Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Диагностика ионосферных возмущений над сейсмоопасными регионами

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Диагностика ионосферных возмущений над сейсмоопасными регионами"

005531497

ДАВИДЕНКО Дмитрий Валерьевич

ДИАГНОСТИКА ИОНОСФЕРНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ НАД СЕЙСМООПАСНЫМИ РЕГИОНАМИ

Специальность 25.00.29 — физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

11 ИЮЛ 2013

Москва-2013

005531497

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении «Институт прикладной геофизики имени академика Е.К.Федорова» (ФГБУ «ИПГ»)

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Пулинец Сергей Александрович, ФГБУ «ИПГ»

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Калинин Юрий Кириллович, ФГБУ «ИПГ»

доктор физико-математических наук, профессор Намгаладзе Александр Андреевич, Мурманский государственный технический университет (ФГБОУ ВПО «МГТУ»)

Ведущая организация: Институт динамики геосфер РАН

Защита состоится 31 июля 2013 г. в 12 часов на заседании Диссертационного совета Д 327.008.01 Института прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова по адресу: 129128, Москва, ул. Ростокинская, д. 9, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Института прикладной геофизики имени академика Е.К.Федорова.

Автореферат разослан « 28 » июня 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 327.008.01

кандидат физико-математических наук E.H. Хотенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Результаты ионосферных исследований последних лет, полученные и опубликованные в разных странах, не оставляют сомнения в том, что сейсмическая активность является одним из источников изменчивости ионосферы. При этом величина наблюдаемых возмущений электронной концентрации часто бывает такого же порядка, а иногда и превосходит амплитуду возмущений во время сильных геомагнитных бурь. В то же время сейсмо-ионосферные вариации до самого последнего времени не учитывались ни одной из используемых в практике прогноза радиоволн моделей ионосферы. Известные сегодня и зарегистрированные экспериментально аномалии распространения радиоволн различных диапазонов от очень низкочастотного (ОНЧ) до сверхвысокочастотного (СВЧ), в том числе в диапазоне навигационных систем ГЛОНАСС/ОРБ, ставят на повестку дня исследования морфологических характеристик и регулярного мониторинга сейсмо-ионосферных аномалий для получения ионосферных поправок в целях систем навигации и других радиотехнических систем.

Знание морфологических свойств сейсмо-ионосферных аномалий, а также разработка методов обнаружения сейсмо-ионосферных аномалий позволят включить их в современные модели ионосферы, и осуществлять прогноз распространения радиоволн различных диапазонов над сейсмоактивными областями нашей планеты.

Естественная радиоактивность Земли, приводящая к генерации ионосферных аномалий, вносит существенный вклад в баланс Глобальной Электрической Цепи (ГЭЦ), а исследование эффектов ионизации позволит существенно уточнить современную модель ГЭЦ.

Разработка методов автоматической идентификации сейсмо-ионосферных аномалий за несколько суток до сейсмического толчка, позволит в будущем использовать эту информацию совместно с другими данными сейсмического мониторинга в системах раннего оповещения о готовящихся землетрясениях.

Изучение электромагнитных эффектов в ионосфере, предшествующих сильным землетрясениям, началось во второй половине 20 века в период активного развития средств радиозондирования ионосферы.

Первооткрывателями ионосферных предвестников землетрясений были М.Г. Анцелевич, Е.А. Датченко, В.И. Уломов, С.П. Чернышева. Они первыми обнаружили аномальные возмущения электронной концентрации в областях Е и

Степень разработанности темы исследования

F при исследовании ионосферной обстановки перед землетрясением в Ташкенте 1966 года.

Благодаря статистическому ретроспективному анализу данных вертикального радиозондирования ионосферы (наземного и спутникового), установлено, что за несколько суток - часов до землетрясения в ионосфере возникают аномальные возмущения, выраженные в увеличении (или в уменьшении) электронной концентрации на высоте главного максимума ионосферы области F над его эпицентром и иногда в магнитосопряженной области. Результаты нашли свое отражение в работах М.Б. Гохберга, Т.И. Зеленовой, Ю.К. Калинина, А.Д. Легеньки, М.Н. Фаткуллина, В.А. Липеровского, С.А. Пулинца, J.Y. Liu.

Исследования ¿'-области в период процесса подготовки сильных землетрясений позволили выявить формирование аномальных спорадических .Es-слоев. За несколько суток до землетрясений отмечается значительное увеличение предельной частоты спорадического слоя, а за сутки до землетрясения происходит уменьшение коэффициента полупрозрачности слоя. Результаты нашли свое отражение в работах В.А. Липеровского, Е.В. Липеровской, С.А. Пулинца.

В результате экспериментов по распространению сверхдлинных радиоволн (СДВ) на трассах, проходящих над сейсмоактивными регионами, М.Б. Гохбергом, И.Л. Гуфельдом, O.A. Молчановым, A.A. Рожным, М. Hayakawa, Р.F. Biagi было установлено, что за несколько суток до землетрясений происходит изменение амплитуды и фазы принимаемых сигналов. Подобное аномальное поведение объясняется значительным уменьшением эффективной высоты отражения СДВ радиосигналов от нижней D-области ионосферы. И.М. Фуксом и P.C. Шубовой было установлено, что аномалии в распространении СДВ радиосигналов наблюдались также над Чернобыльской атомной электростанцией (АЭС) после аварии в 1986 г. Предложенная ими теоретическая модель показывает, что подобное поведение радиосигналов является следствием изменения проводимости пограничного слоя атмосферы. Согласно теоретической модели Кима В.П. и др., опускание области D ионосферы происходит в результате высыпания энергичных частиц из радиационного пояса при проникновении электрического поля сейсмического источника в плазмосферу.

Статистический анализ данных спутниковых наблюдения над регионами повышенной сейсмической активности на высотах верхней ионосферы позволил выявить аномальные всплески электромагнитного излучения перед сильными землетрясениями в ультранизкочастотных (УНЧ), крайненизкочастотных (КНЧ) и ОНЧ диапазонах. Полученные результаты представлены в многочисленных

работах Ю.И. Гальперина, М.Б. Гохберга, В.И. Ларкиной, В.В. Мигулина, В.М. Чмырева, М. Parrot.

Целенаправленный эксперимент по изучению ионосферных предвестников землетрясений в наиболее сейсмоактивных регионах Земли проводился на спутнике «DEMETER» (2004 - 2010 гг.). Выполненный М. Parrot анализ данных электронной концентрации на высоте орбиты спутника «DEMETER» (~ 700 км), полученных в течение его срока эксплуатации показал, что электромагнитные предвестники начинают появляться за 13 суток до землетрясения, при этом максимальный эффект приходится на последние семь суток перед землетрясением.

На сегодняшний день доказано, что все слои ионосферы реагируют на процесс подготовки землетрясений.

С развитием эры навигационных спутниковых систем GPS, ГЛОНАСС, GALILEO, и расширением сети принимающих их сигналы приемников, появилась возможность использования этих систем для изучения ионосферы, а также для более детального рассмотрения ионосферных структур, возникающих накануне разрушительных землетрясений. Первыми исследователями, разработавшими и успешно использовавшими на практике алгоритм определения сейсмо-ионосферных аномалий из данных сигналов навигационных систем GPS для изучения ионосферы, были J.Y. Liu, И.И. Шагимуратов, В.Е. Куницын, С.А. Пулинец, И.Е. Захаренкова.

Первоначальная теория получила дальнейшее развитие в различных направлениях. На сегодняшний день существует несколько теоретических моделей, объясняющих физическую сущность реакции ионосферы на процесс подготовки землетрясения.

Одну из моделей предложили Ю.К. Калинин и Н.П. Сергеенко, утверждающие, что за 10-15 часов до катастрофы над эпицентром землетрясения возникает крупномасштабная ионосферная неоднородность, перемещающаяся от эпицентра будущего землетрясения по дуге большого круга.

С.А. Пулинец и К.А. Боярчук в своей монографии представили комплексную концепцию возникновения ионосферных предвестников землетрясений во всех слоях ионосферы. С.А. Пулинец и Д.П. Узунов, в свою очередь, разработали модель физико-химических связей в системе Литосфера-Атмосфера-Ионосфера, которая находит место вариациям космической плазмы перед землетрясениями в целом комплексе явлений, включающим вариации атмосферных и ионосферных параметров от поверхности Земли вплоть до высот магнитосферы.

Одним из индикаторов существенного прогресса, достигнутого в понимании физической природы ионосферных аномалий, возникающих над

сейсмоактивными областями, является появление теоретических моделей, I описывающих процесс генерации сейсмо-ионосферных аномалий (A.A. Намгаладзе, М.В. Клименко, C.L. Кио и др.).

Но по-прежнему вопросы оперативности обработки данных мониторинга ионосферы, ее автоматизации и интерпретации результатов мониторинга в 1 реальном времени в периоды высокой сейсмической активности еще I недостаточно проработаны. Эти вопросы будут рассмотрены в первую очередь в 1 настоящей работе.

1 Целью диссертационной работы является разработка технологии

1 комплексного многопараметрического анализа данных мониторинга ионосферы 1 с целью автоматизации обнаружения ионосферных предвестников землетрясений и ее экспериментальная верификация.

Для достижения данной цели поставлены следующие задачи:

1. Разработка и усовершенствование методик автоматической идентификации ионосферных предвестников землетрясений по данным мониторинга ионосферы над сейсмоактивными областями.

2. Исследование возможности использования данных российской навигационной системы ГЛОНАСС для обнаружения сейсмо-ионосферных предвестников в вариациях полного электронного содержания (англ. Total Electron Content - TEC).

3. Проведение экспериментального исследования возможности генерации аномалий в ионосфере в рамках модели ГЭЦ за счет изменения

, проводимости пограничного слоя в условиях радиоактивной ионизации, а

также при крупномасштабных загрязнениях в результате извержения вулканов и песчаных бурь. I 4. Определение основных морфологических характеристик проявления

сейсмической активности в слоях Ей F ионосферы.

5. Проведение экспериментов по мониторингу ионосферных предвестников в реальном времени для различных сейсмоактивных регионов, а также | комплексного исследования предвестников для ряда последних сильных

землетрясений.

! 6. Разработка блок-схемы и испытание системы комплексного мониторинга

ионосферных предвестников землетрясений в реальном времени.

Объект исследования - ионосферные предвестники землетрясений. Предмет исследования - данные вертикального радиозондирования ионосферы, данные спутниковых навигационных систем GPS/TJIOHACC.

Научная новизна

1. Впервые для выявления ионосферных предвестников землетрясений применена методика многофакторного анализа данных ионосферного мониторинга, включая данные вертикального радиозондирования ионосферы и данные полного электронного содержания (ПЭС) с приемников спутниковых систем ОРБ/ГЛОНАСС, что позволило идентифицировать возмущения в различных областях ионосферы (область Е - спорадический слой Ея, область Е — слой Е2), а также возмущения во всей толще ионосферы для одних и тех же землетрясений.

2. Впервые для обнаружения ионосферных предвестников землетрясений применялись данные ПЭС, получаемые с приемников российской навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС, что особенно важно для регистрации ионосферных возмущений сейсмогенного происхождения на территории Российской Федерации в таких сейсмоактивных регионах как Сахалин, Камчатка, Иркутская область, Кавказ.

3. Впервые получено экспериментальное подтверждение электромагнитного воздействия на ионосферу в рамках ГЭЦ крупномасштабных загрязнений воздуха в виде извержения вулканов, песчаных бурь, аэрозольных облаков, формируемых перед землетрясениями.

4. В работе впервые для мониторинга ионосферных предвестников в реальном времени применена методика обобщенного визуального образа предвестника — «маски», полученной при статистическом анализе ряда сильных (М > 6) землетрясений в Греции.

5. Впервые осуществлен мониторинг ионосферных предвестников землетрясений в реальном масштабе времени в трех сейсмоактивных регионах: Греция, регион Сахалин-Камчатка, Япония.

6. Впервые разработана блок-схема системы многофакторного мониторинга ионосферных предвестников землетрясений для их автоматической идентификации в реальном времени.

Теоретическая и практическая значимость работы

Полученное в работе экспериментальное подтверждение электромагнитной связи атмосферы и ионосферы в рамках ГЭЦ при крупномасштабном загрязнении пограничного слоя атмосферы мелкодисперсной пылью и аэрозолями, позволит достигнуть определенного прогресса в теоретическом построении современной модели ГЭЦ.

Выявление основных морфологических характеристик ионосферных предвестников землетрясений позволит получить количественную оценку изменчивости ионосферы, вызываемой сейсмической активностью для

включения в эмпирические модели ионосферы.

Разработанная в работе блок-схема системы мониторинга краткосрочных ионосферных предвестников землетрясений, описывающая методику дистанционной диагностики ионосферных аномалий сейсмогенного происхождения над сейсмоактивными регионами в реальном времени путем обработки данных наземного и спутникового вертикального радиозондирования ионосферы и данных приемников ОРЗ/ГЛОНАСС, будет включена в качестве ионосферного сегмента в создаваемую в настоящее время РКС (Роскосмос) Экспериментальную наземно-космическую систему краткосрочного сейсмопрогнозного мониторинга России.

Методология и методы исследования

В работе использовались математические методы: метод кросс-корреляционного анализа, элементы теории распознавания образов, методы математической статистики; геофизические методы обработки экспериментальных данных: методы обработки ионосферных данных, в том числе ионограмм наземного вертикального радиозондирования, методы обработки данных приемников спутниковых систем ОРБ/ГЛОНАСС, включая расчет вертикального ПЭС, построение карт по данным пространственно-неоднородной сети пунктов наблюдения методом пространственной интерполяции Кп£ищ.

В качестве основного метода исследования применялся метод многофакторного анализа одного и того же физического явления, что позволило повысить надежность получаемых результатов и выводов.

Положения, выносимые на защиту

1. Получено экспериментальное подтверждение электромагнитного механизма генерации ионосферных неоднородностей за счет изменения проводимости пограничного слоя атмосферы (в рамках концепции глобальной электрической цепи).

2. Разработана методика многофакторного анализа ионосферных аномалий перед землетрясениями в областях Е и Р ионосферы, а также полного электронного содержания с использованием различных методов мониторинга и комплексной обработки данных об измеряемых параметрах ионосферы.

3. В результате статистического анализа данных по ионосферным предвестникам для 9 землетрясений с М>6 в Греции, получен обобщенный зрительный образ ионосферного предвестника («маска») для идентификации ионосферных предвестников ряда регионов Европы (Греция, Италия, Северный Кавказ и Иран).

4. Впервые осуществлен мониторинг в реальном времени ионосферных предвестников для ряда регионов (Дальний Восток России, Япония, Греция).

5. Разработана блок-схема системы мониторинга ионосферных предвестников землетрясений в реальном времени, основанная на многофакторном анализе данных ионосферного мониторинга.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность работы обеспечивается обоснованностью применяемого методологического подхода, основанного на апробированной физической модели литосферно-атмосферно-ионосферного взаимодействия, согласия полученных результатов с известными данными ранее опубликованных работ других авторов, а также применением надежных и апробированных методов обработки ионосферных данных и использованием адекватного математического аппарата.

Основные результаты работы докладывались и были представлены на российских и международных конференциях: European Geosciences Union (EGU) General Assembly (Vienna, Austria, 2011, 2013), XXIII Всероссийской научной конференции по распространению радиоволн (Йошкар-Ола, 2011), XXX General Assembly of URSI (Istanbul, Turkey, 2011), European Seismological Commission 33-rd General Assembly (Moscow, Russia, 2012), Processing Russian and European EARTH observations for earthQUAKE Precursors Studies (PRE-EARTHQUAKES): FINAL PROGRAM MEETING (Yuzhno-Sakhalinsk, Russia, 2012), American Geophysical Union (AGU) FALL MEETING (San Francisco, USA, 2012), конференции молодых специалистов Росгидромета (ФГБУ «ИПГ», Москва, 2012), восьмой ежегодная конференции «Физика Плазмы в Солнечной Системе» (ИКИ РАН, Москва, 2013), International Reference Ionosphere (IRI) WORKSHOP 2013 (Olsztyn, Poland, 2013).

Личный вклад автора

Основные результаты, полученные в диссертации, являются оригинальными и получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии.

Автору принадлежат: комплекс программ статистической и тематической обработки данных ионосферного мониторинга на базе Microsoft Excel, MATLAB, алгоритмы программ расчета среднесуточных коэффициентов полупрозрачности спорадического слоя Es и локального индекса ионосферной изменчивости, блок-схема системы мониторинга ионосферных предвестников.

По теме диссертации опубликовано 14 работ в российских и зарубежных изданиях, в том числе 3, входящие в список ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав и заключения. Работа содержит 148 страниц текста, в том числе 106 рисунков и 7 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 140 наименований.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, описаны цели диссертационной работы и практическая значимость результатов, полученных в работе.

В первой главе наряду с литературным обзором описаны основные понятия сейсмологии, история обнаружения ионосферных эффектов, возникающих на финальной стадии подготовки сильных землетрясений, а также представлена существующая на сегодняшний день международная кооперация по изучению краткосрочных предвестников землетрясений и их мониторингу.

Вторая глава работы посвящена рассмотрению существующих физических механизмов генерации ионосферных предвестников землетрясения на различных высотах и описанию их морфологии. В первом параграфе описываются эффекты, наблюдаемые в области I) ионосферы перед сильными землетрясениями. Описаны два существующих на сегодняшний день механизма: изменение проводимости приземного слоя атмосферы и дополнительная ионизация нижней кромки области Х> стимулированными потоками высыпающихся энергичных частиц. Оба приводят к эффективному опусканию области I), приводящему к возникновению аномалий распространения волн СДВ диапазона. Во втором параграфе описана реакция области Е ионосферы на процесс подготовки сильных землетрясений. В основном рассмотрены аномальные вариации спорадического слоя Ев, выражающиеся в увеличении предельной частоты и изменении коэффициента полупрозрачности слоя:

А!ЬЕ& = (/ой? - УШ' ) / , (1)

где /о&, [\fbEs — соответственно предельная частота, частота

экранирования и коэффициент полупрозрачности спорадического слоя.

По данным мониторинга ионосферы вблизи Токио (ионозонд Кокубунжи) было обнаружено регулярное уменьшение коэффициента полупрозрачности за сутки до землетрясения и его последующее резкое увеличение в случае, если станция находилась внутри зоны подготовки землетрясения.

Подобные эффекты наблюдались перед землетрясением Тохоку в Японии 11 марта 2011 г. и во время аварии на АЭС «Фукусима-1» (Рис. 1), причем

увеличение коэффициента полупрозрачности совпадало с увеличением потока уходящего инфракрасного излучения в диапазоне 8-14 микрон. Все эти факты свидетельствуют о том, что ионосферные эффекты связаны с ионизационным воздействием радиации на атмосферу (в случае землетрясений - естественного происхождения, а в случае аварии на атомных электростанциях -антропогенного характера).

Следует отметить еще одну важную особенность активности спорадического слоя Е.ч перед землетрясениями: в некоторых случаях его активность бывает настолько велика, что отсутствует возможность получить отражения от слоя F2. Поэтому возникает необходимость многофакторного анализа данных ионосферного мониторинга во избежание ошибок интерпретации.

0.7 0,6

В третьем параграфе второй главы описаны основные морфологические особенности возмущений ионосферы в области /<* над сейсмоактивными регионами в период подготовки сильных землетрясений. В отличие от бытующего часто в публикациях мнения о преимущественно положительных (или отрицательных) аномалиях, регистрируемых перед землетрясениями, в работе показано, что возмущения бывают обоих знаков, причем изменения знака может иметь место в подготовительный период одного и того же землетрясения (Рис. 2).

Несомненно, важными являются также пространственные масштабы регистрируемых аномалий и их амплитудные характеристики. Как было установлено ранее в монографии С.А. Пулинца и К.А. Боярчука и подтверждено многочисленными измерениями в ходе выполнения настоящей работы, размер

1 3 5 7 9 II 13 15 17 19 21 23 25 27 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 февраль март

Рисунок 1. Изменение среднесуточных значений коэффициента полупрозрачности £э-слоя (для значений/оЕх>/ЬЕх)

модифицированной области в ионосфере имеет порядок величины, определяемой соотношением, полученным И.П. Добровольским для зоны подготовки землетрясения на поверхности Земли — области, в которой наблюдается целый ряд геофизических аномалий, называемых краткосрочными предвестниками землетрясений.

Я=100'43М, (2)

где Я - радиус зоны подготовки, а М - магнитуда землетрясения.

25.08.2008 14:00 ЦТ

25.08.2008 12:00 ЦТ

25.08.2008 22:00 ЦТ

25.08.2008 18*10 ЦТ

25.08.2008 20:00 ЦТ

4 ТЕСи

Рисунок 2. Изменение знака ионосферной аномалии перед Култукским землетрясением М = б.З, 27 августа 2008 г.

Как видно из рисунка 3, для последнего крупного землетрясения в Охотском море размер ионосферной аномалии составляет порядка 2.5 тыс км. Это меньше, чем зона Добровольского, но данный факт связан с исключительно большой глубиной гипоцентра землетрясения (> 600 км). Тем не менее, следует принимать во внимание, что гигантские размеры аномалии могут создать проблемы для распространения радиоволн различных диапазонов.

23.05.2013 02:00 II I

06:00 1Г1'

О

ТЕСІ'

Рисунок 3. Динамика ионосферной аномалии, зарегистрированной за сутки до землетрясения М = 8.2 24 мая 2013 г. в Охотском море

Анализ ионосферных аномалий, зарегистрированных перед землетрясениями средней и большой интенсивности (М > 6) показал, что отклонения как электронной концентрации в максимуме слоя, так и полного электронного содержания может превышать 50 %, что сравнимо по интенсивности вариаций с эффектами сильных геомагнитных бурь. Рисунок 4 демонстрирует изменение относительных отклонений вертикального ПЭС -dTEC перед землетрясением в Турции М = 7.1. По оси абсцисс отложены сутки (до и после землетрясения), по оси ординат значения dTEC, выраженные в процентах.

Рисунок 4. Регистрация значительного увеличения вертикального ПЭС на приемнике ОРЭ/ГЛОНАСС апкг (Анкара) примерно за 12 часов до землетрясения М=7.1 в провинции Ван (Турция) 23.10.2011 г. в условиях спокойной геомагнитной обстановки

L

Еще одним важным параметром ионосферных аномалий, возникающих перед землетрясениями, является длительность их существования. Несмотря на существенные изменения параметров ионосферы в течение суток, сейсмо-ионосферные аномалии, выявляемые с помощью технологии построения разностных карт, могут существовать непрерывно над областью подготовки землетрясения в течение 12 часов, несмотря на существенные изменения в ионосфере в течение дня, что является существенным аргументом в пользу электромагнитного (а не акустического) механизма генерации сейсмо-ионосферных аномалий.

Учитывая тот факт, что в год на нашей планете происходит ~ 1700 землетрясений с магнитудой 5 и выше, когда начинают явно проявляться аномалии в ионосфере, сейсмическая активность вносит существенный вклад в ежедневную изменчивость ионосферы.

В четвертом параграфе второй главы рассмотрены плазмосферные эффекты в период подготовки сильных землетрясений. На основании мониторинга сейсмо-ионосферных эффектов в низких широтах С.А. Пулинцом и

A.Д. Легенькой установлено, что ионосферные аномалии генерируются не только над областью подготовки землетрясения, но и в магнитосопряженной области, что свидетельствует о возможности передачи аномального воздействия вдоль магнитосиловй трубки с помощью электрического поля. Подобные результаты были получены как с помощью данных вертикального зондирования со спутников в работе С.А. Пулинца и А.Д. Легеньки, так и с помощью плазменных зондов, устанавливаемых на ИСЗ в работах М. Parrot, а также с помощью картирования глобального распределения полного электронного содержания.

На рисунке 5 представлены ионосферные аномалии, зарегистрированные за неделю до сильного М=7.3 землетрясения в Сальвадоре 27 августа 2012 года. Положение эпицентра на рисунке 5 отмечено белым крестиком.

Формирование аномалий в магнитосопряженной области подтверждено результатами физического моделирования в работах A.A. Намгаладзе и М.В. Клименко с соавторами.

К числу плазмосферных эффектов следует отнести также стимулированное высыпание энергичных частиц из радиационных поясов, что показано в работе G.C. Anagnostopoulos с соавторами, а также генерацию ОНЧ излучений над областями подготовки землетрясений, представленные в многочисленных работах Ю.И. Гальперина, М.Б. Гохберга, В.И. Ларкиной,

B.В. Мигулина, Ю.Я. Ружина, В.М. Чмырева, М. Parrot и др.

г

I

-10 -8

-2 в 2 ткп>

8 10

Рисунок 5. Формирование аномалий над областью подготовки землетрясения и в магнитосопряженной области 20 августа 2012 г.

Последний параграф второй главы посвящен рассмотрению физического механизма генерации сейсмо-ионосферных аномалий перед землетрясениями. Рассмотрение проводится в рамках концепции Глобальной Электрической Цепи, упрощенная схема которой представлена на рисунке 6 из работы С.А. Пулинца. Символами К„ К.т, Явь на рисунке 6 обозначены соответственно внутреннее сопротивление грозового электрического генератора, сопротивление стратосферы, сопротивление тропосферы и сопротивление пограничного слоя атмосферы.

Ionosphere

'250 kV

IR*

Fair weather rt return current ~4 pA/m2

BL |E~100 V/m

Ground

Рисунок 6. Эквивалентная схема Глобальной Электрической Цепи

Экспериментально установлено, что сопротивление пограничного слоя атмосферы (первые несколько километров от поверхности Земли) составляет порядка 75% от общего сопротивления столба атмосферы от поверхности Земли до нижней кромки ионосферы (W.A. Hoppel). Данные экологического мониторинга показывают, что загрязнение атмосферного воздуха аэрозолями приводит к увеличению вертикального градиента атмосферного электрического поля у поверхности Земли. Можно предположить, что уменьшение проводимости пограничного слоя при его загрязнении аэрозолями приводит к увеличению потенциала ионосферы относительно Земли и к формированию положительных аномалий электронной концентрации.

С целью проверки этой гипотезы методом разностных карт были исследованы вариации полного электронного содержания над выбросами пепла исландского вулкана Эйяфьядлайеюодль (Eyjafjallajökull) в 2010 г. (Рис. 7а) и над песчаной бурей, двигавшейся из Западной Сахары через Атлантический океан в мае 2012 г. (Рис. 76). В результате сопоставления разностных карт глобального ПЭС с данными метеорологических спутников NASA («Aqua», «Terra», «Earth Observing-1»), было установлено образование положительных аномалий в ионосфере, локализованных над местами максимального загрязнения атмосферного воздуха.

16 April 1800GMT

а б

Рисунок 7. Формирование положительных аномалий в ионосфере над местами крупномасштабного загрязнения атмосферного воздуха

С другой стороны, резкое увеличение проводимости пограничного слоя должно приводить к падению вертикального градиента электрического поля у

поверхности Земли и соответственно, к падению потенциала ионосферы. Так, спустя час после испытаний атомного заряда в Северной Корее 12 февраля 2013 г., в ионосфере наблюдалась отрицательная аномалия.

Естественная радиоактивность Земли (в основном, газ радон) является основным источником ионизации атмосферы на высотах до 1 км. Процессы, сопровождающие ионизацию, в частности, плазмохимические реакции и создание ядер конденсации подробно рассматривались в различных публикациях, в частности, по воздействию галактических космических лучей на формирование облачного покрова Земли. Существуют также лабораторные эксперименты японских исследователей К. Sekimoto и М. Takayama, непосредственно демонстрирующие формирование гидратной оболочки вокруг ионов, создаваемых в результате ионизации. Данные экспериментов показывают, что гидратации подвержены как положительные, так и отрицательные ионы, образующиеся при ионизации, а процесс гидратации идет при любом уровне относительной влажности окружающего воздуха.

Таким образом, в качестве основной версии физического механизма сейсмо-ионосферных вариаций рассматривается модификация проводимости пограничного слоя атмосферы при ионизации приземного слоя воздуха радоном, выделяющимся из активных тектонических разломов. В зависимости от скорости ионообразования и атмосферных условий (уровень влажности, наличие ветра) может иметь место как увеличение проводимости пограничного слоя (формирование только легких ионов), так и уменьшение проводимости при наличии условий образования ядер конденсации, как это имеет место при облакообразовании, стимулированном космическими лучами. В первом случае в ионосфере будут наблюдаться отрицательные вариации электронной концентрации, а во втором - положительные. Образование гидратированных ионов, размеры которых достигают 1020 нм, регулярно регистрируется за несколько суток до землетрясения с помощью сети AERONET (AErosol RObotic NETwork). Например, в работе A.B. Тертышникова и A.A. Важенина показано, что рост размеров образуемых частиц наблюдается по мере приближения момента землетрясения.

В третьей главе описаны применявшиеся автором методы обработки данных ионосферного мониторинга, причем часть из этих методов была предложена лично автором, и им же была разработана часть алгоритмов обработки. В основу методики был положен принцип многофакторного анализа - получение многомерного образа предвестника — своеобразной голограммы, содержащей информацию обо всех доступных характеристиках исследуемой аномалии: распределение аномалий по высоте (области Е и F ионосферы, плазмосферные эффекты), амплитудные и пространственные характеристики и их динамику во времени, двумерные распределения — разностные карты, комбинация данных по одноточечным, попарным и многоточечным измерениям

— и все это - в приложении к каждому случаю исследуемого землетрясения.

С первого по шестой параграф третьей главы описываются отдельные методы идентификации ионосферных предвестников: использование физических и морфологических свойств ионосферных аномалий для распознавания предвестников, применение метода распознавания образов для генерации «маски» ионосферного предвестника землетрясения, применение корреляционного анализа для идентификации ионосферных предвестников землетрясений, использование эффекта региональной изменчивости ионосферы как признака подготовки землетрясения, картирование ионосферы с целью определения положения эпицентра будущего землетрясения и оценки его магнитуды. Результаты подобного многофакторного анализа представлены на рисунке 8, где проводится идентификация ионосферных предвестников землетрясения М=6.3 в итальянском городе Аквила 6 апреля 2009 г.

Рисунок 8. Результаты применения многофакторного анализа данных мониторинга ионосферы

В седьмом параграфе главы рассматривается место ионосферных предвестников в многопараметрическом мониторинге краткосрочных предвестников землетрясений, развиваемом в последнее время. Теоретической основой для такого подхода является рассмотрение финальной стадии подготовки сильного землетрясения как сложной открытой системы с диссипацией в окрестности критического состояния, предложенной

18

С.А. Пулинцом, где показано, что эффекты в ионосфере — это часть более сложного процесса взаимодействия геосферных оболочек, включающих пограничный слой атмосферы, тропосферу, ионосферу и плазмосферу.

И, наконец, в восьмом параграфе третьей главы представлен один из основных результатов работы — блок-схема системы мониторинга ионосферных предвестников землетрясений в реальном времени.

В ходе проведенных в работе исследований установлено, что в качестве исходных данных для мониторинга ионосферной обстановки над сейсмоактивными регионами Земли целесообразно использовать: 1) данные вертикального радиозондирования ионосферы: предельная частота (/с>£л) и частота экранирования (//Ь&) спорадического Еэ-слоя ионосферы, критическая частота (/оЕ2) /*'2-слоя ионосферы; 2) данные приемников спутниковых навигационных систем О Р8/ГЛ О11А С С в формате ШЫЕХ и карты глобального ПЭС ЮБ в формате КЖЕХ.

На основании экспериментального подтверждения (полученного в настоящей диссертации) работоспособности методов обнаружения ионосферных предвестников землетрясений разработана блок-схема системы мониторинга краткосрочных предвестников землетрясений (Рис. 9), описание которого приводится ниже.

эо

Эй

ом

СРБ-СИЭМАББ

НР

оо

ОР

ЭР

|-1 (

Ы А

ЮА

БА

ІОГ2

к>Е8

Л>Р2*ІБідта]

ТоЕ«,.

№Е&

\fbEs,,

ТЕС

ОМ

ТЕС*[51дта] ЙТЕС А "ЕС сІТЕС,

ЕЭ

А

w

N0

СА

IV!

ЮА

Мазк

Д1*ЕС

с)ТЕСс

ЇОЕ8г

\fbEs,.,

Рисунок 9. Блок-схема системы мониторинга краткосрочных предвестников землетрясений

Первый этап. Загрузка исходных данных — DD (Downloading Data)', по

геомагнитной обстановке (индексы Ар, Dst) - GD (Geomagnetic Data) и активности Солнца (поток радиоизлучения F10.7) - SD (Solar Data); вертикального радиозондирования ионосферы - VS (Vertical Sounding): foEs, JbEs,foF2\ приемников спутниковых навигационных систем в формате RINEX -GPS-GLONASS, глобального ПЭС IGS в формате IONEX - GIM (Global Ionospheric Maps). Запись полученных данных производится на сервер (или жесткий диск) — HD (Hard Disc).

Второй этап. Процесс обработки исходных данных - DP (Data Processing)

1. Проверка качества исходных данных на разрывы и временные пропуски данных — DQ (Data Quality). 2. Обработка исходных ионосферных данных: а) восстановление значений вертикального ПЭС (ТЕС) (приемники GPS/ГЛОНАСС) по алгоритму L. Ciraolo; б) вычисление средних за сутки значений предельной частоты спорадического слоя: foEscp и коэффициента полупрозрачности AfbEscp\ в) расчет массивов относительных отклонений dfoF2, dTEC и нормализованных значений foF2*[Sigma], TEC*[Sigma], последующее формирование их в матрицу Ац< с распределением вычисленных значений по суткам и часам с последующей визуализацией; г) расчет и построение разностных карт глобального ПЭС dTECciu и определение разницы tsREC между нормализованными значениями регионального ПЭС RECN и глобального ПЭС GECn . Основные формулы представлены в Таблице 1.

Таблица 1

Исходные данные Метод обработки данных

Es-слой: foEs,fbES 1 k ft /«]

ДfbEscp = fXA/ZiEs„ k Ti AfbEs, = (foEs, - fbEs,) / jbEs, (для значений foEs i > JbEs,)

Р2-слой: foF2 dfoFl = 100 • {foFl - foF2cp) / foF2cp, f°F1 * [Sigma] = (JoFl - foF2cp) / a/oF2

GPS/ГЛОНАСС: TEC (RINEX) dTEC =100- (TEC - TECcp ) / TECcp, TEC* [Sigma] = (TEC-TECcp)l aTEC

GIM: TEC (IONEX) dTECclM = TECGIU — ТЕССШср;

GECn =GEC/GECUed, RECN = RECIRECMed, AREC = RECN-GECN,

Обозначения в формулах, представленных в Таблице 1

foF2cp, ТЕСср — скользящие средние значения, вычисленные по 15 предшествующим соответственно foF2 и тес для того же момента времени; С/<,л, а тес - стандартные отклонения, вычисленные по 15 предшествующим значениям соответственно foF2 и ТЕС для того же момента времени; GECued, КЕСмеЛ - скользящие медианы, рассчитанные по 15 предшествующим значениям ПЭС соответственно глобального GEC и регионального REC.

Третий этап. Анализ ионосферных данных - IDA (Ionosperic Data Analysis): а) выполняется кросс-корреляционный анализ - СА (Correlation analysis) массивов суточных значений ПЭС (или критической частоты foF2) между парой соседних приемников GPS-ГЛОНАСС (или наземных станций вертикального радиозондирования ионосферы); б) проводится визуальный анализ массивов данных dfoF2, dTEC, foF2*[Sigma], TEC*[Sigma] на соответствие обобщенному зрительному образу предвестника («маски») - Mask; в) выполняется анализ разностных карт dTECGm и значений ДКЕС\ г) анализируются значения коэффициента полупрозрачности и предельной частоты Es -слоя; д) отслеживается поведение индекса изменчивости ионосферы — IVI (Ionosphere Variability Index) - deltaTECi, представляющим собой разность между максимальным MaxTECt и минимальным MinTECj значениями вертикального ПЭС, полученными на всех используемых приемниках GPS/ГЛОНАСС (в количестве не менее трех), в / - момент времени. Основные формулы представлены в Таблице 2.

Основной целью многопараметрического анализа данных мониторинга ионосферы над сейсмоопасными регионами является идентификация предвестника по присущим ему признакам. В настоящей диссертации установлено, что перед землетрясением происходит формирование спорадического слоя повышенной электронной концентрации и увеличение коэффициента полупрозрачности (14-3 суток до события), и последующее резкое уменьшение значений этих параметров за 1 сутки до землетрясения; увеличивается региональная ионосферная изменчивость: существенное изменение регионального ПЭС по сравнению с глобальным, формирование локализованных долгоживущих неоднородностей, увеличение индекса изменчивости, уменьшение коэффициента кросс-корреляции. Сейсмо-иносферные возмущения привязаны к определенным моментам местного времени (LT), в настоящей диссертации установлено, что основные предвестники сильных землетрясений на Балканском, Апеннинском полуостровах, Северном Кавказе и Ближнем Востоке появляются на интервале с 18 LT (за сутки до события) до 06 LT - увеличение ПЭС более 20%.

Четвертый этап. Синергетический подход — SA (Synergetic Approach) Выполняется совместный анализ ионосферных данных - IDA, данных мониторинга атмосферы на предмет регистрации тепловых аномалий (аномалий потока уходящего длинноволнового инфракрасного излучения) — ТА (Thermal Anomaly), аэрозолей и вариации значений поправки химического потенциала — A (Aerosol). На пятом этапе информация передается потребителям, эксперты (сейсмологи, геофизики) принимают решение ED (Expert Decision) о возможности землетрясения в выявленном районе.

Таблица 2

Исходные данные Анализ ионосферных данных (IDA)

ГО-слой: foF2 CA: ^(foF2u-foF2cpi) (foF22J -foF2cpl) >2 ~ 2>F2,. X(/0F2,-/0F2cp)2 foF2 - i=0'k , er2 = A + l к

GPS/ГЛОНАСС: ТЕС CA: X (TECU - TECcpX). (JEC2 i - TECcp2) С i=0,k TEC *(oi 02) YjECi £( ТЕС,-ТЕСср)г TECcp - , а2 - Ы>Л cp k +1 к

I VI: deltaTEC, = МахТЕС,- MinTEC,, 1 * deltaTEC* = - У deltaTEC, ktt

Обозначения в формулах, представленных в Таблице 2

Стес - коэффициент кросс-корреляции между массивами суточных значений ПЭС двух приемников; ТЕСц и ТЕС2,1 - значения ПЭС для г-ого момента времени для приемников 1 и 2; ТЕСср - среднее значение ПЭС в течение суток.

С{0Р2 - коэффициент кросс-корреляции между массивами суточных значений критической частоты двух ионозондов; /оР2и и УoF2/¡ - значения критической частоты для /-ого момента времени для ионозондов 1 и 2; /оР2ср — среднее значение критической частоты в течение суток, а - стандартное отклонение; йеНаТЕС* - среднее за сутки значение локального индекса изменчивости ионосферы, к- временной интервал.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Экспериментально доказано, что сейсмоиносферные предвестники проявляются во всех слоях ионосферы. Установлено, что совместная обработка и анализ значений критической частоты Б2-слоя, предельной частоты и коэффициента полупрозрачности Ея-слоя, а также полного электронного содержания позволяют повысить надежность обнаружения ионосферных предвестников землетрясений.

2. Апробация и дальнейшее использование в комплексном подходе программы расчета вертикального ПЭС по данным комбинированных файлов спутниковых навигационных систем ОРБ/ГЛОНАСС в формате ИШЕХ, позволило расширить ареал доступных данных и повысить качество их обработки. Усовершенствованные методики можно применять для расширяющейся в настоящее время сети приемников сигналов российской системы навигационных спутников.

3. В результате экспериментального исследования эффектов изменения проводимости пограничного слоя для различных геофизических явлений (песчаные бури, извержения вулканов, испытания ядерного оружия) установлена связь между изменением проводимости пограничного слоя атмосферы и формированием локализованных аномалий в ионосфере.

4. Реализован комплексный подход при анализе ионосферных предвестников землетрясений - рассмотрение ионосферной изменчивости как неотъемлемой части системы многопараметрического мониторинга, включающего вариации различных геофизических параметров во всей толще от поверхности Земли до ионосферы в рамках физической модели связей в системе Литосфера-Атмосфера-Ионосфера.

5. В результате статистического анализа ионосферных данных в период подготовки сильных землетрясений в Греции создан зрительный образ («маска») ионосферного предвестника землетрясений. Установлено, что аномальное возмущение в ионосфере является положительным, отмечается увеличение полного электронного содержания по сравнению с фоновым значением на величину более 20%, возмущение в ионосфере появляется в интервале с ~16 иТ (18 ЬТ) за сутки до землетрясения и продолжается практически 12 часов до -04 ИТ (06 ЬТ). Аномальное возмущение может регистрироваться в течение нескольких суток до землетрясения, но в те же часы местного времени (с ~18 до ~06). В результате анализа ионосферной обстановки перед сильными землетрясениями в Италии, Турции, Иране, Грузии (вблизи границ РФ) установлено, что разработанный образ («маска») ионосферного предвестника, созданный для Балканского полуострова, также актуален для районов Апеннинского полуострова, Северного Кавказа и Ближнего Востока.

6. Разработана блок-схема системы мониторинга ионосферных предвестников землетрясений в реальном времени.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Авдюшин С.И., Алферов К.А., Анишин М.М., Давиденко Д.В., Данилкин Н.П., Журавлев С.В., Котонаева Н.Г., Кураев М.А., Никитский В.П., Скоморох Р.В. Моделирование эксперимента по радиозондированию ионосферы с орбиты искусственного спутника Земли при использовании космического аппарата «Прогресс М» в целях поиска предвестников землетрясений // Космонавтика и ракетостроение. - 2011. - Т. 64. - № 3. - С. 77-84. (из перечня ВАК).

2. Котонаева Н.Г., Давиденко Д.В. Апробация метода радиозондирования ионосферы с низких высот как метода получения непрерывных вдоль орбиты характеристик ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. - 2012. - Т. 52. - № 4. - С. 525-534. (из перечня ВАК).

3. Давиденко Д.В., Пулинец С.А., Узунов Д. Обнаружение аномальных возмущений в атмосфере и ионосфере перед Култукским землетрясением 27 августа 2008 года // Труды ГГО. - 2012. - Вып. 567.- С. 201-224. (из перечня ВАК).

4. Ouzounov D., Pulinets S., Romanov A., Romanov A., Tsybulya K., Davidenko D., Kafatos M., Taylor P. Atmosphere-Ionosphere Response to the M9 Tohoku Earthquake Revealed by Joined Satellite and Ground Observations: Preliminary Results // Earthquake Science. - 2011. - V. 24. - N. 6. - P. 557-564.

5. Ouzounov D., Pulinets S., Davidenko D., Kafatos M., Taylor P. Space-borne observations of atmospheric pre-earthquake signals in seismically active areas. Case study for Greece 2008-2009 // Special Issue: Proceeding of General Assembly of the School of Rural and Surveying Engineering. Aristotle University of Thessaloniki, Thales, in honor of Prof. Emeritus Michael E. Contadakis, ISBN 978-960-89704-1-0, 2013, P. 259-265.

6. Котонаева Н.Г., Давиденко Д.В. Распределение критических частот и высот максимума ионосферы низких широт вдоль орбиты ОК МИР //Сборник докладов XXIII Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн», Йошкар-Ола, 23-26 мая 2011 г. Т. 1,- С. 373-376.

7. Maltseva О., Davidenko D., Mozhaeva N. More accurate definition of the characteristics of the ionosphere radio wave propagation according to the OS MIR DATA // Proceedings of the XXX General Assembly of URSI, Istanbul, Turkey, 1220 Aug., 2011.

8. Pulinets S.A., Davidenko D.V. GPS TEC precursor mask creation for the Greek earthquakes with M > 6 // American Geophysical Union's 45th Annual Fall Meeting, San Francisco, CA, United States, 3-7 Dec. 2012.

9. Давиденко Д.В. Генерация образа «маски» ионосферного предвестника землетрясений с М>6.0 для греческого региона с использованием техники обработки данных GPS ТЕС // Сборник трудов конференции молодых

специалистов Росгидромета, Москва, ФГБУ "ИПГ", 10-12 декабря 2012 (статья в печати)

10. Пулинец С.А., Давиденко Д.В. Роль глобальной электрической цепи в формировании локальных неоднородностей космической плазмы // Восьмая ежегодная конференции «Физика Плазмы в Солнечной Системе», ИКИ РАН, Москва, 2013. Сборник тезисов. С.65.

11. Pulinets S.A., Davidenko D.V. Real time validation of GPS TEC precursor mask for Greece // European Geosciences Union (EGU) General Assembly, Vienna, Austria, 7-12 Apr. 2013. Geophysical Research Abstracts Vol. 15, EGU2013-11438, 2013.

12. Ouzounov D., Pulinets S., Davidenko D., Hattori 1С., Kafatos M., Taylor P. Multi-Sensor Observations of Earthquake Related Atmospheric Signals over Major Geohazard Validation Sites // American Geophysical Union's 45th Annual Fall Meeting; San Francisco, CA; 3-7 Dec. 2012; United States / http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20120013626 2012013933.pdf (Проверено 10.04.2013)

13. Ouzounov D., Pulinets S., Tsybulya K., Romanov A., Romanov A.Jr., Tiger Liu, Hattori K., Davidenko D., Kafatos M., and Taylor P. The Atmospheric-Ionospheric Response to M9 Tohoku Earthquake Revealed by Joined Satellite and Ground Observations // European Geosciences Union (EGU) General Assembly, Vienna, Austria, 3-8 Apr. 2011. Poster Programme US5 EGU2011-14257.

14. Pulinets S.A., Karelin A.V., Boyarchuk K.A., Yudin I.A., Davidenko D.V., Tsybulya K.G. Integrated Parameters in Synergetic Approach for the Short-Term Precursory Period Identification, 33rd General Assembly of the European Seismological Commission; 19-24 Aug. 2012; Moscow; Russia.

Подписано в печать « 26 » июня 2013 г. Тираж - 100 экз. ФГБУ «ИПГ». 129128, Москва, ул. Ростокинская, д. Тел. 8(499) 187-81-86

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Давиденко, Дмитрий Валерьевич, Москва

\

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ГЕОФИЗИКИ ИМЕНИ АКАДЕМИКА Е.К. ФЕДОРОВА»

на правах рукописи

04201360747

Давиденко Дмитрий Валерьевич

ДИАГНОСТИКА ИОНОСФЕРНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ НАД СЕЙСМООПАСНЫМИ РЕГИОНАМИ

Специальность 25.00.29 - «Физика атмосферы и гидросферы»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель -доктор физико-математических наук

Пулинец С.А.

Москва-2013

Оглавление

Введение......................................................................................................... 4

Глава 1. Основные этапы обнаружения и исследований ионосферных предвестников землетрясений и методы их мониторинга................................................................. 16

1.1 Основные понятия сейсмологии...................................................................... 16

1.2 История обнаружения ионосферных эффектов на стадии подготовки сильных землетрясений............................................................................................ 23

1.3 Международная кооперация по организации мониторинга краткосрочных предвестников землетрясений........................................................................ 27

Выводы............................................................................................................ 28

Глава 2. Физика и морфология ионосферных предвестников землетрясений на различных высотах............................................................................................. 29

2.1 Ионосферные аномалии в области О ионосферы, наблюдаемые перед сильными землетрясениями......................................................................................... 29

2.2 Реакция области Е ионосферы на процесс подготовки сильных землетрясений........... 32

2.3 Область Б как основной носитель информации об ионосферных предвестниках землетрясений............................................................................................. 41

2.4 Плазмосферные эффекты в период подготовки сильных землетрясений..................... 48

2.5 Физическая модель генерации ионосферных аномалий перед землетрясениями.......... 50

Выводы............................................................................................................ 67

Глава 3. Методы обработки данных мониторинга ионосферы с целью распознавания ионосферных предвестников землетрясений.............................................................. 68

3.1 Использование физических и морфологических свойств ионосферных аномалий для распознавания предвестников......................................................................... 68

3.2 Применение метода распознавания образов для генерации «маски» ионосферного предвестника землетрясения.......................................................................... 74

3.3 Применение корреляционного анализа для идентификации ионосферных предвестников землетрясений......................................................................... 89

3.4 Региональная изменчивость ионосферы как признак подготовки землетрясения.......... 97

3.5 Картирование ионосферы с целью определения положения эпицентра будущего землетрясения и оценки его магнитуды............................................................. 103

3.6 Интегральные параметры как метод экспресс-анализа наличия предвестников............................................................................................. 115

3.7 Место ионосферных предвестников в многопараметрическом мониторинге

краткосрочных предвестников землетрясений..........................................................................................................121

3.8 Блок-схема системы мониторинга ионосферных предвестников землетрясений в

реальном времени..............................................................................................................................................................................126

Выводы........................................................................................................................................................................................................................131

Заключение................................................................................................................................................................................................................132

Список литературы..........................................................................................................................................................................................133

Введение

Актуальность темы исследования

Результаты ионосферных исследований последних лет, полученные и опубликованные в разных странах, не оставляют сомнения в том, что сейсмическая активность является одним из источников изменчивости ионосферы. При этом величина наблюдаемых возмущений электронной концентрации часто бывает такого же порядка, а иногда превосходит амплитуду возмущений во время сильных геомагнитных бурь. В то же время сейсмо-ионосферные вариации до самого последнего времени не учитывались ни одной из используемых в практике прогноза радиоволн моделей ионосферы. Известные сегодня и зарегистрированные экспериментально аномалии распространения радиоволн различных диапазонов от очень низкочастного (ОНЧ) до сверхвысокочастотного (СВЧ), в том числе в диапазоне навигационных систем ГЛОНАСС/СРБ, ставят на повестку дня исследования морфологических характеристик и регулярного мониторинга сейсмо-ионосферных аномалий для получения ионосферных поправок в целях систем навигации и других радиотехнических систем.

Знание морфологических свойств сейсмо-ионосферных аномалий, а также разработка методов обнаружения сейсмо-ионосферных аномалий позволят включить их в современные модели ионосферы и осуществлять прогноз распространения радиоволн различных диапазонов над сейсмоактивными областями нашей планеты.

Естественная радиоактивность Земли, приводящая к генерации ионосферных аномалий, вносит существенный вклад в баланс глобальной электрической цепи (ГЭЦ), а исследование эффектов ионизации позволит существенно уточнить современную модель ГЭЦ.

Разработка методов автоматической идентификации сейсмо-ионосферных аномалий за несколько суток до сейсмического толчка, позволит в будущем использовать эту информацию совместно с другими данными сейсмического мониторинга в системах раннего оповещения о готовящихся землетрясениях.

Степень разработанности темы исследования

Изучение электромагнитных эффектов в ионосфере, предшествующих сильным землетрясениям, началось во второй половине 20 века в период активного развития средств радиозондирования ионосферы.

Первооткрывателями ионосферных предвестников землетрясений были М.Г. Анцелевич, Е.А. Датченко, В.И. Уломов, С.П. Чернышева. Они первыми обнаружили аномальные возмущения электронной концентрации в областях Е и Б при исследовании ионосферной обстановки перед землетрясением в Ташкенте 1966 года.

Благодаря статистическому ретроспективному анализу данных вертикального радиозондирования ионосферы (наземного и спутникового), установлено, что за несколько суток - часов до землетрясения в ионосфере возникают аномальные возмущения, выраженные в увеличении (или в уменьшении) электронной концентрации на высоте главного максимума ионосферы области F над его эпицентром и иногда в магнитосопряженной области. Результаты нашли свое отражение в работах М.Б. Гохберга, Т.И. Зеленовой, Ю.К. Калинина, А.Д. Легеньки, М.Н. Фаткуллина, В.А. Липеровского, С.А. Пулинца, J.Y. Liu.

Исследования Е-области в период процесса подготовки сильных землетрясений позволили выявить формирование аномальных спорадических Es-слоев. За несколько суток до землетрясений отмечается значительное увеличение предельной частоты спорадического слоя, а за сутки до землетрясения происходит уменьшение коэффициента полупрозрачности слоя. Результаты нашли свое отражение в работах В.А. Липеровского, Е.В. Липеровской, С.А. Пулинца.

В результате экспериментов по распространению сверхдлинных радиоволн (СДВ) на трассах, проходящих над сейсмоактивными регионами, М.Б. Гохбергом, И.Л. Гуфельдом, O.A. Молчановым, A.A. Рожным, М. Hayakawa, P.F. Biagi было установлено, что за несколько суток до землетрясений происходит изменение амплитуды и фазы принимаемых сигналов. Подобное аномальное поведение объясняется значительным уменьшением эффективной высоты отражения СДВ радиосигналов от нижней D-области ионосферы. И.М. Фуксом и P.C. Шубовой было установлено, что аномалии в распространении СДВ радиосигналов наблюдались также над Чернобыльской атомной электростанцией (АЭС) после аварии в 1986 г. Предложенная ими теоретическая модель показывает, что подобное поведение радиосигналов является следствием изменения проводимости пограничного слоя атмосферы. Согласно теоретической модели В.П. Кима и др., опускание области D ионосферы происходит в результате высыпания энергичных частиц из радиационного пояса при проникновении электрического поля сейсмического источника в плазмосферу.

Статистический анализ данных спутниковых наблюдения над регионами повышенной сейсмической активности на высотах верхней ионосферы позволил выявить аномальные всплески электромагнитного излучения перед сильными землетрясениями в ультранизкочастотных (УНЧ), крайненизкочастотных (КНЧ) и ОНИ диапазонах. Полученные результаты представлены в многочисленных работах Ю.И. Гальперина, М.Б. Гохберга, В.И. Ларкиной, В.В. Мигулина, В.М. Чмырева, М. Parrot.

Целенаправленный эксперимент по изучению ионосферных предвестников землетрясений в наиболее сейсмоактивных регионах Земли производился на спутнике «DEMETER» (2004 - 2010 гг.). Выполненный М. Parrot анализ данных электронной

концентрации на высоте орбиты спутника «DEMETER» (~700 км), полученных в течение его срока эксплуатации показал, что электромагнитные предвестники начинают появляться за 13 суток до землетрясения, при этом максимальный эффект приходится на последние 7 суток перед землетрясением.

На сегодняшний день доказано, что все слои ионосферы реагируют на процесс подготовки землетрясений.

С развитием эры навигационных спутниковых систем GPS, ГЛОНАСС, GALILEO, и расширением сети принимающих их сигналы приемников, появилась возможность использования этих систем для изучения ионосферы, а также для более детального рассмотрения ионосферных структур, возникающих накануне разрушительных землетрясений. Первыми исследователями, разработавшими и успешно использовавшими на практике алгоритм определения сейсмо-ионосферных аномалий в данных сигналов навигационных систем GPS для изучения ионосферы, были J.Y. Liu, И.И. Шагимуратов, В.Е. Куницын, С.А. Пулинец, И.Е. Захаренкова.

Первоначальная теория получила дальнейшее развитие в различных направлениях. На сегодняшний день существует несколько теоретических моделей, объясняющих физическую сущность реакции ионосферы на процесс подготовки землетрясения.

Одну из моделей предложили Ю.К. Калинин и Н.П. Сергеенко, утверждающие, что за 10-15 часов до катастрофы над эпицентром землетрясения возникает крупномасштабная ионосферная неоднородность, перемещающаяся от эпицентра будущего землетрясения по дуге большого круга.

С.А. Пулинец и К.А. Боярчук в своей монографии представили комплексную концепцию возникновения ионосферных предвестников землетрясений во всех слоях ионосферы. С.А. Пулинец и Д.П. Узунов, в свою очередь, разработали модель физико-химических связей в системе Литосфера-Атмосфера-Ионосфера, которая находит место вариациям космической плазмы перед землетрясениями в целом комплексе явлений, включающих вариации атмосферных и ионосферных параметров от поверхности Земли вплоть до высот магнитосферы.

Одним из индикаторов существенного прогресса, достигнутого в понимании физической природы ионосферных аномалий, возникающих над сейсмоактивными областями, является появление теоретических моделей, описывающих процесс генерации сейсмо-ионосферных аномалий (A.A. Намгаладзе, М.В. Клименко, C.L. Кио и др.).

Но по-прежнему вопросы оперативности обработки данных мониторинга ионосферы, ее автоматизации и интерпретации в реальном времени в периоды высокой сейсмической активности, еще недостаточно проработаны. Эти вопросы будут рассмотрены в первую очередь в настоящей работе.

Цели и задачи

Целью диссертационной работы является разработка технологии комплексного многопараметрического анализа данных мониторинга ионосферы с целью автоматизации обнаружения ионосферных предвестников землетрясений и ее экспериментальная верификация.

Для достижения данной цели поставлены следующие задачи:

1. Разработка и усовершенствование методик автоматической идентификации ионосферных предвестников землетрясений по данным мониторинга ионосферы над сейсмоактивными областями.

2. Исследование возможности использования данных российской навигационной системы ГЛОНАСС для обнаружения сейсмо-ионосферных предвестников в вариациях полного электронного содержания (англ. Total Electron Content - TEC).

3. Проведение экспериментального исследования возможности генерации аномалий в ионосфере в рамках модели ГЭЦ за счет изменения проводимости пограничного слоя в условиях радиоактивной ионизации, а также при крупномасштабных загрязнениях в результате извержения вулканов и песчаных бурь.

4. Определение основных морфологических характеристик проявления сейсмической активности в слоях Е и F ионосферы.

5. Проведение экспериментов по мониторингу ионосферных предвестников в реальном времени для различных сейсмоактивных регионов, а также комплексного исследования предвестников для ряда последних сильных землетрясений.

6. Разработка блок-схемы и испытание системы комплексного мониторинга ионосферных предвестников землетрясений в реальном времени.

Объект исследования - ионосферные предвестники землетрясений.

Предмет исследования - данные вертикального радиозондирования ионосферы, данные спутниковых навигационных систем GPS/TJIOHACC.

Научная новизна

1. Впервые для выявления ионосферных предвестников землетрясений применена методика многофакторного анализа данных ионосферного мониторинга, включая данные вертикального радиозондирования ионосферы и данные полного электронного содержания (ПЭС) с приемников спутниковых систем GPS/TJIOHACC, что позволило идентифицировать возмущения в различных областях ионосферы (область Е - спорадический слой Es, область F -слой F2), а также возмущения во всей толще ионосферы для одних и тех же землетрясений.

2. Впервые для обнаружения ионосферных предвестников землетрясений применялись данные ПЭС, получаемые с приемников российской навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС, что особенно важно для регистрации ионосферных возмущений сейсмогенного происхождения на территории Российской Федерации (РФ) в таких сейсмоактивных регионах как Сахалин, Камчатка, Иркутская область, Кавказ.

3. Впервые получено экспериментальное подтверждение электромагнитного воздействия на ионосферу в рамках ГЭЦ крупномасштабных загрязнений воздуха в виде извержения вулканов, песчаных бурь, аэрозольных облаков, формируемых перед землетрясениями.

4. В работе впервые для мониторинга ионосферных предвестников в реальном времени применена методика обобщенного визуального образа предвестника - «маски», полученной при статистическом анализе ряда сильных (М>6) землетрясений в Греции.

5. Впервые осуществлен мониторинг ионосферных предвестников землетрясений в реальном масштабе времени в трех сейсмоактивных регионах: Греция, регион Сахалин-Камчатка, Япония.

6. Впервые разработана блок-схема системы многофакторного мониторинга ионосферных предвестников землетрясений для их автоматической идентификации в реальном времени.

Теоретическая и практическая значимость работы

Полученное в работе экспериментальное подтверждение электромагнитной связи атмосферы и ионосферы в рамках ГЭЦ при крупномасштабном загрязнении пограничного слоя мелкодисперсной пылью и аэрозолями, позволит достигнуть определенного прогресса в теоретическом построении современной модели ГЭЦ.

Выявление основных морфологических характеристик ионосферных предвестников землетрясений позволит получить количественную оценку изменчивости ионосферы, вызываемой сейсмической активностью для включения в эмпирические модели ионосферы.

Разработанная в работе блок-схема системы мониторинга краткосрочных ионосферных предвестников землетрясений, описывающая методику дистанционной диагностики ионосферных аномалий сейсмогенного происхождения над сейсмоактивными регионами в реальном времени путем обработки данных наземного и спутникового вертикального радиозондирования ионосферы и данных приемников СРБ/ГЛОНАСС, будет включена в качестве ионосферного сегмента в создаваемую в настоящее время РКС (Роскосмос) Экспериментальную наземно-космическую систему краткосрочного сейсмопрогнозного мониторинга России.

Методология и методы исследования

В работе использовались математические методы: метод кросс-корреляционного анализа, элементы теории распознавания образов, методы математической статистики; геофизические методы обработки экспериментальных данных: методы обработки ионосферных данных, в том числе ионограмм наземного вертикального радиозондирования, методы обработки данных приемников спутниковых систем вРБ/ГЛОНАСС, включая расчет вертикального ПЭС, построение карт по данным пространственно-неоднородной сети пунктов наблюдения методом пространственн�