Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Метод зондирования волновода Земля-ионосфера низкочастотными сигналами 9
1.1. Общие закономерности распространения ОНЧ/НЧ сигнала 9
1.2. Первые результаты применения метода ОНЧ/НЧ мониторинга в связи с сейсмической активностью 10
1.3. Развитие методов ОНЧ/НЧ мониторинга в настоящее время 17
Выводы к главе 1 18
Глава 2. Методика наземных наблюдений 19
2.1. Исходные данные 19
2.2.Методика обработки данных 22
Выводы к главе 2 25
Глава 3. Чувствительность ОНЧ/НЧ сигнала к глобальным ионосферным и атмосферным возмущениям по наземным наблюдениям 26
3.1. Аномалии в НЧ сигнале, связанные с гелиогеомагнитными факторами по данным наблюдений на сети станций 26
3.2. Влияние неоднородностей солнечного ветра и ММП на параметры НЧ сигнала на трассе JJY-Петропавловск-Камчатский 31
3.3. Влияние магнитных бурь на вариации параметров ОНЧ (19,8 кГц) сигнала на радиотрассе Австралия-Камчатка 35
3.4. Влияние атмосферных условий на поведение НЧ сигнала 39
Выводы к главе 3 45
Глава 4. Аномалии в НЧ сигнале в связи с сейсмической активностью по наземным наблюдениям 46
4.1. Сейсмичность Курило-Камчатского и Японского регионов 46
4.2. Аномалии перед изолированными землетрясениями 48
4.3. Порог чувствительности ОНЧ/НЧ сигнала к сейсмическому воздействию 50
4.4. Аномалии во время периодов сильной сейсмической активности 54
4.5. Статистика аномалий для сильных землетрясений (М>7) 64
4.6. Теоретические модели сейсмического влияния на атмосферу 65
4.6.1. Модель влияния электрического поля 65
4.6.2. Модель влияния атмосферных гравитационных волн (АГВ) 66
4.7. Экспериментальные наблюдения атмосферных гравитационных волн в связи с сейсмичностью из анализа спектра НЧ сигнала. 69
Выводы к главе 4 72
Глава 5. Диагностика ионосферных возмущений в связи с сейсмической активностью по наблюдениям ОНЧ сигналов на спутнике ДЕМЕТЕР 74
5.1. Обзор литературных данных 74
5.2. Исходные данные 77
5.3. Методика обработки данных 81
5.4. Метод анализа зоны приема ОНЧ сигнала 83
5.5. Метод разностного сигнала 95
5.6. Резонансное рассеяние ОНЧ сигнала 102
Выводы к главе 5 103
Заключение 104
Литература
- Первые результаты применения метода ОНЧ/НЧ мониторинга в связи с сейсмической активностью
- Влияние неоднородностей солнечного ветра и ММП на параметры НЧ сигнала на трассе JJY-Петропавловск-Камчатский
- Порог чувствительности ОНЧ/НЧ сигнала к сейсмическому воздействию
- Метод анализа зоны приема ОНЧ сигнала
Введение к работе
Из всех природных катастроф наибольшее число жертв и разрушений приносят землетрясения и такие сейсмические явления, как извержения вулканов и цунами. Сейсмической опасности в России подвержено около 20% территории. Согласно карте сейсмического районирования территории Российской Федерации, принятой в 1997 г. в качестве нормативного документа, к 8-9 и 9-10-бальным зонам относятся: Северный Кавказ, оз. Байкал, Алтайский Край, и весь Дальний Восток. Регион Дальнего Востока является самым сейсмически опасным регионом Россн. За последние 15 лет в этом регионе произошло несколько крупных землетрясений. В их числе сильнейшее Нефтегорское землетрясение 27 мая 1995 г. (М=7,7, п=11 км), которое унесло жизни более 2000 человек и полностью разрушило поселок Нефтегорск. Землетрясения в Корякском АО (М=7,б, h=22 км, 20 апреля 2006 г.) и в г. Невельске на Сахалине (М=6,2, h=5 км, 2 августа 2007 г.), хотя и не были такими ужасными по своим последствиям. однако вызвали значительные разрушения и нанесли большой экономический ущерб. Катастрофическое Шикотанское землетрясение 4 октября 1994 г. (М=8,4, h=65 км) сопровождалось волной цунами и многочисленными повторными толчками.
В настоящее время работы по предвестникам землетрясений остаются одной из самых актуальных проблем геофизики. В результате многочисленных исследований было обнаружено, что сейсмические процессы сопровождаются рядов явлений - изменениями слабой сейсмичности, электрических и магнитных свойств пород, деформаций и наклонов земной поверхности, уровня подземных вод, их химического состава и другими необычными явлениями природы. В то же время выяснено, что эти аномалии с трудом выделяются на фоне шумов, мозаично расположены на поверхности Земли и по-разному развиваются перед конкретными землетрясениями в различных сейсмоактивных зонах (Соболев, 1993).
Если место и магнитуду будущего землетрясения можно оценить по данным долгосрочного и среднесрочного прогноза, то проблема прогноза времени землетрясения за несколько суток остается одной из важнейших нерешенных проблем. Эту проблему в последние годы пытаются решить с помощью электромагнитных и ионосферных методов. Электромагнитные методы в настоящее время рассматриваются как очень обещающий кандидат для краткосрочного прогноза землетрясений (Hayakawa М. and Fudjinawa Y., 1994; Hayakawa M., 1999), поскольку накоплено множество доказательств сейсмоэлектромагнитных явлений в широком диапазоне частот от УНЧ до ВЧ и средства наблюдения таких явлений протягивается от поверхностных наблюдений до наблюдений
5 на спутниках. Интерес к таким наблюдениям определяется как возможностью практического применения этих эффектов для определения времени будущего землетрясения, так и фундаментальными проблемами литосферно-атмосферно-ионосферных связей.
Возможно два типа ионосферного отклика на процессы, связанные с землетрясениями: 1) прямое влияние сейсмического импульса или так называемый co-seismic effect длительностью несколько минут; 2) более длительный непрямой отклик, благодаря некоторым процессам, относящимся к подготовке землетрясения и последующей разрядкой, длительностью несколько дней или недель.
Первые доказательства ионосферных возмущений, вызванных землетрясением (co-seismic effect), были получены более 40 лет назад во время сильного землетрясения на Аляске в марте 1964 г. при применении традиционного ионозонда с частотой F= 0,5-20 MHz (Leonard and Barnes, 1965; Davies and Baker, 1965). Затем было несколько сообщений о схожих эффектах после других сильных землетрясений, полученных с применением метода доплеровского сдвига на фиксированной частоте в ионозонде (Yuen et al., 1969; Weaver et al, 1970; Wolcott et al., 1984; Tanaka et al., 1984; Kelley et al., 1985). Механизм появление возмущений в ионосфере во время или сразу после землетрясения хорошо изучен теоретически (Lognorme, 1991, Artru et al., 2001; Pokhotelov et al. 1995; Nekrasov et al. 1995). Однако многое остается неясным в явлениях, наблюдающихся в ионосфере в период подготовки землетрясения. Поэтому актуальной задачей является расширение экспериментальных наблюдений за процессами в ионосфере перед землетрясениями с целью выяснения их природы и закономерностей.
В настоящее время для изучения непрямого отклика ионосферы на активизацию сеймотектонических процессов используются методы вертикального ионосферного зондирования, доплеровские измерения, радиопросвечивание волновода Земля-ионосфера ОНЧ и НЧ сигналами и наблюдения на спутниках. Этими методами были получены данные, указывающие на возмущение F, Е и D слоев ионосферы в период сейсмической активности. Описание эффектов, обнаруженных методами вертикального зондирования на высотах Е и F области в связи с землетрясениями, приведено в монографии (Липеровский и др.,1992), и обзор последних результатов исследования возмущений в Е и F областях дан в работе (Pulinets and Boyarchuk, 2005). Анализ изменчивости параметров слоя F2 с характерными временами 2 часа и турбулентных явлений в F и Е областях ионосферы показал, что за три дня перед землетрясениями наблюдается усиление крупномасштабной турбулентности как в Е-области (Es-рассеяние), так и в F-области (Fs-рассеяние) по сравнению с предшествующими днями. Характерные пространственные и временные
масштабы проявления турбулизации зависят от магнитуды землетрясения и могут составлять от 100 до 1000 км (Liperovskaya et al., 2003; 2006; Popov et al., 2004).
Поиск сейсмоионосферных эффектов в D области методом радиопросвечивания ОНЧ сигналами от навигационной системы "Омега" (10,2-13,6 кГц) волновода Земля-ионосфера был начат в 1983 г. (Гохберг и др., 1987). После закрытия этой системы в 1997г. все работы по поиску предвестников землетрясения методом ОНЧ зондирования были прекращены. Возобновление исследований началось после развертывания сети принимающих станций в Японии и установки приемника в 2000 г. на Камчатке. Это дало возможность контролировать высоко сейсмоактивные Курило-Камчатский и Японский регионы. В дальнейшем сеть была расширена, и приемники были установлены в Италии и Австрии. Подобные измерения проводятся в Венгрии, Польше и Индии. В настоящее время для изучения используются мощные навигационные передатчики и передатчики службы времени в диапазоне 12~50 кГц.
В диссертации обобщены результаты многолетних наблюдений, полученных на принимающей станции в Петропавловске-Камчатском, японской сети станций и в Италии. Комплексное исследование возмущений сигнала в связи с различными факторами на большом фактическом материале, полученном на сети станций, ранее не проводилось. После запуска французского спутника ДЕМЕТЕР в 2004 г. совместно с наземными наблюдениями, проводился анализ поведения ОНЧ сигнала на спутнике, что "является совершенно новым методом исследования.
Актуальность темы определяется задачей, решение которой даст возможность изучить физические закономерности возбуждения предвестников землетрясений в ионосфере Земли для выделения прогностических признаков подготовки землетрясения. Цель и задачи работы
Целью работы является выявление наиболее характерных особенностей вариаций низкочастотных зондирующих сигналов, связанных с землетрясениями, по результатам наблюдений на поверхности Земли и на спутнике. При этом решаются следующие задачи:
Анализ основных характеристик метода ОНЧ/НЧ зондирования по известным ионосферным возмущениям не сейсмического происхождения: а) возмущениям, вызванным магнитными бурями и суббурями; б) возмущениям, связанным с протонными вспышками и высыпанием релятивистских электронов; в) возмущениям, обусловленным изменением параметров атмосферы.
Анализ ионосферных возмущений сейсмического происхождения по результатам наблюдений низкочастотных сигналов в Курило-Камчатском регионе, Японии и Италии.
7 3. Анализ ионосферных возмущений во время периодов сильной сейсмической активности по результатам наблюдений ОНЧ сигналов на французском спутнике ДЕМЕТЕР. Научная новизна
В результате проведенного исследования получен ряд новых результатов.
Обнаружена связь фазовых и амплитудных ОНЧ/НЧ вариаций сигналов (19,8 кГц и 40 кГц) с геомагнитными пульсациями типа РІЗ.
Статистически выявлено влияние крупномасштабных возмущений в солнечном ветре на вариации значений амплитуды и фазы НЧ (40 кГц) сигналов в ночное время.
Установлено появление возмущений в НЧ сигнале в связи с изменением атмосферного давления.
4. Определен порог чувствительности сигнала к сейсмическому воздействию и
показана достоверность появления предвестниковых аномалий сигнала за 3-4 дня
до землетрясения.
Найдены частотные максимумы аномалий амплитуды и фазы НЧ сигнала во время сильной сейсмической активности, совпадающие с периодами атмосферных гравитационных волн.
Разработана новая методика обработки спутниковых данных для анализа поведения сигнала от ОНЧ передатчиков и обнаружена депрессия сигнала в связи с сильными землетрясениями.
Обнаружено совпадение наземных и спутниковых результатов при анализе сильной сейсмической активности.
Достоверность и обоснованность результатов, представленных в диссертации,
определяется применением современных разностных методов обработки и анализа, а
также методикой сравнения полученных результатов по разным трассам для наземных
наблюдений и методикой сравнения в разных областях в зависимости от
распределения землетрясений для спутниковых наблюдений.
Практическая значимость работы
Результаты работы будут полезны для обоснования научной базы и построения
системы прогноза землетрясений.
На защиту выносятся
1. Результаты анализа поведения ОНЧ/НЧ сигнала в ночное время на сети принимающих станций в Дальневосточном регионе во время магнитных бурь и суббурь, протонных вспышек, потоков релятивистских электронов
8 (зарегистрированных на ГОЕСе-10), крупномасштабных возмущений в солнечном ветре и изменений атмосферных параметров.
Результаты статистического анализа по определению порога чувствительности ОНЧ/НЧ сигнала к сейсмическому воздействию по данным, полученным для Курило-Камчатского региона, Японии и Европы.
Спектральные особенности амплитуды и фазы НЧ сигнала, полученные для трех серий сильных землетрясений.
Метод анализа ОНЧ сигналов, принимаемых на спутнике в связи с возможным сейсмическим влиянием.
Методика совместного анализа наземных и спутниковых наблюдений в течение периодов сильной сейсмической активности.
Апробация работы
Результаты исследований, приведенных в диссертации, докладывались и обсуждались на конференции "Problems of Geocosmos", Санкт-Петербург, 2002; 26-м Семинаре "Physics of auroral phenomena", Апатиты, 2003; Объединенной Ассамблее EGS -AGU - EUG, Ницца (Франция), 2003; Генеральной конференции EGU, Ницца (Франция), 2004; международном симпозиум по сейсмо-электромагнетизму IWSE-2005, Токио (Япония), 2005; Генеральной конференции EGU, Вена (Австрия), 2005; Генеральной конференции EGU, Вена (Австрия), 2006; международном симпозиум DEMETER, Тулуза (Франция), 2006; Генеральной конференции EGU, Вена (Австрия), 2007; XXIV Генеральной Ассамблее IUGG, Перуджа (Италия), 2007, а также на международных семинарах в университете г. Бари (Италия), университете г, Чофу (Япония), институте космических исследований Австрийской академии наук (г. Грац) и семинарах в ИФЗ РАН.
По теме диссертации автором в соавторстве опубликовано 15 печатных работ. Работа была поддержана грантом РФФИ № 02-05-64069 и грантами МНТЦ 1121 и 2990. Благодарности
В первую очередь автор хотел бы выразить самую глубокую благодарность и признательность руководителю всех работ на протяжении многих лет доктору физико-математических наук, профессору О.А. Молчанову. Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю доктору физико-математических наук, профессору О.А. Похотелову за внимание и руководство. Автор признателен И.Л. Гуфельду, Н.Г. Клейменовой, О.В. Козыревой, С.Л. Шалимову, Е.В. Липеровской, В.А. Липеровскому, О.В. Павленко - за помощь При написании диссертации.
Первые результаты применения метода ОНЧ/НЧ мониторинга в связи с сейсмической активностью
Метод анализа параметров распространения амплитуды и фазы сигналов от ОНЧ передатчиков давно стал одним из основных методов исследования состояния нижней ионосферы и верхней атмосферы, где велика концентрация нейтральных частиц, и поэтому прямые измерения ионосферных параметров затруднительны. Наименее изученной является ночная среднеширотная D область. Это прежде всего связано с трудностями измерения, поскольку ночью концентрация ионов во всем интервале высот 50-90 км на один-два порядка меньше, чем днем, а концентрация электронов ниже некоторого уровня практически равна нулю. Следует также иметь в виду, что ионосферные возмущения в F2 области и в нижней ионосфере происходят по-разному из-за различий в физических механизмах, вызывающих изменение в электронной концентрации на этих высотах (Danilov and Lastovicka, 2001)
Первое предложение использовать метод ОНЧ мониторинга для анализа фазовых и амплитудных вариаций сигнала, связанных с сейсмической активностью, было сделано российскими учеными около 20 лет тому назад (Гохберг и др., 1987; Gokhberg et al., 1989). Авторы проанализировали сигналы от передатчика навигационной системы "Омега" (10,2-13,6 кГц) на длинной трассе Реюньон-Омск (расстояния приемник-передатчик D 7000 км). «Бухтообразные» ночные аномалии фазы бьши обнаружены на второй и третий день до Гиндукушкого землетрясения (М-6,7, 1983г.). Подобные фазовые аномалии бьши зарегистрированы за 1-16 дней перед Рудбарским (М=7,5, 1990г.) и Рачинским (М=7,2, 1991г.) землетрясениями (Гуфельд и др., 1992) для радиотрассы Реюньон-Москва (рис.1.3). Ночные возмущения в фазе сигнала наблюдались на трассах Либерия-Омск и Реюньон-Ленинград в течение недели перед Спитакским землетрясением (М=7,1, 1988 г.) (Воинов и др., 1992). Интенсивные вариации в ОНЧ сигнале от "Омега" передатчиков бьши найдены в течение 1-10 дней перед несколькими сильными землетрясениями (Morgunov et al., 1994).
Анализ накопленных данных об аномалиях в субионосферном распространении сигналов перед сильными коровыми землетрясениями (М 6) показал, что отклонение фазы сигнала от ночных среднемесячных значений увеличивается в период от одного месяца до несколько дней перед землетрясениями (Гуфельд и др., 1994), при этом наиболее часто возмущения фазы сигнала наблюдались в период 5-15 дней перед землетрясениями (Гуфельд и др., 1989; Гуфельд 1995).
Авторы проанализировали ОНЧ сигналы, зарегистрированные на станции Инубо от передатчика системы «Омега», находящегося в Цушиме на частотах F= 10,2, 11,3 и 13,6 кГц. Положение передатчика относительно приемника приведено на рис. 1.4а вместе с границей первой зоны Френеля. Зона Френеля рассматривается как зона чувствительности ОНЧ/НЧ сигнала к возмущениям в среде во время его распространения.
Предшествующие работы, упомянутые выше, имели дело с распространением субионосферного ОНЧ сигнала на длинные расстояния (более чем несколько тысяч километров), в то время как расстояние между Душимой и Инубо только около 1000 км, что можно считать коротким расстоянием при распространения сигнала. Для этой трассы был найден аномальный сдвиг в положении вечернего терминатора за 3 дня перед землетрясением в Кобе (рис. 1.46). Помимо сдвига терминатора на рисунке также заметно появление ночных возмущений сигнала за 2-4 дня до землетрясения.
Применив метод терминаторов для анализа 11 землетрясений с М 6 за период 1978 -1983 гг. и 1989 - 1995 гг., эпицентры которых находились в зоне чувствительности той же радиотрассы, Молчанов и Хаякава (Molchanov and Hayakawa,1998) обнаружили аномальный сдвиг в ТТ флуктуациях перед несколькими коровыми землетрясениями и после них (рис. 1.5).
Возможный механизм наблюдавшихся вариаций амплитуды и фазы субионосферного ОНЧ сигнала в моменты терминаторов был обсужден в нескольких работах (напр. Hayakawa et al., 1996b; Molchanov et al., 1998), используя некоторое упрощение. Теория основывается на предположении, что наблюдаемый эффект может объясняться понижением эффективной высоты нижней ионосферы. Была использована очень простая имитационная модель, предполагающая плавный профиль перехода через терминатор и соответствующее подавление верхних мод по сравнению с главной.
Соловьева и др. (Soloviev et al., 2004; 2006), где представлена математическая модель, асимптотическая теория и соответствующий численный алгоритм в скалярной аппроксимации для распространения ОНЧ сигнала от точечного источника в пределах неоднородного волновода Земля-ионосфера. Авторы рассмотрели трехмерную локальную ионосферную неоднородность в зоне перехода Солнца через терминатор. Численные результаты показали, что включение такой неоднородности, деформирует суточный ход амплитуды и фазы сигнала в соответствии с наблюдаемыми результатами, полученными Молчановым и Хаякавой в Японии.
В этих работах было рассмотрено волновое рассеяние при распространении ОНЧ сигнала вблизи терминатора. Этот метод показал эффективность для исследования так называемого эффекта Trimpi (напр. Baba et al., 1998; Soloviev and Hayakawa, 2002, и ссылки там). Эффект Trimpi состоит в появлении кратковременных возмущений амплитуды и/или фазы ОНЧ сигнала вследствие увеличения ионизации при высыпании частиц. Эффект можно понять в терминах интенсификации самых верхних мод ОНЧ сигнала во время пересечения неоднородностей терминатором, движущимся через трассу распространения сигнала, поскольку самые верхние моды более чувствительны к изменениям высоты отражения, чем основная мода (Wait, 1968). Повышенная чувствительность является очевидным преимуществом ТТ метода по сравнению со стандартным анализом ночной фазы ОНЧ сигнала. Тем не менее, модальная интерференция во время перехода через терминатор зависит от многих показателей, в том числе от количества мод, которые могут усиливаться. Следовательно, он более эффективен для более или менее коротких трасс (D l 000-2000 км).
Влияние неоднородностей солнечного ветра и ММП на параметры НЧ сигнала на трассе JJY-Петропавловск-Камчатский
Известно, что неоднородности в солнечном ветре и межпланетном магнитном поле (ММП) оказывают большое влияние на плазменные процессы в магнитосфере Земли, что приводит и к развитию магнитных бурь и ионосферных возмущений. Резкое возрастание динамического давления солнечного ветра вызывает значительное поджатие магнитосферы, особенно на дневной стороне, что сопровождается ускорением и высыпанием энергичных электронов радиационных поясов и, по-видимому, может приводить к вариациям электронной концентрации в нижней ионосфере, что должно проявиться в аномальных колебаниях амплитуды и фазы НЧ и ОНЧ сигналов наземных передатчиков.
Для анализа был выбран годовой массив непрерывных цифровых наблюдений вблизи максимума 23-го цикла солнечной активности (2001 г.), когда отмечалось большое число возмущений в солнечном ветре, в том числе и межпланетных магнитных облаков, связанных с выбросами солнечной плазмы (СМЕ) и вызывающих в магнитосфере Земли магнитные бури с внезапными началами. Данные о параметрах солнечного ветра и ММП были взяты из базы данных OMNI непрерывного мониторинга состояния космического пространства по данным ряда спутников (ftp://nssdcftp.gsfc.nasa.gov/spacecraft data/omniA). Эти данные приведены к моментам времени на границе магнитосферы.
Было рассмотрено три возможные ситуации, когда в данный интервал времени наблюдалось: (а) - большое динамическое давление солнечного ветра (Pd 3 нПа), (б) -значительное поступление энергии солнечного ветра в магнитосферу Земли (є 0,05 мкВт/м2) и ситуация (в), когда выполнялись одновременно условия (а) и (б). Соответственно этим условиям были сформированы массивы дневных и ночных случаев регистрации НЧ сигналов. За год НЧ наблюдений ситуация (а) отмечалась в 54 дневных случаях и 58 ночных, ситуация (б) -в 19и 15 случаях соответственно. Ситуация (в) включала всего 12 дневных и 9 ночных случаев.
Анализ данных показал, что в условиях повышенного давления солнечного ветра днем из 54 случаев в 32 случаях (59%) наблюдались отрицательные отклонения (больше а) как фазы, так и амплитуды НЧ сигналов от фоновых значений. Как правило, это происходило при южной ориентации В ММП (Bz 0). Из 22 дневных случаев положительных отклонений (т.е. возрастание амплитуды и фазы НЧ сигналов) в 12 случаях это происходило при северной ориентации ММП (Bz 0).
При больших значениях функции Акасофу с є 0,05 мкВт/м2 (ситуация (б)) днем в 76% случаев, в противоположность ситуации (а), наблюдались положительные отклонения параметров НЧ сигналов, а в остальных 24% случаях отклонения от фоновых значений были меньше or. В ситуации (в) дневное время характеризовалось появлением положительных аномалий в параметрах распространения НЧ сигналов.
Ночью повышенное давление солнечного ветра (ситуация (а)) почти в 80% случаев сопровождалось отрицательными отклонениями среднесуточных значений параметров НЧ сигнала от фоновых. Положительные отклонения наблюдались при северной ориентации Bz ММП. В ситуации (б), т.е. при больших значениях функции Акасофу (є 0,05 мкВт/м2), ночью также типичными были отрицательные отклонения среднесуточных амплитуд и фаз НЧ сигналов от фоновых значений. Эта ситуация характерна для главной фазы магнитной бури, когда динамическое давление солнечного ветра резко падает и вертикальная компонента (Bz) ММП меняет знак на южный. Подобные отрицательные амплитудные и фазовые аномалии ОНЧ/НЧ сигналов (19,8 и 40 кГц) отмечались в ночное время в главную фазу магнитных бурь (Рожной и др. 2003; Клейменова и др. 2004).
Итак, анализ данных показал, что в ночное время появление крупномасштабных неоднородностей в солнечном ветре (повышенное динамическое давление и южная ориентация Bz ММП), как правило, приводит к отрицательным аномалиям в параметрах НЧ сигналов. В дневное время ситуация сложнее, отмечаются как отрицательные, так и положительные амплитудные и фазовые отклонения, при этом положительные аномалии характерны для условий є 0,05 мкВт/м2, а также для случаев Вг 0. Следует отметить, что амплитудные и фазовые аномалии, вызванные возмущениями в солнечном ветре, как правило, кратковременны и не продолжаются более 1-2-х суток.
Для исследования статистической зависимости вариаций НЧ сигнала от параметров солнечного ветра и ММП были вычислены коэффициенты корреляции средних разностных значений амплитуды и фазы НЧ сигнала в дневное и ночное время со значениями динамического давления солнечного ветра (Pd) и функции Акасофу (є). Для дневных условий коэффициенты корреляции отклонений амплитуды и фазы НЧ сигнала с динамическим давлением и функцией Акасофу для условий (а) и (б) оказались очень маленькими (меньше 0,2), что свидетельствует об отсутствии четкой зависимости уровня вариаций параметров дневной нижней ионосфере от величины динамического давления солнечного ветра. Наибольшие значения коэффициентов корреляции (до 0,4) были получены для третей ситуации, когда одновременно наблюдалось большое динамическое давление солнечного ветра и значительные амплитуды Bz ММП южного направления, т.е. ситуация (в), что, как правило, сопровождается вторжением заряженных частиц в магнитосферу и ионосферу Земли.
Следует отметить, что в дневное время на параметры ОНЧ и НЧ сигналов большое влияние оказывают всплески рентгеновского излучения, наблюдаемые в магнитосфере Земли на геостационарных спутниках. Эти всплески обычно сопровождают геомагнитные возмущения и вызывают резкие аномальные отклонения амплитуды и фазы сигналов, на фоне которых трудно выделить влияние других магнитосферных источников. Следовательно, в дневных условиях исследование влияния неоднородно стей солнечного ветра на параметры ОНЧ не всегда может дать однозначные результаты.
Для ночных условий при повышенном давлении солнечного ветра (ситуация (а)), четкой связи между вариациями амплитуды НЧ сигнала и динамическим давлением солнечного ветра (Pd) не отмечается (г=-0,17). Более высокая корреляция (г=-0,28) наблюдается между вариациями фаза и давлением солнечного ветра (Pd).
В ситуации (б) величина функции Акасофу (є) более эффективно влияет на амплитудные и фазовые аномалии НЧ сигналов. В этих условиях достаточно высокий коэффициент корреляции (0,49) был установлен между средним разностным значением фазы НЧ сигнала в ночное время и динамическим давлением солнечного ветра (Pd). Вариации средней разностной амплитуды в этих условиях подвержены как влиянию динамического давления солнечного ветра (г = 0,43), так и є (г = 0,39).
В ситуации (в), когда одновременно происходит возрастание Pd и є, коэффициенты корреляции характеризуются подобной тенденцией. Наиболее высокий коэффициент корреляции (т=0,69) был найден между уровнем вариаций ночной амплитуды НЧ сигнала и динамическим давлением солнечного ветра (Pd) в предшествующее дневное время.
Возрастание давления солнечного ветра и межпланетное магнитное поле (ММП) геоэффективного южного направления резко изменяют структуру магнитосферы. В результате этого происходит значительное поджатие дневной магнитосферы, что приводит к повышенному высыпанию энергичных частиц радиационных поясов за счет развития бетатронного ускорения и изменения питч-углового распределения захваченных частиц. Другим эффектом усиления динамического давления солнечного ветра является смещение к более низким широтам границы проникновения солнечных энергичных частиц — протонов и электронов. Эти частицы могут проникать в нижшою ионосферу, вызывая увеличение поглощения при распространении ОНЧ, т.е. отрицательные амплитудные аномалии. Этот эффект наиболее четко проявляется в ночное время, когда основным источником аномальной ионизации в области D являются потоки электронов с энергией в десятки кэВ (Рожной и др. 2005).
Порог чувствительности ОНЧ/НЧ сигнала к сейсмическому воздействию
По мере накопления наблюдений стало возможным перейти от анализа отдельных случаев к статистическому анализу. Задачей такого анализа было определить порог чувствительности сигнала к магнитуде землетрясений и определить наиболее возможные периоды наблюдения аномалий, вызванных сейсмичностью (Rozhnoi et al., 2004). Для анализа использовались данные за два года наблюдений - 2001 и 2002 гг. За этот период в зоне чувствительности трассы JJY-Петропавловск-Камчатский было зарегистрировано 565 землетрясений с М 4 и 32 землетрясения с М 5,5. В качестве статистического метода был применен метод, аналогичный описанному в главе 3 при анализе возмущений сигнала в связи с гелиогеомагнитными факторами.
Средние разностные значения амплитуды и фазы НЧ сигнала и их дисперсии за ночной период исследовались в интервале плюс-минус 10 дней перед землетрясением. Магнитуды землетрясений были разбиты на 4 интервала: 4,0-4,5; 4,5-5,0; 5,0-5,5; 5,5-6,0, при этом нижние значения входили в рассматриваемый интервал, а верхние - нет. Результаты анализа для радиотрассы JJY-Петропавловск-Камчатский приведены на рис. 4.3. На каждом из представленных на рисунке графиков изображены гистограммы, разбитые на 21 интервал (±10 дней и день землетрясения). Верхняя часть гистограммы показывает количество землетрясений в данном интервале магнитуд (N), нижняя часть — количество дней с возмущенным сигналом или дисперсией (Ni). Линия на графиках показывает отношение Ni к N в %. Из рисунка видно, что никакой корреляции
Зависимость фазовых и амплитудных аномалий НЧ (40 кГц) сигнала от магнитуды землетрясения за период 2001-2002 гг. в интервале ±10 дней. Верхняя часть гистограммы - количество землетрясений в данном интервале магнитуд (N), нижняя часть - количество дней с возмущенным сигналом или дисперсией (Ni). Линия - отношение Ni/N. Пунктирная линия - среднее значения Ni/N+2a. возмущений НЧ с землетрясениями нет при магнитудах, меньших 5,5. Отношение Ni/N не превышает среднее значение более чем на 2а ни для одного дня до или после землетрясения. Однако, в интервале магнитуд 5,5 М 6 выделяются дни, когда Ni/N выходит за уровень двух стандартных отклонений, как для амплитуды и фазы сигнала, так и для их дисперсий. Таким образом, можно сделать вывод, что на анализируемой трассе чувствительность НЧ сигнала к сейсмическим процессам становится заметной, начиная с магнитуды 5,5. При этом наиболее вероятно появление аномалий в сигнале на 7 и 3-4 день до землетрясения и на 6-7 день после него.
Чтобы подтвердить полученные результаты, был проведен статистический анализ для радиотрассы JJY-Мошири. Сейсмичность в зоне чувствительности этой трассы намного меньше, чем в Курило-Камчатском регионе, т. к. она проходит над Японией в стороне от сейсмически активного Японского желоба. В течение 2 лет (2002-2003 гг.) в зоне чувствительности трассы было зарегистрировано 73 землетрясения с М 4 и всего 4 землетрясения с М 5,5. Поскольку количества землетрясений с М 5 недостаточно для статистического анализа, подтвердить результаты, получены для Камчатской трассы для больших значений магнитуд, не удалось.
Чувствительность амплитуды ОНЧ/НЧ сигнала к ионосферным возмущениям, вызванным землетрясениями, исследовалась также для европейской принимающей станции, расположенной на юге Италии в г. Бари (Rozhnoi et al., 2005а). Она принимает сигналы от 5 передатчиков - английского GB (16 кГц), французского FR (20,9 кГц), немецкого DE (23,4 кГц), исландского ISL (37,5 кГц) и сицилийского IT (54 кГц) (рис. 1.1). Эти передатчики являются навигационными, и они транслируют хорошего качества только амплитуду сигнала, которую можно использовать для анализа.
Сейсмическая активность в Европе намного меньше, чем в регионе Дальнего Востока. За два года (2002-2003 гг.) в зоне чувствительности всех пяти радиотрасс в Европе произошло всего 92 землетрясения с М 4,0 и 6 землетрясений с М 5,0. Эпицентры землетрясений находятся в основном на глубинах до 20 км, при этом глубина слабых землетрясений составляет от 0 до 10 км. Поскольку землетрясения в основном мелкие, статистический анализ выполнялся для магнитуд, начиная с М=2. Хотя за период наблюдений на станции
В дальнейшем статистический анализ был повторен для данных, полученных за 7 лет наблюдений для радиотрассы JJY-Петропавловск-Камчатский. Было выбрано 2 интервала анализа. В первый интервал были включены землетрясения с М=4,5-5Д во второй - землетрясения с М=5,5-б,5. Если в один день в зоне чувствительности радиотрассы было несколько землетрясений, то выбиралось одно, максимальное по амплитуде. При таком подходе количество землетрясений в выбранных интервалах анализа оказалось соизмеримым (95 в первом интервале и 83 - во втором).
Сейсмическая активность в зоне чувствительности трассы определяется 3 сериями землетрясений с М=5,6-7Д. В течение почти 4 месяцев до первого землетрясения 2 ноября (М=5,6) в этом регионе не наблюдалось землетрясений с М 5.0. На рис. 4.6 приведена карта распределения эпицентров землетрясений, начиная с М 5,5, в ноябре-декабре с указанием даты землетрясения. На карту также нанесена зона чувствительности для японского передатчика JJY и зоны чувствительности австралийского и гавайского передатчиков (пунктирные линии).
В течение всего периода, когда наблюдались ночные аномалии в НЧ сигнале, был найден также заметный сдвиг в вечернем терминаторе. На рис. 4.8 представлено трехмерное изображение суточных вариаций амплитуды НЧ сигнала за период с 1 октября 2004 г. по 24 января 2005 г. Помимо сильных возмущений сигнала в ночное время, явно заметно отклонение ночного терминатора от его нормального положения. Сдвиг терминатора достигает 2 часов. Подобное поведение терминатора наблюдалось также для фазы сигнала (Rozhnoi et ai., 2006а).
Метод анализа зоны приема ОНЧ сигнала
Основные сложности анализа сигнала на спутнике связаны с большими расстояниями между соседними орбитами (2500 км для ДЕМЕРЕРа) и тем, что спутник появляется над одним и тем же местом один раз в день. Поэтому для получения статистически значимых результатов необходим период наблюдения не менее 3-4 недель.
Было разработано два метода анализа ОНЧ сигналов, принимаемых на спутнике в связи с возможным сейсмическим влиянием: 1) метод анализа зоны приема сигнала для нахождения крупномасштабных пространственных вариаций; 2) метод разностного сигнала для выявления временных вариаций.
На рис.5.7 приведены примеры зоны приема нескольких передатчиков-NWC (Австралия), «Альфа» (Россия) и HWU (Франция) для дневных и ночных орбит за август 2005г. На дневных орбитах над передатчиками хорошо видна круговая структура, вызванная интерференцией мод ОНЧ сигнала, что свидетельствует о стабильности его распространения через ионосферу. Такая замечательная структура расплывается в магнито-сопряженной области для дневных орбит и во всей области приема в ночное время, вероятно из-за неоднородностей плазмы в ионосфере и магнитосфере.
Эпицентры землетрясений находились в зоне приема сигнала от JP (17,8 кГц) передатчика, расположенного в Южной Японии на о. Кюсю. Положения эпицентров землетрясений и зона приема сигнала от этого передатчика для периода сейсмической активности и последующего спокойного периода времени показаны на рис. 5.11. Как и в предыдущем случае, заметно уменьшение сигнала в области над эпицентрами землетрясений в период до и во время сейсмической активности.
Более подробный анализ был выполнен для случая сильной сейсмической активности вблизи о. Суматра. Сейсмическая активность в этом регионе началась с катастрофического землетрясения 26 декабря 2004 г. (М=9), за которым последовало несколько сильных землетрясений. Афтершоковая активность продолжалась до лета 2005 г., и в течение этого периода произошло еще два сильных землетрясения - 28 марта (М=8,7) и 24 июля (М=7,5). Положение эпицентров землетрясений с М 6,6 за период с 1 октября 2004 г. по 31 декабря 2005 г. показано на рис. 5.12. Область анализа, в которую попадают землетрясения вблизи Суматры, обведена кружком на этой карте.
Рис. 5.12. Положение эпицентров землетрясений с М 6,6 за период с 1 октября 2004 г. по 31 декабря 2005 г. Область анализа, в которую попадают землетрясения вблизи Суматры, обведена красным кружком. Контрольные зоны помечены цифрами 2 и 3. Треугольник показывает положение NWC передатчика.
Параметры самых сильных землетрясений с М 7 приведены в табл.5.4. Эпицентры землетрясений находились в зоне приема сигнала от мощного австралийского NWC (19,8 кГц) передатчика (рис. 5.7). Для контроля были выбраны две области такого же размера, как и Суматра, но со слабой сейсмической активностью в период анализа и примерно одинаковой величиной ОНЧ сигнала (кружки, помеченные цифрами 2 и 3 нарис. 5.12).
Чтобы найти возможное влияние землетрясений на распространение ОНЧ сигнала, весь период анализа (1 октября 2004 г. - 31 декабря 2005 г.) был разбит на интервалы длительностью 30 дней. Поскольку в этот период были перерывы в работе спутника (табл. 5.5), то интервалы анализа не совпадают с календарными месяцами. Такая процедура была использована для того, чтобы в каждом интервале сохранялось одинаковое количество орбит. Затем сравнивалась величина сигнала в различные интервалы времени, как для региона Суматры, так и для контрольных областей.
Поскольку анализировался очень длительный интервал времени (более года), необходимо было учесть возможные сезонные вариации сигнала. Для этого были рассчитаны средние значения отношения сигнал/шум над всей центральной частью зоны приема в области от 85 до 120 в.д. и от 30 ю.ж. до 50 с.ш., где сигнал был максимальным (рис. 5.6), а также отдельно для северного и южного полушария с границей, проходящей по магнитному экватору. Средние значения S были рассчитаны для всех месяцев с октября 2004 г. по август 2006 г., за исключением июня и октября 2005 г., когда данные отсутствовали, или были низкого качества (рис.5.13). Небольшие, но очевидные вариации сигнала порядка 25% хорошо видны на рисунке. Поэтому для дальнейшего анализа была использована нормализованная величина отношения сигнал/шум: Sn=S/ S .
Средние месячные значения сигнал/шум S в зоне приема NWC передатчика за период с октября 2004 г. по август 2006 г. а) отдельно для северного (красные столбики) и южного (оранжевые колонки) полушария; б) в обоих полушариях. Пунктирная линия показывает примерные сезонные вариации сигнала. последних интервалов анализа приведено на рис. 5.15.
Для того, чтобы формализовать визуальную оценку, было рассчитано отношение p=N(Sn&l)/No, где No - общее количество точек, в выделенной области и N(Sn l) -количество точек в этой же области, в которых значение Sn больше единицы. Величина р была рассчитана для области Суматры и двух контрольных областей 1 и 3 (рис. 5.12). Результаты анализа приведены на рис. 5.16. Существенное понижение уровня сигнала в ноябре-декабре 2004 г. наблюдается только в области над Суматрой, что вероятно можетбыть связано с процессами подготовки землетрясения в этой области. Сигнал в это время в 2-2,5 раза меньше своего среднего значения.
Некоторое понижение сигнала во второй контрольной области, наблюдающееся в июле-сентябре 2005 г. объясняется тем, что часть этой области попадает в зону среднеширотной ионосферной турбулентности, расположенную в районе ±40 инвариантной широты (Kelley, 1989), что в зоне анализа примерно соответствует -30 и 50 географической широты. На рис. 5.14 хорошо заметно пропадание сигнала на этих широтах, особенно сильное в южном полушарии в июле-августе 2005 г.
Таким образом, анализ зона приема ОНЧ сигнала от различных передатчиков на борту спутника ДЕМЕТЕР в связи с несколькими случаями сильной сейсмической активности показал некоторые изменения в сигнале, наблюдавшиеся в эти периоды. Наиболее ярко эффект уменьшения сигнала проявился в случае катастрофического землетрясения вблизи Суматры, где длительные изменения в сигнале наблюдались в течение месяца перед землетрясением. Полученный результат позволяет сделать вывод, что размер зоны возмущений в ионосфере составляет несколько тысяч километров. Недостаток этого метода состоит в том, что для получения значимых результатов, необходим длительный период анализа в связи с большим расстоянием между соседними орбитами. Результаты анализа не дают возможность определить время появления аномалий и разделить пре- и пост-сейсмические эффекты. Поэтому для выявления временных вариаций сигнала был разработан метод разностного сигнала.
