Использование измерений сигналов системы GPS для обнаружения ионосферных предвестников землетрясений Захаренкова Ирина Евгеньевна

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Ретроспективный обзор основных этапов изучения ионосферных предвестников землетрясений. Электродинамическая модель литосферно-ионосферных связей

1.1. Результаты наземного радиозондирования 18

1.1.1. Обнаружение сейсмо-ионосферных эффектов в слое Е 18

1.1.2. Обнаружение сейсмо-ионосферных эффектов в слое F 24

1.2. Результаты спутниковых наблюдений 31

1.2.1. Всплески электромагнитного излучения в УНЧ/КНЧ/ОНЧ диапазонах 31

1.2.2. Обнаружение модификации F слоя 37

1.3. Анализ основных результатов 42

1.4. Электродинамическая модель литосферно-ионосферных связей 45

Глава 2. Использование измерений сигналов GPS для обнаружения ионосферных предвестников землетрясений

2.1. Глобальная навигационная система GPS 50

2.1.1. Конфигурация навигационных спутников GPS 50

2.1.2. Виды измерений GPS сигналов 52

2.1.3. Пользовательский сегмент. Наземные сети двухчастотных приемников системы GPS 54

2.2. Методика восстановления полного электронного содержания ионосферы (ТЕС) по измерениям сигналов навигационных спутников системы GPS 57

2.2.1. Одностанционная обработка GPS измерений 57

2.2.2. Модель для расчета ионосферной задержки 58

2.2.3. Многостанционная обработка GPS измерений 62

2.3. Методика обнаружения сейсмо-ионосферных предвестников в вариациях полного электронного содержания 67

Глава 3. Результаты исследования по обнаружению ионосферных предвестников землетрясений в вариациях полного электронного содержания ионосферы

3.1. Исследование ионосферных предвестников для землетрясений Европейского региона 70

3.1.1. Вариации полного электронного содержания ионосферы для землетрясений Средиземноморского региона 72

3.1.2. Вариации полного электронного содержания ионосферы во время Калининградского землетрясения 21 сентября 2004 г 87

3.2. Исследование ионосферных предвестников для землетрясений Японского региона 94

3.2.1. Анализ сейсмо-ионосферных вариаций в спокойных геомагнитных условиях 98

3.2.2. Анализ сейсмо-ионосферных вариаций на фоне геомагнитного возмущения 106

3.3. Модификация низкоширотной ионосферы перед землетрясением в Индонезии 26 декабря 2004 г 115

3.4. Планетарные движения макромасштабных неоднородностей, возникающих в слое F2 ионосферы над эпицентрами сильных землетрясений, по данным GPS измерений 123

Заключение 132

Литература 134

• Всплески электромагнитного излучения в УНЧ/КНЧ/ОНЧ диапазонах
• Пользовательский сегмент. Наземные сети двухчастотных приемников системы GPS
• Методика обнаружения сейсмо-ионосферных предвестников в вариациях полного электронного содержания
• Вариации полного электронного содержания ионосферы для землетрясений Средиземноморского региона

Введение к работе

Актуальность проблемы. Проблема прогноза землетрясений по-прежнему остается одной из важнейших нерешенных задач современной геофизики. В свете катастрофических событий последних лет актуальность развития и совершенствования методов прогноза не уменьшается. Это касается долгосрочного, среднесрочного и, тем более, краткосрочного прогнозирования.

В настоящее время получены экспериментальные и теоретические результаты, значительно продвинувшие решение данной проблемы. Совокупный анализ результатов наблюдений позволил сделать заключение о том, что подготовка землетрясения сопровождается интенсивной активизацией различных процессов в приземных слоях атмосферы и формированием в нижней атмосфере источников, стимулирующих многочисленные плазменные и электромагнитные эффекты в ионосфере, которые можно рассматривать как предвестники и использовать их в качестве физической основы для построения новых систем прогнозирования и предупреждения землетрясений, дополняющих комплекс традиционных сейсмических, геохимических и других систем прогноза.

Идея осуществления краткосрочного прогноза разрушительных землетрясений на основе ионосферных и магнитосферных предвестников нашла свое отражение в разработке и создании специализированных проектов космического мониторинга природных катастроф "COMPASS-1" (Complex Orbital Magneto-Plasma Autonomous Small Satellite), "COMPASS-2", (проект "Vulkan"), "Sich-Ш" (проект "Variant"), "QuakeSat", "DEMETER" (Detection of Electro-Magnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions), "ESPERIA" (Earthquake investigation by Satellite and Physics of the Environment Related to the Ionosphere and Atmosphere). Однако отдельные спутники способны поставлять лишь фрагментарную информацию, для осуществления мониторинга в глобальном масштабе необходимо создание многоспутниковых систем, которые в настоящий момент находятся на стадии разработки.

Поэтому сегодня развитие мониторинга ионосферных предвестников землетрясений связывается с использованием глобальной навигационной системы GPS (Global Positioning System). Система GPS является в настоящее время наиболее эффективным и перспективным средством дистанционной диагностики ионосферы из всех радиофизических методов. Измерения параметров трансионосферных радиосигналов, излучаемых спутниками системы GPS, обеспечивают получение информации о структуре и динамике ионосферы в планетарном масштабе. Использование GPS измерений имеет целый ряд преимуществ по сравнению с классическими радиофизическими средствами зондирования ионосферы - действительная непрерывность, высокое пространственно-временное разрешение и глобальность мониторинга ионосферных возмущений различной природы. Метод диагностики ионосферы с помощью спутниковых радиосигналов является наиболее экономичным, так как основывается на уже существующей космической и наземной инфраструктуре навигационной системы GPS. Перспективность использования метода радиопросвечивания ионосферы на основе применения сигналов глобальных навигационных систем базируется на развитии и расширении космического сегмента за счет реализации проектов GALILEO и ГЛОНАСС, что создаст исключительные предпосылки для повышения точности контроля состояния ионосферы и, как следствие, выделения ионосферных эффектов, связанных с сейсмической активностью.

Целью диссертационной работы является исследование пространственно-временной модификации ионосферы, порождаемой процессами подготовки землетрясений, для разработки новых методов дистанционного обнаружения и раннего оповещения о природных катастрофах методом радиопросвечивания ионосферы сигналами дециметрового диапазона.

Для решения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Усовершенствование и развитие алгоритмов и программ обработки измерений задержек двухчастотных радиосигналов навигационных спутников GPS/ГЛОНАСС по восстановлению полного электронного содержания ионосферы (ТЕС).

2. Разработка методики выявления сейсмо-ионосферных предвестников на фоне вариаций в ионосфере, вызванных другими факторами (солнечной, геомагнитной активностью и пр.).

3. Разработка алгоритмов и программного комплекса обнаружения сейсмо-ионосферных предвестников в вариациях полного электронного содержания.

4. Проведение исследования пространственно-временной модификации ионосферы перед сильными землетрясениями (М 5.0) для различных сейсмически-активных районов Земли.

5. Совокупный анализ полученных результатов с целью выделения общих закономерностей проявления сейсмо-ионосферных предвестников в GPS ТЕС вариациях.

Методы исследования

В работе использовались методы обработки измерений задержек сигналов навигационных спутников системы GPS на частотах 1.2 / 1.6 ГГц по восстановлению полного электронного содержания ионосферы и построения карт ТЕС с высоким пространственно-временным разрешением на основе алгоритма многостанционной обработки наблюдений международной сети IGS/GPS приемных станций. Для обнаружения ионосферных предвестников землетрясений в вариациях полного электронного содержания ионосферы применялись методы статистического анализа данных.

Достоверность и обоснованность результатов и выводов диссертационной работы определяется корректностью постановки задач и методов их решения, а также согласием результатов интерпретации экспериментальных данных с современными представлениями о литосферно-ионосферном взаимодействии, которые основываются на данных наземного и спутникового зондирования ионосферы, повторяемостью результатов для землетрясений с магнитудои выше 5.0-5.5 по шкале Рихтера, а также проверкой на соответствие выводам других авторов.

Научная новизна

1. Впервые для обнаружения и анализа ионосферных аномалий, ассоциированных с сейсмической активностью, была применена современная и наиболее эффективная технология непрерывного глобального мониторинга состояния ионосферы на основе спутниковых радиофизических методов.

2. Впервые для изучения пространственно-временных характеристик сейсмо-ионосферных предвестников была разработана и реализована технология построения региональных карт полного электронного содержания ионосферы, полученных по результатам многостанционной обработки непрерывных наблюдений сетей GPS станций EUREF, GEONET, IGS.

3. Предложен новый подход в исследовании ионосферных предвестников землетрясений на основе анализа вариаций полного электронного содержания ионосферы с использованием: а) локальных измерений ТЕС, б) региональных ТЕС карт, в) глобальных ТЕС карт в формате IONEX.

4. Получены новые данные о проявлении сейсмо-ионосферных предвестников в GPS ТЕС измерениях для среднеширотных землетрясений (Италия, Греция, Турция, Алжир, Япония), выявлены основные характеристики предсейсмической модификации ТЕС над изучаемыми регионами.

Практическая ценность

Практическое применение результатов сейсмо-ионосферного мониторинга и прогноза представляет собой особую задачу, решение которой лежит в сфере интересов служб по чрезвычайным ситуациям не только в России, но и для других стран.

Разработанный подход базируется на новых принципах обработки информации о состоянии ионосферы, так и на комплексном подходе к анализу предвестников разной природы. Использование ионосферных предвестников, обнаруживаемых в GPS ТЕС вариациях для землетрясений с магнитудой выше 5.0, дает возможность дополнить традиционные методы сейсмического мониторинга. Реализация этой концепции может в скором будущем заложить надежные основы для устойчивого научного прогнозирования сильных землетрясений. Наряду с этим результаты исследования характеристик трансионосферных сигналов дециметрового диапазона представляют интерес с точки зрения изучения пространственной структуры и динамики ионосферы, а также могут найти применение в задачах космической навигации, радиолокации, связи.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Методика обнаружения ионосферных предвестников землетрясений в вариациях GPS ТЕС.

2. Результаты исследования пространственно-временной модификации ионосферы для различных сейсмически-активных регионов мира.

3. Характеристики обнаруженных сейсмо-ионосферных аномалий в вариациях полного электронного содержания ионосферы.

4. Вывод о перспективности использования глобального мониторинга ионосферы на основе GPS наблюдений для реализации новых методов краткосрочного прогноза землетрясений.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и были представлены на IX, X, XI, XII региональных конференциях по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 2003, 2004, 2005, 2006), Международной научной конференции, приуроченной к 200-летию со дня рождения КЛкоби и 750-летию со дня основания г. Калининграда (Кенигсберга) (Калининград, 2005), XXI Всероссийской научной конференции по распространению радиоволн (Йошкар-Ола, 2005), European Geosciences Union General Assembly 2006 (Vienna, Austria, 2006), XXIV Всероссийском симпозиуме "Радиолокационное исследование природных сред" (Санкт-Петербург, 2006), th th 6 International Conference "Problems of Geocosmos" (Санкт-Петербург, 2006), 18 International Wroclaw Symposium and Exhibition on Electromagnetic Compatibility (Wroclaw, Poland, 2006), 6-й Украинской конференции по космическим исследованиям (Евпатория, Украина, 2006), AGU Chapman Conference on Mid-latitude Ionospheric Dynamics and Disturbances (Yosemite, USA, 2007).

По теме диссертации опубликовано 23 работы, из них 9 статей, 3 работы в трудах научных конференций и 11 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав и заключения. Работа содержит 146 страниц текста, в том числе 73 рисунка и 3 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 135 наименований.

Содержание работы

Во Введении обосновывается актуальность темы исследования, сформулирована цель работы, приводятся сведения о научной новизне и практической значимости полученных результатов.

В первой главе представлен обзор основных результатов изучения ионосферных предвестников землетрясений. Обобщены и систематизированы экспериментальные данные, полученные с помощью наземных станций вертикального зондирования ионосферы, расположенных в сейсмически-активных регионах Земли, а также результаты спутникового радиозондирования. Показано, что одним из наиболее чувствительных параметров ионосферной плазмы к процессам подготовки землетрясения является электронная плотность в максимуме слоя F ионосферы NmF2. Проявления сейсмо-ионосферных возмущений в слое F носят настолько специфический характер, что при спокойном или умеренно-возмущенном гелио-геомагнитном фоне могут отождествляться как сейсмо-ионосферные предвестники землетрясений с высокой степенью вероятности. В этой связи данные регулярного мониторинга пространственно-временного распределения электронной концентрации ионосферы могут предоставлять достаточно надежную информацию о предвестниках катастрофических явлений и эффективно использоваться для краткосрочного прогноза землетрясений. В настоящее время GPS техника является наиболее перспективным средством диагностики для обнаружения сейсмо-ионосферных предвестников.

Физические механизмы литосферно-ионосферного взаимодействия широко обсуждаются многими авторами. В данной главе представлено описание наиболее адекватной электродинамической модели литосферно-атмосферно-ионосферных связей, позволяющей интерпретировать большинство спутниковых и наземных измерений аномальных вариаций ионосферы, наблюдаемых над сейсмически-активными регионами, проявлением одной причины [Сорокин В.М. и Чмырев В.М. Электродинамическая модель ионосферных предвестников землетрясений и некоторых видов катастроф // Геомагнетизм и аэрономия. 2002. Т. 42. № 6. с.821-830].

Согласно этой модели, изменения параметров нижней атмосферы над сейсмоактивной зоной инициируют возмущения ионосферной плазмы и электромагнитного поля. Главной причиной этих эффектов является вертикальный турбулентный перенос инжектируемых в атмосферу заряженных аэрозолей и радиоактивных веществ. Увеличение уровня атмосферной радиоактивности при подготовке землетрясения приводит к росту скорости ионообразования и электрической проводимости нижней атмосферы. Совместное действие этих процессов приводит к усилению в ионосфере электрического поля до величин единицы - десятки мВ/м, что сопровождается локальными изменениями концентрации плазмы.

Вторая глава содержит описание методики обработки двухчастотных радиосигналов навигационных спутников системы GPS по восстановлению полного электронного содержания ионосферы и методику анализа вариаций GPS ТЕС с целью обнаружения ионосферных предвестников землетрясений.

В параграфе 1 представлено описание конфигурации и основных характеристик навигационной системы GPS, а также глобальной и региональных сетей GPS станций.

Космический сегмент системы образован орбитальной группировкой, номинально состоящей из 24 основных спутников и четырех резервных. Космические аппараты находятся на шести круговых орбитах высотой 20200 км, наклонением 55° и равномерно разнесенных по долготе через 60°. Данная конфигурация предполагает, что в любой точке Земли в любой момент времени в зоне радиовидимости находятся 6-8 спутников системы, что позволяет проводить непрерывный мониторинг ионосферы. Каждый спутник GPS излучает два высокостабильных сигнала на частотах f i=1575.42 МГц и f2=1227.60 МГц. Двухчастотные групповые измерения задержек сигналов спутников GPS позволяют выделить ионосферную часть задержки радиосигнала, и соответственно определить абсолютное значение полного электронного содержания, которое пропорционально этой задержки.

В настоящее время в мире насчитывается более 3000 GPS станций, которые проводят непрерывные наблюдения на регулярной основе и свободно предоставляют свои данные мировому сообществу. Каждая отдельная станция обеспечивает мониторинг ионосферы в радиусе более чем 1000 км, в том числе в трудно доступных местах.

Глобальная сеть IGS (International GNSS Service) содержит более 1500 станций по всему миру. Использование сети IGS станций для исследования ионосферы имеет несколько преимуществ над более традиционными методами: одновременное глобальное покрытие, высокое временное разрешение, непрерывность во времени, доступность данных.

Необходимо отметить также бурный рост региональных сетей GPS станций, обеспечивающих невиданное ранее пространственно-временное разрешение. Европейская сеть EUREF Permanent GPS Network (EPN) в настоящий момент насчитывает 187 станций. Мощная сеть GEONET, развернутая в Японии, предоставляет информацию от 1200 GPS станций. Плотная сеть GPS станций (около 300) создана в сейсмоопасной зоне в штате Калифорния (США). Развитие данных сетей представляет собой экспериментальную основу для осуществления GPS мониторинга основных сейсмоактивных районов мира.

Параграф 2 описывает методику восстановления полного электронного содержания ионосферы (ТЕС) по измерениям сигналов навигационных спутников системы GPS.

GPS техника реализует одновременно измерения групповых (Pi, Р2) и фазовых задержек сигналов Li( i) на частоте 1575.42 МГц и Ьг г) на частоте 1227.60 МГц, которые можно записать в следующем виде:

P,=p + I,+c-(8tn,+6tcl),

P2=p + I2+c-(5tn2+5tC2),

L, =р -І,+ ,Д L2 = p -I2+ 2N2,

где р = р + Т + 5 + С, - включает в себя геометрическое расстояние между приемником и спутником (р), Т - задержки в тропосфере, б - часть систематической погрешности, в состав которой входят погрешности определения спутниковых эфемерид, расхождение шкал времени спутника и приемника и другие частотно-независимые задержки, -случайная погрешность, I] и її - поправки на ионосферную рефракцию сигналов, X\N\ и A.2N2 - неизвестные начальные фазы сигналов, с - скорость света, 5tci, 5tc2 и 5tni, Stm -инструментальные задержки сигналов в аппаратуре спутника и приемника.

Дифференциальная задержка двух сигналов пропорциональна полному электронному содержанию ионосферы TEC (Total Electron Content):

AL = AI + B,

ДР = ДІ + А,

ДІ = 40.3 -= -ТЕС = М • ТЕС

f2f2 і, і2

где ДІ - дифференциальная ионосферная задержка, В - неизвестная начальная фаза, А -неизвестная аппаратурная задержка, М=10.5-1018 м3/эл - масштабный коэффициент.

Формально уравнения для групповых и фазовых измерений имеют одинаковый вид, и ионосферная задержка может быть определена с точностью до неизвестной поправки. Инструментальная задержка мало меняется на временах более нескольких дней, в то время как начальная фаза остается постоянной на временах сеанса связи.

Для обработки GPS измерений используются два алгоритма - одно- и многостанционный. В одностанционном варианте восстанавливается суточная вариация ТЕС над отдельной станцией по измерениям всех пролетов спутников на 24-часовом интервале. При этом определяется абсолютное значение ТЕС, инструментальные задержки и неизвестные фазы для каждого спутника. Для восстановления ТЕС над станцией используется локальная модель для суточной вариации в виде разложения по суточным гармоникам. Для пересчета наклонного ТЕС (вдоль луча спутник-приемник) в вертикальный используется однослойная модель ионосферы, в которой предполагается, что все электроны сосредоточены в тонком слое, расположенном на некоторой высоте над поверхностью Земли. Высота слоя считается фиксированной и равной 400 км. Для пересчета используется геометрический фактор.

Для получения пространственного распределения ТЕС и построения карт был реализован алгоритм многостанционной обработки GPS измерений с использованием глобальной (региональной) модели. Плотная и развитая сеть приемных станций в Европе и Японии обеспечивает высокое пространственное и временное разрешение карт ТЕС. Карты могут строиться с интервалом 5 минут, что позволяет проводить исследования тонкой структуры ионосферы и ее динамики во времени.

Параграф 3 описывает методику обнаружения сейсмо-ионосферных предвестников в вариациях полного электронного содержания, в основе которой лежит информационно-статистический подход.

Первый этап. Для предварительной оценки сейсмо-ионосферных эффектов применяется анализ глобальных ТЕС карт в формате IONEX (IONosphere map EXchange), которые регулярно создаются лабораториями CODE, JPL, ESA/ESOC, gAGE/UPC по данным мировой сети IGS станций. Данный формат предполагает пространственное разрешение 5° по долготе, 2.5° по широте, временной интервал - 2 часа. IONEX данные доступны на сайте: ftp://cddisa.gsfc.nasa.gov/pub/gps/products/ionex/. С помощью комплекса программ обрабатываются глобальные ТЕС карты, строятся фоновые и вычисляются дифференциальные карты отклонений ТЕС. Поскольку пространственный масштаб ионосферных предвестников для сильных землетрясений достигает нескольких тысяч километров вдоль параллели и около 1000 км вдоль меридиана, то использование глобальных ТЕС карт позволяет получить предварительные оценки о возможной регистрации сейсмо-ионосферного предвестника и сделать вывод о необходимости проведения дальнейшего изучения обнаруженного эффекта.

Для того чтобы надежно связать ионосферные вариации с приближающимся землетрясением, необходимо знать все особенности регионального поведения ионосферы в рассматриваемой географической зоне в спокойных и магнито-возмущенных условиях.

Поэтому для каждого сейсмически-активного региона анализ модификации ионосферы с помощью ТЕС карт должен осуществляться непрерывно.

Однако двухчасовой интервал построения карт не всегда достаточен для проведения подобного анализа. Так как основными особенностями ионосферных предвестников являются четко выраженная локальность («приложенность» к месту действия будущего землетрясения) и ограниченность времени проявления (не более 4-6 часов), то возникает необходимость изучать карты с более высоким пространственно-временным разрешением.

Второй этап. Используется разработанная нами технология построения региональных ТЕС карт по данным измерений сетей GPS станций. Данная методика позволяет получать карты с интервалом 15 минут и с высоким пространственным разрешением, дающим возможность детектировать ионосферные неоднородности с размерами более 100 км. Таким образом, анализ региональных карт с подобным разрешением позволяет изучать морфологические и динамические характеристики возбуждаемых сейсмической активностью ионосферных возмущений.

Для каждой из рассматриваемых сейсмически-активных зон строятся и анализируются карты ТЕС-вариаций в спокойное и сейсмически-активное время. Оцениваются пространственные масштабы и амплитуда сейсмо-ионосферного возмущения.

Третий этап. В каждом изучаемом сейсмически-активном регионе выделяется сеть опорных GPS станций. Необходимо отметить, что каждая отдельная станция обеспечивает мониторинг ионосферы в радиусе более чем 1000 км, в том числе в труднодоступных местах. Для выбранных станций изучается поведение суточной вариации ТЕС: строится временной ряд, который исследуется с помощью методов статистического анализа. Определяется локальная область с наибольшими отклонениями в ТЕС вариации.

Необходимо учесть, что для формирования суточной вариации ТЕС используются измерения всех пролетов над станцией наблюдения; т.е. суточная вариация получается посредством осреднения ТЕС по достаточно большой пространственной области ионосферы. Поэтому для более детального исследования картины изменения ТЕС изучаются вариации ТЕС вдоль пролетов отдельных спутников. Для спутников системы GPS период обращения составляет 12 сидерических часов, таким образом, каждый спутник появляется через сутки над одной и той же областью с временным сдвигом около минут, поэтому можно проводить сравнение вариации ТЕС вдоль определенного пролета на временном интервале в несколько дней.

В третьей главе представлены результаты исследования пространственно-временной модификации ионосферы перед сильными землетрясениями (М 5.0) для различных сейсмически-активных районов Земли.

Для исследования отобраны землетрясения с магнитудой выше 5.0, которые были зафиксированы в различных регионах с 1999 по 2006 гг. Анализ сейсмо-ионосферных вариаций, наблюдаемых для сильных среднеширотных землетрясений (Италия, Греция, Турция, Алжир, Япония) в спокойных геомагнитных условиях, позволил выявить следующие характеристики: проявление сейсмо-ионосферных эффектов в GPS ТЕС измерениях наблюдается, по меньшей мере, за двое-трое суток до землетрясения, имеет вид локального увеличения электронной концентрации, максимум возмущенной области расположен в непосредственной близости от эпицентрального района. Пространственный масштаб - несколько тысяч километров вдоль параллели и около 1000 км вдоль меридиана. По мере приближения к моменту землетрясения амплитуда возмущения увеличивается, достигая значения 40-60% (в некоторых случаях, 80-100%) относительно фонового уровня. За 10-30 часов до землетрясения выявлена тенденция уменьшения электронной концентрации над эпицентральным районом - "отрицательная" аномалия. Величина "отрицательного" эффекта может достигать минус 30% относительно невозмущенного состояния. В спокойных геомагнитных условиях смена знака сейсмо-ионосферного возмущения может трактоваться как сигнал приближающегося землетрясения.

Параграф 3. Особый интерес представляет исследование воздействия электрических полей сейсмогенной природы на экваториальную ионосферу. Известно, что экваториальная аномалия очень чутко реагирует на любые изменения электрических полей различного происхождения. В ходе подготовительной фазы экваториального землетрясения происходит проникновение аномальных электрических полей сейсмогенной природы на ионосферные высоты, вызывая усиление или ослабление натурального поля экваториального электроджета. Изменение процесса ЕхВ-дрейфа вызывает пространственное перераспределение электронной концентрации.

Исследовалась модификация ионосферы низких широт, ассоциированная с катастрофическим землетрясением в районе острова Суматра 26 декабря 2004 г.

Магнитуда землетрясения была равна 9.0. Обнаруженная модификация экваториальной аномалии, ассоциированная с землетрясением, носила различный характер проявления и наблюдалась от -3-4 и вплоть за несколько часов до начала сейсмической активности. На заключительной стадии подготовки землетрясения были обнаружены 2 модификации в распределении ТЕС. За 2 дня до события наблюдался позитивный эффект в виде дневного усиления экваториальной аномалии. Максимальное увеличение в «гребнях» достигало 20 TECU (50-60%) относительно невозмущенного уровня. В предшествующие дни в вечерние и ночные часы местного времени отмечалась специфическая трансформация распределения ТЕС. Структура в виде аномалии с двумя «гребнями» и провалом наблюдалась в то время, когда экваториальная аномалия обычно исчезает.

Параграф 4. Данные по измерениям задержек сигналов навигационных спутников системы GPS, проводимых на международной сети станций GPS-IGS, были использованы для обнаружения в планетарном масштабе перемещающихся крупномасштабных неоднородностей, ассоциированных с предвестниками землетрясений.

Ранее обнаружение этих неоднородностей и изучение их траекторий проводилось по данным вертикального зондирования сети ионосферных станций, а также по данным спутникового зондирования. Данные неоднородности возникают на уровне высоты максимума слоя F2 в окрестностях эпицентров сильных землетрясений (М 5.0) за 10-15 ч до главного удара. Их горизонтальные размеры (1-ь4)-10 км, вертикальные - порядка 100 км. Однако возможности непрерывного глобального мониторинга подобных неоднородностей с помощью ионозондовых наблюдений весьма ограничены в связи со значительным сокращением числа ионосферных станций ВЗ в мире.

Впервые подобные крупномасштабные неоднородности были выявлены в ТЕС вариациях на основе измерений задержек радиосигналов навигационных спутников глобальной системы GPS. Их параметры (размеры, величина возмущения, достигающая 30-40% относительно спокойного фона, траектория движения), согласующиеся с ранее полученными ионозондовыми измерениями, позволили ассоциировать данные неоднородности с предвестниками землетрясений.

Поэтому регулярный мониторинг ионосферы, осуществляемый в глобальном масштабе на основе сети GPS-станций, может стать эффективным инструментом для изучения подобных эффектов в частности и краткосрочного прогнозирования катастрофических землетрясений в целом.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

1. Разработаны алгоритмы и реализован комплекс программ по обработке обсервационных данных, анализу и обнаружению сейсмо-ионосферных предвестников в вариациях полного электронного содержания ионосферы.

2. Представлены результаты анализа пространственно-временной модификации ионосферы перед сильными землетрясениями (М 5.0) для различных сейсмически-активных районов Земли: Европа, Япония, Индонезия. В ходе работы было рассмотрено более 35 землетрясений.

3. Анализ ТЕС вариаций, полученных по измерениям радиосигналов системы GPS, позволил получить новые данные о модификации ионосферы над сейсмически-активными регионами. Выявленные особенности предсейсмического поведения ТЕС соответствуют основным результатам исследований других авторов по изучению ионосферных предвестников, наблюдаемых в F слое, по данным наземного и спутникового радиозондирования ионосферы.

4. На основе статистического анализа большого числа сильных среднеширотных землетрясений (Италия, Греция, Турция, Алжир, Япония) получены следующие характеристики ионосферных предвестников землетрясений в GPS ТЕС измерениях:

- проявление сейсмо-ионосферных эффектов наблюдается в среднем за двое-трое суток до землетрясения,

- имеет вид локального увеличения электронной концентрации,

- максимум возмущенной области расположен в непосредственной близости от эпицентрального района,

- пространственный масштаб - несколько тысяч километров вдоль параллели и около 1000 км вдоль меридиана,

- амплитуда возмущения достигает значения в среднем 40-60% относительно фонового уровня,

- при увеличении магнитуды землетрясения наблюдается увеличение пространственного масштаба и амплитуды проявления сейсмо-ионосферного эффекта,

- приблизительно за 1 сутки до события может наблюдаться тенденция относительного уменьшения электронного содержания ионосферы над сейсмически-активным регионом.

5. Анализ карт полного электронного содержания ионосферы перед землетрясением 26 декабря 2004 г. (М9.0) в районе о.Суматра показал, что для низкоширотного землетрясения основной сейсмо-ионосферный эффект обнаруживается в виде специфической модификации экваториальной аномалии за несколько дней до главного сейсмического толчка.

6. Совокупный анализ результатов исследования показал, что оперативное использование технологии мониторинга полного электронного содержания ионосферы, осуществляемого по измерениям сигналов системы GPS, в глобальном масштабе и над конкретным регионом в частности может внести существенный вклад в развитие программ краткосрочного прогноза землетрясения.

Всплески электромагнитного излучения в УНЧ/КНЧ/ОНЧ диапазонах

В работах последних лет рассматриваются характерные особенности формирования спорадических неоднородностей слоя Е перед землетрясениями [Ораевский и др., 1993; Липеровская и др., 1999; Ondoh and Hayakawa, 2000; Silina et al., 2001; Liperovskaya et al., 2003]. Отмечается, что формирование спорадического Е слоя в обычных условиях является достаточно редким явлением и крайне редко регистрируется на ионосферных станциях вертикального зондирования. Слой Es наблюдается чаще всего в ночное время суток, вероятность его появления зависит от сезона и уровня солнечной активности. След отражения Es, как правило, присутствует на монограммах при низких значениях критической частоты fEs (1-2 МГц), перед землетрясениями значения критической частоты возрастают в несколько раз. Высокая вероятность появления отчетливо выраженного спорадического слоя Е перед сильными землетрясениями дало основание рассматривать его в качестве краткосрочного прогностического индикатора.

Причина появления этих слоев ионосферы заключается в проникновении вертикальных электрических полей сейсмогенной природы в ионосферу, где из-за анизотропности электропроводности они преобразуются в горизонтальные электрические поля. Происходит электрический нагрев, при котором температура электронов в Е слое увеличивается, в результате чего в Е слое образуются существенные неоднородности. Следует отметить, что ионосферная плазма в Е слое в основном состоит из молекулярных ионов NO+, Nj, О2 и небольшого числа ионов металлов.

Процесе подготовки землетрясения сопровождается интенсивной эксхаляцией почвенного радона и инжекцией аэрозолей металлов в верхнюю атмосферу и ионосферу (слой Е) [Уткин и Юрков, 1998; Pulinets and Boyarchuk, 2004]. Эти аэрозоли увеличивают число ионов металлов и усиливают электрическое поле ионосферы. В работе [Ondoh, 2002] выявлена аномальная ионизация слоя Е ионосферы перед землетрясением Hyogo-ken Nanbu (Кобэ), Япония, 17 января 1995 (Ml2). За несколько дней до события было зарегистрировано резкое увеличение концентрации радона, примерно в 10 раз превышающее нормальный фоновый уровень на эпицентральном расстоянии в 200 км. 15 января 1995 г. (за два дня до землетрясения) измерения на станции вертикального зондирования Shigaraki, расположенной всего в 100 км от эпицентра, показали увеличение критической частоты спорадического Е слоя ffis до 9 МГц, в то время как нормальные значения fEs для зимнего сезона не превышали 4.5 МГц. Одна из полученных иононограмм за 15 января приведена на рисунке 1. Локальное увеличение электронной плотности в Е слое связывается с электрическими полями и усилением проводимости приземной атмосферы за счет эксхаляции основного естественного ионизатора - радона.

В работе [Silina et al., 2001] проведен статистический анализ ионосферных эффектов в слое Е, предшествующих землетрясениям с М 5.5, эпицентры которых располагались на расстоянии не более 500 км от ионозонда. Для анализа использовались данные станции вертикального зондирования ионосферы Душанбе (38.5N, 68.8Е) за 1985-1990 гг. Землетрясения были условно разделены на две группы: «глубокие» (глубина гипоцентра D 33 км) и «коровые» (D 33 км). Для всех рассматриваемых событий было зарегистрировано формирование спорадического слоя Е. Анализ показал, что за 1-3 дня перед сильными землетрясениями происходит увеличение следа Es на ионограммах. Для глубокофокусных землетрясений этот эффект выражен более сильно.

Исследование предвестниковых эффектов в спорадическом слое Е было проведено в [Корсунова, 2004] для землетрясений с М 6.0, эпицентры которых располагались в сейсмоактивной зоне вблизи японских островов. Использовались данные ежечасных ионосферных наблюдений за 1994-2000 гг. на станции вертикального зондирования Кокубунжи (35.7N, 139.5Е), когда она входила в зону подготовки землетрясений (г ем, где г - радиус зоны подготовки землетрясения в км, М - магнитуда землетрясения). Отбирались землетрясения с глубиной гипоцентров h 50 км при условии отсутствия сильных геомагнитных возмущений в период подготовки землетрясений, так что среднесуточный индекс Ар 15. На основании проведенного исследования были сделаны следующие выводы:

Для коровых землетрясений с М 6.0 в спокойных геомагнитных условиях в различных очаговых зонах на ф 26-40N за несколько суток до их начала на расстояниях R 500 км от эпицентра преобладают положительные возмущения в параметрах спорадических слоев, приводящие к подъему слоя, возрастанию электронной концентрации и увеличению степени неоднородности Es. Эти результаты подтверждают выводы, полученные в [Корсунова и др., 1999] для континентальных коровых землетрясений по наблюдениям на станции Ашхабад, находящейся в той же широтной зоне.

Заблаговременность появления предвестника в параметрах Es тем раньше, чем выше магнитуда готовящегося землетрясения и меньше расстояние до эпицентра, что согласуется с данными наземных измерений других геофизических параметров в области очага землетрясения. Для землетрясений с М=6.5-7.0 и R 500 км заблаговременность появления предвестника может составлять от нескольких часов до нескольких суток. Аналогичные результаты по характерным временам появления предвестников и их зависимости от М и R получены ранее по ионосферным наблюдениям эффектов 50 землетрясений разного класса в Прикопетдагской зоне Туркменистана [Корсунова и др., 1999].

В работе [Электромагнитные..., 1982] исследовалась реакция регулярного Е-слоя на готовящееся землетрясение. На рисунке 3 приведены вариации среднесуточных отклонений критической частоты foE слоя Е от скользящих месячных медианных значений перед Ташкентским землетрясением (М5.3) 26 апреля 1966 г.

Пользовательский сегмент. Наземные сети двухчастотных приемников системы GPS

К настоящему моменту использование измерений, зарегистрированных на спутниках OGO-6, АЕ-С, ISIS-2, AUREOL-3, Alouette, ИНТЕРКОСМОС-18,-19, КОСМОС-1809, МИР, DEMETER и ряде других космических аппаратов, позволило накопить большое количество фактов, которые свидетельствуют о проявлении предвестников землетрясений в ионосфере и магнитосфере. К ним относят электромагнитный шум, перекрывающий диапазон частот от долей Гц до десятков МГц, вариации свечения неба (особенно вблизи длины волны 630 нм), слабые высыпания высокоэнергетичиых частиц, появление мелкомасштабных ионосферных неоднородностей в F-области, которые влияют на условия прохождения радиоволн, вариации электронной плотности в Е и F областях, изменения в D-области, отражающиеся на фазе радиоволн [Липеровский и др., 1992].

Перед землетрясениями во время сейсмической форшоковой активности отмечались изменения характеристик распространения сверхдлинных радиоволн (СДВ), которые указывали на вариации плотности ионосферной плазмы и на уменьшение эффективной высоты верхней стенки волновода Земля-ионосфера [Гохберг и др., 1987; 1989; Поиск электромагнитных..., 1988; Molchanov et al., 1998]. Изменения фазы радиоволн перед Рудбарским (20 июня 1990 г., М7.5, Иран) и Рачинским (29 апреля 1991 г., А/7.1, Грузия) землетрясениями при радиопросвечивании волновода на СДВ и наклонном зондировании на длинных радиоволнах с частотой 100 кГц отмечено в работе [Гуфельд и др., 1992]. Уменьшение эффективной высоты отражения радиосигнала перед большим землетрясением в Кобе (Япония, Ml 2) 17 января 1995 г. составило по оценкам [Molchanov et al., 1998] около 2 км. В этих и других экспериментах осуществлялась регистрация изменений фазы сигнала на различных трассах распространения радиоволн при помощи радионавигационных радиопередатчиков (ФРНС «Омега»).

Недавно были опубликованы интересные данные о некоторых вариациях в суточной зависимости фазы отраженного от ионосферы радиосигнала, которые возникают перед мелкофокусными землетрясениями [Molchanov and Hayakawa; 1998]. Метод основан на непрерывном наблюдении за фазой сигнала. Обычно измерения показывают, что в течение суток дважды: утром и вечером, фаза и амплитуда отраженного радиосигнала достигают минимальных значений. Моменты времени, в которые достигается минимум, или моменты терминатора (МТ) испытывают вариации с периодом в несколько суток.

Причина этого явления связана с периодичностью изменения состояния атмосферы и ионосферы. Например, среднемесячные значения МТ хорошо коррелируют с моментами восхода и захода Солнца. Возможная связь этого явления с землетрясениями обнаружена впервые. Анализ многолетних данных позволил обнаружить статистически значимые отклонения (более двух стандартных среднеквадратичных отклонений) МТ от средних значений, которые могут быть связаны с землетрясениями [Molchanov and Hayakawa; 1998]. Эффект заключался в том что, если землетрясению предшествовали устойчивые резонансные колебания МТ с периодом 5 - 10 дней, то после землетрясения происходило изменение фазы этих колебаний. Причем изменения характеристик МТ начинались за 2 - 3 дня до землетрясения и заканчивались несколько недель спустя после него. Данное явление возникало только для мелкофокусных землетрясений. В работе [Molchanov and Hayakawa; 1998] полагают, что этот эффект мог быть вызван внутренними гравитационными волнами в атмосфере, которые связаны каким-то образом с процессом подготовки землетрясения.

Большое количество работ было посвящено изучению данных измерений в верхней ионосфере, полученных во время прохождения спутников над эпицентрами готовящихся землетрясений.

Возможная связь ионосферных возмущений с землетрясениями обнаружена после обработки записей измерений спутника OGO-6 [Гохберг др., 1983]. Было найдено, что за 14 ч до начала землетрясения с магнитудой М5А произошло возрастание всех электромагнитных шумов в диапазоне частот 100-500 Гц. Во время измерения спутник находился над точкой Земли, удаленной от эпицентра будущего землетрясения на 480 км. Спутники AES и 1SIS-2 зарегистрировали вариации ионной и электронной плотностей в ионосфере соответственно за 2 и 14 ч до начала землетрясения (М6.0) [Гохберг др., 1983]. Данные получены на расстояниях 100 и 200 км от эпицентра землетрясения.

Регистрировались случаи возрастания ионосферных электромагнитных шумов от 10 мин до 1 ч перед и после землетрясениями. Эти данные получены спутником ИНТЕРКОСМОС-19, когда он находился над эпицентром землетрясения с Л/5.9 [Ларкина и др., 1983; 1988; Larkina et. al., 1989]. Наиболее часто максимум интенсивности приходился на частоты около 15 кГц, однако вблизи от сейсмической зоны максимум перемещался на частоты ниже 140 Гц.

На рисунке 6 представлена усредненная широтная зависимость низкочастотных шумов на чистоте 4.65 кГц для различных условий геомагнитной активности, полученная за 4 месяца работы спутников ИНТЕРКОСМОС-5 (2 мес) и ИНТЕРКОСМОС-19 (2 мес). Из рисунка видно, что всплески интенсивности шумовых излучений (на рис. - ромбики и кружочки), связанные с сейсмической активностью, заведомо превышают уровень шумов, обычно наблюдаемый в данной области пространства, и уверено выделяются для широт до 50 при всех уровнях магнитной активности.

По данным спутника ИНТЕРКОСМОС-19 были проанализированы не только индивидуальные события, но и получены статистические характеристики с помощью формализации процесса обработки данных. В результате было установлено, что широтный размер зоны регистрации всплесков значительно уже, чем долготный, т.е. всплески излучения наблюдаются в виде «шумового пояса», вытянутого примерно вдоль геомагнитной широты эпицентра. Вероятностные размеры всплесков составляют ±3 по широте и ±60 по долготе. До землетрясения наблюдались и магнитная, и электрическая компоненты поля шумовых излучений. После землетрясения преобладала электрическая составляющая. Диапазон частот от долей герц до 20 кГц и выше. Достоверность наблюдаемого эффекта на основании результатов статистической обработки экспериментальных результатов составляет 85-90%.

В работах [Чмырев и др., 1986; Chmyrev et al., 1989] представлены низкочастотные вариации (0.1+8 Гц) электромагнитного поля Земли, зафиксированные спутником "ИНТЕРКОСМОС-БОЛГАРИЯ-1300" за несколько минут до землетрясения (М4.8).

Антенны спутника AURE0L-3 (апогей 2012 км, перигей 408 км) зафиксировали возрастание электрических сигналов в каналах с частотами 72 и 150 Гц, когда спутник пересекал параллель, проходящую через эпицентр готовящегося землетрясения [Parrot and Mogilevsky, 1989; Parrot, 1990]. Землетрясение с магнитудой М5Л произошло 20 мин спустя, после того как спутник прошел над эпицентралыюй зоной. Во время пересечения спутником AUREOL-3 1-оболчки, сопряженной с эпицентром землетрясения, произошло высыпание высокоэнергетичных электронов и протонов [Гальперин и др., 1992].

Методика обнаружения сейсмо-ионосферных предвестников в вариациях полного электронного содержания

В настоящее время существует целый ряд гипотез, моделей, теорий связи процессов, протекающих в литосфере Земли, с возмущениями различных параметров ионосферы, описание которых представлено в [Краткосрочный..., 1999]. Рассмотрим описание наиболее известной и физически-обоснованной электродинамической модели литосферно-атмосферно-ионосферных связей, которая была разработана в работах [Pulinets et al., 1999; Сорокин и др., 1999; Сорокин и Чмырев, 2002], позволяющей интерпретировать большинство спутниковых и наземных измерений аномальных вариаций ионосферы, наблюдаемых над сейсмически-активными регионами, проявлением одной причины. На рисунке 10 приведена диаграмма, иллюстрирующая цепочку процессов, которые составляют эту модель. Каждый блок обозначает физический процесс, возбуждаемый процессом из предыдущего блока. Таким образом, начальное воздействие сводится к наблюдаемым величинам, позволяющим проводить сопоставление с данными наблюдений. На рисунке 11 представлена модифицированная (более развернутая) версия данной электродинамической модели, полное описание и обоснование которой представлено в работе [Pulinets and Boyarchuk, 2004].

Электродинамическое воздействие на ионосферу осуществляется в результате изменения величины электрического тока в глобальной электрической цепи, участком которой является ток, протекающий из ионосферы к Земле. Величина тока в цепи меняется при возникновении стороннего вертикального тока и изменении электрического сопротивления слоя Земля-ионосфера. Основная электрическая нагрузка цепи атмосферного тока сосредоточена в нижней атмосфере. Ее проводимость определяется источниками ионизации (химическими, электрическими, радиоактивными) и подвижностью ионов. Возможны различные механизмы формирования стороннего тока в приземных слоях атмосферы накануне землетрясения. Одним из таких механизмов является процесс интенсификации выброса заряженных почвенных аэрозолей в атмосферу или изменения метеорологических условий при их стабильном высотном распределении. Квазистационарное высотное распределение аэрозолей формируется в результате турбулентного переноса вверх и гравитационного оседания. Турбулентные вихри переносят заряженные аэрозоли и обусловленный ими сторонний ток из области высот, где их концентрация велика, на высоты с низкой концентрацией. Появление сторонних вертикальных токов в нижних слоях атмосферы эквивалентно подключению ЭДС в атмосферно-ионосферную электрическую цепь. Перенос стороннего тока вверх может осуществляться в результате вертикальной конвекции атмосферы при нагреве ее приземного слоя. Если вертикальный градиент температуры Т по абсолютной величине превысит критическое значение, приблизительно равное 1, то атмосфера становится неустойчивой и начинается вертикальная конвекция. Согласно спутниковым данным, рост сейсмической активности сопровождается нагревом нижней атмосферы на несколько градусов [Tronin, 1999; Qiang et al, 1999; Ouzounov and Freund, 2004]. Этот нагрев может быть связан с парниковым эффектом, с джоулевым теплом при появлении сторонних токов и т.п.

Другим существенным фактором, влияющим на проводимость приземного слоя, является увеличение уровня атмосферной радиоактивности. Естественная радиоактивность нижних слоев атмосферы обусловлена содержащимися в ней такими радиоактивными элементами как изотопы радона. Радиоактивные элементы попадают в атмосферу вместе с почвенным воздухом при обмене его с атмосферным (т.н. «эксхаляция») или путем диффузии. Они переносятся вверх воздушными потоками до высоты в несколько километров. Обладая рядом специфических особенностей, радон является оптимальным индикатором различных геологических процессов. Динамические изменения концентрации радона в приповерхностном слое почвы связаны с динамическими изменения напряженно-деформированного состояния горного массива [Уткин и Юрков, 1998].

Подготовка землетрясения, фиксируемая по динамике эксхаляции радона, начинается за 3-4 месяца до сейсмического события и особенно четко проявляется за 1-2 недели до землетрясения. Перед сильным землетрясением наблюдается резкое увеличение концентрации радона в термальных водах и почвенном газе (в 2-5 раз за 7-18 дней, в зависимости от магнитуды ожидаемого землетрясения), и резкое уменьшение концентрации радона до уровня ниже среднего непосредственно после землетрясения.

Помимо общей тенденции увеличения концентрации радона в сейсмически-активном районе в течение нескольких недель перед сильным землетрясением, имеются сведения о динамике эксхаляции радона за 10-25 часов до события. В работе [Уткин и Юрков, 1998] было обнаружено явление пространственной зональности выделения радона в зависимости от расстояния до будущего эпицентра сейсмического события. При этом пространственные изменения динамики выделения радона носят явно выраженный нелинейный характер. За сутки до землетрясения наблюдается динамическое уменьшение концентрации радона в эпицентральной «ближней» зоне. Проявление данного эффекта связано с увеличением напряженного состояния массива (сжатие массива). Чем больше магнитуда будущего землетрясения, тем больше эпицентралыюе расстояние границ зоны сжатая. В то же время в «дальней» зоне (зоне растяжения) землетрясению предшествует увеличение содержания радона. Таким образом, пространственная зональность динамики эксхаляции радона, которая предшествует тектоническому землетрясению, приведет к пространственным вариациям характеристик приземного слоя атмосферы. Кинетика данных процессов исследовалась в работе [Пулинец и др., 19986] в рамках одномерной модели. По расчетам авторов уже через 50 с после выхода радона на поверхность земли и начала процесса ионизации воздуха концентрация ионов на высоте в десятки смповышается до величины (6-8)-104 см-3, а напряженность электрического поля достигает величины 250-400 В/м, то есть заметно превосходит земное поле (100 В/м). Таким образом, увеличение уровня атмосферной радиоактивности при подготовке землетрясения приводит к росту скорости ионообразования и электрической проводимости нижней атмосферы.

В работах [Bliokh, 1997; Куповых и др., 1998; Пулинец и др., 19986; Sorokin et al., 2001; Sorokin and Chmyrev, 2002; Rapoport et al., 2004; Фирстов и др., 2006] проведены теоретические исследования модификации высотного распределения проводимости и электрического поля в слое Земля-ионосфера. Показано, что с увеличением уровня радиоактивности у поверхности Земли возрастает проводимость приземного слоя атмосферы высотой в несколько километров [Сорокин и Ященко, 1999; Сорокин и др., 2001]. Электрическое поле вблизи поверхности Земли уменьшается из-за роста атмосферной радиоактивности, а на больших высотах значительно увеличивается по сравнению с невозмущенным состоянием, усиление в ионосфере электрического ПОЛЯ достигает величин единицы - десятки мВ/м [Chmyrev et al., 1989].

Рост электрического поля в ионосфере приводит к усилению тока, протекающего в проводящем Е слое, и дополнительному выделению джоулева тепла. Оценки показали, что джоулево тепло ионосферных токов в зоне подготовки землетрясения играет значительную роль в общем тепловом балансе ионосферы, решающим образом влияющим на ее состояние [Sorokin and Chmyrev, 1999].

Вариации полного электронного содержания ионосферы для землетрясений Средиземноморского региона

Первый этап. Для предварительной оценки сейсмо-ионосферных эффектов применяется анализ глобальных ТЕС карт в формате IONEX (IONosphere map EXchange), которые регулярно создаются лабораториями CODE, JPL, ESA/ESOC, gAGE/UPC по данным мировой сети IGS станций (используются данных более чем от 150 станций). Данный формат предполагает пространственное разрешение 5 по долготе, 2.5 по широте, временной интервал - 2 часа. IONEX данные доступны на сайте: ftp://cddisa.gsfc.nasa.gov/pub/gps/products/ionex/.

Известно, что ошибка построения карт для северного полушария на широтах 20-80 составляет 2-3 TECU [Wilson et al., 1995; Manucci et al., 1998]. В то же время стоит отметить, что из-за неравномерного распределения GPS-станций в отдельных труднодоступных местах точность построения карт уменьшается. Каждой двухчасовой ТЕС карте для оценки точности построения ставится в соответствие карта RMS (Root-mean-square) ошибок. Глобальные GPS ТЕС-карты тестировались посредством сравнения результатов с другими исследованиями, такими как TOPEX/POSEIDON, VLBI, установки некогерентного рассеяния [Jakowski and Sardon, 1996; Codrescu et al., 1999]. Эти сравнения свидетельствуют о хорошем согласии карт с другими измерениями. Таким образом, использование глобальных ТЕС карт позволяет проводить непрерывный мониторинг ионосферы с высокой точностью и достоверностью.

С помощью комплекса программ обрабатываются глобальные ТЕС карты, строятся фоновые и вычисляются дифференциальные карты отклонений ТЕС. Поскольку пространственный масштаб ионосферных предвестников для сильных землетрясений достигает нескольких тысяч километров вдоль параллели и около 1000 км вдоль меридиана, то использование глобальных ТЕС карт позволяет получить предварительные оценки о возможной регистрации сейсмо-ионосферного предвестника и сделать вывод о необходимости проведения дальнейшего изучения обнаруженного эффекта.

Для того чтобы надежно связать ионосферные вариации с приближающимся землетрясением, необходимо знать все особенности регионального поведения ионосферы в рассматриваемой географической зоне в спокойных и магнито-возмущенных условиях. Поэтому для каждого сейсмически-активного региона анализ модификации ионосферы с помощью ТЕС карт должен осуществляться непрерывно.

Однако двухчасовой интервал построения карт не всегда достаточен для проведения подобного анализа. Так как основными особенностями ионосферных предвестников являются четко выраженная локальность («приложенность» к месту действия будущего землетрясения) и ограниченность времени проявления (не более 4-6 часов), то возникает необходимость изучать карты с более высоким пространственно-временным разрешением.

Второй этап. Предварительно производится обработка обсервационных данных в формате R1NEX по восстановлению абсолютных значений полного электронного содержания для тех GPS станций, которые расположены в рассматриваемом сейсмически-активном регионе. Используется разработанная нами технология построения региональных ТЕС карт по данным измерений сетей GPS станций. Данная методика позволяет получать карты с интервалом 15 минут и с высоким пространственным разрешением, дающим возможность детектировать ионосферные неоднородности с размерами более 100 км. Таким образом, анализ региональных карт с подобным разрешением дает возможность изучать морфологические и динамические характеристики возбуждаемых сейсмической активностью ионосферных возмущений.

Для каждой из рассматриваемых сейсмически-активных зон строятся и обрабатываются карты ТЕС-вариаций в спокойное и сейсмо-возмущенное время.

Третий этап. В каждом изучаемом сейсмически-активном регионе выделяется сеть опорных GPS станций. Необходимо отметить, что каждая отдельная станция обеспечивает мониторинг ионосферы в радиусе более чем 1000 км, в том числе в труднодоступных местах. Для выбранных станций изучается поведение суточной вариации ТЕС: строится временной ряд, который исследуется с помощью методов статистического анализа. Определяется локальная область с наибольшими отклонениями в ТЕС вариации.

Необходимо учесть, что для формирования суточной вариации ТЕС используются измерения всех пролетов над станцией наблюдения; т.е. суточная вариация получается посредством осреднения ТЕС по достаточно большой пространственной области ионосферы. Поэтому для более детального исследования картины изменения ТЕС изучаются вариации ТЕС вдоль пролетов отдельных спутников. Для спутников системы GPS период обращения составляет 12 сидерических часов, таким образом, каждый спутник появляется через сутки над одной и той же областью с временным сдвигом около 4 минут, поэтому можно проводить сравнение вариаций ТЕС вдоль определенного пролета на временном интервале в несколько дней.

Как известно, наличие геомагнитных возмущений может значительно усложнить выделение ионосферных эффектов землетрясений. Ионосферные вариации, спровоцированные геомагнитной активностью, могут ослабить или усилить проявление сейсмо-ионосферных эффектов. Поэтому для получения более полной картины необходимо использовать информацию о геомагнитной обстановке в рассматриваемый временной период, которая предоставляется на сайте SPIDR (Space Physics Interactive Data Resource) http://spidr.ngdc.noaa.gov или сайтах мировых центров данных по солнечно-земной физике, например, МЦД в Японии http://swdcwww.kugi.kvoto-u.ac.jp.

Подробная информация о сейсмической активности Земли представляется в режиме реального времени на сайте Национального Центра Геологического обзора информации о землетрясениях (USGS Earthquake Hazards Program): http://neic.usgs.gov.