ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2015, том 55, № 3, с. 406-418
УДК 551.463.7
НОВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ МОНИТОРИНГА ВЕРТИКАЛЬНОЙ КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ОЗЕРЕ БАЙКАЛ НА БАЗЕ ПОВЕРХНОСТЬ-ДНО
© 2015 г. С. М. Коротаев1, Н. М. Буднев2, В. О. Сердюк1, В. Л. Зурбанов2, Р. Р. Миргазов2, В. С. Шнеер1, В. А. Мачинин1, Е. О. Киктенко1, В. Б. Бузин3, А. И. Панфилов4
Центр геоэлектромагнитных исследований Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН,
г. Москва, г. Троицк
2Научно-исследовательский институт прикладной физики Иркутского государственного университета,
г. Иркутск
3Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН),
г. Москва, г. Троицк 4Институт ядерных исследований РАН, г. Москва, г. Троицк e-mail: korotaev@igemi.troitsk.ru Поступила в редакцию 27.09.2014 г.
В течение 2003—2010 гг. в районе Байкальской глубоководной нейтринной обсерватории проводился мониторинг вертикальной компоненты электрического поля на базе поверхность — дно, позволивший получать информацию о внутренних и внешних источниках поля. Однако недостаточная точность и надежность измерительной установки сдерживала прогресс в интерпретации измерений. Для преодоления этих ограничений была разработана новая установка, впервые обеспечившая контроль собственных потенциалов электродов. Установка начала работу в окончательной конфигурации в 2013 г. Анализ результатов серии измерений 2013/2014 гг., с одной стороны, подтвердил ранее сделанные выводы о природе вариаций вертикальной компоненты электрического поля, с другой, — ставит новые вопросы. Выполнено сопоставление поля, индуцированного течениями, с прямыми измерениями скорости. Подтвержден вывод о корреляции долгопериодных вариаций тока на гидро-сферном участке глобальной электрической цепи с вариациями солнечной активности, но обнаруженное большое запаздывание этой корреляции нуждается в объяснении. Обнаружена нелокальная реакция собственных потенциалов электродов на землетрясение с опережением до 12-ти суток.
DOI: 10.7868/S001679401502011X
1. ВВЕДЕНИЕ
С 2003 г. в юго-западной части озера Байкал, на базе Байкальской глубоководной нейтринной обсерватории ИЯИ РАН проводится эксперимент по мониторингу вертикальной компоненты электрического поля Ег. Эксперимент не имеет аналогов практике морских электромагнитных исследований как по величине вертикальной базы, так и по длительности. Точка измерений избрана на расстоянии ~10 км от берега при глубине места
1367 м (51.721° N 104.416° Е). Выбор точки наблюдений продиктован требованием отсутствия (в пределах точности измерений) вертикальной компоненты теллурического поля в соответствии с результатами математического моделирования [РапкгаЬу й а1., 2004].
Оказалось, что теллурическая составляющая в вертикальной компоненте электрического поля здесь действительно незаметна, а наблюдаемое поле является суперпозицией поля, индуцированного течениями (в диапазоне периодов от ~1/2 до 10 сут), и поля тока замыкания глобальной
электрической цепи (на периодах десятки-сотни суток) [Шнеер и др., 2007; Коротаев и др. 2011а, 2013]. Кроме того, при близком землетрясении магнитудой ~6 баллов наблюдались сильные поля, связанные с его предвестниками, непосредственным эффектом и релаксацией [Коротаев и др., 2011б].
Из перечисленных составляющих поля наиболее простой для анализа является составляющая, индуцированная течениями. Вследствие крайней малости вертикальной компоненты тока, Ег не зависит от геоэлектрического разреза и определяется только эдс индукции от средней по межэлектродной базе магнито-зональной компоненты скорости (уу} в горизонтальной компоненте постоянного магнитного поля Земли Вх( Ег = - ('Уу)Вх). Это делает весьма привлекательным использование длиннобазовых измерений Ег для практически важной в гидрологии, но редко реализуемой из-за громоздкости реализации прямыми методами,
задачи мониторинга интегральной по вертикали скорости (полного потока).
Напротив, наиболее нетривиальной задачей является изучение вариаций поля тока глобальной электрической цепи (ГЭЦ). Благодаря уникальным условиям места эксперимента: полному отсутствию теллурической помехи, высокому сопротивлению пресной воды и, напротив, пониженному сопротивлению воздуха (за счет эманации радона 222 в активной рифтовой зоне [Морозов и др., 2000]), а также огромной глубине озера, позволяющей реализовать высокочувствительное длиннобазовое измерение Ez, именно здесь впервые удалось зарегистрировать ток ГЭЦ ниже атмосферы [Шнеер и др., 2007; Коротаев и др., 2011а, 2013]. Ток ГЭЦ проявляется в вариациях Ez на периодах порядка 100 сут и коррелирует с вариациями рентгеновского излучения Солнца. Эта корреляция была бы естественна для поля в верхней и средней атмосфере из-за понижения ее сопротивления под ионизирующим воздействием этого излучения, но не в нижней атмосфере и контактирующей с ней водной толще. Этот факт ждет объяснения.
Уникальность результата требует повышения чистоты и строгости эксперимента. Недостаточная точность и надежность первой измерительной установки сдерживала прогресс в интерпретации измерений. Для преодоления этих ограничений была разработана новая установка, обеспечивающая, наряду с высокой точностью измерений, контроль потенциальных шумообразующих факторов.
Одной из мер по радикальному повышению строгости эксперимента является контроль собственных потенциалов электродов с помощью электродных пар с практически нулевой базой на приповерхностном и придонном горизонте. Но одновременно эти пары могут использоваться как детекторы макроскопических нелокальных корреляций удаленных крупномасштабных диссипа-тивных процессов различной природы (например, [Коротаев и др., 2000]). Для процессов-источников с большой случайной составляющей характерно наличие опережающих корреляций, которые, за счет меньшей эффективности поглощения экранирующей средой, могут по уровню превышать запаздывающие [Korotaev, 2006]. Ранее этот эффект успешно использовался для прогнозов солнечной и геомагнитной активности (например, [Коротаев и др., 2007; Korotaev and Serdyuk, 2008]). На материалах испытательной годовой серии измерений с электродными детекторами новой Байкальской установки также продемонстрирована возможность прогноза на основе нелокальных корреляций как глобальных (солнечная активность), так и региональных (гидродинамическая активность) диссипативных случайных процессов [Коротаев и др., 2014]. Но с
практической точки зрения наиболее интересным региональным процессом при наблюдениях в такой сейсмически активной зоне было бы обнаружение нелокальной опережающей реакции собственных потенциалов электродов на землетрясения. Действительно, первое же после начала измерений с глубоководными электродными детекторами землетрясение вызвало такую реакцию.
Таким образом, целями настоящей работы является исследование с помощью глубоководной длиннобазовой установки вариаций электрического поля, индуцированного течениями, вариаций тока на гидросферном участке глобальной электрической цепи и выявление эффекта (предвестников) землетрясения по измерениям электродных детекторов нелокальных корреляций.
2. ПОСТАНОВКА И РЕШЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ЗАДАЧИ
Техника и методика предшествующих этапов эксперимента (2003—2010 гг.) подробно описана в статье Шнеера и др. [2007]. Прежде всего, отметим ее слабые места, оправданные на ранней стадии, но потенциально опасные при интерпретации результатов или ограничивающих возможности исследования.
Использовались простые свинцовые электроды. Хотя такие электроды традиционно считаются приемлемыми для пресной воды, даже минимальные изменения ионного состава или температуры могут вызвать изменения собственных потенциалов и вести к неконтролируемой помехе в измерении поля. Кроме того, при ежегодном частичном подъеме установки со льда для считывания данных и смены источников питания происходит неконтролируемое изменение собственных потенциалов, что не позволяет соединить годовые серии в единый ряд и тем самым ограничивает изучаемый диапазон вариаций периодами менее года.
Вертикальность положения электродной линии при ее спуске/подъеме в марте каждого года не вызывала сомнений, но нельзя было исключить, что в другие сезоны линия могла быть заметно наклонена течением, и тем самым, измеряемая разность потенциалов верхнего и нижнего электрода могла содержать вклад от горизонтальной компоненты электрического поля.
Надежность установки была невысока. Это привело к тому, что было получено лишь четыре полноценные годовые серии измерений за семь лет. Наконец, в свете решаемых задач, конструкция установки в целом морально устарела — единственный измерительный канал с ограниченным самоконтролем и большим энергопотреблением позволял принять меры по повышению надежности, расширению эксперимента, а в дальнейшем —
подключению телеметрии для реального решения прогностических задач.
Обнаруженный факт ограниченности сверху диапазона периодов, на которых поле течений доминирует, величиной ~10 сут необычен по сравнению с ситуацией в морях и океанах, где явного ограничения нет. Это было объяснено вкладом длиннопериодных вариаций тока ГЭЦ, который, по предположению, над Байкальским рифтом значительно превышает среднепланетарное значение. Попытка интерпретации главных максимумов в спектре поля на многомесячных периодах как обусловленных индукцией в течениях приводили бы к неправдоподобно большим амплитудам скорости по сравнению с известными из литературы типичными величинами. Учитывая ответственность вывода об интерпретации многомесячных вариаций поля как проявления вариаций тока ГЭЦ, требуется прямое сопоставление Ег с синхронными измерениями течений. При этом для решения диагностической задачи было бы достаточно измерения Уу хотя бы на одном приповерхностном горизонте.
С учетом накопленного опыта эксплуатации, обработки и анализа данных первой длиннобазо-вой установки для измерения Ег была разработана новая установка, лишенная большинства недостатков. Ее главными чертами является снижение уровня всех возможных помех, повышение чувствительности и надежно
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.