научная статья по теме ИОНОСФЕРНЫЙ ОТКЛИК НА АКУСТИЧЕСКИЙ СИГНАЛ ОТ ПОДВОДНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ ПО ДАННЫМ GPS Геофизика

Текст научной статьи на тему «ИОНОСФЕРНЫЙ ОТКЛИК НА АКУСТИЧЕСКИЙ СИГНАЛ ОТ ПОДВОДНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ ПО ДАННЫМ GPS»

ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2014, № 1, с. 3-10

УДК 550.831

ИОНОСФЕРНЫМ ОТКЛИК НА АКУСТИЧЕСКИМ СИГНАЛ ОТ ПОДВОДНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ ПО ДАННЫМ GPS

© 2014 г. М. Б. Гохберг, Е. В. Ольшанская, Г. М. Стеблов, С. Л. Шалимов

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва E-mail: pmsk7@mail.ru Поступила в редакцию 09.04.2013 г.

Рассмотрен ионосферный отклик на прохождение АВ от ряда сильнейших (с магнитудой Mw > 7.7) подводных землетрясений, произошедших за последние несколько лет. Исследована зависимость амплитуды отклика в детренде ТЕС от магнитуды и вертикальной компоненты поверхностной деформации. Показано, что геомагнитное поле может существенно влиять на форму ионосферного отклика в зависимости от того, куда распространяется возмущение — к экватору или к полюсу.

DOI: 10.7868/S0002333714010050

ВВЕДЕНИЕ

Использование спутников Global Positioning System (GPS) для исследования ионосферного отклика на сейсмические события началось сравнительно недавно и теперь представляет собой быстро развивающееся направление в науках о Земле. В последнее время именно благодаря этим исследованиям получена определенная информация о различных типах отклика ионосферы на сейсмические события.

Сейсмическое событие (землетрясение, сопровождаемое сейсмическими волнами) способно порождать вариации давления в атмосфере, которые в форме атмосферных акустико-гравита-ционных волн (АГВ) распространяются до высот ионосферы, где посредством столкновений нейтральных и заряженных частиц приводят в движение ионосферную плазму. Поскольку плотность атмосферы экспоненциально уменьшается с высотой, то, при сохранении энергии возмущения, амплитуда волны растет по мере ее распространения вверх. Для поверхностного источника коэффициент усиления достигает 104 на ионосферных высотах. Это позволяет понять, почему в ионосфере можно зарегистрировать атмосферные возмущения, которые плохо различимы на фоне атмосферных шумов в приземном слое.

Регистрируемые радиофизическими методами ионосферные возмущения, в таких ситуациях, свидетельствуют о переносе энергии и импульса от литосферного источника (землетрясения, сейсмических волн) на ионосферные высоты [Ахмедов, Куницын, 2004; Афраймович, Перевалова, 2006; Гохберг, Шалимов, 2008; Крысанов и др., 2011]. Специфика регистрации ионосферного отклика по данным GPS заключается в том, что речь идет об исследовании вариаций полного элек-

тронного содержания (total electron content, TEC) ионосферы.

В исследованиях последних лет по данным GPS выделен отклик ионосферы на приходящую ударную акустическую волну, регистрируемую в ионосфере вблизи эпицентра и распространяющуюся в ионосфере приблизительно со скоростью звука (~ 800—1000 м/с для высот ионосферной /-области). Отклик имеет форму N волны, состоящую из фазы сжатия и разряжения, разделенных линейной зоной перехода. Считается, что такая волна генерируется непосредственно в эпицентре в момент главного толчка. Параметры отклика такого типа по наблюдениям полного электронного содержания со спутников GPS были описаны в работах [Calais, Minster, 1995; 1998; Afraimovich et al., 2001, 2006; Heki, Ping, 2005; Heki et al., 2006; Astafyeva et al., 2009; Гохберг и др., 2011а; б; Куницын и др., 2012].

Был также зарегистрирован ионосферный отклик, обусловленный поверхностной сейсмической волной Рэлея. Здесь наблюдения осуществлялись как посредством GPS [Ducic et al., 2003; Garcia et al., 2005; Astafyeva et al., 2009], так и с помощью доплеровского зондирования ионосферы [Artru et al., 2004; Liu et al., 2006a; Гохберг, Шалимов, 2008]. Возмущения в ионосфере при этом распространялись со скоростью около 3.3 км/с и наблюдались достаточно далеко от эпицентра. Так, с помощью плотной сети японских станций GPS (GEONET) был зарегистрирован отклик ионосферы после подводного Курильского землетрясения в октябре 1994 г. [Astafyeva et al., 2009]. Было обнаружено интересное явление расщепления ионосферного отклика на две моды по мере распространения возмущения от области над эпицентром. Скорости этих мод в ионосфере соответствовали распространению волн Рэлея (око-

ло 3 км/c) и акустической волны (около 1 км/c), пришедшей из эпицентра на ионосферные высоты. Таким образом, было показано, что по ионосферному отклику в ТЕС можно уверенно выделять сейсмическую волну Рэлея.

Необходимо упомянуть еще один тип атмосферных возмущений, зарегистрированных после землетрясения, — так называемые сейсмические воздушные волны [Bolt, 1964]. Предполагают, что они обусловлены вертикальными движениями в эпицентре, после чего распространяются в атмосфере со скоростью около 300 м/с, однако их ионосферные проявления остаются дискуссионными.

В отличие от континентальных землетрясений, при которых энергия литосферного возмущения передается в ионосферу посредством акустических волн, генерируемых непосредственно в эпицентре или сейсмическими волнами Рэлея, воздействие на ионосферу от подводных событий может осуществляться посредством акустико-гравитацион-ных волн (АГВ), источником которых выступает возмущенная поверхность океана.

В начальный момент возмущение поверхности океана над эпицентром, по-видимому, генерирует акустическую волну (АВ), а уже релаксация этого возмущения поверхности, приводит к формированию волн цунами, которые генерируют атмосферные внутренние волны (т.е. внутренние гравитационные волны — ВГВ [Голицын, Кляц-кин, 1967]). В результате от подводных землетрясений можно ожидать в ионосфере отклики двух типов, обусловленные приходом АВ и ВГВ. При этом АВ достигает /-слоя приблизительно через 10 мин, тогда как для прихода ВГВ на те же высоты потребуется время порядка 1—2 ч. Зарегистрированный ионосферный отклик на волну цунами показал [Liu et al., 2006b; Artru et al., 2005], что ионосферные возмущения распространяются с кажущейся скоростью около 200 м/с (близкой к скорости волны цунами).

В настоящей работе рассмотрен ионосферный отклик на прохождение АВ от ряда сильнейших (с магнитудой Mw > 7.7) подводных землетрясений, произошедших за последние несколько лет: Суматра (2004, 2005, 2007), Чили (2010), Самоа (2009), Новая Зеландия (2009), Тонга (2006), Япония (2003, 2011). Исследована зависимость амплитуды отклика в детренде ТЕС от магнитуды и вертикальной компоненты поверхностной деформации.

ПРИНЦИПЫ И МЕТОД ИЗМЕРЕНИЙ

Для детектирования ионосферных возмущений обычно используют стандартные радиофизические методы, которые позволяют исследовать ионосферу ниже максимума F-слоя. В отличие от них, с помощью спутников GPS можно непосред-

ственно регистрировать вариации TEC. К преимуществам GPS относится возможность одновременной регистрации возмущений по разным направлениям, на большой площади и длительных временных интервалах.

GPS включает не менее 24 спутников на шести 12-часовых круговых орбитах (высота 20200 км) с наклонением 55°; по крайней мере сигналы четырех спутников можно принимать из любой точки на земной поверхности. Спутники передают высокостабильные когерентные сигналы на частотах /1 = 1575.42 МГц (L1) иf2 = 1227.60 МГц (L2) [Hofmann-Wellenhof et al., 1992].

Зависимость показателя преломления ионосферной плазмы nf) от частоты радиоволны f и

плазменной частоты fp = юе/2п = yjN(s)e2/п можно аппроксимировать формулой

mme

n(f ) = i-fL = i - Шее!

2f 2nmef

2 '

Типичная величина плазменной частоты в ионосфере — порядка 10—20 МГц, так что/1,/2 >/р. При распространении сигнала через ионосферу со скоростью v(s) = с/п(/), где с — скорость света в вакууме, задержка сигнала А^), или изменение фазы АР(/) = сА1, определится по формуле

AP(f) = J (n(f) - 1)ds

40.35

" f2

J N(s)ds

(1)

40.35IEC

f1 '

Здесь IEC — полное электронное содержание на пути распространения сигнала от передатчика до приемника. Для получения полного электронного содержания, не зависящего от положения спутника (т.е. TEC), величину IEC соответствующим образом нормализуют [Mannucci et al., 1998].

Ионосфера — крайне изменчивая в пространстве и во времени среда (из-за влияния солнечной, геомагнитной, метеорологической и сейсмической активности). Электронная плотность может изменяться в сотни и тысячи раз на масштабах от десятков сантиметров до сотен километров. Это соответствует изменениям фазового пути в десятки метров на частотах GPS. Например, типичная величина ТЕС дневной ионосферы — 50 единиц ТЕС (ТЕСи, TECU = 1016электронов/м2). В результате ионосфера изменяет фазовый путь на величину порядка 10 м.

Если отвлечься от геометрии распространения сигнала, то возмущение ТЕС, обусловленное акустической волной, можно оценить как

Таблица

# Дата [дд/мм/гг], Время^МХ) (Широта; Долгота), [градусы] Mw max( Uz) , м Амплитуда [TECU] Время после события, часы Расстояние от эпицентра, км

1 17/07/2006 8:20:38 (-9.290°; 107.35°) 7.7 0.40 0.6027 (bako-3) 0.19 143

2 15/07/2009 09:22:29 (-45.750°, 166.577°) 7.8 0.72 0.1360 (cncl-20) 0.15 169

3 03/05/2006 15:26:39 (-20.130°; -174.164°) 8.0 0.63 0.4782 (aspa-14) 0.21 349

4 29/09/2009 17:48:27 (-15.509°; -172.034°) 8.1 0.47 0.3218 (fale-2) 0.14 159

5 25/09/2003 19:50:06 (41.775°; 143.904°) 8.3 1.26 0.1965 (mizu-24) 0.25 357

6 12/09/2007 11:11:16 (-4.520°; 101.374°) 8.5 1.61 1.3006 (lais-4) 0.11 140

7 28/03/2005 16:10:31 (2.074°; 97.013°) 8.6 2.57 1.8145 (bsim-1) 0.13 414

8 27/02/2010 6:35:15 (-35.909°; -72.733°) 8.8 5.03 1.7172 (valp-23) 0.17 325

9 11/03/2011 5:47:33 (38.297°; 142.372°) 9.0 6.80 2.3996 (tskb-26) 0.14 144

10 26/12/2004 1:01:09 (3.316°; 95.854°) 9.1 4.01 1.9409 (abgs-13) 0.21 483

S TEC =

j SN (s)ds.

(2)

Типичными величинами возмущений электронной концентрации, зарегистрированными в предыдущих исследованиях после землетрясений и наземных взрывов были 1—3% [Гохберг, Шалимов, 2008]. В дневной ионосфере с электронной плотностью 1012 м-3 (/-слой) возмущения в 2% на масштабе интегрирования 50 км приведут к 8ТЕС = = 0.1ТЕСи.

Для компенсации значительных искажений в спутниковых геодезических измерениях используют уравнение относительно ТЕС, вытекающее из (1):

P(f) - P(fi) + Po = (-40.35)TEC

1 1

f2 у

(3)

где Р(/1), Р(/2) — наземные измерения фаз сигнала от спутника на ча

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

Пoхожие научные работыпо теме «Геофизика»