ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2008, том 48, № 6, с. 831-843
УДК 550.510.535
ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СВЯЗЕЙ В СИСТЕМЕ ЛИТОСФЕРА-АТМОСФЕРА-ИОНОСФЕРА ПЕРЕД ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯМИ
© 2008 г. В. А. Липеровский1, О. А. Похотелов1, К.-В. Мейстер2, Е. В. Липеровская1
Институт физики Земли им.О.Ю. Шмидта РАН, Москва 2Программа науки и образования, Проект "Физика звезд и планетарных атмосфер",
Бранденбург/Потсдам, Германия
e-mail: liper@ifz.ru Поступила в редакцию 22.01.2007 г. После доработки 25.04.2008 г.
Изложены наиболее важные физические модели связи в системе литосфера-атмосфера—ионосфера. В некоторых из них предполагается, что в приземной атмосфере над областью подготовки землетрясений происходит генерация атмосферных акустических и акустико-гравитационных волн, распространяющихся через атмосферу и доходящих до ионосферных высот, приводя к генерации возмущений электрического поля и модуляции плотности заряженных частиц. В других предполагается, что возмущения в ионосфере возникают благодаря модификации электрических полей и токов, вызванной электрическими процессами в литосфере или приземной атмосфере. Выделить только одну модель, а остальные отвергнуть, не представляется возможным, поскольку характерные пространственные масштабы наблюдений эффектов в ионосфере, предшествующих землетрясениям, различаются от 200—300 километров до нескольких тысяч километров, а характерные времена — от нескольких минут до нескольких суток. Можно думать, что литосферно-ионосферная связь осуществляется реально при действии совокупности нескольких физических механизмов.
PACS: 94.20.wg, 91.30.Px
1. ВВЕДЕНИЕ
В последнее время стало актуальным исследование физических процессов, сопровождающих подготовку землетрясений на различных фазах, и разработка методов и средств прогноза. Проведены экспериментальные и теоретические работы, значительно продвинувшие решение этой проблемы. К интересным и существенным из них, полученным благодаря радиофизическим наблюдениям в течение последних двух десятилетий, относится выявление предшествующих и сопровождающих землетрясения электромагнитных и ионосферных возмущений.
Впервые изменения параметров ионосферы перед крупнейшим землетрясением на Аляске в 1964 году были отмечены в работе [Davies and Baker, 1964]. Это стимулировало поиск эффектов в ионосфере, предшествующих землетрясениям. Эффекты в ионосфере от толчка и прохождения сейсмической волны после землетрясения наблюдались неоднократно. Стимулом для дальнейших экспериментальных исследований лито-сферно—атмосферно-ионосферных связей явилось обнаружение в ионосфере "аномальных" всплесков электромагнитного излучения в диапазоне частот от единиц герц до десятков килогерц и вариаций плотности ионизации, зарегистриро-
ванных на спутниках [Гохберг и др., 1982, 1983; Ларкина и др., 1983].
Важными для понимания физических процессов в системе литосфера-атмосфера-ионосфера оказались работы, посвященные выявлению возмущений атмосферного электрического поля [Гохберг и др., 1988а; Никифорова и др., 1991], "аномальных" геомагнитных пульсаций [Гогати-швили, 1984; Fraser-Smith et al., 1990; Sorokin et al., 1998], "аномальных" возмущений в ионосфере [Колоколов и др., 1992] и магнитосфере [Sere-bryakova et al., 1992; Parrot, 1994]. При этом отмечалась связь ионосферных возмущений с дискретной структурой земной коры (радиосияния над разломами) [Шафтан и др., 1986] вне сейсмической активности.
C 80-х годов прошлого века и до настоящего времени число публикаций по вопросам лито-сферно-атмосферно-ионосферной связи с каждым годом увеличивается и уже составляет несколько сотен. Наиболее полная библиография содержится в книгах [Гохберг и др., 1988б; Липеровский и др., 1992; Pulinets and Boyarchuk, 2004] и обзоре [Liperovsky et al., 2000]. Как отмечалось в работе [Pulinets, 2006], ионосферные эффекты землетрясений изучаются в 20 странах мира, причем только в России над этой проблемой работают 10 групп ученых.
Почти все исследования, проведенные до настоящего времени в этой области, были направлены на выявление ионосферных предвестников землетрясений и решение проблемы краткосрочного прогноза землетрясений. Оказалось, что ионосферные предвестники имеют сложную временную и пространственную структуру, максимальный эффект не всегда наблюдается в надэпи-центральной области и амплитуда предвестников не всегда возрастает по мере приближения к моменту землетрясения. Соответственно, возникла необходимость создания адекватных физических моделей для интерпретации литосферно-атмо-сферно—ионосферной связи.
В настоящей статье рассмотрены предложенные в последние два десятилетия основные физические модели литосферно-ионосферной связи за несколько суток до землетрясения, поскольку эффекты самого акта землетрясения и после него представляют меньше интереса.
2. НЕКОТОРЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
2.1. Спутниковые наблюдения возмущений ряда параметров на высотах верхней ионосферы перед землетрясениями оказались принципиально важными для понимания возможной перспективы их прогноза и стимулировали развитие исследований ионосферных предвестников землетрясений.
Впервые в 1982 г. при анализе результатов измерений на спутниках было обнаружено увеличение интенсивности ОНЧ-шумов в диапазоне от 140 Гц до 15 кГц и возмущений электронной плотности на высотах /-области перед землетрясениями на расстояниях в несколько тысяч километров до эпицентров [Гохберг и др., 1982, 1983; Лар-кина и др., 1983].
Далее на спутнике ИК-Б1300 за несколько минут до землетрясения были зарегистрированы вариации компонент магнитного поля в диапазоне частот 0.1-8 Гц и квазистатического электрического поля над эпицентром и на расстояниях 2000 км от эпицентра. Амплитуда всплесков электрического поля составляла 3-7 мВ/м, амплитуда наблюдавшихся магнитных пульсаций на частоте ~1 Гц составила 3 нТл. При регистрации вариаций плотности плазмы и КНЧ/ОНЧ-измерений на борту спутника "Космос-1809" [СИткеу й а1., 1997; Сорокин и др., 1998] за несколько часов до спитакского землетрясения были обнаружены магнитные возмущения на расстояниях до 500 км от эпицентра. Амплитуда возмущений при этом составляла до 10 нТл на частоте 140 Гц и до 3 нТл на частоте 450 Гц. Также были отмечены мелкомасштабные (4-10 км) неоднородности плотности плазмы ДЛУД) ~ 3-8%, которые возбуждались в тех
же областях (Дф = 3—4.5° по долготе), что и аномальные КНЧ возмущения магнитного поля, отмечались также всплески температуры и провалы в плотности.
Это были единичные уникальные измерения, важные для стимуляции дальнейших исследований, однако в цитированных исследованиях лишь предполагалось, а не доказывалось, что наблюдавшиеся возмущения магнитного поля являются следствием процессов подготовки землетрясения, а не вызваны другими причинами.
При недавних исследованиях эффектов подготовки землетрясений с использованием спутника ДЕМЕТЕР было обнаружено затухание VLF радиосигналов (10—20 кГц) от внешних источников на высотах /-области на расстояниях 1000—5000 км от эпицентра землетрясений за 1—3 недели до событий [Molchanov et al., 2006]. Эти, а также другие многочисленные наблюдения на спутниках [Puli-nets and Boyarchuk, 2004; Сорокин и др., 1998] показали наличие эпизодических всплесков низкочастотной плазменной турбулентности, областей нагрева, областей провалов плотности в верхней части /-области в приуроченных к землетрясениям зонах, простирающихся на расстояния до нескольких тысяч километров от эпицентра.
Возможные проявления эффектов подготовки землетрясений на таких больших расстояниях оказались очень важными для понимания физических механизмов и построения моделей лито-сферно-ионосферной связи. Разумеется, наличие этих эффектов не было строго доказано статистически, поскольку измерения всегда были эпизодическими, спутник пролетал над зоной подготовки землетрясения в течение нескольких десятков секунд и вновь появлялся над ней через несколько суток.
В последние годы ионосферные эффекты землетрясений обнаружены при исследовании полного электронного содержания TEC ( Total Electron Content) в вертикальном столбе воздуха от земли до местонахождения спутника. Основной вклад в TEC вносят электроны /-области ионосферы. В работах [Pulinets et al., 2004; Liu et al., 2004; Афраймович и Астафьева, 2006] с использованием GPS было показано, что за 1—7 дней перед сильными землетрясениями наблюдается увеличение изменчивости TEC на несколько процентов, если точка наблюдения расположена в области подготовки землетрясений (R < exp(M) км).
2.2. Возмущения F2 слоя в основном определяются причинами гелиогеомагнитной и ионосферной природы. Достаточно большая часть статистически достоверных или почти достоверных сейсмоионосферных эффектов в последние годы была выявлена с помощью стандартного ионосферного вертикального зондирования. Анализ состояния ионосферы перед землетрясениями показал, что специфические эффекты, предше-
ствующие землетрясениям, практически не встречаются. Поэтому при исследовании ионосферы в периоды подготовки землетрясений было необходимо пойти по пути выделения на статистическом материале наиболее общих закономерностей временного хода некоторых ионосферных параметров.
При исследовании сейсмоионосферных эффектов в /-области было обнаружено, что и знак эффекта, и характерные времена могут различаться для различных регионов. Так, для землетрясений с M > 5.5 в Японии было получено, что критическая частота foF2 в дневное время увеличивается за 3—7 дней до землетрясения, а затем уменьшается за сутки—двое до толчка, пониженное значение foF2 сохраняется 2—3 дня после землетрясений [Pulinets and Boyarchuk, 2004; Корсу-нова и Хегай, 2005; Липеровская и др., 2006]. За неделю до землетрясения также уменьшается тур-булизация F-области, что проявляется как уменьшение F-рассеяния [Liperovskaya et al., 2006]. Перечисленные эффекты наблюдаются на расстояниях до 500—1000 км от эпицентра до станции вертикального зондирования. Однако в работе [Liu et al., 2006] по материалам Тайваньской станции вертикального зондирования наблюдалось только уменьшение дневной критической час
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.