Введение к работе
Актуальность темы исследования
Результаты ионосферных исследований последних лет, полученные и опубликованные в разных странах, не оставляют сомнения в том, что сейсмическая активность является одним из источников изменчивости ионосферы. При этом величина наблюдаемых возмущений электронной концентрации часто бывает такого же порядка, а иногда и превосходит амплитуду возмущений во время сильных геомагнитных бурь. В то же время сейсмо-ионосферные вариации до самого последнего времени не учитывались ни одной из используемых в практике прогноза радиоволн моделей ионосферы. Известные сегодня и зарегистрированные экспериментально аномалии распространения радиоволн различных диапазонов от очень низкочастотного (ОНЧ) до сверхвысокочастотного (СВЧ), в том числе в диапазоне навигационных систем ГЛОНАСС/GPS, ставят на повестку дня исследования морфологических характеристик и регулярного мониторинга сейсмо- ионосферных аномалий для получения ионосферных поправок в целях систем навигации и других радиотехнических систем.
Знание морфологических свойств сейсмо-ионосферных аномалий, а также разработка методов обнаружения сейсмо-ионосферных аномалий позволят включить их в современные модели ионосферы, и осуществлять прогноз распространения радиоволн различных диапазонов над сейсмоактивными областями нашей планеты.
Естественная радиоактивность Земли, приводящая к генерации ионосферных аномалий, вносит существенный вклад в баланс Глобальной Электрической Цепи (ГЭЦ), а исследование эффектов ионизации позволит существенно уточнить современную модель ГЭЦ.
Разработка методов автоматической идентификации сейсмо-ионосферных аномалий за несколько суток до сейсмического толчка, позволит в будущем использовать эту информацию совместно с другими данными сейсмического мониторинга в системах раннего оповещения о готовящихся землетрясениях.
Степень разработанности темы исследования
Изучение электромагнитных эффектов в ионосфере, предшествующих сильным землетрясениям, началось во второй половине 20 века в период активного развития средств радиозондирования ионосферы.
Первооткрывателями ионосферных предвестников землетрясений были М.Г. Анцелевич, Е.А. Датченко, В.И. Уломов, С.П. Чернышева. Они первыми обнаружили аномальные возмущения электронной концентрации в областях E и
F при исследовании ионосферной обстановки перед землетрясением в Ташкенте 1966 года.
Благодаря статистическому ретроспективному анализу данных вертикального радиозондирования ионосферы (наземного и спутникового), установлено, что за несколько суток - часов до землетрясения в ионосфере возникают аномальные возмущения, выраженные в увеличении (или в уменьшении) электронной концентрации на высоте главного максимума ионосферы области F над его эпицентром и иногда в магнитосопряженной области. Результаты нашли свое отражение в работах М.Б. Гохберга, Т.И. Зеленовой, Ю.К. Калинина, А.Д. Легеньки, М.Н. Фаткуллина, В.А. Липеровского, С.А. Пулинца, J.Y. Liu.
Исследования E-области в период процесса подготовки сильных землетрясений позволили выявить формирование аномальных спорадических Es-слоев. За несколько суток до землетрясений отмечается значительное увеличение предельной частоты спорадического слоя, а за сутки до землетрясения происходит уменьшение коэффициента полупрозрачности слоя. Результаты нашли свое отражение в работах В.А. Липеровского, Е.В. Липеровской, С.А. Пулинца.
В результате экспериментов по распространению сверхдлинных радиоволн (СДВ) на трассах, проходящих над сейсмоактивными регионами, М.Б. Гохбергом, И.Л. Гуфельдом, O.A. Молчановым, A.A. Рожным, M. Hayakawa, P.F. Biagi было установлено, что за несколько суток до землетрясений происходит изменение амплитуды и фазы принимаемых сигналов. Подобное аномальное поведение объясняется значительным уменьшением эффективной высоты отражения СДВ радиосигналов от нижней D- области ионосферы. И.М. Фуксом и Р.С. Шубовой было установлено, что аномалии в распространении СДВ радиосигналов наблюдались также над Чернобыльской атомной электростанцией (АЭС) после аварии в 1986 г. Предложенная ими теоретическая модель показывает, что подобное поведение радиосигналов является следствием изменения проводимости пограничного слоя атмосферы. Согласно теоретической модели Кима В.П. и др., опускание области D ионосферы происходит в результате высыпания энергичных частиц из радиационного пояса при проникновении электрического поля сейсмического источника в плазмосферу.
Статистический анализ данных спутниковых наблюдения над регионами повышенной сейсмической активности на высотах верхней ионосферы позволил выявить аномальные всплески электромагнитного излучения перед сильными землетрясениями в ультранизкочастотных (УНЧ), крайненизкочастотных (КНЧ) и ОНЧ диапазонах. Полученные результаты представлены в многочисленных работах Ю.И. Гальперина, М.Б. Гохберга, В.И. Ларкиной, В.В. Мигулина, В.М. Чмырева, M. Parrot.
Целенаправленный эксперимент по изучению ионосферных предвестников землетрясений в наиболее сейсмоактивных регионах Земли проводился на спутнике «DEMETER» (2004 - 2010 гг.). Выполненный М. Parrot анализ данных электронной концентрации на высоте орбиты спутника «DEMETER» (~ 700 км), полученных в течение его срока эксплуатации показал, что электромагнитные предвестники начинают появляться за 13 суток до землетрясения, при этом максимальный эффект приходится на последние семь суток перед землетрясением.
На сегодняшний день доказано, что все слои ионосферы реагируют на процесс подготовки землетрясений.
С развитием эры навигационных спутниковых систем GPS, ГЛОНАСС, GALILEO, и расширением сети принимающих их сигналы приемников, появилась возможность использования этих систем для изучения ионосферы, а также для более детального рассмотрения ионосферных структур, возникающих накануне разрушительных землетрясений. Первыми исследователями, разработавшими и успешно использовавшими на практике алгоритм определения сейсмо-ионосферных аномалий из данных сигналов навигационных систем GPS для изучения ионосферы, были J.Y. Liu, И.И. Шагимуратов, В.Е. Куницын, С. А. Пулинец, И.Е. Захаренкова.
Первоначальная теория получила дальнейшее развитие в различных направлениях. На сегодняшний день существует несколько теоретических моделей, объясняющих физическую сущность реакции ионосферы на процесс подготовки землетрясения.
Одну из моделей предложили Ю.К. Калинин и Н.П. Сергеенко, утверждающие, что за 10-15 часов до катастрофы над эпицентром землетрясения возникает крупномасштабная ионосферная неоднородность, перемещающаяся от эпицентра будущего землетрясения по дуге большого круга.
С.А. Пулинец и К.А. Боярчук в своей монографии представили комплексную концепцию возникновения ионосферных предвестников землетрясений во всех слоях ионосферы. С.А. Пулинец и Д.П. Узунов, в свою очередь, разработали модель физико-химических связей в системе Литосфера- Атмосфера-Ионосфера, которая находит место вариациям космической плазмы перед землетрясениями в целом комплексе явлений, включающим вариации атмосферных и ионосферных параметров от поверхности Земли вплоть до высот магнитосферы.
Одним из индикаторов существенного прогресса, достигнутого в понимании физической природы ионосферных аномалий, возникающих над сейсмоактивными областями, является появление теоретических моделей, описывающих процесс генерации сейсмо-ионосферных аномалий (А.А. Намгаладзе, М.В. Клименко, C.L. Kuo и др.).
Но по-прежнему вопросы оперативности обработки данных мониторинга ионосферы, ее автоматизации и интерпретации результатов мониторинга в реальном времени в периоды высокой сейсмической активности еще недостаточно проработаны. Эти вопросы будут рассмотрены в первую очередь в настоящей работе.
Целью диссертационной работы является разработка технологии комплексного многопараметрического анализа данных мониторинга ионосферы с целью автоматизации обнаружения ионосферных предвестников землетрясений и ее экспериментальная верификация.
Для достижения данной цели поставлены следующие задачи:
-
Разработка и усовершенствование методик автоматической идентификации ионосферных предвестников землетрясений по данным мониторинга ионосферы над сейсмоактивными областями.
-
Исследование возможности использования данных российской навигационной системы ГЛОНАСС для обнаружения сейсмо- ионосферных предвестников в вариациях полного электронного содержания (англ. Total Electron Content - TEC).
-
Проведение экспериментального исследования возможности генерации аномалий в ионосфере в рамках модели ГЭЦ за счет изменения проводимости пограничного слоя в условиях радиоактивной ионизации, а также при крупномасштабных загрязнениях в результате извержения вулканов и песчаных бурь.
-
Определение основных морфологических характеристик проявления сейсмической активности в слоях E и F ионосферы.
-
Проведение экспериментов по мониторингу ионосферных предвестников в реальном времени для различных сейсмоактивных регионов, а также комплексного исследования предвестников для ряда последних сильных землетрясений.
-
Разработка блок-схемы и испытание системы комплексного мониторинга ионосферных предвестников землетрясений в реальном времени.
Объект исследования - ионосферные предвестники землетрясений. Предмет исследования - данные вертикального радиозондирования ионосферы, данные спутниковых навигационных систем GPS/ГЛОНАСС.
Научная новизна
-
-
Впервые для выявления ионосферных предвестников землетрясений применена методика многофакторного анализа данных ионосферного мониторинга, включая данные вертикального радиозондирования ионосферы и данные полного электронного содержания (ПЭС) с приемников спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС, что позволило идентифицировать возмущения в различных областях ионосферы (область E - спорадический слой Es, область F - слой F2), а также возмущения во всей толще ионосферы для одних и тех же землетрясений.
-
Впервые для обнаружения ионосферных предвестников землетрясений применялись данные ПЭС, получаемые с приемников российской навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС, что особенно важно для регистрации ионосферных возмущений сейсмогенного происхождения на территории Российской Федерации в таких сейсмоактивных регионах как Сахалин, Камчатка, Иркутская область, Кавказ.
-
Впервые получено экспериментальное подтверждение электромагнитного воздействия на ионосферу в рамках ГЭЦ крупномасштабных загрязнений воздуха в виде извержения вулканов, песчаных бурь, аэрозольных облаков, формируемых перед землетрясениями.
-
В работе впервые для мониторинга ионосферных предвестников в реальном времени применена методика обобщенного визуального образа предвестника - «маски», полученной при статистическом анализе ряда сильных (М > 6) землетрясений в Греции.
-
Впервые осуществлен мониторинг ионосферных предвестников землетрясений в реальном масштабе времени в трех сейсмоактивных регионах: Греция, регион Сахалин-Камчатка, Япония.
-
Впервые разработана блок-схема системы многофакторного мониторинга ионосферных предвестников землетрясений для их автоматической идентификации в реальном времени.
Теоретическая и практическая значимость работы
Полученное в работе экспериментальное подтверждение электромагнитной связи атмосферы и ионосферы в рамках ГЭЦ при крупномасштабном загрязнении пограничного слоя атмосферы мелкодисперсной пылью и аэрозолями, позволит достигнуть определенного прогресса в теоретическом построении современной модели ГЭЦ.
Выявление основных морфологических характеристик ионосферных предвестников землетрясений позволит получить количественную оценку изменчивости ионосферы, вызываемой сейсмической активностью для
включения в эмпирические модели ионосферы.
Разработанная в работе блок-схема системы мониторинга краткосрочных ионосферных предвестников землетрясений, описывающая методику дистанционной диагностики ионосферных аномалий сейсмогенного происхождения над сейсмоактивными регионами в реальном времени путем обработки данных наземного и спутникового вертикального радиозондирования ионосферы и данных приемников GPS/ГЛОНАСС, будет включена в качестве ионосферного сегмента в создаваемую в настоящее время РКС (Роскосмос) Экспериментальную наземно-космическую систему краткосрочного сейсмопрогнозного мониторинга России.
Методология и методы исследования
В работе использовались математические методы: метод кросс- корреляционного анализа, элементы теории распознавания образов, методы математической статистики; геофизические методы обработки экспериментальных данных: методы обработки ионосферных данных, в том числе ионограмм наземного вертикального радиозондирования, методы обработки данных приемников спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС, включая расчет вертикального ПЭС, построение карт по данным пространственно- неоднородной сети пунктов наблюдения методом пространственной интерполяции Kriging.
В качестве основного метода исследования применялся метод многофакторного анализа одного и того же физического явления, что позволило повысить надежность получаемых результатов и выводов.
Положения, выносимые на защиту
-
-
-
Получено экспериментальное подтверждение электромагнитного механизма генерации ионосферных неоднородностей за счет изменения проводимости пограничного слоя атмосферы (в рамках концепции глобальной электрической цепи).
-
Разработана методика многофакторного анализа ионосферных аномалий перед землетрясениями в областях E и F ионосферы, а также полного электронного содержания с использованием различных методов мониторинга и комплексной обработки данных об измеряемых параметрах ионосферы.
-
В результате статистического анализа данных по ионосферным предвестникам для 9 землетрясений с M > 6 в Греции, получен обобщенный зрительный образ ионосферного предвестника («маска») для идентификации ионосферных предвестников ряда регионов Европы (Греция, Италия, Северный Кавказ и Иран).
-
Впервые осуществлен мониторинг в реальном времени ионосферных предвестников для ряда регионов (Дальний Восток России, Япония, Греция).
-
Разработана блок-схема системы мониторинга ионосферных предвестников землетрясений в реальном времени, основанная на многофакторном анализе данных ионосферного мониторинга.
Степень достоверности и апробация результатов
Достоверность работы обеспечивается обоснованностью применяемого методологического подхода, основанного на апробированной физической модели литосферно-атмосферно-ионосферного взаимодействия, согласия полученных результатов с известными данными ранее опубликованных работ других авторов, а также применением надежных и апробированных методов обработки ионосферных данных и использованием адекватного математического аппарата.
Основные результаты работы докладывались и были представлены на российских и международных конференциях: European Geosciences Union (EGU) General Assembly (Vienna, Austria, 2011, 2013), ХХШ Всероссийской научной конференции по распространению радиоволн (Йошкар-Ола, 2011), XXX General Assembly of URSI (Istanbul, Turkey, 2011), European Seismological Commission 33-rd General Assembly (Moscow, Russia, 2012), Processing Russian and European EARTH observations for earthQUAKE Precursors Studies (PRE-EARTHQUAKES): FINAL PROGRAM MEETING (Yuzhno-Sakhalinsk, Russia, 2012), American Geophysical Union (AGU) FALL MEETING (San Francisco, USA, 2012), конференции молодых специалистов Росгидромета (ФГБУ «ИПГ», Москва, 2012), восьмой ежегодная конференции «Физика Плазмы в Солнечной Системе» (ИКИ РАН, Москва, 2013), International Reference Ionosphere (IRI) WORKSHOP 2013 (Olsztyn, Poland, 2013).
Личный вклад автора
Основные результаты, полученные в диссертации, являются оригинальными и получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии.
Автору принадлежат: комплекс программ статистической и тематической обработки данных ионосферного мониторинга на базе Microsoft Excel, MATLAB, алгоритмы программ расчета среднесуточных коэффициентов полупрозрачности спорадического слоя Es и локального индекса ионосферной изменчивости, блок-схема системы мониторинга ионосферных предвестников.
По теме диссертации опубликовано 14 работ в российских и зарубежных изданиях, в том числе 3, входящие в список ВАК.
Структура и объем диссертации
Похожие диссертации на Диагностика ионосферных возмущений над сейсмоопасными регионами
-
-
-
