Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

О СВЯЗИ СЕЙСМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ С ИОННЫМ СОСТАВОМ ВЕРХНЕЙ ИОНОСФЕРЫ

Похунков А.А. 1 Тулинов Г.Ф. 1 Хотенко Е.Н. 1 Похунков С.А. 1 Рыбин В.В. 1 Беликов Ю.Е. 1
1 Федеральное государственное бюджетное учреждение «Институт прикладной геофизики имени академика Е.К.Федорова»
Приведён краткий обзор исследований влияния сейсмической активности Земли на состояние верхней атмосферы и ионосферы над подстилающей поверхностью планеты.Представлены результаты измерений и анализ изменений ионного состава верхней ионосферы Земли на высотах около 820 км, полученные с помощью радиочастотного масс-спектрометра РИМС-М на борту космического аппарата Метеор-3М в сейсмоактивные периоды времени. Выявляется практически постоянное присутствие аномально высоких относительных концентраций лёгких ионов - водорода и гелия над районами высокой сейсмической активности и над их ближайшими окрестностями. Отмечено резкое увеличение концентраций легких ионов накануне и в течение длительного (иногда более двух недель) времени после разрушительных землетрясений с магнитудой более 6. Обсуждается причинная связь этих событий.
верхняя ионосфера
ионный состав
легкие ионы
радиочастотный масс-спектрометр
сейсмоактивность
1. Осика Д. Г., Магомедов А. М., Смирнова М. Н., Левкович Р. А., Мегаев А. Б. Гидродинамические и геохимические предвестники сильных землетрясений Северного Кавказа: Сборник статей-докладов « Поиски предвестников землетрясений» на Ташкентском Международном симпозиуме 27 мая - 3 июня 1974 года. Ташкент: Издательство «ФАН» Узбекской ССР, 1976.
2. Смирнов В. М. // Электронный журнал «Исследовано в России». 2001. №153. С.1759-1767.
3. Смирнов В. М. // Электронный журнал «Исследовано в России». 2003. №012. С.121-129.
4. Pulinets S. A., Gaivoronska T. B., Leyva Contreras A., Ciraolo L., Correlation analysis technique revealing ionospheric precursors of earthquakes, Natural Hazards and Earth System Sciences, 4, pp. 697-702, 2004.
5. Pulinets S.A., Kotsarenko A.N., Ciraolo L., Pulinets I.A., Special case of ionospheric day-to-day variability associated with earthquake preparation, Adv.Space Res., 39 (5), pp. 970-977, 2007.
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.

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: 25.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074