CC BY
27
УДК 558.348+550.3+537.84+ 534.222.2
Инициирование положительных разрядов молний электромагнитными импульсами, связанными с сейсмическими волнами от землетрясений
Л. В. Сорокин
Российский университет дружбы народов, Россия, П7198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6
В статье рассмотрены случаи инициирования положительных разрядов молний. На примере большого статистического материала показано, что сейсмические волны от землетрясений способны инициировать электромагнитные импульсы на больших угловых расстояниях. Электромагнитные импульсы, связанные с сейсмическими волнами от землетрясений, могут провоцировать положительные разряды молний. Проанализированы пространственно-временные связи синхронизированных сейсмических и электромагнитных событий.
В настоящее время редкие атмосферные феномены, такие как положительные разряды молний из облака в землю +CG (Cloud to Ground events) и высотные электрические разряды в атмосфере интенсивно изучаются в ряде научных центров таких как Forensic Meteorology Associates, Inc. (Fort Collins, USA). FMA проводит комплексные исследования в области различных атмосферных явлений, включая грозы, атмосферное электричество, высотные электрические разряды в атмосфере (Blue Jet, Red Sprite, Elve), осуществляет оптические наблюдения с использованием высокочувствительных видеокамер и спектрофотометров. С 1993 года коллективом ученых FMA под руководством президента FMA Dr. Walter A. Lyons зарегистрировано более 600 видеозаписей электрических разрядов из облаков в стратосферу CS (Cloud to Stratosphere events). При совместном анализе разрядов +CG и CS Dr. Walter A. Lyons и D.J. Boccippio с соавторами [1], установили корреляцию между положительными разрядами молний и высотными электрическими разрядами в стратосферу. При этом в ряде случаев разряды +CG опережают CS, а в некоторых случаях запаздывают [2,3], что позволяет предположить внешнюю природу их синхронизации.
Электромагнитные эффекты при землетрясениях и взрывах описаны Сурковым В.В. в зоне очага и на небольших расстояниях от мест взрывов [4].
В работах Соболева Г.А. и соавторов изучается влияние инициирующего воздействия на механическую модель очага [5]. Так, в результате лабораторных экспериментов было установлено, что акустическая эмиссия из зоны разрушения оказывается больше в случае инициированного процесса, а временная задержка составляет от десятых долей до единиц миллисекунд, причем время запаздывания зависит от силы воздействия.
Однако в вышеперечисленных работах не рассматриваются случаи провоцирования электромагнитных явлений на всех угловых расстояниях от эпицентра землетрясения непосредственно сейсмическими волнами, проходящими через зону напряжения Земной коры. В работах автора ранее была предпринята попытка установить пространственно-временную связь землетрясений с субмиллисекунд-ными электромагнитными импульсами [6], а также положительными и высотными электрическими разрядами в атмосфере [7].
В данной работе изучаются эффекты второго и третьего порядка, связанные с распространением сейсмических волн от землетрясений. Под эффектом второго порядка з статье подразумевается генерация субмиллисекундных электромагнитных импульсов в зоне напряжения земной коры при прохождении через нее сейсмической волны от землетрясений. Под эффектом третьего порядка в статье подразумевается провоцирование положительных разрядов молний из грозовых облаков
субмиллисекундными электромагнитными импульсами. Анализ данных событий производится на всех угловых расстояниях от эпицентров землетрясений, в интервале времени один час от момента основного толчка. Целью анализа является выявление пространственно-временных связей между сейсмическими событиями с электромагнитными явлениями.
На первом этапе исследования осуществлялся выбор парных событий между землетрясениями и электромагнитными явлениями во временном интервале 60 минут. Информация о времени, месте, магнитуде и глубине землетрясений взята из каталога USGS PDE [8]. Точность определения времени и координат очага землетрясения составляла 0,01 сек. и одну угловую минуту соответственно. Сопоставление пространственно-временных данных землетрясений с аналогичными данными электромагнитных явлений правомерно, так как точность определения места и времени данных событий превосходит данные каталога PDE.
Для всех парных событий вычислено угловое расстояния между эпицентрами землетрясений и время между событиями.
На втором этапе исследования для выбранных парных событий определяется разность интервалов времени между моментом вступления ближайшей фазы сейсмической волны от землетрясения в точке наблюдения электромагнитного явления и интервалом времени между данными парными событиями. Для этого производится вычисление времени распространения ближайшей к точке наблюдения электромагнитного явления фазы сейсмической волны от эпицентра землетрясения.
В данной статье все вычисления для определения возможных фаз сейсмических волн и вычисления их времен распространения проводились с использованием модели АК135, построенной на базе модели 1ASPEI91 [9-12] (см. статью в настоящем выпуске). Все типы волн, которые были заложены в модели АК135, были проанализированы на предмет возможной инициации ими электромагнитных явлений.
В период времени с 14 января по 26 февраля 2003 г. автором в районе Москвы была проведена серия регистрации общей продолжительностью 516 часов [7]. За время наблюдения было зарегистрировано 1088 субмиллисекундных электромагнитных импульсов с амплитудой более 0,01 А/т и длительностью менее 1 ms. Верхний порог регистрации составил 0,352 A/m и был связан с ограничениями по электромагнитной устойчивости измерительного комплекса. За время данной регистрации в каталоге PDE было зафиксировано 932 землетрясения. После сопоставления данных регистрации с сейсмическими волнами от землетрясений во временном интервале 60 минут осталось 867 пар событий.
На рис. 1 для парных событий представлена зависимость отклонения момента вступления сейсмической волны в точке регистрации субмиллисекундного электромагнитного импульса от времени его регистрации.
Из графика видно, что имеется некоторая тенденция к опережению момента регистрации части электромагнитных импульсов относительно момента прохождения сейсмической волны местоположения наблюдателя. Данное опережение может быть связано с разницей между скоростями распространения электромагнитных и сейсмических волн. Так, при прохождении сейсмической волны через напряженную зону земной коры возникает электромагнитный импульс, который достигает регистрирующей аппаратуры со скоростью света для данной среды, а акустическая волна достигает точки наблюдения со скоростью звука для данной среды, что может объяснить наблюдаемый разброс. Однако так как направление распространения сейсмических волн зависит от их пространственного положения по отношению к регистрирующей аппаратуре, а напряженные зоны в коре земли могут находиться по разные стороны от точки наблюдения. Следовательно, возможны случаи, как опережения, так и запаздывания регистрации субмиллисекундного электромагнитного импульса по отношению к моменту прохождения сейсмической волной точки наблюдения. Данные электромагнитные импульсы регистрируются на поверхности земли от источников, находящихся на глубинах до 100 км и более, при этом задержка по времени может составлять минуту и более. В данной статье рассмотрим только те события, которые лежат во временном окне ± 100 сек. от момента прохождения сейсмической волны через точку наблюдения.
30
25
20
-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Рис. I. Отклонение момента вступления сейсмической волны в точке регистрации субмиллисекундного электромагнитного импульса от времени регистрации последнего: по горизонтальной оси отложена разность времени между моментом регистрации субмиллисекундного электромагнитного импульса и моментом вступления сейсмической волны от землетрясения в точке регистрации; по вертикальной оси отложено число указанных событий, соответствующих данной временной разности.
80
70
Рис. 2. Распределение числа субмиллисекундных электромагнитных импульсов от величины углового расстояния между местом их регистрации и очагами землетрясений: по вертикальной оси отложено число парных событий; по горизонтальной оси отложено угловое расстояние между местом регистрации субмиллисекундных электромагнитных импульсов и очагами землетрясений.
Пространственная связь между импульсами и очагами землетрясений, сейсмические волны которых прошли через место регистрации этих субмиллисекундных электромагнитных импульсов, представлена на рис. 2.
Рис. 3. Зависимость числа положительных разрядов молний (-ьСй) от их тока и магнитуд инициирующих землетрясений: по правой оси отложен ток положительных разрядов молний (+Сй) в килоамперах; по левой оси отложена магнитуда инициирующего землетрясения; по вертикальной оси отложено количество положительных разрядов молний (-1-СО), лежащих внутри временного окна ± 100 сек.
Острые пики в распределении по угловому расстоянию (рис. 2) соответствуют группам землетрясений в сейсмически активных районах на момент наблюдения субмиллисекундных электромагнитных импульсов.
Что происходит, когда над точкой возникновения субмиллисекундных электромагнитных импульсов находится грозовое облако? Резкое изменение напряженности электромагнитного поля способно спровоцировать сильный электрический разряд из облака. Нижняя часть облака заряжена отрицательно, а верхняя — заряжена положительно, соответственно из нижней его части бьют отрицательные разряды (-CG), а из верхней — положительные (+CG).
Данные по разрядам молний были получены национальной сетью детекторов молний LDN Малайзии (Malaysia, Universiti Tenaga Nasional). Малайзия находится в наиболее активном поясе грозовой активности, где за короткий период времени происходит достаточно большое число разрядов молний. Анализу был подвергнут период времени с 1 мая по 31 августа 1998 года включительно. Общее число разрядов, зафиксированных системой LDN (Малайзия), за указанный период составило 465866, из них было 454671 отрицательных разрядов (-CG) и 11195 положительных разрядов (+CG). Положительные разряды молний происходят в 40 раз реже, чем отрицательные. На более редких событиях проще выявить факт синхронизации, хотя их общее количество остается достаточным для пространственно-временного анализа. За указанные четыре месяца в каталоге PDE было зафиксировано 760! землетрясение. Из всей совокупности данных LDN и PDE после их сопоставления с сейсмическими волнами от землетрясений во временном интервале 60 минут осталось 9233 пар событий.
На рис. 3 представлена зависимость числа положительных разрядов молний (+CG) от их тока и магнитуд инициирующих землетрясений. Представленные парные события лежат во временном окне ± 100 сек.
На данном графике ток положительных разрядов меняется от 4 до 1000 кА с максимумом з районе 40-60 кА. Из рис. 3 хорошо видно, что не все положительные разряды молний имеют пространственно-временную связь с сейсмическими
АН
- М > 2,0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
Рис. 4. Распределение числа положительных разрядов молний (+Сй) от величины углового расстояния между +СО и очагами землетрясений: по вертикальной оси отложено число положительных разрядов молний (+СО); по горизонтальной оси отложено угловое расстояние между точками разрядов +СО и очагами землетрясений.
событиями, а данное распределение имеет две пространственно разнесенные области. В центральной части графика находятся события, которые лежат в пределах ± 100 сек. от момента прохождения сейсмической волны через место положительного разряда молнии (н-Сй). Из рисунка хорошо видно, что в диапазоне магнитуд меньших 1 возникает пик спонтанных событий. Так как энергии этих землетрясений с магнитудами меньше единицы явно недостаточно для воздействия на грозовое облако с больших расстояний, а пространственно-временная связь данных событий не выявлена, то для дальнейшего анализа будем использовать только землетрясения магнитуда которых больше двух.
На рис. 4 представлено распределение числа положительных разрядов молний (+СО) от величины углового расстояния между +Св и очагами землетрясений, а также представлено два распределения, верхняя — серая линия соответствует всем 9233 парным событиям, а нижняя — черная линия соответствует выборке 8034 событий, для которых магнитуда землетрясений больше двух. Из графика хорошо видно, что исключенные пары событий с магнитудами меньшими двух (см. рис. 3) соответствуют активным сейсмическим зонам с большим числом землетрясений и могут быть связаны со слабыми афтершоками.
Наиболее наглядно можно представить, в координатах угловое расстояние и время между парными событиями, пространственно-временные связи числа инициированных землетрясениями положительных разрядов молний (Ч-Сй) на годографе (рис. 5).
Представленный на рисунке годограф показывает опосредованную связь положительных разрядов молний (Ч-Сб) с землетрясениями через эффект третьего рода. Сейсмическая волна от землетрясения при прохождении через зону с напряженным состоянием вызывает эффект второго рода в виде электромагнитного импульса. В свою очередь ЭМИ провоцирует эффект третьего рода в виде положительного электрического разряда из верхней части облака, на вершине которого скопился избыточный положительный заряд. Для данного годографа разность времени между положительным разрядом молнии (Ч-Св) и моментом прохождения сейсмической волны от инициирующего землетрясения (М > 2) через точку
Градусы
Рис. 5. Годограф представляет зависимость числа инициированных землетрясениями положительных разрядов молний (+СО) в координатах угловое расстояние и время между парными событиями: по горизонтальной оси отложено угловое расстояние между точками разрядов +Сй и очагами землетрясений; в глубину отложено время между парными событиями в интервале времени 60 минут; по вертикальной оси отложено число положительных разрядов молний (-ьСв), лежащих внутри временного окна ± 100 сек.
разряда лежит внутри временного окна ± 100 сек. Разброс по времени, вносимый разностью скоростей электромагнитных и акустических волн, существенно не повлиял на полученный результат. На годографе хорошо видно, что для сейсмических волн, включенных в модель АК135, удалось установить пространстзенно-временную связь разрядов молний с землетрясениями. Острые пики числа
+СС демонстрируют связь положительных разрядов молний с сейсмически активными, на момент регистрации, зонами Земной коры.
Большой интерес представляет распределение положительных разрядов молний (+СС) по силе тока относительно отклонения момента вступления сейсмической волны для места регистрации положительного разряда молнии (+СО) от времени самого положительного разряда молнии.
Из рис. 6 видно, что основное число положительных разрядов молний (-КХЗ) находится в центре распределения и соответствует моменту прохождения через точку удара молнии сейсмической волны от землетрясения. Верхний график соответствует всем положительным разрядам молний, которые связаны с сейсмическими волнами от землетрясений с магнитудами больше двух. Другие графики, находящиеся под данной кривой, расположены в той же последовательности, как и з легенде графика и соответствуют числу положительных разрядов с максимальным током разряда ограниченным указанными значениями. Из графика видно, что с увеличением тока разряда число выбранных событий уменьшается, а влияние шума на данное распределение снижается.
Несмотря на то, что генерирование электромагнитного импульса при прохождении сейсмической волны через напряженную зону в Земной коре является эффектом второго рода, а провоцирование электрического разряда з атмосфере — эффектом третьего рода по отношению к самому землетрясению, между ними удалось установить пространственно-временную связь. Описанные нелинейные явления не
Рис. 6. Семейство характеристик, при разных токах разряда, отклонения времени прохождения сейсмической волны через место регистрации положительного разряда молнии (+СО) относительно времени самого положительного разряда молнии: по горизонтальной оси отложена разность времени между инициирующим землетрясением (М > 2) и моментом положительного разряда молнии; по вертикальной оси отложено число положительных разрядов молний (-у-Сй), лежащих внутри временного окна ± 100 сек.
очевидны, имеют мощную шумовую компоненту и подвержены влиянию ряда других процессов, однако влияние сейсмических событий на инициирование положительных разрядов молний (+CG) с токами 100 кА и более удалось достоверно показать на представленном материале.
Благодарность: Автор выражает благодарность R. Buland (National Earthquake Information Centre, U.S. Geological Survey Golden, Colorado) и Brian Kennett (Research School of Earth Sciences, Australian National University Canberra, Australia) за возможность использования программного обеспечения IASPEI91 & АК135. Особая благодарность экспертам по атмосферному электричеству Halil Hussin и Mohd Pauzi Bin Yahaya (Malaysia, Universiti Tenaga Nasionai).
Литература
1. Boccippio D. J., Walliams E. R., Heckman S. J., Lyons W. A., Baker I. Т., Boldi R. Sprites, ELF transients and oositive ground strokes // Science. — 1995. - Vol. 269. - P. 1088.
2. Armstrong R. Satellite and ground-based data exploitation for nudet discrimination. Characterizing Atmospheric electrodynamic emissions from Lightning, Sprites, Jets and Elves // Final Report for the 1999 Sprites program submitted to the Department of Energy. — 2000, 18 April.
3. Nelson Т. E., Possum J., Lyons W. A. Sprite, Lightning and Radar: A Brief Look at 20 June 2000. // Presented to the CEDAR Conference in Bouider, CO on 29 June 2000. http://www.fma-research.com/Papers & presentations/06-20-2000CEDAR/cedar-idx.html
4. Сурков В. В. Электромагнитные эффекты при землетрясениях и взрывах: Научное издание. — М.: МИФИ, 2000. — 448 с.
5. Соболев Г. А., Пономарев А. В. Физика землетрясений и предвестники / Отв. ред. В. Н. Страхов. - М.: Наука, 2003. - 270 е.; ил.
6. Сорокин Л. В. Регистрация субмиллисекундных электромагнитных импульсов, связанных с землетрясениями // Вестник РУДН, Серия «Физика». — 2002. — № Ю(1). - С. 160-162.
7. Сорокин Л. В. Пространственно-временные связи землетрясений с положительными и высотными электрическими разрядами // Вестник РУДН, Серия «Физика». - 2002. - № Ю(1). - С. 163-169.
8. U.S. Geological Survey National Earthquake Information Center (Catalog PDE). http://www.neic.cr.usgs.gov/neis/epic/epic_global.html
9. Jeffreys H,, Bullen К. E. Seismological Tables, British Association for the Advancement of Science. — London.
10. Buland R., Chapman С. H. The computation of seismic travel times // Bull. Seism. Sot. Am. - 1983. - Vol. 73. - P. 1271-1302.
11. Kennett B. L. N., Engdahl E. R. Traveltimes for global earthquake location and phase identification // Geophys. J. Int. - 1991. - Vol. 105. - P. 429-465.
12. Kennett B. L. N. IASPEI 1991 Seismological Tables, Research School of Earth Sciences. — Canberra, 1991.
UDC 558.348+550.3+537.84+ 534.222.2
Triggering of Positive Lightning by Electromagnetic Pulses related with Seismic Waves
L. V. Sorokin
Peoples' Friendship University of Russia, 6, Miklukho-Maklaya str., Moscow, 117198, Russia
The cases of Positive Lightning triggering have been described in this paper. On the base of actual data records, the cases of Electromagnetic Pulses generation at the big angular distances by Seismic Waves from earthquakes have been described. Electromagnetic Pulses related with Seismic Waves can provoke Positive Lightning. The space-time coupling of synchronized Seismic and Electromagnetic events have been described.
