Особенности регистрации проявлений цунами и землетрясений в открытом океане по данным спутниковых наблюдений

В данной диссертационной работе представлена методика обнаружения цунами и температурных аномалий, вызванных подводным землетрясением при помощи аппаратуры ДЗЗ, установленной на борту полярно-орбитальных ИСЗ. Известно, что по способу получения информации, методы дистанционного зондирования подразделяются на пассивные и активные. В первом случае, источником информации является электромагнитное излучение, испускаемое исследуемой средой. Во втором случае, со спутника периодически посылаются зондирующие импульсы, а полезную информацию получают путем сравнения излученного прибором и отраженного от среды сигналов.

Наблюдения, оценка и прогноз состояния Мирового океана при помощи ИСЗ получили наименование космического мониторинга океана. Бортовая аппаратура спутников мониторинга океана предназначена для непрерывного измерения ряда характеристик, связанных с ТПО, океаническими течениями, приповерхностными ветрами и высотой океанских волн.

Диссертационная работа состоит из двух основных частей. В первой части описана и испытана на практике методика регистрации цунами при помощи активного метода радиолокационной альтиметрии.

В настоящее время цунами регистрируются главным образом прямыми методами с помощью береговых самописцев уровня и датчиков придонного гидростатического давления. Однако, показания береговых самописцев содержат колебания, сильно искажающие исходную форму волны, которую она имеет в открытом океане. Такие явления, как выход на мелководье и отражение от берегов заметно увеличивают амплитуду волны. При этом форма записи трансформируется за счет резонансных свойств прибрежной области: шельфа, бухт, проливов и других особенностей берегов. Датчики придонного гидростатического давления лишены этого недостатка, но дороги в эксплуатации и не могут обеспечить полного покрытия вероятных районов возникновения и проявления цунами. Результаты данной работы дают возможность не только обойти эти два недостатка используемых методик, но регистрировать подобные колебания уровня океана на значительном удалении от берегов с точной привязкой к единой геодезической системе отсчета, используя данные спутниковой альтиметрии и, в частности, высокоточных радиовысотомерных измерений с ИСЗ Geosat, Т/Р, ERS-1, ERS-2, Jason-1 и Envisat. Точность привязки к единой системе высот, данных об уровне моря, полученных в результате этих работ, обеспечивается установленными на борту приемниками какой либо из навигационных систем: GLONASS, GPS или DORIS. Характеристики землетрясений выбирались из электронной базы данных для тихоокеанских цунами, разработанной в СО РАН. В исследовании были использованы данные спутникового альтиметра, предварительно обработанные в Геофизическом Центре РАН.

Во второй части работы анализируются массивы данных о температурном поле поверхности океана в эпицентральной области подводного землетрясения, полученные пассивным методом с бортового радиометра высокого разрешения.

Известно, что турбулентность в океане играет определяющую роль в формировании гидрологических полей. Изучение влияния сейсмических движений на океанскую турбулентность началось в последние десятилетия прошлого века при обнаружении аномалий ТПО в районах сильных подводных землетрясений [8]. В работе [7] впервые были приведены аналитические выкладки, подтверждающие возможность переноса холодных придонных водных масс в приповерхностный слой океана за счет вертикальных движений в зоне действия подводных землетрясений. Возникновение температурных аномалий на поверхности океана после землетрясения впоследствии было названо «сейсмическим апвеллингом». Ниже, автором дается краткое описание выполненных ранее работ по этой тематике.

Для анализа изменений ТПО, вызванных сильными землетрясениями, были использованы следующие массивы данных:

1. каталог землетрясений NEIC;

2. данные по ТПО, находящиеся в открытом доступе (Naval Oceanographic Office Open Data Access Server).

Данные поступали с AVHRR, установленных на полярно-орбитальных спутниках NOAA-14 и NOAA-15. В этом проекте достигнуто рекордно-высокое пространственное разрешение — 0,1 градуса. В данной работе описывается методика обработки данных, выбранных с сервера с помощью ряда программ, написанных автором. Визуализация обработанных данных произведена средствами графического пакета GrADS.

Затем приводится аналогичный анализ данных по ТПО, полученных прямыми измерениями, на примере региона Черного моря. Из приводимых рисунков распределения температур ХПС следует, что глубина изотермы минимальной температуры ХПС на вторые сутки после землетрясения резко уменьшилась. Иначе говоря, эффект «сейсмического апвеллинга» имел место и здесь, но не на поверхности, а на некоторой глубине.

В заключение работы приводятся аналитические выкладки. Их целью является попытка теоретического обоснования процесса переноса глубинных вод к поверхности в результате сейсмических колебаний дна.

Результаты проведенных исследований проявления сейсмических эффектов в океанологических полях и возможное их практическое применение выносятся на защиту данной диссертационной работы.

Выводы.

1. По данным спутникового радиовысотомера выполнен анализ возмущений уровня океана, вызванных сильными цунами в Тихом океана за 1993;2002 гг. Показана принципиальная возможность регистрации спутниковым альтиметром волновых возмущений уровня океана, связанных с прохождением цунами. Идентификация цунами возможна как прямым выделением фронта волны в профиле уровня, так и по изменению спектрального состава волновой структуры.

2. Впервые проведена оценка вероятности пересечения спутником фронта цунами.

3. В ряде случаев в местах пересечения смоделированного фронта цунами и спутниковой трассы, были обнаружены аномально-высокие выбросы значений (по модулю) уровня океана, отсутствующие для предшествующего и последующего циклов работы спутника (что примерно соответствует 10 суткам). Наиболее ярко такие возмущения из всех рассмотренных случаев, проявляются для записей, полученных только во время цунами 17 февраля 1996 г. (о. Ириан Джая) [18, 19]. Для отобранных точек были построены длительные временные ряды, на которых так же присутствовали аномалии уровня, совпадающие с датой цунамигенного землетрясения. Дальнейшая статистическая обработка отобранных данных с применением цифрового фильтра убедительно показала, что во время 126 и 75 циклов работы спутника Т/Р в различных точках Тихого океана синхронно было зафиксировано аномально высокое значение уровня моря.

4. Выполнен анализ данных измерений ТПО с ИСЗ за 2002;2005 гг. на предмет выявления связи между возникновением аномалии ТПО и предшествующим этому сильным сейсмическим событием с М > 7.

5. Обнаружены новые случаи образования холодных аномалий ТПО над эпицентральными районами сильных подводных землетрясений (Индонезия 2002, Соломоновы о-ва 2003, о. Суматра 2004, о. Суматра 2005) [24].

6. С целью выявления связи между возникновением аномалии ТПО и предшествующим этому сейсмическим событием был выполнен анализ данных наблюдений гидрофизических станций, установленных в Чёрном море с 1930 по 1999 гг.

7. В двух случаях (1940, 1963 гг.) обнаружено значительное понижение температуры воды, как на поверхности (1940 г.), так и на глубине в слое 1030 м (1963 г.) через 40 часов после землетрясения. Впервые обнаружено зарегистрированное инструментальным методом охлаждение деятельного слоя Чёрного моря, обусловленное подъёмом вод ХПС после подводного землетрясения [26, 27, 28].