Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Явления в Е области ионосферы при сейсмической активности 15
1.1. Образование и структура ионосферы Земли, ионосферный слой Е и нерегулярные образования в нем 17
Структура верхней атмосферы, образование ионосферы 17
Методы диагностики ионосферы, вертикальное зондирование, ионограммы -область ионосферы и физические процессы в ней 25
Спорадический -слой, закономерности его образования и разрушения 35
1.2. Возмущение временного хода частотыf\JEs ионосферы при сейсмической активности ". 40 ,
Аномалии характеристик ночных спорадических слоев с характерными сейсмической активности временами от
получаса до нескольких часов 40
Алгоритм определения и обработки бухтообразных возмущений 43
Экспериментальные результаты 47
1.3. Выводы по главе 1 55
Глава 2. Аномалии в нижней части / -области ионосферы и сейсмическая активность 56
2.1. Структура дневного и ночного .F-слоев, механизмы его образования 57
2.2. Модификация спектров вариации плотности ночного слоя F1 ионосферы в периоды подготовки землетрясений на действующей высоте 300 км 66
2.3. Ионосферные данные, методика обработки 68
2.4. Обсуждение результатов 70
2.5. Выводы по главе 2 75
Глава 3. Об ионосферных возмущениях, с характерными временами 2-3 часа в F области ионосферы перед землетрясениями 76
3.1. Сравнительный анализ бухтообразных возмущений в
ионосфере на высотах 300 км (/300) и в максимуме F слоя (foF2) для ряда отдельных землетрясений 77
3.2. Анализ часовых данных вертикального зондирования. Поиск бухтообразных вариаций с использованием часовых данных/ 82
3.3. Антропогенные эффекты недельной периодичности в F-области ионосферы 93
3.4. Экспериментальные результаты 95
3.5. Обсуждение возможных механизмов антропогенного воздействия на ионосферу 102
3.6. Выводы по главе 3 104
Глава 4. Литосферно-ионосферные связи при сейсмической активности 106
4.1. Современные представления о литосферно ионосферных связях при сейсмической активности 107
4.2. Обсуждение и интерпретация полученных результатов 114
4.3. Выводы по главе 4 120
Заключение 122
Список литературы
- Методы диагностики ионосферы, вертикальное зондирование, ионограммы -область ионосферы и физические процессы в ней
- Модификация спектров вариации плотности ночного слоя F1 ионосферы в периоды подготовки землетрясений на действующей высоте 300 км
- Экспериментальные результаты
- Обсуждение и интерпретация полученных результатов
Методы диагностики ионосферы, вертикальное зондирование, ионограммы -область ионосферы и физические процессы в ней
Существует, как известно, два основных рода методов измерений ионосферы: прямые и дистанционные. Прямые методы — это когда лабораторные приборы, обычно несколько модифицированные, устанавливаются на ракете или космическом аппарате. Дистанционные методы измерений свойств ионосферы основаны на изучении воздействия, которое она оказывает на распространяющиеся в ней электромагнитные волны. При этом возможны, во-первых, активные методы зондирования, когда радиоволны посылаются в ионосферу при помощи специального передатчика и далее принимаются специальным приемником, во-вторых возможны пассивные методы, когда изучаются электромагнитные волны, возбуждаемые естественными источниками в исследуемой области ионосферы. а) схема расположения станций вертикального зондирования, данные по которым имеются в мировых центрах данных; б) схема расположения эпицентров землетрясений
Каждый метод имеет свои достоинства и недостатки. Обычные прямые методы более точны и информативны, но более дороги и не пригодны для непрерывных измерений, поскольку для них нужен носитель (т.е. ракета). Кроме того, прямыми методами практически невозможно осуществить постоянные наблюдения за исследуемой областью ионосферы. А для исследования связей в системе литосфера-ионосфера в первую очередь нужны хорошие непрерывные ряды измерений нескольких ионосферных параметров. Одним из наиболее распространенных дистанционных методов является метод вертикального зондирования ионосферы (ВЗ). Недостатком этого метода является большая трудность точной интерпретации результатов измерений. Однако этот недостаток для метода вертикального зондирования, можно сказать, не столь велик, поскольку метод применяется более полувека, хорошо развита его теория, имеется мировая сеть постоянно работающих станций ВЗ, некоторые из них находятся в сейсмоактивных регионах. Данные вертикального зондирования представлены в Интернете, в частности на сайте www.wdc.rl.ac.uk. На рис. 1.3 представлены схемы расположения станций ВЗ и эпицентров землетрясений. Имеются унифицированные инструкции, литература по результатам работ, а также опытные специалисты в данной узкой области. Другим недостатком метода ВЗ является его малый пространственный охват: зондируется ионосфера над станцией и практически получается информация о параметрах ионосферы в области с горизонтальными размерами порядка 100 км. Однако стоимость метода ВЗ относительно низка и можно получать длинные ряды измерений, необходимые для выявления, например, статистических закономерностей сейсмоионосферных эффектов.
При вертикальном ионосферном зондировании радиоимпульс с частотой f=col27i посылается вертикально вверх, и если принять, что плотность ионосферы зависит только от высоты и не зависит от горизонтальных координат, то этот радиоимпульс будет распространяться в ионосферной плазме до высоты, где показатель преломления и(бу)=1-(У2ре/ у2 обратится в нуль, т.е. до уровня, где частота зондирующей волны станет равной й е=[(4тіе /т)щ] — плазменной частоте. При зондировании измеряется время задержки до получения отраженного сигнала At. Это время определяет высоту отражения И, поскольку 2H=cAt. Высота И — это "действующая" высота, и она несколько больше реальной высоты отражения, поскольку групповая скорость распространения волн в плазме несколько меньше скорости света в вакууме. В стандартных установках вертикального зондирования или ионозондах обычно частоты приемника и передатчика в течение одного сеанса передачи, например 30 с, перестраиваются от частоты около 0,5 МГц до частоты 20 МГц. При отложении высоты отражения И по оси у и самой частоты по оси х для каждого сеанса получается ионограмма — высотно-частотная характеристика ионосферы. fbEs /300 f0F2 f Рис. 1.4. Типичная ионограмма — высотно-частотная характеристика, полученная методом вертикального зондирования
На стандартных ионозондах практически возможно проводить вертикальное зондирование один раз в минуту и даже чаще, однако обычно проводят зондирование один раз в 15, иногда в 5 мин, стандартные данные в международных центрах данных обычно представлены с интервалом 1 ч. На рис. 1.4 изображена типичная ионограмма. По ней можно рассчитать параметры вертикального профиля электронной концентрации щ, это можно сделать согласно формуле nc=(m/2e)f=l,24-lOif , где т и е — масса и заряд электрона, [ие]=см , [/]=МГц {Алъперт, 1967), на рис. 1.2 по горизонтальным осям указаны электронная концентрация и соответствующая ей частота отраженного сигнала. Максимальная критическая частота (foFZ) — это частота, начиная
Модификация спектров вариации плотности ночного слоя F1 ионосферы в периоды подготовки землетрясений на действующей высоте 300 км
Величина а изменяется в зависимости от высоты (Николе, 1964), поскольку с высотой меняется температура атмосферы, а коэффициент рекомбинации d зависит от температуры как 7"р, где /3 \. Интенсивность ионизации также зависит от высоты, согласно формулам (1.4), (1.5), причем профиль п(К) зависит от профиля температуры T(h).
Подробный теоретический анализ этих зависимостей, приведенный в работе (Иванов-Холодный и Нусинов, 1979), показал, что имеется зависимость максимальной плотности ионизации петах и высоты этого максимума от температурного профиля Т(И). Однако оценки показали, что при общем нагреве атмосферы на высотах 100-120 км, например в два раза, величина изменения максимальной концентрации rzemax в стационарных условиях составит Ляешах«1%. Такие изменения практически невозможно обнаружить экспериментально.
Ночью отсутствует основной источник ионизации -области ионосферы — Солнце, но действует, как уже отмечалось, другой источник ионизации, который обеспечивает сохранение концентрации заряженных частиц на уровне 3-103см 3, — рассеянное солнечное ультрафиолетовой излучение. Основная спектральная линия этого излучения La ("Лайман а") — 1216 А — ионизует молекулы N0. Другая спектральная линия, Lp — ("Лайман /? ) — 983 А, ионизует молекулярный кислород О. N0 и О — малые составляющие атмосферного газа, но они играют основную роль в образовании ночной -области ионосферы. Названные процессы ионизации обеспечивают средний уровень ионизации в ночной -области, причем теория, естественно, дает достаточно плавный ход зависимости п{И). А реально наблюдаются пики и провалы, и все это связано с динамическими процессами, с воздействием нейтральных ветров.
Существуют различные возможные подходы к задаче контроля Е-области ионосферы какими-либо факторами, обусловленными сейсмической активностью, принимая во внимание изложенные основные сведения о структуре и физических процессах в этой области.
Дневная -область ионосферы имеет довольно высокую плотность п &\ см , а соответствующая проводимость плазмы вдоль силовых линий магнитного поля (продольная проводимость) на два порядка больше, чем ночью, когда ие«103 см 3.
Например, можно предположить, что основным фактором, связанным с подготовкой сейсмического события и воздействующим на ионосферу, является нестационарное электрическое поле. Тогда при одних и тех же по порядку величины продольных токах эффект нагрева д/о\\пе2 1/пе2 на одну частицу в ночной ионосфере будет выше на четыре порядка, чем днем. В этом случае, естественно, более разумно было бы искать проявление эффектов сейсмической природы в ионосфере в ночных условиях, когда к тому же отсутствует зависимость от вариаций интенсивности солнечного ионизирующего излучения. Интенсивность солнечного излучения їх величина не постоянная, она меняется ото дня ко дню в довольно широких пределах при различных уровнях солнечной активности. Уровень солнечной активности принято характеризовать индексом -Fioj, соответствующим потоку радиоизлучения Солнца в дециметровом диапазоне — на волне Я=10,7см. Точное соответствие интенсивности отдельных спектральных линий ионизирующего солнечного излучения индексу F\QJ является достаточно сложным вопросом, поэтому здесь приведен только порядок изменения їх. С учетом того, что когда этот индекс изменяется примерно от 80 до 250, полный поток ионизирующего излучения Солнца изменяется от 2,5 до 7,5 мВт/м2. Интенсивное влияние солнечного излучения приводит к тому, что к настоящему времени существуют только единичные исследования эффектов сейсмической активности в -области дневной ионосферы.
Однако, возможности обнаружения таких эффектов в Е -области ионосферы все же есть. Структура ионизации определяется как солнечным излучением, так и структурой нейтральной атмосферы. Поэтому в принципе можно обнаружить эффекты сейсмической активности в Е-области дневной ионосферы, если возмущения снизу передаются через нейтральную компоненту, а не посредством электромагнитного поля. Такие возможности в последние время все чаще обсуждаются в литературе. Здесь же можно отметить, что "контроль ионосферы" снизу возможен при вариациях плотности нейтральной атмосферы, что легко увидеть из формул (1.4), (1.5) и (1.6). Изменение во времени шкал высот может привести к вариациям петэх и высоты максимума -слоя.
Предполагая, что "контроль ионосферы снизу" может осуществляться через движение нейтральной атмосферы, нужно учитывать, что возможные эффекты нагрева нейтральной атмосферы могут привести к вариациям скоростей химических реакций и к изменению равновесных соотношений между концентрациями ионов, в частности jf=\NO+]/[02]. А вариации rj связаны с вариациями эффективного коэффициента рекомбинации а и далее петах. Подробно этот вопрос пока не исследован ни экспериментально, ни теоретически.
Спорадический Е-слой, закономерности его образования и разрушения
Спорадические слои Е — это облака повышенной ионизации блинообразной формы. В дневных условиях спорадические слои добавляются к регулярному -слою, усложняя и без того сложную структуру Е-области. Спорадичность, нерегулярность, конечность слоев в горизонтальном направлении и их горизонтальные движения обычно приводят к мысли о том, что невозможно относиться к этому явлению иначе как к помехе, если поставлена задача обнаружения каких-либо сейсмоионосферных эффектов.
Однако, важная положительная особенность -слоя заключается в том, что если при помощи обычной станции вертикального зондирования можно днем вести постоянные наблюдения как регулярного, так и спорадического слоев, то ночью регистрация регулярного слоя невозможна. Обычно минимальная частота зондирования на стандартных ионозондах /=0,5 МГц соответствует ««3 10 см , плотность ночного регулярного Е-сяоя яоее=3-103см 3. А спорадический слой с плотностью 77ее Ю4см 3 хорошо фиксируется на ионограммах. Таким образом, в ночных условиях на средних широтах, при стандартном вертикальном зондировании можно получить информацию только о спорадических слоях. Используя эту информацию, нужно учитывать, что 5-слои изменчивы, "капризны", подвержены метеорологическому контролю, так как связаны с нейтральными атмосферными ветрами. С учетом всего этого все же Дгслой был выбран как объект изучения в связи с поиском сейсмоионосферных эффектов в -области.
Экспериментальные результаты
Как уже было отмечено выше, рядом авторов для частоты fj7! были обнаружены вариации параметров ионосферы с характерными временами 2-3 ч в периоды подготовки нескольких мощных землетрясений. Так, при анализе данных вертикального зондирования для Спитакского землетрясения 1988 года {Шарадзе и др., 1989) в спектре /JF2 были отмечены вариации с периодами 1-3 ч за несколько суток до события. В работе (Гайворонская и Зеленова, 1990) при исследовании временного хода частоты foF2 перед тремя землетрясениями при использовании спектрального анализа также было обнаружено увеличение амплитуд 2-3-часовых гармоник.
Во всех цитированных выше работах использовались 15-минутные данные стандартного вертикального зондирования и измерения электромагнитного поля и исследовались сравнительно небольшие отрезки времени, от нескольких суток до 1 года.
Итак, увеличение числа 2-3-часовых вариаций перед землетрясениями было показано для достаточно большого числа землетрясений только для областей ионосферы ниже "максимума F2". Для частоты fJFl ряд авторов демонстрировал эффект увеличения числа 2-3-часовых вариаций только перед несколькими отдельными землетрясениями. В результате, экстраполировав результат, и приняв желаемое за действительное, ряд исследователей пришли к выводу, что возможно использовать эффект интенсификации 2-3-часовых бухтообразных вариаций именно B/QF2 как предвестник землетрясений. На основе этой идеи в России был предложен новый проект с использованием геостационарных спутников. Этот проект не был реализован, но указанная идея предвестника еще остается в центре внимания.
На основе базы данных, полученных на станции вертикального зондирования Душанбе было проведено исследование зависимости числа бухтообразных возмущений с т=2- 3 ч в /300 и /JFl в течение 6 ночей, предшествующих землетрясениям. Ночное время было выбрано, чтобы избежать влияния солнечного излучения. Рассматривался только зимний период времени, поскольку зимой (с октября по март) ночь можно полагать равной 12 часам (с 18.00 предыдущего дня до 6.00 суток землетрясения). Ночь с 18 часов суток, предшествующих суткам землетрясения, полагалась (-1) (даже если землетрясение произошло в 0.15 и часть так называемой (-1) ночи протекла после толчка). При этом были рассмотрены только те землетрясения, для которых соответствующие им временные интервалы в 6 предшествующих ночей не перекрываются. Если несколько землетрясений происходили подряд, в течение 7 суток, в исследование включалось лишь землетрясение, произошедшее первым. В соответствии с указанными правилами отбора, по имеющимся данным для ст. Душанбе за 1986-87 годы были рассмотрены 6-суточные периоды подготовки, соответствующие 19 землетрясениям с М 4,5 и эпицентром, расположенным на расстояниях i? 500 км от станции вертикального зондирования. В табл. 3.1. приведен список землетрясений, с указанием даты, координат, магнитуды, глубины и расстояния до Душанбе (38,5/V, 68,8), данные получены на сайте www.wdcb.ru из Обнинского каталога. Ночи, предшествующие землетрясениям, были поделены на две группы: (-6,-5,-4) — условно названы фоновыми, и группа из (-3,-2,-1) условно названа сейсмоактивной. Анализировались бухтообразные возмущения, глубина которых не менее 0,2 МГц.
Проведенный анализ показал, что для параметра /300 среднее число бухтообразных возмущений за ночь составило 1,03 для 1986 г. и 0,95 для 1987 г., что отражает тенденцию к уменьшению числа таких возмущений в единицу времени по мере приближения к году максимума 11 -летнего солнечного цикла. Было получено, что число бухтообразных возмущений выбранной глубины и длительности в "сейсмоактивные" ночи превышает число возмущений в "фоновые" ночи примерно в 1,4 раза для каждого года. При рассмотрении каждого землетрясения по отдельности, оказалось, что увеличение числа бухтообразных возмущений в сейсмоактивное время наблюдается для 13 землетрясений, уменьшение — для 4 землетрясений, а для 2 землетрясений число бухтообразных возмущений за ночь было одинаково для сейсмоактивных и фоновых ночей. Эти результаты находятся в качественном соответствии с результатом работы {Липероеский и др., 1990). Для параметра/, среднее число бухтообразных возмущений за ночь оказалось равным 0,6 для 1986 г и 0,5 для 1987 г. — в соответствии с отмеченной выше антикорреляцией с 11-летней солнечной активностью. Увеличение числа бухтообразных возмущений в сейсмоактивное время наблюдалось для 5 землетрясений, уменьшение — для 6 землетрясений и оставалось неизменным для 5 землетрясений, что позволяет говорить об отсутствии эффекта влияния процессов подготовки на число бухтообразных вариаций характерной частоты fJFl. Отношение числа бухтообразных возмущений, подсчитанное в сейсмоактивные ночи к числу возмущений в фоновые ночи составило 0,53, т.е. создавалось впечатление, что в сейсмоактивные ночи число бухтообразных вариаций даже уменьшалось. Однако, учитывая, что бухтообразные возмущения с т=2- 3 ч в /QFI являются весьма редким явлением, можно думать, что полученное отношение является случайной флуктуацией.
Для проверки полученного вывода было проведено сопоставление числа бухтообразных вариаций в сейсмоактивные и фоновые дни для всех зимних ночей 1986-1987 гг., для которых имелись данные по станции вертикального зондирования Душанбе. Список землетрясений был расширен, за сейсмоактивные принимались по-прежнему (-3,-2,-1) ночи для всех имеющихся землетрясений (в том числе таких, для которых 6 дневные периоды перекрывались), ночи после толчка исключались из анализа, остальные ночи считались фоновыми.
Так же как в предыдущем варианте методики исследования для параметра /300 среднее число бухтообразных вариаций за ночь в "сейсмоактивные" ночи превышает число бухтообразных вариаций в "фоновые" ночи в 1,4 раза. Для параметра foF2 среднее число таких вариаций за ночь оказалось примерно равным для сейсмоактивных и фоновых ночей.
Обсуждение и интерпретация полученных результатов
Анализ возможных механизмов литосферно-ионосферных связей приведен в ряде книг и статей, например, в {Липеровский и др., 1992; Липеровская и др., 199&а,б; Силина и др., 1998; Сорокин и др., 1998; Liperovsky, et ah, 2000 і; Гохберг и Шалимов, 2000).
Проблема связи специфических процессов в ионосфере с землетрясениями поставлена давно. В настоящее время экспериментально установлено, что на разных высотах, и, соответственно, в разных областях ионосферы имеет место ряд специфических явлений, по-видимому, обусловленных литосферными процессами и возникающими за несколько дней или часов перед достаточно сильными землетрясениями.
Свойства ионосферы подвержены регулярным и нерегулярным вариациям. До недавнего времени возмущения ионосферы рассматривались в основном в связи с солнечным воздействием на нее. Однако, исследования последних лет показали, что ионосфера чувствительна также к процессам, происходящим в тропосфере, гидросфере и литосфере. Вулканическая деятельность, цунами, землетрясения, циклоны, грозы, запуск спутников и ракет, преодоление летательными аппаратами звукового барьера, мощные взрывы, радио-, акустические и тепловые сигналы — все это находит отклик в ионосфере.
В настоящее время обсуждается несколько физических моделей, описывающих связь аномалий в ионосфере с процессами в земной коре. Условно модели процессов передачи возмущений от литосферы через атмосферу к ионосфере при подготовке землетрясений можно разделить на две группы: "электромагнитные" и "акустические". В "электромагнитных" моделях предполагается, что при подготовке землетрясений в Земле возникают электрические токи, пятна электрических зарядов и шумовое электромагнитное излучение. Параметры ионосферы модифицируются под воздействием электрических и электромагнитных полей литосферного происхождения. В "акустических" моделях предполагается, что в приземной нейтральной атмосфере возникают акустические возмущения, вызванные литосферными процессами. Акустические и акустико-гравитационные возмущения далее проникают на ионосферные высоты и благодаря ион-нейтральным столкновениям вызывают возмущения в ионосферной плазме.
Выявление и идентификация характерных модификаций ионосферных параметров, предшествующих землетрясениям, и выяснение пространственно-временных масштабов таких модификаций дает возможность экспериментально проверить правильность и соответствие реальности имеющихся моделей и, таким образом, прояснить механизм сейсмоионосферных связей, что может быть использовано в системе прогноза землетрясений.
Уточним основные положения акустико-гравитационных литосферно-ионосферных связей. С 40-х гг. прошлого столетия начались измерения ветра на высотах от 80 до 120 км по его возмущающему воздействию на первоначально прямолинейные и достаточно длительное время существующие метеорные следы, см. {Госсард и Хук, 1978). Первые наблюдения подобного рода производились фотографическим способом. В дальнейшем была разработана методика наблюдений с помощью доплеровского радиолокатора, позволяющая изучать метеорные следы значительно меньшей интенсивности, которые наблюдаются в 10 раз чаще. Все эти работы показали, что, помимо устойчивых преобладающих ветров и приливных составляющих ветра, верхняя атмосфера характеризуется неупорядоченными флуктуациями ветра значительно меньших масштабов и значительно меньшей продолжительности. В работе (Hines, 1960) отмечены следующие основные свойства таких движений атмосферы: 1 ветров. Далее Хайнс (Hines, 1960; Госсард и Хук, 1978) высказал предположение, что неупорядоченные ветры представляют собой в действительности проявление внутренних гравитационных волн. При том, что горизонтальная длина волны должна превышать вертикальную длину волны на порядок величины или более. Также Хайнс показал, что господствующий масштаб достаточно велик, чтобы избежать ослабления волн под влиянием вязкости. Поскольку кинематическая молекулярная вязкость атмосферы возрастает с высотой, можно ожидать, что преобладающий масштаб размеров будет увеличиваться с высотой по мере избирательной диссипации и исчезновения волн меньшего масштаба.
Акустико-гравитационные волны подробно изучались в {Госсард и Хук, 1978; Гаврилов иДелов, 1976; Гершман и Григорьев, 1968; Голицын и др., 1976; Романова, 1975; Савченко, 1975; Григорьев и др., 1980; Дробжев, 1980; Казаков и др., 1980) Модель литосферно-ионосферной связи перед землетрясением посредством акустико-гравитационных волн была предложена для интерпретации одного недавно полученного неожиданного результата. Оказалось, что влияние процессов подготовки на ионосферу прослеживается на высотах области Е на расстояниях до 1000 км от эпицентра (Липеровская и др., 19946; Липероеская, Попов и др., 19986). Единственным агентом который мог бы вызвать образование или расплывание спорадических слоев на таких расстояниях, оказались акустико-гравитационные волны (АГВ) нейтральной атмосферы. Естественно возник вопрос о причинах возникновения АГВ в приземном слое атмосферы.
При сейсмологических измерениях регистрируется устойчивый спектр так называемых сеисмогравитационных колебаний с периодами от получаса до четырех часов (Lin kov, etal, 1989, 1990). Теория их еще не достаточно разработана, но из эксперимента известно, что долгопериодные, с периодом более часа, колебания могут активизироваться за несколько суток перед сильными землетрясениями. Существует предположение, что такие колебания являются собственными колебаниями Земли. В пользу данной гипотезы и планетарной теории колебаний свидетельствует идентичность их спектров, полученных в удаленных на 2200 км пунктах — в С.-Петербурге и Тбилиси, по синхронным наблюдениям в этих городах.
Существуют экспериментальные свидетельства интенсификации как вертикальной, так и горизонтальной компоненты сеисмогравитационных колебаний. Последнее, в частности, проявляется в модуляции интенсивности естественного электромагнитного излучения (ЭМИ) перед сейсмическими событиями в диапазоне периодов /=2+3 ч {Белла и др., 1992). При наблюдениях сеисмогравитационных пульсаций перед сильными землетрясениями с магнитудами М 6,0 (Garmash, etal, 1989) были обнаружены пульсации с периодами от часа до пяти часов.
