Вариации полного электронного содержания над эпицентром землетрясений

УДК 550.34

Нұрғалиева Қ.Е.,

КазНУ им. аль-Фараби, Алматы, Казахстан,

ДТОО «Институт ионосферы», Алматы, Казахстан

ВАРИАЦИИ ПОЛНОГО ЭЛЕКТРОННОГО СОДЕРЖАНИЯ НАД ЭПИЦЕНТРОМ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

Аннотация. В данной работе были исследованы вариации полного электронного содержания над эпицентрами землетрясений в период с 1999-2014 гг. Для исследования было выбрано 10 землетрясенийс магнитудой более 6,5, произошедших  в регионах  с плотно расположенными GPS-приемниками. Для периодов землетрясений исследована геомагнитная обстановка. По результатам анализа локального полного электронного содержания ионосферы обнаружено, что в 6 случаях из 10 за сутки до землетрясения наблюдается повышение электронной концентрации на 0,11-0,23 %, в двух случаях, когда наблюдалась повышенная геомагнитная активность, электронная концентрация понизилась на 0,12 %.

Ключевые слова: землетрясение, ионосфера, глобальная электрическая цепь, полное электронное содержание.

Введение.

Исследование геодинамических процессов в литосфере и Земли в целом ведутся на протяжении значительного времени. С развитием космических технологий, в первую очередь специальных GPS-наблюдения и технологии ДЗЗ с конца прошлого, начала нынешнего столетия технологии GPS-мониторинга являются преобладающими. Исследование литосферно-атмосферно-ионосферных взаимодействий проводятся в США, России, Японии и ряде других стран. В России ряд институтов СО РАН продолжают исследования, основанные на многопараметрическом круглогодичном сейсмо-геодинамическом мониторинге земной коры и ионосферы на сети станций, оборудованных цифровой сейсмометрической, электромагнитной и др. радиогеофизической аппаратурой. В результате исследований предполагается получение данных о сейсмоэлектромагнитном состоянии системы «литосфера-атмосфера-ионосфера-магнитосфера» в регионе Байкальской рифтовой зоны, которые могут быть использованы для разработки системы оперативного мониторинга и предупреждения  сейсмоопасности в указанном регионе.

В частности, статистически установлена связь между процессами подготовки землетрясений и возмущениями электростатических полей на высотах полета спутника (700 км) [1,2]. Экспериментальное открытие этой закономерности является важным шагом к поиску кратковременных предвестников землетрясений. Вместе с тем, для целенаправленного развития метода прогноза землетрясений необходимо понять физику явлений взаимодействия процессов в земной коре и электростатического поля на высотах верхней атмосферы. По современным представлениям природа литосферно-атмосферно-ионосферных связей объясняется главным образом двумя физическими механизмами: воздействием на ионосферу акустико-гравитационных волн (АГВ), генерируемых во время землетрясений и проникновением в ионосферу в периоды активизации сейсмических процессов аномального  вертикального электрического поля.

Проблема поиска предвестников землетрясений и прогноза сейсмической опасности  является актуальной задачей, как для государственных органов, так и для жителей сейсмически-опасных регионов Казахстана. Эксперименты по регистрированию «ионосферных предвестников» землетрясений уже проводились российскими учеными – в 2001 г. ионозонд орбитальной станции «Мир» зафиксировал ионосферные неоднородности, возникающие только над областью подготавливающегося землетрясения. Подобные исследования велись специалистами Французского космического агентства (CNES) – для этих целей ими создан спутник «DEMETER». Кроме того, в ближайшие 2 года планируется запуск новых спутников, предназначенных для регистрации «предвестников» землетрясений – итальянский спутник «Esperia», российский спутник «Компас-2» и российско-мексиканский спутник «UNAMSAT-3». Таким образом, одним из самых перспективных методов прогнозирования землетрясений, по мнению большинства зарубежных ученых, является использование научных спутников. Учитывая тот факт, что ряд южных областей Казахстана и г. Алматы находятся в сейсмоопасных зонах, казахстанским ученым необходимо стать активными участниками международного научного процесса по разработке новейших методов прогнозирования землетрясений, в том числе с использованием спутников и сопровождающей наземной аппаратурой.

Согласно современным представлениям, процесс подготовки землетрясения связан с деформацией горной породы и накоплением в ней напряжения, мгновенная разрядка которого и есть сейсмический толчок. Лабораторные эксперименты [3] показывают, что при деформации кристаллической решетки горной породы появляются  положительные проводники зарядов  (положительные дырки  h.) и возникает электрический ток (Jrock).

Математическое моделирование ионосферного отклика на электрические поля и токи, генерируемые над районом подготовки очага землетрясения, проведено во многих работах, например, [4,5-8].

В предлагаемой работе с помощью экспериментальных данных апробирована математическая модель, представленная вработе [9].

Материалы, метод и результатыДля исследования выбрано 10 землетрясений, произошедших в регионах с плотно расположенными GPS-приемниками и с магнитудой более 6,5 в период времении 1999-2015 гг., параметры данных землетрясений приведены в таблице1 [10].

Для периодов землетрясений исследована геомагнитная обстановка. Показано, что для двух событий перед землетрясением наблюдались геомагнитные бури с Ар-индексом более 18. Данные взяты с сайта http://wdc. kugi. kyoto-u. ac. jp/kp/[11].Выявлено, что в двух случаях из десяти наблюдались геомагнитные бури с Ар-индексом более 18, 17 августа 1999 года и 11 марта 2011 года (рисунок 1-2). Эти события должны быть приняты во внимание при анализе процесса вариаций ПЭС.

Рисунок 1 – Геомагнитная активность для августа 1999 года

Рисунок 2 – Геомагнитная активность для марта 2011 года

Для того чтобы исследовать изменения в ионосфере были проанализированы двухчасовые вариации локального ПЭС наа день события, за пять суток до и двое сутокк после события. Также были проанализированы вариации локального ПЭС со смещением наа 2° на юг, результаты показаны на рисуках 3-5.

а) [41.3°N, 30.33°E]

б) [39.3°N, 30.33°E]

Рисунок 3 – Вариации локального ПЭС для 21-28 декабря 2003 года

а) [3.39° N, 95.85° E] б) [1.39° N, 95.85° E]

Рисунок 4 – Вариации локального ПЭС для 21-28 декабря 2003 года

а) [31.16 ° N, 103.33 ° E]

б) [29.16 ° N, 103.33 ° E]

Рисунок 5 – Вариации локального ПЭС для 7-14 мая 2008 года

В результате исследований было показано, что по результатам анализа глобального полного электронного содержания ионосферы по LT в вечернее время 16:00-17:00 и 18:00-19:00, 20:00-21:00 концентрация плазмы уменьшается в экваториальной зоне, затем эта зона пониженной электронной концентрации перемещается на север, что находится в хорошем соответствии с математической моделью [9].

Заключение

По результатам анализа локального полного электронного содержания ионосферы обнаружено, что в 6 случаях из 10 за сутки до землетрясения наблюдается повышение электронной концентрации на 0,11-0,23 %, в двух случаях, когда наблюдалась повышенная геомагнитная активность, электронная концентрация понизилась на 0,12 %. В двух случаях так же наблюдается понижение электронной концентрации, но причины этого явления в дипломной работе не исследовались.

Механизм формирования ГЭЦ и физика изменения параметров ионосферных слоев над районом подготовки землетрясения изучены посредством строения карт глобального ПЭС (таблица 2).

В результате исследований было показано, что в вечернее время 16:00-17:00 и 18:00-19:00, 20:00-21:00 (LT) концентрация плазмы уменьшается в экваториальной зоне, затем эта зона пониженной электронной концентрации перемещается на север. По результатам анализа локального полного электронного содержания ионосферы обнаружено, что в 6 случаях из 10 за сутки до землетрясения наблюдается повышение электронной концентрации на 0,11-0,23 %, в двух случаях, когда наблюдалась повышенная геомагнитная активность, электронная концентрация понизилась на 0,12 %.

Список литературы

Липеровский модели связи в системе литосфера–атмосфера–ионосфера.//Лекции БШФФ.–2006. - С. 58–65. Pulinets S. A. Space technologies for short-term earthquake warning./Pulinets S. A.//Advances in Space Research.– 2006, № 37.  – Р. 643–652. Liu, J. Y., Le, H., Chen, Y. I., et al. Observations and simulations of seismoionospheric GPS total electron content anomalies before the 12 January 2010 M7 Haiti earthquake // J. Geophys. Res. – 2011. – V. 116. - A04302. -  doi. org/10.1029/2010JA015704. Kuo C. L., Huba J. D., Joyce G., Lee L. C. Ionosphere plasma bubbles and density variations induced by pre-earthquake rock currents and associated surface charges // J. Geophys. Res. -2011.-V.116. - A10317. - doi:10.1029/2011JA016628. Liu, J. Y., Le, H., Chen, Y. I., et al. Observations and simulations of seismoionospheric GPS total electron content anomalies before the 12 January 2010 M7 Haiti earthquake // J. Geophys. Res. -2011. – V.116. - A04302. - doi. org/10.1029/2010JA015704. Namgaladze A. A., Klimenko M. V., Klimenko V. V., Zakharenkova I. E. Physical mechanism and mathematical modeling of earthquake ionospheric precursors registered in total electron content // Geomagnetism and Aeronomy. – 2009. – V.49. -#2. – P.252-262. - doi:10.1134/S0016793209020169. Karpov M. I., Zolotov O. V., Namgaladze A. A. Modeling of the ionosphere response on the earthquake preparation // Proceedings of the MSTU. -2012. - V. 15. - # 2. – P..471-476. Kim V. P., Liu J. Y., Hegai V. V.  Modeling the pre-earthquake electrostatic effect on the F region ionosphere //  Advances in Space Research. – 2012. – Р.1524–1533. , , Ким модель системы «Литосфера-ионосфера»: воздействие изменений электрического поля в районе подготовки землетрясения на параметры ионосферного слоя //Научный журнал-приложение международного журнала «Высшая школа Казахстана». Поиск-Izdenis. – 2014. - №3. – С. 44-58. http://earthquake. usgs. gov/neic. world. epic http://wdc. kugi. kyoto-u. ac. jp/kp/

Принято к печати 26.04.2016

Приложение 1

Таблица 1 – Параметры землетрясений.

№	Время  [GMT]	Широта	Долгота	Глубина	Число станций	Магни-туда	Место
1	17.08.1999 00:01:44,3	40,75	29,86	17	12	7,6	Турция
2	26.12.2003 0.1:56:53,4	29,1	58,38	10	30	6.6	Южный Иран
3	26.12.2004 00:58:48,2	3,39	95,85	10	39	9,1	Западное побережье Суматры
4	12.05.2008 06:28:00	31,16	103,33	10	55	7,9	Провинция Сычуань
5	12.01.2010 21:53:08.3	18,46	-72,56	10	51	7.0	Регион Гаити
6	27.02.2010 06:34:13	-36,04	-72,88	33	34	8.8	Побрежье Центрального Чили
7	11.03.2011 05:46:22,2	38,29	142,69	33	70	9,0	Восточное побережье Хонсю, Япония
8	25.03.2012 22:37:06,7	-35,17	-72,2	40,7	31	7.1	Центр. Чили
9	11.04.2012 08:38:34,5	2,35	92,92	25	61	8.6	Западное побережье Северной Суматры
10	01.04.2014 23:46:46,9	-19,6	-70,95	20	31	8.2	Побережье Северного Чили

Таблица 2 – Карты глобального полного электронного содержания для Южного Ирана [29.1ͦ N, 58.38ͦ E], события, произошедшего 26 декабря 2003 года с магнитудой 6,8.

LT	24	25	26	27	28
16:00- 17:00
18:00- 19:00
20:00- 21:00