ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2012, № 4, с. 53-56
УДК 550.510.535
СЕЙСМОИОНОСФЕРНЫЕ ЭФФЕКТЫ В СЛОЕ F2 В РАЙОНЕ КАМЧАТКИ
© 2012 г. Т. В. Гайворонская
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН(ИЗМИРАН), г. Троицк Московская обл. Поступила в редакцию 27.09.2010 г.
Сравнительный анализ результатов радиозондирования ионосферы на станциях Петропавловск и Магадан позволил исключить идентичные возмущения, связанные с геомагнитными бурями, и выявить ионосферные особенности, обусловленные сейсмической активностью. Обнаружилось, что перед крупными землетрясениями в районе ст. Петропавловск преобладают положительные ионосферные вариации, которые тем более выражены, чем больше магнитуда землетрясений.
ВВЕДЕНИЕ
Земная ионосфера является своеобразным индикатором процессов, происходящих как в космическом пространстве, так и в недрах самой планеты. Над районами сейсмической активности часто отмечают изменения в распределении концентрации ионосферной плазмы. Возникающие ионосферные неоднородности связывают с повышением ионизации приземных слоев атмосферы, увеличением ее электропроводности и появлением дополнительных квазистатических электрических полей, проникающих на высоты Е и F слоев ионосферы. Рост полей отмечают в областях, размеры которых могут составлять сотни км. Изменение концентрации плазмы в слое F на высотах 150— 300 км могут достигать 20—30% [Гайворонская, 2005; 2008; 2010; Гохберг, 2004; Корсунова, 2005]. Предлагаемые в последнее время модели физических процессов в системе литосфера-атмосфера-ионосфера рассматривают преобразование вертикальных электрических полей вблизи земной поверхности в ионосферные электрические поля с поперечной к геомагнитному полю компонентой. Появление в ионосфере такого дополнительного электрического поля, имеющего радиальную по отношению к эпицентру землетрясения компоненту, приводит в присутствии магнитного поля Земли к электродинамическому дрейфу заряженных частиц и к формированию над зоной землетрясения неоднородной структуры [Ким, 1994; Краткосрочный..., 1998; Липеровский, 1990; 2008; Пулинец, 1998]. Распределение ионосферной плазмы при этом характеризуется появлением областей с повышенной и пониженной концентрацией заряженных частиц. Следует подчеркнуть, что это не два центра зарядов, а две области с максимальной и минимальной концентрацией плазмы, в каждой из которых на высотах слоя F2 суммарные заряды положительных и отрицательных частиц компенсируют друг друга.
Девиация ВЮР2 критической частоты слоя Б2 также должна быть подвержена подобному аномальному распределению. Как известно, критическая частота ЮР2 определяется по отражению радиочастот от ионосферного слоя Б2 при дистанционном вертикальном зондировании на наземных станциях, причем она однозначно связана с максимумом электронной концентрации в ионосфере. Отклонение ВЮР2 значений критических частот ЮР2 от их регулярного суточного хода в положительную или отрицательную сторону свидетельствует о появлении неоднородностей. При радиозондировании ионосферы вблизи эпицентральной зоны землетрясения аномальные структуры с повышенной и пониженной концентрацией плазмы, упоминавшиеся выше, регистрируется как две области с положительной и отрицательной девиацией критической частоты ВЮР2.
В ранее выполненных работах [Гайворонская, 2005; 2010; РиНпе18, 2004] на двух соседних ионосферных станциях, одна из которых находилась в сейсмической зоне, а другая вне ее, сопоставлялись значения критических частот ЮР2 и вычислялись их коэффициенты корреляции в течение нескольких месяцев перед землетрясением. Уменьшение корреляционной зависимости было сигналом появления локальных ионосферных неоднородно-стей, причиной которых могли быть сейсмические события. В настоящей работе для двух близлежащих станций выполнен сравнительный анализ девиаций критических частот ВЮР2, позволяющий непосредственно оценить возникающие ионосферные возмущения и соотнести их с магнитуда-ми землетрясений.
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ДАННЫХ НА ИОНОСФЕРНЫХ СТАНЦИЯХ.
В районе полуострова Камчатка в 1992—1994 гг. были рассмотрены крупные землетрясения, эпицентры которых находились не далее 250 км от ст. Петропавловск. Сравнение результатов верти-
54
ГАЙВОРОНСКАЯ
Б&Р2(Р), МГц 23 февраля—03 марта 1992
LT, часы
Рис. 1. Вариации БГоР2(Р) на ст. Петропавловск (вверху) и относительные вариации БГоР2(Р-М) по данным двух ст. Петропавловск и Магадан (внизу) перед землетрясением 2 марта 1992 г.
кального зондирования ионосферы проводилось на станциях Петропавловск и Магадан. Станции удалены друг от друга на расстояние, большее чем размеры эпицентральной зоны землетрясения, однако они находятся не настолько далеко, чтобы стали заметны проявления долготных и широтных эффектов в ионосфере.
По результатам ионосферного зондирования на каждой станции вычислялись ежечасные значения ОАоР2 — отклонения критических частот слоя Р2 от их скользящих средних значений. Обычно скользящие средние значения вычисляют за месяц, по предшествующим и последующим 15 суткам. При оценке оперативной обстановки, например, при прогнозировании сейсмических событий, приходится вычислять средние значения только по предшествующим показаниям, которые уже известны. Полученные ежечасные нерегулярные вариации на ст. Петропавловск и Магадан сравнивались между собой. Рассматривались величины
БГоР2(Р-М) = БГоР2(Р) - БГоР2(М) =
= [&Р2(Р) - йэ/2(М)] - [С(Р) - С(М)],
здесь БГоР2 = &Р2-С, С - скользящие средние значения частот за предшествующие 15 суток, буквы Р и М обозначают станции наблюдения,. Таким способом удается исключить идентичные ионосферные вариации, связанные с геомагнитными бурями, и выявить различия, обусловленные нахождением в неодинаковых сейсмических условиях.
Рассмотрим пример землетрясения, которое произошло после геомагнитной бури, чтобы показать как работает предложенная формула вычисления ОВэР2(Р-М). На рис. 1 показаны вариации ОГоР2(Р) по данным станции Петропавловск (вверху) и относительные вариации ВГоР2(Р-М), полученные при сравнении данных на ст. Петропавловск и Магадан (внизу). На горизонтальной
оси указаны часы по местному времени ст. Петропавловск, большие деления соответствуют суткам. Нерегулярные вариации вычислены в течение 10 дней, с 23 февраля по 3 марта 1992 г., когда произошла серия землетрясений, наибольшее из которых с магнитудой М = 6.8 было зарегистрировано 2 марта 1992 г. На верхнем рисунке выделяются значительные отрицательные нерегулярные ионосферные вариации полученные на ст. Петропавловск, которые характерны для большой геомагнитной бури (Кр = 8), в то время как на нижнем рисунке они практически исключены предложенной выше формулой расчета ОВэР2(Р-М). Сравнение ионосферных данных по Петропавловску и Магадану дает возможность заметить положительное возмущение в районе Петропавловска приблизительно за 6 суток до землетрясения.
На рис. 2 показаны примеры относительных вариаций БГоР2(Р-М) в течение 10 дней перед тремя землетрясениями: 8 июня 1993 г., 13 ноября 1993 г. и 19 декабря 1992 г. В первом случае произошло катастрофическое землетрясение с магнитудой М = = 7.5 и последующей серией афтершоков, во втором и третьем случаях - землетрясения с магниту-дами М = 7.0 и М = 6.1 соответственно. Можно отметить, что перед землетрясениями наблюдаются положительные возмущения.
СТАТИСТИКА НЕРЕГУЛЯРНЫХ ВАРИАЦИЙ КРИТИЧЕСКИХ ЧАСТОТ СЛОЯ Р2
Для того чтобы сравнить распределение девиаций ОВэР2(Р-М), полученных в период подготовки землетрясений, с распределением случайных величин, было подсчитано количество их значений, попадающих в интервалы изменения с диапазоном 0.25 МГц. На Рис. 3 показаны статистические распределения, полученные в 10-дневный срок перед землетрясением 13 ноября 1993 г. (М = = 7.0) и в спокойный период с 18 по 27 мая 1993 г.
СЕЙСМОИОНОСФЕРНЫЕ ЭФФЕКТЫ В СЛОЕ Б2 В РАЙОНЕ КАМЧАТКИ
55
Шо¥2(Р-М), МГц 2 г
31 мая—09 июня 1993
7.5 | | 5.1
24
48
72
96
120
144
168
192
216 240
LT, часы
Рис. 2. Примеры относительных нерегулярных вариаций БГоР2(Р-М) перед землетрясениями в районе Петропавловска 8 июня 1993 г., 13 ноября 1993 г. и 19 декабря 1992 г.
Аппроксимация посредством кривой Гаусса, характеризующей распределение для случайных величин, показывает, что максимум статистического распределения перед землетрясением смещается в положительную сторону. Выбрав величину смещения Х в качестве оценки положительного возмущения ионосферы можно соотнести ее с магниту-дой готовящегося землетрясения. Результат такого сопоставления представлен на рис. 4. По горизонтальной оси отмечена магнитуда 10-ти наиболее заметных в 1992—1994 гг. землетрясений, для кото-
рых имелись ионосферные данные, по вертикальной — величина смещения максимума статистического распределения ВГоБ2(Р-М), полученного за 10 дней, предшествующих землетрясениям. На отметке М = 0.0 показаны результаты расчетов для 5-ти спокойных в геомагнитном и сейсмическом плане периодов времени, каждый длительностью 10 дней.
Преобладание положительных вариаций критических частот в районе Петропавловска по сравнению с Магаданом, которое становится более вы-
Число вариаций 60
50 40 30
(а)
Число вариаций 60
(б)
20 10
о
-2 -1
1 2 3
Интервалы, МГц
012 Интервалы, МГц
Рис. 3. Статистические распределения вариаций ОЮР2(Р-М) перед землетрясением 13 ноября 1993 г. с магнитудой М = 7.0 (а) и во время спокойного периода 18-27 мая 1993 г. (б). Кривыми показана наилучшая аппроксимация распределений функцией Гаусса для случайных величин.
0
0
56
ГАИВОРОНСКАЯ
Смещение X, МГц 0.3 г
0.2 0.1 0 -0.1 -0.2
08.06.93-7.5
13.11.93-7.0 02.03.92-6.8 19.12.92-6.1
02.08.94-6.0 14.02.94-5.9 07.05.94-5.9 16.03.94-5.8 10.11.92-5.6 09.04.92-5.4
0 5 6 7 8
Магнитуда М
Рис. 4. Смещение X максимума статистического распределения ионосферных вариаций БГоР2(Р-М) в зависимости от магнитуды готовящегося землетрясения. Справа указаны даты землетрясений и их магнитуды.
раженным при возрастании магнитуд готовящихся землетрясений, свидетельствует, что наблюдаемый ионосферный эффект связан именно с сейсмической
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.