УДК 551.51
РЕГИСТРАЦИЯ ГЛОБАЛЬНЫХ ОСЦИЛЛЯЦИЙ АТМОСФЕРЫ СЕЙСМИЧЕСКИМИ ПРИБОРАМИ
© 2013 г. Г. М. Швед1, С. И. Ермоленко1, Н. В. Карпова1, З. Вендт2, К. Якоби3
1Санкт-Петербургский государственный университет, кафедра физики атмосферы, г. Санкт-Петербург
E-mail: shved@pobox.spbu.ru 2 Institute for Geophysics and Geology, University of Leipzig, Leipzig, Germany 3 Institute for Meteorology, University of Leipzig, Leipzig, Germany Поступила в редакцию 24.01.2012 г.
Представлен краткий обзор периодических движений атмосферы, принадлежащих диапазону периодов от 1 ч до нескольких десятков суток. Показано, что многие осцилляции, регистрируемые вертикальными сейсмометрами, гравиметрами, деформографами и наклономерами, обусловлены указанными движениями — гармониками атмосферного термического прилива, собственными колебаниями атмосферы и осцилляцией Маддена—Джулиана в системе атмосфера—океан. Дается состояние вопроса воздействия этих движений на сейсмическую активность. По годичным измерениям, проведенным трехканальным сейсмометром STS-2 в Кольме (51.3° N, 13.0° E), впервые рассматривается способность горизонтальных движений маятника сейсмометра реагировать на периодические движения атмосферы с периодами длиннее 2 сут. Вейвлет-спектры и спектры Фурье, полученные по показаниям обоих горизонтальных и вертикального каналов, демонстрируют общие особенности, которые совпадают с особенностями в спектрах одновременно измеряемых вариаций приземного давления атмосферы и связываются с атмосферными планетарными волнами Россби и осцилляцией Маддена—Джулиана.
DOI: 10.7868/S0002333713010134
ВВЕДЕНИЕ И ОБЗОР
В широком диапазоне низких частот — от периода ~1 ч вплоть до периодов порядка нескольких десятков суток — различные сейсмические приборы (сейсмометры, гравиметры, деформо-графы и наклономеры) регистрируют осцилляции, частоты которых или стабильны, или варьируют в нешироких пределах. В указанный интервал периодов попадают хорошо известные осцилляции, обусловленные лунным и солнечным гравитационными приливами [Мельхиор, 1968]. Те из них, которые связанны с вращением Земли вокруг собственной оси, имеют периоды меньше солнечных суток и регистрируются вплоть до периода 4.14 ч (6-я лунная гармоника) [Hartmann, Wenzel, 1995]. А приливные гармоники, обусловленные вращением Луны вокруг Земли с периодом 27.32 сут, регистрируются, по-видимому, вплоть до 4-й гармоники с периодом 6.83 сут (см., например, [Милюков и др., 2011]). Остальные регистрируемые осцилляции обычно интерпретируются как шум, создаваемый атмосферными процессами. Первая задача данной статьи заключается в систематизации и обзоре глобальных атмосферных движений, вносящих вклад в формирование указанного шума. Заметим, что интерес к этим движениям стимулирует-
ся их возможной ролью триггера сильных землетрясений.
Глобальные периодические процессы в атмосфере сопровождаются крупномасштабными перемещениями воздушных масс. Сейсмические приборы могут регистрировать эти перемещения различными путями. При атмосферных движениях с временным масштабом, принадлежащим рассматриваемому диапазону периодов, успевает восстанавливаться гидростатическое равновесие в атмосфере. Поэтому перемещение воздушных масс отражается в вариациях приземного давления атмосферы, что приводит к деформационным процессам в литосфере и, соответственно, к возникновению наклона земной поверхности [Бончковский, 1948; Савина и др., 1984; Rabbel, Zschau, 1985]. Таким образом, деформографы и наклономеры оказываются способными регистрировать процессы в атмосфере. Однако основной механизм воздействия атмосферных движений на показания вертикальных сейсмометров и гравиметров не связан с деформацией литосферы. Серией исследований [Farrell, 1972; Spratt, 1982; Müller, Zürn, 1983; Niebauer, 1988; Merriam, 1992; Crossley et al., 1995; Zürn, Widmer, 1995; Boy et al., 1998] было показано, что воздействие атмосферы на силу тяжести у земной поверхности
131
9*
примерно на 90% обусловлено направленным вверх ньютоновским притяжением со стороны воздушной массы. Поэтому, вертикальные сейсмометры и гравиметры непосредственно реагируют на перемещение воздушной массы над прибором. Эмпирически определен характерный передаточный коэффициент воздействия атмосферного возмущения, выраженного через возмущение приземного давления атмосферы, на силу тяжести. Он равен — 0.3 мкГал/гПа. Наконец, вариации атмосферного давления могут влиять непосредственно на маятник сейсмометров и гравиметров через изменения действующей на него силы плавучести [Линьков, 1987; Wielandt, 2002], причем чем больше период движения, тем труднее защитить прибор от этого воздействия.
В осцилляциях, регистрируемых сейсмическими приборами, обнаруживаются периодичности, соответствующие трем типам атмосферных движений.
1. Сейсмические приборы уверенно регистрируют термические солнечные приливы Sm с периодами 24 ч/m, где m — число циклов за сутки. Гармоники Sm в атмосфере могут генерироваться двумя различными механизмами. Общеизвестной причиной их является имеющее суточный цикл нагревание атмосферы и земной поверхности солнечным излучением [Чепмен, Линдзен, 1972; Forbes, 1995]. Функции, описывающие приток тепла к атмосфере на разных высотах, меняются со временем с периодом 24 ч и, будучи разложенными в ряд Фурье, дают набор гармоник притока тепла, генерирующих соответствующие приливные гармоники Sm. Альтернативным механизмом генерации являются нелинейные процессы: рождение гармоник при разрушении гармоник с меньшими числами m (в основном при потере устойчивости интенсивных суточного и полусуточного приливов — m = 1 и 2) и взаимодействие гармоник с разными числами m (см., например, [Akmaev, 2001]). Указанные нелинейные процессы происходят в высоких слоях атмосферы, где амплитуды гармоник Sm достигают максимальных значений. Изменения динамического и теплового состояния атмосферы приводят к изменениям интенсивности гармоник Sm, причем с ростом числа m эта изменчивость усиливается.
Гармоники Sm для широкого набора чисел m выявлены сверхпроводящими гравиметрами, которые позволяют из многолетних рядов измерений восстанавливать периодический сигнал величиной в несколько нГал [Boy et al., 1998], что соответствует колебаниям давления атмосферы с амплитудой вплоть до таких малых значений как ~1 Па. В спектрах, построенных по рядам показаний сверхпроводящих гравиметров длительностью не менее года, обнаружены гармоники Sm вплоть до m ~ 10 [Warburton, Goodkind, 1977;
Smylie et al., 1993; Crossley et al., 1995]. А 5-летние измерения сверхпроводящего гравиметра в Страсбурге даже выявили гармоники вплоть до m = 23 [Florsch et al., 1995]. Гармоники Sm обнаруживаются также в спектрах, построенных по относительно коротким рядам измерений, произведенных вертикальными сейсмометрами. Например, гармоники с m = 4—8 выявлены в работе [Петрова, Любимцев, 2006] по записям длительностью порядка недели, и вплоть до m ~ 30 обнаружено появление групп гармоник в спектрах, полученных по последовательностям рядов измерений длительностью 35 ч со сдвигом 15 мин [Shved et al., 2011]. Гармоники Sm также регистрируются де-формографами (см., например, [Давыдов, Долгих, 1995]).
2. Другим классом глобальных движений атмосферы, регистрируемых сейсмическими приборами, являются собственные колебания атмосферы [Longuet-Higgins, 1968; Дикий, 1969; Forbes, 1995]. В тропосфере регулярно наблюдаются собственные колебания с набором периодов, принадлежащих интервалу ~2—30 сут, со средними амплитудами колебания приземного давления в диапазоне 0.3—2 гПа [Ahlquist, 1982; Lindzen et al., 1984; Madden, 2007]. Эти колебания представляют собой квазигоризонтальные движения атмосферы, которые возникают вследствие вращения Земли, и называются нормальными модами Россби. Поскольку они представляют собой глобальные волны, их также называют планетарными волнами Россби. Эти волны распространяются вдоль параллели преимущественно с востока на запад. Аналитические исследования [Kasahara, 1980; 1981; Ahlquist, 1982] и численное моделирование [Salby, 1981a; 1981b; Pogoreltsev, 1999] демонстрируют зависимость собственной частоты волн Россби и их широтной структуры от особенностей таких усредненных по долготе характеристик атмосферы, как изменение приземного давления атмосферы вдоль меридиана и вы-сотно-широтных распределений температуры и составляющей ветра, направленной вдоль параллели. От ветра указанная зависимость оказывается наиболее сильной. Периоды волн Россби возрастают как с увеличением зонального числа s — числа длин волн, укладывающихся вдоль параллели, так и с увеличением меридионального индекса n, характеризующего широтную структуру волны. Индекс равен числу широт между северным и южным полюсами, где волновая составляющая ветра, направленная вдоль параллели, меняет знак. Зависимость периода волн от индекса n настолько сильнее того же от числа s, что позволяет сгруппировать наблюдаемые волны по этому индексу. Индексу n = 1 соответствуют периоды в диапазоне 1—3 сут (характерная наблюдаемая волна называется 2-су-точной волной). Индексу n = 2 соответствуют периоды в диапазоне 4—7 сут (наблюдаемые волны
называются 4-, 5- и 6.5-суточными волнами). Индексам n = 3, 4 и 5 последовательно соответствуют характерные 10-, 16- и 25-суточные волны. Среди волн Россби с n = 1—3 наблюдались волны с s = 1—4, с n = 4—с s = 1—3, а с n = 5 — только с s = 1 и 2 [Madden, 2007]. Сильных вариаций волновой активности в зависимости от сезона в диапазоне периодов ~ 2—30 сут не обнаружено [Madden, 2007]. Однако замечено, что некоторые волны Россби чаще наблюдаются в зимнее полугодие северного полушария.
Теоретически спектр собственных колебаний атмосферы не ограничен со стороны высоких частот. Но собственные колебания атмосферы с периодами меньше 2 суток являются очень слабыми: самое короткопериодное колебание, которое было уверенно обнаружено в спектрах многолетних рядов измерений приземного давления в тропиках, имеет период около 11.5 ч [Hamilton, Garcia, 1986]. Теоретические оценки периодов собственных колебаний в настоящее время ограничены перио
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.