Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследование модификации среднеширотного ионосферного слоя Es в связи с процессом подготовки землетрясений

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Исследование модификации среднеширотного ионосферного слоя Es в связи с процессом подготовки землетрясений"

РГ6 од

, о ш ю

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОБЪЕДИНЁННЫЙ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ^ЕМЛИ ИМ. О. Ю. ШМИДТА

На правах рукописи

Липеровская Елена Викторовна

УДК 3SO.314.ll

ИССЛЕДОВАНИЕ МОДИФИКАЦИЙ СРЕДНЕ1ИИРОТНОГО ИОНОСФЕРНОГО СЛОЯ Ез В СВЯЗИ С ПРОЦЕССОМ ПОДГОТОВКИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИИ

(01.00.22. - геофизика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1994

Работа выполнена в Объединенном Институте физики Земли им. О.Ю. Шмидта

Научный руководитель! доктор физико-математических

наук, профессор O.A. Похотелов.

Официальные оппоненты: доктор фиэкко-математмческнх наук D. П. Сковородкин, кандидат физико-математических наук В. И. Ларкина.

Ведущая организация! Геофизический Центр Российской Академии Наук

Зашита диссертации состоится " " ItAOfaJ 1994 г. ' в Iчасов на шасЬдании специалиэированого совета К 002.OB.02 в Объединенном Институте физики Земли им.. 0.0. Шмидта по адреоу! 123810, Москва, Б.Грузинская, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в Библиотеке ОИФЗ

РАИ.

Автореферат разослан " '■ ¿2/7£>£¿.9 1994 г.

Учёный секретарь специализированного совета, доктор физ.-мат. наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ«

Ежегодно в пире происходит более 100 разрушительных землетрясений, приводящих к многочисленный жертвам и разрушениям. Поиск способов прогноза землетрясений на основе традиционных сейсмологических нетодое проводится ухе свыше 150 лет. Считается, что в принципе проблема долгосрочного прогноза решена. Однако проблема оперативного прогноза землетрясений за несколько десятков часов остается одной из важнейших нерешенных проблем в современной геофизике. Проблему оперативного прогноза в последние годы пытаются решить с применением нетрадиционных методов, в частности, нетодов, использующих электромагнитные и ионосферные предвестники землетрясений. Проблема связи специфических процессов в ионосфере о землетрясениями поставлена давно. Впервые изменения параметров ионосферы после крупнейшего землетрясения на Аляске были отмечены К.Беке-ром и Д.Девисом в 1965г. В дальнейшем наблюдения за ионосферой во время сейсмической активности нбсили попутный характер, но не являлись предметом специального исследования. К настоящему времени экспериментально установлено, что на разных высотах, и, соответственно, в разных облёстях ионосферы имеет место ряд специфических явлений, по-видимому, обусловленными литосферными процессами и возникающими за сутки-часы перед достаточно сильными землетрясениями.

Свойства ионосферы подвержены регулярным и нерегулярный вариациям. До недавнего времени возмущения ионосферы рассматривались в основном в связи с солнечный воздействием на нее. Однако исследования последних лет показали, что ионосфера чувствительна также к процессам, происходящим в тропосфере, гидросфере и литосфере. Вулканическая деятельности, цунами, землетрясения, циклоны, грозы, запуск спутников и ракет, преодоление летательными* аппаратами звукового барьера, мощные

взрывы, радио-, акустические и тепловые сигналы - все это находит отклик в ионосфере.

В настоящей работе представлены результаты изучения ионосферных эффектов землетрясений на высотах Е области ионосферы - от 90 до 130 км над поверхностью Зенли.Все данные были получены с понощью нетода вертикального наземного зондирования СВЗ). В дневных условиях на указанных высотах существуют как регулярный слой С, так и нерегулярные образования, называемые спорадическими слояни Е». В ночных условиях след от регулярного слоя Е, как правило, на ионограннах отсутствует, поскольку ионизация слишком нала, и обычно изучают только спорадические слои Е».

В диссертационной работе основное внимание уделено изучению эффектов в ночных спорадических слоях Е». Ночное время выбрано для того, чтобы избежать прямого солнечного влияния.

Основные результаты работы получены на основе анализа экспериментальных данных - ионограми за 1985-1989 годы, со ст, Душанбе, Использованы данные еще ряда среднеазиатских и европейских станций за летние месяцы по нескольким годам.

Основное желание автора заключалось в получении надежных статистических закономерностей сейсноионосферных процессов, что дает возможность обосновать реалистичные физические модели явлений.

В начале 80-х годов, когда началось интенсивное изучение сейсноионосферных процессов, было предложено несколько физических моделей, описывающих связь аномалий в ионосфере с процессами в земной коре. Условно модели процессов передачи возмущений от литосферы через атмосферу к ионосфере при подготовке землетрясений ложно разделить на две группы -«злектронагнитную» и «акустическую».

В «электромагнитных» ноделях предполагается, что при под-

готовке землетрясений в Зеиле возникают токи, пятна электрических зарядов и шумовое электромагнитное излучение. Параметры ионосферы модифицируются под воздействием элэктромагнит-ного поля лиТосферного происхождения. В «акустических» моделях предполагается, что в приземной нейтральной атмосфере возникают акустические возмущения, вызванные литосферными процессами. Акустические и акустико-гравитационные волны далее проникают на ионосферные высоты и благодаря столкнови-тельным процессам вызывают возмущения в ионосферной плазме.

Выявление характерных кодификаций ионосферных параметров, предшествующих землетрясениям, и вьиснение пространственно-временных масштабов такой модификации создает возможность экспериментально проверить правильность и соответствие реальности имеющихся моделей и, таким образом, прояснить механизм сейсмоионосферной связи, что необходимо далее для создания эффективных методов прогноза землетрясений.

Цели диссертационной работы

Целью данной работы является экспериментальное и теоретическое изучение закономерностей поведения спорадического слоя Е ионосферы за несколько суток перед землетрясениями. Работа в основном экспериментальная, в ней обработаны и проанализированы многолетние наблюдения стандартных параметров Ее слоя.

Научная новизна работы

8 рассматриваемой работе впервые на обширном статистическом материале проведено исследование эффектов в ночном спорадическом слое Е среднеширотной ионосферы в периоды сейсмической опасности - за несколько суток до сильных землетрясений. Определены временные и пространственные масштабы ряда сейско-ионосферных эффектов в спорадическом слое. Для интерпретации эффектов в спорадическом слое, вызванных процессами подготов-

ки землетрясений, впервые предложены электромагнитная модель «секундных всплесков» и акустико-гравитационная модель.

Научная и практическая ценность работы

Полученные в диссертации результаты важны для понимания физики процессов связи в системе литосфера-аткосфера-иокосфе-ра и могут быть использованы ддя объяснения закономерностей сейсноионосферных эффектов в нижней ионосфере. Полученные результаты также вносят вклад в решение проблемы оперативного прогноза землетрясений.

На защиту выносятся следующие положения

1. За несколько десятков часов до землетрясений с магнитудами N>5,0 на расстояниях от эпицентра не превышающих 500 км, имеет место эффект уменьшения средненочной плотности спорадических слоев Е ионосферы.

2. За сутки-двое перед землетрясениями с магнитудами М>4,5 на расстояниях от эпицентра, не превышающих 500 кн, имеет место эффект повышения изменчивости спорадических слоев Е ионосферы.

3. Для землетрясений с магнитудами М>4,5 пространственные масштабы эффекта изменения средненочной плотности составляют до 1000 кк.

4. Предложена новая «электромагнитная» модель - модель «секундных всплескйв» электромагнитного поля. Предложена интерпретация сейсмононосферных эффектов в Е» слое на основе «электромагнитной» и «акустнко-гравитациошюй» гипотезы.

Апробация работы

Результаты' работы догладывались на Первой, ■ Втором и Третьем Всесоюзных Совещаниях по ионосферным эффектам землетрясений в 1987г. и в 1989г. в ИЗМИРАНЕ, г. Троицк, Московская область и в 1991г. г.Ашхабад; на 19 Генеральной Ассамблее 1А(Зв в 1987г., Ванкувер, Канада; на 21 Генеральной

Ассамблее 1А<36 в 1991г., Вена, Австрия} на Генеральной Ассамблее Европейского Геофизического Общества,, в 1994г., Гренобль, Франция.

Публикации

Результаты, изложенные в диссертации, содержатся в 18 публикациях.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объём страниц, 22 рисунка, 5 таблиц, библиография из наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность рассматриваемой проблемы и важность результатов исследований для научных и практических целей, кратко изложено содержание диссертации по главам и перечислены выносимые на защиту положения.

В первой главе кратко излагаются причины образования ионосферы, строение ионосферы и методы ее изучения.

Область Е ионосферы расположена на высотах Ь^90-160км, плотность, ионизации составляет ЬКЮ'см-8 днем и на два порядка меньше ночью. Основные ионы в Е-области - это 0+2 и М0+. Несколько процентов от общего состава приходится на другие ионы, в частности на ионы металлов.

Спорадические слои Е - это облака повышенной ионизации блинообразной формы, состоящие, как правило, из металлических ионов. Образование спорадических слоев обычно связывают с явлением ветрового сдвига. Если на какой-то высоте в Е-облас-тч направление горизонтального ветра неняется на обратное с градиентом скоростей ^ 0,05-0,06 с"1, то заряженные частицы "сгоняются" в направлении к точке, в которой скорость ветра равна нулю, в результате образуется Е«~слой. Расплывание слоев происходит в основном благодаря амбиполярной диффузии и

турбулентной диффузии.

Частота экранирования ГьЕе, как считается, соответствует максимальной плотности ионизации в спорадическом слое, ГьЕвл. Уптах. По порядку величины максимальная концентрация в Е«~слоях достигает Ю'-Ю^см-8, толщина слоев от нескольких сотен метров до нескольких килонетров, причем часто они имеют тонкую структуру.

Если спорадический слой состоит из долгоживущих металлических ионов, то время его расплывання при наличии только амбиполярной диффузии составляет десятки часов. При этом смещение слоя по горизонтали составит несколько сотен километров. При наличии турбулентных пульсаций в нейтральном газе величина эффективного коэффициента диффузии может возрасти в несколько раз.

Далее в первой главе предлагается очерк начального этапа исследований ионосферных возмущений, вызванных сейсмической активностью.

Во . второй главе рассмотрены модификации средних характеристик спорадического слоя Е ионосферы в связи с процессами подготовки землетрясений.

В разделе 2.1 исследована появляеность Е«-слоя или, иначе говоря, изменение времени существования спорадического слоя за ночь в периоды подготовки землетрясений. Ночи условно соответствовал интервал с 22.00 1,Т до 06.00 ЬТ.

По материалам ст. Душанбе рассматривались землетрясения с нагнитудами М>5,0 С16 землетрясений) и по материалам ст. Петроногловск-Камчатский землетрясения С классами К>12,0 С39 землетрясений). Расстояния от эпипентров до станции ВЗ не превышали 300 км. Показано, что вероятность появления спорадического слоя понижается за сутки-часы перед землетрясением по сравнению с вероятностью появления слоя эа двое суток. По

ст. Душанбе эффект имел место в 13 Случаях, по ст. Петропавловск-Камчатский - в 27 случаях. Важно прдчеркнуть, что эффект имел место независимо от. того, где' находилась область подготовки - на суше или в море.

В разделе 2.2 исследованы изменения средненочной плотности спорадического слоя за несколько суток перед землетрясениями. Выявляется следующая закономерность: для землетрясений с маг-нитудой М>5,0, находящихся на расстояниях й<500 км от станции ВЗ, в среднем происходит понижение средненочной характерной частоты ГьЕ» на С-1) ночь по сравнению с С-25. Для выявления этой закономерности был введен параметр: отношение средненочной частоты :ГьЕ» за данную ночь к средненочной частоте за предыдущую ночь. Было рассмотрено 58 землетрясений за периоды 1985-1989г. Для 33 из них наблюдалось уменьшение средненочной частоты более чем на 10Х к С-1Э ночи. Вероятность того, что уменьшение имеет случайный характер для С-1.Ч ночей составила менее V/. при использовании критерия

В разделе 2.3 определены пространственные масштабы, на которых существенны изменения средних характеристик Ев-слоя.

При отсутствии процессов подготовки землетрясений средне-ночные СЬЕ» на близких станциях хорошо коррелируют. Для выявления эффектов сейсмической природы было проведено исследование корреляции средненочных ГьЕ» по станциям Ашхабад, Душанбе, Ташкент и Алма-Ата в периоды подготовки землетрясений и фоновые периоды. Станции разнесены на расстояния от 300 до 1700 км друг от друга. Были использованы данные летних месяцев 1985 и 1937 года. Исследовались землетрясения с М>4,5. За периоды подготовки принимались «-1» и «-2» ночи, все остальные ночи считались фоновыми.

Коэффициенты корреляции в фоновые дни по любым парам станций повышаются в 1,5-3 раза по сравнению с коэффициентами

корреляции по ночам подготовки землетрясений, если расстояния от эпицентров до станций не превышают 1000 км. Можно сделать вывод, что процессы подготовки воздействуют на ионосферу на расстоянии не меньшем, чем 1000 км.

В разделе 2.4 проведено сравнение влияния на средние характеристики спорадического слоя Е процессов подготовки землетрясений и мощной квазипостоянной антропогенной деятельности. При этом был также использован метод корреляций. Были добавлены материалы нескольких ионосферных станций - Караганды, Рима, Праги, Линдау в Германии, и Гибельманны в Сицилии.

Для пар европейских станций так называемые «фоновые» , не сейсмоактивные ночи, были разделены на две группы - ночи, соответствующие викэндам и рабочим дням недели. Получено, что коэффициенты корреляции для викзндов и ночей рабочих дней недели могут различаться в 2-3 раза.

В Средней Азии антропогенные эффекты выделить значительно сложнее, в Советском Союзе крупные предприятия не останавливались, на викэнды. Тем не менее можно сказать, что индустриальная деятельность' Ташкента с 2 млн. населения приводит к модификации Ев-слоя ионосферы.

В третьей главе исследуется изменчивость спорадического слоя Е в периоды подготовки землетрясений и фоновое время.

В разделе 3.1 введена характеристика изменчивости частоты fbEs за ночь - так называемая «отсечка». «Отсечка» означает резкое уменьйрние, не менее, чем на 0,8 МГц за 15 минут характерной частоты ГьЕв. Методом наложетш эпох получалось, что на С-15 и на С-2) ночи количество «отсечек» за'ночь увеличивается на 30-50У. Выпи рассмотрены 33 землетрясения на 'Камчатке и 1? в Сррдн<--П А чш Магнитуды М><1,5, расстояния от эпицентре! Р<")00 км.

В раэлелр 3.2 характеристикой изменчивости была выбрана

а \» v ' а у^ а и а уу — „

безразмерная величина — =--- Для этой

Г */2СГа+15)+Ги-15ЭЭ

величины отроились гистограммы распределения в фоновые ночи и ночи подготовки СС-15 и С-23 перед землетрясениями с магнитудами М>4,5 на расстояниях до 500 км от эпицентра). Ра-сматривались три периода времени: 1985,86,87 гг. С2ЭЗ ночи}, 1988 г. С197 ночей), 1989 г. С183 ночи). Месяцы март-апрель Сслой часто отсутствует) исключались. При использовании критерия у? было получено, что изменчивость повышается на С-1) ночь и с вероятностью более 95'Л этот эффект не случайный.

В разделе 3.3 исследовалось Е-рассеяние или, иначе, диффузность слоя Е» в связи с землетрясениями. Е-рассеяние -редкое явление. По материалам ст. Душанбе за 4 исследованных месяца диффузность в ночном Е»-слое проявилась только 76 раз, т.е. в V/. случаев. Диффузность возникала только при небольших значениях ГьЕв<1,8 МГц. Наиболее часто диффузность возникала при 1,0<ГЬЕэ<1,3 МГц. Бьшо выяснено, что время существования диффузности в сейсмоактивные ночи Сс С-3) по С-1) по отношению к землетрясениям с М>4.5, 1?<500 км, из рассмотрения исключались С+1) ночи) превышало время существования в фоновые ночи в 1,5 раза.

В разделе 3.4 проведено сравнение изменения свечения ночного неба на длине волны 5577 А и изменения параметров Ег-слоя перед землетрясениями. Известно, что интенсивность свечения возрастает за сутки-часы до землетрясения. Для двух землетрясений обнаружена хорошая корреляция ГоЕ» - еще одной характерной частоты Е«-слоя со среднечасовой интенсивностью свечения ночного неба. Коэффициент корреляции составляет 0,7. Величина ГоЕв характеризует наличие мелкомасштабных возмущений плотности Ее слоя.

В четвертой' главе обсуждаются два механизма воздействия литосферных процессов на ионосферу - «электромагнитный» и

«акустико-гравитационный».

При интерпретации экспериментальных результатов применение «электромагнитного» механизма предполагает, что возникающие в земле и на поверхности земли злектронагнитные поля литосфер-ного происхождения изменяют состояние нижней ионосферы. В разделе 4.1 обсуждаются достоинства и недостатки ряда существующих «электромагнитных» ноделей и предлагается новая модель - модель «секундных всплесков» электромагнитного поля. В этой модели предполагается, что на спорадический слой ионосферы воздействуют возникающие в земле импульсы электрического тока длительностью-1 с. Электроны в Е» слое будут нагреваться, характерное время амбиполярной диффузии уменьшится. В результате Е»-слой будет сильнее расплываться. С помощью этой модели можно интерпретировать уменьшение средненочной плотности спорадического слоя на близких расстояниях от сильных землетрясений.

В разделах 4.2-4.3 при интерпретации сейсмоионосферных эффектов на основе «акустико-гравитационного» неханизма предполагается, что возмущения в нижней ионосфере вызываются акустическими волнами, возникшими в приземной нейтральной атмосфере при подготовке землетрясений. На основе «акустико- гравитационного» механизма предлагается интерпретация повышения изменчивости Е«-слоя на расстояниях до 500 км в результате распространения акустико-гравитационных волн с периодами 30-45 мин и интерпретация изменения средненочной плотности Ев-слоя на расстояниях порядка 1000 км в результате распространения акустико-гравитационных волн с периодами несколько часов.

В разделе 4.4 приведена схема, иллюстрирующая существующие к настоящему времени модели- воздействия процессов подготовки землетрясений на нижнюю ионосферу.

В заключении приведены основные результаты, полученные в работе:

1. За несколько десятков часов до землетрясений с магниту дани М>5,0 происходит уменьшение средненочной плотности спорадических слоев Е ионосферы. Пространственный масштаб эффекта составляет 500 км. Эффект расплывания спорадических слоев Ее можно интерпретировать на основе «электромагнитной» модели «секундных всплесков» электрического тока, возникающих в литосфере.

2. За сутки-двое до землетрясениями с магнитудами М>4,5 повышается изменчивость спорадических слоев Е ионосферы. Пространственный масштаб эффекта составляет 500 км. Эффект резких образований и расплываний спорадического слоя Е» можно интерпретировать на основе модели короткопериодных Т=30-45 минут акустико-гравитационных волн, возникающих в приповерхностном слое атмосферы вследствие активизации сейсмограви-тационных колебаний Земли перед землетрясениями.

3. За сутки-двое до землетрясений с магнитудани М<4.5 изменяется средненочная плотность Е» слоя: коэффициенты корреляции средненочных Е« по расположенным в нескольких сотнях километров станциям вертикального зондирования уменьшаются в 1.5-3 раза по сравнению с фоном. Пространственные масштабы этого эффекта составляют до 1000 км. Эффекты изменения сред-

• неночной плотности Е« слоя на таких расстояниях от эпицентра можно интерпретировать на основе модели долгопериодных внутренних гравитационных волн с периодами несколько часов, возникающими в приземном слое атмосферы.

4. Процессы подготовки землетрясения могут увеличивать турбулизацию в Е-о5ласти, вызывать в спорадическом слое Еа ионосферы Е-рассеянна! Эти явления могут возникать благодаря диссипации акустико-гравитационных волн.

5. Влияние кваэипостоянной антропогенной деятельности Сэффекты больших городов^ на средние характеристики Е»-слоя кокет быть одного порядка с влиянием процессов подготовки сильных землетрясений.

Список основных публикаций

1. Алимов 0. А., Гохберг М. Б. , Липеровская Е.В., Рубцов Л.Н. Об аномалиях характеристик среднеширотного спорадического слоя Е во время сейсмической активности // Исследование солнечной плазмы. Ашхабад, 1989. С.396-404.

2. Алимов О.А., Гохберг М. Б., Липеровская Е.В., Гуфельд И.Л., Липеровский В.А., Рубцов Л.Н. Эффект ' резких уменьшений плотности спорадического слоя Е ионосферы - предвестник землетрясений // Докл. АН СССР. 1989. Т.305, N 6. С. 1335-1339.

3. Allmov О. A., Gokhberg М. В., Llperovskaya Е. V. Gufeld I.L., Roubtsov L.N. Anomalous characteristics of the middle latitude E layer before earthquakes // Phys.Earth and Planet. Inter. 1089. Vol.57. N 1/2. P.76-81.

4. Липеровская E.B., Алимов O.A., Рубцов Л.Н., Павлова С.С., Кулиева Р.Н., Гошдханов М. К вопросу о масштабах проявления сейсмоионосферных эффектов//Ионосферные эффекты землетрясений. Тезисы докладов 3 Всесоюзного совещания. Ашхабад, 1991.

5. Nasyrov G, А., Shallmov S. L., Llperovskaya Е. V., Allmov О. A., Roubtsov L. N., Pokhotelov О. A. Seismo-lonospherlc effect In low Ionosphere: Comparative study// Abstr.seismo-electromagnetic session XX Gen.Assembly of the IUGG, Vienna, 11-24 Aug. 1991. Vienna, 1991. P.17-25.

6. Колоколов Л. E., Липеровская Е.В. , Мараховский А.В., Похотелов 0.А., Липеровский В.А., Шалимов С.Л. Резкие ,расп-лывания спорадических слоев Е среднеширотной ионосферы в периоды подготовки землетрясений // Изв.РАН. Физика Земли. 1992. N 7 С.105-113.

7. Liperovskaya E.V., Shall tod v S.L., Kolokolov L. E., Liperovsky V.A,, Aliroov O.A., Haldoupls C. Ionospheric sporadic modification prior to earthquakes // Abstr. seismo-electromagnetic session XX Gen. Assembly of the IUGQ, Vienna, 11-24, Aug. 1991. Vienna, 1991. P.17-2S.

8. Липеровская E.B., Липеровский В.А., Похотелов O.A., Рубцов JI. Н. , Сайдшоев А. Закономерности проявления некоторых сейсмо-ионосферных эффектов // Докл.РАН. 1993. T.330.N3 С.372-375.

9. Липеровская Е.В., Христакис Н. , Липеровский В.А., Олейник М.А. Эффекты сейсмической и антропогенной активности в ночном спорадическом Е-слое ионосферы// Геомагнетизм и аэрономия. 19Q4. в печати.

10. Liperovskaya E.V., Oleynic М. A. On space scales of seismoionospherlc effects in night-time sporadic E-layer/s Abstr. Gen. Assembly of the European Geophysical Sosiety , Grenoble, 25-26 April. 1994. Grenoble, 1994.

11. Liperovskaya E.V., Pochotelov O.A., Liperovsky V. A., Oleynic H.A., Meister 1С.-V., Christakis N. The comparison of seismic and anthropogenic effects in the sporadic night-time sporadic E-Iayer of the ionosphere/1/ Abstr. Gen. Assembly of the European Geophy- sical Sosiety, Grenoble, 25-26 April. 1994. Grenoble, 1994.

12. Липеровская E.B. , Рубцов Л.Н., Павлова С.С., Хакимов , Олейник М. А., Кулиева Р.Н. К вопросу о пространственных

масштабах проявления сейсмоионосферных эффектов // Докл.АН Тадж.ССР. 1994. Св печати)

13. Липеровская Е.В., Похотелов O.A., Сайдшоев А., Алимов O.A., Павлова С.С., Хакимова М. Некоторые эффекты в спорадическом слое Е ионосферы перед землетрясениями // Изв. РАН. Физика Земли. 1994. Св печати)