CC BY
8УДК 550.380
Токтосопиев А. М.
Институт сейсмологии НАН КР г. Бишкек, Кыргызстан
СОПОСТАВЛЕНИЕ ВАРИАЦИЙ ФОНОВОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ ЕСТЕСТВЕННЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ (ЕИЭМП) ЗЕМЛИ С ВАРИАЦИЯМИ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ
Анатация. Расматриваются анализ связи вариаций фоновой интенсивности ЕИЭМП с вариациями геомагнитного поля Земли.
Ключевые слова: формы сигналов ЕИЭМП; геомагнитные наблюдения; Sq -вариаций; магнитные бури (Dst); бухтообразные возмущения (суббури DPI).
ЖЕРДИН ТАБИЙГЫЙ ИМПУЛЬСТУК ЭЛЕКТРОМАГНИТТИК ТАЛААСЫНЫН (ТИЭМТ) ФОНДУК eЗГeРYШТeРYН, ГЕОМАГНИТТИК ТАЛААНЫН eЗГeРYШТeРY МЕНЕН салыштыруу
Кыскача мазмуну. Жердин табийгый импульстук электромагниттик талаасы (ТИЭМТ) менен геомагнитик талаасынын eзгeрYштeрYHYн ез ара байланыштарын анализдее каралат.
Негизги сездер: ТИЭМТ сигналдарынын формалары; геомагниттик байкоолор; Sq - eзгeрYYлeрY; магниттик бурганак (Dst); булуцокшош ДYYЛYГY (суббури DPI).
COMPARISON OF BACKGROUND INTENSITY VARIATIONS OF NATURAL PULSED ELECTROMAGNETIC FIELDS (EINS) OF THE EARTH WITH VARIATIONS OF THE GEOMAGNETIC FIELD
Abstract. Analysis of the variation of the background intensity EINS variations of the geomagnetic field of the Earth is considered in the paper.
Keywords: wavefords EIEN, geomagnetic obstrvation, Sq - variations, magnetic storms (Dst), Cove-like disturdancts (DP sub - storms).
В последние годы во многих странах мира (Япония, Греция, КНР, Россия, Узбекистан, Казахстан, Кыргызстан) уделяется большое внимание электромагнитным методам мониторинга различных оболочек Земли (литосферы, атмосферы и ионосферы). Эти методы позволяют контролировать процессы в локальных зонах литосферы и атмосферы. Полагают, что их совокупное использование позволит подойти к решению одной из основных проблем, а именно - проблеме краткосрочного прогноза времени возникновения сильнейших землетрясений. Фактически здесь существуют два методологических направления работ, в которых используются источники естественных или искусственных электромагнитных полей. Использование второго направления сопряжено с созданием специальной техники контроля и использованием трудоёмких методов долговременного зондирования. В связи с этим для территории указанных государств выбрано направление, при котором используются мониторинг и анализ характеристик естественных полей, контролирующих изменение параметров литосферы и атмосферы. Работа выполнена на основе экспериментальных методов исследований опубликованных в ряде работ [1, 2,
3].
Надо отметить, что за последнее десятилетие, например, в Японии, интерес к изучению земных токов в прогнозном аспекте заметно понизился. Причиной стали сложные геологические условия и высокий уровень индустриальных помех.
Тем временем, такие работы осуществлялись в довольно большом объёме в СССР, КНР и Греции [4, 5, 6, 7, 8]. Сообщение о первых наблюдениях в Китае относятся к 1966 году, когда появились сведения о регистрации небольших аномалий (около 2 мВ/км) перед землетрясениями с М > 3.0, примерно, за 5 часов до события. Одновременно подчёркивалось - эти результаты нуждаются в подтверждении в случае достаточно близких и сильных землетрясений. Таким событием стало Хейченское землетрясение 4 февраля 1975 г. с М = 7.3, впервые в мире успешно предсказанное по комплексу предвестников, в том числе электрическим. К.Норитоми, входивший в Японскую делегацию по изучению истории прогноза этого землетрясения, оценил значение электрических предвестников как «эпохальное» и призвал к широкому развитию исследований в этой области [9].
Рисунок 1. Примеры вариаций земных токов перед Хейченским землетрясением для станций наблюдения, расположенных в зоне образующихся разломов [9].
На рисунке 1 приведены графики изменения электрического сигнала для трёх станций в зоне нового тектонического шва, на эпицентральном расстоянии около 20 км от Хейченского землетрясения. Разность потенциалов между электродами уменьшается от положительных значений 150 - 200 мВ, характерных, в принципе для пары Рв - Си в почве до 10-50 мВ, и даже до почти нулевых отметок. Надо отметить, что для Хейченского землетрясения данные взяты с ряда информативных станций, которые располагались в зонах активных тектонических нарушений, таких как разломы Танлу, Джинчжоу, и ряда второстепенных.
Значительное оживление по данному исследованию внесли греческие учёные, начиная с 1981 г. В 1982 г. ими было запущено 18 станций по регистрации ЭТП и с помощью телеметрии организована быстрая обработка и передача данных в единый центр [5, 6]. При этом ими отмечалась сильная неоднородность и мозаичность наблюдаемых эффектов: величина и длительность регистрируемых ими аномалий меняется в широких пределах. Наряду с бухтообразными и ассиметричными возмущениями (быстрые изменения с более медленным спадом), наблюдаются и кратковременные (первые минуты) резкие смешения уровня записи с резким возвратом. Типичной амплитудой является значение 1 мВ, но есть показания и 15 мВ длительностью от минуты до 90 минут, а время опережения события - от 6 до 115 часов, при наиболее частом значении появления 7 часов (временные характеристики не зависят от магнитуды). Эпицентральные расстояния, где фиксируется аномалии, колеблются от десятков до 600 км для землетрясений с М = 5.0. Греческие исследователи рассматривают очаг готовящегося землетрясения в качестве непосредственного источника возмущений, а локальность его проявления связывают с аномалиями проводимости, местными геоэлектрическими условиями. Электрический сигнал «имитируется» из очаговой области, а механизм его генерации одинаков для всех сейсмогенных зон. Физической базой такого механизма является поляризация (деполяризация) твёрдого тела вследствие роста или спада напряжения в объёме очага.
Суммируя наблюдения исследователей, можно отметить, что перед землетрясениями неоднократно отмечались изменения электротеллурического поля. Длительность и величина их колеблется в широком диапазоне от первых минут до десятков суток и от десятых долей мВ до десятков мВ. Это может указывать на различные механизмы генерации электротеллурических предвестников и условия их регистрации. Природа этих предвестников окончательно не выяснена. Все это свидетельствует о сложности процессов формирования возмущений и недостаточной изученности их природы. Однако несомненным является то, что распределение в пространстве аномалий обусловлено деформационными процессами и неоднородностью свойств литосферы. В связи с этим накопленные данные по электромагнитным аномалиям представляют большой интерес для каждого региона. А что касается природы аномалий, то исследователи считают - они связаны с электрокинетическими явлениями.
На территории Кыргызстана длительные стационарные наблюдения естественных импульсных электромагнитных полей (ЕИЭМП) проводятся с 1978 г. Работа выполняется на основе экспериментальных методов и базируется на современных представлениях электромагнетизма. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием современных средств физических наблюдений. Детально изучены их пространственно-временные структуры и выявлены основные закономерности регулярных и нерегулярных вариаций фоновых полей ЕИЭМП. Выявлены их связи с различными гелио - геофизическими факторами [10]. В ряде работ [11, 12, 13] делается предположение о возможном влиянии на поведение ЕИЭМП вариаций магнитного поля Земли. Однако детального анализа этих связей до настоящего времени никем не проводилось. В связи с этим ниже приводится результаты сопоставлений вариаций фоновой интенсивности ЕИЭМП с вариациями геомагнитного поля и сопоставление возмущённых периодов ЕИЭМП с магнитными бурями и бухтами.
Длительные режимные наблюдения ЕИЭМП в городе Пржевальске (ныне г. Каракол) позволяют провести сопоставление вариаций ЕИЭМП с наблюдениями вариаций геомагнитного поля на обсерватории «Алма - Ата», которая входит в
мировую сеть геомагнитных обсерваторий. Сравнительная близость этой обсерватории от Пржевальска ^ < 200 км) делает такое сопоставление вполне правомерным.
Наблюдения вариаций геомагнитного поля на обс. «Алма - Ата» ведутся на двух 3-х компонентных магнитовариационных станциях системы Боброва на разверстке 20 км/час. Цены деления основной (стандартной) серии измерений составляют:
Ен = 3.00 у /мм, Ег = 3.00 у /мм, Её = 0.40 мин/мм.
Чувствительность второй системы, которая предназначена для регистрации магнитных бурь, в несколько раз ниже.
Такая чувствительность записи и скорости разверстки позволяют произвести анализ вариаций с периодами больше часа. К таким вариациям относятся спокойные солнечно - суточные вариции (Sq), магнитные бури и суббури, проявляющиеся в средних широтах в виде бухт.
Методики наблюдений и обработки ЕИЭМП позволяют анализировать периоды длительностью более одного часа. Исходя из этого, нами произведено сопоставление суточного хода ЕИЭМП с регулярными Sq-вариациями магнитного поля и возмущенных периодов ЕИЭМП с иррегулярными возмущениями - Dst - вариациями и бухтами.
Sq - вариации относятся к классу регулярных геомагнитных вариаций. Они связаны с суточным вращением Земли вокруг своей оси и контролируются местным временем. Источником Sq - вариаций являются вихревые токи в Е слое ионосферы. Центры токовых вихрей расположены на 30° северной и южной широт на полуденном меридиане.
Методика выделения Sq - вариаций по данным мировой сети магнитных обсерваторий сводится к осреднению данных среднечасовых значений компонент геомагнитного поля по 5 магнитоспокойным дням за каждый месяц. Такие дни характеризуются наименьшей суммой трёхчасовых значений Кр - индекса за месяц.
Нами были построены графики суточного хода Н-, D-, Z-компонент геомагнитного поля для каждого месяца за период с 01.1978 г. по 12. 1981 г. по 5 магнито-спокойным дням по данным обс. «Алма - Ата».
За эти дни были построены графики среднесуточного хода ЕИЭМП. В качестве примера приведены графики за 1978 -1981 гг. (рисунок 2.). В левой стороне рисунка расположены кривые изменения Н-, D-, Z - компонент магнитного поля, а в правой -суточные хода ЕИМП. Время на рисунке местное.
Как следует из графиков, суточные вариации Н-, D-, Z - компонента характеризуются большой регулярностью и практически не изменяются. С восходом солнца они претерпевают следующие изменения:
- Н - компонента имеет минимум в местные полуденные часы;
- Z - компонента имеет минимум в 13 часов местного времени;
- D - компонента в утренние часы возрастает, а в 12 часов местного времени
переходит через «0» и меняет знак на обратный.
Эти форма суточных вариаций является типичной для средних широт северного полушария. Она остается практически неизменной и в течение всего года. Изменяется только амплитуда вариаций. Летом она в несколько раз выше, чем зимой. Возрастание амплитуд Sq - вариаций от зимних к летним месяцам связано с изменением освещенности солнцем земной поверхности и увеличением в связи с этим ионизации в слое Е ионосферы. Таким образом, основной чертой Sq - вариаций магнитного поля является неизменность их формы в течение года и закономерное возрастание амплитуд от зимних к летним месяцам.
Рисунок 2. Сопоставление Sq-вариаций геомагнитного поля на обсерватории «Алма-Ата» и суточных ходов ЕИЭПМ на станции «Пржевальск» по 5 международным спокойным дням за 1980-1981 гг.
Для суточного хода ЕИЭМП не обнаружено таких строгих закономерностей. Положение утреннего минимума сдвинуто, то на более ранние, то на более поздние часы. Положение максимума ещё более неустойчиво. В летние месяцы появляется дополнительный максимум после полудня. В зимние месяцы вообще не наблюдается чётко выраженных экстремальных значений. Изменение амплитуд с сезоном также не имеет таких строгих закономерностей, как для Sq - вариации геомагнитного поля и суточные вариации ЕИЭМП имеют разную природу.
К регулярным магнитным вариациям относятся магнитные бури (Dst) и бухто-образные возмущения (суббури DPI). Магнитные возмущения могут иметь локальный характер, что и наблюдается только в ограниченном секторе долгот и широт, или же, достигая большой интенсивности, охватить одновременно всю Землю. В последнем случае их называют мировыми магнитными бурями (уDst ) Современные гипотезы о природе магнитных возмущений исходят из предположения, что причиной их является энергия, излучаемая Солнцем.
Усреднённая Dst - вариация проявляется, главным образом, в Н - составляющей и может быть разделена на три фазы: начальную, когда происходит увеличение величины поля; главную, когда наблюдается резкое уменьшение интенсивности, и фазу восстановления, когда поле медленно и постепенно возвращается к своему первоначальному и спокойному состоянию. Повышение интенсивности магнитного поля в начальной фазе бури обусловлено DCF - токами, возникающими на границе магнитосферы при взаимодействии солнечных корпускулярных потоков с магнитным полем Земли. Кольцевые DR - токи, текущие в западном направлении на расстоянии от 2 до 7 радиусов от центра Земли, оказывают противоположное действие - происходит уменьшение поля на земной поверхности. При постепенном затухании этих токов магнитное возмущение прекращается. То есть магнитная буря в нижних и средних широтах является результатом действия DCR - и DR - полей. В зависимости от соотношения этих полей длительность и интенсивность всех трёх фаз бури могут существенно различаться. Обычная длительность начальной фазы 1 - 6 часов, главной фазы 3 - 12 часов, фаза восстановления может длиться от нескольких часов до нескольких суток. Амплитуды магнитных бурь достигают сотен гамм. В зависимости от интенсивности бури делятся на слабые (малая - МБ), умеренные (УБ) и большие (ББ). Ввиду того, что интенсивность бурь возрастает от низких геомагнитных широт к высоким, шкала амплитуд для каждой из этих категорий возмущений должна быть своей для разных обсерваторий. Для обсерватории «Алма - Ата» амплитудные границы магнитных бурь в гаммах приведены ниже в таблице 1.
Таблица 1.
Интенсивность бурь
Малая(МБ) Умеренная(УБ) Большая(ББ) Очень Большая( ЭБ)
D H Z D H Z D H Z D H Z
60-80Y 70-110Y 20-40Y 90-120Y 111-160Y 41-60Y 121-150Y 161-210Y 61-90Y 151 ■■ 211Y 91 Y
Dst - вариации могут быть с внезапным Sq-вариациями и постепенным началом. В первом случае на фоне спокойного хода всех элементов внезапно происходит скачок, отмечаемый одновременно в пределах одной - двух минут на всех станциях Земного шара. Особенно резко такой скачок проявляется в величине горизонтальной составляющей, которая внезапно увеличивается на десятки гамм. Во втором случае возмущения возникают в виде постепенного увеличения амплитуды всех элементов, при этом начальный момент с той точностью, с которой он устанавливается для бурь с внезапным началом, определить не удаётся. В этом случае моменты начала бури, определяемые на разных станциях, могут отстоять друг от друга на час и более.
Бухтообразные (DPI) возмущения максимальной интенсивности проявляются в авроральной зоне в виде положительных и отрицательных отклонений от спокойного уровня. Наиболее отчётливо они проявляются на записи горизонтальной составляющей. Источником бухтообразных возмущений является полярная электроструя (полярный, электроджет), расположенная на высоте 100 - 200 км [14]. Бухты появляются в вечерние и ночные часы (с 18ti до 6fr LT). Их амплитуды в средних широтах составляют от нескольких до десятков гамм, а длительность - от десятков минут до 2 - 3 часов.
Изучение связи иррегулярных вариаций магнитного поля и возмущений ЕИЭМП проводилось на основе непосредственных сопоставлений записей геомагнитного поля и ЕИЭМП. В результате проведённого анализа обнаружено, что из 100 рассмотренных магнитных бурь только в 18% случаев удаётся найти совпадение по времени в протекании обоих явлений, но даже и в этих случаях совпадение не является всегда удовлетворительным, а именно: случаям интенсивности магнитных бурь соответствуют относительные возмущения ЕИЭМП, и наоборот. Кроме того, начало возмущений в большинстве случаев, как правило, не совпадает. Часто наблюдается полностью противоположная картина в протекании обоих явлений: случаям интенсивности магнитных бурь соответствуют относительно спокойные состояния ЕИЭМП и наоборот.
Аналогичное сопоставление проведено для бухтообразных возмущений. Для анализа отобраны бухтообразные возмущения с длительности более 1 часа и с амплитудой более 15}'. Всего таких бухт отобрано 73. Результаты проведённого анализа показывают, как и для магнитных бурь, процент случаев совпадений в протекании бухтообразных возмущений магнитного поля и возмущений ЕИЭМП не превышает 10%.
Таким образом, произведённый анализ позволяет делать вывод о том, что низкая корреляция между иррегулярными возмущениями магнитного поля (магнитные бури, бухты) и возмущения ЕИЭМП, как и в случае регулярных Sq - вариаций, свидетельствует об отсутствии прямой связи между этими явлениями.
Литература
1. Воробьев А. А. К вопросу об иницировании землетрясений подземными грозовымии явлениями. Кн. Электрическая аппаратура и электрическая изоляция. -М.: Энергия, 1970. - С. 494.
2. Программа работ по поиску предвестников землетрясений. - ИФЗ АН СССР, - 1971. - 40 с.
3. Rikitake T. e.a Geomagnetic and geoelectric studies of the Matsushiro earthquake swarm. (1). Bull. Earthq. Res. Inst. Univ. - Tokyo, 44, - 1966 - p.399 - 402.
4. Гохберг М. Б., Гуфельд И.Л., Добровольский И.П. Источники электромагнитных предвестников землетрясений. - ДАН. СССР, - 1980, Т. 250, - № 2, - с. 323 - 326.
5. Varotsos P., Alexopolos K., Nomicjs K. Electrolluric precursors to earthquakes. Prak.Acad.Azhenon, - 1982, - 57, - p.311 - 363.
6. Varotsos P., Alexopolos K. Physical properties of the variations of the electric field of the earth preceding earthquakes. - Tectonophysycs, - 1984, - V, 110, - p. 73 - 125.
7. Основы прогноза землетрясений. Отв. Ред. М.А. Садовский. Прогноз землетрясения. - Душанбе: Дониш, - 1983 - 84, - №3. - 220с.
8. Lin, Mei, Li Ka ifu Electromagnetic wave anomalies of impending earthquakes. J. Seismol. Res. - 1985. - v. 8, - t5, - pp. 568 - 573.
9. Noritomi K. Geoelecttic and geomagnetic observations and phenomena associated with carthquake in China. Proc. On the Chinese earthquake prediction by the 1977 delegation of the Seismol.Soc. of Japan.Seismol.Soc.Jap. - Tokyo, - 1978, - p. 57 - 58.
10. А.Токтосопиев, Электромагнитные предвестники землетрясений. Учебное пособие. - Каракол: 2007. - 312 с.
11. Anderson D.I., Whitcomb J.H. The dialatancydiffusion model earthquake prediction. - In: Proc. Conf. Of tectonic problems of the San Andreas Fault System: Stanf.Univ.Publ., -1973, - vol 13, - p.417.
12. Мигунов Н. И., Соболев Г. А., Хромов А. А., Естественное электромагнитное излучение в сейсмоактивных районах. - Изв. АН СССР, Физика земли, -1984, №7, с.55 -63.
13. Хусамиддинов С.С., Абдуллабеков К.Н. Результаты изучения вариации параметров ЕИЭМП во времени. - В кн.: Электрические и магнитные предвестники землетрясений. - Ташкент: ФАН УзССР, - 1983, -с. 56 - 62.
14. Филиппов С.Г. Интерполяция данных между основными сроками наблюдений.// Программа для ЭВМ, ОФАН, ВНИГМИ-МПД. Обнинск, 1980.
Рецензент: д.ф-м.н. В.Н.Погребной
