Физика Земли, 2020, № 4, стр. 51-60

1. ВВЕДЕНИЕ

Изучение эффектов, сопровождающих землетрясения, представляется важным как с точки зрения совершенствования и разработки новых моделей указанных событий, так и понимания общей картины их развития. При этом другой важной задачей является определение отклика геофизической среды и геофизических полей на сильные возмущения литосферы, что с учетом постоянно происходящего взаимодействия между геосферами помогает устанавливать их динамические характеристики.

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 [Перевалова и др., 2016; Шалимов и др., 2017]. Особый интерес представляет рассмотрение процесса передачи энергии от литосферы атмосфере при движении земной поверхности в результате землетрясения [Гармаш и др., 1989; Швед и др., 2018]. Вызванные землетрясением вертикальные движения земной коры и сейсмические волны порождают вариации давления в приземной области атмосферы [Голицын, Кляцкин, 1967; Шалимов и др., 2019; Jones et al., 2017; Mutschlecner, Whitaker, 2005]. При этом представляется важным, что возбуждаемые землетрясениями (и другими мощными источниками в литосфере и на земной поверхности) акустико-гравитационные волны являются одним из основных факторов, определяющих перенос энергии на ионосферные высоты.

В настоящей работе представлены результаты инструментальных наблюдений за некоторыми атмосферными эффектами, сопровождающими сильные землетрясения.

2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

В качестве исходных использовались результаты инструментальных наблюдений, выполненных в Геофизической обсерватории “Михнево” (MHV) ИДГ РАН (координаты: 54.94° N; 37.73° Е) и Центре геофизического мониторинга (ЦГМ) г. Москвы (координаты: 55.71° N; 37.57° Е) [Адушкин и др., 2016; Спивак и др., 2016]. Для анализа использовались ряды цифровых записей атмосферного давления Р и микробарических вариаций, полученных на земной поверхности в периоды сильных землетрясений. Регистрация атмосферного давления и других метеопараметров, характеризующих состояние атмосферы, выполнялась с помощью автоматизированной цифровой метеостанции Davis Vantage Pro 2. Микробарические вариации регистрировались с помощью микробарометра МБ-03, входящего в состав акустической станции MHV и обеспечивающего устойчивую регистрацию акустических сигналов амплитудой от 0.01 до 200 Па в диапазоне частот 0.0003–10 Гц (с целью снижения влияния температуры окружающего воздуха микробарометр помещен в скважину на глубину 2.5 м). Для выделения полезного сигнала на фоне ветровой турбулентности в приземном слое атмосферы на входе микробарометра установлен шумоподавляющий фильтр в виде шестилучевой звезды (рис. 1), обеспечивающий подавление помехи с коэффициентом ~1.5 (по амплитуде) в полосе частот 0.1–10 Гц. Для анализа формировались цифровые ряды записей с дискретностью 0.05 с.

Результаты регистрации выложены на сайте ИДГ РАН в графическом и цифровом виде¹¹. Оценка спектров вариаций Р выполнялась на основе метода параметрической авторегрессии [Канасевич, 1985; Марпл, 1990]. При выделении синглетов собственного колебания Земли ₀S₂ и акустико-гравитационных волн использовался метод выделения квазигармонических составляющих на основе адаптивной режекторной фильтрации [Уидроу, Стирнз, 1989].

3. ДЛИННОПЕРИОДНЫЕ ВАРИАЦИИ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ, ВЫЗВАННЫЕ КАТАСТРОФИЧЕСКИМ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕМ ТОХОКУ

С целью демонстрации наличия длиннопериодных вариаций атмосферного давления с периодом вблизи 10 ч, вызванных сильными землетрясениями, в настоящей работе в качестве примера рассмотрено катастрофическое событие Тохоку – одно из наиболее сильных землетрясений Японии, произошедшее 11.03.2011 г. [Тихонов, Ломтев, 2011]. По имеющимся данным событие с магнитудой ~9 (по поверхностным волнам M_S = 8.8) произошло в 5:46 UT. Координаты основного толчка: 38.29° N; 142.69° Е (расстояние от MHV до очага рассматриваемого землетрясения составляет ~7450 км). Последствия землетрясения характеризовались, помимо сейсмического, также и геофизическими эффектами (вариации магнитного поля и т.д.), значительными смещениями земной поверхности, а также возникновением цунами [Shevchenko et al., 2014].

Известно, что в результате сильных землетрясений возникают длиннопериодные колебания Земли как совпадающие с периодами ее собственных колебаний, так и с заметно большими периодами, например ~120 мин и ~11 ч [Соболев, 2013; 2018]. 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. 2 приведен график изменения атмосферного давления Р со временем t за период с 5 по 25 марта 2011 г. по данным MHV. Из данных рис. 2 следует, что землетрясение произошло в период относительной стабильности атмосферного давления в MHV (амплитуда вариаций не превышает 15 гПа). Как это следует из рис. 2, основные вариации атмосферного давления в это время характеризуются периодом ~70 ч. Это позволяет анализировать периодичности вариаций Р с периодами вблизи 10 ч, которые, во-первых, не совпадают с характерными для рассматриваемого периода времени вариациями атмосферного давления и, во-вторых, они заметно меньше 70 ч.

На рис. 3 приведена СВАН диаграмма вариаций атмосферного давления, полученная в результаты обработки данных MHV за период с 11 по 16 марта 2011 г. Из рис. 3 следует, 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 свидетельствуют о том, что наблюдаемые в MHV вариации Р с большой вероятностью связаны с возмущениями, вызванными в атмосфере очагом землетрясения Тохоку.

Авторегрессионный спектр P(t), вычисленный за период с 11 по 21 марта 2011 г., приведен на рис. 4 в сравнении со спектром, вычисленным за шестидневный период, непосредственно предшествующий землетрясению. Из рис. 4 видно, 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 после рассматриваемого события [Соболев, 2018] 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 близких периодов в интервале 8–11 ч.

4. МИКРОБАРИЧЕСКИЕ ПУЛЬСАЦИИ С ПЕРИОДАМИ, БЛИЗКИМИ К ПЕРИОДУ ОСНОВНОЙ МОДЫ ₀S₂ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ ЗЕМЛИ

Собственные колебания Земли проявляются повсеместно в сейсмически спокойные периоды [Линьков и др., 1989; Nava et al., 1998; Tanimoto et al., 1998], но наиболее ярко проявляются при сильных землетрясениях [Милюков и др., 2015; Соболев, 2015; Deen et al., 2017; Wan Yong-ge et al., 2007]. Представляется естественным, что вызванные при этом вертикальные движения земной коры и распространяющиеся сейсмические поверхностные волны порождают возмущения в приземном слое атмосферы, причем с периодами собственных колебаний Земли²². Выполненный в настоящей работе анализ барических вариаций свидетельствует о том, что сильным землетрясениям сопутствуют колебания в атмосфере с периодами, близкими к периоду основной сфероидальной 54-минутной моды ₀S₂ (частота ~0.309 мГц). На рис. 5 приведена СВАН-диаграмма микробарических вариаций, полученная в результате режекторной фильтрации [Уидроу, Стирнз, 1989] на частотах синглетов основной сфероидальной 54-минутной моды ₀S₂ 0.29–0.32 мГц результатов регистрации в MHV в период после землетрясения магнитудой 7.8 (Непал, 25.04.2015 г.).

Из рис. 5 следует, что на вторые сутки после данного события в MHV в атмосфере зафиксированы повышенные микробарические вариации с периодами в интервале 0.29–0.32 мГц, продолжавшиеся около 2-х сут. Аналогичный результат демонстрирует рис. 6, на котором приведена СВАН-диаграмма микробарических вариаций, полученная в период землетрясения 30.05.2015 г. в Японии магнитудой 7.8.

Из рис. 5 и рис. 6 видно, что микробарические вариации характеризуются не одной, а несколькими близкими частотами. Такая картина характерна для всех рассмотренных событий. В качестве примера на рис. 7 приведена спектральная плотность микробарических вариаций, зарегистрированных при землетрясении в Японии (21.11.2016 г., магнитуда 6.4).

Наличие близких частот в микробарических вариациях объясняется расщеплением мультиплета ₀S₂ (вырожденное значение собственной частоты рассматриваемой моды ${}_{0}f_{2}^{0}$ = 0.3096 мГц) на пять синглетов c частотами ${}_{0}f_{2}^{m}$ (m = –2; –1; 0; 1; 2), значение которых для вращающейся эллиптической модели Земли определяются соотношением [Жарков, 2012; Милюков, 2005]:

где ${}_{0}{{\alpha }_{2}}$, ${}_{0}{{\beta }_{2}}$ и ${}_{0}{{\gamma }_{2}}$ − параметры расщепления, значение одного из которых (параметр ${}_{0}{{\beta }_{2}}$) определяется эффектом вращения Земли, двух других − ${}_{0}{{\beta }_{2}}$ и ${}_{0}{{\gamma }_{2}}$ отличием ее формы от сферически симметричной.

Частоты синглетов, полученные по результатам анализа спектров, приведены в табл. 1, что позволяет оценить значения параметров ${}_{0}{{\beta }_{2}}$ и ${}_{0}{{\gamma }_{2}}$ из соотношений:

Конкретные значения параметров ${}_{0}{{\beta }_{2}}$ и ${}_{0}{{\gamma }_{2}}$, полученные в настоящей работе с использованием данных табл. 1, составляют:

Следует отметить, что, если полученное значение параметра ${}_{0}{{\beta }_{2}}$ близко по величине к значению $1.49 \times {{10}^{{ - 2}}}$, рассчитанному теоретически по модели Q1 [Gilbert, Backus, 1968], то полученная величина параметра ${}_{0}{{\gamma }_{2}}$ существенно превышает его теоретическое значение $ - 0.953 \times {{10}^{{ - 3}}}$, что является предметом дальнейших исследований, связанных с установлением особенностей проявления собственных колебаний Земли в атмосфере.

5. ГЕНЕРАЦИЯ АКУСТИКО-ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН

Неоднократно отмечалось, что воздействие землетрясений на верхние геосферы, в частности, ионосферу осуществляется посредством акустико-гравитационных волн [Гармаш и др., 1989; Гохберг, Шалимов, 2008; Гохберг и др., 2014; Черногор, 2019; Astafyeva, Afraimovich, 2006; Jones et al., 2017; Liu, Klostermeyer, 1975; Sun et al., 2016]. В связи с этим представляет интерес рассмотрение возможного отклика атмосферы на землетрясения на частотах ниже частоты Брента–Вяйсаля [Госсард, Хук, 1975].

Выполненный в настоящей работе анализ спектральных характеристик атмосферных колебаний показывает, что с сильными землетрясениями ассоциируются колебания атмосферы с частотами в диапазоне 5–12 мин. В качестве примера на рис. 8 приведены скользящие спектры барических микропульсаций, зарегистрированных в MHV и ЦГМ в период после землетрясения с магнитудой ~7, произошедшего в Греции 24.05.2014 г. (время в очаге ~09:25 UT). Более детально спектральные вариации барических микропульсаций в период времени непосредственно после землетрясения демонстрирует рис. 9, на котором приведены результаты вейвлет-анализа результатов регистрации (при расчетах применялся вейвлет Морле). Анализ данных, приведенных на рис. 8, показывает, что через примерно 2 ч после землетрясения в MHV и ЦГМ зарегистрированы повышенные спектры амплитудных вариаций барических микропульсаций с максимумом в районе периодов ~8–10 мин, что может свидетельствовать о приходе акустико-гравитационной волны от эпицентра события. При этом разность времен вступлений в пункты MHV и ЦГМ позволяет оценить пеленг на источник события. В данном случае вычисленный пеленг близок к направлению на эпицентр события. Длительность колебаний с этими периодами составляет для MHV и для ЦГМ примерно 2 ч.

6. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Полученные результаты свидетельствуют о сложном характере отклика атмосферы на сильные землетрясения в виде барических колебаний в широком диапазоне частот.

Вариации атмосферного давления в диапазоне периодов 8–11 ч. Хотя исчерпывающая интерпретация зарегистрированного эффекта, связанного с наличием длиннопериодных вариаций атмосферного давления с набором периодов в окрестности 10 ч требует дальнейших исследований, можно высказать предположение о возможной причине возбуждения длиннопериодных атмосферных колебаний, основываясь на гипотезе Лэмба [Лэмб, 1947]. 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 [Соболев, 2018] приблизительную длину волны колебаний $\lambda \approx $ 8000 км, то период колебаний будет составлять ~9 ч, что вполне соответствует измеренному в настоящей работе диапазону.

Оценим энергию этих волн после их генерации. Кинетическая энергия в столбе высотой 1 см от участка земной поверхности равна:

где: ρ – плотность воздуха; u – радиальная компонента скорости волны, распространяющейся со скоростью c и равная ${p \mathord{\left/ {\vphantom {p {c\rho }}} \right. \kern-0em} {c\rho }}$ [Ландау, Лифшиц, 1986]; А – амплитуда колебаний давления. Полагая ρ = 10^–3 г/см³, при длительности возмущения порядка 10 ч получим, что для амплитуды 1–10 Па кинетическая энергия возмущения на масштабе порядка эффективной высоты атмосферы будет 10²⁰−10²² эрг, т.е. 0.01−1% энергии события.

Барические вариации с частотами собственных колебаний Земли. Поскольку собственные колебания Земли можно рассматривать как стоячие волны [Жарков, 1983], то для описания генерации колебаний приземного давления обычно рассматривают аналогию с “поршневым” воздействием колеблющейся поверхности Земли [Petrova et al., 1996]. Далее отметим, что сфероидальные колебания Земли являются связанными колебаниями упругого и гравитационного полей земных недр [Жарков, 1983], однако возмущения силы тяжести по сравнению с возмущением атмосферных параметров имеют порядок ${{{{H}^{2}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{H}^{2}}} {R_{E}^{2}}}} \right. \kern-0em} {R_{E}^{2}}} \ll 1$ (где H − характерная высота однородной атмосферы; R_E – радиус Земли).

Синхронные измерения посредством микробарографов и сейсмографов [Petrova et al., 1996], позволяющие определить направление потока волновой энергии, указывают на сейсмические осцилляции как причину атмосферных колебаний. При этом метеорологические аномалии (например, циклоны) способны изменить направление потока волновой энергии.

Генерация акустико-гравитационных волн. Диапазон зарегистрированных в настоящей работе колебаний (5−12 мин) соответствует АГВ (ветка внутренних волн). Учитывая расстояние между местом события и пунктом регистрации колебаний, а также время, прошедшее между событием и регистрацией колебаний, можно получить, что скорость распространения возмущений приблизительно равна 250 м/c. Эта скорость также соответствует распространяющимся АГВ. Вместе с тем, диапазон зарегистрированных колебаний исключает прямое распространение возмущений давления из области предполагаемой генерации (эпицентр землетрясения). Возникающий при этом вопрос о механизме распространения таких колебаний в атмосфере вызывает особый интерес и требует проведения дополнительных исследований. Можно предполагать, что достигшие стратосферы и термосферы колебания над эпицентральной областью вызывают волновой процесс в соответствующих волноводах на этих высотах [Hetch et al., 2001] с последующим распространением волн до места регистрации. При этом, однако, остается нерешенным вопрос о перенаправлении части энергии АГВ в направлении к земной поверхности.

Следует отметить, что при наличии ветровой структуры при определенных условиях возможно отражение к земной поверхности распространяющейся в ионосферу внутренней волны [Ерохин и др., 2007]. Нельзя исключить также генерацию АГВ движущимися атмосферными фронтами, грозами и термиками.

Обращаясь к рис. 9 следует особо отметить, что вызванные землетрясением АГВ характеризуются в первые часы после события нестабильной амплитудой: явно проявляется временная периодичность амплитудных вариаций, что представляет собой предмет более детальных исследований.

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты выполненных исследований дополняют имеющиеся представления о возможных возмущениях атмосферы в периоды сильных землетрясений. При этом получено, что наблюдается выраженная дискретность периодов вызванных барических пульсаций в диапазоне периодов 8–11 ч. Установлено также наличие барических пульсаций на частоте основной фундаментальной моды ₀S₂ собственного колебания Земли. При этом при соответствующей обработке результатов регистрации барических вариаций удается выделить 5 синглетов моды ₀S₂.

Показано, что формирующиеся в эпицентре землетрясения внутренние гравитационные волны имеют способность к латеральному распространению (что позволяет регистрировать их на значительных расстояниях), причем в достаточно узком спектральном диапазоне 5–12 мин.

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.

Полученные данные свидетельствуют о сложности процессов, протекающих в атмосфере в периоды сильных землетрясений. Вопросы, поднятые в настоящей статье, требуют внимательного рассмотрения, для чего необходимо продолжить исследования, направленные на установление механизмов возмущения атмосферы сейсмическими событиями и роли разных факторов, влияющих на характер вызванных колебаний. Одновременно следует подчеркнуть, что, как это показано выше, отклик атмосферы на землетрясения может быть весьма полезным при рассмотрении глобальных процессов, характеризующих динамику Земли.