УДК 550.388.2
ОТКЛИК ИОНОСФЕРЫ НА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕ В ЯПОНИИ 11 МАРТА 2011 г. ПО ДАННЫМ РАЗЛИЧНЫХ ОР8-МЕТОДИК
© 2015 г. Ю. В. Ясюкевич13, В. И. Захаров2, В. Е. Куницын2, С. В. Воейков1
Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск 2МГУим. М.В. Ломоносова, физический факультет, г. Москва 3Иркутский государственный университет, г. Иркутск е-шаП: yasukevich@iszf.irk.ru Поступила в редакцию 27.01.2014 г. После доработки 21.05.2014 г.
Рассмотрены результаты детектирования ионосферных возмущений, полученные различными методами при анализе данных ОР8-наблюдений во время землетрясения в Японии 11.03.2011 г. Показано, что различные методы анализа и примененные в работе технологии обработки данных дают в целом сходные результаты и позволяют говорить о весьма сложной "морфологии" отклика ионосферы на рассмотренное событие. Выделены три типа волновых возмущений, проявляющихся в ионосфере как реакция на землетрясение: медленные гравитационные волны, акустико-гравитаци-онные колебания и быстрые возмущения, соответствующие волнам Рэлея. Такой анализ волновых явлений и сравнение результатов различных методик проведены впервые.
БО1: 10.7868/80016794014060212
1. ВВЕДЕНИЕ
Землетрясение (ЗТ) магнитудой Mw = 9.0 Tohoku произошло 11 марта 2011 г. в 05:46:24 UT координаты эпицентра 38.322° N, 142.369° E. Значительная мощность землетрясения (ЗТ) сделала его предметом пристального внимания со стороны геофизиков [Гохберг и др., 2011; Astafyeva et al., 2011; Liu et al., 2011; Rolland et al., 2011; Tsugawa et al., 2011], так как это позволяет более детально понять взаимодействие различных геосфер. Главному толчку землетрясения предшествовали несколько сильных (Mw > 6.0) форшоков. После основного события была зарегистрирована сильная афтершоковая активность, включавшая 60 толчков с магнитудой Mw > 6.0 и три толчка с Mw > 7.0. Разлом начал развиваться на глубине около 24.4 км (www.iris.edu/news/events/japan2011). По оценкам длина разлома достигала 380—400 км, при этом протяженность поля афтершоков составила около 450 км. Рассчитано, что вдоль плоскости разлома произошел надвиг по пологой плоскости с амплитудой 25—30 м (http://tectonics. caltech.edu/slip_history/2011_tohoku-oki-tele; www. gsi.go.jp/cais/topic110422-index-e.html), причем с учетом всего комплекса данных это число возрастает до 35 м [Yokota et al., 2011]. Блок Японских островов сместился на восток относительно Тихоокеанской плиты, почти перпендикулярно линии контакта плит, которая представлена на рис. 1а и б жирной черной кривой.
Для анализа отклика ионосферы на различные геофизические события достаточно часто ис-
пользуется метод измерения полного электронного содержания (ПЭС) I на основе двухчастот-ных фазовых измерений сигнала GPS [Hofmann-Wellenhof, 1998]:
I = —--K i - L{K 2) + K + nL], (1)
40.308fl2 - f22 1 1 2 ' J
где /1, f — рабочие частоты спутниковой системы GPS; L1X1, L{k2 — дополнительные пути радиосигналов, обусловленные фазовым запаздыванием в ионосфере, м; Lx, L2 — число полных оборотов
фазы на рабочих частотах GPS; 2 — длины волн, м; K — постоянная величина, обусловленная неоднозначностью определения фазы и рас-синхронизацией частотных каналов; nL — погрешности определения фазового пути.
Указанный метод при использовании данных сети GEONET в Японии, включающей в себя ~1200 станций, позволяет получать достаточно хорошее разрешение по пространству. Временное разрешение данных, представленных в свободном доступе, составляет 30 с.
2. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА ВОЛНОВЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ПЭС НА ОСНОВЕ КАРТИРОВАНИЯ ВАРИАЦИЙ ПЭС
В работе [Saito et al., 1998] предложен алгоритм визуализации пространственного распределения (картирования) интенсивности вариаций ПЭС,
6:07:00 UT ASST А™
145 150
30 120
Долгота, °E
130 135 140 Долгота, °E
145 150
Рис. 1. Пространственное распределение вариаций ПЭС по данным всех наблюдавшихся спутников GPS в момент времени 6:07:00 UT (а) и 6:46:30 (б) 11 марта 2011 г. Площадь, ограниченная штриховой линией, отмечает область наибольших подвижек земной коры во время землетрясения; звездочки — эпицентры основного землетрясения и наиболее сильных афтершоков; черная жирная линия — область контакта плит.
отражающих неоднородную структуру ионосферы, на основе использования данных плотных сетей приемников GPS (таких как в Японии и Калифорнии). Для каждого текущего временного отсчета на карту наносится положение подыоно-сферных точек, при этом цвет точки соответствует текущему значению амплитуды вариаций ПЭС на луче "приемник—спутник".
Сначала ряды значений наклонного ПЭС приводились к эквивалентному вертикальному с целью нормировки амплитуды возмущения. Для такого преобразования принято использовать полученную в приближении сферической симметрии ионосферы формулу [Klobuchar, 1986],
IV = IS cos
arcsin
Re
Re + hm
-cos (
(2)
где RE — радиус Земли; Нтак — высота максимума 12 слоя ионосферы, — угол места луча на НИСЗ, отсчитываемый от поверхности Земли.
После этого осуществлялась фильтрация методом скользящего среднего с окном 2—10 мин. Карты ПЭС показывают достаточно сложную интерференционную картину. Можно выделить возмущения ПЭС двух типов, близких по форме к кольцевым волнам, расходящимся из эпицентра. Примеры таких возмущений приведены на рис. 1а—б. В период времени 05:50—06:25 иТ нами наблюдались перемещающиеся с большой скоростью крупномасштабные (КМ) возмущения (рис. 1а) с длиной волны X ~ 600 км. После 06:17 иТ стали регистрироваться среднемасштабные возмущения с длиной волны X ~ 200 км (рис. 1б). Скорость среднемасштабных возмущений была значительно ниже скорости крупномасштабных волн.
Наибольшая интенсивность среднемасштабных (СМ) возмущений отмечалась на удалении от эпицентра ЗТ в северозападной области.
Оценка положения центра возмущения в предположении кольцевой формы возмущения показала, что кажущийся ионосферный источник несколько смещен относительно области землетрясения и находится вблизи точки с координатами 37° N 145° Е. Данный факт находится в согласии с оценками положения ионосферного источника [Tsugawa е! а1., 2011].
В период времени 5:56 иТ—5:59 иТ было зарегистрировано крупномасштабное интенсивное возмущение, перемещавшееся с большой скоростью. Распространение данного возмущения в динамике показано на рис. 2. Возмущение распространялось в юго-западном направлении квазипараллельном линии контакта плит. Интенсивность его уменьшалась достаточно быстро по мере удаления от эпицентра землетрясения. Стоит отметить, что менее интенсивные возмущения, распространявшиеся с большой скоростью в юго-западном направлении, наблюдались южнее ЗТ до 7:00 иТ.
Значительно позже основных толчков землетрясения в юго-восточной части Японии наблюдается область "турбулизированной" ионосферы, характеризующаяся существенно неоднородной пространственной структурой вариаций ПЭС (отмечена на рис. 3 овалом). Эта область слабо смещалась на север и существовала с 8:00 до 9:45 иТ. После 10:30 она возникала снова и существовала до 12:00 иТ
3. ДИАГРАММЫ "ДАЛЬНОСТЬ-ВРЕМЯ"
В последнее время достаточно широкое распространение для определения скорости возму-
50
45 -
св
g40
л
s
35 -
30
120 125 50
130 135 140 Долгота, °E
145 150
45
а
ота40 &
s
35
30
120 125
130 135 140 Долгота, °E
145 150
2.0 1.5 1.0
P
0.5 О W
n H
5:58 UT Амурская плита у Охотская плита ■
-
оЛ / Гщл] - -
/ //
;> гм ' t
\ .-•■——v ✓'""Филиппинская Тихоокеанская - -
^г 1 1 V7 | плита | , плита
С
-0.52
П
1.0 1.5 2.0
2.0 1.5 1.0
0.5 О w
50
45 -
а o40 ft s
35 -
30
n
120 125 130 135 140 145 150 Долгота, °E
0
С
-0.52
П
1.0 1.5 2.0
50
45
а o40 ft s
35 -
30
П
120 125 130 135 140 145 150 Долгота, °E
0
0
Рис. 2. Динамика пространственного распределения вариаций ПЭС 5:56—5:59 ЦТ 11 марта 2011 г. Площадь, ограниченная штриховой линией, отмечает область наибольших подвижек земной коры; черная жирная линия — область контакта плит.
щения получила методика построения диаграмм "дальность—время" [Calais et al., 2003]. В основе метода лежит соотнесение величины вариаций ПЭС с моментом начала ионосферных возмущений и расстоянием до источника ионосферных возмущений (эпицентра землетрясения). Полученные ряды ПЭС фильтруются в выбранном диапазоне периодов, после чего для каждого момента времени и каждого измерения на основе информации о положении спутников рассчитываются углы места и азимуты направления на спутник, а также координаты подыоносферных точек лучей "спутник—приемник". Для каждой подыоносферной точки вычисляется расстояние до выбранного источника возмущений вдоль длины большого круга. Таким образом получается двумерная карта вариаций ПЭС в системе координат времени и дальности. Значение величины вариации ПЭС кодируется цветом (в данной работе — оттенками серого).
В приближении сферического распространения волны максимум возмущения будет линейно перемещаться со временем вдоль радиус вектора,
поэтому на диаграмме "дальность—время" будет наблюдаться линия, наклон которой позволяет вычислить скорость распространения возмущения. Кроме того, эта методика позволяет выделить различные моды, входящие в состав возмущения и распространяющиеся с различной скоростью.
На рисунке 4 представлены диаграммы "дальность—время" построенные для северо-западного (а) и южного (б) регионов ЗТ. Аналогичным образом анализировались возмущения в регионах юго-западнее и северо-восточнее ЗТ. Серой вертикальной линией отмечено время главного толчка землетрясения. На диаграммах достаточно хорошо прослеживаются три моды возмущения: быстрая мода со скоростью 2.2—2.6 км/с, средняя мода со скоростью 700—1000 м/с и медленная мода со скоростью 150—300 м/с. Скорости мод в различных секторах достаточно близки (расхождение не превышает 15—20%).
Быстрая мода возмущения, имеющая скорость 2.2—2.6 км/с, может быть связана с распространением поверхностной волны Рэлея [Куницын и др., 2011; Tsugawa е! а1., 2011]. Для быстрой моды наи-
120 125 130 135 140 145 150 Долгота, °Е
Рис. 3. Пространственное распределение вариаций ПЭС в 8:55 ЦТ 11 марта
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.