ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА,, 2011, том 30, № 5, с. 41-49
ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
УДК 550.510.535
МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕЙСМОИОНОСФЕРНЫХ ЭФФЕКТОВ, ИНИЦИИРОВАННЫХ ВНУТРЕННИМИ ГРАВИТАЦИОННЫМИ
ВОЛНАМИ
© 2011 г. М. В. Клименко1, 2*, В. В. Клименко1, И. В. Карпов1, И. Е. Захаренкова1
1Западное отделение Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова
Российской академии наук, Калининград 2 Калининградский государственный технический университет *E-mail: maksim.klimenko@mail.ru Поступила в редакцию 17.11.2010
В экспериментальных исследованиях неоднократно показывалось, что за несколько суток перед сильными землетрясениями в околоэпицентральной области наблюдаются локальные повышения (иногда понижения) электронной концентрации в ионосфере Земли. В численных экспериментах на моделях GSM TIP (глобальная самосогласованная модель Термосфера, Ионосфера, Протоносфера) и UAM (Upper Atmosphere Model) было показано, что локальные возмущения зональных электрических полей позволяют воспроизвести морфологию этих ионосферных возмущений. Однако в этих модельных экспериментах не приведены физические обоснования механизмов формирования таких особенностей в ионосфере над эпицентральной областью готовящегося землетрясения. В данной работе предложен механизм формирования ионосферных возмущений перед сильными землетрясениями вследствие распространения и диссипации в верхней атмосфере мелкомасштабных внутренних гравитационных волн (ВГВ). С использованием модели GSM TIP были выполнены расчеты ионосферных параметров с заданием мелкомасштабных ВГВ в около эпицентральной области. Показано, что возмущения TEC (Total Electron Content), полученные в расчетах, удовлетворительно согласуются с наблюдениями TEC, полученными на спутниках GPS (Global Positioning System) перед сильным сред-неширотным землетрясением в Греции 8 января 2006 года.
Ключевые слова: ионосфера, сейсмоионосферные эффекты, внутренние гравитационные волны, полное электронное содержание, численное моделирование.
ВВЕДЕНИЕ
Ионосферные явления, связанные с сейсмической активностью, активно обсуждаются уже более 30 лет [1—3]. Большинство исследований базируется на результатах вертикального зондирования ионосферы сейсмически активных регионов. В основном сейсмоионосферные эффекты были зарегистрированы в вариациях плотности ионосферных Е- и Б-слоев. Анализ данных, полученных при совместном использовании внешнего и наземного радиозондирования ионосферы, позволил выявить аномальные вариации плотности ионосферной плазмы в Б-области перед сильными землетрясениями [2, 4, 5]. Сравнительно новое направление в исследованиях сейсмоионосферных явлений занимают исследования, основанные на измерениях задержек сигналов глобальных навигационных спутниковых систем ОР8/ГЛОНАСС. Данный подход успешно используется для обнаружения сейсмоионосферных эффектов перед сильными землетрясениями в различных регионах Земли [2, 6—8]. Было выявлено, что основные характеристики сейсмоионосферных эффектов в
TEC (Total Electron Content), полученные на спутниках GPS (см. ниже), хорошо согласуются с эффектами, обнаруживаемыми в вариациях fOF2. Однако однозначного объяснения того, какие же физические механизмы ответственны за столь необычное поведение TEC и foF2 перед землетрясениями, до сих пор не существует. На решение этой проблемы и направлена данная работа.
1. ИОНОСФЕРНЫЕ ПРЕДВЕСТНИКИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ В GPS TEC
При исследованиях ионосферных эффектов сейсмической активности широкое применение нашло использование системы спутников GPS (Global Positioning System) и сети приемников радиосигналов этих спутников. В настоящее время в мире насчитывается более 3000 GPS-станций, которые проводят непрерывные наблюдения на регулярной основе. Постоянно работающая сеть GPS осуществляет регулярный мониторинг ионосферы в глобальном масштабе с высоким пространственным и временным разрешением. Глобальные карты
3
2
1
0
15
10
5
0
20
£ 10
н 0
-10
-20
шр
13.0 13.3 6.7 3.7 7.0 14.7 11.7 7.0 1.0 2.3
H-1-1-1-1-1-1--1-1
У
1м
1 НПНТПпгП
4 5 6 7 Январь 2006 года
Ш
10
Рис. 1. Геомагнитные условия 1—10 января 2006 года.
TEC производятся регулярно сообществом IGS (International Geodynamic Service) с пространственным разрешением в 5° по долготе и 2.5° по широте и временнЫм шагом в 2 ч.
В работах [8—10] показано, что для сильных среднеширотных землетрясений эффекты в TEC имеют вид локального увеличения/уменьшения электронной концентрации, которое наблюдается за 2—3 сут до землетрясения, причем максимум возмущений расположен в непосредственной близости от эпицентрального района. Область занимает несколько тысяч километров по долготе и около 1000 км по широте. По мере приближения к началу землетрясения амплитуда возмущения увеличивается до 40—100% относительно фонового уровня.
Подробный анализ вариаций GPS TEC, вышв-ляющий основные характеристики положительного сейсмоионосферного предвестника на примере землетрясения (М6.8) в Греции 8 января 2006 года, быт представлен в работе [11]. На рис. 1 показаны вариации индексов геомагнитной активности (Kp, Ap и Dst) за период 1—10 января 2006 года. Видно, что геомагнитная активность в течение рассматриваемого периода времени быта низкой. Сумма Kp не превышала уровня 20.
На рис. 2 показаны вариации вертикального TEC для пяти предшествующих и одного дня после землетрясения, а также медиана, рассчитанная за рассматриваемый период времени над
GPS-станциями, расположенными в непосредственной близости от района землетрясения. Анализ суточных вариаций показывает, что за день до главного события (7 января 2006 года) наблюдается аномальное поведение суточной вариации на всех этих станциях. Аномалия проявляется в виде повышения электронной концентрации в суточном ходе в дневные часы. Увеличение TEC достигает 5.5 TECU и более чем в 2 раза превышает уровень нормальной вариабельности "день ото дня" для спокойного периода времени. Остальные дни рассматриваемого периода характеризуются относительно слабыми отклонениями текущих значений TEC от медианных. Физическому объяснению этого положительного возмущения в TEC и будет посвящена наша работа.
Для оценки пространственных масштабов и временной динамики сейсмоионосферной аномалии были проанализированы глобальные карты TEC. При этом был применен метод построения дифференциальных карт: значения TEC за текущий день сравнивались с фоновыми значениями. В качестве фоновых значений TEC выбирались его медианные значения. На основе этого метода были построены глобальные карты возмущений TEC через каждые 2 ч за 7 января 2006 года. В разд. 5 представлены полученные дифференциальные карты GPS TEC.
1
2
3
8
9
Январь 2006 года
Рис. 2. Суточные вариации ТЕС над станциями ORID, MATE, TUBI и NOT1 за период 3—9 января 2006 года (1 TECU = 1012 эл/см2). Жирными линиями показаны текущие вариации ТЕС, штриховыми линиями — медианные значения. Вертикальной штриховой линией отмечен момент начала землетрясения.
2. ОПИСАНИЕ ФИЗИКИ ЛИТОСФЕРНО-АТМОСФЕРНО-ИОНОСФЕРНЫХ СВЯЗЕЙ ПЕРЕД ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯМИ
Имеется целый ряд обзоров физических моделей литосферно-атмосферно-ионосферных связей перед землетрясениями [1—3, 12, 13]. Однако до сих пор отсутствует единое мнение относительно механизма формирования локальных крупномасштабных эффектов в TEC при подготовке землетрясений. Было предложено несколько основных гипотез литосферно-атмосферно-ионосферных связей для объяснения этого механизма. В работах [12, 14] в качестве механизма формирования ионосферных предвестников землетрясений рассматривались внутренние гравитационные волны (ВГВ) сейсмогенного происхождения с периодом ~1—3 ч, генерируемые за счет нестационарного притока литосферных газов в атмосферу перед землетрясением. Этот механизм может объяснить явления в ионосфере, происходящие только на больших расстояниях от эпицентра землетрясения, поэтому не может рассматриваться в качестве механизма формирования локальных ионосферных эффектов в около-эпицентральной области при подготовке земле-
трясения. В [15, 16] в качестве механизма формирования ионосферных предвестников землетрясений предложены ВГВ с периодом от нескольких до десятков минут. Вследствие вертикального распространения таких волн ими можно попытаться объяснить формирование ионосферных предвестников землетрясений в околоэпи-центральной области. Механизм формирования ионосферных предвестников землетрясений сей-смогенным электрическим полем с амплитудой от единиц до десятков мВ/м [17] подробно описан в работах [2, 18]. Появление сейсмогенного электрического поля в ионосфере связывают с вертикальным турбулентным переносом инжектируемых в атмосферу заряженных аэрозолей и радиоактивных веществ (изотопов радона) при подготовке землетрясения. Вопросы проникновения электрического поля из литосферы в ионосферу перед землетрясениями рассматривались в [2, 19]. Однако в настоящий момент появились работы, ставящие под сомнение возможность такого проникновения (см., например [20]). В качестве еще одного возможного механизма формирования ионосферных предвестников сильных землетрясений были предложены аномальные
электромагнитные поля и эмиссии [21]. В работе [3] отмечается, что этот механизм не может приводить к большим изменениям в TEC вследствие малой интенсивности литосферных радиоэмиссий. Из сказанного выше следует, что в качестве механизмов формирования локальных эффектов в TEC, максимумы которых расположены в непосредственной близости от эпицентрального района, могут рассматриваться мелкомасштабные ВГВ и/или сейсмогенные электрические поля в ионосфере Земли.
В работе [22] было высказано предположение о том, что наиболее вероятным механизмом формирования областей возмущений TEC в ионосфере, наблюдаемых перед сильными землетрясениями, является вертикальный перенос плазмы Б2-области ионосферы под действием зонального электрического поля. Сильными аргументами в пользу этой гипотезы являются геомагнитная сопряженность ионосферных предвестников землетрясений [23] и эффекты в экваториальной аномалии, развити
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.