Строительные исследования
страница - 0
ВАРИАЦИИ ИОНОСФЕРЫ В ПЕРИОД ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ ПО ДАННЫМ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Смирнов В.М. (vsmirnov@ire.rssi.ru)
Институт радиотехники и электроники РАН
Рассмотрены вариации ионосферы Земли в период подготовки, во время и после землетрясения, произошедшего 17 августа 1999 года в Турции. Параметры ионосферы были получены методом радиопросвечивания по данным навигационной системы GPS (США). Контроль за состоянием ионосферы проводился в период с 14 по 18 августа. Полученные данные показали заметное изменение электронной концентрации ионосферы за одни сутки до землетрясения. По результатам наблюдения за спутником, проходившим вблизи эпицентра землетрясения, зафиксирован локальный минимум максимума F2 слоя электронной концентрации. Координаты этого минимума совпали с координатами эпицентра землетрясения, произошедшего ровно через одни сутки в этом месте.
Введение
Распространение землетрясений по нашей планете связано с границами тектонических плит. Сопоставление карты распределений землетрясений с картой основных плит, слагающих земную кору, четко показывает взаимосвязь землетрясений с границами плит [1].
Две трети крупнейших землетрясений в мире приходится на Тихоокеанский пояс. Эта наиболее активная из сейсмических зон протягивается вдоль границ нескольких плит, и для живущих здесь людей землетрясения относятся к вполне привычным явлениям, если их можно назвать привычными.
Землетрясения наносят огромный ущерб Японии, расположенной в этом поясе. Катастрофические землетрясения продолжают уносить человеческие жизни в других районах, лежащих в пределах этого пояса: Перу, Калифорния, Никарагуа, Филиппины и т.д.
Второй огромный сейсмический пояс прослеживается вдоль границ плит от Малайского архипелага, вдоль Гималаев и далее в Средиземноморье. Высочайшие горы на Земле Гималаи образовались в результате дрейфа континентов, когда Индия соединилась собственно с Азией. Хотя общее число землетрясений в этом поясе меньше, чем в Тихоокеанском, но примерно 75% жертв землетрясений во всем мире приходится на этот пояс, что объясняется высокой плотностью населения.
2. Ионосфера и землетрясения
Прогноз места, времени и силы землетрясений - проблема, над которой трудятся большие коллективы ученых в разных странах. Есть отдельные удачные прогнозы, известны инструментально зарегистрированные предвестники землетрясений. Что следует понимать под предвестниками землетрясений? В самом общем смысле это необычные, аномальные явления, которые можно заметить и зарегистрировать перед землетрясением.
Один из распространенных способов предсказания землетрясений основан на анализе предварительных толчков, хотя отчетливые предварительные толки до начала главного землетрясения скорее являются исключением, чем правилом.
Физической основой для прогнозирования землетрясений является изменение свойств породы перед землетрясением, что приводит к изменению скорости сейсмических волн. Из-за неоднородности структуры грунта перед землетрясением происходит микроразрушение -появление небольших трещин в коре Земли. Возникновение этих трещин может быть
зарегистрировано сейсмографами и служить прогнозом для землетрясений. Прогноз землетрясений недостаточно совершенен. Он позволяет лишь предположить, где следует ожидать крупное землетрясение, и с некоторой вероятностью определить время, когда оно произойдет.
Проблема оперативного прогноза землетрясений была и остается одной из важнейших нерешенных проблем в геофизике. Несмотря на то, что в последние годы выявлены многочисленные предвестники различного рода, наблюдавшиеся перед землетрясениями, решение этой задачи еще далеко до завершения, так как для оперативного прогноза необходимы не только сейсмологические исследования. Необходимо исследовать весь комплекс различных явлений, связанных с подготовкой землетрясений.
Обнаружение на спутниках эффектов сейсмической активности стимулировало использование космической техники для решения проблем прогноза землетрясений [2]. Один из вариантов такого использования основан на изучении ионосферных эффектов землетрясений [2-3]. Ранее наземными методами было установлено, что в ионосфере над эпицентрами готовящихся землетрясений изменяется ряд ионосферных параметров. Проблема заключается в определении области возникновения землетрясений. Частичное решение этой проблемы может быть решено с помощью глобальных навигационных спутниковых систем Навстар (США) и Глонасс (Россия) [4-6], спутниковая сеть которых покрывает всю поверхность планеты. Наличие этих систем и возможность использования навигационных радиотехнических измерений для определения некоторых параметров ионосферы, позволяет уже сейчас осуществлять спутниковый мониторинг сейсмической активности, основанный на ионосферных эффектах. Процесс подготовки землетрясений занимает, как правило, значительный период времени и поэтому требует проведения длительных наблюдений над возможными очагами землетрясений. Густая сеть наземных навигационных станций слежения позволяет осуществлять такие наблюдения за состоянием ионосферы и, следовательно, дает возможность определять ионосферные эффекты землетрясений.
Ионосфера по своей природе, вследствие статистической неоднородности, имеет сильные пространственно-временные изменения. Поэтому ее электронная концентрация в
любой точке может быть задана через ее среднее значение и флуктуацию 8 величины
(Ne). Флуктуация 8Ne, как правило, малы по сравнению со средними значениями .
Однако наряду с этими флуктуациями параметров ионосферы наблюдаются регулярные и нерегулярные изменения самих средних значений этих параметров. Эти вариации могут быть соизмеримы со средними значениями электронной концентрации. В любом случае, эти вариации соизмеримы со средними значениями электронной концентрации в данной точке. Отклонения параметров ионосферы от их спокойного суточного хода, имеющие характерные временные масштабы от десятков минут до нескольких суток, проявляются на расстояниях в сотни и тысячи километров [7].
Более того, ионосферные возмущения, связанные с литосферными процессами, гораздо доступнее для обнаружения и регистрации космическими радиофизическими методами.
В связи с тем, что свойства ионосферы подвержены и нерегулярным вариациям, поиски сейсмогенных ионосферных эффектов долгое время не привлекали достаточного внимания и не были направлением исследований. Исследования последних лет показали, что ионосфера чувствительна ко многим процессам, происходящим на Земле. Излучения Солнца и вулканическая деятельность, цунами и землетрясения, грозы и циклоны, запуск спутников и ракет, преодоление летательными аппаратами звукового барьера и мощные взрывы - все это находит отклик в ионосфере [8-9].
Анализ критических частот слоя F2, проведенный в [2], позволил сделать вывод, что в широкой области ионосферы в период подготовки землетрясений происходит общее увеличение электронной концентрации в слое F2 за 2-3 суток до момента толчка, а за сутки
до начала землетрясения отмечается относительный минимум электронной концентрации над эпицентральной областью.
Возмущения в максимуме слоя F2 характеризуются, как правило, изменениями критических частот (максимума электронной концентрации) и высоты максимума слоя F2. Они могут быть весьма значительными и приводить к перераспределению пространственно-временной структуры ионосферы.
Применение глобальных навигационных спутниковых систем совместно с методами решения обратных задач позволяют проводить длительные и регулярные измерения, что дает возможность изучать временные и пространственные закономерности, происходящие в ионосфере Земли. Получаемые в результате инверсии навигационных измерений высотные профили могут служить основой для изучения таких пространственно-временных закономерностей ионосферы.
3.Геометрия навигационных спутниковых систем
Конфигурации навигационных спутниковых систем Глонасс и GPS наилучшим образом приспособлены для проведения непрерывных и длительных наблюдений за состоянием ионосферы.
Все спутники системы GPS находятся на круговых орбитах на высоте около 20183 км. Высота орбиты выбрана так, что период обращения спутника равняется половине синхронного, т. е. 11 час 57 мин 58,3 сек. Такой выбор орбиты приводит к ежедневному повторению траектории спутника относительно земной поверхности или, другими словами, период обращения получается таким, что каждый спутник проходит над одной и той же точкой земной поверхности через 23 ч 55 мин 56,6 сек, т.е. через звездные сутки [10].
В системе «Глонасс» спутники располагаются на круговых орбитах и имеют период обращения вокруг Земли около 11 час 15 мин, высота орбиты 19100 км, наклонение - 64,8 градусов. Полностью развернутая группировка должна содержать 24 спутника. Спутники располагаются в трех орбитальных плоскостях, разнесенных по экватору на 120 градусов. Спутники в каждой плоскости смещены относительно друг друга на 45 градусов, причем все аппараты, принадлежащие одной плоскости, сдвинуты по истинной аномалии по отношению к спутнику в соседней плоскости на 15 градусов [6, 11].
В отличие от спутников системы «Навстар» космические аппараты системы «Глонасс» не имеют острого резонанса с вращением Земли. Период обращения спутников подобран таким образом, что за 8 суток они совершают 17 оборотов вокруг Земли. Причем начало каждого витка смещается относительно поверхности Земли приблизительно на 21 градус по долготе. В результате чего через каждые 8 суток спутник проходит над одними и теми же точками на поверхности Земли. Кроме того, за счет смещения спутников внутри орбитальных плоскостей все ИСЗ системы «Глонасс» движутся относительно поверхности Земли практически по одному и тому же следу [11], что дает возможность непрерывного проведения наблюдений за состоянием ионосферы в определенном регионе.
4.Ионосферные вариации в период землетрясений
Применение метода радиопросвечивания позволило проследить поведение максимума электронной концентрации вдоль траектории подионосферной точки для отдельных спутников в период сильнейшего землетрясения в Турции 17 августа 1999 г. Стихийное бедствие 17 августа 1999 года можно считать самым разрушительным землетрясением, произошедшим в ХХ веке в Турции. Это землетрясение первоначально было оценено в 6,7 балла, но позднее сейсмологи признали, что в эпицентре сила толчка составила 7,7 балла.
Траектории подиносферных точек для 5 спутников, наблюдаемых в период прохождения землетрясения, представлены на рис.1. Эпицентр землетрясения находился в районе с координатами 40,70°с.ш. и 29,99°в.д. Центр наблюдения за спутниками находился в Анкаре (координаты -39,89°с.ш., 32,76°в.д.) и был удален от эпицентра землетрясения на расстояние до 400 км.
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2]