Интерес к изучению динамических характеристик атмосферного электричества в сейсмоактивных регионах мира зародился очень давно. Причиной этому послужило обнаружение аномальных эффектов в суточных вариациях напряженности электрического поля с опережением землетрясений от нескольких часов до нескольких суток. Это навело на мысль об использовании аномального эффекта в качестве одного из возможных предвестников землетрясений и стимулировало интенсивные исследования динамических характеристик электрического поля во многих сейсмически активных регионах мира. В СССР такие целенаправленные наблюдения проводились в Таджикистане, Узбекистане, в Крыму, в Армении [1−3]. В азиатском сейсмоактивном регионе наиболее продолжительные наблюдения выполнялись в Японии и Китае [4−6] (см. гл. 1 диссертации). На Камчатке как наиболее сейсмоактивном регионе России регулярные наблюдения с целью прогноза землетрясений были начаты в 1991 г. [7−10] в районе Паратунской гидротермической системы (обс!"Паратунка>*р = 52°58,3' N, X = 15 8° 14,9' Е) Институтом космофизических исследований и распространения радиоволн (ИКИР) ДВО РАН и продолжаются в настоящее время [11−14].
В отличие от ранее проводимых экспериментов, современные наблюдения выполняются в комплексе с регистрацией многих геофизических параметров, непосредственно и опосредованно связанных с динамическими характеристиками электрического поля. Увеличение объема получаемой информации, в свою очередь, потребовало внедрение современных вычислительных средств сбора и первичной обработки данных с целью создания баз данных [15].
Другая сторона проблемы изучения динамических характеристик электрического поля в сейсмоактивных регионах связана с исследованиями различных механизмов взаимодействия в системе литосфера — атмосфера — ионосфера. В современных теоретических моделях, рассматривающих это взаимодействие, электрическое поле вводится как один из основных параметров, участвующих в модификации нестационарной ионосферы по всей ее толще и в подготовительную фазу землетрясений. В некоторых моделях — это величины аномальной напряженности поля в электрическом канале связи, которые приведены в [16−18] (данные аномальных величин перед отдельными землетрясениями неоднократно публиковались в печати). Вместе с тем в ряде других моделей взаимодействие рассматривается через атмосферные волны, в частности, через внутренние гравитационные волны (см. обзор [19]). Существенно, что систематические экспериментальные данные такого рода до последнего времени отсутствовали в литературе. В диссертации показано, что этот диапазон периодов атмосферных волн оказался наиболее чувствительным к литосферным процессам. Такой теоретический подход по существу стимулировал детальные экспериментальные исследования спектров мощности напряженности электрического поля, которые впервые выполнены в рамках рассматриваемой работы. При этом спектральные вариации электрического поля использованы в качестве одного из средств исследования динамики атмосферы в сейсмоактивном регионе.
Актуальность представленной работы заключается в исследованиях динамических характеристик электрического поля в приземной атмосфере на Камчатке как с целью экспериментального исследования физической сути канала связи в системе литосфера — атмосфераионосфера через внутренние гравитационные волны, так и с целью возможного прогноза землетрясений. Таким образом, целью исследования является поиск и выделение эффектов литосферной природы во временных и спектральных вариациях электрического поля в приземной атмосфере на Камчатке в различных метеорологических и сейсмических условиях.
Для достижения этой цели в работе необходимо было выполнить следующие задачи:
— проведение регулярных наблюдений напряженности электрического поля в комплексе с регистрацией полного набора геофизичесаки значимых метеорологических параметров (осадки, давление, температура, облачность, ветер), компонент геомагнитного поля на базе современной автоматической системы сбора и первичной обработки экспериментальных данных с использованием современных информационных систем;
— статистическая обработка временных аномальных вариаций напряженности электрического поля за длительный период наблюдений 1997;2002 гг.;
— анализ временных вариаций напряженности электрического поля в спокойных и возмущенных метеоусловиях, а также в период повышенной сейсмической активности;
— анализ спектров мощности суточных вариаций напряженности электрического поля в широком диапазоне периодов 0,5 — 24 ч, совпадающих с периодами тепловых приливных атмосферных волн и внутренних гравитационных волн.
Для выполнения этих задач использованы:
— результаты регулярных наблюдений вариаций напряженности электрического поля специальными приемными устройствами на базе автоматизированного комплекса аппаратуры в обе. «Паратунка».
— статистические методы оценки характеристик аномальных временных вариаций напряженности электрического' поля с одновременным контролем j вышеперечисленных метеорологических параметров, включая фотографии из космоса, существенно влияющих на динамические характеристики электрического поля, и цифровые методы спектрального анализа суточных вариаций напряженности поля.
Достоверность полученных в диссертации результатов определялась следующим:
— устойчивостью работы приемно-регистрирующей аппаратуры;
— выбором эффективных алгоритмов сбора, первичной и последующей обработки экспериментальных данных;
— хорошей корреляцией с результатами других исследователей.
Предмет исследования: градиент потенциала электрического поля в приземной атмосфере, который определяет напряженность вертикальной компоненты электрического поля, совпадает с ней по величине и отличается по знаку. В работе используется термин напряженности поля Ez в В/м. Рассматриваются динамические характеристики напряженности поля в приземном слое атмосферы, которые определяются не только глобальной грозовой активностью, но и локальными процессами, такими, как турбулентность, конвекция, радиоактивность, наличие аэрозолей и рельефа места наблюдения. По своему географическому положению п/о Камчатка отличается от открытых пространств над океаном и от континентов, таких как Средняя Азия. Поэтому в диссертации уделено особое внимание описанию метеорологических характеристик на Камчатке. Присутствие аэрозольных частиц в приземной атмосфере в результате вулканических выбросов оказывает также локальное влияние на электрическое поле. В силу вышесказанного следовало ожидать специфического поведения суточных вариаций электрического поля, свойственных только для сейсмического региона Камчатки.
Научная новизна работы:
— впервые в вариациях спектров мощности электрического поля обнаружен полный набор колебаний, совпадающих с периодами тепловых приливных волн (24, 16, 12, 8, 4 ч) и внутренних гравитационных волн (0,5 — 3 ч) в приземной атмосфере;
— показано, что в период подготовки землетрясений происходит усиление колебаний в полосе периодов внутренних гравитационных волн;
— показано, что осадки вызывают аномальные эффекты во временных и спектральных вариациях электрического поля, которые подобны эффектам в период подготовки землетрясений. Этот факт существенно ограничивает использование аномальных эффектов электрического поля в качестве краткосрочного прогноза землетрясений;
— по результатам регулярных наблюдений за 1997 — 2002 гг. в режиме краткосрочного прогнозирования, т. е. за сутки до землетрясения, впервые получены статистические распределения величины, длительности аномалий электрического поля, связь с магнитудой землетрясений и расстоянием до эпицентра;
— показано, что даже в условиях «хорошей погоды» вероятность использования обнаружения аномалий в электрическом поле в качестве прогноза землетрясений составляет величину порядка 36%;
— разработана и внедрена автоматизированная система сбора и первичной обработки широкого набора геофизических параметров в обс. Паратунка ИКИР ДВО РАН. Создана база данных для решения широкого круга экспериментальных и теоретических задач.
Научная значимость работы.
Полученные в работе результаты по динамике электрического поля в приземной атмосфере Камчатки представляют научный интерес для специалистов, разрабатывающих теоретические модели системы взаимодействия литосфера — атмосфера — ионосфера. Кроме того, спектральные вариации электрического поля могут в дальнейшем использоваться в качестве одного из средств исследования динамических процессов в приземной атмосфере Земли. Результаты оценки вероятности прогноза землетрясений по аномалиям электрического поля также могут быть приняты во внимание при разработке системы прогнозов в комплексе с дополнительными геофизическими параметрами.
Положения, выносимые на защиту.
1. Установлено в результате статистической обработки более 100 случаев бухтообразных аномалий напряженности электрического поля, зарегистрированных в период наблюдений 1997 — 2002 гг. на Камчатке, что наиболее вероятные значения бухт понижения напряженности поля составляют величины минус (100 — 300) В/м, а длительности этих аномалий — (40 — 60) мин с дополнительным максимумом 160 мин. Показано, что в 36% случаев аномалии сопровождаются землетрясениями через 1−24 ч. Не обнаружено зависимостей этих величин от класса землетрясения и от расстояния до эпицентра.
2. В спектрах мощности суточных вариаций напряженности электрического поля обнаружены 2 полосы собственных колебаний атмосферы: Т=0.5 — 3 ч и 4 — 24 ч, которые соответствуют модам внутренних гравитационных и тепловых приливных волн. Обнаружено, что в период подготовки землетрясения с аномалией в суточном ходе электрического поля интенсивность спектров в полосе периодов Т=0.5 -Зч на порядок по величине и более возрастала по сравнению со спектрами в спокойных метеорологических условиях, но была ниже на порядок по величине при наличии осадков.
3. Разработана и внедрена автоматизированная система сбора и первичной обработки экспериментальных данных в обе. «Паратунка» с использованием современных информационных технологий, которая позволяет проведение регулярных наблюдений электрического поля и связанных с ним метеорологических параметров: осадки, давление, температура, ветер.
Апробация работы.
Основные результаты работы, составляющие содержание диссертации, докладывались на секциях Ученых советов ИКИР ДВО РАН, ИЗМИР АН, на международных и российских конференциях, опубликованы в Трудах этих конференций:
Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава и сотрудников ПКВМУ. Петропавловск-Камчатский, 1997.
Солнечно-земные связи и электромагнитные предвестники землетрясений. Петропавловск-Камчатский. 1998.
Солнечно-земные связи и электромагнитные предвестники землетрясений. Петропавловск-Камчатский. 2001.
Intern. Conf. Problems of Geocosmos. June 3−8. 2002. St. Petersburg Russia.
Ill Intern. Workshop on Magnetic, Electric and Electromagnetic Methods in Seismology and Volcanology (MEEMSV-2002), September 3−6, 2002. Moscow, Russia.
Всероссийская научная конференция, посвященная 10-летию Российского фонда фундаментальных исследований. «Геофизика на рубеже XX и XXI веков» 8−10 октября 2002 г. Москва.
23 General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics. Sapporo, Japan. 2003.
Пятая Российская конференция по атмосферному электричеству. Владимир, 2003.
Метрологические основы магнитных наблюдений Сибири и Дальнего Востока. Петропавловск-Камчатский. 2003.
III Международная конференция. Солнечно-земные связи и электромагнитные предвестники землетрясений. 16−21 августа 2004. с. Паратунка, Камчатская обл.
Вторая Всероссийская школа-семинар по электромагнитному зондированию Земли. 28−30 ноября 2005 Москва.
Личный вклад автора.
— в полном объеме выполнена статистическая обработка аномальных вариаций электрического поля в период 1997 — 2002 гг.;
— внесен существенный вклад в исследования спектральных особенностей электрического поля в сотрудничестве с коллективом исполнителей ИЗМИР АН;
— выполнена в полном объеме работа по автоматизации широкого комплекса наблюдаемых геофизических параметров, разработаны алгоритмы и программы сбора и первичной обработки сигналов для создания базы данных.
Участие С. Э. Смирнова в проектах в качестве основного исполнителя:
Программы фундаментальных исследований РАН: 13 «Изменения окружающей среды и климата: природные катастрофы». Проект «Исследование природы краткосрочных предвестников аномалий геофизических полей перед землетрясениями Камчатки» (04−1-02−008, 05−1-0−02−051) 30 «Солнечная активность и физические процессы в системе Солнце-Земля». Проект «Исследование атмосферных процессов в условиях солнечной активности» (Государственный контракт № 10 104−71/П-30/041−404/300 605−116 от 30.06.2005) 16 «Изменение окружающей среды и климата: природные катастрофы». Проект «Исследование особенностей взаимодействия электрического и магнитного полей атмосферы и геоакустической эмиссии поверхностных горных пород на заключительной стадии подготовки землетрясений Камчатки» (06−1- 0−00−070) 16 «Изменение окружающей среды и климата: природные катастрофы». Проект «Комплексные исследования геосферных процессов в условиях изменчивости солнечной, циклонической и сейсмической активности» (Государственный контракт 10 104−34/П-16/041−404/310 506−014 от 31.05.2006).
Работа, выполненная по теме, была поддержана грантами РФФИ №№ 00−05−65 020- 00−05−79 047- 00−05−65 380- 04−05−65 100.
Публикации по работе.
По теме диссертации, кроме тезисов и статей в трудах конференций, опубликовано 6 статей в рецензируемых отечественных и зарубежном журналах.
Структура и объем работы.
Диссертация включает в себя 4 главы, Введение, Заключение, Библиографический список использованной литературы и содержит 101 страницу.
Выводы. Анализ индивидуальных сильных землетрясений, произошедших на Камчатке, таких как 5 декабря 1997 г., 1 июня 1998 г., 8 марта 1999 г., 18 сентября 1999 г., 8 октября 2001 г., 16 октября 2002 г., 30 августа 2004 г., показал следующее [56, 57]:
1. Возникновение аномалий напряженности Е2-компоненты поля за сутки до главного толчка землетрясений как в одиночных толчках, так и при их рое.
2. В бухте аномалии поля при нормальных метеорологических условиях наблюдалось усиление интенсивности шумов в полосе периодов 0,5 — 3 ч. и соответствующее усиление спектров мощности шумов по сравнению с фоновыми уровнями.
3. При наличии неблагоприятных метеорологических условий (дождь, снег) перед землетрясением вариации Е2-компоненты поля были очень изменчивыми без выраженных аномалий. Как показано на рис" 4.17, при осадках, так же, как и в случае аномалий, сопровождаемых землетрясениями, происходит усиление интенсивности шумов, которые «замазывают» эффекты в электрическом поле литосферной природы.
Ez2/12, В/м 250.
50 о.
Ez, В/м 250.
200 150 100 50 О -50 -100 -150 -200 -250 а vjli Wfvw.
1 i гт.
1—I—г.
1 гл г iiii т.
О 5 10 15 20 25.
Рис. 4.15. Данные сентября 1999, исключая дни с осадками и помехой.
N2.
300 —.
250 —.
200 —.
50 0.
N1.
500 —,.
450 -400 -350 -q 300 -250.
200 -q.
150 -100 -soq 0.
30 (EzJ^B/M 0.
80 Ezyaa-(+&-)} В/м.
Рис. 4.16 Гистограммы распределения с шагом ЮВ/м, а — величин экстремальных значений б — значений (Ez2)½.
2 2−2 -1 S, В м Гц Ж.
2Е+5 О.
2Е+7 О.
1Е+6.
5Е+5 О О 1 V у т, ч.
Рис. 4.17. Спектры атмосферных шумов в сентябре 1999: для нормальных метеорологических условий (1), дней с осадками (2) и 17 сентября (3).
5 1500 ш.
2 a.
500 a> о .?00 С a jz a.
V.
S -1500 re.
14.3 forshoks with K>12.
• 1 ft .
•A! |.
4 f I.
14,1.
I aftershoks with K>12.
— 40 П.
Л. Jjii i E e.
— 20? record abrupt j i -10 g.
— 2500 11/29 197.
30 э •c с о о о.
— 10.
12/01/97.
12/05/97.
12/07/97.
Рис. 4.18 развитие форшок-афтершоковой последовательности и электрические характеристики приземного слоя атмосферы, осредненные в десятиминутном интервале: а — градиент потенциала атмосферного электрического поля — Ez, бэлектропроводность воздуха вызванная положительными — Х+> и отрицательными ионами — L.
Заключение
.
Поставленные в работе задачи выполнены полностью:
1. Установлено в результате статистической обработки более 100 случаев бухтообразных аномалий напряженности электрического поля, зарегистрированных в период наблюдений 1997 — 2002 гг. на Камчатке, что наиболее вероятные значения бухт понижения напряженности поля составляют величины минус (100 — 300) В/м, а длительности этих аномалий — (40 — 60) мин с дополнительным максимумом 160 мин. Показано, что в 36% случаев аномалии сопровождаются землетрясениями через 1−24 ч. Не обнаружено зависимостей этих величин от класса землетрясения и от расстояния до эпицентра, что указывает на сложный мозаичный характер процессов в литосфере Земли в период подготовки землетрясений.
2. В спектрах мощности суточных вариаций напряженности электрического поля обнаружены 2 полосы собственных колебаний атмосферы: Т=0.5 — Зч и 4 — 24ч, которые соответствуют модам внутренних гравитационных и тепловых приливных волн. Этот экспериментальный результат позволяет использовать вариации спектров электрического поля в качестве одного из средств изучения волновых процессов в приземной атмосфере. Обнаружено, что в период подготовки землетрясения с аномалией в суточном ходе электрического поля интенсивность спектров в полосе периодов Т=0.5 — Зч на порядок по величине и более возрастала по сравнению со спектрами в спокойных метеорологических условиях, но была ниже на порядок по величине при наличии осадков.
3. Разработана и внедрена автоматизированная система сбора и первичной обработки экспериментальных данных в обе. «Паратунка» с использованием современных информационных технологий, которая позволяет проведение регулярных наблюдений электрического поля и связанных с ним метеорологических параметров: осадки, давление, температура, ветер. Создан банк этих данных в период с 1996 г и по настоящее время.
Практическая значимость полученных результатов.
Вся совокупность полученных в работе результатов о динамике электрического поля в приземной атмосфере Камчатки как во временной, так и в частотной области имеет прикладное значение при построении теоретических моделей взаимодействия литосфера-атмосфера-ионосфера через электрический канал связи и механический через внутренние гравитационные волны.
Перспективы дальнейших исследований.
В связи с полученными в диссертации результатами в качестве перспективы представляют интерес экспериментальные исследования прохождения внутренних гравитационных волн литосферной природы на различные высоты ионосферы. При этом в качестве основного параметра необходимо будет использовать электрическое поле в приземной атмосфере с одновременными наблюдениями дополнительных геофизических параметров, таких как вариации атмосферных радиошумов, геомагнитного поля и ионосферных параметров.
Список работ в реферируемых журналах по теме диссертации.
Михайлов Ю.М., Михайлова Г. А., Капустина О. В., Депуева А. Х., Бузевич А. В., Дружин Г. И., Смирнов С. Э., Фирстов П. П. Вариации различных атмосферно-ионосферных параметров в периоды подготовки землетрясений на Камчатке: предварительные результаты // Геомагнетизм и аэрономия. — 2002. — Т. 42. № 6. С. 805−813.
Михайлов Ю.М., Михайлова Г. А., Капустина О. В., Бузевич А. В., Смирнов С. Э. Вариации спектров мощности электрического поля приземной атмосферы на Камчатке // Геомагнетизм и аэрономия. — 2003. — Т. 43. № 3.-С. 750−758.
Михайлов Ю.М., Михайлова Г. А., Капустина О. В., Бузевич А. В., Смирнов С. Э. Особенности атмосферных шумов, наложенных на вариации квазистатического поля в приземной атмосфере Камчатки // Геомагнетизм и аэрономия. — 2005. — Т. 45. № 5. — С. 690−705.
Смирнов С. Э. Особенности отрицательных аномалий квазистатического электрического поля в приземной атмосфере на Камчатке // Геомагнетизм и аэрономия. — 2005. — Т. 45. № 2. С. 282−287.
Смирнов С. Э. Программы мониторинга обсерваторских геофизических измерений // Информатика и системы управления. — 2005. № 2(10). — С. 195−198.
Mikhailov Yu. М., Mikhailova G. A., Kapustina О. V., Buzevich А. V. Smirnov S. E. Power spectrum features of near-Earth atmospheric electric field in Kamchatka //Annals of Geophysics. — 2004. — Vol. 47. № 1. — P. 237−245.
Содержание работы и полученные в ней результаты соответствуют специальности 25.00.29. Физика атмосферы и гидросферы.
В заключении автор выражает глубокую благодарность сотрудникам ИКИР ДВО РАН, коллегам ИЗМИР АН за плодотворное сотрудничество в выполнении данной работы, а также научному руководителю д-ру физ.-мат. наук Ю. М. Михайлову за постоянное внимание и помощь в работе.
