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.