Численное моделирование ионосферных предвестников сильных землетрясений в высоких, средних и низких широтах
Скачать 117.57 Kb.
|
| УДК 550.510.535 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИОНОСФЕРНЫХ ПРЕДВЕСТНИКОВ СИЛЬНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ В ВЫСОКИХ, СРЕДНИХ И НИЗКИХ ШИРОТАХ М.В. Клименко, В.В. Клименко*, И.Е. Захаренкова*, С.А. Пулинец**,***, *Западное отделение Учреждения РАН «Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова» РАН, 236010, г. Калининград, пр. Победы, 41, Россия, pcizmiran@gazinter.net **ГУ «Институт прикладной геофизики им. академика Е.К. Федорова», Государственная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, 129128, г. Москва, ул. Ростокинская, 9, Россия ***Учреждение РАН «Институт космических исследований», 117997,г. Москва, ул. Профсоюзная, 84/32, Россия, iki@cosmos.ru Анализ возможных механизмов формирования сейсмоионосферных эффектов в периоды подготовки землетрясений показал, что можно остановиться на двух механизмах, способных производить крупномасштабные локальные возмущения ионосферы над эпицентральной областью за несколько дней до землетрясений. Такими механизмами являются мелкомасштабные внутренние гравитационные волны малой амплитуды, генерируемые в окрестности эпицентральной области, и/или вертикальные электрические поля атмосферного происхождения. Эти два механизма использовались в численных расчетах для воспроизведения наблюдаемых ионосферных возмущений перед сильными землетрясениями в высоких, средних и низких широтах. GPS TEC, сейсмоионосферные эффекты, электрическое поле, внутренние гравитационные волны ВВЕДЕНИЕ Поиски ионосферных предвестников землетрясений интенсивно ведутся в течение последних двух десятилетий многочисленными группами исследователей (см., например, [1, 2], а также библиографию в [3]). Широкое применение для исследования ионосферных эффектов, связанных с сейсмической активностью, нашло использование глобальной системы навигационных спутников GPS и сети приёмников, принимающих радиосигналы этих спутников [2-10]. Многочисленные исследования ионосферных предвестников землетрясений в полном электронном содержании ТЕС проводились в последние годы в Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн Российской Академии наук (ИЗМИРАН) и его Западном отделении (Калининград) совместно с Российским государственным университетом им. И. Канта. В работах [3, 8, 9, 11, 12] было показано, что перед сильными среднеширотными землетрясениями в TEC появляются эффекты, имеющие вид локальных возрастаний электронного содержания, которые наблюдаются за несколько суток до землетрясений. При этом максимум возмущений расположен в непосредственной близости от эпицентрального района. Физические модели литосферно-атмосферно-ионосферных связей перед землетрясениями описаны в [1-2, 13]. Однако до сих пор отсутствует единое мнение относительно механизма формирования сейсмоионосферных эффектов при подготовке землетрясений. Механизм формирования этих эффектов зональным электрическим полем был предложен в [14] и апробирован нами путем численных экспериментов [14-19]. Результаты наших модельных расчетов показали эффективность предложенной гипотезы. При этом вопрос о появлении такого электрического поля в ионосфере перед землетрясением нами не ставился. Каким же образом это зональное электрическое поле появляется в ионосфере перед землетрясениями? Какова литосферно-атмосферно-ионосферная связь в периоды подготовки землетрясений? На эти вопросы мы и попытались дать ответ в данной статье. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ Проведенный нами анализ всех предложенных в научной литературе механизмов формирования ионосферных предвестников землетрясений позволил остановиться на двух механизмах, способных производить крупномасштабные локальные возмущения ионосферы над эпицентральной областью за несколько дней до землетрясений [1, 2, 13, 20-27]. Такими механизмами являются мелкомасштабные внутренние гравитационные волны (ВГВ) малой амплитуды, генерируемые в околоэпицентральной области и распространяющиеся вертикально вверх, и/или вертикальные электрические поля (Eверт) атмосферного происхождения. Отметим, что действие этих двух механизмов может приводить к формированию дополнительных зональных электрических полей в ионосфере, которые, как предполагается в [14], ответственны за формирование сейсмоионосферных эффектов перед землетрясениями. Этими двумя механизмами мы воспользовались в численных экспериментах для воспроизведения наблюдаемых вариаций критической частоты F2-слоя foF2 и полного электронного содержания TEC перед сильными землетрясениями. Модельные исследования проводились с использованием Глобальной самосогласованной модели термосферы, ионосферы и протоносферы (ГСМ ТИП), разработанной в Западном отделении ИЗМИРАН [28-31]. Проникновение внутренних гравитационных волн в термосферу снизу моделировалось заданием вариаций скорости, состава и температуры нейтрального газа на нижней границе термосферы на высоте 80 км над поверхностью Земли так, как это было сделано нами в [19]. При этом в расчетах учитывались внутренние гравитационные волны с периодом 10 мин и амплитудой 10 м/с, термосферные эффекты которых рассматривались в [32] с точки зрения эффектов, производимых солнечным терминатором. Для описания вертикального электрического поля мы, согласно [26, 27], задавали в окрестности эпицентральной области на высоте 80 км неоднородность электрического потенциала величиной 10 кВ на средних и низких широтах и 10 – 30 кВ в высоких широтах. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ И ОБСУЖДЕНИЕ В данной работе представлены результаты модельных исследований ионосферных предвестников сильных землетрясений на Аляске 27.03.1964, в Греции
Землетрясение на Аляске 27 марта 1964 г. стало одним из первых, на которое обратили серьезное внимание исследователи ионосферы [33]. Как отмечалось выше, оно произошло на фоне достаточно спокойных геомагнитных условий. На рис. 1 показаны экспериментальные данные суточных вариаций критической частоты F2-слоя ионосферы, foF2, над ст. Anchorage перед землетрясением и для тех же дат следующего года [16]. Из рис. 1 видно, что при задании дополнительного восточного электрического поля в эпицентральной области над станцией Anchorage формируется положительное возмущение foF2 в послезаходные часы, ночью и днем, а отрицательное возмущение в утренние часы. Учет в модельных расчетах ВГВ приводит к формированию положительных возмущений в любое время суток, причем наибольшее возмущение формируется в ранние утренние часы. Учет Eверт при неоднородности потенциала 10 кВ вызывает очень слабые возмущения в foF2, тогда как неоднородность потенциала в 30 кВ вызывает возмущения очень похожие на те, которые формируются ВГВ с той лишь разницей, что амплитуда положительных возмущений в послезаходные часы больше от действия Eверт, а в утренние часы – от ВГВ. Сравнение с экспериментальными данными показывает, что учет ВГВ и/или Eверт позволяет воспроизвести наблюдавшееся за сутки до землетрясения на Аляске 28.03.1964 положительное возмущение foF2 днем. Таким образом, для этого случая высокоширотного землетрясения в качестве механизмов формирования сейсмоионосферных эффектов могут рассматриваться как дополнительное восточное электрическое поле, так и ВГВ и Eверт. Вариации ТЕС перед землетрясением в Греции 8 января 2006 г. являются характерными для положительных ионосферных предвестников среднеширотных землетрясений [9]. Сумма Kp в течение двух недель до землетрясения не превышала 20. Из рис. 2 видно, что при задании ВГВ и Eверт при неоднородности потенциала в 10 кВ в результатах модельных расчетов над эпицентром землетрясения в Греции мы получаем практически одинаковые положительные возмущения, а суперпозиция ВГВ и Eверт приводит к суммарному положительному возмущению в TEC, очень похожему на то, которое наблюдалось на станциях, ближайших к эпицентру землетрясения за сутки до его начала. Следует отметить, что сравнение глобальных карт TEC возмущений, полученных в результатах расчетов и из данных наблюдений, показало, что основным механизмом формирования сейсмоионосферных эффектов в этом случае являются ВГВ.
Землетрясение в Wenchuan 12 мая 2008 г. также произошло в спокойных геомагнитных условиях. За трое суток до землетрясения ионозонд над ст. Wuhan зафиксировал рост NmF2 в 2 раза относительно средних значений [34]. Из рис. 3 видно, что при задании над эпицентром землетрясения 12.05.2008 в провинции Сычуань Eверт при неоднородности потенциала 10 кВ в первые двое суток расчетов, над станцией Wuhan, ближайшей к эпицентру предстоящего землетрясения, в результатах модельных расчетов в дневное время сформировалось небольшое положительное возмущение в foF2 и сильное отрицательное возмущение ночью. Подключение ВГВ к Eверт в последующие двое суток счета привело к появлению сильного положительного возмущения днем. Полученное в модельных расчетах поведение foF2 над Wuhan очень похоже на то, которое наблюдалось над этой станцией 6-9 мая 2008 г., т.е. за несколько суток до землетрясения. Таким образом, основным механизмом формирования сейсмоионосферных эффектов в этом случае является атмосферное электрическое поле, эффект которого, скорее всего, усиливается действием ВГВ.
ВЫВОДЫ Анализ ранее проведенных исследований показал, что формирование локальных крупномасштабных ионосферных предвестников сильных землетрясений в TEC в окрестности эпицентра можно объяснить только атмосферным электричеством и мелкомасштабными ВГВ. Модельные расчеты с заданием этих дополнительных сейсмогенных источников подтверждает сделанный вывод. Показано, что учет в модельных расчетах мелкомасштабных ВГВ малой амплитуды и/или Eверт, проникающих в ионосферу снизу из области подготовки землетрясения, позволяет, по крайней мере, качественно, а в отдельных случаях и количественно описать наблюдающееся поведение foF2 и TEC за несколько суток до сильных землетрясений в высоких, средних и низких широтах. На основе результатов выполненного исследования можно сделать вывод, что на низких и экваториальных широтах основным механизмом формирования сейсмоионосферных эффектов при подготовке землетрясений является вертикальное атмосферное электрическое поле, проникающее в ионосферу. Когда же землетрясение происходит на средних и высоких широтах, роль ВГВ в формировании ионосферных возмущений перед этими землетрясениями возрастает. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Липеровский В.А., Похотелов О.А., Шалимов С.Л. Ионосферные предвестники землетрясений. – М.: Наука, 1992. – 304 с. 2. Pulinets S.A., Boyarchuk K. Ionospheric precursors of earthquakes. – Berlin: Springer, 2004. – 315p. 3. Захаренкова И.Е. Использование измерений сигналов системы GPS для обнаружения ионосферных предвестников землетрясений: дисс … канд. физ.-мат. наук. – Калининград: РГУ им. И.Канта, 2007. – 146 с. 4. A study on the TEC perturbations prior to the Rei-Li, Chi-Chi and Chia-Yi earthquakes / J.Y. Liu, Y.J. Chuo, S.A. Pulinets et al. // Seismo Electromagnetics: Lithosphere-Atmosphere-Ionosphere Coupling, edited by Hayakawa M. and Molchanov O.A. – Tokyo: TERRAPUB, 2002. – P. 297–301. 5. Pre-earthquake ionospheric anomalies monitored by GPS TEC / J.Y. Liu, Y.J. Chuo, S.J. Shan et al. // Annales Geophysicae. – 2004. – V. 22. – P. 1585–1593. 6. Plotkin V.V. GPS detection of ionospheric perturbation before the 13 February 2001, El Salvador earthquake // Natural Hazards and Earth System Sciences. – 2003. – V. 3. – P. 249–253. 7. Variations of the total electron content in the ionosphere from GPS data recorded during the Hector Mine earthquake of October 16, 1999, California / E.L. Afraimovich, E.I. Astafieva, M.B. Gokhberg et al. // Russian Journal of Earth Sciences. – 2004. – V. 6. – № 5. – P. 339–354. 8. Zakharenkova I.E., Krankowski A., Shagimuratov I.I. Modification of the low-latitude ionosphere before December 26, 2004 Indonesian earthquake // Natural Hazards and Earth System Sciences. – 2006a. – V. 6. – P. 817–823. 9. Ionospheric precursors observed during the Mediterranean region earthquakes / I.E. Zakharenkova, I.I. Shagimuratov, A. Krankowski et al. // Proceed. 18th International Wroclaw Symposium and Exhibition on Electromagnetic Compatibility. – 2006b. – P. 85–90. 10. Krankowski A., Zakharenkova I.E., Shagimuratov I.I. Response of the ionosphere to the Baltic Sea earthquake of 21 September 2004 // Acta Geophys. – 2006. – V. 54. – № 1. – P. 90–101. 11. Захаренкова И.Е., Шагимуратов И.И., Лаговский А.Ф. Модификация ионосферы в период подготовки землетрясений по данным спутниковой системы GPS // Распространение радиоволн: сборник докладов XXI Всероссийской научной конференции: в 2-х т.– Йошкар-Ола: МарГТУ,.2005. – Т. 1. – С. 194–198. 12. Вариации полного электронного содержания ионосферы во время Калининградского землетрясения 21 сентября 2004 г. / И.Е. Захаренкова, И.И. Шагимуратов, А.Ф. Лаговский и др. // Вестник МГТУ.– 2006.–Т. 9.– № 3.– С.434-439. 13. Физические модели связей в системе литосфера-атмосфера-ионосфера перед землетрясениями / В.А. Липеровский, О.А. Похотелов, К.В. Мейстер и др. // Геомагнетизм и аэрономия. – 2008. – Т. 48. – С. 831–843. 14. Физический механизм и математическое моделирование ионосферных предвестников землетрясений, регистрируемых в полном электронном содержании / А.А. Намгаладзе, М.В. Клименко, В.В. Клименко и др. // Геомагнетизм и аэрономия. – 2009. – Т. 49. – № 2. – C. 267–277. 15. Численное моделирование эффектов электрического поля как предвестников землетрясений во внешней ионосфере Земли / М.В. Клименко, А.А. Намгаладзе, В.В. Клименко и др. // Солнечно-земные связи и предвестники землетрясений: IV междунар. конф. (14-17 авг., с. Паратунка, Камчатской обл.): сб. докл. - Петропавловск-Камчатский: ИКИР ДВО РАН, 2007. – С. 313–318. 16. Клименко М.В., Клименко В.В. Механизмы формирования ионосферных предвестников землетрясений – что мы знаем сейчас и что делать дальше? // Труды Международной Байкальской молодежной научной школы по фундаментальной физике и XI Конференции молодых ученых «Гелио- и геофизические исследования» / ИСЗФ СО РАН. - Иркутск, 2009. – С. 107-110. 17. Формирование ионосферных предвестников землетрясений электрическим полем / А.А. Намгаладзе, М.В. Клименко, В.В. Клименко и др. // Солнечно-земные связи и предвестники землетрясений: IV междунар. конф. (14-17 авг., с. Паратунка Камчатской обл.): сб. докл. - Петропавловск-Камчатский: ИКИР ДВО РАН, 2007. – С. 424–430. 18. Klimenko M.V., Klimenko V.V. Numerical simulation of the Earthquake precursors in the ionosphere which are caused by electric fields // Extended Abstract in Abstracts of the 19th International Workshop IAGA WG 1.2 on Electromagnetic Induction in the Earth., Beijing, China, October 23-29, 2008. – V. 2. – P. 900–905. 19. Klimenko M.V., Klimenko V.V. Numerical modeling of the ionospheric precursors of high-latitude earthquakes//Proceedings of the 32nd Annual Seminar «Physics of Auroral Phenomena», Apatity, 3-6 March, 2009.–Apatuty, 2010.–P.166-169. 20. Перцев Н.Н., Шалимов С.Л. Генерация атмосферных гравитационных волн в сейсмически активном регионе и их влияние на ионосферу // Геомагн. аэрон. – 1996. – Т. 36. – С. 111–118. 21. Observation by space-borne detectors of electric fields and hydromagnetic waves in the ionosphere over on earthquake center / V.M. Chmyrev, N.V. Isaev, S.V. Bilichenko et al. // Physics of the Earth and Planetary Interiors. – 1989. – V. 57. – P. 110–114. 22. Hayakawa M., Fujinawa Y. Electromagnetic phenomena related to earthquake prediction. – Tokyo: Terra Sci. Publ. Co., 1994. 23. Hayakawa M., Molchanov O. Seismo Electromagnetics Lithosphere-Atomosphere-Ionosphere Coupling. – Tokyo: Terra Sci. Publ. Co., 2002. 24. Hayakawa M. VLF/LF radio sounding of ionospheric perturbations associated with earthquakes // Sensors. – 2007. – V. 7. – P. 1141–1158. 25. Pulinets S. Lithosphere-Atmosphere-Ionosphere Coupling (LAIC) model // Electromagnetic Phenomena Associated with Earthquakes, Ed. M. Hayakawa, 2009. – P. 235–254. 26. Pulinets S.A. Physical mechanism of the vertical electric field generation over active tectonic faults // Adv. Space Res. – 2009. – V. 44. – P. 767-773. 27. Sorokin V.M., Chmyrev V.M. Modification of the ionosphere by seismic related electric field // Atmosp. Ionosph. Electromagnetic Phen. Assoc. Earthq. – M.: Hayakawa (Ed.); Tokyo: Terra Sci. Publ. Co., 1999. – P. 805–818. 28. Клименко В.В., Клименко М.В., Брюханов В.В. Численное моделирование электрического поля и зонального тока в ионосфере Земли – Постановка задачи и тестовые расчеты // Математическое моделирование. – 2006а. – Т. 18. – № 3. – С. 77–92. 29. Клименко М.В., Клименко М.В., Брюханов В.В. Численное моделирование электрического поля и зонального тока в ионосфере Земли – Динамо поле и экваториальный электроджет // Геомагнетизм и аэрономия. – 2006б. – Т. 46. – № 4. – С. 485–494. 30. Global model of the thermosphere-ionosphere-protonosphere system / A.A. Namgaladze, Yu.N. Koren’kov, V.V. Klimenko et al. // Pure and Applied Geophysics. – 1988. – V. 127. – № 2/3. – P. 219–254. 31. Numerical modelling of the thermosphere-ionosphere-protonosphere system / A.A. Namgaladze, Yu.N. Koren’kov, V.V. Klimenko et al. // J. Atmosph. Terr. Phys. – 1991. – V, 53. P. 1113–1124. 32. Карпов И.В., Бессараб Ф.С. Модельное исследование влияния солнечного терминатора на параметры термосферы // Геомагнетизм и аэрономия – 2008. – Т. 48. - С. 217–227. 33. Davies K., Baker D.M. Ionospheric effects observed around the time of the Alaskan earthquake of March 28, 1964 // J. Geophys. Res. – 1965. – V.70. – P.2251–2253. 34. Is an unusual large enhancement of ionospheric electron density linked with the 2008 great Wenchuan earthquake? / B. Zhao, M. Wang, T. Yu et al. // J. Geophys. Res. – 2008. – V.113. – doi:10.1029/2008JA013613. 35. The earthquake prediction possibility on the base of topside sounding data / S.A. Pulinets, A.D. Legen’ka, A.T. Karpachev et al. // Preprint IZMIRAN, M., 1981. №34a(981). NUMERICAL SIMULATION OF IONOSPHERIC PRECURSORS OF STRONG EARTHQUAKES IN HIGH, MIDDLE AND LOW LATITUDES M.V. Klimenko, V.V. Klimenko, I.E. Zakharenkova, S.A. Pulinets Results of the analysis of all formation mechanisms of strong earthquake ionospheric precursors offered in the scientific literature and statement of the problem of their modeling are submitted. GPS TEC, seismo-ionospheric effects, electric field, internal gravity waves |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Численное моделирование разрушения зданий методом сглаженных частиц Потапов А. П. Численное моделирование разрушения зданий методом сглаженных частиц // Современные проблемы фундаментальных и прикладных... | | Д. Б. Сполдинг 1 и В. И. Артёмов Численное моделирование процессов с учетом гидродинамики, теплообмена и упругости; термические напряжения, возникающие в лопатках... |
| Численное моделирование ветровых воздействий на высотные здания и комплексы Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московский государственный строительный... | | Численное моделирование эволюции произвольно поляризованных коротких... Методические указания разработаны кандидатом физико-математических наук, доцентом Нойкиным Ю. М |
| Допустить к защите в гак Вычислительная геометрия, гис, модели данных, трассировка лучей, численное моделирование, акустика, распространение шума, транспортный... | | Украины Харьковский Государственный Университет Радиофизический факультет... В данной курсовой работе сделан обзор теоретических методов исследования высыпания энергичных электронов на средних широтах и реакция... |
| Ивановский Государственный Энергетический Университет Кафедра тоээ... Методика, предложенная в этой работе, предусматривает кусочно-постоянную аппроксимацию проницаемости ферромагнитной среды, что может... | | X XXVI международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы... Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и утс, 9 – 13 февраля 2009 г |
| Использование доплеровского метода наклонного радиозондирования для... Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования |  | Тематическое планирование по курсу «История Средних веков» Место средних веков во Всемирной истории; по каким источникам ученые изучают историю Средних веков |
| Отчет научные и научно-педагогические кадры инновационной России... Елями выполнения работы явилось эффективное освоение молодыми исследователями и преподавателями лучших научных и методических отечественных... | | Программа дисциплины опд. Ф. 10 История средних веков цели и задачи... Целью дисциплины «История средних веков» является прочное усвоение и ясное понимание истории средних веков, а также выработка студентами-юристами... |
| Законы Кеплера Суточное движение светил на различных широтах. Определение географической широты по астрономическим наблюдениям | | Рабочая программа по учебному курсу «История средних веков». 6 класс... Агибаловой, Донского «История средних веков» и является частью учебно-методического комплекта по истории средних веков, в который... |
| Уиллер А. У36 Индивидуальность бренда. Руководство по созданию, продвижению... У36 Индивидуальность бренда. Руководство по созданию, продвижению и поддержке сильных | | Тема урока: «Моделирование юбки» Моделирование – создание новой выкройки путем внесения изменений в выкройку основу |
