Все научные статьи

Захаренкова И.Е., Шагимуратов И.И., Кранковски А., Лаговский А.Ф. Ионосферные аномалии, наблюдаемые в GPS TEC измерениях перед землетрясением в Греции 8 января 2006 г.(M6.8)

Научная статья

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1047аа Ионосферные аномалии, наблюдаемые в GPS ТЕС

измерениях перед землетрясением

в Греции 8 января 2006 г. (М6.8)

Захаренкова И.Е. (гакЬагепкоуа@таП.ги)(1,2), Шагимуратов И.И.(1), Кранковски А.(3), Лаговский А.Ф.(2),

(1) Западное Отделение ИЗМИР АН

(2) Российский Государственный Университет им. И. Канта

(3) Institute of Geodesy, Warmia and Mazury University in Olsztyn, Poland

1. Введение

Исследования последних лет убедительно свидетельствуют о существовании связи между процессами, протекающими в земной литосфере, и возмущениями в атмосфере и ионосфере. Было показано, что на различных этапах заключительной фазы подготовки землетрясения регистрируются многочисленные аномальные вариации полей и параметров околоземного пространства. Таким образом, исследования сейсмо-ионосферных эффектов совместно с традиционными методами геофизического прогноза приведет к дальнейшему развитию методов краткосрочного прогнозирования землетрясений.

Начиная с первых работ, посвященных изучению ионосферных эффектов, ассоциированных с мощным землетрясением на Аляске 28 марта 1964 (М=9.2) [1, 2], уже несколько десятилетий ведутся интенсивные исследования аномальных эффектов сейсмогенной природы, проявляющихся в различных параметрах ионосферы [3-6].

Аномальные вариации ионосферы, ассоциированные с процессами подготовки землетрясений, регистрируются с помощью различных средств ионосферного мониторинга. Наиболее часто для этих целей используются измерения наземных станций вертикального зондирования ионосферы, а также спутниковые ионозонды.

В качестве ионосферных эффектов, предваряющих землетрясение, изучаются аномальные всплески электромагнитного излучения в достаточно широком диапазоне частот (УНЧ-ОНЧ), зарегистрированные на спутниках OGO-6, АЕ-С, ISIS-2, AUREOL-3, ALOUETTE, ИНТЕРКОСМОС-19 и ряде других космических аппаратов [7-9].

Измерения с помощью наземных ионозондов позволили обнаружить модификацию электронной плотности F-слоя за несколько дней перед сильными землетрясениями [10-13]. Однако за последние годы сеть ионозондов значительно сократилась, только часть из них продолжает функционировать в непрерывном режиме. Таким образом, основной недостаток данного способа - невозможность получения непрерывных данных в глобальном масштабе.

Запуск и развитие спутниковых навигационных систем GPS, GLONASS, создание специализированных проектов, направленных на исследование эффектов землетрясений и извержений вулканов в атмосфере и ионосфере (DEMETER, КОМПАС-2), бурное развитие всемирной и многочисленных региональных сетей GPS станций положили начало новой стадии в изучении ионосферных вариаций, наблюдаемых до и после сильных землетрясений.

В настоящее время сеть наземных GPS станций (несколько тысяч по всему миру) обеспечивает одновременное глобальное покрытие и получение непрерывных измерений с высоким временным и пространственным разрешением.а GPS техника осуществляет

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1048аа измерения групповых и фазовых задержек радиосигналов Li=1575 МГц и Ьг=1228 МГц с 30-секундным интервалом одновременно для всех спутников, находящихся в зоне радиовидимости для данной GPS станции. Ионосферная задержка преобразуется в содержание электронов вдоль луча, соединяющего GPS спутник и GPS приемник, а затем электронное содержание (ТЕС - total electron content) пересчитывается из наклонного в вертикальное. Вертикальный ТЕС достаточно чутко реагирует на изменения электронной плотности foF2, измеряемой с помощью ионозондов. Коэффициент корреляции между ТЕС и foF2 достигает величины 0,9 [14]. А поскольку электронная концентрация в максимуме слоя F2 является одним из наиболее чувствительных к сейсмической активности параметров ионосферы, мы можем использовать ТЕС данные для оценки пространственных масштабов и временной динамики сейсмо-ионосферных эффектов практически в любом сейсмо-активном регионе мира.

Таким образом, использование GPS ТЕС измерений позволило выявить аномальную модификацию электронного содержания ионосферы перед некоторыми землетрясениями [15-22]. В данной работе представлен анализ вариаций GPS ТЕС для сильного землетрясения в Греции. Это землетрясение было зафиксировано 8 января 2006 года в 11.35 UT. Магнитуда события была равна 6.8, глубина гипоцентра - 66 км. Географические координаты эпицентра Е (36.30 с.ш., 23.36 в.д.).

2. Геомагнитная обстановка

Как известно, наличие геомагнитных возмущений может значительно усложнить выделение ионосферных эффектов землетрясений. Ионосферные вариации, спровоцированные геомагнитной активностью, могут ослабить или усилить проявление сейсмо-ионосферных эффектов. На рис.1 представлены вариации индексов геомагнитной (Dst) и солнечной (Кр, Ар) активности за период 1-10 января 2006. На верхней панели рисунка указана ЕКр. Можно видеть, что геомагнитная активность в течение рассматриваемого периода времени была слабой и слабо изменялась. Сумма Кр не превышала уровня 20. Таким образом, спокойная геомагнитная обстановка предоставила хорошую возможность для исследования ионосферных аномалий, ассоциированных с греческим землетрясением. ХКр

(С

О) (С

(О

^ ^

о 1^

а)

1ж

^|^

тЫ

ТТи-Ць

Mui

р-=,Ч

1ЧФ=4-

12345678а 9 10

gаа 100 ж <а 50

Ь)

Оаа р->-^-рЧr-r-p^r-r-j-1-iЧTj~l-^- ^^ )

50 О

? "SO J-100 О -150

с)

ЧIЧIЧIЧIЧIЧIЧIЧIЧIЧIЧIЧIЧIЧIЧ11Ч1Ч1Ч1Ч1Ч1

3аа 4аа 5аа 6аа 7аа р

EQ January, 2006

9 10

Рис.1. Геомагнитные условия 1-10 января 2006 г.

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1049аа 3. Результаты обработки и анализ данных 3.1. Суточные вариации ТЕС

Для получения абсолютной величины задержек и восстановления суточной вариации ТЕС над станцией использовалась методика, представленная в работе [23]. В соответствии с ней инструментальная задержка и абсолютное значение ТЕС рассчитываются, используя измерения всех пролетов спутников над станцией на 24 часовом интервале. В расчетах ионосфера аппроксимируется в виде тонкого слоя, расположенного на фиксированной высоте (h=400 км). Для пересчета наклонного (вдоль луча) ТЕС в вертикальный используется геометрический фактор. В результате применения этой процедуры мы получаем как суточную вариацию ТЕС над станцией наблюдения, так и возможность анализа вариации абсолютной величины ТЕС вдоль траектории пролета для всех 24 спутников системы GPS.

В данной работе представлен анализ вариаций ТЕС для GPS станций Европейского региона, расположенных в непосредственной близости от района землетрясения. На рис. 2 показано географическое расположение данных станций. Эпицентр землетрясения отмечен треугольником.


Х	#ORID	Х TUBI
МАТЕ
NOT1	А

46.0

42.6

40.0

37.5

36-Н----------- 1--------- 1--------- 1--------- 1--------- 1

10а 16а 20а 26а 30 36 А,

Рис.2. Географическое положение эпицентра (треугольник) и ближайших GPS станций На рисунке 3 показаны текущие наблюдения (тонкая линия) и представляют собой вертикальный ТЕС, выраженный в ТЕС единицах (TECU=10 эл/м), для 5 предшествующих дней и 1 дня после землетрясения над отдельными GPS станциями. Толстая линия представляет собой медиану, полученную осреднением вариации ТЕС за рассматриваемый период. Визуальный просмотр суточных вариаций показывает, что за день до главного события (7 января) наблюдается аномальное поведение суточной вариации на всех станциях. Аномалия проявляется в виде специфического повышения электронной концентрации в суточном ходе в дневные часы. Остальные дни рассматриваемого периода характеризуются относительно слабыми отклонениями текущих значений ТЕС от средних.

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1050аа

ORID(41.07N,20.47E)

13 12

шаа 8

3аа 4

TUBI (40.47 N, 29.27 Е)

МАТЕ (40.39 N, 16.42 Е) 20 16

13 12 шаа 8

4Н' 0

3аа 4

N0T1 (36.62 N, 14.69 Е)

3аа 4аа 5аа 6аа 7аа 8аа 9

Рис.3. Суточные ТЕС вариации для станций ORID, TUBI, МАТЕ и NOT1 за период 3-9 января 2006 г (1 TECU=1016 эл/м2). Тонкая линия - текущая вариация ТЕС, толстая линия - среднее значение. Стрелкой отмечен момент землетрясения

На рисунке 4 представлены вариации DTEC (DTEC=TECK-TECCp) между значениями ТЕС для конкретного дня и средним значением ТЕСср, который был получен осреднением за семидневный интервал, для ближайшей к эпицентру GPS станции NOT1 (36,52 с.ш., 14,59 в.д.). Специфическое аномальное поведение ТЕС наблюдается 7 января, за сутки до главного события. Увеличение ТЕС достигает 5.5 TECU и более чем в 2 раза превышает уровень нормальной вариабельности день-ото-дня для спокойного периода времени.

Рис.4. Вариации DTEC за период 3-9 января 2006 г. для станции NOT1

3.2 Анализ временных вариаций ТЕС

Для формирования суточной вариации ТЕС используются измерения всех пролетов над станцией наблюдения. Таким образом, суточная вариация получается посредством осреднения ТЕС по достаточно большой пространственной области ионосферы (радиус около 1000 км). Более детальную картину изменения ТЕС можно проследить в вариациях ТЕС вдоль пролетов отдельных спутников.

На рисунке 5 представлены вариации ТЕС вдоль пролетов спутника PRN15 для станции NOT1 для периода 4-8 января 2006 г. Для анализа был выбран пролет PRN15, время нахождения данного спутника в зоне радиовидимости для данной станции совпадает с временем максимального проявления аномалии. ТЕС вариации за конкретный

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1051аа день (синяя линия) сравниваются с вариацией ТЕС вдоль пролета за 03 января (красная линия), принятого в качестве контрольного дня (ЕКр=6.7). Также на рисунке показаны в географических координатах траектория пролетов спутника, обозначенная (+). Для GPS спутников период обращения составляет 12 звездных часов, таким образом, каждый спутник появляется через сутки над одной и той же областью с временным сдвигом около 4 минут.

Как можно видеть, вариации ТЕС на протяжении периода 4, 5 и 6 января отличаются от контрольных значений весьма незначительно. Аномальное повышение ТЕС наблюдалось 7 января на временном интервале 11-14 часов UT. Максимальное повышение ТЕС относительно контрольного дня составило 8 TECU (-60-65%). Увеличение значений ТЕС 8 января в этом же самом временном интервале, возможно, связано с реакцией ионосферы на само землетрясение, которое имело место в 11.35 UT.

8 TECU

2006_01_04/sat.15

16 20 24

24-го 16-

12-8 4

2006_01_07/sat.15

.1.2а ,а 16а 20 : 24

2006_01_05/sat.15

16аа 20 24

1 40	24,
-38	20
-36	16
-34 32	12
:30	8
-, 28	V

2006_01_06/sat.15

f 40	24п
-38 :36 :34	20 16
:32	12
-30	8

1.2а ,а 1.6 , 20 : 24 ^loflgitufle- + + +

2006_01_08/sat.15

16 20 24

28.

40 :38 :36 :34 :32 :30

Рис.5. Вариации ТЕС вдоль пролетов спутника PRN15 для 4-8 января 2006 г (синяя линия -значения ТЕС для текущего дня, красная линия - значения ТЕС для 03.01). На нижней оси указано время пролета (UT). Здесь же представлены координаты подионосферных точек вдоль пролета спутника (+), широты и долготы изображены на правой и верхней осях соответственно.

3.3 Анализ пространственно-временных вариаций ТЕС

Для оценки пространственных масштабов и временной динамики сейсмо-ионосферной аномалии были использованы глобальные ТЕС карты, построенные в формате IONEX с двухчасовым интервалом и разрешением 5 по долготе и 2.5 по широте. Был применен метод построения дифференциальных карт: значения ТЕС за текущий день сравнивались с фоновыми ТЕС картами, в качестве фоновых брались осредненные за рассматриваемый период значения ТЕС. На рис. 6 представлены дифференциальные процентные ТЕС карты за 7 января 2006 года. Начиная с 10 UT, наблюдается формирование малоподвижной области положительно-возмущенных значений, максимум которой располагается в непосредственной близости от эпицентра землетрясения. Амплитуда возмущения в эти часы достигает 38-43% от фоновых значений. Аномальное повышение ТЕС регистрируется в течение всех последующих часов, достигая в 18-20 UT уровня в 55%. Аномалия имеет вид горбообразного повышения электронной концентрации, носит четко выраженный локальный характер, в течение рассматриваемого периода времени областьа аамаксимального возмущения

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1052аа располагаетсяа ва районеа эпицентраа будущегоа землетрясения.аа Областьа значительного повышения ТЕС имеет размеры около 4000 км по долготе и 1500 км по широте.

-10 0а 10аа 20аа 30аа 40аа 50 18 UTаа Kp=0.7

-10 0а 10аа 20аа 30аа 40аа 50 20 UTаа Kp=0.7

	10 UT Кр=1.3		12 UT Kp=1.3
RR	..............
		OCX
45	^^L	45	^^
35	Х	35	ж
25 15		25 L 15

55t

	14 UT Kp=1.3
45 35 25	*

15}

-10 0а 10аа 20аа 30аа 40аа 50 22 UTаа Kp=0.3

55t

15}

-10 0 10аа 20аа 30аа 40аа 50

-15-40-35-30-25-20-15-10а О 10а 15 20 25 30 35 40 45 50 (0/\

Рис.6. Дифференциальные процентные ТЕС карты для Европейского региона за 7 января 2006г. Кружком указан эпицентр землетрясения.

Обсуждение и заключение

Аномальные вариации измерений GPS ТЕС были обнаружены за сутки до сильного землетрясения в южной Греции. В спокойных геомагнитных условиях увеличение значений ТЕС существенно превышало уровень нормальной вариабельности день-ото-дня.

Анализ вариаций ТЕС для ближайших к эпицентру GPS станций показал наличие значительных отклонений в суточной вариации за день до главного события (7 января). Аномалия проявилось в виде специфического повышения электронной концентрации в суточном ходе в дневные часы. Увеличение ТЕС в это время достигало 5.5 TECU, анализ вариации ТЕС вдоль пролета спутника над станцией NOT1 показал повышение ТЕС до 8 TECU (-60-65%), что более чем в 2 раза превышает уровень вариации день-ото-дня для спокойного периода времени (15-25%). Подобная дневная аномалия наблюдалась нами и для Турецкого землетрясения 12 ноября 1999 (АЛ.5). Для него предвестники наблюдались также за сутки до главного события в дневное время, при этом дневное увеличение ТЕС составило -10 TECU [24, 25].

Как показано в [6] сейсмо-ионосферные предвестники в виде вариации плотности ионосферной плазмы (отклонения от невозмущенного значения) наблюдаются в течение нескольких суток - часов перед землетрясениями с магнитудой М>5.0, имеют в основном амплитуду 15-25%, а в определенные моменты могут достигать величины 100%.

Используя дифференциальный метод сравнения ТЕС карт Европейского региона для предшествующих землетрясению дней с фоновыми картами, мы обнаружили четко выраженную модификацию полного электронного содержания в пространственном масштабе. Аномальное повышение ТЕС регистрируется в течение всех последующих часов,аа достигаяаа уровняаа ваа 55%.аа Аномалияаа имеетаа видаа горбообразногоаа повышения

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1053аа электронной концентрации, носит четко выраженный локальный характер, в течение рассматриваемого периода времени область максимального возмущения располагается в районе эпицентра будущего землетрясения.

Область значительного повышения значений ТЕС (свыше 35% от фоновых величин) имела размеры около 4000 км по долготе и 1500 км по широте. Как показано в [5, 12], размер сейсмо-модифицированной области в ионосфере в период подготовки сильного землетрясения достигает порядка 20-30 в диаметре. Таким образом, полученные пространственные характеристики находятся в хорошем соответствии с проведенными ранее исследованиями.

Подобные ионосферные аномалии связываются с существованием электрических полей сейсмогенной природы [5, 26]. Такие поля регистрируется над зоной подготовки землетрясения, способны проникать на ионосферные высоты, вызывая изменения различных параметров ионосферной плазмы. Размер области модификации ионосферы является величиной того же порядка, что и размер зоны подготовки сейсмического события в пределах литосферы. Величина зоны действия деформационных процессов в период подготовки землетрясения напрямую зависит от его силы. Оценивая радиус этой зоны соотношением R=exp(M), мы получили, что для данного землетрясения (Мб. 8) радиус зоны подготовки составил R-898 км. Следовательно, появление столь крупномасштабной сейсмо-ионосферной аномалии вполне объяснимо.

Таким образом, проведенный анализ показал, что в соответствии с серией характеристик (локальность, близость к эпицентру, горбообразная область проявления, амплитуда возмущения, характерное время существования) обнаруженная аномалия может быть ассоциирована с предвестниками данного сейсмического события.

Авторы выражают благодарность IGS сообществу за предоставление GPS данных, а также USGS Earthquake Hazards Program за исчерпывающую информацию о сейсмических событиях.

итература

1.а Davies, Е. and Baker, D.M., 1965. Ionospheric effects observed around the time of the

Alaskan earthquake of March 28 1964. // J. Geophys.Res., 70, No 9, pp.2251-2253.

2.а Leonard, R.S. and Barnes, R.A., 1965. Observations of ionospheric disturbances following the

Alaska earthquake. // J. Geophys. Res. 70, pp. 1250-1253.

3.а Липеровский В.А., Похотелов О.А., Шалимов С.A., 1992. Ионосферные предвестники

землетрясений. М.: Наука, 304 с.

4.аа Hayakawa М.а (Eds.),а 1999.а Atmospheric and Ionospheric Electromagnetic Phenomena

Associated with Earthquakes. Terra Scientific Publishing Company, Tokyo, Japan. 996 p.

5. Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических

наземно-космических методов / Под ред. В.Н. Страхова, В.А. Липеровского. М.: ОИФЗРАН, 1999. 176 с.

6. Pulinets S.A. and Boyarchuk К., 2004. Ionospheric Precursors of Earthquakes. Springer,

Berlin, Germany, 315 p.

7. Larkina V.I., Migulin V.V., Molchanov O.A., Kharkov IP., Inchin A.S. and Schvetcova V.B.,

1989. Some statistical resultant on very low frequency radio wave emissions in the upper ionosphere over earthquake zone // Phys. Earth Planet. Inter., 57, p. 100.

8. Chmyrev V.M, Isaev N.S., Bilichenko S.V. and Stanev G., 1989. Observation by space borne

detectors of electric fields and hydromagnetic waves in the ionosphere over the earthquake centre // Phys. Earth Planet. Inter. 57, p. 110.

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1054аа 9.а Molchanov О.A. and Hayakawa М., 1998. Subionospheric VLF signal perturbations possibly

related to earthquakes // Journal of Geophysical Research, 103 (A8), pp. 17489-17504.

10.а Гохберга М.Б.,а Кустова A.B.,аа Липеровскийа В.А.,аа Липеровскаяа Р.Х.,аа Харина Е.П.,

Шалимов С.Л., 1988. О возмущениях в F-области ионосферы перед сильными землетрясениями // Известия АН СССР, Физика Земли, №4, с. 12-20.

11.а Gaivoronskaya T.V. and Zelenova Т.I., 1991. The effect of seismic activity on F2-layer

critical frequencies // J. Atmosph. Terrestr. Phys. V. 53, No 6/7, pp. 649-652.

12.а Pulinets S.A., 1998. Seismic activity as a source of the ionospheric variability // Adv. Space

Res., V.22, No.6, pp. 903-906.

13.а Liu J.Y., Chen Y.I., Pulinets S.A., Tsai Y.B. and Chuo Y.J., 2000. Seismo-ionospheric

signatures to M > 6.0 Taiwan earthquakes // Geophysical Research Letters. V. 27, No. 19, pp. 3113-3116.

14.а Krankowski A., Baran L.W. and Shagimuratov I.I., 2004. Modeling and forecasting of TEC

obtained with IGS Network over Europe // Proceed. Workshop&Simposium, 10 years IGS, March 01-05, 2004, Berne, Switzerland.

15.а Ruzhin, Yu.Ya., Oraevsky V.N., Shagimuratov I.I. and Sinelnikov V.M., 2002. Ionospheric

precursors of earthquakes revealed from GPS data and their connection with "sea-land" boundary // Proceed. 16th Wroclaw EMC Symposium, pp. 723-726.

16.а Plotkin V.V., 2003. GPS detection of ionospheric perturbation before the 13 February 2001,

El Salvador earthquake //Natural Hazards and Earth System Sciences. 3, pp. 249-253.

17.а Liu J.Y., Chuo Y.J., Shan S.J., Tsai Y.B., Pulinets S.A. and Yu S.B., 2004. Pre-earthquake

ionospheric anomalies monitored by GPS TEC // Annales Geophysicae, 22, pp. 1585 -1593.

18.а Afraimovich EX., Astafieva E.I., Gokhberg M.B., Lapshin V.M., Permyakova V.E., Steblov

G.M. and Shalimov S.L., 2004. Variations of the total electron content in the ionosphere from GPS data recorded during the Hector Mine earthquake of October 16, 1999, California // Russian Journal of Earth Sciences, V.6, N5, pp. 339-354.

19.а Pulinets S.A., Leyva Contreras A., Bisiacchi-Giraldi G. and Ciraolo L., 2005. Total electron

content variations in the ionosphere before the Colima, Mexico, earthquake of 21 January 2003 // Geofisica International, V. 44, N. 4, pp. 369-377.

20.а Захаренкова И.Е., Шагимуратов И.И., Лаговский А.Ф., 2005. 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, 25-27 мая 2005 г. - Йошкар-Ола, МарГТУ, 2005. T.l.c. 194-198.

21. Захаренкова И.Е., Шагимуратов И.И., Лаговский А.Ф., Кранковски А., 2006.

Исследование ионосферных предвестников для землетрясений класса М-5.0 //

Электронный журнал "Исследовано в России", 39, стр. 361-371, 2006 г.

to the Baltic Sea earthquake of 21 September 2004 // Acta Geophys. V. 54, No 1, p. 90-101.

23.а Baran L. W., Shagimuratov I.I. and Tepenitsina N.J., 1997. The use of GPS for ionospheric

studies // Artificial Satellites, 32(1), 49.

24.а Oraevsky V.N., Ruzhin Yu.Ya., Shagimuratov I.I., 2000. Anomalies of ionospheric TEC

above Turkey before two strong earthquakes at 1999 // Proceed. 15th Wroclaw EMC Symposium, 2000, pp.508-511.

25.а Zakharenkova I.E., Shagimuratov I.I., Krankowski A., Lagovsky A.F., 2006. Ionospheric

precursors observed during the Mediterranean region earthquakes // Proceed. 18th International Wroclaw Symposium and Exhibition on Electromagnetic Compatibility, June 28-30, 2006. pp. 85-90.

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 1055аа 26. Rapoport Y., Grimalsky V., Hayakawa М., Ivchenko V., Juarez-R D., Koshevaya S. and Gotynyan O., 2004. Change of ionospheric plasma parameters under the influence of electric field which has lithospheric origin and due to radon emanation // Physics and Chemistry of the Earth, 29, pp.579-587.

Все научные статьи

Blog

Захаренкова И.Е., Шагимуратов И.И., Кранковски А., Лаговский А.Ф. Ионосферные аномалии, наблюдаемые в GPS TEC измерениях перед землетрясением в Греции 8 января 2006 г.(M6.8)