Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ON THE RELATIONSHIP BETWEEN SEISMIC ACTIVITY AND IONIC COMPOSITION OF THE UPPER IONOSPHERE

Pokhunkov A.A. 1 Tulinov G.F. 1 Khotenko E.N. 1 Pokhunkov S.A. 1 Rybin V.V. 1 Belikov Yu.E. 1
1 Federal State Budgetary Institution “Fedorov Insitute of Applied Geophisics”
A brief review of research on the influence of the Earth´s seismic activity on the state of upper atmosphere and ionosphere above the underlying surface of the planet is presented.The results of measurements and analysis of changes in ionic composition of the Earth´s upper atmosphere at altitudes of about 820 km, obtained by radio-frequency mass spectrometer Reems-M onboard Meteor-3M in a seismically active periods are presents. Almost constant presence of abnormally high relative concentrations of light ions - hydrogen and helium over the areas of high seismic activity and over their immediate surroundings is being detected. A sharp increase in the concentration of light ions before and during prolonged (sometiems more than two weeks) time after the destructive earthquakes with a magnitude of more than 6. The causal relationship of these events is noted.
upper atmosphere
ionic composition
light ions
radio-frequency mass spectrometer
seismic activity
Введение

Для исследований ионного состава верхней ионосферы Земли на космический аппарат Метеор-3М был установлен радиочастотный масс-спектрометр РИМС-М. Космический аппарат Метеор-3М  был выведен на орбиту 17  сентября 2009  года. Наклонение орбиты -82о, высота 810-830 км. Прибор РИМС-М позволяет регистрировать ионный состав в двух массовых диапазонах: 1 - 4 а.е.м. (ионы атомарного и молекулярного водорода, гелия) и 5 - 20 а.е.м. (ионы атомарного азота и атомарного кислорода, воды). По программе проводятся ежесуточные измерения  на двух активных витках, разделённых интервалом около 12 часов.

В настоящее время известно, что в  сейсмически активных  районах из земных недр выделяются  различные газы. Так, в частности, по данным [1],  в эпицентре Дагестанского землетрясения в 1970 году из разрывов осадочного чехла в течение длительного времени (около двух месяцев) наблюдалось истечение в атмосферу глубинных газов (Н2, Не, СН4 и др.). При этом содержание Н2 было на 5-6 порядков, а Не и СН4 - на 2-3 порядка выше их среднего содержания в воздухе. Лёгкие фракции (водород и гелий) всплывают в атмосфере и  могут достигать больших высот, взаимодействуя на своём пути с ионами атмосферы. В результате перезарядных процессов образуются ионы лёгких газов, локальные концентрации которых будут превышать равновесные средние содержания атмосферных ионов  и  которые может регистрировать ионный масс-спектрометр. Такая изменчивость ионного состава   уже отмечалась в работах [4,5], где исследовалось уменьшение среднего молекулярного веса ионов атмосферы под влиянием сейсмической активности.

Вообще, спутниковый мониторинг давно и успешно используется для анализа связи сейсмической активности и состояния ионосферы. Так, с помощью навигационных систем Глонасс и GPS исследовано методом радиопросвечивания поведение максимума электронной концентрации вдоль траектории нижележащей ионосферной точки в период сильнейшего землетрясения в Турции 17 августа 1999 года. Отмечалось общее увеличение значения этого параметра за 2-3 суток и последующее достижение минимума за сутки до начала землетрясения над эпицентральной областью [2]. Другое интересное явление - образование сильно вытянутых в меридиональном направлении перемещающихся ионосферных возмущений, - исследовано в работе [3], где отмечалось проявление подобной модификации ионосферы даже при слабых землетрясениях с магнитудой до 5 баллов по шкале Рихтера.

Анализ распределения ионов

Анализ распределения ионов газов по орбитам показывает, что лёгкие  ионы появляются над районами планеты с высокой сейсмической активностью.   По данным  нашего анализа, сейсмоактивные районы проявляются: 1) в Тихом океане, западнее Южной Америки  и в центральной  его части; 2) на территории Мексики и горного массива на западе США; 3) в районе Карибского моря и Мексиканского залива; 4) в  районе и ближайших окрестностях горного массива Гималаев; 5) в Индийском океане, от Антарктиды до точек западнее Австралии и Индонезии; 6) от Индонезии до Тибета и Монголии. 

Следует заметить, что в разных сейсмоактивных районах выбросы газов из недр Земли могут сильно различаться. Так, например, после сильного землетрясения в окрестностях Японии 11 марта 2011 года, в сопровождении сильного цунами, в верхней ионосфере произошли локальные изменения (в районе Тихого океана) в составе лёгких ионов. Для наглядной иллюстрации распределение ионов вдоль орбиты для 11-го марта показано на рис. 1, где траектория орбиты КА Метеор-3М нанесена на карту Земли, а концентрации измеренных ионов нанесены на траекторию в каждой точке в виде цветных квадратов, площади которых пропорциональны концентрациям (белый квадрат - атомарный водород, зелёный - молекулярный водород, жёлтый - гелий, малиновый - атомарный азот,  синий - атомарный кислород).

         

Рис.1.  Орбита КА Метеор-3М на карте Земли 11.03.2011 г. -06.23 - 08.17  МСК, (RIMS-11070-07668 ) 

Из этого рисунка видно, что 11-го марта  основным ионом в глобальном масштабе в верхней ионосфере оставался ион атомарного кислорода. В верхней ионосфере вдоль орбиты КА Метеор-3М в этот день в восточном полушарии  на участке (31,0 гр.с.ш, 88,3 гр.в.д. - 19,2 гр.с.ш., 85 гр.в.д.) концентрация ионов гелия менялась в пределах 2-10 % от концентрации ионов основного компонента атомарного кислорода. Более высокие концентрации  ионов гелия отмечались в западном полушарии над восточной частью Тихого океана, западнее побережья Южной и Северной Америк: ионы гелия  менялись в пределах (0-24) % на участке (63 ю.ш., 90 з.д. - 18 ю.ш., 110 з.д.) и в пределах (0-98) %  на участке (1,6 с.ш., 112 з.д. - 46 с.ш., 124 з.д.). Ионы атомарного водорода также наблюдались в обоих полушариях.  В восточном - над территорией Китая и Индии  на участке  (32 с.ш., 89 в.д. - 2 ю.ш., 80 в.д.) наблюдалось изменение  содержания   ионов водорода в пределах (0-37) % от атомарного кислорода. А в западном полушарии в распределении ионов водорода выявилась интересная особенность. Эти ионы наблюдались на участке  (35 ю.ш., 104 з.д. -  44 с.ш., 124 з.д.), и их концентрация на большей части орбитального участка не превышала 25 %, а на участке  (0 с.ш., 112 з.д. - 10 с.ш., 115 з.д.) протяжённостью  около 1100 км наблюдалось резкое, до (200-305) %  от концентраций ионов атомарного кислорода локальное увеличение ионов атомарного водорода, которое на границе резко нивелировалось (рис.1). Эта локальная аномалия, вероятно, может иметь сейсмическое происхождение.

Несмотря на то, что в течение 11-го марта и несколько суток позже последовала целая серия (свыше 40) мощных афтершоков с магнитудами более 6, ситуация с легкими ионами  в районе над Тихим  океаном оставалась подобной вышеописанной. Такая умеренно возмущённая ситуация над Тихим океаном (когда при наличии лёгких ионов основной атмосферный ион - атомарный кислород сохранял своё доминирование в верхней ионосфере) продолжалась до 24-го августа 2011 г. (рис. 2). Однако уже из этого рисунка

Рис. 2.  Орбита КА Метеор-3М на карте Земли  24.08.2011 г.06.32 - 08.25  МСК, (RIMS-11236-10027)

видно, что в районе Гималаев, Индийского и Тихого  океанов резко выросло в верхней ионосфере содержание лёгких газов. После мощного землетрясения с М=6,1, которое произошло 22.08.2011 г. в Индонезии (6,30 .ю.ш., 1040 .в.д.), ситуация в верхней ионосфере резко изменилась. Так, 24.08.2011 г. вдоль орбиты КА в восточном полушарии на участке (51,00 с.ш., 930 в.д. - 55,00 ю.ш., 620 в.д.) содержание ионов гелия менялось в пределах (6-52) % от содержания ионов атомарного кислорода. А в западном полушарии на этой орбите наблюдались более заметные концентрации ионов гелия - на участке (700 ю.ш., 480 в.д. - 180 ю.ш., 1100 з.д.) превышения местами достигали  значений в 8,4 раз больше концентраций ионов кислорода. На участке (9,60 с.ш., 1160 з.д. -  400 с.ш., 1240 з.д.) также  сохранялись   (до 40 %) высокие концентрации ионов гелия. Наиболее драматическая ситуация произошла с ионами атомарного водорода на этой орбите. В восточном полушарии  на  участке  орбиты (330 с.ш., 870 в.д. - 230 ю.ш., 740 в.д.)  наблюдались ионы атомарного водорода в пределах (0-60) %  от концентрации ионов атомарного кислорода. А на протяжённом участке от Антарктиды до средних северных широт Тихого океана (780 ю.ш., 630 з.д. - 420 с.ш., 1250 з.д.) ионы водорода значительно доминировали в ионосфере, когда на некоторых отрезках превышение достигало 50  и более раз, что свидетельствует о возрастании сейсмической активности в соответствующих зонах Тихого океана.

На следующий день 25-го августа (рис. 3) произошло резкое усиление в глобальном масштабе содержания лёгких ионов в верхней ионосфере. А накануне сильное землетрясение с М =7 произошло в Перу  (7,60 ю.ш., 75,50 з.д.).  

Рис. 3. Орбита КА Метеор-3М на карте Земли  25.08.2011 г. 06.10 - 08.04   МСК, (RIMS-11237-10041)

В восточном полушарии на участке орбиты КА (81,.ш., 1800 в.д.-  43,00 ю.ш., 73,00 в.д.) наблюдалось увеличение ионов гелия в пределах 8-32 %, а ионы атомарного водорода наблюдались в пределах широт от 33,0 с.ш. до 37,0 ю.ш. в интервале (5-38) % от содержания ионов атомарного кислорода. А в западном полушарии  на этой орбите наблюдалась ещё более возмущённая ситуация. Ионы гелия имели более высокие концентрации  практически на всей оставшейся части орбиты (760 ю.ш., 660 з.д. - 810 с.ш., 1530 в.д.) с превышением до 15 раз, а на участке орбиты протяжённостью около 1700 км в пределах  южных широт от 50 до 35 градусов - полностью отсутствовали  ионы атомарного кислорода. Ионы атомарного водорода также доминировали  на значительной части орбиты  в западном полушарии (73,00 ю.ш., 730 з.д. - 45,00 с.ш., 121,00 з.д.),  имея превышение до 10-15 раз над ионами атомарного кислорода. При этом доминирующим ионом был атомарный водород, концентрация которого даже в 2 раза превышала  содержание ионов  гелия. При этом землетрясении в атмосферу, видимо, было выброшено такое количество газов, что сильное возмущение с доминированием лёгких ионов в глобальном масштабе сохранялось длительное время. За это время в районе Тихого океана были сильные землетрясения: 09.09.2011 г. с М=6,4 в районе западного побережья США (49,50 с.ш.,   126,90 з.д.), 15.09.2011 г. в Тихом океане вблизи  Новозеландии (35,60 ю.ш., 1790 в.д.) и 15.09.2011 г. в Тихом океане вблизи о. Фиджи (21,60 ю.ш., 1790 з.д.). По нашим данным возмущение верхней ионосферы  в глобальном масштабе продолжалось почти месяц, с 24.08.2011 г. по 20.09.2011 г.

Как видно далее (рис. 4),  20-го сентября 2011 года верхняя ионосфера в глобальном  

Рис. 4.  Орбита КА Метеор-3М на карте Земли 20.09.2011 г. 05.23 - 07.16  МСК, (RIMS-11263-10410)

масштабе уже была относительно  спокойной. В восточном полушарии лёгкие ионы наблюдались на одном участке орбиты (270 с.ш., 1020 в.д. - 50 ю.ш., 950 в.д.) в небольших относительных концентрациях: (0-21)%  -для гелия  и  (0-6)%  - для атомарного водорода. Иная ситуация в западном полушарии. Здесь ионы гелия наблюдаются на двух участках орбиты: (680 ю.ш., 700 з.д. - 270 ю.ш., 900 з.д)  и  ( 70 с.ш., 980 з.д. - 390 с.ш., 1070 з.д.). Их концентрация значительно больше и меняется в пределах  (0-120) % по отношению к атомарному кислороду на обоих участках. Ионы атомарного водорода здесь наблюдаются практически также на тех же двух  участках: (650 ю.ш., 720 з.д. - 30 ю.ш., 960 з.д.) и (9,60 с.ш., 990 з.д.- 340 с.ш., 1050 з.д.)  А содержание этих ионов  значительно велико и меняется до 3,8 раз для первого и до 2,7 раз - для второго участка.     

Похожая на рис. 3 картина резкого возрастания содержания лёгких ионов наблюдалась в ионосфере  уже после 20.10.2011 г. (рис.5) и сохранялась 23 дня, вплоть до 12.11.2011 г. А 23.10.2011 г. в Турции  (38,70 с.ш., 43,50 в.д.) произошло сильное землетрясение с магнитудой  7,1. Особенность  этого возмущения верхней ионосферы в том, что оно проявилось ещё за трое суток до событий в Турции. Возможно, что  в некоторых случаях выбросы газов предваряют процессы интенсивных сдвигов земной коры, и  их регистрация различными мониторами, в том числе находящихся на космических орбитах, как в нашем случае, могут служить основой для разработки методик прогноза этих событий.

Рис. 5.  Орбита КА Метеор-3М на карте Земли  21.10.2011 г. 06.11 - 08.05  МСК, (RIMS-11294-10851)

После этого были сильные (с магнитудой более 6) землетрясения 27.10.2011 г. в Тихом океане вблизи о. Фиджи (17,90 ю.ш., 179,40 з.д.) и в Перу 28.10.2011 г. (14,50 ю.ш., 760 з.д.), также коррелируюшие с условиями резкого увеличения количества лёгких ионов в рассматриваемый период времени, вплоть до 12.11.2011 г.    

Заключение  

Радиочастотный масс-спектрометр РИМС-М, установленный на КА Метеор-3М и регулярно (ежесуточно) над фиксированными районами Земли регистрирующий лёгкие ионы, в дополнение к своим основным функциям  - мониторинга ионного состава верхней ионосферы - может служить монитором не только для  диагностики сейсмической активности, но с возможностью получения информации, которая может быть использована в разработке методов прогноза сильных землетрясений.

Соотношение между концентрациями  ионов легких газов и ионом атомарного кислорода - основного атмосферного иона, можно рассматривать условно ориентировочно в качестве параметра, характеризующего интенсивность  сейсмических процессов в Земле. Иногда концентрации  ионов водорода и гелия на некоторых участках орбиты  превышали или полностью замещали ионы   атомарного  кислорода.  Если исследовать этот параметр по времени (на разных орбитах), то его временная изменчивость (динамика) может быть использована в прогностических целях как дополнительный фактор-предшественник сильных землетрясений и может быть использована в разработке методов прогноза сильных землетрясений.

Рецензенты:

  • Пулинец Сергей Александрович, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ОАО  «Корпорация  ВНИИЭМ», г. Москва.
  • Тертышников Александр Васильевич , доктор технических наук,  главный научный сотрудник  ФГБУ «ИПГ», г. Москва.