ИОНОСФЕРНЫЕ ВОЗМУЩЕНИЯ ПЕРЕД СИЛЬНЫМИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯМИ НА ГАИТИ (М = 7.2) И В ЯПОНИИ (М = 9.0) ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
ISSN 1561-8889. Космічна наука і технологія. 2012. Т. 18. № 6. С. 35–42.
УДК 550.388.2
В. В. Хижняк1, В. П. Деденок2, А. А. Ткаченко2
1 Український науково-дослідний інститут цивільного захисту Міністерства надзвичайних ситуацій України, Київ
2 Харківський університет Повітряних Сил ім. І. Кожедуба, Харків
ИОНОСФЕРНЫЕ ВОЗМУЩЕНИЯ ПЕРЕД СИЛЬНЫМИ
ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯМИ НА ГАИТИ (М = 7.2) И В ЯПОНИИ (М = 9.0)
ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ
На основі оцінок іоносферних затримок супутникових навігаційних радіосигналів за даними мережі станцій системи IGS
проведено аналіз іоносферних варіацій над епіцентрами двох сильних землетрусів на Гаїті в січні 2010 р. (М = 7.2) і в Японії
у березні 2011 р. (М = 9.0). Виявлено характерні особливості змін стану локальної епіцентральної області іоносфери, спіль-
ні для підготовчого періоду двох землетрусів.
ВВЕДЕНИЕ частую затруднено, поскольку ионосферные воз-
мущения могут вызываться многими фактора-
Землетрясения на Гаити в январе 2010 г. (М = 7.2) ми, основными из которых являются солнечная
и в Японии в марте 2011 г. (М = 9.0) стали одними активность и состояние магнитосферы Земли
из наиболее сильных землетрясений последнего — факторы глобального влияния на ионосферу.
времени. Они повлекли за собой значительные Возмущения от этих факторов могут быть силь-
человеческие жертвы и разрушения. Катастро- нее возмущений, связанных с тектоническими
фические последствия сильных землетрясений процессами и скрывать их. Так, например, в
делают исключительно актуальными исследова- исследовании [1] не удалось выявить сейсмоио-
ния по выявлению предвестников таких сейсми- носферные предвестники землетрясения Hector
ческих событий. Одним из направлений разви- Mine 16 октября 1999 г. в Калифорнии (M = 7.1)
тия методов прогнозирования является изучение на фоне относительно высокой солнечной и гео-
сейсмо-ионосферных эффектов [8], в частности магнитной активности.
тех, которые могут быть ассоциированы с под- Для преодоления таких трудностей в работе [6]
готовкой землетрясений. Исследователи отме- предложен подход, позволяющий при возмущен-
чают, что часто в период от нескольких часов до ной геомагнитной обстановке разделить сейсми-
нескольких суток до землетрясения в эпицен- ческие и геомагнитные эффекты воздействия на
тральной области ионосферы регистрируются ионосферу. Для этого предложено использовать
аномалии, которые проявляются как специфи- сравнительный анализ данных о состоянии ио-
ческие изменения либо полного содержания носферы в эпицентральной и в удаленной от эпи-
электронов в вертикальном столбе единичного центра (фоновой) областях. Такой подход позво-
сечения (VTEC) [5, 7, 9—13], либо максимума лил выделить локальные ионосферные аномалии
электронной концентрации в F2-слое ионосфе- в районе эпицентра землетрясения Hector Mine,
ры [2, 3, 6]. которые не связаны с геомагнитной обстановкой
Выявление локальных ионосферных анома- и могут быть ассоциированы с эффектами сейс-
лий, ассоциированных с землетрясениями, за- мического происхождения.
Поведение ионосферы перед землетрясения-
© В. В. ХИЖНЯК, В. П. ДЕДЕНОК, А. А. ТКАЧЕНКО, 2012 ми на Гаити и в Японии исследовано в ряде ра-
35В. В. Хижняк, В. П. Деденок, А. А. Ткаченко
бот. В работе [12] авторы на основе анализа гло- ложенный в работе [6], при котором одновре-
бальных ионосферных карт показали наличие менно исследуются эпицентральная и фоновая
ионосферных возмущений в эпицентральной области ионосферы.
области землетрясения на Гаити за несколько
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
суток до события. В работе [9] авторы рассмат-
ривали только очень короткий (несколько часов Данные о времени, мощности и координатах
до и после землетрясения) временной интервал, эпицентров землетрясений были взяты на сайте
показав наличие ионосферной аномалии непо- научного агентства The United States Geological
средственно (десятки минут) перед землетрясе- Survey (USGS) (http://earthquake.usgs. gov/). Зем-
нием. Методики, использованные в работах [9, летрясение на Гаити с магнитудой 7.2 по шкале
12], хоть и позволяют показать наличие ионо- Рихтера было зафиксировано 12 января 2010 г.
сферного отклика на тектоническую активность, в 21:53 UTС. Географические координаты эпи-
не могут быть использованы для сколько-нибудь центра 18.46° с. ш., 72.53° з. д. Землетрясение в
заблаговременного предсказания, поскольку тре- Японии с магнитудой 9.0 было зафиксировано
буют либо наличия ионосферных карт, которые 11 марта 2011 г. в 05:46 UTС, координаты эпи-
формируются с задержкой в несколько суток, центра 38.32° с. ш., 142.37° в. д.
либо рассчитаны на обработку данных после Согласно методике [4] ионосфера представля-
землетрясения. ется в виде тонкого слоя на высоте Hи = 400 км.
При обработке измерений глобальных спут- В каждом случае исследуемые области ионосфе-
никовых навигационных систем (ГНСС) одним ры (эпицентральная Ωи и фоновая Ωф ) ограни-
из основных источников погрешности измере- чены окружностью радиуса 400 км. Центр Ωи
ния псевдодальности является ионосферная за- находится над эпицентром, а центр Ωф — над
держка навигационного радиосигнала, которая выбранной станцией, удаленной от эпицентра
однозначно связана с полным электронным со- на достаточное расстояние.
держанием ионосферы вдоль трассы «спутник — Исходными данными для проведения иссле-
приемник» и может быть оценена из двухчас- дований были посуточные измерения и навига-
тотных ГНСС-измерений. Так как эта задержка ционные файлы станций системы International
однозначно связана с VTEC, в работе [4] пред- GNSS Service (IGS), доступные на сайте www.
ложена методика оценки текущего состояния igscb.jpl.nasa.gov. Значения межканальных задер-
локальной пространственно-временной облас- жек аппаратуры спутников ГНСС и станций IGS
ти ионосферы на основе оценки ионосферной взяты из файлов глобальных ионосферных карт
задержки навигационного радиосигнала вдоль от Center for Orbit Determination in Europe (ftp://
вертикального луча, приведенной к единицам ftp.unibe.ch/aiub/CODE). Интервал времени, на
длины ( ΔI v ). Эта методика позволяет органи- котором производилась оценка текущих значе-
зовать непрерывный мониторинг и выявления ний ΔI v согласно методике [4], составлял Tи =
неоднородностей ионосферы путем «сканирова- = 90 мин.
ния» достаточно большого региона ионосферы При анализе состояния ионосферы рассмат-
ограниченным числом ГНСС-станций. ривались вариации оценок ионосферной за-
Целью работы является анализ вариаций в ло- держки ΔI v относительно их средних значений
ΔI v (для соответствующего времени суток)
кальной эпицентральной области ионосферы в
подготовительный период двух сильных земле- δI v = ΔI v − ΔI v ,
трясений на основе методики оценки текущего что позволило определить пределы вариаций
состояния локальной пространственно-времен- ΔI v относительно средних значений на дли-
ной области ионосферы на основе оценок ΔI v тельном интервале задолго до землетрясения
по данным сети ГНСС-станций [4]. Для оценки при относительно невозмущенной ионосфере,
влияния факторов глобального воздействия на т. е. найти такое Lc , при котором
ионосферу авторы использовали подход, пред- δI v ≤ Lc .
36 ISSN 1561-8889. Космічна наука і технологія. 2012. Т. 18. № 6Ионосферные возмущения перед сильными землетрясениями на Гаити (М = 7.2) и в Японии (М = 9.0) ...
Значение Lc характеризует предел нормальной
вариабельности δI v , а выход за этот предел рас-
сматривается как аномальное изменение δI v .
Анализ геомагнитной обстановки перед земле-
трясениями и выбор фоновых областей. Анализ
геомагнитной обстановки на 30-сут интервале
перед землетрясениями был проведен на основе
данных лаборатории рентгеновской астрономии
Солнца физического института Российской ака-
демии наук (www.tesis.lebedev.ru). В качестве по-
казателя состояния магнитосферы рассматрива-
лись посуточные суммы Kp-индексов.
Геомагнитная обстановка перед землетрясе-
нием на Гаити (М = 7.2) была спокойной, маг-
нитных бурь зафиксировано не было. Геомагнит-
ная обстановка перед землетрясением в Японии
(М = 9.0) была также относительно спокойной. В
рассматриваемом периоде были зафиксированы
слабые магнитные бури 18 февраля и 1 марта. На
рис. 1 показаны посуточные суммы Kp-индексов
для рассматриваемых землетрясений.
Для оценки влияния на состояние ионосферы Рис. 1. Посуточные суммы Кр-индексов перед землетря-
сениями на Гаити (а) и в Японии (б)
факторов глобального характера проводилось
исследование ионосферных вариаций в «фоно-
вых» областях ионосферы. При этом полагалось,
что факторы глобального характера воздейству-
ют на ионосферу одинаково как в эпицентраль-
ной, так и в фоновой областях.
Выбор фоновой области является достаточ-
но сложной задачей, где необходимо учитывать
удаленность от эпицентра, природу самого зем-
летрясения (океаническое или континенталь-
ное) и др. Проведенное исследование опиралось
на измерительную информацию станций систе-
мы IGS, поэтому и выбор фоновых областей был
обусловлен расположением IGS-станций, по ко-
торым была доступна вся необходимая инфор-
мация (значения межканальных задержек, фай-
лы измерений, навигационные файлы и др.).
Анализ ионосферных аномалий в подготовитель-
ный период сильного землетрясения на Гаити ( М =
= 7.2). Для исследования ионосферных вариа-
ций в эпицентральной области землетрясения
на Гаити использовались измерения станций
CRO1 и SCUB системы IGS. Другие станции не
использовались, поскольку по ним не было до- Рис. 2. Схема исследования ионосферы перед землетря-
стоверных данных о значениях межчастотной сением на Гаити
ISSN 1561-8889. Космічна наука і технологія. 2012. Т. 18. № 6 37В. В. Хижняк, В. П. Деденок, А. А. Ткаченко
Рис. 3. Ионосферные вариации над эпицентром землетрясения на Гаити (а) и в фоновой области (б)
задержки. В качестве фоновой была выбрана об- ное значение δI v отмечено на рассвете 11 янва-
ласть ионосферы Ωф над станцией BRMU (рас- ря за 1.5 сут до землетрясения. Непосредственно
стояние от эпицентра около 1800 км). Взаимное перед землетрясением значения δI v уменьши-
расположение станций и областей Ωи и Ωф по- лись до уровня невозмущенной ионосферы.
казано на рис. 2. В фоновой области Ωф (рис. 3, б) в период до
На рис. 3 показан график изменения δI v в 9 января абсолютное
значение отклонения теку-
эпицентральной и фоновой областях. Анализ щей оценки ΔI v от среднего значения не превы-
этих данных показал, что в спокойный период шает около 0.6 м. В период от 9 января до земле-
(до 9 января) в эпицентральной области Ωи аб- трясения (когда в области Ωи зарегистрированы
солютное значение отклонения текущей оценки возмущения) вариации δI v также практически
ΔI v от среднего значения не превышает 0.5 м не выходят за пределы 0.6 м. То есть, ионосфера
(область 1, рис. 3, а), т. е. в этом случае в фоновой области сохраняла стабильное состо-
яние на всем времени исследования и значения
Lc = 0.5 м.
δI v практически не выходили за пределы нор-
На рассвете 9 января (за 3.5 сут до события) мальной вариабельности.
наблюдается резкое однократное увеличение Анализ данных рис. 3 показал, что аномаль-
значений δI v (область 2, рис. 3, а) на 0.5 м (око- ные (выходящие за пределы нормальной вари-
ло 100 %) относительно Lc . А с вечера 10 января абельности) изменения значений δI v в эпицен-
и практически до землетрясения (12 января) от- тральной области ионосферы носят локальный
мечено стабильное увеличение значений δI v до характер, не связаны с влиянием факторов гло-
0.8...1.5 м (на 50...200 % больше Lc ) в утреннее и бального характера и могут быть ассоциированы
вечернее время (область 3, рис. 3, а). Максималь- с подготовительным периодом землетрясения.
38 ISSN 1561-8889. Космічна наука і технологія. 2012. Т. 18. № 6Ионосферные возмущения перед сильными землетрясениями на Гаити (М = 7.2) и в Японии (М = 9.0) ...
Полученные результаты хорошо согласуются
с результатами исследования ионосферных ано-
малий, ассоциированных с землетрясением в Га-
ити, изложенными в [12].
Анализ ионосферных аномалий перед землетря-
сением в Японии (М = 9.0). При исследовании
использовались данные станций системы IGS,
расположенные в Японии — MIZU, USUD,
MTKA и TSKB. В качестве фоновой была выбра-
на область ионосферы Ωф над станцией YAKT
(расстояние от эпицентра около 3000 км). Вза-
имное расположение областей Ωи и Ωф пока-
зано на рис. 4.
Вариации δI v в эпицентральной области в
подготовительный период землетрясения пока-
заны на рис. 5, а. Их анализ показал, что задолго
до землетрясения (с 12 февраля до 3 марта) вели-
чина δI v находится в пределах ±1 м (область 1),
т. е. в этом случае
Lc = 1 м.
Вариации δI v в период от 3 марта до земле- Рис. 4. Схема исследования ионосферы перед землетря-
трясения более детально показаны на рис. 5, б. сением в Японии
В дневное время 3 марта (за 8 сут до события)
наблюдалось резкое однократное увеличение
значения δI v (область 2 на рис. 5, а, б) на 0.5 м Таким образом, на фоне относительно спо-
(примерно на 50 %) относительно Lc . С 6 марта койной геомагнитной обстановки в локальной
по 10 марта (область 3 на рис. 5, а, б) отмечено эпицентральной области ионосферы показано
стабильное увеличение значений δI v на 0.5...1 м наличие возмущений, которые могут рассматри-
(50...100 % относительно Lc ) в дневное время с ваться как ионосферный отклик на сейсмичес-
максимумом 8 марта (за 3 сут до землетрясения). кую активность.
В окрестностях момента землетрясения также Характерные особенности вариаций ионосферы
отмечается увеличение δI v примерно на 1 м, что в подготовительный период землетрясений. По-
хорошо согласуется с результатами, полученны- лученные результаты показывают, что подгото-
ми в работе [9]. вительный период обоих землетрясений харак-
Вариации значений δI v в области Ωф на рас- теризуется появлением возмущений в локальной
сматриваемом интервале времени показаны на эпицентральной области ионосферы. Учитывая
рис. 5, в. На интервале с 12 февраля до 3 марта относительно спокойную геомагнитную обста-
величина δI v находится в пределах ±1 м (область новку и фактическое отсутствие ионосферных
1). В период от 3 января до землетрясения (ког- возмущений в фоновых областях, отмеченные
да в области Ωи зарегистрированы возмущения) аномалии ионосферы в эпицентральной области
вариации δI v также практически не выходят за могут быть ассоциированы с подготовкой обоих
пределы ±1 м. То есть, можно утверждать, что землетрясений.
как и в случае землетрясения на Гаити, ионо- Полученные результаты позволили выявить
сфера в фоновой области сохраняла стабильное общие свойства изменчивости ионосферы в под-
состояние на всем времени исследования, и зна- готовительный период обоих землетрясений. В
чения δI v практически не выходили за пределы период относительно спокойной ионосферы (за-
нормальной вариабельности. долго до землетрясения при спокойной геомаг-
ISSN 1561-8889. Космічна наука і технологія. 2012. Т. 18. № 6 39В. В. Хижняк, В. П. Деденок, А. А. Ткаченко Рис. 5. Ионосферные вариации в эпицентральной области землетрясения в Японии на полном интервале исследова- ния (а) и непосредственно перед событием (б), а также в фоновой области (в) нитной обстановке) абсолютные значения δI v од (1.5...3 сут), когда значения δI v соответству- не превышают некоторого значения Lc , которое ют невозмущенной ионосфере и не выходят за в каждом случае разное, но некоторым образом пределы Lc . За 2...5 сут до землетрясения отме- характеризует пределы нормальной изменчи- чаются периодические (12...24 ч) выбросы зна- вости δI v «день-ото-дня» в рассматриваемой об- чений δI v на 0.5...1 м (50...200 %) больше Lc с ласти. За 3.5...8 сут до события отмечается одно- максимумом за 1.5...3 сут до события. кратное увеличение значений δI v примерно на Введем величину «период возмущения» Tв , 0.5 м (50...100 %) больше Lc . Затем следует пери- характеризующий минимальный интервал вре- 40 ISSN 1561-8889. Космічна наука і технологія. 2012. Т. 18. № 6
Ионосферные возмущения перед сильными землетрясениями на Гаити (М = 7.2) и в Японии (М = 9.0) ...
Если значение Tв использовать в качестве
единицы измерения времени, то поведение ио-
носферы в подготовительный период обоих зем-
летрясений может быть описано единой схемой,
представленной на рис. 7.
За семь-восемь периодов Tв до события от-
мечается однократное превышение порога Lc
приблизительно на 0.5 м. За пять периодов до
события начинается серия превышений порога
с нарастающей и затем спадающей амплитудой
с максимумом на 1 м, превышающем Lc за три
периода до события.
Отмеченные общие закономерности ионо-
сферных вариаций накануне сильных землетря-
сений могут оказаться весьма полезными для
формализации методов ионосферного монито-
ринга в сейсмоопасных регионах.
ВЫВОДЫ
Таким образом, с использованием методики
оценки текущего состояния локальной про-
странственно-временной области ионосфе-
ры по данным сети станций приема сигналов
ГНСС [4], проведен анализ ионосферных ва-
Рис. 6. К пояснению понятия «период возмущения» Tв при
подготовке землетрясений в Японии (а) и на Гаити (б)
риаций в подготовительный период сильных
землетрясений на Гаити в 2010 г. (М = 7.2) и в
Японии в 2011 г. (М = 9.0). На фоне относитель-
но спокойной геомагнитной обстановки и при
фактическом отсутствии возмущений в фоно-
вых областях показаны как наличие ионосфер-
ных аномалий над эпицентрами за несколько
суток до события, так и схожий характер вариа-
ций ионосферы в обоих случаях.
Использованная методика позволяет органи-
зовать мониторинг состояния ионосферы и об-
наружение подобных аномалий в сейсмоопас-
Рис. 7. Схематическое отображение вариаций ионосфе- ных районах ограниченным количеством стан-
ры перед сильными землетрясениями на Гаити и в Япо- ций в масштабе времени, близком к реальному.
нии (0 — момент землетрясения) Такой мониторинг может рассматриваться как
элемент комплекса мероприятий по предсказа-
мени между последовательными локальными нию сильных землетрясений.
максимумами значений δI v . В общем случае
значения Tв могут быть разными для разных
1. Афраймович Э. Л., Астафьева Э. И., Гохберг М. Б. и др.
землетрясений, что может быть связано с приро- Поиски предвестников землетрясений в вариаци-
дой их возникновения. Так, в случае землетрясе- ях полного электронного содержания в ионосфере
ния в Японии Tв ≈ 1 сут, а для землетрясения на по данным GPS во время землетрясения HECTOR
Гаити Tв ≈ 12 ч (рис. 6). MINE 16 октября 1999 г. // 3 Междунар. конф. «Сол-
ISSN 1561-8889. Космічна наука і технологія. 2012. Т. 18. № 6 41В. В. Хижняк, В. П. Деденок, А. А. Ткаченко
нечно-земные связи и электромагнитные предвест- 8. Hayakawa M., Molchanov O. A. Seismo-Electromagnet-
ники землетрясений». — М.: Ин-т космофиз. исслед. ics: Lithosphere-Atmosphere-Ionosphere // TERRA-
и распространения радиоволн РАН, 2004. — Том 1. — PUB, Tokyo, Japan. – 2002. — 313 p.
С. 3—18. 9. Heki K. Ionospheric electron enhancement preceding the
2. Бондур В. Г., Смирнов В. М. Ионосферные возмуще- 2011 Tohoku-Oki earthquake // Geophys. Res. Lett. —
ния в период подготовки сейсмических событий по 2011. — 38. — P. L17312. — 5 p.
данным спутниковых навигационных систем // Сов- 10. Liu J., Chen S., Chen Y., et al. Seismo-Ionospheric Precur-
ременные проблемы дистанционного зондирования sors of the 26 December 2006 M 7.0 Pingtung Earthquake
Земли из космоса: Сб. науч. ст. — М.: ИКИ РАН, Doublet // Terrestrial atmospheric and oceanic sciences. —
2006. — Том II, вып. 3. — С. 190—197. 2008. — 19, N 6. — Р. 751—759.
3. Бондур В. Г., Смирнов В. М. Мониторинг ионосферных 11. Liu J. Y., Chuo Y. J., Shan S. J., et al. Pre-earthquake
предвестников цунамигенных землетрясений по дан- ionospheric anomalies registered by continuous GPS
ным спутниковых навигационных систем // Proc. of TEC measurement // Ann. geophys. — 2004. — 22. —
31st Int. Symp. on Remote Sensing of Environment. — St. Р. 1585—1593.
Petersburg, 2005. — P. 190—197. 12. Liu J. Y., Le H., Chen Y. I., et al. Observations and simu-
4. Деденок В. П., Ткаченко А. А., Дейнеко В. М., Рез- lations of seismoionospheric GPS total electron content
ников Ю. В. Мониторинг возмущений в локальной anomalies before the 12 January 2010 M7 Haiti earth-
пространственно-временной области ионосферы по quake // J. Geophys. Res. — 2011. — 116. — A04302,
данным сети станций приема спутниковых радиона- doi:10.1029/2010JA015704. — 9 p.
вигационных сигналов // Космічна наука і техноло- 13. Saroso S., Liu J., Hattori K., Chen C. Ionospheric GPS
гія. — 2011. — 17, № 6. — С. 68—73. TEC anomalies and M > 5.9 earthquakes in Indonesia
5. Захаренкова И. Е., Шагимуратов И. И., Лаговский А. Ф., during 1993 — 2002 // Terrestrial atmospheric and oce-
Кранковский А. Вариации полного электронного со- anic sciences. — 2008. — 19. — Р. 481—488.
держания ионосферы во время Калининградского зем- Надійшла до редакції 01.03.12
летрясения 21 сентября 2004 г. // Вестник МГТУ. —
2006. — 9, № 3. — С. 434—439. V. V. Khizhniak, V. P. Dedenok, А. O. Tkachenko
6. Смирнов В. М., Смирнова Е. В. Детектирование сейс-
моионосферных вариаций в период геомагнитных IONOSPHERIC DISTURBANCES BEFORE
возмущений по данным навигационных систем // THE GREAT EARTHQUAKES IN HAITI (M = 7.2)
Современные проблемы дистанционного зондирова- AND JAPAN (M = 9.0) FROM DATA
ния Земли из космоса. — М.: Изд-во ООО «Азбука- OF SATELLITE RADIONAVIGATION SYSTEMS
2000», 2006. — Том 2, вып. 3. — С. 242—246. Using estimates for ionospheric delays of radio navigation sig-
7. Dedenok V., Tkachenko A. Monitoring of ionosphere per- nals from a network of IGS stations, we analysed ionospheric
turbations preceding high intensive earthquakes on data variations over the epicenters of two great earthquakes: in Haiti
from satellite radio navigation signal receiver network // in January 2010 (М = 7.2) and in Japan in March 2011 (М =
Natural Cataclysms and Global Problems of the Modern = 9.0). Some characteristic features, which were common for
Civilization: Abstracts of the Internat. Congress. — Istan- both earthquakes, were revealed for changes in the local iono-
bul, Turkey, 2011. — P. 40—41. sphere region state over the epicenters of the earthquakes.
42 ISSN 1561-8889. Космічна наука і технологія. 2012. Т. 18. № 6Вы также можете почитать
