CC BY
9Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 2 (2012 5) 220-228 УДК 551.507:550.34
Тропосферные эффекты землетрясений в Туве, наблюдаемые с искусственных спутников земли
В.Б. Кашкин*, А.А. Романов, А.С. Григорьев, А.А. Баскова
Сибирский федеральный университет Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79 1
Received 4.04.2012, received in revised form 11.04.2012, accepted 18.04.2012
В работе приведены результаты анализа параметров вертикальных профилей атмосферы по спутниковым данным над территорией, где произошли крупные сейсмически-активные события. Подробно представлены основные параметры анализируемых данных, кратко описаны основные характеристики землетрясений. Впервые выявлены тропосферные эффекты, проявляющиеся в преддверии крупных землетрясений, которые могут быть использованы для кратковременных прогнозов сейсмических событий.
Ключевые слова: тропосферные эффекты, профили атмосферы, спутниковые данные, прогноз землетрясений.
Введение
Атмосфера является чувствительным индикатором различных возмущений на поверхности и в недрах Земли, например, таких как сильные подземные и наземные взрывы, извержения вулканов, землетрясения, сейши, волны цунами и др. Атмосферные отклики землетрясений представляют самостоятельный интерес, но ещё более интересны они с точ -ки зрения поиска предвестников для прогноза места, времени и силы крупных землетрясений.
В настоящей работе проанализированы спутниковые данные о состоянии вертикальных профилей атмосферы над точками Земли, где были зафиксированы серьезные сейсмические события (Тува, 2011 и 2012 гг.). Представленные результаты служат продолжением серии ретропрогнозов; до этого были исследованы материалы по Алтайскому и Чилийскому землетрясениям, произошедшим в 2003 и 2010 гг. соответственно [1, 2]. Общей целью проводимых исследований выступает выявление эффективности использования данных спутниковых систем космического базирования для совершенствования прогнозных моделей сейсмической активности.
* Corresponding author E-mail address: [email protected]
1 © Siberian Federal University. All rights reserved
Влияние сейсмических событий на атмосферу
Считается, что наиболее вероятным механизмом распространения возмущения от сейсмических источников в верхнюю атмосферу являются инфразвуковые колебания в атмосфере -акустико-гравитационные волны (АГВ) [3-5]. При этом для инфразвука характерно малое поглощение в различных средах, вследствие чего инфразвуковые волны в воздухе, воде и в земной коре могут распространяться на далекие расстояния. Например, поглощение энергии инфразву-ковых колебаний с частотой 0,1 Гц в нижних слоях атмосферы составляет всего 240-9 дБ/км [6].
В сейсмически активных регионах с ярко выраженным блоковым строением земной коры при подготовке и при возникновении землетрясения возбуждаются интенсивные сейсмогра-витационные колебания, имеющие период 1-3 ч и более. Воздействуя на атмосферу подобно поршню большой площади, эти колебания способны генерировать инфразвуковые колебания [3, 4]. Рисунок 1 иллюстрирует поршневой эффект колеблющихся литосферных плит, который может вызывать повышение давления в атмосфере над очагом землетрясения. При прохождении АГВ через границу раздела слоев атмосферы возникает интересное явление - генерируются внутренние гравитационные волны (ВГВ). Аналогичные волны встречаются в стратифицированных водах океано в, морей и крупных озер [7, 8].
Объяснить про исхождение ВГВ в атмосфере проще всего по аналогии с волнами в океане, в котором на границе вода-воздух существуют обычные поверхностные волны, возбуждаемые ветром.
Океан стратифицирован - в нем температура воды и её соленость изменяются по глубине. Пусть поверхностная волна в океане над границей раздела вод совершает колебательные движения (рис. 2). Вода слабо сжимаема в силу сохранения гидростатического равновесия там, где гребень поверхностной волны, под границей0 .аздела давление уменьшается; там, где её подошва, давление уволичивается, т.ы. возникыет колебательное движение частиц воды. Это косгбательное движоние как раз и представляет тобой внутреннююг.авитационную волн,.
Грннннз роднила
Рис. 1. Поршневой эффект колеблющихся литосферных плит, способный вызывать повышение давления в атмосфере над очагом землетрясения
Рис. 2. Возбуждение внутренней гравитационной волны в океане
Таким образом, поверхностная волна и ВГВ движутся в противофазе. Наличие выбросов, направленных по ве ртикали в противоположные стороны, является характерным призааком того, что стратифицированная среда подверглась воздействию некоторой силы.
Как и океан, атмосфера Земли стратифицирована. Тропосфера имеет слоистую структуру с характерными границами раздела. В тропосфере температура в целом уменьшается с высотой! приблизительно до 20 юл, далее в стратосфере температура, наоборот, ужстеа с высотой. Между тропосферой и стратосферой находится заметная граница - слой с минимальной температурой (тропопауза). В атмосфере под воздействием акустических гравитационных волн вблизи границ раздела слое могут возбуждаться волны, которые по-прежнему называют внутренними гравитациониыми, хотя они внешние пе отношению к движущимся от поверхности Земли акустическим волнам (рис. 1).
Генерация ВГВ в период землетрясения в Чили 27 февраля 2010 г. магнитудой М=8,8 с регистрацией характерных противофазных изменений температуры на изобарических уровнях ниже и выше греницы раздела впкрвые описана нами в [1]. Фактически изменяется давление, но регистрируется температура, которая привязана к изоНаричоским у ровням.
Однако влияние сейсмической активности на АГВ не сводится только к поршневому эффекту колеблющихся литосферных плит. Другой возможный механизм связан с выделением литосферных газев (СН4, С02, N0, М02) непосредственно перед землетрясеноями в ностах рез-ломов земной коры. Поток этих газот отличнется нестабильностью и может генерировеиь АГВ, имня характерное время пульсаций 1-3 ч. Потои газов увеличивается ва в,емя поигнтовки землетрясений [3].
Кроме этого, в зонах повышенной сейсмической активности возникают тепловые аномалии, также связанные с интенсивным выделением литосферных газов из разлома,. За не-сиолько су ток до земаетрясений набаюдаетоя совпадение активизации тепловых аномалий и сейсмической активности блоков земной коры, сопредельных с этими разломами. Нестационарные потоки уходящего от Земли инфракрасного излучения могут вызвать АГВ. Такие потоки всзникаюа, как правило, в месте пересечения разлпмоо, имеют время жпзни 2-10 днайи площадь 104 м2 [3]. Инфразвуковые колебания влияют на скорость перемещения флюидов, теллурические электрические поля и на локальные сейсмические колебания, поэтому в процессе подготовки крупных землетрясений происходит взаимообмен колебательной энергией между литосферой и атмосферой. При этом необходимо отметить, что тепловые аномалии на поверх- 222 -
ности суши могут быть вызваны также и другими явлениями, например массовыми лесными пожарами.
Описание данных
Современные технологии наблюдения Земли из космоса не только дают возможность исследовать поверхность самой планеты, но и обеспечивают важной информацией о её атмосфере. В настоящей работе основным источником данных для восстановления вертикальных профилей тропосферы, а также и нижней стратосферы является сенсор ATOVS спутника NOAA (NASA, США); он позволят собирать информацию в полосе обзора 2250 км с пространственным разрешением 20-50 км. Прием информации в СФУ осуществлялся станцией АЛИСА™. Дешифрирование телеметрической информации проводили посредством применения программного пакета AAPP (ATOVS and AVHRR Pre-processing Package) [9]. Кроме этого, использовали сведения о вертикальных профилях тропосферы по данным не только NOAA/ATOVS, но и других космических аппаратов на сетке 1°х1° по широте и долготе [10].
Результатом обработки телеметрической информации пакетом AAPP являются таблицы значений температуры, точки росы и геопотенциала. Принцип работы сенсора ATOVS таков, что производится привязка данных не к уровням высоты, а к изобарическим уровням. В таблице 1 приведен фрагмент данных о температуре воздуха, полученный 5.06.2010 в 04:16
Таблица 1. Значение температуры воздуха на некоторых изобарических уровнях (фрагмент)
х У z_2 z_3 z_4 z_5 z_500 z_570 z_620 0 7 40 _ z z_700 z_780
46.7 117.4 263 255 249 244 248 255 259 264 266 273
47.4 119.9 263 254 248 244 249 256 261 265 268 274
47.9 121.9 264 255 248 243 250 257 261 266 268 274
48.3 123.5 263 255 248 244 251 258 262 266 269 275
48.7 124.9 264 255 248 243 252 259 263 267 269 274
48.9 126.2 264 255 248 243 252 258 262 266 269 275
49.2 127.4 264 255 248 243 252 258 262 266 268 273
49.4 128.5 264 255 248 242 253 259 262 266 268 273
49.6 129.6 264 255 248 243 253 259 262 266 269 273
49.8 130.7 264 254 248 242 253 259 262 267 269 273
50 131.8 263 254 248 243 253 259 262 267 269 273
50.2 132.9 264 254 248 242 253 259 263 267 269 274
50.3 134.1 264 254 248 242 253 259 263 266 268 274
50.5 135.4 264 255 248 243 252 258 262 266 268 273
50.7 136.8 264 255 248 243 252 259 263 267 269 274
50.8 138.4 264 255 249 243 252 259 263 266 269 273
51 140.4 265 255 248 243 250 256 260 264 266 271
51.2 142.8 264 255 248 243 250 256 259 263 265 270
47.7 116.6 262 254 248 243 246 254 259 265 268 277
48.4 119.2 263 255 248 244 248 256 260 265 268 274
Таблица 2. Профили тропосферы в точке с координатами 52° с.ш. и 96° в.д.
2011 г. 22 декабря 0:00 UTC
Давление, гПа Геопотенциальная высота, гпм Температура, °С Точка росы, °С Направление ветра Скорость ветра, м/с
845 1601 -18.5 -18.8 225.6 2
800 2017 -16.4 -18.1 258.9 3.8
750 2501 -17.9 -19 296.6 8.4
700 3014 -20.4 -20.5 303.9 16.1
650 3559 -23.7 -23.8 305.1 19.4
600 4138 -27.5 -27.7 301 21.3
550 4759 -31.5 -32.3 300.8 22.1
500 5426 -37.3 -37.9 299.7 23.7
450 6142 -44.1 -44.2 303 25.6
400 6921 -50.7 -50.7 308.3 26.8
350 7778 -57.3 -57.3 311.1 26.8
300 8735 -64.3 -64.3 310.5 25.1
250 9838 -67.7 -67.9 307.6 25.1
200 11186 -66.4 -66.8 309 27.3
150 12925 -67.2 -69.3 306.6 24.8
100 15340 -72 -83.4 299.2 27.7
50 19390 -74.4 -273.1 288.6 40.4
20 24713 -72 -273.1 276 52
иТС со спутника NOAA-19. Здесь в первой и второй колонках показаны координаты: х - сев. широта в градусах, у - вост. долгота в градусах; далее приведены значения температуры в К; через z обозначены изобарические уровни - от 2 гПА до 1050 гПа, всего 41 изобарический уровень.
Пример данных о вертикальных профилях тропосферы согласно [10] в точке с координатами 52° с.ш. и 96° в.д. за 22.12.2011 в 0 час иТС приведен в табл. 2. В первой колонке указано давление в гПа, во второй - геопотенциальная высота в геопотенциальных метрах (гпм), в третьей - температура в °С, в четвертой - точка росы в °С, в пятой - направление геострофическо-го ветра в градусах и в последней - скорость геострофического ветра в м/с.
землетрясения в Туве
27 декабря 2011 г. в Восточной Сибири, в Республике Тува (Алтае-Саянская сейсмическая область), произошло землетрясение магнитудой М=6,6 [11]. Отзвуки его были заметны во многих сибирских городах. Очаг Тувинского землетрясения находился на склоне хребта им. Академика В.А. Обручева (рис. 3). В таблице 3 представлены сведения об основном толчке и афтершоках в декабре - начале января 2012 г. В первой строке таблицы приведены данные о форшоке магнитудой М=3,1, который произошел за 2 дня до основного сейсмического события. Афтершоки продолжались и далее. Особенностью землетрясения является сравнительно небольшая глубина сейсмического очага - около 10 км.
КЕАСНОЯР< — ^ :к i X r
М БАКАН ‘б^яногорск У ШУШЕНСКОЕ Г С кьгёыл САРЫГ-С ’ ^ g - ? ЕП .★ КУНГУРТУГ < t. • . va > •
90° 95°
Рис. 3. Расположение очага землетрясения 27.12.2011 в Туве (звездочка)
Таблица 3. Характеристики землетрясения в Республике Тув а
Дата, время UTC Северная широта, градусы Восточная долгота, градусы Магнитуда
2011/12/25, 04:33:30 51.61 91.97 3.1
2011/12/27,, 15:21:56 51.83 95.92 6.6
2011/12/27, 20:19:12 51.81 96.06 4.7
2011/12/28, 30:4(3:33 52.01 95.68 4.7
2011/12/28, 13:5*4:34 51.77 96.37 4.6
2011/12/28, 15:25:42 51.70 96.00 4.6
2012/01/01, 05:23:58 51.98 96.11 3.2
2012/01/01, 11:07:20 51.99 96.15 4.2
2012/01/01, 15:25:29 51.84 95.94 3.3
2012/01/02, 02:30:54 51.80 95.95 3.8
2012/01/02, 22:29:26 51.85 95.95 3.4
2012/01/02, 22:57:09 56.43 118.21 3.3
2012/01/03, 09:00:08 51.74 95.99 3.3
2012/01/04, 13:08:11 51.68 95.92 4.6
Следующее сильное землетрясение в том же районе произошло 26 февраля 2012 г. в 06:17 иТС, магнитуда составила М=6,5. В этот день зарегистрированы 16 афтершоков, сильнейший с М=3,5 зафиксирован в 06:43.
Как и Чилийское землетрясение в феврале 2010 г., землетрясения в Туве вызвали генерацию АГВ и ВГВ в атмосфере. На рисунке 4 изображен график изменения температуры атмосферы на изобарических уровнях 400 и 200 гПа с 1 декабря 2011 г. по 8 апреля 2012 г. Перед основным толчком первого землетрясения, с 22 по 27 декабря, на уровне 400 гПа температура повысилась, а на уровне 200 гПа - понизилась. Сразу после главного толчка температура на уровне 200 гПа возросла, а на уровне 400 гПа несколько понизилась. Перед вторым землетря-
Рис. 4. График изменения температуры атмосферы на изобарических уровнях 200 и 400 гПа в эпицентральной области землетряеения в Туве
сением 16-22 февраля наблюдалась аналогичная картина. В период между землетрясениями колебания температуры продолжались. По сравнению с мощным землетрясением в Чили, величина энерговыделения землетрясений в Туве меньше на два порядка, по-видимому, этим можно объяснить менее ярко выраженные атмосферные эффекты.
В событиях конца 2011 - начала 2012 г. можно выделить несколько этапов. Первый - это относительное затишье, с 1 по 22 декабря. В этот период коэффициент корреляции между рядами температуры на изобарических уровнях 200 и 400 гПа составил Я = - 0,176, здесь трудно говорить о зависимости между температурными рядами. Начиная с 23 декабря, по-видимому, возникают сейсмические явления, вызывающие атмосферные отклики - возбуждение в про-тивофазе акустических и внутренних гравитационных волн в тропосфере. Коэффициент корреляции между температурными рядами с 23 декабря по 8 апреля отрицательный и составил Я = -0,695. С 3 по 29 января графики на рис. 4 почти зеркально отображают друг друга, Я = -0,92. Таким образом, январь - период наиболее интенсивного генерирования АГВ и ВГВ во время последних землетрясений в Туве.
На рисунке 4 показано, как изменялось давление в эпицентральной области 31 декабря вблизи тропопаузы. Здесь в зоне акустической гравитационной волны произошло увеличение давления на ~100 гПа относительно среднего значения в 240 гПа на температурном уровне минус 50,5 °С, АГВ возбудила внутреннюю гравитационную волну, в зоне ВГВ давление уменьшилось на ~100 гПа.
Данные, получаемые с искусственных спутников Земли, не только позволяют исследовать поведение атмосферы в точке, но и строить карты распределения метеорологических параметров. На рисунке 6 представлена карта распределения температуры на изобарическом уровне 300 гПа за 22 декабря 2011 г. Непосредственно перед землетрясением в эпицентральной области наблюдалась аномалия в виде «прогиба» поля температур. Черной точкой на рис. 6 обозначены координаты эпицентра землетрясения 27 декабря. Подобная аномалия может служить предвестником сейсмического события. Таким образом, допустимо полагать, что анализ спутниковых температурных карт может стать одним из методов обнаружения предвестников сильных землетрясений.
Рис. 5. Изменение давления в эпицентральной области вблизи тропопаузы
Рис. 6. Температурная аномолия на изобарическом уровне 300 гПа 22 декабря 2011 г. при землетрясении в Туве
Заключение
Представленные в работе результаты демонстрируют отдельные, но весьма характерные тропосферные эффекты, связанные с сейсмической активностью, которые могут быть использованы для кратковременных прогнозов крупных землетрясений совместно с другими предвестниками сейсмической опасности.
Работа поддержана в рамках тематического плана СФУ, выполняем ого по аналитической ведомственной целевой программе Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы» (мероприятие 1).
Список литературы
[1] Кашкин В.Б., Симонов К.С., Григорьев А.С. // Инженерная экология. 2011. № 2. С. 38-54.
[2] Кашкин В.Б., Романов А.А. // Исследование Земли из космоса. 2011. № 4. С. 63-66.
[3] Гохберг М.Б., Шалимов С.Л. // Электронный журнал «Российский журнал наук о Земле». 2000. Т. 2. № 2.
[4] Афраймович, Э.Л., Перевалова, Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. Иркутск: ГУ НЦ ЗВХ ВСНЦ СО РАМН, 2006. 480 с.
[5] Булатов В.В., Владимиров Ю.В. Внутренние гравитационные волны в неоднородных средах. М.: Наука, 2005. 195 с.
[6] Сокол Г.И., Харченко М.Е. // Збірник наукових праць, Севастопольский национальный университет ядерной энергии и промышленности. Симферополь: Крымучпедгиз, 2008. С. 8695.
[7] Булатов В.В., Владимиров Ю.В. Внутренние гравитационные волны в неоднородных средах. М.: Наука, 2005. 195 с.
[8] БулатовВ.В. Автореф. ... дис. д-ра физ.-мат. наук. М., 2009.
[9] International ATOVS Processing Package. Электронный ресурс: http://cimss.ssec.wisc.edu/ opsats/polar/iapp/
[10] Электронный ресурс: http://www.arl.noaa.gov/ready/cmet.html
[11] Электронный ресурс: http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/recenteqsww/Quakes/
usc0007dax.php
Troposphere Effects of Tuva Earthquakes Detected with Spase Technology
Valentin B. Kashkin, Aleksey A. Romanov, Aleksey S. Grigoriev and Anastasiya A. Baskova
Siberian Federal University 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
In the paper the analysis of space-burn vertical pressure-temperature troposphere profiles above zones of seismic activity is presented. The description of the used data is given. New atmospheric effects appearing before earthquakes are fined out. The effects may be usedfor short-time earthquake prognosis.
Keywords: troposphere effects, atmosphere profiles, satellite data, earthquake prognosis.
