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 (81,2с.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.
Библиографическая ссылка
Похунков А.А., Тулинов Г.Ф., Хотенко Е.Н., Похунков С.А., Рыбин В.В., Беликов Ю.Е. О СВЯЗИ СЕЙСМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ С ИОННЫМ СОСТАВОМ ВЕРХНЕЙ ИОНОСФЕРЫ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 5. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=6933 (дата обращения: 09.12.2024).