Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 504, № 2, стр. 195-199

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА

Байкальская рифтовая зона (БРЗ) характеризуется высокой сейсмической активностью, что дает возможность изучения литосферно-атмосферно-ионосферных связей. В настоящей работе результаты измерений излучения верхней атмосферы Земли проанализированы в связи с сильнейшим Хубсугульским землетрясением, произошедшим 11.01.2021 на юго-западном фланге БРЗ (21:32:59.3 UT, φ = 51.31° с.ш., λ = 100.40° в.д.; энергетический класс K_P = 15.7, магнитуда M_W = 6.7, сбросовый тип подвижки) [11, 12]. В работе использованы материалы ночной регистрации интенсивности эмиссии 557.7 нм спектрографом SATI-1М, изготовленным на базе модернизированного спектрографа ИСП-51 с регистрацией спектров на цифровую камеру “ВИДЕОСКАН-285” и установленным в Геофизической обсерватории (ГФО) ИСЗФ СО РАН (52° с.ш., 103° в.д.) на расстоянии около 200 км от эпицентра Хубсугульского землетрясения.

Анализ сейсмичности в площадке φ = 51–52° с.ш., λ = 100–101° в.д. за 2021 г. показывает, что на северо-западе Хубсугульской впадины формируется вытянутая вдоль Хубсугульского разлома зона высокой плотности эпицентров толчков-афтершоков (рис. 1). К середине сентября 2021 г. было зафиксировано и обработано около 290 толчков K_P ≥ 10, среди них 7 крупных сейсмособытий с K_P ≈ 13, 3 – с K_P ≈ 14 и необычно сильный афтершок K_P = 14.8 [11]. Появление и развитие области высокой плотности афтершоков указывают на мощную сейсмотектоническую активизацию литосферы с диссипацией энергии сейсмотектонического деформирования в локальном очаговом пространстве [14].

Рис. 1.

Карта эпицентров и изолиний плотности землетрясений в площадке φ = 51–52 N, λ = 100–101 E. 1 – разломы [13], 2 – эпицентр Хубсугульского землетрясения, 3 – эпицентры землетрясений с энергетическим классом K_P ≥ 10 (январь-сентябрь 2021 г.), 4 – шкала изолиний плотности эпицентров в площадках 15 × 15 км².

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 2 представлено поведение интенсивности эмиссии 557.7 нм, полученное в течение ночи 11.01.2021 г. До момента ЗТ наблюдаются естественные вариации интенсивности эмиссии 557.7 нм около среднесуточного уровня 61.04 ± ± 17.79 Рл. В частности, в интервале времени 10–21 UT можно выделить один из наблюдаемых типов ночного хода этой эмиссии с максимумом около полуночи, который, как правило, может модулироваться более высокочастотными вариациями интенсивности этой эмиссии. Через 15 мин (тонкая короткая стрелка) после реализации Хубсугульского ЗТ (крестик и вертикальная линия) можно отметить формирование низкочастотного колебания длительностью около получаса при уровне значимости выше двух стандартных отклонений. Далее в сигналах эмиссии 557.7 нм наблюдается усиление высокочастотных колебаний с максимумом на уровне значимости выше трех стандартных отклонений (толстая длинная стрелка).

Рис. 2.

Ночной ход интенсивности эмиссии 557.7 нм в ночное время 11.01.2021 г. Крестик и вертикальная линия маркируют момент сильного Хубсугульского землетрясения (21.549 ч, UT). Две стрелки указывают на начало формирования двух возмущений с разными трассами распространения. Жирная штриховая линия маркирует среднесуточный уровень эмиссии 577.7 нм. Пунктирная и точечная линии маркируют уровни двух и трех стандартных отклонений соответственно.

На рис. 3 показаны возможные трассы распространения возмущений от точки эпицентра ЗТ до эмиссионного слоя 557.7 нм на высоте около 100 км и удалении от эпицентра на расстояние 200 км. В качестве возможных механизмов распространения возмущения от землетрясения до верхней атмосферы в удаленной от эпицентра зоне предварительно рассматриваются акустические волны (АВ), АГВ, ВГВ и поверхностные сейсмические волны Рэлея.

Рис. 3.

Схема распространения акустико-гравитационных волн (АГВ) в атмосфере и сейсмических (P, S, Lg) волн в литосфере. R и H – расстояние от эпицентра и высота.

В настоящее время в литературе рассматриваются несколько возможных каналов поступления и преобразования высвобождаемой при ЗТ энергии в верхнюю атмосферу и ионосферу [3, 14–17]. Достаточно широко обсуждается концепция формирования возмущений в верхней атмосфере и ионосфере вследствие вертикального распространения АВ и их непосредственного воздействия на параметры среды и диссипации на высотах верхней атмосферы. В этом случае колебания земной поверхности при ЗТ сопровождаются возбуждением в атмосфере широкополосных акустических волн, которые могут распространяться вертикально вверх в достаточно узкой угловой диаграмме направленности [3]. Вследствие диссипации АВ над источником формируется область пространственных возмущений состояния верхней атмосферы, которая в свою очередь может являться источником ВГВ и их волноводному распространению на большие расстояния [18]. Применительно к рассматриваемому Хубсугульскому ЗТ этому сценарию на рис. 3 соответствует трасса 2, которая позволяет выполнить оценку возможной временной задержки наблюдаемого возмущения в эмиссии 557.7 нм. При скорости распространения акустической волны 340–400 м/с и высоте эмиссионного слоя эмиссии 557.7 нм 100 км (близкой к высотам мезопаузы и диссипации акустических волн) время распространения акустического возмущения до высоты 100 км составляет около 4–5 мин. К этому времени необходимо добавить время волноводного распространения ВГВ от возмущенной области до ГФО, находящейся на расстоянии 200 км. При групповой скорости ВГВ 250–300 м/с время распространения до ГФО составляет около 11–13 мин. В этом случае общее время распространения возмущений по трассе 2 будет составлять 15–18 мин, что практически совпадает с наблюдаемой задержкой появления начала возмущения в эмиссии 557.7 нм после момента ЗТ.

Рассматривается также механизм преобразования у поверхности Земли сейсмических волн Рэлея в акустические колебания, которые распространяются снизу вверх с некоторым углом к горизонту [14, 17] и которые затем могут проявляться в вариациях ионосферных параметров с периодами ВГВ с задержкой относительно ЗТ десятки минут [3]. При вертикальной фазовой скорости ВГВ 40–80 м/с время достижения эмиссионного слоя 557.7 нм на высоте 100 км составляет около 17–42 мин. Этому сценарию на рис. 3 условно схематично может соответствовать трасса 1.

Не следует исключать и передачи импульса звуковой волны атмосферной среде, обусловливающей возникновения упорядоченного потока частиц. Скорость такого “звукового” ветра может достигать на высотах верхней атмосферы от 10 до 100 м/сек [14]. Это может приводить к дополнительному поступлению атомарного кислорода О снизу на высоты эмиссионного слоя 557.7 нм и усилению его интенсивности, которая согласно общепринятым механизмам возбуждения этой эмиссии пропорциональна [О]³. Возможно этим эффектом можно объяснить наблюдаемое, вероятно, на фоне естественного ночного хода эмиссии 557.7 нм дополнительное усиление интенсивности эмиссии 557.7 нм после ЗТ.

Что касается наблюдаемого усиления высокочастотных колебаний интенсивности эмиссии 557. 7 нм (около 23 UT) можно заметить, что этот эффект ранее отмечался в некоторых работах. Так, в работе [9] отмечалось увеличение числа и амплитуд максимумов в спектрах колебаний эмиссий верхней атмосферы в диапазоне коротких периодов (единицы–десятки минут) в моменты времени, близкие к магистральному разрыву. Подобные результаты для эмиссии 557.7 нм были получены и для Байкальской рифтовой зоны [7].

В работе [20] дается возможная теоретическая интерпретация увеличения интенсивности эмиссии 557.7 нм перед землетрясениями в результате распространения ВГВ и создания на высоте эмиссионного слоя вихревых структур, которые обеспечивают увеличение концентрации атомарного кислорода [О] на высотах ионосферного слоя E.

Для большинства исследуемых сейсмических толчков в БРЗ отклик атмосферной эмиссии 557.7 нм после землетрясений ранее выявить не удавалось [7, 19]. Полученные в настоящей работе результаты указывают на значимые изменения в динамике эмиссии 557.7 нм на фоне ее естественных вариациях после сильного Хубсугульского землетрясения. Постсейсмический эффект в излучении эмиссий верхней атмосферы, вероятно, возможно наблюдается только для сильных землетрясений со сбросовой подвижкой в очаге (вертикальном движении поверхности Земли в эпицентральной зоне) и при больших амплитудах сейсмических колебаний. Это согласуется с работой [14], в которой утверждается, что эффекты нагревания и ускорения атмосферы акустическими волнами являются эффективными только после мощных ЗТ.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы выражают искреннюю благодарность рецензентам за высокопрофессиональное, принципиальное и одновременно доброжелательное рецензирование работы, способствовавшее существенному улучшению статьи.