Геомагнетизм и аэрономия, 2020, T. 60, № 6, стр. 803-808

1. ВВЕДЕНИЕ

Начиная с работы [Wilson, 1920], принято считать, что генератором атмосферного электрического поля является грозовая деятельность планеты. Грозовые модели атмосферного электричества, например, [Hays and Roble, 1979] используют в качестве главного источника электрического тока грозовые облака, в верхней части которых скапливаются положительные заряды, а в нижней – отрицательные. Поведение электрического поля в регионах “хорошей погоды” также связывают с грозами и разрядами молний [Roble and Tzur, 1986], что пока не имеет безоговорочного признания среди ученых. Как отмечено в (https:// vvkuz.ru/books/lectures_1/14.pdf), атмосферное электрическое поле может формироваться “за счет разделения электрических зарядов в атмосфере "хорошей погоды”, а не за счет грозовых разрядов, как это обычно принято в литературе”. Такая ситуация свидетельствует о том, что поиск механизмов генерации атмосферного электрического поля еще не закончен и требует дальнейшего развития.

Проводящие слои земной коры и нижней ионосферы, районы облачно-грозовой активности и регионы “хорошей погоды” формируют глобальную электрическую цепь (ГЭЦ) [Roble and Tzur, 1986; Bering et al., 1998; Мареев, 2010], традиционными элементами которой считаются грозовые токи, ионосферные токи, токи хорошей погоды и земные токи. В работе [Намгаладзе, 2013] было предложено включить дополнительно в элементы ГЭЦ сейсмогенные токи, которые предположительно возникают в процессе подготовки и реализации землетрясений и текут между тектоническими разломами и ионосферой. Ранее уже высказывалась идея [Pulinets, 2009], что процессы подготовки землетрясений связаны с процессами в ГЭЦ. Однако Slyunyaev et al. [2015] считают, что локальные неоднородности проводимости атмосферы и дополнительные токи не оказывают существенного воздействия на поведение ГЭЦ.

Одной из уникальных особенностей ГЭЦ и атмосферного электрического поля является унитарная вариация [Whipple, 1929; Liu et al., 2010], демонстрирующая устойчивое увеличение напряженности поля в регионах хорошей погоды в ~19 UT (кривая Карнеги). Если сейсмические процессы действительно вовлечены в процесс генерации атмосферного электрического поля и функционирования ГЭЦ, представляется целесообразным проверить наличие UT-вариации и в сейсмическом режиме Земли, и если такая существует, то определить степень соответствия характерных для нее особенностей с особенностями кривой Карнеги, этому и посвящена настоящая работа.

2. ДАННЫЕ НАБЛЮДЕНИЙ

В работе использованы данные о землетрясениях с магнитудой М ≥ 4.5, которые были зарегистрированы на планете в 1973–2017 гг. (226 674 события) согласно глобальному сейсмологическому каталогу (NEIC) Национальной геологической службы США, представленному на сайте (https:// earthquake.usgs.gov/earthquakes/search). На рисунке 1а–1в приведены гистограммы распределения как зависимость от мирового времени количества всех зарегистрированных землетрясений (рис. 1а) и отдельно: мелкофокусных с глубиной гипоцентров до 70 км (рис. 1б) и глубокофокусных с глубиной гипоцентров от 71 км до 700 км (рис. 1в).

Рис. 1.

Гистограммы распределения внутри 1-часовых UT-интервалов количества землетрясений с магнитудой М ≥ 4.5, зарегистрированных на планете в 1973–2017 гг., где черные кривые – скользящее среднее по 3 ч: (а) – для землетрясений всех глубин (226 674 события), (б) – для землетрясений с глубиной гипоцентров до 70 км (173 298 событий), (в) – для землетрясений с глубиной гипоцентров 71–700 км (53 376 событий).

Для сопоставления наблюдаемых UT-вариаций в количестве землетрясений с UT-вариациями электричества хорошей погоды, мы привлекли к анализу данные по измерениям электрического поля над океанами в 1915–1921 гг. на корабле “Carnegie”, систематизированные в работе [Mauchly, 1926]. В настоящее время эти данные доступны на сайте (https://malagabay.files.wordpress.com/2014/06/carnegie-iv-v-vi-table. jpg?w=640). На рисунке 2 тонкие кривые представляют UT-вариации электрического поля хорошей погоды отдельно для четырех сезонов: (февраль–март–апрель – FMA), (май–июнь–июль – MJJ), (август–сентябрь–октябрь – ASO), (ноябрь–декабрь–январь – NDJ), а толстая кривая показывает UT-вариацию, усредненную за весь период измерений 1915–1921 гг. (кривая Карнеги).

Рис. 2.

Усредненная UT–вариация электрического поля хорошей погоды по данным измерений на корабле “Carnegie” в 1915–1921 гг. (жирная кривая); тонкие кривые представляют UT-вариации, усредненные отдельно за февраль–март–апрель – FMA, май–июнь–июль – MJJ, август–сентябрь–октябрь – ASO, и ноябрь–декабрь–январь – NDJ (Mauchly, 1926).

3. АНАЛИЗ ДАННЫХ И ОБСУЖДЕНИЕ

Рисунок 1 показывает, что UT–вариация в количестве всех зарегистрированных на платнете землетрясений (рис. 1а) и отдельно, коровых – с глубиной гипоцентров до 70 км (рис. 1б), а также глубокофокусных – с глубиной гипоцентров 71 км и более (рис. 1в) имеет идентичный характер, что говорит в пользу неслучайности обнаруженной унитарной вариации в сейсмическом режиме Земли. Сопоставляя рис. 1 и 2, можно заключить, что визуально, характер UT–вариации в сейсмическом режиме имеет довольно близкое соответствие с характером UT–вариации в градиенте атмосферного электрического потенциала. У обоих параметров максимальные значения приходятся на интервал времени ~13–20 UT, а минимальные – вокруг ~03–04 UT. У кривой Карнеги пиковое значение градиента потенциала наблюдается около ~19–20 UT (рис. 2), а пиковое значение в количестве землетрясений, как для коровых, так и для глубокофокусных событий наблюдается в ~17–18 UT (рис. 2), т.е., на 2 ч раньше. Для кривой Карнеги (рис. 2) перепад градиента потенциала между минимальным значением в 04 UT и пиковым значением в 19 UT составляет ~38%, а в сейсмических данных такое отношение меньше. По несглаженным данным на рис. 1 (столбики) разность между максимальным и минимальным количеством всех произошедших землетрясений (рис. 1а) составляет ~13.6%, для коровых землетрясений (рис. 1б) перепад составляет ~12.6%, но достигает ~19% для глубокофокусных землетрясений (рис. 1в). Этот результат говорит в пользу того, что амплитуда унитарной вариации в сейсмическом режиме Земли усиливается с увеличением глубины гипоцентров. Учитывая этот эффект, а также то, что наблюдается (как отмечалось выше) примерно 2-х часовое запаздывание пика в кривой Карнеги относительно пика в количестве землетрясений, мы показали на рис. 3 зависимость градиента электрического потенциала (жирная кривая на рис. 2) от количества глубокофокусных землетрясений (столбики на рис. 1в) с учетом запаздывания первого параметра относительно второго на 2 ч. Линия на рис. 3 представляет линейную регрессию между градиентом электрического потенциала и количеством глубокофокусных землетрясений с коэффициентом корреляции R = 0.86, среднеквадратическим отклонением SD = 7.0, с вероятностью Р = 95%.

Рис. 3.

Распределение часовых значений градиента потенциала в электрическом поле хорошей погоды (Кривая Карнеги по данным 1915–1921 гг.) в зависимости от часовых значений количества глубокофокусных h ≥ 71 км землетрясений с магнитудой М ≥ 4.5 по данным глобального сейсмологического каталога NEIC за 1973–2017 гг. (см. текст).

Возвращаясь вновь к рис. 1 и рис. 2, следует заметить, что в UT–вариациях обоих параметров помимо основного максимума, приходящегося на интервал времени ~13–20 UT, наблюдается еще один максимум, хотя и менее развитый, центрированный на ~07–08 UT. Вновь видим, что для глубокофокусных землетрясений пик вокруг 07–08 UT (рис. 1в) выражен более четко по сравнению с таковым для коровых землетрясений (рис. 1б), и именно пик в глубокофокусных землетрясениях вокруг 07–08 UT обусловливает появление аналогичного пика в UT-вариации для всех зарегистрированных событий (рис. 1а).

Существование устойчивых максимумов в сейсмическом режиме Земли в ~07–08 UT и ~17–18 UT (рис. 1), которые практически одновременно (с небольшим запаздыванием) присутствуют и в градиенте электрического потенциала в регионах хорошей погоды (рис. 2), а также наличие практически одновременного минимума в этих параметрах: около ~02 UT для глубокофокусных землетрясений (рис. 1в), около ~03 UT для коровых землетрясений (рис. 1б), и вокруг ~03–04 UT для градиента электрического потенциала (рис. 2) поддерживает новую идею [Pulinets, 2009; Намгаладзе, 2013], что процессы подготовки и реализации землетрясений взаимосвязаны с функционированием ГЭЦ и процессом генерации атмосферного электрического поля.

Возникает вопрос о физическом механизме такой связи, на который пока нет ответа. По нашему мнению, приведенные выше результаты дают намек, что к возникновению унитарной вариации в градиенте электрического потенциала (рис. 2), сейсмической активности, особенно глубокофокусной (рис. 1), а также к существованию достаточно тесной корреляции между UT-вариациями в градиенте электрического потенциала и глубокофокусной сейсмичности (рис. 3), может быть причастен некоторый более глобальный механизм, чем облачно-грозовая деятельность планеты, протекающая в различных географических регионах разрозненно по сезонам и мировому времени.

В число кандидатов на возможные источники глобального воздействия можно включить космические лучи, усиление естественной радиоактивности земли (интенсификация эманаций радона в областях повышенной сейсмической активности), а также взаимодействие солнечного ветра с геомагнитным полем, как было предположено еще в работе [Park, 1976] и затем обсуждалось в [Tinsley and Heelis, 1993]. Поступление корпускулярной космической энергии в околоземное пространство регулирует магнитосфера, в том числе, через процессы в ее хвостовой части, где возможно быстрое пересоединение противоположно направленных силовых линий (аннигиляция магнитного поля) с выделением большой энергии на ускорение заряженных частиц. В этой связи представляет интерес UT-время возникновения синхронных пиков в сейсмической активности и в электрическом поле вокруг 17–19 UT и 07–08 UT. Не трудно понять, что в 17–19 UT на ночной стороне находится долготный регион, в котором расположен магнитный полюс южного полушария с координатами: 79.5° S, 108.6° Е – для варианта несмещенного диполя, 64.9° S, 138.4° Е – для смещенного, и 74.18° S, 126.19° Е – для варианта исправленного геомагнитного полюса (координаты усреднены для магнитных эпох 1975–2015 гг.). В 07–08 UT в аналогичной ситуации находится долготный регион, в котором расположен магнитный полюс северного полушария с координатами: 79.5° N, 288.6° Е – для варианта несмещенного диполя, 80.3° N, 245.1° Е – для смещенного, и 81.46° N, 277.67° Е – для варианта исправленного геомагнитного полюса. Возможно, что влияние солнечного ветра на земные процессы бывает более эффективным, когда магнитные полюса “смотрят” непосредственно в хвост магнитосферы откуда идет инжекция ускоренных заряженных частиц. При этом, для магнитного полюса южного полушария, который расположен на более низкой широте по сравнению с полюсом северного полушария, и тем самым “ближе” к центральной части хвоста, эффект выражен более ярко. Конечно, эти спекулятивные предположения требуют детального научного анализа.

На рисунке 4 мы сравниваем UT-вариацию в количестве землетрясений отдельно для долготного сектора 80°–210° Е (рис. 4а), куда входит долгота магнитного полюса южного полушария, и для долготного сектора 210°–80° Е (рис. 4б), куда входит долгота магнитного полюса северного полушария. Из рисунка 4а следует, что практически 70% землетрясений (158 103 из общего числа 226 674) произошло на той половине долгот, где находится магнитный полюс южного полушария, и нет сомнений, что сейсмическая активность именно этого долготного региона отвечает за минимум в количестве землетрясений вокруг 03 UT (рис. 1 и рис. 4а). Не трудно понять, что в 03 UT магнитный полюс южного полушария находится на дневной стороне и как бы “отвернут” от потока ускоренных заряженных частиц из хвостовой части магнитосферы. В регионе 210°–80° Е включающем долготу расположения магнитного полюса северного полушария, произошло только 30% из рассмотренных сейсмических событий (рис. 4б), но при этом, максимум в числе землетрясений вокруг 07–08 UT, когда магнитный полюс северного полушария “смотрит” в хвост магнитосферы, проявляется очень четко.

Рис. 4.

Гистограммы распределения в 1-часовых UT–интервалах количества землетрясений с М ≥ 4.5, зарегистрированных в 1973–2017 гг. в долготном секторе 80°–210° Е (158 103) и в долготном секторе 210°–80° Е (68 571), (а) и (б) соответственно.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В целом, результаты проведенного исследования поддерживают новую идею [Pulinets, 2009; Намгаладзе, 2013], что процессы подготовки и реализации землетрясений взаимосвязаны с процессами функционирования глобальной электрической цепи и генерации атмосферного электрического поля. Что касается физического механизма такой взаимосвязи, то можно предположить, что за возникновение унитарной вариации в градиенте электрического потенциала, а также в частоте возникновения землетрясений отвечает некий глобальный механизм, возможно связанный с ускорением в хвосте магнитосферы заряженных частиц. Это предположение основано на том факте, что главные максимумы в UT-вариациях сейсмического режима и электрического поля приурочены к ~07–08 UT и ~17–19 UT, когда магнитные полюса северного и южного полушарий, соответственно, “смотрят” непосредственно в хвост магнитосферы, откуда идет инжекция ускоренных заряженных частиц, а главный минимум приурочен к ~03 UT, когда магнитный полюс южного полушария, расположенный в долготном регионе самой высокой сейсмичности (Юго-Восточная Азия, Австралия) оказывается на дневной стороне и “отвернут” от потока ускоренных заряженных частиц из хвостовой части магнитосферы.