ИОНОСФЕРНЫЙ ОТКЛИК НА ПОДВОДНЫЕ КУРИЛЬСКИЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ ПО НАБЛЮДЕНИЯМ СО СПУТНИКОВ GPS
© 2011 г. М. Б. Гохберг*, В. М. Лапшин, Г. М. Стеблов, С. Л. Шалимов
Учреждение Российской академии наук Институт физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН, Москва
*E-mail: gmb@ifz.ru Поступила в редакцию 18.03.2010 г.
По измерениям вариаций полного электронного содержания ионосферы на сети российских станций GPS рассмотрено воздействие на ионосферу двух подводных землетрясений, произошедших в районе Курильских о-вов 15 ноября 2006 г. и 13 января 2007 г. Благодаря удачному расположению станций, исследован отклик ионосферы на эти землетрясения как вблизи, так и вдали от эпицентров (до расстояний порядка 1000 км). Обнаружено, что кажущаяся скорость распространения возмущений в ионосфере (1—3 км/с) значительно превышает скорость распространения волн цунами, вызванных землетрясениями, что может быть использовано в целях прогноза цунами. Показано, что наряду с известной формой ионосферного отклика на землетрясения в виде Ж-волны наблюдается отклик в виде инвертированной Ж-волны как вблизи, так и вдали от эпицентра. Дана интерпретация причин появления отклика в виде инвертированной Ж-волны.
Ключевые слова: землетрясения, ионосферные возмущения, вариации полного электронного содержания ионосферы, GPS
ВВЕДЕНИЕ
Исследование атмосферных возмущений, обусловленных произошедшими землетрясениями, имеет достаточно долгую историю и начинается с известных работ по обнаружению отклика атмосферы на Аляскинское землетрясение 1964 г. (Davies, Baker, 1965). Источниками атмосферных возмущений в этом случае, как принято считать, служат вертикальные смещения в эпицентре, а также распространяющиеся на значительные расстояния от эпицентра поверхностные сейсмические волны Релея. Для землетрясений, произошедших в океане, источниками атмосферных возмущений, в дополнение к названным, могут стать волны цунами (Голицын, Кляцкин, 1967). Генерируемые этими источниками атмосферные акустико-гравитационные волны (АГВ) могут распространяться до высот ионосферы, где посредством столкновений нейтральных и заряженных частиц приводят в движение ионосферную плазму. Регистрируемые радиофизическими методами ионосферные возмущения в таких ситуациях свидетельствуют о переносе энергии и импульса от литосферного источника (землетрясения) на ионосферные высоты (Афраймович, Перевалова, 2006; Гохберг, Шалимов, 2008).
Использование спутников 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, генерирующие АГВ.
Это, во-первых, отклик ионосферы на приходящую ударную акустическую волну, регистрируемую в ионосфере вблизи эпицентра и распространяющуюся приблизительно со скоростью звука (~800—1000 м/с для высот ионосферной /-области). Отклик имеет форму волны N-типа, состоящую из фаз сжатия и разряжения, разделенных линейной зоной перехода. Параметры отклика такого типа, по наблюдениям полного электронного содержания ионосферы (total electron content, TEC) со спутников GPS, были описаны в работах (Calais, Minster, 1995, 1998; Afraimovich et al., 2001a, 2006; Heki, Ping, 2005; Heki et al., 2006).
Во-вторых, зарегистрирован ионосферный отклик, обусловленный поверхностной сейсмической волной Релея. Здесь наблюдения осуществлялись как посредством GPS (Ducic et al., 2003; Garcia et al., 2005), так и с помощью доплеровско-го зондирования ионосферы (Artru et al., 2004; Liu et al., 2006a). Возмущения в ионосфере при этом распространялись со скоростью около 3.3 км/с и наблюдались достаточно далеко от эпицентра.
Цунами также могут стать источником ионосферных возмущений (Liu et al., 2006b; Artru et al., 2005). Такие возмущения, согласно наблюдениям, распространяются с кажущейся скоростью около 190 м/с (близкой к скорости волны цунами).
Наконец, необходимо упомянуть еще один тип атмосферных возмущений — 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.
Недавно с помощью плотной сети японских станций GPS (GEONET) был зарегистрирован отклик ионосферы на подводное Курильское землетрясение 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 Релея (около 3 км/c) и акустической волны (около 1 км/c), пришедшей из эпицентра на ионосферные высоты.
В настоящей работе рассмотрены подводные Курильские землетрясения 2006 и 2007 гг. по данным российских GPS станций.
РЕЗУЛЬТАТЫ
В отличие от континентальных землетрясений, когда энергия литосферного возмущения передается в ионосферу посредством акустических волн, генерируемых непосредственно в эпицентре, а также сейсмическими волнами Релея, воздействие на ионосферу от подводных событий может осуществляться посредством 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 приводит к формированию волн цунами, которые генерируют атмосферные внутренние волны, иными словами, внутренние гравитационные волны (ВГВ). 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 около одного часа. В данной работе изучен ионосферный отклик на приход АВ.
Рассмотрим воздействие на ионосферу от двух подводных землетрясений, произошедших в районе Курильских о-вов 15 ноября 2006 г. в 11:14 UT (M = 8.3, глубина гипоцентра h = 28 км, координаты эпицентра 46.5° с.ш., 153.2° в.д.) и 13 января 2007 г. в 04:23 UT (M = 8.1, h = 10 км, 46.3° с.ш., 154.5° в.д.). Далее будем называть эти события по номерам: № 1 и № 2 соответственно.
Вариации ТЕС в ионосфере от этих двух землетрясений получены по сети российских станций GPS (рис. 1), организованной совместно Ин-
ститутом физики Земли РАН, Институтом морской геологии и геофизики Дальневосточного отделения РАН, Колумбийским университетом США и Аляскинским университетом в Фэрбанк-се, США.
На рис. 1 нанесены проекции на ионосферу траекторий спутников, по которым анализировались вариации ТЕС для первого землетрясения 15 ноября 2006 г. (№ 1). Из рисунка видно, что проекции траекторий различных спутников во время возмущения в ионосфере от первого землетрясения 2006 г. достаточно хорошо перекрывают всю эпицентральную область и в радиусе ~1000 км от эпицентра. При этом следует подчеркнуть, что удачное расположение станций GPS в эпицен-тральной области позволяет зондировать вариации ТЕС в ионосфере не по наклонным лучам с достаточно больших расстояний, а по лучам, близким к вертикали, что существенно улучшает качество локального зондирования.
На рис. 2а представлены вариации ТЕС от землетрясения № 1, полученные на различных расстояниях от эпицентра, а на рис. 2б — их вейвлет-анализ, который наиболее четко показывает распространение локализованного ионосферного возмущения. Вертикальное расположение графиков соответствует последовательному удалению мест регистрации возмущения от эпицентра, приходящегося на центральную область рисунка. Слева нанесены названия станций GPS и номера спутников, с которых получены данные. Справа указано положение эпицентра возмущения в ионосфере, которое сдвинуто к северо-востоку от эпицентра землетрясения. Рассмотренный временной интервал соответствует 11:00—12:00 UT (стрелка — момент землетрясения), а время по оси абсцисс оцифровано в долях часа.
На рис. 3 дана двумерная картина распространения фазы ионосферного возмущения. Цифры на изолиниях означают время от момента землетрясения в минутах. Точки и цифры возле них означают место и время, где фиксировались максимальные амплитуды возмущения. Видно, что возмущение в ионосфере начинается через 8.5 мин после события, причем предполагаемая область начального возмущения смещена к северо-востоку от эпицентра землетрясения на расстояние около 300 км и находится вблизи северо-восточного окончания очага землетрясения. Рисунки 2 и 3 показывают, что можно достаточно надежно проследить распространение возмущения от области начального возмущения в ионосфере на юго-запад в форме ^-волны нормальной полярности. Сделать вывод о скорости распространения и полярности возмущения, распространяющегося на север, труднее из-за малой амплитуды сигнала. Кажущаяся скорость ^-волны меняется от 2 км/c вблизи от области начального возмуще-
Рис. 1. Размещение станций ОР8 в районе Сахалино-Курило-Камчатской зоны.
Эпицентр землетрясения
а
Курилы 15/12/ 2006 (данныео снятым трендом)
90 10.00
Момент землесения
Рис. 2. а — Вариации ТЕС со снятым трендом для землетрясения № 1; б — вейвлет-анализ для вариаций ТЕС.
Рис. 3. Карты изолиний времен запаздывания возмущения ТЕС в ионосфере от момента землетрясения № 1.
ния до 1 км/с вдали от нее (вдоль цепочки станций в юго-западном направлении).
Изменение амплитуды возмущения (в единицах ТЕС) в направлении с северо-востока на юго-запад представлено на рис. 4. По оси абсцисс отложено расстояние в километрах. Местоположение начального возмущения в ионосфере отмечено вертикальной пунктирной линией, а распространение в обе стороны обозначено стрелками с горизонтальным пунктиром. Положение эпицентра землетрясения отмечено стрелкой на оси абсцисс. Видно, что хотя возмущение в ионосфере начинается в стороне от эпицентра землетрясения, максимальная амплитуда возмущения достигается в области над эпицентром.
Картина распространения фазы ионосферного возмущен
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.