ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2015, том 55, № 4, с. 540-558
УДК 550.343.62
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГЕНЕРАЦИИ КРАТКОСРОЧНЫХ ПРЕДВЕСТНИКОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ. КОМПЛЕКСНАЯ МОДЕЛЬ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ ЛИТОСФЕРА-АТМОСФЕРА-ИОНОСФЕРА-МАГНИТОСФЕРА, ИНИЦИИРУЕМЫХ ИОНИЗАЦИЕЙ
© 2015 г. С. А. Пулинец1, Д. П. Узунов2, А. В. Карелин3, Д. В. Давиденко1, 4
Институт космических исследований РАН(ИКИРАН), г. Москва 2Университет Чэпмена, г. Оранж, Калифорния, США 3Центральный научно-исследовательский институт машиностроения (ЦНИИмаш),
г. Королёв (Московская обл.)
4Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королёва (РКК "Энергия"),
г. Королёв (Московская обл.) e-mails:pulse@rssi.ru; dim.ouzounov@gmail.com; avkarelin@mail.ru; davidenkoe5@rambler.ru
Поступила в редакцию 23.02.2015 г.
В работе изложено современное понимание взаимодействия геосфер в результате развития сложного комплекса физико-химических процессов под воздействием ионизации. К источникам ионизации можно отнести естественную радиоактивность Земли и ее интенсификацию перед землетрясениями в сейсмоактивных областях, антропогенную радиоактивность, связанную с испытаниями ядерного оружия и авариями на атомных электростанциях и хранилищах радиоактивных отходов, воздействие галактических и солнечных космических лучей, а также активные геофизические эксперименты с использованием установок искусственной ионизации. Настоящий подход основан на понимании окружающей среды как открытой сложной системы с диссипацией, рассмотрение процессов в которой возможно в рамках синергетического подхода. Продемонстрирована синергетиче-ская связь между развитием тепловых и электромагнитных аномалий в атмосфере, ионосфере и магнитосфере Земли. Это позволяет определить направленность происходящего процесса взаимодействия, что особенно важно в приложениях, связанных с краткосрочным прогнозом землетрясений. Именно поэтому основное внимание в работе уделено процессам, развивающимся на финальной стадии подготовки землетрясений, а эффекты других источников ионизации будут приводиться для демонстрации универсальности модели и возможности ее применения в геофизике в широком смысле.
DOI: 10.7868/S0016794015040136
1. ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ СХЕМА МОДЕЛИ НА ПРИМЕРЕ ПОДГОТОВКИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ
Вся история краткосрочного прогноза землетрясений, основанного на так называемых физических предвестниках [Scholz et al., 1973], связана с регистрацией различных аномалий геофизических полей и дискуссиями, что является предвестником, а что не является таковым, и какой из них лучше и надежнее [Cicerone et al., 2009]. Подробно описывались их характеристики, зависимости от времени землетрясения и магнитуды и множество моделей. Практически каждый из предвестников имел собственную модель. При этом возникал естественный вопрос: как один, по сути, процесс деформации земной коры и последующего разрыва может вызывать такое разнообразие совершенно различных процессов, описы-
ваемых разными моделями? При этом часто для одних и тех же предвестников предлагалось сразу несколько моделей [Липеровский и др., 2008]. Нелепость такого положения вполне очевидна, и поэтому при создании модели литосферно-атмо-сферно-ионосферно-магнитосферных связей мы с самого начала ставили задачу описания всех наблюдаемых аномалий в рамках единой концепции подготовки сейсмического события как сложной открытой диссипативной системы, в которой все процессы развиваются в определенной последовательности, а аномалии имеют свой источник в уже развившейся ранее аномалии, и сами являются источником последующей аномалии [Пулинец и Узунов, 2010; Pulinets and Ouzounov, 2011; Pulinets, 2011а, b]. Такая последовательность процессов представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схематическое представление модели комплексных связей в системе литосфера—атмосфера—ионосфера—магнитосфера.
Если внимательно проанализировать представленную схему, то можно условно разделить наблюдаемые эффекты на три категории: тепловые (левая ветвь рисунка), атмосферные или облачные (средняя ветвь рисунка) и электромагнитные или ионосферно-магнитосферные (правая ветвь рисунка). В тепловой ветви основным процессом является выделение скрытой теплоты испарения при конденсации паров воды на ионах, образованных после ионизации молекул атмосферных газов радоном. Если вблизи поверхности Земли тепловые аномалии проявляются в виде линейных структур, вытянутых вдоль активных разломов, то затем вследствие наличия горизонтальных градиентов температуры и давления начинается процесс перемешивания и образуется вертикальный восходящий поток, так как в общем температура воздуха над областью подготовки землетрясения выше, чем вне ее. В результате мелкомасштабная турбулентность вследствие развития обратного каскадного процесса (развитие турбулентности с увеличением пространственного масштаба) [Ъеута е! а1., 2000]
приводит к образованию крупномасштабной структуры — теплового пятна на уровне верхней кромки облаков 10—12 км (OLR — уходящее длинноволновое инфракрасное излучение).
Атмосферные и электромагнитные процессы "работают" совместно: вертикальная конвекция, возникающая вследствие выделения скрытой теплоты испарения за счет конденсации паров воды на ионах, выносит кластерные ионы наверх, что приводит к вытеснению легких ионов и изменению проводимости атмосферы в пограничном слое (толщина пограничного слоя меняется в течение суток от нескольких сот метров в предрассветные часы до нескольких километров в послеполуденное время). В свою очередь, вертикальное электрическое поле над разломами поддерживает линейную структуру потоков кластерных ионов — ядер конденсации, что приводит к образованию линейных облачных структур — одного из краткосрочных предвестников землетрясений [Морозова, 1993; 2005].
Помимо образования линейных облачных структур, к числу атмосферных аномалий, на-
блюдаемых перед землетрясениями, следует отнести струйные течения. Это горизонтальные потоки воздуха на высоте от 6 до 30 км, имеющие длину несколько тысяч километров, а в поперечнике — 50—100 км. Скорость ветра вблизи оси струйного течения достигает 200—300 км/ч. Субтропические струйные течения обычно наблюдаются на уровне 300 мбар, т.е. на той же высоте, что и OLR (9—12 км). Пятно OLR по сути представляет собой область пониженного давления, поэтому сейсмогенные струйные течения своим концом указывают на положение эпицентра будущего землетрясения. Отличительным признаком таких течений является еще и тот факт, что их положение остается неизменным в течение нескольких часов [Wu and Tikhonov, 2014].
Основным фактором, приводящим к генерации аномалий в ионосфере и магнитосфере, являются аномалии в атмосферном электричестве, связанные с изменением проводимости пограничного слоя атмосферы. Они способствуют генерации аномальных электрических полей в ионосфере, приводящих к дрейфу ионов и образованию крупномасштабных неоднородностей электронной концентрации и вариациям температуры ионов и электронов. Модификация всей магнитосферной трубки, опирающейся на область подготовки землетрясения, приводит к образованию ионосферных неоднородностей не только над областью подготовки землетрясения, но и в магнитосопряженной точке. Рассеяние ОНЧ-шумов в модифицированную магнитосфер-ную трубку приводит к повышению уровня шумов ОНЧ-диапазона внутри данной трубки, а также к более эффективному взаимодействию ОНЧ-излучений с энергичными электронами радиационных поясов и их стимулированному высыпанию перед землетрясениями [Pulinets et al., 2002; Anagnostopoulos et al., 2012].
Таким образом, представленная модель позволяет не просто регистрировать набор различных физических параметров, а проводить целенаправленный поиск краткосрочных предвестников, появляющихся в некой временной последовательности с определенным запаздыванием по мере увеличения высоты проявления регистрируемой аномалии. Впервые такую последовательность удалось зарегистрировать для землетрясения в г. Аквила в апреле 2009 г. Этот результат показан на рис. 2, где можно видеть, как последовательно появляются увеличение уровня радона [Giuliani et al., 2009], повышение поверхностной температуры воздуха, появление аномалии OLR и, наконец, появление ионосферной аномалии. Следует также отметить, что все эти аномалии появляются внутри зоны подготовки землетрясения [Dobrovolsky et al., 1979].
Фактически тепловые аномалии, возникающие на поверхности Земли, являются связующим звеном между сейсмологией (которая определяет размер области подготовки землетрясения по сейсмическим и геохимическим данным) и моделью литосферно-атмосферно-ионосферных связей, описывающей предвестниковые эффекты в атмосфере и ионосфере. Мало того, они дают ключ к использованию данных космического мониторинга. Если придерживаться представляемой здесь концепции о том, что тепловые аномалии генерируются в результате выделения скрытой теплоты испарения при конденсации паров воды на ионах, образуемых при ионизации приземного слоя воздуха радоном, мы получаем в руки инструмент, позволяющий отслеживать пространственное распределение и динамику выделения радона перед землетрясениями на громадных площадях в сотни тысяч квадратных километров, что не под силу никаким наземным методам геохимического мониторинга. Таким образом, мы предлагаем эффективный интерфейс между классической сейсмологией и тектонофи-зикой, которые описывают динамику земной коры в период подготовки сильных землетрясений через геохимию (изменение миграции газов в период подготовки, в том числе — и динамики вариаций радона) к тепловым аномалиям и другим аномалиям вариаций атмосферных и ионосферных параметров. Непрерывность, синхронность и локальность проявления сейсмических [Papa-dopoulos, 2009], геодинамических [Plastino et al., 2010], геохимических [Bonfanti et al., 2012], поверхностных тепловых [Pergola et al., 2010], а также многочисленных аномалий в атмосфере, ионосфере и магнитосфере [Pulinets et al., 2009; Pulinets, 2011a,b; Rozhnoi et al., 2009; Anagnasto-poulos et al., 2012; Давиденко, 2013] на финальной стадии подготовки землетрясения в Аквиле, Италия, 6 апреля 2009 г. с
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.