Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 490, № 1, стр. 33-36

КОЛЕБАНИЯ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ В ДИАПАЗОНЕ ПЕРИОДОВ 8–11 ЧАСОВ, ВЫЗВАННЫЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕМ ТОХОКУ

С. Л. Шалимов 1*, А. А. Спивак 2, В. А. Харламов 2

1 Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской Академии наук
Москва, Россия

2 Институт динамики геосфер Российской Академии наук
Москва, Россия

* E-mail: pmsk7@mail.ru

Поступила в редакцию 21.08.2019
После доработки 10.09.2019
Принята к публикации 01.10.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

На основе результатов инструментальных наблюдений, выполненных в Геофизической обсерватории “Михнево” ИДГ РАН, анализируется отклик атмосферного давления на землетрясение Тохоку 11.02.2011 г. (магнитуда M ~ 9). Показано, что в результате землетрясения в атмосфере возникли длиннопериодные колебания давления с периодами, близкими к 8.5, 9.4, 10 и 10.4 ч. В качестве возможной причины возбуждения указанных барических вариаций рассматриваются волны в изотермической атмосфере с источником в эпицентре землетрясения.

Ключевые слова: землетрясение, атмосферное давление, длиннопериодные вариации

Землетрясения, особенно сильные, проявляются не только в виде сейсмических волн, резких изменений напряженно-деформированного состояния массивов горных пород и, как результат, их физико-механических свойств, но также возмущениями верхних геосфер – атмосферы и ионосферы [1, 2]. Особый интерес представляет рассмотрение отклика атмосферного давления на движения земной поверхности (например, вертикальные), вызванные землетрясениями [3, 4].

Цель настоящего сообщения – демонстрация возможного наличия длиннопериодных вариаций атмосферного давления с периодом вблизи 10 ч, вызванных сильными землетрясениями. В качестве примера рассмотрено катастрофическое событие Тохоку – одно из наиболее сильных землетрясений Японии, произошедшее 11.03.2011 г. [5]. По имеющимся данным, событие с магнитудой ~9 (по поверхностным волнам MS = 8.8) произошло в 5 : 46 UT. Координаты основного толчка: 38.29° с.ш.; 142.69° в.д. Последствия землетрясения характеризовались помимо сейсмического, также и геофизическими эффектами (вариации магнитного поля и т.д.), значительными смещениями земной поверхности, а также возникновением цунами [6].

В качестве исходных данных в настоящей работе привлекались результаты регистрации атмосферного давления Р и его вариаций в Геофизической обсерватории “Михнево” ИДГ РАН (MHV) [7] (результаты регистрации выложены на сайте ИДГ РАН в графическом и цифровом виде)11. Координаты MHV: 54.99° с.ш.; 37.76° в.д. (расстояние от MHV до очага рассматриваемого землетрясения составляет ~8000 км). Для анализа привлекались цифровые ряды данных, сформированных с дискретностью 1 мин. Оценка спектров вариаций Р выполнялась на основе метода параметрической авторегрессии [8, 9].

Известно, что в результате сильных землетрясений возникают длиннопериодные колебания Земли как совпадающие с периодами ее собственных колебаний, так и с заметно бóльшими периодами, например ~120 мин и ~11 ч [10, 11]. Можно полагать, что квазигармонические движения земной поверхности с периодом, например, вблизи 11 ч могут быть обусловлены барическими возмущениями в атмосфере с близкими периодами.

На рис. 1 приведен график изменения атмосферного давления со временем t за период с 5 по 25 марта 2011 г. по данным MHV. Из данных рис. 1 следует, что землетрясение произошло в период относительной стабильности атмосферного давления в MHV (амплитуда вариаций не превышает 15 гПа). Основные вариации атмосферного давления характеризуются периодом ~70 ч. Это позволяет анализировать периодичности вариаций Р с периодами вблизи 10 ч.

Рис. 1.

Изменение атмосферного давления в MHV в период землетрясения Тохоку.

На рис. 2 приведена СВАН-диаграмма вариаций атмосферного давления, полученная в результате обработки данных MHV за период с 11 по 16 марта 2011 г. Из рис. 2 видно, что приблизительно через 7–8 ч после землетрясения в MHV было зарегистрировано повышение вариаций атмосферного давления в диапазоне периодов 6–11 ч, которые наблюдались более трех суток. Оценки времени распространения сигнала от очага землетрясения до MHV t0, выполненные с учетом расстояния до очага и предполагаемой скорости распространения длиннопериодных возмущений в атмосфере (~280–300 м/с [12]), дают величину t0 = 6.9–7.4 ч, что свидетельствует о том, что наблюдаемые в MHV вариации Р с большой вероятностью связаны с возмущениями, вызванными в атмосфере очагом землетрясения Тохоку.

Рис. 2.

Спектрально-временная диаграмма вариаций атмосферного давления в период землетрясения Тохоку (данные MHV).

Авторегрессионный спектр P(t), вычисленный за период с 11 по 21 марта 2011г., приведен на рис. 3 в сравнении со спектром, вычисленным за шестидневный период, непосредственно предшествующий землетрясению. Из рис. 3 следует, что наряду с максимумом вблизи периода ~12 ч, связанным с группой близких по периодам полусуточных волн лунно-солнечного прилива, после землетрясения на спектре вариаций Р отчетливо выделяются пики 1–5 с периодами соответственно 8.5, 9.4, 10, 10.4 и 11 ч. Это подтверждает, в частности, наше предположение о том, что обнаруженные ранее колебания Земли с периодом ~11 ч [11] проявляются также и в атмосферных процессах. Но при этом картина атмосферных возмущений, вызванных землетрясением в рассматриваемом диапазоне периодов, представляется гораздо более сложной по сравнению с твердой землей: возбуждаются колебания не одного 11-часового, а нескольких периодов.

Рис. 3.

Спектральная плотность вариаций атмосферного давления в период предшествующий (b) и после (а) землетрясения Тохоку по данным MHV; 1–5 – квазигармонические составляющие колебаний, возникшие в результате сейсмического события.

Хотя исчерпывающая интерпретация зарегистрированного эффекта требует дальнейших исследований, можно высказать предположение о возможной причине возбуждения длиннопериодных атмосферных колебаний, основываясь на гипотезе Лэмба [13]. Эту гипотезу можно рассматривать как развитие принадлежащей Лапласу теории распространения волн в изотермической атмосфере. Лэмб предположил, что в атмосфере могут распространяться длинные плоские волны, аналогичные тем, что распространяются в океане определенной глубины. Дисперсионное уравнение для таких волн имеет вид

$\omega = \sqrt {gh} k,$
где $g$ – ускорение свободного падения, $h$ – эквивалентная глубина равная $h = \gamma H$, $\gamma $ – отношение удельных теплоемкостей при постоянном давлении и объеме соответственно, $H$ – характерная высота атмосферы, $\omega ,\;\;k$ – частота и волновое число волны. Эти волны плоские или двумерные в том смысле, что вертикальная скорость у них отсутствует, и на всех высотах колебания находятся в одной фазе. В изотермической атмосфере $\gamma $ = 1, так что при $H$ = 6.6 км находим фазовую скорость волны равной 254 м/с. Если теперь принять для оценки найденную в работе [11] приблизительную длину волны колебаний $\lambda $ ≈ 8000 км, то период колебаний будет составлять ~9 ч, что вполне соответствует измеренному в настоящей работе диапазону.

Полученные данные свидетельствуют о том, что сильные землетрясения вызывают длиннопериодные вариации атмосферного давления на значительных расстояниях от очага. При этом наблюдается выраженная дискретность периодов вызванных барических пульсаций. Установление природы и возможных механизмов возбуждения вариаций атмосферного давления в периоды сильных сейсмических событий требует проведения дополнительных более детальных исследований. Тем не менее, авторы полагают, что полученные в настоящей работе данные могут расширить имеющиеся представления о воздействии землетрясений на атмосферу и окажутся полезными при разработке и верификации теоретических и расчетных моделей как самих землетрясений, так и сопровождающих их геофизических процессов.

Авторы также полагают, что при детальной обработке широкополосных сейсмических данных, на основе которых были выделены 11-часовые колебания Земли [1], будут выделены и другие колебания с периодами, которые найдены в настоящей работе, близкие к 8.5, 9.4, 10 и 10.4 ч.

Список литературы

  1. Шалимов С.Л., Нестеров И.А., Воронцов А.М. О возмущениях ионосферы, регистрируемых посредством GPS после землетрясения и цунами в Тохоку 11.03.2011 // Физика Земли. 2017. № 2. С. 1–12.

  2. Перевалова Н.П., Шестаков Н.В., Воейков С.В., Быков В.Г., Герасименко М.Д., Park P.H. Исследование распространения ионосферных возмущений, вызванных землетрясением Tohoku в дальней от очага зоне // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 1. С. 186–196.

  3. Гармаш С.В., Линьков Е.М., Петрова Л.Н., Швед Г.М. Возбуждение колебаний атмосферы сейсмогравитационными колебаниями Земли // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1989. № 12. С. 1290–1299.

  4. Швед Г.М., Голицын Г.С., Ермоленко С.И., Кукушкина А.Е. Связь длиннопериодных собственных колебаний Земли с процессами в атмосфере // Доклады академии наук. 2018. Т. 481. № 3. С. 315–319.

  5. Тихонов И.Н., Ломтев В.Л. Великое Японское землетрясение 11 марта 2011 г.: Тектонические и сейсмологические аспекты // Геофизические процессы и биосфера. 2011. Т. 10. № 2. С. 49–66.

  6. Shevchenko G., Ivelskaya T., Loskutov A. Characteristics of the 2011 Great Tohoku tsunami on the Russian Far East coast deep-water and coastal observations // Pure and Applied geophysics. 2014. V. 171. P. 3329–3350.

  7. Адушкин В.В., Овчинников В.М., Санина И.А., Ризниченко О.Ю. “Михнево”: От сейсмостанции № 1 до современной геофизической обсерватории // Физика Земли. 2016. № 1. С. 108–120.

  8. Канасевич Э.Р. Анализ временных последовательностей в геофизике. М.: “Недра”, 1985. 400с.

  9. Марпл С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1990. 584 с.

  10. Соболев Г.А. О некоторых свойствах возникновения и эволюции колебаний Земли после землетрясений // Физика Земли. 2013. № 5. С. 12–27.

  11. Соболев Г.А. Возникновение колебаний 11-часового периода после землетрясения Тохоку // ДАН. 2018. Т. 480. № 3. С. 348–352.

  12. Красильников В.А., Крылов В.В. Введение в физическую акустику. М.: Наука, 1984. 403 с.

  13. Лэмб Г. Гидродинамика. М.–Л.: Гостехиздат. 1947. 928 с.

Дополнительные материалы отсутствуют.