Сейсмогенные перемещающиеся ионосферные возмущения в области F2 в периоды гелиогеофизических возмущений Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 551.510.535

СЕЙСМОГЕННЫЕ ПЕРЕМЕЩАЮЩИЕСЯ ИОНОСФЕРНЫЕ ВОЗМУЩЕНИЯ В ОБЛАСТИ F2 В ПЕРИОДЫ ГЕЛИОГЕОФИЗИЧЕСКИХ ВОЗМУЩЕНИЙ

© 2008 г. Н.П. Сергеенко

In this work the possibility of these disturbances determination is researched, which is related with the developing earthquake at the background of quite and disturbed ionosphere. Here are shown the multi-sign schemes allowing distinguishing the one object from another.

Перемещающиеся ионосферные возмущения (ПИВ) накладывают свой отпечаток на ряд радиофизических феноменов, связанных с радиозондированием ионосферы: успех (или неуспех) в регистрации кругосветных эхо-сигналов; сигналов, связанных с наклонным нагревом ионосферы, с получением радиоотражений в декаметровом диапазоне от следов баллистических ракет на протяженных трассах и т.д. Их происхождение может быть связано с экзогенными (природные и техногенные) и эндогенными (неустойчивости, мета-стабильность) причинами.

Многочисленные экспериментальные факты указывают на существование электромагнитных и плазменных предвестников землетрясений, генерируемых в атмосфере и ионосфере за дни и недели до начала землетрясения [1, 2]. Локальные понижения электронной концентрации как в удалённых областях, так и над эпицентром будущего землетрясения возникают за несколько суток до толчка [3]. Исследованиями последних лет установлено, что за 10-15 ч до главного толчка над эпицентром катастрофических землетрясений возникают ПИВ повышенной электронной концентрации с горизонтальными размерами 1-3 тыс. км, временем жизни, превышающем 104 с, перемещающихся примерно со звуковой скоростью на расстояния до 10-15 тыс. км в области главного максимума ионосферы [4-6]. О существовании ПИВ известно давно [7]. Согласно работе [8], в некоторых экспериментах имела место значимая кросс-корреляция вариаций критической частоты области Е2 между такими удалёнными пунктами вертикального зондирования, как Москва и Дели, Москва - Магадан. Функции кросс-корреляции имели максимумы, сдвинутые примерно на 6 -10 ч, что дало основание выдвинуть гипотезу о наличии случайных неоднородностей, перемещающихся с почти звуковой скоростью на расстояния, соизмеримые с радиусом Земли. Форма функций кросс-корреляции свидетельствовала о том, что в потоке случайных событий появлялись неоднородности длительностью от 1 до 4 ч. Выборочные коэффициенты кросс-корреляции зачастую были незначимы и лишь изредка возрастали до значимого уровня, что свидетельствовало о том, что в качестве модели появ-ляемости событий в потоке должна быть выбрана схема Пуассона [9].

Вместе с тем имеются серьёзные трудности, связанные с построением оценок, трудности, возникаю-шие при выделении различных ионосферных эффектов на фоне флуктуаций ото дня ко дню. Кроме этого, встают вопросы о возможности диагностики эффектов по ионосферным наблюдениям во время солнечных и магнитосферных возмущений. В условиях ионосферных бурь и суббурь могут возникать возмущения электронной концентрации, соизмеримые по характерным размерам и контрастности с сейсмогенны-ми ПИВ, но с совершенно другим характером временных и пространственных изменений. Ниже приведена феноменологическая картина динамики сейсмо-генных ПИВ в спокойных и возмущённых гелиогео-физических условиях.

Анализ данных

Главным источником информации об ионосферных неоднородностях в работе являются массивы значений критических частот области Е2 ионосферы по мировой сети ионосферных станций вертикального зондирования. Для анализа использовалась относительная вариация 8/оЕ2 [10]. Массивы {8/оЕ2} используются в практике ионосферного прогнозирования для обнаружения и численной характеристики возмущённости ионосферы. Относительная вариация обладает рядом достоинств: она не зависит от мультипликативных погрешностей представления /оЕ2, связанных, например, с различной шкалой на станциях вертикального зондирования (ВЗ), расположенных в разных регионах земного шара. Центрирование множества /оЕ2 скользящей медианой (а не, например, скользящим средним) дает определенную защиту от неадекватного влияния больших «выбросов» в массиве {/оГ2}. Кроме того, исключается регулярная сезонная и суточная изменчивость ионосферы.

Сформулируем несколько правил отбора ПИВ. Это должно быть локальное образование с экстремальным значением (8/оЕ2)т > 15 % на средних широтах и (8/оЕ2)т > 10 % - на низких. Предполагается также, что на интервале в 2-3 ч отклонения должны быть более 10 %. Анализ показывает, что данные за целый месяц могут содержать сравнительно небольшое количество дат, содержащих искомые объекты.

Для описания геомагнитной обстановки использовались Кр-, Dst- и АЕ-индексы. Хр-индекс даёт общую оценку геомагнитной активности. Dst-индекс характеризует возникновение и развитие кольцевого тока и соответственно крупномасштабной планетарной геомагнитной бури. Для идентификации эффектов суб-

бурь в ионосфере использовали АЕ-индексы, возмущёнными считались периоды, когда АЕ >200 нТл [11].

Спокойные условия. На рис. 1а сверху показано двумерное распределение 8/оЕ2 27 октября 1985 г. в координатах географическая широта - мировое время.

27.10.85 , п п "

130 1Ш К 4Ü 10 Ü Iii (i ij lfö 130 l.ffl ILM L4l

Рис. 1. а - двумерное распределение д[оР2, предшествующее землетрясению 27 октября 1985 г. 36,4Л?; Л = 6,8Е;М=5,9;

^1^34""). Справа - шкала 8[о¥2, внизу - вариации геомагнитных индексов; б - карта мира в проекции Меркатора; 0 -местоположение будущего эпицентра; • - местоположения ионосферных станций ВЗ, где с соответствующим временным запаздыванием наблюдалось ПИВ,----траектория движения возмущения; в - географическое положение возникшей ПИВ в 4 ч

ит

Землетрясение произошло в Западной Европе Слева на рис. 2 а, б даны зависимости 3/оЕ2(() для (^=36,4Н- Я=6,8Б; М=5,9; ^=19^34™). Справа на рис. 1а различных станций, расположенных в Азии, Европе, приведена шкала. Ниже показана геомагнитная об- Австралии, Северной Америке. На рис. 2г приведены

становка. Видно, что 27.10.85 - геомагнитно спокойные сутки до 20 ч иТ: индексы АЕ, Dst и Кр не выходят за пределы нормы. Сейсмо-ионосферная аномалия в слое Е2 возникла практически над эпицентром ~ в 5 ч ит. На рис. 1в показано географическое положение возникшей за 15 ч до основного толчка крупномасштабной неоднородности на плоскости широта - долгота, карта приведена для момента времени 4 ч ит. На рис. 1б приведена карта мира в проекции Мерка-тора. Траектория движения возмущения соответствует участку дуги большого круга. Незаштрихованные кружки показывают расположение других ионосферных станций вертикального зондирования, где возмущения были отрицательные, либо вообще их не было, либо по каким-то причинам в рассматриваемый период измерения не проводились.

Возмущённые условия. На рис. 2 представлены данные для Индонезийского землетрясения, которое произошло 01 марта 1985 г. (^=1,45"; Я=119,6Е; ^ПЪ1Г иТ; М=6,4).

вариации геомагнитных индексов для этих суток, которые свидетельствуют, что 01.03.85 наблюдалось умеренное геомагнитное возмущение (Dstmax~ -50 нТл, Кртах = 6). На фоне бури также произошла суббуря в ~5 11 иТ. Данные д/оЕ2ф, приведённые на рис. 2б, свидетельствуют, что на многих станциях в начальный период геомагнитной бури наблюдалось двухфазное ионосферное возмущение в слое Б2. Все графики содержат отчётливые положительные возмущения с амплитудой 15-30 % и длительностью 3-7 ч, начавшиеся в дневные часы по местному времени (в 5 1 иТ) в первые сутки геомагнитного возмущения. Примерно в 18 ч ЬТ на всех станциях в той или иной степени возмущение перешло в отрицательную фазу. Очевидно, что наблюдающуюся практически одновременно на АИС, расположенных на различных широтах и долготах, положительную фазу ионосферной бури никак нельзя отождествить с сейсмопредвестни-ком, хотя они произошли в «нужное» время.

30 о

30 30 В

-so

JO

о

30

so

о

39

о

-30 30

-30 30

и

JO

S

¡0 3!)

о

-зо

Manila

01.03.85

Кал

м

¡то

•^-■■уО

г^яа

Т

ЯГ.

FQiflfOf

Сйецдюек V j \

тТ 1 \ 1 X

■МЬСКЕ-ЗГ j- v

Ouagadougou —ч ., \

yj 1 н J >0 ¿5 ft го

Т

"ЧТЪл

у Xcviaikansi

а

г

Рис. 2. а, б - зависимости 8[о¥2(1); в - карта мира в проекции Меркатора с указанием места землетрясения; г - вариации геомагнитных индексов;------возможное направление движения этих неоднородностей

На рис. 2а представлены данные SfoF2(t) на цепочке станций от Manila и Vanimo, расположенных в регионе предстоящего землетрясения, через отечественные станции в азиатской и европейской части (Иркутск, Томск, Свердловск, Горький, Москва), расположенные примерно в 5 тыс. км от эпицентра землетрясения, до североафриканской станции Ouagadougou. Положительные импульсы - предвестники землетрясения появились в районе эпицентра ~ за 13 ч до начала землетрясения. Временные задержки их появления на соответствующих станциях указывают на кажущуюся скорость их перемещения ~1000 км/ч. На карте (рис. 2в) проведена пунктирная прямая, указывающая возможное направление движения этих не-однородностей.

Отметим, что представленная на рис. 2а цепочка импульсов SfoF2 продолжительностью 3-4 ч наблюдалась как в дневное, так и в вечернее местное время, в то время как положительная фаза двухфазного ионосферного возмущения обычно происходит только в дневное время (06 - 18 ч LT) и длится не менее 7 - 8 ч [12].

Далее рассмотрим ситуацию, когда 16 января 1995 г. произошло два катастрофических землетрясения (^=51,26 Ж; Х=179,17 E; to=18h14m UT; М=6,3) и (^=34,58 Ж; Л=134, E; t0=20h46m UT; М=6,9) с интервалом 2,5 ч в пунктах, удалённых друг от друга на расстояние ~1000 км на Дальнем Востоке. События проходили в условиях магнитосферного возмущения умеренной интенсивности (вариации геомагнитных индексов представлены на рис. 3б) спустя 9 и 11,5 ч после начала бури. На рис. 3 а приведены суточные вариации 8foF2 цепочки АИС: слева - для первого землетрясения, справа - для второго.

Как и в предыдущем случае, из рассмотрения были исключены положительные импульсы длительностью более 6 ч, которые случились в дневные часы в начале бури и могли бы быть отождествлены с возможными положительными фазами ионосферного возмущения гелиогеофизического происхождения. На рис. 3в на карте приведено расположение АИС, зарегистрировавших по предположению сейсмогенные положительные импульсы, показаны траектории движения этих импульсов для обоих землетрясений, построенные в соответствии с временными задержками импульсов между станциями. Эти импульсы не могут быть эффектами авроральных суббурь (см. вариации ^¿-индекса на рисунке 3б), поскольку траектории движения - зонального направления, т.е. с востока на запад. Возмущения от аврорального источника распространяются в меридиональном направлении. На рис. 3г приведена двумерная картина динамики обоих ПИВ. Первая неоднородность зародилась на широте 55°М в ~ 1 ч иТ и закончилась в ~15 ч ит на широте 45°К Её следует отнести к признакам подготовки первого землетрясения. Неоднородность, связанная со вторым землетрясением, зародилась на широте 41 и закончилась в 13 ч на широте 35 Обсуждение

Выше рассмотрены ситуации, когда наблюдаемые ПИВ в слое Б2 предположительно обусловлены подготовкой землетрясений. Приведены примеры, когда они возникали в спокойных условиях и во время ионосферной бури. Приведённые примеры не охватывают всего многообразия ионосферных вариаций. Изменения электронной концентрации от бури к буре велики, не было в природе и двух бурь, во время которых ионосферные параметры вели бы себя совершенно одинаково.

12

б

г

Рис. 3. Данные 16 января 1995 г. (^=51,26^; Х=179,17Е; ^^М™ иТ;М=6,3) и (^=34,58Ы; Я=134Д- t0=20h46m иТ;М=6,9). а - суточные вариации 5/оГ2 цепочки АИС; б - вариации геомагнитных индексов; в - карта с расположением АИС, зарегистрировавших ПИВ, штриховые линии - траектории движения ПИВ для обоих землетрясений; г - двумерная картина

динамики обоих ПИВ

В условиях бурь и суббурь в ионосфере возникают специфические региональные и планетарные образования в электронной концентрации, соизмеримые по размерам и контрастности с сейсмогенными ПИВ. Однако имеются и различия в характере временных и пространственных изменений, позволяющих отличать сейсмогенные ПИВ от неоднородностей гелиогеофи-зического генезиса:

1) во время ионосферных суббурь электронная концентрация может возрастать в результате действия зональных и меридиональных электрических полей и под действием ВГВ днём после предварительного уменьшения [13]. Траектории движения сейсмоген-ных ПИВ совпадают с дугами большого круга, тогда как возмущения, возникшие в результате генерации ВГВ в период суббури, обычно распространяются от высоких широт к низким в меридиональном направлении. Генерация ВГВ происходит с задержкой ~1 ч по отношению к АЕ-индексу. Эффекты электрических полей в возмущённых условиях происходят практически без задержки по отношению к АЕ-индексу;

2) ионосферная буря представляет собой непрерывный процесс, длящийся от нескольких часов до нескольких суток, вариации параметров носят глобальный характер. При отсутствии всплесков АЕ положительные импульсы в записях 8fоF2(t) на фоне отрицательной фазы бури могут относиться к сейсмо-генным ПИВ. Положительные возмущения электронной концентрации могут наблюдаться во время ионосферных бурь на ранних стадиях ионосферной бури в

дневные часы, а также на переходных и низких широтах.

Отметим, что для опознания динамики ПИВ требуется обработка данных по большим территориям (сотни тысяч квадратных километров).

Выводы

Рассмотренные выше ситуации показывают, что в ряде случаев вполне возможна диагностика сейсмо-генных ПИВ в возмущённых условиях, поскольку имеются существенные различия в характере временных и пространственных изменений, позволяющие отличать эти неоднородности от возмущений солнечного и магнитосферного происхождения. Однако компоновки данных, представленных на рис. 1-3, возможны далеко не для всех землетрясений. Одна из причин этого состоит в реальных свойствах сети ионосферных станций - неравномерном пространственном расположении и только на суше. Другие трудности связаны с обнаружением ПИВ на фоне других неоднородностей в ионосфере. Представляется, что краткосрочный ионосферный предвестник, рассмотренный в работе, не претендуя на самостоятельность, мог бы быть существенным блоком в общем алгоритме сейсмоионосферного прогноза.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 05-05-64193.

Литература

1. Бучаченко А.Л. и др. // Успехи физических наук. 1996.

Т. 166. № 9. С. 1023-1029.

2. Липеровский В.А., Похотелов О.А., Шалимов С.А. Ионо-

сферные предвестники землетрясений. М., 1992.

3. Пулинец С.А., Легенька А.Д., Зеленова Т.И. // Геомагне-

тизм и аэрономия. 1998. Т. 38. № 3. С. 188-193.

4. Калинин Ю.К., Сергеенко Н.П. // Докл. Академии наук.

2002. Т. 387. № 1. С. 105-107.

5. Kalinin U.K., Romanchuk A.A., Sergeenko N.P. Shubin V.N.

// Journal of atmospheric and solar terrestrial physics. 2003. Vol. 65. Is. 11-13. P. 1175-1177.

6. Сергеенко Н.П., Харитонов А.Л. // Исследования Земли

из космоса. 2005. № 6. С. 61-68.

7. Сорокин В.М., Федорович Г. Ф. Физика медленных МГД-

волн в ионосферной плазме. М., 1982.

8. Сергеенко Н.П. // Геомагнетизм и аэрономия. 1973.

Т. 13. № 3. С. 186.

9. Всехсвятская И.С. и др. // Геомагнетизм и аэрономия.

1972. Т. 12. № 4. С. 662.

10. Гайворонская Т.В., Сергеенко Н.П., Юдович Л.А. Ионо-

сферные возмущения и их влияние на радиосвязь. М., 1971. С. 55.

11. Нишида А. Геомагнитный диагноз магнитосферы. М.,

1980.

12. Зевакина Р.А. и др. Руководство по краткосрочному

прогнозированию ионосферы: Материалы МЦД Б-2. М., 1990.

13. Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.,

1988.

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространениярадиоволн РАН, г. Троицк_21 ноября 2007 г.