Физика Земли, 2021, № 4, стр. 142-147

1. ВВЕДЕНИЕ

Идея о связи между сейсмическими и геомагнитными явлениями, выдвинутая в конце позапрошлого века казанским ученым, педагогом и общественным деятелем Александром Петровичем Орловым, до сих пор привлекает внимание сейсмологов и геомагнитологов (см. обзор [Гульельми, 2019], в котором содержится обширная библиография по сейсмоэлектромагнетизму). Недавно на страницах журнала “Физика Земли” была опубликована интересная статья [Соболев и др., 2020], которая и послужила поводом для написания данной дискуссионной заметки.

В указанной статье детально описано воздействие магнитных бурь на низкочастотный сейсмический шум. Для исследования использована глобальная сеть сейсмических и магнитометрических станций. Обнаружены сейсмические шумы с амплитудой ~2 мкм и с характерными периодами в несколько минут, коррелирующие с колебаниями геомагнитного поля. Авторами “предполагается, что резкие изменения электромагнитного поля во время бури служат триггером высвобождения накопленной в Земле энергии” [Соболев и др., 2020].

В разделе 2 обращено внимание на то, что важнейшим элементом магнитной бури являются геомагнитные пульсации Рс5, и высказано предположение, что Рс5 индуцируют колебания, зарегистрированные авторами работы [Соболев и др., 2020]. Раздел 3 посвящен обсуждению сценария [Guglielmi, Potapov, 2018], согласно которому 5-минутные колебания поверхности Солнца возбуждают в межпланетной среде волны Альвена, проникающие в магнитосферу Земли и дающие вклад в спектр геомагнитных пульсаций Рс5. В разделе 4 кратко рассмотрен вопрос об инструментальных помехах. В разделе 5 высказано спекулятивное предположение о генетической связи по крайней мере части геосейсмических шумов, зарегистрированных в работе [Соболев и др., 2020], с гелиосейсмическими колебаниями.

2. ГЕОМАГНИТНЫЕ ПУЛЬСАЦИИ Рс5

Магнитная буря возникает под воздействием Солнца на Землю и представляет собой наиболее мощное и яркое явление в физике солнечно-земных связей. Во время бури, которая обычно продолжается от нескольких часов до нескольких дней, плазменные оболочки планеты – магнитосфера и ионосфера – сильно возмущены. Возмущения охватывают также атмосферу и литосферу.

Как правило, буря сопровождается возбуждением в магнитосфере геомагнитных пульсаций Рс5. В рамках магнитной гидродинамики Рс5 интерпретируются как стоячие волны Альвена [Альвен, Фельтхаммар, 1967; Гульельми, Троицкая, 1973]. По международной классификации ультранизкочастотных электромагнитных волн диапазон периодов Рс5 простирается от 150 до 600 с (см. например [Троицкая, Гульельми, 1969; Guglielmi, Pokhotelov, 1996]). Именно в этом диапазоне зарегистрировано повышение сейсмических шумов во время бури, коррелирующее с колебаниями геомагнитного поля [Соболев и др., 2020].

Амплитуда Рс5 весьма велика. На высоких широтах она достигает 100–200 нТл, что сопоставимо с максимальной глубиной Dst-вариации сильной магнитной бури. В экстремальных событиях амплитуда на высоких широтах достигает 1000 нТл. Учтем теперь, что Рс5 глубоко проникают в литосферу. По оценке [Соболев и др., 2020], колебания с периодом 5 мин проникают на 10 км и более в континентальную кору. Естественно напрашивается предположение, что колебания Рс5 являются причиной повышения уровня сейсмических шумов во время сильной магнитной бури, обнаруженного в работе [Соболев и др., 2020].

3. О ВОЗБУЖДЕНИИ Рс5 КОЛЕБАНИЯМИ ФОТОСФЕРЫ

В рамках стандартной модели возбуждение Рс5 происходит самопроизвольно вследствие колебательной неустойчивости магнитосферы при обтекании ее солнечным ветром. Другими словами, Рс5 есть автоколебания магнитосферы. Эта точка зрения имеет экспериментальные подтверждения [Нишида, 1980]. В то же время она не исключает альтернативных механизмов возбуждения Рс5. Остановимся на одном из них.

Идея состоит в том, что в наблюдаемый спектр Рс5 вносят заметный вклад вынужденные колебания магнитосферы Земли, возникающие под воздействием внешней силы с квазипериодом 5 мин, источник которой располагается на поверхности Солнца [Guglielmi, Potapov, 2018; Гульельми, Потапов, 2020]. Источником являются перманентные 5-минутные колебания фотосферы, хорошо известные в гелиосейсмологии [Leighton et al., 1962; Воронцов, Жарков, 1981].

В пользу гипотезы о гелиосейсмическом происхождении части Рс5 свидетельствует ряд фактов. Опыт наблюдения ультранизкочастотных колебаний на мировой сети магнитных обсерваторий свидетельствует о том, что в диапазоне Рс5 чаще, чем можно ожидать из статистических соображений с учетом непрерывности спектра МГД колебаний геомагнитных оболочек, регистрируются колебания с периодом 5 мин. Далее, для волн Альвена в межпланетной среде, бегущих от Солнца, также характерен 5-минутный период колебаний. Показательна в этом отношении верхняя панель на рис. 1. На ней показан спектр волн Альвена, наблюдавшихся в солнечном ветре перед фронтом магнитосферы. В полосе частот 3–4 мГц мы видим явное повышение спектральной плотности. Заметим, что гелиосейсмические колебания имеют несколько размытый спектр, центрированный на частоте 3.3 мГц. Это косвенно свидетельствует о том, что мы имеем дело с волнами Альвена, источником которых служат 5-минутные колебания солнечной поверхности. Набегая на магнитосферу, волны Альвена возбуждают пульсации Рс5 в той же полосе частот, как это видно на нижней панели рис. 1.

Еще одним косвенным свидетельством в пользу гипотезы о воздействии волн Альвена гелиосейсмического происхождения на колебания магнитосферы служит частотная модуляция так называемой серпентинной эмиссии. Подробнее о происхождении и свойствах серпентинной эмиссии написано в статье [Guglielmi et al., 2015]. Здесь же мы ограничимся указанием на тот факт, что среди многообразия форм частотной модуляции чаще, чем это можно было бы ожидать, встречается квазипериодическая 5-минутная модуляция.

Мы должны отдавать себе отчет в том, что гипотеза о гелиосейсмическом происхождении определенной части геомагнитных пульсаций Рс5 является радикальной, поскольку предсказывает месторасположение источника колебаний на расстоянии 150 млн км от Земли [Guglielmi, Potapov, 2018; Гульельми, Потапов, 2020]. Она не отвергает полностью широко известного традиционного представления о внутримагнитосферном происхождении Рс5 [Troitskaya, Guglielmi, 1967; 1969; 1970; Гульельми, Троицкая, 1969; 1973; Нишида, 1980; Guglielmi, Pokhotelov, 1996], но настоятельно диктует необходимость пересмотра подхода к организации и обработке наблюдений и к анализу спектрального состава Рс5. Гипотеза предсказывает, что в спектре Рс5 есть участок, обладающий определенной ригидностью. А именно, при вариациях динамического напора солнечного ветра существует более или менее стабильное повышение спектральной плотности на частоте 3.3 мГц, которая совпадает с частотой перманентных 5-минутных колебаний поверхности Солнца. Не наблюдаем ли мы на Земле далекое последствие гелиосейсмических колебаний?

4. ОБ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ПОМЕХЕ

Хорошо известно, что магнитометры реагируют на сейсмические колебания, а сейсмометры на колебания геомагнитного поля. Еще в 1681 г. падре Эсхинарди (Eschinardi) отметил воздействие землетрясения на показания магнитометра в Риме (см. [Burbank, 1905]). Нечто похожее наблюдалось во время Лиссабонского землетрясения. Явлением интересовались многие естествоиспытатели, в частности Гумбольдт. Фолк Элеман тщательно проанализировал реакцию магнитных инструментов на сейсмические колебания и в дополнение к сети сейсмостанций использовал мировую сеть магнитных обсерваторий для изучения волн Рэлея, возбужденных катастрофическим землетрясением на Аляске [Eleman, 1966].

При изучении геомагнитных вариаций космического происхождения сейсмические колебания создают инструментальную помеху. В то же время, при изучении магнитных сигналов, возбужденных в земной коре сейсмическими колебаниями, показания магнитометров содержат полезную информацию, которую можно извлечь, избавившись от так называемых микрофонной и сейсмографической помех [Гульельми, 2007; 2019].

Сейсмометр, как и магнитометр, не защищен полностью от паразитных наводок. Инструментальные помехи возникают, в частности, из-за реакции сейсмометра на вариации геомагнитного поля. Этой проблеме посвящена специальная литература (см., например, [Forbriger, 2007; Forbriger et al., 2010; Kozlovskaya, Kozlovsky, 2012; Diaz et al., 2020]). Судя по контексту, авторы статьи [Соболев и др., 2020] вполне осознают возможность регистрации широкополосным сейсмометром паразитных сигналов космического происхождения. В указанной статье изложены аргументы, исключающие такую возможность в данном конкретном случае, и у нас нет оснований сомневаться в убедительности приведенной аргументации. Тем не менее, мы сочли полезным специально отметить проблему инструментальных помех, поскольку она является общей для сейсмоэлектромагнитных исследований.

5. ОБСУЖДЕНИЕ

Прежде всего подчеркнем, что сейсмомагнетизм развивается в основном на эмпирической основе, причем довольно прочной, свидетельством чему служит обсуждаемая нами статья [Соболев и др., 2020] (см. также недавние публикации [Hayakawa, 2001; Закржевская, Соболев, 2004; Савин, Смагин, 2004; Гульельми, 2007; Зотов, Гульельми, 2010; Собисевич и др., 2010; Тарасов, 2010; Гульельми, Зотов, 2012; Страхов, Савин, 2013; Гульельми и др., 2015; 2020; Dovbnya et al., 2019; Гульельми, Клайн, 2020]).

Настойчивость исследователей в поиске эффектов воздействия геомагнитных вариаций на сейсмичность мотивирована давлением опытных фактов. Рассмотрим, например, рис. 2. Мы видим распределения землетрясений по величине глобальной суточной магнитуды Mg в экстремально возмущенных (D) и экстремально спокойных (Q) геомагнитных условиях. Распределения построены по данным непрерывных наблюдений в течение 20 лет [Гульельми и др., 2020]. При переходе от Q к D рядам наблюдения существенным образом изменяется фундаментальная характеристика сейсмичности, а именно наклон распределения Гутенберга–Рихтера к оси магнитуд. Статистический анализ сопоставления двух распределений не оставляет сомнения в реальности воздействия геомагнитных вариаций на планетарную активность землетрясений. Результат имеет фундаментальное значение для динамики геосфер, убедительно свидетельствуя о воздействии на литосферу нестационарных процессов в плазменных оболочках планеты.

Внимательное чтение статьи [Соболев и др., 2020] натолкнуло нас на мысль о возможной связи между солнечной сейсмологией и земной сейсмологией в той ее части, которая относится к изучению сейсмических шумов. Дело здесь не только в том, что период 5-минутнх гелиосейсмических колебаний попадает в диапазон периодов сейсмических шумов, исследованных авторами обсуждаемой статьи. Определенную роль сыграло и то обстоятельство, что не известный ранее в солнечно-земной физике канал переноса 5-минутных колебаний Солнца через межпланетное пространство в магнитосферу Земли был тщательно продуман и экспериментально обоснован в работах [Потапов, Полюшкина, 2010; Guglielmi et al., 2015; Guglielmi, Potapov, 2018; Гульельми, Потапов, 2017; 2020; Довбня и др., 2017; Довбня, Потапов, 2018].

При обсуждении проблемы в целом нельзя не сказать, что физико-математические основы сейсмоэлектродинамики еще не вполне сформировались. Вопрос о механоэлектромагнитных преобразованиях в земной коре оказался исключительно сложным. Сошлемся здесь на работы [Гульельми, 1992; Файнберг и др., 2004; Бучаченко, 2019], в которых были предложены механический, тепловой и химический механизмы воздействия магнитных колебаний на сейсмичность. В статье [Соболев и др., 2020] приведена более развернутая библиография, но ни в одной из опубликованных работ не содержится общепринятого решения проблемы. В заключение данного раздела статьи сделаем некоторые пояснения по вопросу о тепловом механизме, поскольку в работе [Соболев и др., 2020] этому вопросу уделено специальное внимание.

Покажем, что в однородном проводящем полупространстве нагрев токами Фуко ${\mathbf{j}}$ не зависит от величины электропроводности. Данное высказывание звучит парадоксально, так что уместно сделать расчет. По закону Джоуля–Ленца усредненная по периоду колебаний мощность преобразования электромагнитной энергии в тепловую в единице объема равна $Q = {{{{j}^{2}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{j}^{2}}} {2\sigma }}} \right. \kern-0em} {2\sigma }}$, где $\sigma $ – удельная электропроводность. В квазистационарном приближении ${\mathbf{j}} = (c{\text{/}}4\pi ){\text{ro}}{\kern 1pt} {\text{t}}{\mathbf{H}}$. Для простоты и конкретности примем, что индуцирующее магнитное поле линейно поляризовано таким образом, что ${\mathbf{H}} = (H,0,0)$, причем плоскость $x,y$ декартовых координат совпадает с плоской поверхностью земли, а ось $z$ направлена вниз. На поверхности земли выполняется граничное условие Леонтовича [Гульельми, 2010]. Отсюда следует, что:

где: $k = {{(1 + i)} \mathord{\left/ {\vphantom {{(1 + i)} \delta }} \right. \kern-0em} \delta }$ – комплексное волновое число; $\delta = {c \mathord{\left/ {\vphantom {c {\sqrt {2\pi \sigma \omega } }}} \right. \kern-0em} {\sqrt {2\pi \sigma \omega } }}$ – толщина скин-слоя; $c$ – скорость света; $\omega $ – частота колебаний; $z \geqslant 0$. С учетом (1) нетрудно убедиться, что $Q$ не зависит от $\sigma $. Вполне понятно, что эффективный нагрев среды токами Фуко происходит лишь в пределах толщины скин-слоя.

Значительную часть земной коры покрывает морская вода, имеющая проводимость $\sigma {\kern 1pt} ' \gg \sigma $. Соответственно этому предыдущий расчет можно уточнить, если воспользоваться граничным условием Леви–Чивиты [Бейтмен, 1958] при условии, что глубина воды много меньше толщины скин-слоя. Здесь уместно сделать небольшое уточнение. В работе [Соболев и др., 2020, с. 24] сказано, что глубина проникновения переменного магнитного поля с периодом 300 с в морскую воду не превышает 1 км. Между тем, расчет по формуле $\delta {\kern 1pt} ' = {c \mathord{\left/ {\vphantom {c {\sqrt {2\pi \sigma {\kern 1pt} '\omega } }}} \right. \kern-0em} {\sqrt {2\pi \sigma {\kern 1pt} '\omega } }}$ дает величину $\delta {\kern 1pt} ' = 5$ км.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, в данной статье мы изложили два предположения, которые возникли у нас при внимательном изучении фундаментальной работы [Соболев и др., 2020]:

1. Реакция сейсмических шумов на геомагнитную бурю, обнаруженная в указанной работе, связана с возбуждением в магнитосфере ультранизкочастотных электромагнитных колебаний Рс5, интенсивность которых сильно возрастает во время главной фазы бури.

2. Одним из источников Рс5 являются сейсмические колебания солнечной фотосферы. Эта идея, высказанная ранее в работе [Гульельми, Потапов, 2020], интересна в свете гипотетического и весьма парадоксального представления о воздействии 5-минтных колебаний поверхности Солнца на земную кору.

Мы полагаем, что было бы разумно продолжить исследование, начатое в работе [Соболев и др., 2020]. При этом желательно одновременно и, по возможности, в одном месте регистрировать сейсмический шум и геомагнитные пульсации Рс5. Особый интерес представляет поиск событий, при которых в спектре сейсмического шума и в спектре Рс5 наблюдаются пики на частоте 3.3 мГц, аналогичные тем, что мы видим на рис. 1.