научная статья по теме ИОНОСФЕРНЫЙ ОТКЛИК НА ПОДВОДНЫЕ КУРИЛЬСКИЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ ПО НАБЛЮДЕНИЯМ СО СПУТНИКОВ GPS Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ИОНОСФЕРНЫЙ ОТКЛИК НА ПОДВОДНЫЕ КУРИЛЬСКИЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ ПО НАБЛЮДЕНИЯМ СО СПУТНИКОВ GPS»

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Космические исследования»