ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА,, 2011, том 30, № 5, с. 84-87
ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
УДК 550.510.533
ВАРИАЦИИ ПОЛНОГО ЭЛЕКТРОННОГО СОДЕРЖАНИЯ ИОНОСФЕРЫ В ПЕРИОД ПОДГОТОВКИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ © 2011 г. О. В. Золотов1*, Б. Е. Прохоров2, 3, А. А. Намгаладзе1, О. В. Мартыненко1
Мурманский государственный технический университет 2Центр им. Гельмгольца, Центр исследования Земли, Потсдам, Германия 3Университет г. Потсдам, Институт прикладной математики, Междисциплинарный центр динамики сложных
систем, Потсдам, Германия *E-mail: ZolotovO@gmail.com Поступила в редакцию 17.11.2010
Проанализированы морфологические особенности в вариациях полного электронного содержания (TEC) ионосферы по сравнению с фоновым невозмущенным состоянием в качестве вероятных предвестников землетрясения 12 января 2010 г., 21:53 UT (16:53 LT), (18.46° N, 72.5° W), M 7.0, Гаити. Для их выявления были построены глобальные и региональные дифференциальные карты TEC на основе глобальных двухчасовых карт полного электронного содержания, предоставленных NASA в формате IONEX. Для рассматриваемого землетрясения долгоживущие возмущения предположительно сейсмического происхождения были локализованы в околоэпицентральной области и сопровождались аналогичными эффектами в магнитосопряженном регионе. Наблюдались как уменьшения, так и локальные увеличения TEC в период с 22 UT 10 января по 08 UT 12 января 2010 г. Горизонтальные размеры области аномалии составляли ~40° по долготе и ~20° по широте, величина возмущения TEC достигала ~40% относительно фоновых значений вблизи эпицентра и >50% в магнитосопряженной области. Существенных геомагнитных возмущений в течение 1—12 января 2010 г. не наблюдалось, т.е. выявленные аномалии TEC являются проявлениями связей системы литосфера—атмосфера—ионосфера.
Ключевые слова: TEC, ионосферные предвестники землетрясений, GPS.
1. ВВЕДЕНИЕ
Поиски ионосферных предвестников землетрясений среди разнообразных вариаций физических параметров околоземной среды (магнитных, ОНЧ и ионосферных вариаций) в периоды времени, предварявшие землетрясения, ведутся уже давно (см., например, обзоры [1—6]). В последние годы широко используются данные о полном электронном содержании (TEC — Total Electron Content) ионосферы, получаемые с помощью радиосигналов навигационных спутников систем GPS и др. [7, 8]. Большое число приемников таких сигналов обеспечивает неплохое пространственное разрешение таких данных, превосходящее разрешение любых других методов. Анализ вариаций ТЕС в периоды, предшествовавшие землетрясениям, представлен во многих работах (в том числе в [2, 9—14]), в которых выявлен ряд следующих особенностей этих вариаций.
1. Формирование локальной аномалии (отклонения от спокойного хода) ТЕС от нескольких часов до 15 дней в околоэпицентральной области до наступления сейсмического события. Максимум проявления аномалии не совпадает с положением эпицентра готовящегося землетрясения.
2. Аномалии могут быть как положительными (увеличение ТЕС), так и отрицательными (уменьшение ТЕС).
3. Развитие предвестника может сопровождаться сменой знака аномалии.
4. Непосредственно перед землетрясением или за несколько часов до него может происходить депрессия возмущения вплоть до его полного исчезновения.
5. Аналогичные эффекты могут наблюдаться в магнитосопряженной области.
6. Пространственные размеры проявления аномалии — несколько тысяч километров вдоль параллели и ~1000 км вдоль меридиана.
7. Величина сейсмогенной аномалии TEC зависит от магнитуды предстоящегося землетрясения и может достигать нескольких десятков процентов.
8. В экваториальной области наблюдается модификация экваториальной ионосферной аномалии Эпплтона как единой системы (модификация обоих гребней аномалии и провала между ними).
2. ФИЗИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ АНОМАЛИЙ TEC
Поскольку полное электронное содержание ионосферы определяется в основном электрон-
ВАРИАЦИИ ПОЛНОГО ЭЛЕКТРОННОГО СОДЕРЖАНИЯ ИОНОСФЕРЫ
85
ной концентрацией в главном ионосферном максимуме ^2-слое), физические причины аномалий ТЕС следует искать среди известных механизмов формирования вариаций электронной концентрации в F2-области, не связанных с вариациями ионизирующего излучения, а именно: влияние вариаций параметров нейтральной атмосферы (ее химического состава и ветров) и электромагнитных дрейфов. Плазмосферно-ионо-сферные потоки существенно не влияют на ТЕС, они лишь перераспределяют электронную концентрацию в силовых трубках геомагнитного поля. Вариации нейтральной атмосферы являются главным фактором, возмущающим F2-область в периоды магнитных бурь, но эти вариации невозможно пространственно локализовать, они будут распространяться от области генерации в виде внутренних гравитационных волн и приливных волн. С их помощью невозможно объяснить привязку аномалий ТЕС к эпицентральной области. Единственным фактором остается зональное электрическое поле сейсмогенного происхождения, вызывающее вертикальный дрейф плазмы F2-области в область повышенных или пониженных скоростей химических потерь с соответствующим уменьшением или увеличением электронной концентрации [15]. Электрическое поле обеспечивает магнитную сопряженность эффектов в ТЕС из-за высокой проводимости геомагнитных силовых линий и объясняет наблюдаемые трансформации экваториальной аномалии.
Эффекты зонального электрического поля в ТЕС численно моделировались в работах [16—18] путем задания дополнительных (сейсмогенных) потенциалов порядка 1—10 кВ на границах эпи-центральной области, в которой наблюдается аномалия ТЕС. Было показано, что возникающие при этом электрические поля в несколько милливольт на 1 м обеспечивают вариации ТЕС в десятки процентов. Проблеме происхождения сейсмо-генных электрических полей посвящено много работ [5, 6, 19, 20], среди которых выделим исследования Сорокина с соавт., разрабатывающих гипотезу стороннего электрического тока из области разлома, создаваемого эманацией аэрозолей в приземном слое атмосферы в присутствии радиоактивных источников ионизации. Для создания в ионосфере электрических полей в несколько милливольт на 1 м плотность такого тока должна на 3—4 порядка превышать обычную плотность вертикального тока между землей и ионосферой, составляющую 1—3 пА/м2. При этом проводимость ионосферы должна быть достаточно низкой (ночные условия), чтобы электрическое поле не снималось движениями зарядов.
В настоящей работе исследуются морфологические характеристики предсейсмических вариаций TEC в период подготовки разрушительного землетрясения 12 января 2010 г., Гаити, и анали-
зируется их соответствие гипотезе сейсмогенного электрического поля как главного физического фактора возникновения этих вариаций.
3. ГЕЛИОГЕОФИЗИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ
Ионосфера чувствительна к воздействиям, идущим от Солнца и внешнего пространства. Сильные возмущения, такие как, например, магнитные бури, могут значительно затруднить выявление сейсмо-индуцированных аномалий, так как величина генерированных этими внешними воздействиями возмущений параметров ионосферной плазмы сравнима или превосходит характерные для сейсмоген-ных возмущений значения.
Геомагнитная ситуация в течение 1—12 января 2010 г. была спокойная: ^-индекс в основном был существенно меньше 6 нТл; Zp-индекс не превосходил 2; Дгиндекс не имел существенных возмущений и составлял величину порядка 20 нТл. Таким образом, наблюдаемые возмущения в TEC ионосферы не удается объяснить геомагнитной активностью, и их следует рассматривать как отклик на проникающие через толщу нейтральной атмосферы воздействия предположительно сейсмического происхождения.
4. МОРФОЛОГИЯ ПРЕДСЕЙСМИЧЕСКИХ ВАРИАЦИЙ TEC ДЛЯ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ 12 ЯНВАРЯ 2010 г., ГАИТИ
В настоящей работе определялись аномальные возмущения (по сравнению с фоновыми невозмущенными значениями) с помощью глобальных и региональных дифференциальных карт TEC, построенных на основе двухчасовых карт глобального электронного содержания, предоставленных NASA в формате IONEX (ftp://cddisa.gs-fc.nasa.gov/pub/gps/products/ionex/) [7]. Пространственное разрешение этих карт составляет 5° по долготе и 2.5° по широте. Фоновые значения вариации определялись как скользящее среднее за период 7 дней до рассчитываемого момента с группировкой усредняемых значений по моментам времени MLT (т. е. усреднялись 7 величин с одним и тем же местным временем).
Дифференциальные региональные карты отклонений TEC, представленные на рис. 1, показывают, что наблюдались аномалии обоих знаков. Области пониженной электронной концентрации размерами ~40° по долготе и ~20° по широте наблюдались 16 UT — 24 UT 9 и 10 января 2010 г. Возмущения ТЕС в них достигали 20—40%. Они имели четкую локализацию в полосах географических широт 0°—20° N и 10°—30° S, разделенных геомагнитным экватором. Представленные эффекты сопровождались аналогичными вариациями в магнитосопряженной области.
86
ЗОЛОТОВ и др.
180° -120° -60° 0° 180° -120° -60° 0' Географическая долгота Географическая долгота
Отклонения TEC (%) от невозмущенного состояния 10 января 2010 г., 18—22 UT (а) и 11 января 2010 г., 12—16 UT (б). Звезда — эпицентр землетрясения, ромб — магнитосопряженная точка.
Аномальное увеличение TEC (таких же пространственных масштабов, как и в случае отрицательного возмущения), наблюдалось 10 UT—18 UT 11 января 2010 г, максимум проявления превышал 50% по магнитуде. Непосредственно в момент реализации сейсмического события в околоэпицен-тральной области существенных аномалий в TEC не наблюдалось.
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Методом построения дифференциальных карт отклонений TEC были выявлены аномальные возмущения электронной плотности, ассоциируемые с землетрясением 12 января 2010 г., 21:53 UT (16:53 LT), (18.46° N, 72.5° W), M 7.0, Гаити. Определены основные морфологические характеристики и времена жизни этих возмущений. Спокойная геомагнитная обстановка не позволяет их рассматри-
вать как результат воздействия солнечной и геомагнитной активности. Географическая локализация по обе стороны от геомагнитного экватора вблизи эпицентральной области и общий характер развития указывают на их электромагнитную
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.