных волн. По данным каталога [Матвеева, 1996], содержащего данные о Рс1 за 35 лет наблюдений на Геофизической обсерватории Борок ИФЗ РАН, обнаружена семидневная вариация частоты появления Рс1 с максимумом в выходные дни (см. также [Fraser-Smith, 1979; 1981; Зотов, Калишер, 1979; Гульельми, Зотов, 1986]). В работах [Fraser-Smith, 1979; Karinen et al., 2002] обсуждается ЭВД в вариациях Ap- и аа-индексов, отражающих глобальную геомаг-

нитную активность. В предлагаемой работе предпринята попытка обнаружить эффект выходных дней в сейсмической активности.

2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОД АНАЛИЗА

Для исследования были использованы данные каталога землетрясений Международного сейсмологического центра (ISC) с 1964 по 2003 годы [http://www.isc.ac.uk]. В этом каталоге представлены события, зарегистрированные по всему земному шару мировой сетью сейсмических станций. При поиске ЭВД будем изучать именно те события, которые зарегистрированы в указанном каталоге. Одним из способов оценки магнитуды землетрясения, которая определяется по сейсмограммам сети станций, является магнитуда, вычисляемая по амплитудам объемных волн (body wave magnitude -Mb, далее для краткости M). Это значение магнитуды будем использовать в тех случаях, когда при анализе данных используется дифференциация по магнитуде. Всего таких событий с M > 1 в каталоге около 400000. В каталоге содержится также достаточно большое число событий (приблизительно 1400000), для которых магнитуда по объемным волнам по тем или иным причинам не определена. Таким образом, в каталоге описано около 2 миллионов событий, произошедших за 40 лет с 1964 по 2003 годы.

При статистическом анализе каталога мы будем рассматривать каждое землетрясение как событие, характеризующееся конкретным календарным днем наблюдения. Для исследования распределения событий по дням недели мы применим один

из вариантов метода наложения эпох, а именно -метод синхронного детектирования, который является весьма эффективным способом выделения слабого периодического сигнала на фоне шумов (пример применения метода синхронного детектирования для анализа геофизических данных см., например, в работе [Guglielmi and Zotov, 2006]). Мы будем вычислять распределения числа событий при различных периодах детектирования при попытке выделить семидневную периодичность и обнаружить ЭВД. (Вполне понятно, что фактически речь идет не о строгой периодичности, а о квазипериодичности. В дальнейшем мы не будем указывать на это очевидное уточнение).

Каталог ISC также содержит сейсмические события, отмеченные как искусственные (ядерные и химические взрывы, горные удары и т.п.). Здесь необходимо сделать следующее пояснение. Известно, что при составлении каталогов в диапазоне относительно малых значений магнитуд четкое отделение тектонических землетрясений от технологических взрывов представляет собой исключительно трудную и отнюдь не до конца решенную задачу. Тем не менее, естественные и искусственные события, обозначенные в каталоге iSC как таковые, мы будем анализировать раздельно при исследовании недельной вариации сейсмической активности с целью поиска ЭВД. К этому вопросу мы вернемся в п. 4 при обсуждении результатов анализа.

Еще одно пояснение относительно характера исходных данных касается вопроса о представительности каталога ISC. Как известно, представительным называют каталог, в котором землетрясения с магнитудами М > Мпр, представлены без пропусков. Величина Мпр (она зависит от многих факторов - от конфигурации сети сейсмических станций, уровня помех, чувствительности регистрирующей аппаратуры и т.д.) не всегда может быть надежно указана. Однако в любом случае каталог ISC не является представительным в диапазоне магнитуд М < 5. Непредставительность каталога означает, что мы анализируем всего лишь некоторую выборку из генеральной совокупности, которая включает в себя все землетрясения с магнитудами М < 5, произошедшие за 40 указанных выше лет. Само по себе это обстоятельство, казалось бы, не таит в себе опасности сделать неверные заключения из описанных в п. 3 результатов, поскольку выборка статистической совокупности была случайной по исследуемому признаку, т.е. день недели, безусловно, никак не учитывался при составлении каталога ISC. Положение может оказаться не столь прозрачным в отношении тектонических землетрясений, если учесть, что искусственные события, неотмеченные в каталоге как таковые, могут обладать свойством недельной периодичности. Обсуждение этого вопроса мы продолжим в п. 4 после того, как опишем ре-

зультат анализа событий, представленных в каталоге ISC.

3. РЕЗУЛЬТАТ АНАЛИЗА

При поиске ЭВД вначале следует убедиться в том, что во временной последовательности землетрясений существует семидневная вариация. С этой целью были рассмотрены землетрясения с магнитудами М > 1 при различных продолжительности эпохи, т.е. периода синхронного накопления. Конкретно, продолжительность эпохи изменялась от 4 до 10 дней. Полный интервал накопления составляет 40 лет с шагом в один год. На рис. 1 представлен полученный результат. При построении этого графика была выделена переменная составляющая (вариация) для каждого периода детектирования на каждом шаге накопления по времени. Затем вычислялась амплитуда (размах) вариации V и именно эта величина на рис. 1 откладывалась по вертикальной оси. Мы отчетливо видим, что с течением времени амплитуда V нарастает, причем рост V при синхронном детектировании с периодом в семь дней значительно превышает рост V при детектировании с другими периодами. Отсюда можно сделать вывод, что, семидневная вариация сейсмической активности, представленной в каталоге ISC, действительно существует (другой вопрос, каково происхождение этой вариации, но это мы обсудим в следующем разделе статьи.)

На рис. 2 дано распределение событий по дням недели, полученное методом синхронного накопления на периоде, в точности равном семи дням. При построении этого графика были использованы все землетрясения, включая землетрясения с неопределенной магнитудой (см. п. 2). Видно отчетливое возрастание сейсмической активности в субботу и в воскресенье по сравнению с другими днями недели. Из этого рисунка следует, что семидневная вариация не только существует, но и имеет максимум в выходные дни. Другими словами, мы имеем дело с классическим эффектом выходных дней.

Сделаем предварительную оценку зависимости ЭВД от магнитуды М. На рис. 3 а отчетливо видна модуляция сейсмической активности с периодом семь дней для событий с М = 1-4 (черная кривая, шкала слева), и отсутствие модуляции для событий с М > 4 (серая кривая, шкала справа). График получен наложением 500 интервалов (эпох), каждая длительностью 28 дней. Относительная амплитуда недельной вариации для событий с М = 1-4 составляет примерно 5%.

Подводя итог анализа семидневной вариации сейсмической активности, приведем оценку статистической достоверности результата. Воспользуемся методикой, предложенной в работе

Рис. 1. Динамика вариации V для землетрясений с магнитудой М > 1 на интервале накопления 40 лет в зависимости от периода синхронного детектирования.

[de Forster and Solomon, 2003], в которой авторы для того, чтобы определить наличие или отсутствие ЭВД, оценивали статистическую значимость разницы между средним значением исследуемой величины (в данной работе это число землетрясений) за субботу - воскресенье - понедельник и за среду - четверг - пятницу. Судя по рис. 2, такая оценка применима и к недельной вариации сейсмической активности. В соответствие с этим была сделана проверка гипотезы о том, что обнаруженное различие сейсмической активности в выходные и в рабочие дни недели статистически достоверно. Оказалось, что ^-уровень не превышает 0.03, т.е. статистическая надежность указанного различия не ниже, чем 97%. По-видимому, полученные результаты позволяют достаточно уверенно утверждать, что семидневная вариация сейсмической активности с максимумом в выходные дни представляет собой реальное явление.

4. ОБСУЖДЕНИЕ

Изложению экспериментальны

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.

Показать целиком