CC BY
129
ВОЗМОЖНОСТИ МАГНИТНО-ИОНОСФЕРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ В ЗАДАЧАХ ПРОГНОЗА И ДИАГНОСТИКИ ПРИРОДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ СОБЫТИЙ
Анастасия Юрьевна Белинская
Геофизическая обсерватория "Ключи" АСФ ГС СО РАН, 630090, Новосибирск, пр. ак. Коптюга, 3, научный сотрудник лаборатории солнечно-земной физики, тел. (383)-330-24-86, e-mail: [email protected]
Сергей Юрьевич Хомутов
Геофизическая обсерватория "Ключи" АСФ ГС СО РАН, 630090, Новосибирск, пр. ак. Коптюга, 3, старший научный сотрудник лаборатории солнечно-земной физики, тел. (383)-330-24-86, e-mail: [email protected]
В статье приведен обзор отклика ионосферы и магнитосферы на природные и техногенные экстремальные события. Предложен вариант применения магнитноионосферных наблюдений в задачах прогноза и диагностики природных и техногенных экстремальных событий.
Ключевые слова: ионосфера, магнитосфера, природные и техногенные экстремальные события.
THE POSSIBLE OF MAGNETIC-IONOSPHERIC OBSERVATIONS IN PROBLEMS OF PREDICTION AND DIAGNOSIS OF NATURE AND ANTHROPOGENIC EXTREMAL EVENTS
Anastasiya Yu. Belinskaya
Geophysical Observatory "Klyuchi" ASB GS SB RAS, 630090, Novosibirsk, pr.ac. Koptyuga, 3, Researcher at the lab "Solar-Terrestrial Physics", tel. (383) -330-24-86, e-mail: [email protected]
Sergey Y. Khomutov
Geophysical Observatory "Klyuchi" ASB GS SB RAS, 630090, Novosibirsk, pr.ac. Koptyuga, 3, Senior Research at the lab "Solar-Terrestrial Physics", tel. (383) -330-24-86, e-mail: [email protected]
In this paper an overview of the ionosphere and magnetosphere response to natural and anthropogenic extremes is shown. The authors proposed a version of the organization of magneto-ionospheric observations in problems of prediction and diagnosis of natural and anthropogenic extremes.
Key word: ionosphere, magnetosphere, natural and anthropogenic extreme event.
В настоящее время наблюдается увеличение негативных последствий от воздействия на социальные и технические структуры общества различных природных и техногенных экстремальных событий. Из-за роста населения Земли и перераспределения его плотности (города, мегаполисы), растущей технической и информационной оснащенности (бытовая техника, транспорт, энергосистемы, Интернет и т.п.), переноса деятельности в ранее
малоиспользуемые геосферы (околоземное пространство, верхние слои атмосферы, малодоступные районы суши и др.) возрастает ущерб как от давно известных природных катаклизмов - землетрясений, цунами, ураганов, так и от "новых" экстремальных явлений - магнитных бурь, ионосферных возмущений, солнечных вспышек и т.п.
Ионосфера является источником помех для наземной КВ-связи, связи с космическими аппаратами, GPS-навигации, загоризонтной локации, спутниковой альтиметрии и др. Особенно актуально это становится в полярных областях во время возмущений. Так, 15-19 января 2005 г. после пяти сильных солнечных рентгеновских вспышек произошла полная блокировка связи, и были отменены все полеты по трассе Чикаго-Гонконг через полярные районы [1]. Известны случаи задержки посадки самолетов из-за подобных причин [2].
Возмущения ионосферных и магнитосферных токовых систем во время солнечных вспышек приводят к сильным вариациям магнитного поля на поверхности Земли - магнитным бурям. Эти вариации создают наведенные токи с наибольшим эффектом в хорошо проводящих протяженных объектах, например, в линиях электропередач, трубопроводах, кабелях связи [3; 4]. Наиболее показательный пример такого рода явлений - отказ энергосистемы провинции Квебек (Канада) из-за перегрузки трансформаторных подстанций во время магнитной бури в марте 1989 г., что привело к обесточиванию обширного региона. Оценки возникающей разности потенциала дают до 10 В на 1-2 км и при протяженных линиях - до тысяч Вольт. В длинных трубопроводах при магнитных бурях возникают условия, способствующие повышенной коррозии. Увеличение сбоев в системах управления стрелками и контроля ВосточноСибирской железной дороги во время магнитных бурь отмечено в работе [5].
Большой эффект оказывают также космические (фоновые) и солнечные (при вспышках) космические лучи (релятивистские частицы высоких энергий) - как повышение радиации на высотах орбит КА и полетов самолетов, что может приводить к сбоям в бортовых системах управления, в особенности при использовании слабо защищенной электроники, и облучению людей [6]. Ещё одна сторона вопроса - прямое воздействие гелиогеофизических факторов на организм человека. Ситуация здесь далека от решения, однако доказательства такого воздействия имеются (см., например, обзор в [7]). Графически рассмотренные выше эффекты представлены на рис.1 (левая панель).
Другой аспект проблемы - это проявление в магнитном поле или в ионосфере катастрофических природных событий или процессов на стадии их подготовки. Наиболее актуальными здесь являются результаты, относящиеся к сейсмической активности, которая сопровождается рядом эффектов на поверхности, включая электромагнитные излучения на разных частотах, вариации магнитного и электрического полей, акустические колебания, эмиссия радона [8-10] и в верхних оболочках Земли (см. рис.1, правая панель). Кроме того, в ионосфере и магнитном поле могут находить отражение и техногенные события, например, мощные взрывы, запуски космических аппаратов, специальные эксперименты, например, HAARP.
Earth Currents
Telecommunication Cable Disruption
Рис. 1. Влияние возмущений в системе "околоземное пространство-ионосфера-магнитосфера" на технологические системы (слева, взято из L.J. Lanzerotti, Space weather effects on technologies, in Space Weather, P. Song, H.J. Singer, and G.L. Siscoe, eds., Geophysical Monograph 125, 11-22) и разные модели УНЧ-аномалий, связанных с большими землетрясениями (справа, взято из K. Yumoto et al. A new ULF wave analysis for Seismo-Electromagnetics using CPMN/MAGDAS data // Physics and Chemistry of the Earth, 2009, 34, 360-366)
Мониторинг ионосферы
В настоящее время распространены следующие экспериментальные методы изучения сейсмо-ионосферных эффектов:
1. Наземные измерения с помощью ионозондов (вертикальное и наклонное зондирование) [11-14];
2. Измерение характеристик радиосигналов низкочастотных диапазонов, распространяющихся над сейсмоактивной областью [15; 16];
3. Измерение полного электронного содержания, чаще всего с помощью GPS-технологий [17; 18];
4. Измерение электромагнитной эмиссии в различных частотных диапазонах с помощью датчиков, установленных на ИСЗ [19].
Основные методики базируются на следующих принципах: анализ отклонений величин критической частоты слоя F от медианных значений, выявление появления аномальных спорадических слоев и отслеживание резких перепадов высот ионосферных слоев.
На Геофизической обсерватории "Ключи" (Новосибирск) для исследования возможного эффекта сейсмоактивности в ионосфере нами был выбран период с 2000 по 2009 гг. Рассматривались 74 землетрясения (ЗТ) с магнитудой M>3.5 и удаленностью эпицентра от обсерватории не более 1000 км [20]. Самое близкое ЗТ было на расстоянии 183 км (15.09.2003 с магнитудой 4), самое сильное (27.09.2003 на расстоянии 641 км и магнитудой 7.3). Большая часть ЗТ имела магнитуду ближе к 4.6.
Для анализа использовались различные методики.
Так по методике [13] было получено, что за 2 дня до землетрясения наблюдается более низкий и "толстый" слой, а за сутки высокий и тонкий
(рис.2а). Это не совпадает с тем, что было получено группой Е.В.Липеровской [13]. Но хорошо согласуется с результатами С.А.Пуленца [12] и китайских исследователей [14].
Рис. 2. а) Метод наложенных эпох для всех случаев землетрясений, F -критическая частота и Н -высота слоя F2. б) Отклонения ежечасных значений критических частот слоев F2 и Es от скользящих медианных значений за 4 сут.
до землетрясения и 2 сут. после
Для всех отобранных ЗТ вычислялись отклонения ежечасных значений критических частот слоев F2 и Es от скользящих медианных значений за 4 сут. до землетрясения и 2 сут. после. Оценивались время и величина этих отклонений относительно момента землетрясения (рис.2б). К сожалению, четких вариаций, о которых шла речь в работах С.А.Пуленца [12] связанных с местным временем, мы не наблюдаем, хотя для основного толчка видны некие похожие вариации.
Для всех ЗТ были подсчитано количество положительных, отрицательных и нулевых отклонений ежечасных значений критических частот слоев F2 и Es от скользящих медианных значений. Выделили ночное время 03 ЦГ и дневное 13 ЦГ. Для дневных наблюдений за 4 сут. до ЗТ появляются в 2 раза чаще положительные отклонения, а за 1 сут. в 2 раза чаще - отриц. отклонения для спорадического слоя.
Учитывая все сказанное выше, можно отметить, что ионосферные предвестники землетрясения вряд ли позволят определить положение будущего эпицентра землетрясения, но они могут помочь ответить на вопрос "когда произойдет землетрясение?" и поэтому должны войти в комплексную программу прогноза землетрясений. Ионосферные предвестники землетрясений проявляются в виде специфических вариаций параметров ионосферы, которые можно регистрировать наземными методами наблюдений. Мониторинг ионосферы в период японского ЗТ 2011 года показал, что за несколько дней до толчка наблюдалось увеличение ПЭС в области эпицентра. Цунами, развившееся после основного толчка, так же отслеживалось в ионосферных данных [21].
Примером техногенного воздействия на ионосферу могут быть эффекты во время запусков космических аппаратов. Механизм воздействия работающих двигателей ракет-носителей (РН) на околоземное пространство (ОКП) условно делят на три группы:
1. Засорение ОКП, например, облака мелкодисперсных обломков и конденсата;
2. Химическая модификация атмосферы продуктами сгорания топлива ракет. При этом наблюдают значительное падение электронной концентрации N в F-области (когда ракета входит на высоты 200-400 км). Называют это явление "ионосферная дыра", и оно имеет размеры в десятки и сотни километров и время жизни от десятков минут до нескольких часов.;
3. Волновая модификация окружающей среды: генерация факелом ракеты волн в нейтральном газе; возбуждение неустойчивостей и волн в плазме; генерация ударно-акустической волны (УАВ).
часы, LT
Рис. 3. Наблюдения во время запуска блока КА «Глонасс-М» (ракета-носитель: Протон-К с РБ) с космодрома Байконур 26 октября 2007 г. Сплошные линии -критические частоты ионосферных слоев, точки - частоты появления ионосферного возмущения, пунктирная линия - момент старта ракеты-носителя
Воздействие первого фактора на ионосферу традиционными радиофизическими методами не обнаруживается. Однако при запусках космических аппаратов они позволяют регистрировать и изучать крупномасштабные эффекты, такие, например, как "ионосферная дыра", а также в ряде случаев уверенно детектировать перемещающиеся ионосферные возмущения, генерируемые УАВ (рис.3).
В целом, экспериментальные данные показывают, что после запуска РН в течение примерно одного часа происходит частичная перестройка структуры ионосферы, которая проявляется в возникновении волновых возмущений ионосферы различного масштаба [22].
Высокая эффективность выделения влияния природных и техногенных экстремальных событий на ионосферу может быть достигнута при относительно редкой сети наземных ионосферных станций, дополненной более плотной сетью пунктов GPS-наблюдений. Для Алтае-Саянского региона актуальными могут быть скоординированные магнитно-ионосферные наблюдения на станциях Томск (ТГУ), Новосибирск (АСФ ГС СО РАН) и
Горно-Алтайск (ГАГУ), которая в настоящее время отсутствует, но она нужна для решения данной проблемы. Кроме того, в работу могут быть вовлечены ионосферные станции в Алма-Ате (Институт ионосферы, Казахстан) и в Урумчи (Институт распространения радиоволн, Китай).
Для Новосибирска необходима модернизация аппаратуры (установка ионозонда нового поколения), поскольку наблюдения по программе сейсмо-ионосферных эффектов требует более интенсивного режима зондирования, чем возможен на имеющемся ионозонде. Организация ионосферной станции на Горном Алтае потребует приобретение ионозонда и монтаж антенны, а также обучение персонала. Для реализации проекта необходимо разработать программное обеспечение методик для выявления ионосферных предвестников землетрясений.
Мониторинг магнитного поля
В последние десятилетия появилось множество экспериментальных и теоретических работ, в которых показывается, что на стадии подготовки землетрясения (от нескольких часов до месяца), а также при его реализации, наблюдается аномальное поведение магнитного поля. Аномалии отмечаются в различных характеристиках:
1. В квазистационарном поле, когда сравнивают медленные вариации магнитного поля (обычно - модуль F) в двух разнесенных пунктах, один из которых находится в сейсмогенерирующей области, а другой достаточно удален от нее [23];
2. В вариациях ультранизкочастотного диапазона (УНЧ) на частотах 0.001-10 Гц, различные амплитудные характеристики, прежде всего, поляризационные отношения горизонтальной dH и вертикальной dZ составляющих этих вариаций [24].
В первом случае причиной аномальных изменений магнитного поля на стадии подготовки землетрясения рассматриваются пьезомагнитные эффекты, во втором - процессы при образовании микроразрывов, электрокинетические явления или вариации индуцированных полей при изменении электропроводности среды. УНЧ-диапазон принимается как наиболее эффективный, поскольку ожидаемая глубина скин-слоя для таких частот близка к глубинам гипоцентров рассматриваемых землетрясений. Основные проблемы при использовании магнитных сигналов как предвестников [25]:
1. Сильная зависимость от расстояния между источником и приемником и от мощности сейсмического события. Фактически все сигналы, о которых сообщается в литературе, были зарегистрированы при измерениях на расстояниях от единиц до первых десятков км от эпицентра;
2. Крайне высокая степень "загрязнения" магнитных измерений сигналами, которые имеют несейсмические причины, в т.ч. Ионосферно-магнитосферного происхождения и техногенные помехи, и амплитуды на порядки больше, чем ожидаемые для сейсмомагнитных сигналов;
3. Небольшая статистика, поскольку необходимо иметь соответствующую аппаратуру в зоне подготовки редко происходящих сильных землетрясений;
4. Отсутствие разработанного теоретического обоснования.
Поскольку Геофизическая обсерватория "Ключи" расположена примерно в 600 км от сейсмоактивной области (Горный Алтай), не ожидается, что сейсмо-магнитные эффекты могут быть выделены в магнитных данных. Однако в настоящее время в регионе формируется сеть магнитных станций, оснащенных цифровой аппаратурой и которая включает уже действующие станции -обсерваторию "Ключи" и станцию "Акташ" (ИНГГ СО РАН), а также вновь созданные станции "Байгазан" на Телецком озере (2009 г., ГАГУ, Горно-Алтайск, [26]) и "Курчатов" (2012 г., ИГИ НЯЦ, Республика Казахстан). Совместные координированные измерения поля, дополненные данными ближайших магнитных обсерваторий "Алма-Ата" и "Арти" (Свердловская обл.) могут составить экспериментальную основу для изучения проявлений сейсмичности Алтая в магнитном поле. Эффективность исследований может быть повышена, если организовать в регионе сеть сгущения, оснастив ее протонными магнитометрами POS-1 (УГТУ-УПИ, г. Екатеринбург). Предлагаемая региональная сеть магнитных станций будет также кооперирована с ионосферными станциями, обеспечивая регистрацию наземного отклика в магнитном поле, возникающего при возмущении токовых систем в ионосфере, в том числе и связанных с сейсмической активностью.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Severe Space Weather Events—Understanding Societal and Economic Impacts Workshop Report // Committee on the Societal and Economic Impacts of Severe Space Weather Events: A Workshop, National Research Council, 2008,131 p.
2. Гальперин Ю.И., Дмитриев А.В., Зеленый Л.М., Панасюк М.И. Влияние космической погоды на безопасность авиа и космических полетов // www.kosmofizika.ru/pdf/sp_wtr.pdf, 2005.
3. Beamish D., Clark T.D.G., Clarke E., Thomson A.W.P. Geomagnetically induced currents in the UK: geomagnetic variations and surface electric fields. J. Atmos. and Solar-Terr. Physics, 2002, 64 (16). 1779-1792.
4. Водяников В.В., Гордиенко Г.И., Нечаев С.А., Соколова О.И., Хомутов С.Ю., Яковец А.Ф. Наведенные токи в линиях электропередач по данным геомагнитных вариаций // Геомагнетизм и аэрономия. - 2006. - Т.46, №6. - С.853-859
5. Птицына Н.Г., Тясто М.И., Касинский В.В., Ляхов Н.Н. Влияние космической погоды на технические системы: сбои железнодорожной телеметрии во время геомагнитных бурь // Солнецно-земная физика, 2008, вып.12, Т.2, с.360.
6. Koskinen H., Tnaskanen E., Pirjola R. et al. Space weather effects catalogue // ESA Space Weather Study (ESWS) Report, 2001, 40 p.
7. Куликов В.Ю., Воронин А.Ю., Гайдуль К.В., Колмаков В.М. Биотропные свойства ослабленного геомагнитного поля. Под. ред. Шкурупия В.А. - Новосибирск: ООО "Редакционно-издательский центр", 2005. - 140 с.
8. Сорокин В.М., Чмырев В.М. Электродинамическая модель ионосферных предвестников землетрясений и некоторых видов катастроф. // Геомагнетизм и аэрономия. -2002. - Т.42, № 6. - С.821-830.
9. Липеровский В.А., Похотелов О.А., Мейстер К.-В., Липеровская Е.В. Физические модели связей в системе литосфера-атмосфера-ионосфера перед землетрясениями // Геомагнетизм и аэрономия. - 2008. - Т. 48. - С. 831-843.
10. Намгаладзе А.А., Клименко М.В., Клименко В.В., Захаренкова И.Е. Физический механизм и численное моделирование ионосферных предвестников землетрясений, наблюдаемых в полном электронном содержании электронов//Г еомагнетизм и аэрономия. Т. 49. № 2. С. 267-277. 2009.
11. Сергеева Н.Г., Оглоблина О.Ф., Черняков С.М. Сильные землетрясения и их влияние на полярную нижнюю ионосферу. // Вестник МГТУ. - 2009. - Т.12, №2. - С.328-337.
12. Пулинец С.А., Легенька А.Д., Зеленова Т.И. Зависимость сейсмо-ионосферных вариаций в максимуме слоя F от местного времени. //Геомагнетизм и аэрономия. 1998, т.38, с.178-183.
13. Liperovskaya E. V., Parrot M., Bogdanov V. V., Meister C.-V. et al On variations of f oF2 and F-spread before strong earthquakes in Japan // Nat. Hazards Earth Syst. Sci. - 2006 - 6. -P.735-739.
14. Xu T., Wu J., Zhao Z. et al. Monitoring ionospheric variations before earthquakes using the vertical and oblique sounding network over China // Nat. Hazards Earth Syst. Sci. - 2011 - 11, P.1083-1089.
15. Gokhberg M.B., Gufeld I.L., Rozhnoy A.A. et al. Study of seismic influence on the ionosphere by super long-wave probing of the Earth -ionosphere wave-guide // Phys. Earth and Planet. Inter. 1989. V. 57, № 1-2. P. 64-67.
16. Михайлов Ю. М., Михайлова А. Г., Капустина О. В. КНЧ и ОНЧ-электромагнитный фон во внешней ионосфере над сейсмоактивными районами // Геомагнетизм и аэрономия. 1997. Т. 37, № 4. С. 78 - 85.
17. Бондур В.Г., Смирнов В.М. Метод мониторинга сейсмоопасных территорий по ионосферным вариациям, регистрируемым спутниковыми навигационными системами // ДАН. Т. 402. № 5. С. 675-679. 2005.
18. Afraimovich E.L., Astafyeva E.I. TEC anomalies -Local TEC changes prior to earthquakes or TEC response to solar and geomagnetic activity changes? // Earth Planets Space. V. 60. P. 961-966. 2008.
19. Здоров А.Г., Моргунов В.А., Степанов М.В. Электромагнитные предвестники и прогноз землетрясений (М = 3-4) на Кавминводском полигоне // Физика Земли. 2004. № 12. С. 48-57.
20. А.Ю. Белинская, С.Ю. Хомутов, О.М. Грехов Сейсмические эффекты в ионосфере по результатам мониторинга F-слоя над Новосибирском // ГЕО-Сибирь-2011. Т.4. Дистанционные методы зондирования Земли и фотограммометрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология: сб. матер. VII Междунар. Научн. Конгресса «ГЕО-Сибирь-2011», 19-29 апреля 2011 г., Новосибирск. -Новосибирск: СГГА, 2011. - стр. 213-216.
21. Куницын В.Е., Нестеров И.А., Шалимов С.Л. Мегаземлетрясение в Японии 11 марта 2011 г.: регистрация ионосферных возмущений по данным GPS Письма в "Журнал экспериментальной и теоретической физики". 2011. Т. 94. № 8. С. 657-661.
22. Белинская А.Ю., Хомутов С.Ю Возмущения ионосферы над Новосибирском, вызванные пусками ракет-носителей с космодрома Байконур // ГЕО-Сибирь-2009. Т.4. Дистанционные методы зондирования Земли: Сб. матер. V Междунар. научн. конгресса "Гео-Сибирь-2009", 20-24 апреля 2009 г., г.Новосибирск. - Новосибирск, 2009. - с.160-164.
23. M.J.S.Johnston, Y.Sasai, G.D.Egbert, R.J.Mueller Seismomagnetic Effects from the Long-Awaited 28 September 2004 M 6.0 Parkfield Earthquake // Bulletin of the Seismological Society of America, 2006, Vol. 96, No. 4B, pp. 206-220.
24. M.A.Fenoglio, A.C.Fraser-Smith, G.C.Beroza, M.J.S.Johnston Comparison of ultra-low frequency electromagnetic signals with aftershock activity during the 1989 Loma Prieta earthquake sequence // Bulletin of the Seismological Society of America, 1993, Vol. 83, No. 2, pp. 347-357.
25. Villante U., De Lauretis M., De Paulis C., Francia P., Piancatelli A., Pietropaolo E., Vellante M., Meloni A., Palangio P., Schwingenschuh K., Prattes G., Magnes W., Nenovski P. The 6 April 2009 earthquake at L’Aquila: a preliminary analysis of magnetic field measurements // Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 2010, 10, 203-214.
26. Гвоздарев А.Ю., Бакиянов А.И., Бетёв А.А., Учайкин Е.О., Бородин П.Б., Хомутов С.Ю. Организация непрерывной регистрации магнитных вариаций на станции Байгазан (Телецкое озеро) // Научный вестник Республики Алтай, 2010, №4, с. 31-42.
© А.Ю. Белинская, С.Ю. Хомутов, 2012
