Письма в ЖЭТФ, том 94, вып. 8, с. 657-661
© 2011г. 25 октября
Мегаземлетрясение в Японии 11 марта 2011 г.: регистрация ионосферных возмущений по данным GPS
В. Е. Купицып*1 , И.А.Нестеров, С.Л.Шалимов*
Физический факультет МГУ им. Ломоносова, 119992 Москва, Россия
* Институт физики Земли РАН, 123995 Москва, Россия Поступила в редакцию 12 сентября 2011 г.
По данным японской сети GPS с высоким временным разрешением (2 мин) получены двумерные распределения вертикального полного электронного содержания ионосферы над подводным мегаземлетрясе-нием в Японии 11 марта 2011 г. Обнаружено многопериодное расходящееся возмущение, возникшее после основного землетрясения. Возмущения электронной концентрации ионосферы обусловлены акустико-гравитационными волнами (АГВ), порождаемыми процессом землетрясения. Начальная фаза данного возмущения может быть использована в службе раннего предупреждения о цунамигенности события. По амплитуде этого ионосферного возмущения оценена величина поверхностной энергии землетрясения, которая согласуется с оценкой по сейсмическим данным. Рассмотрены и другие сопутствующие возмущения (отклики на прохождение релеевской волны, волны цунами, уединенный ионосферный импульс). Дана физическая интерпретация представленных ионосферных возмущений.
Землетрясение с магнитудой Mw = 9.0 (сейсмический момент Mo = 3.9-1022 Дж, по данным USGS), произошедшее 11 марта 2011г. в 05:46 UT (местное время 14:46) восточнее о. Хонсю (Япония, координаты эпицентра 38.32 N, 142.37 Е), вызвало разрушительную волну цунами высотой в несколько десятков метров, которая привела к техногенной катастрофе на АЭС Фукусима-1 и трагедии национального масштаба. Это событие, относимое к классу ме-газемлетрясений, т.е. землетрясений планетарного масштаба (с 1900 г. было только 5 подобных событий), произошло вблизи самой плотной в мире японской сети приемных станций GPS (приблизительно 1200 станций). Использование данных GPS позволило нам впервые детально исследовать воздействие такого высокоэнергичного наземного источника на верхние слои атмосферы с помощью реконструкции ионосферных возмущений, обусловленных землетрясением.
В последнее время посредством спутников GPS получена информация о различных типах отклика ионосферы на сейсмические события (землетрясения, сейсмические волны Релея и цунами), которые генерируют атмосферные волны, распространяющиеся до высот ионосферы, где столкновения нейтральных и заряженных частиц приводят в движение ионосферную плазму [1-6].
Существующие низкоорбитальные (типа российской "Цикада" и американской "Транзит") и высо-
^ e-mail: kuiiitsyn77®mail.ru
коорбитальные (GPS/PJIOHACC) спутниковые навигационные системы с сетью наземных приемников дают возможность проводить зондирование ионосферы по различным направлениям и применять томографические методы, т.е. восстанавливать пространственную структуру электронной концентрации ионосферы. Первые в мире радиотомографические (РТ) реконструкции были получены в марте-апреле 1990 г. в МГУ и ПГИ РАН [7]. В настоящее время эти методы успешно развиваются [8-13].
Для зондирования ионосферы используют измеряемые фазы радиосигналов, распространяющихся от спутника до наземного приемника на двух когерентных и кратных рабочих частотах. На спутниках GPS эти частоты равны f\ = 1575.42 МГц, /г = 1227.60 МГц. Соответствующие данные принято обозначать L\ и L^. Они представляют собой фазовые пути радиосигналов, измеренные в длинах зондирующих волн. Можно также использовать псевдодальности Pi и Рг (групповые пути радиосигналов), измеренные по времени распространения цугов волн на частотах f\ и /2. Фазовые данные L\ и L2 позволяют вычислить полное электронное содержание ТЕС (total electron content) - интеграл от плотности электронной концентрации N вдоль луча, соединяющего передатчик и приемник:
где da - элемент длины луча, К = 40.308 м3/с2 , с -скорость света в вакууме.
Поскольку данные по псевдодальности Pi и Рг сильно зашумлены, применение для РТ фазовых данных представляется предпочтительным. В связи с этим ранее был разработан метод фазоразностной РТ, использующий разности интегралов вида (1) на близких лучах [7, 8].
Задача РТ состоит в решении системы линейных интегральных уравнений вида (1), где каждое уравнение представляет собой интеграл между соответствующим приемником и передатчиком на спутнике. После соответствующей дискретизации система (1) преобразуется в систему линейных уравнений. Японская сеть насчитывает около 1200 GPS-приемников, каждый из которых регистрирует одновременно сигналы от приблизительно 10 спутников GPS. Отсюда число уравнений в системе (1) будет порядка 104. Такая сеть GPS-приемников позволяет получать пространственно-временные распределения электронной концентрации с разрешением, достаточным для выявления картины волновых движений. Для анализа отклика ионосферы на сейсмические возмущения производилось разделение "фоновой" (медленно меняющейся) и "волновой" (быстро меняющейся) компонент распределения электронной концентрации. С целью дополнительного повышения плотности данных для фиксации быстрых (с периодом в несколько минут) колебаний решалась не трехмерная, а двумерная (приближение тонкого слоя) по пространству томографическая задача. В результате получены карты вертикального ТЕС с интервалом 2 мин и пространственным разрешением 18.5 км для региона Японских островов (125°^155° восточной долготы, 25° ^50° северной широты) на протяжении нескольких дней перед указанным землетрясением. Ниже мы приведем некоторые примеры фрагментов распределений вариаций (относительно фона) вертикального ТЕС, измеряемого в единицах ТЕС (TEC units, 1TECU = 1016 электрон/м2). Моза-ичность демонстрируемых изображений обусловлена тем, что ионосфера не полностью "просвечивается" радиосигналами. Существуют области ионосферы, которые не пересекаются лучами спутник-приемник.
Возмущение ионосферы после землетрясения начинается с резкого увеличения ТЕС (порядка 3 TECU) в области с радиусом около 50 км (сдвинутой восточнее на 200 км от проекции эпицентра на ионосферу) на шестой минуте после землетрясения. К десятой минуте радиус области повышенного ТЕС достигает нескольких сотен км, а за фазой сжатия
начинает развиваться фаза разряжения (рис. 1, фрагменты 05:56, 06:00 ЦТ). В результате профиль волны в ТЕС приобретает характерную для ударной акустической волны, генерируемой в эпицентре в момент землетрясения, форму буквы N. Отметим, что резкий фронт возмущения ТЕС в начальный момент свидетельствует о быстром и значительном поднятии поверхности океана и, следовательно, цунамигеннос-ти землетрясения. Информация об этом в ТЕС зарегистрирована менее чем через 10 мин после события, тогда как разрушительной волне цунами (учитывая ее скорость 200 м/с) потребовалось от 20 мин до получаса, чтобы достичь побережья. Эта временная разница может быть использована в службе раннего предупреждения о цунами (см. [5]).
От области в верхней ионосфере, где прошла акустическая волна, начинают распространяться 2 типа возмущений (рис. 1, фрагменты 06:04, 06:08 ЦТ): одно (со скоростью 2.3-3 км/с) - вдоль суши на юго-запад и на север, другое (с кажущейся скоростью около 1 км/с) в виде кольцевого сегмента - на северо-запад. Скорости возмущений соответствуют сейсмической волне Релея и АГВ в верхней атмосфере.
Задача о генерации горизонтально распространяющейся сейсмической волной акустической волны в атмосфере [14] аналогична задаче о генерации электромагнитных волн в среде заряженной частицей, движущейся со скоростью, большей фазовой скорости света в среде (эффект Вавилова-Черенкова). Угол, под которым при этом излучается атмосферная волна, определяется из дисперсионного уравнения для атмосферных волн:
cos ф =
fc
k\M2 - (1/2Я)2[1 - 4(7 - l)/ikf272]:
(2)
где I'1 - горизонтальная компонента волнового вектора, Я - высота однородной атмосферы, М = ь/ся -число Маха, с8 - скорость звука, 7 = ср/су. Для наблюдаемого периода Т волны Релея (20 с), распространяющейся со скоростью 3 км/с, получим к и и 2тг/юТ и 10-® см"1. При Я и 6 км, М и 10 из последней формулы следует, что волновой вектор возбуждаемой акустической волны будет направлен практически вертикально (ф и 85°). Поэтому сигнал в ионосфере распространяется вслед за сейсмической волной, но с задержкой, необходимой для прохождения пути от поверхности Земли до ионосферы.
Начиная с 06:04 ЦТ (рис. 1), от места входа акустического импульса в ионосферу распространяется отчетливое ионосферное возмущение в виде концентрических кругов, длина волны, амплитуда и кажущаяся скорость которого уменьшаются с течением
130 140 150 130 140 150
Рис. 1. Начало генерации ионосферных возмущений акустическими волнами от землетрясения (1) и сейсмической волны Релея (2). Для каждого фрагмента по вертикальной и горизонтальной осям отложены широта и долгота соответственно. Справа показана шкала вариаций ТЕС
времени (последняя - от 1км/с до 200 м/с, что соответствует скоростям АГВ) (рис. 1 и 2). Эти наблюдения неожиданно показали, что время жизни такого возмущения составляет несколько часов (с 06:04 до 09:00 11Т). В то же время для подводного землетрясения обычно предполагают относительно быструю релаксацию возмущенной поверхности океана к равновесию (с последующим формированием цунами) [15]. Такого упрощенного развития процесса может не иметь места, если учесть, что во вращающейся жидкости или атмосфере с исчезновением возмущающей силы происходит процесс геострофической адаптации [16], при котором часть энергии первоначального возмущения уносится АГВ, а другая ее часть остается локализованной в области первоначального возмущения. Соответственно, в месте начального возмущения могут существовать долгожи-вущие локализованные вихри, исчезающие под влиянием сравнительно медленных диссипативных процессов. Подобный источник может находиться как на поверхности океана (в области выхода акустического импульса после его распространения в толще океана), так и в атмосфере. Такие явления наблюдались в ионосфере после наземных взрывов [17].
С другой стороны, проведенное ран
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.