CC BY
31
Региональные проблемы. 2009. № 12
II. ГЕОЛОГИЯ. ПРИРОДНЫЕ РЕСУРСЫ
УДК 528.88+550.34(571.6)
СВЯЗЬ СЕЙСМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА С ГРОЗОВОЙ АКТИВНОСТЬЮ
Л.И. Морозова
Институт комплексного анализа региональных проблем ДВО РАН, г. Биробиджан
Рассмотрен процесс развития гигантского грозового облака на Дальнем Востоке России размером 500 на 700 км. Его возникновение объясняется усилением электромагнитного излучения из разломов земной коры перед землетрясением в Амурской области.
Введение
Известно, что грозовая активность сопутствует извержениям вулканов и землетрясениям.
Дистанционные измерения достаточно точно определяют основные параметры атмосферы, что позволяет получить адекватное представление о глобальных и региональных изменениях в системе атмосфера - литосфера в различных временных и пространственных масштабах. Они составляют основу для диагноза и прогноза различных динамических процессов, протекающих в геосферах Земли с различными скоростями. Выявляемые на спутниковых снимках облачные аномалии являются эко-системными индикаторами, необходимыми для диагностики и предсказания различных экологических явлений.
Линейные облачные аномалии (ЛОА) служат для оперативного выявления активизировавшихся разломов и используются для качественной оценки сейсмического потенциала территории [3]. Облачные аномалии визуализируют проекции разломов на облачные поля, делая их видимыми на снимках. Установленная связь литосфер-ных процессов с атмосферными является основой спутникового мониторинга природных катастроф, сопровождающих геодинамические процессы, и имеет особую значимость для больших закрытых территорий. Использование снимков с ЛОА в изучении лито-атмосферных связей показало, что «аномальные облачные структуры, появляющиеся над регионом, в котором происходит подготовка землетрясения, являются актуальной разновидностью предвестниковых явлений в силу природных и климатических особенностей региона Дальнего Востока России» [8].
С помощью ЛОА, как следствия проявления лито-атмосферных связей, решается обратная задача геофизики - извлечение информации из экспериментальных данных о сейсмодинамических процессах. Исследование природы ЛОА показало, что они являются геоиндикатором как самого факта наличия разлома, над которым они возникают, так и его современной тектонической и энергетической активности. По Ф.А. Летникову [2], «ЛОА возникают в надразломных системах с интенсивным энергопереносом по вектору градиентов из глубин планеты к
ее поверхности, продолжающимся и в атмосфере». Изменение литосферной компоненты электромагнитного поля при подготовке геодинамических событий, отраженное в облачных аномалиях, может использоваться в качестве краткосрочных предвестников землетрясений.
Широко проявляемые и надежно регистрируемые в атмосфере Земли ЛОА являются многокомпонентными датчиками целого комплекса процессов, составляющих геолого-геофизическое наполнение звеньев межгеосфер-ных взаимодействий.
Исходные данные и методика исследований
Анализ линейных облачных аномалий и динамики грозового облака производился по ежечасным снимкам с геостационарного спутника КМРСЛПЛУС-пйваЫг и полярно-орбитального ТЕШ1А по авторской методике. Данные о землетрясении взяты из Каталога землетрясений Камчатской сейсмологической службы. На космосхему нанесены все ЛОА над разломами, возникшие над исследуемой территорией в период 2007-2008 гг.
Результаты и их обсуждение
В процессе ежедневного мониторинга облачного покрова территории Дальнего Востока России с целью обнаружения линейных облачных аномалий (ЛОА) -индикаторов геодинамической активности земной коры -на спутниковом снимке в 11 ч 30 мин 15 июня 2008 г. было обнаружено гигантское кучево-дождевое облако размером 500 на 700 км. Облако накрыло часть р. Амур и расположенные к северу отроги Буреинского хребта (рис. 1). За предыдущий пятилетний период облака таких размеров здесь не наблюдались. Значительно меньшие по размерам - в поперечнике менее 100 км - возникают южнее, в Приморье.
Появление этого облака предшествовало землетрясению М=4.9 в Амурской области на р. Зее - северном притоке Амура 17 июня в 17 ч 26 мин. Облако развивалось над густой сетью активных разломов, входящих в систему линеамента Танлу, и, как было показано в [4], порождающих периодически (особенно часто перед землетрясениями), облачные аномалии над ними (рис. 2). Один из исходных снимков с тремя ЛОА, нанесенными на схему рис. 2, приводится на рис. 3.
Рис. 1. Грозовое облако и расположенный к северо-западу от него эпицентр землетрясения (черная точка) на снимке 15.06.2008 г. в 11ч 30мин
Ретроспективно по инфракрасным снимкам был проанализирован процесс развития облака с момента его зарождения 15 июня в 3 ч 30 мин по Гринвичу до распада в 15 ч 30 мин, т.е. с 14 ч 30 мин 15 июня до 2 ч 30 мин 16 июня местного времени. Период жизни облака составил 12 часов, тогда как обычно грозовое облако существует около часа. Оно имеет самую большую вертикальную мощность и представляет собой локализованную область резко выраженной конвективной и электрической активности и может состоять из одной или нескольких ячеек. Средний радиус основания грозовой ячейки около 2 км, в средних широтах вершина ее расположена на высотах 8-12 км. В грозовых облаках в тропических широтах она может достигать 20 км.
Необходимыми условиями для возникновения грозового облака является состояние неустойчивости атмосферы: наличие условий для развития конвекции или иного механизма, создающего восходящие потоки, запаса влаги, достаточного для образования осадков, и наличия структуры, в которой часть облачных частиц находится в жидком состоянии, а часть в ледяном.
В начальный момент существовало три одноячейковых кучево-дождевых облака; одно имело вид ярко-бело-го пятна с четкой резкой границей, а два других с размытой, обусловленной существованием наковален. В последующие два часа они стационировали, образовав шлейф перистой облачности на севере массивов (воздушный поток с юга), увеличиваясь в поперечнике и по высоте. В последующий период все облака слились в единое облако. Своего апогея процесс достиг в 11 ч 30 мин (Гринв. вр.), или в 22 ч 30 мин местного времени, хотя максимум грозовой активности наблюдался около 16 ч местного времени, в период наибольшей интенсивности испарения и восходящих потоков. Текстура грозового облака на снимке была однородна по всему массиву
Рис. 2. ПолеЛОА (черные линии) и ось линеамента Танлу (белая линия)
отдельные вершины в нем не выделялись, граница массива размыта по всему периметру что является признаком присутствия наковален.
Согласно [7], «совокупность кучево-дождевых облаков размером порядка нескольких сотен километров представляет собой облачный кластер». Скорость восходящего потока в суперячейковом облаке значительно выше, чем в других типах грозовых облаков: до 60-80 м/с. Основной особенностью, отличающей суперячейковое облако от облаков других типов, является наличие вращения. Вращающийся восходящий поток в суперячейковом облаке (в радарной терминологии называемым мезоцик-лоном) создает экстремальные по силе погодные явления, такие, как гигантский град (более 5 см в диаметре), шквальный ветер до 40 м/с и сильные разрушительные смерчи. Самолетные и радарные исследования показывают, что единичная грозовая ячейка обычно достигает высоты порядка 8-10 км и живет порядка 30 минут. Изолированная гроза обычно состоит из нескольких ячеек находящихся в различных стадиях развития, и длится порядка часа. Крупные грозы могут достигать в диаметре десятков километров, их вершина может достигать высоты свыше 18 км, и они могут длиться много часов. Когда влагосодержание и нестабильность атмосферы высоки, то при благоприятном ветре гроза может вырасти до тропопаузы - слоя, отделяющего тропосферу от стратосферы. Тропопауза характеризуется температурой, остающейся приблизительно постоянной с ростом высоты и известной как область высокой стабильности. Как только восходящий поток начинает приближаться к стратосфере, то довольно скоро воздух в вершине облака становится холоднее и тяжелее окружающего воздуха и рост вершины останавливается. Высота тропопаузы зависит от широты местности и от сезона года. Она варьируется от 10 до 15 км и выше всего вблизи экватора.
Рис. 3. Линейные облачные аномалии, образующие угол на периметре облачного массива и безоблачный каньон внутри него (подчеркнуты линиями)
Окружающие условия являются основным фактором в образовании такого облака. Необходима очень сильная конвективная неустойчивость воздуха. Температура воздуха у земли (до грозы) должна быть выше +27°С. В данном случае максимальная температура воздуха у поверхности земли за сутки повысилась с +22 до +32°С. Процесс происходил в тылу мощного циклона, центр которого располагался над Курильскими островами.
Самолет, пролетающий сквозь грозовое облако, обычно попадает в болтанку, бросающую его вверх, вниз и в стороны под действием турбулентных потоков облака. Атмосферная турбулентность создает ощущение дискомфорта для экипажа самолета и пассажиров и вызывает нежелательные нагрузки на самолет.
Энергия, которая приводит в действие грозу, заключена в скрытой теплоте, высвобождающейся, когда водяной пар конденсируется и образует облачные капли. Высвобождающаяся скрытая тепловая энергия частично преобразуется в кинетическую энергию восходящего потока. Типичной является энергия порядка 100 млн кВт-ч, что по приблизительной оценке эквивалентно ядер-ному заряду в 20 килотонн (правда эта энергия выделяется в гораздо большем объеме пространства и за гораздо большее время). Большие многоячейковые грозы могут обладать энергией ивЮив 100 раз большей.
Основная гипотеза, объясняющая формирование электрической структуры грозового облака, основана на том, что если более крупные и тяжелые облачные частицы заряжаются преимущественно отрицательно, а более легкие мелкие частицы несут положительный заряд, то пространственное разделение объемных зарядов возникает за счет того, что крупные частицы падают с большей скоростью, чем мелкие облачные компоненты. Когда величина накопившегося в облаке объемного элект-
Рис. 4. Снимок со спутника Тегга; вертикальной черной линией обозначена зона искажения изображения в правой верхней части кадра
рического заряда становится достаточно большой, между областями, заряженными противоположным знаком, происходит молниевый разряд. В облаках, имеющих зоны электризации и создающих электрические поля, молнии могут быть инициированы горами, высотными сооружениями, самолетами или ракетами, оказавшимися в зоне сильных электрических полей. Это обстоятельство создает риск для самолетов при возникновении грозового облака на уровне их эшелонов.
Однако помимо благоприятных атмосферных условий, в процессе развития данного грозового облака определенную роль могло сыграть электромагнитное излучение и радиоактивные газы из разломов. О сильном электромагнитном излучении в этом облаке свидетельствует и снимок со спутника Тегга, на восточной границе кадра которого зафиксирована горизонтальные полосы искажения изображения, обусловленные излучением, повлиявшим на условия прохождения радиосигнала со спутника (рис. 4). Такие полосы радиопомех на снимках отмечались вблизи эпицентров землетрясений и в зонах облачных аномалий над активизировавшимися разломами земной коры [5,6].
Физический механизм образования грозового облака, основанный на учете излучений, поступающих из земной коры в атмосферу, был предложен авторами [1]. Необходимым условием развития грозовых облаков они считают ионизацию атмосферы. Радиоактивные газы поступают в атмосферу из земной коры, в частности в зонах разломов.
Выводы
В связи с этой теорией и учитывая результаты данной работы в исследовании лито-атмосферных связей в аспекте прогноза сейсмичности, можно прийти к выводу, что к возникновению этого феноменального облака мо-
гут быть причастны и процессы, происходящие в недрах Земли. Появление вблизи сейсмического очага гигантского грозового облака накануне землетрясения подтверждает существование связи между процессами в атмосфере и литосфере Земли. Полученные за последние годы схемы ЛОА дают принципиально новую научную информацию о пространственно-временной природной современной геодинамической нестабильности земной коры.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Ермаков В.И., Стожков П.Н. Физика грозовых облаков. Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН. Препринт. М., 2004. 38 с.
2. Летников Ф. А. Синергетика среды обитания человека. Атлас временных вариаций природных, антропогенных и социальных процессов. М.: Янус-К». 2002. Т. 3. С. 69-78.
3. Морозова Л.И. Облачные индикаторы геодинамики земной коры//Физика земли. 1993. № 10. С. 81-83.
4. Морозова Л.И. Отражение динамики разломов системы Танлу и Курило-Камчатской островной дуги в облачных аномалиях на спутниковых снимках // Вулканология и сейсмология. 2001. № 3. С. 76-80.
5. Морозова Л.И. Новый предвестник землетрясения // Земля и Вселенная. 2007. №4. С. 94-95.
6. Морозова Л.И. Полосы помех на спутниковых снимках Земли как предвестник землетрясения // Исследование Земли из космоса. 2008. № 3. С. 1-5.
7. Нетреба С.Н. Механизм генерации и усиления инфразвука при конденсации водяного пара в атмосфере //Метеорология и гидрология. 1998. № 12. С. 45-63.
8. Романов А. А. Комплексное диагностирование предвестников землетрясений на основе гелио-геофизи-ческих данных дистанционного зондирования // Мат-лы IV междунар. конф.: Солнечно-земные связи и предвестники землетрясений. Паратунка, Камч. обл., 14-17 авг. 2007 г. Петропавловск-Камчатский: ИКИР ДВОРАН. 2007. С. 441—445.
The article is devoted to the evolution process of huge thundercloud in the Russian Far East. The scale is 500 x 700 km. Its formation is explained by intensification of electromagnetic emission from the earth s crust faults, prior to the earthquake in the Amur region.
