Геомагнетизм и аэрономия, 2021, T. 61, № 6, стр. 803-811

Обнаружение возможных краткосрочных ионосферных предвестников сильных землетрясений по изменениям ежесуточных характеристик Es

Л. П. Корсунова 1*, А. Д. Легенька 1**

1 Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН)
г. Москва, г. Троицк, Россия

* E-mail: lpkors@rambler.ru
** E-mail: legenka.anna@yandex.ru

Поступила в редакцию 19.01.2021
После доработки 05.04.2021
Принята к публикации 25.05.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Проведено исследование изменений двух характеристик спорадического слоя Е: вероятности появления PEs и предельной частоты обыкновенной волны спорадического E-слоя ионосферы foEs в течение 10-дневного периода подготовки девятнадцати коровых землетрясений в Тихоокеанском регионе с магнитудами М = 6.5–7.4 для пары станций, удалeнных на сотни километров друг от друга, но попадающих в зону подготовки конкретного землетрясения (оценка размеров зоны подготовки землетрясения проводится по известным в научной литературе формулам, связывающим размер радиуса зоны подготовки землетрясения и магнитуду землетрясения). Анализировались данные измерений, полученные на наземных станциях вертикального зондирования ионосферы. Для выделения возможных ионосферных предвестников землетрясений использовались отклонения от медианы за исследуемый промежуток времени суточных значений PEsPEs) и интегральные суточные значения величины суммарных нерегулярных изменений foEsfEsΣ). В ежесуточных изменениях указанных величин в течение периодов подготовки всех рассмотренных землетрясений было обнаружено совпадение времени появления максимумов отклонений обоих параметров перед землетрясениями на каждой из разнесенных станций в одни и те же сутки (в интервале от одних до четырех суток перед днем землетрясения). Обсуждается критерий идентификации краткосрочного ионосферного предвестника землетрясения. Сравнение результатов проведенного анализа для ручной и автоматической обработки ионограмм показало перспективность использования предложенных параметров, полученных по данным разнесенных ионозондов, для идентификации краткосрочных ионосферных предвестников землетрясений с М = 6.5–7.0.

1. ВВЕДЕНИЕ

Различные методы исследования верхней атмосферы и ионосферы обнаруживают согласующиеся между собой изменения в этих геосферах в период подготовки землетрясений разного класса (см. работы [Насыров , 1978; Липеровский и др., 1992; Руленко, 2000; Ondoh, 2000, 2009; Silina et al., 2001; Hobara and Parrot, 2002; Pulinets and Boyarchuk, 2004; Ouzounov and Freund, 2004; Korsunova and Khegai, 2006; Liu et al., 2006; Korsunova and Khegai, 2014; Бычков и др., 2017]). Эти изменения могут быть предвестниками готовящихся землетрясений, так как они соответствуют по месту и времени своего проявления известным предвестниковым эффектам в наземных геофизических полях (см. монографии [Сидорин, 1992; Пулинец и др., 2014]).

Среди возможных ионосферных предвестников землетрясений (ИПЗ) в последнее десятилетие достаточно хорошо изучены отклонения от медианных значений критической частоты регулярного слоя F2 (foF2), предельной частоты и частоты экранирования спорадического слоя Е (foEs, fbEs), а также его действующих высот (h'Es) в период подготовки сильных землетрясений с магнитудами М ≥ 6.0 (см., в частности, работы [Korsunova and Khegai, 2006, 2014; Perrone et al., 2010]). Изменения этих параметров, полученные по многолетним наблюдениям на наземных станциях вертикального зондирования ионосферы (НСВЗИ), позволяют судить о состоянии верхней (область F) и нижней (область Е) ионосферы перед землетрясениями.

В настоящее время большое развитие получили и другие методы исследования ионосферы: спутниковые in situ (см. работы [Parrot et al., 2006; Sarkar et al., 2007]) и GPS-измерения (см. статьи [Saroso et al., 2008; Xia et al., 2011]). Несомненным достоинством и преимуществом этих методов измерений является их глобальность и высочайшая дискретность по времени, позволившая уточнить пространственные масштабы готовящихся мощных землетрясений. С помощью этих методов можно получить достаточно полную информацию об изменениях в верхней ионосфере, тогда как сведений о состоянии нижней ионосферы значительно меньше. Именно поэтому измерения параметров спорадического слоя Е на НСВЗИ до сих пор актуальны.

Еще в 90-е годы прошлого века были отмечены существенные изменения в Еs перед сильными землетрясениями: увеличение вероятности его появления, рост частот и уменьшение полупрозрачности слоя, как это указано в исследованиях [Alimov et al., 1989; Липеровская и др., 1994; Ondoh, 2000]. В работе [Silina et al., 2001] на основе изучения 25 среднеазиатских землетрясений с магнитудами М ≥ 5.5 было показано, что за 1–2 сут до основного удара уменьшаются средние за ночь значения частоты экранирования, а за трое суток до толчка возрастает полупрозрачность слоя, которая падает к моменту землетрясения. Аналогичные результаты получены и для среднесуточных значений коэффициента полупрозрачности слоя Еs по данным измерений в Японии, как это указано в монографии [Пулинец и др., 2014]. Кроме того, детально изучены изменения не только частотных параметров Еs, но и его действующих высот, позволившие обнаружить значимые изменения этих параметров в период подготовки землетрясений с М ≥ 6.0 (см. работы [Korsunova and Khegai, 2006, 2014]).

Все эти результаты получены в эпигнозе и привязаны к датам уже состоявшихся событий. Неясно, как в реальном времени можно предсказать готовящееся землетрясение, опираясь на сведения о его ионосферных предвестниках, в том числе и на изменения в Еs. Значимые отклонения в ионосферных параметрах могут быть обусловлены какими-либо другими геофизическими процессами, не связанными с землетрясениями. Так, в работе [Perrone et al., 2010] показано, что примерно в 50% случаев существенные изменения ионосферных параметров, аналогичные предвестниковым эффектам, отмечались и в отсутствие землетрясений. Тем не менее, в спокойных геомагнитных условиях, эффективность обнаружения возможных ИПЗ согласно оценке Хансена–Койпера, или Rscore (Hanssen-Kuipers Score, True Skill Statistic, Pierce Skill Score, Rscore, см. статью [Chen et al., 2004]), как показано в работе [Korsunova and Khegai, 2015]) на массиве из 34 Камчатских землетрясений с М = 4.6–6.0, достаточно высока, так как Rscore = 0.82. Эта величина представляет собой разность между вероятностью обнаружения истинного предвестника землетрясения и вероятностью обнаружения “ложного” предвестника. Диапазон изменения этой величины лежит в интервале от –1 до 1, при этом последнее означает стопроцентную вероятность обнаружения истинного предвестника при отсутствии “ложных” тревог.

Еще одна неопределенность связана с предсказанием времени главного удара на основании данных о заблаговременности (времени упреждения) появления ионосферного предвестника землетрясения. Как показали исследования [Korsunova and Khegai, 2006; Корсунова и Хегай, 2018], ИПЗ могут быть как среднесрочными, так и краткосрочными – в полном соответствии с известными данными наземных измерений (см. работу [Зубков, 1987]). Поэтому необходимы критерии, позволяющие идентифицировать именно краткосрочные ионосферные предвестники землетрясений (КИПЗ), упреждающие момент землетрясения на часы-дни, что крайне важно для сейсмоопасных регионов. Именно такие критерии и были определены в исследовании [Корсунова и Хегай, 2018] в результате анализа данных многолетних наблюдений на цепочке НСВЗИ в Японии для 30 сильных землетрясений с магнитудами М ≥ 6.5.

Эти критерии были получены на основе анализа ежечасных изменений четырех ионосферных параметров: h'Es, foEs, fbEs, foF2 при одновременных измерениях на разнесенных НСВЗИ в период подготовки ряда землетрясений. Оказалось, что только для краткосрочных предвестников характерно а) появление максимальных отклонений во всех исследованных параметрах в одни и те же сутки; б) эти отклонения наблюдаются на станциях, находящихся в зоне подготовки конкретного землетрясения, но разнесенных друг от друга на несколько сотен километров. Однако при автоматической обработке ионограмм на современных цифровых ионозондах фиксируется лишь основное спорадическое образование, хотя в действительности могут существовать одновременно несколько слоев на разных высотах. При ручной обработке ионограмм выделяются все типы спорадических образований в области Е, в том числе и высокие слои, появляющиеся достаточно редко. Определение высоты h'Es спорадического слоя Е очень важно, так как по ее максимальным отклонениям находилось время упреждения ΔТh'Es момента землетрясения возможным краткосрочным ИПЗ в работе [Корсунова и Хегай, 2018]. С другой стороны, величина foEs фиксируется достаточно надежно при любом способе обработки ионограмм и всегда приводится в таблицах наблюдений, если в данный час суток существует спорадический слой E, поэтому на заданном временнóм интервале дней можно определить вероятность его появления PEsi в каждый конкретный день i (здесь индекс i является порядковым номером дня на выбранном непрерывном временнóм интервале дней). Заранее неизвестно, смогут ли какие-либо суточные характеристики, связанные с foEs и PEsi, удовлетворить критериям выделения краткосрочных ИПЗ. Для ответа на этот вопрос необходимо сравнить результаты выделения возможных краткосрочных ИПЗ на основе вводимых ежесуточных характеристик Es с выявленными ранее ИПЗ в работе [Корсунова и Хегай, 2018] по ежечасным измерениям всех параметров Еs для одних и тех же землетрясений.

Поэтому целью настоящего исследования является анализ изменений вводимых нами ежесуточных характеристик δPEs и Δ fEsΣ, определенных ниже, перед сильными землетрясениями с магнитудами М ≥ 6.5 по данным одновременных измерений на разнесенных НСВЗИ, удаленных друг от друга на несколько сотен километров и уже исследованных в работе [Корсунова и Хегай, 2018]. Такое рассмотрение позволит судить об эффективности использования этих характеристик Еs для идентификации краткосрочных ионосферных предвестников готовящихся землетрясений с точки зрения методики их выделения.

2. АНАЛИЗ ДАННЫХ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Рассмотрены данные измерений предельной частоты отражения от слоя Еs, полученные при ручной и автоматической обработках ионограмм на нескольких разнесенных НСВЗИ, входящих в зону подготовки того или иного землетрясения. Использованы результаты наблюдений на четырех станциях: WAKKANAI (географические координаты φ = 45.2° N, λ = 141.8° E), KOKUBUNJI (географические координаты φ = 35.7° N, λ = = 139.5° E), AKITA (географические координаты φ = 39.7° N, λ = 140.1° E), YAMAGAWA (географические координаты φ = 31.2° N, λ = 130.5° E) за 1972–2004 гг. Всего рассмотрено 19 землетрясений с магнитудами М = 6.5–7.4 из той группы, для которых ранее в работе [Корсунова и Хегай, 2018] были выделены возможные краткосрочные ИПЗ по ежечасным измерениям четырех ионосферных параметров: h'Es, foEs, fbEs, foF2.

Обязательным условием отбора землетрясений в работе [Корсунова и Хегай, 2018] было отсутствие в течение подготовительного периода сильных геомагнитных возмущений, когда планетарный индекс Kp ≤ 30. При этом ежечасные ионосферные данные анализировались за 4-дневный подготовительный период, включая день землетрясения. В данной работе для выделения возможных предвестников землетрясений апробируется использование интегральных суточных характеристик Es. Поэтому с учетом спорадичности появления Es возникла необходимость увеличения продолжительности анализируемых периодов подготовки землетрясений до 10 сут. На таком увеличенном временнóм интервале очень часто наблюдаются значительные геомагнитные возмущения, поэтому нами были отобраны те землетрясения, для которых на большей части времени подготовительного периода отсутствовали геомагнитные возмущения с Kp ≥ 40. Таких землетрясений с М = 6.5–7.4 оказалось 20.

Исходя из критерия идентификации КИПЗ, характеризующегося одновременным появлением аномальных отклонений в ионосферных параметрах на разнесенных (на сотни километров) НСВЗИ, входящих в зону подготовки конкретного землетрясения, необходимо было подобрать такие станции для каждого землетрясения.

Наиболее известной и устоявшейся оценкой радиуса зоны подготовки землетрясения на поверхности Земли относительно его эпицентра (в зависимости от магнитуды M) является теоретическая оценка, сделанная в работе [Dobrovolsky et al., 1979]. Согласно ей, этот радиус (ρD, км) определяется выражением ρD = 100.43M и при выводе ее предполагается стремление к нулю глубины гипоцентра землетрясения. Но, как указано в монографии [Сидорин, 1992], во-первых, анализ экспериментальных данных показывает, что имеется весьма большое количество примеров наблюдения предвестников землетрясений на значительно большем удалении от эпицентров землетрясений. Во-вторых, существенно лучшие результаты дает оценка размеров зон проявления предвестников землетрясений в твердой Земле, полученная им с коллегами на основании анализа экпериментальных данных о деформационных предвестниках землетрясений при том же самом пороговом уровне их обнаружения, что и в работе [Dobrovolsky et al., 1979]. Согласно ей, радиус зоны проявления возможных предвестников землетрясения (ρS, км), может быть представлен формулой ρS = 100.48M. При этом такая зависимость значительно лучше, чем другие, согласуется с экспериментальными данными, относящимися к северо-западной части Тихоокеанского сейсмического пояса. Именно землетрясения этого региона изучаются и в нашей работе. К тому же оказывается (см. монографию [Апродов, 2000]), что чем глубже расположен очаг землетрясения, тем большую территорию охватывают сейсмические проявления при равной энергии землетрясения.

Таким образом, нами в качестве основного критерия отбора землетрясений для анализа было принято условие Re≤ ρS (здесь Re – расстояния от эпицентров до НСВЗИ по дуге большого круга, в км). Далее, известно, что все станции, кроме ст. AKITA, удалены друг от друга на расстояния, превышаюшие 900 км, так что для части отобранных землетрясений Re > ρD. Наблюдения на ст. AKITA были прекращены в 1993 г., поэтому для землетрясений после этого года в зоне подготовки по Добровольскому (Re ≤ ρD) чаще всего оказывалась одна станция, другие – за ее пределами. Поэтому для каждого из отобранных землетрясений ионосферные данные анализировались для двух разнесенных станций с наиболее близкими эпицентральными расстояниями, по крайней мере, одна из которых находилась в зоне подготовки конкретного землетрясения и по Добровольскому. В результате из двадцати землетрясений одно было исключено, так как обе станции оказались вне зоны подготовки землетрясения по Добровольскому.

Выявление предвестниковых эффектов в ионосфере производится обычно на основе анализа отклонений тех или иных параметров от медианных или средних значений для определенного промежутка времени. В данном случае рассматривались отклонения от медиан двух параметров PEs и foEs в течение 10 дней до каждого землетрясения плюс день самого землетрясения для отобранных пар НСВЗИ, входящих в зону подготовки того или иного землетрясения. На первом этапе по табличным данным ежечасных измерений foEs вычислялись PEsi = NEsi/ni, где NEsi – число появлений Es в конкретные сутки, ni – число реально проведенных сеансов измерений в эти же сутки, при этом 1 ≤ ni ≤ 24, а i ∈ [–10, 0]. Для сопоставления данных разных станций, где геофизические условия образования Es могут различаться, вычислялись отклонения реальных PEsi от их медианных значений за одиннадцатидневный период: δPEsi = PEsiPEsmed для каждого землетрясения.

Алгоритм вычисления отклонений в foEs отличается от описанного выше, т.к. необходимо было исключить зависимость foEs от местного времени при дальнейшем рассмотрении данных разных станций. Поэтому сначала для каждого часа суток (индекс j) находилась медиана распределения fmedEsj для исследуемого периода времени в 11 сут, а затем – отклонения от нее конкретных ежечасных значений: Δj   fEs = foEsjfomedEsj (индекс j ∈[0, 23]), если для данного часа конкретных суток имеется значение foEsj и fomedEsj. В случае, когда значение foEsj и/или fomedEsj отсутствует для заданного часа суток, Δj   fEs остается неопределенной, и эта разность не учитывалась при определении суммарного (интегрального) взвешенного суточного отклонения. Далее, для каждого дня вычислялись средневзвешенные суммарные (интегральные) суточные отклонения Δ fEsΣ, по формуле

(2)
$\Delta {\kern 1pt} fE{{s}_{\Sigma }} = {{\left[ {{{\Delta }_{1}}fEs + {{\Delta }_{2}}fEs + \ldots + {{\Delta }_{{23}}}fEs} \right]} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left[ {{{\Delta }_{1}}fEs + {{\Delta }_{2}}fEs + \ldots + {{\Delta }_{{23}}}fEs} \right]} {{{n}_{i}},}}} \right. \kern-0em} {{{n}_{i}},}}$
где ni – число учтенных значений Δj   fEs в каждых конкретных сутках i.

Пример изменений указанных величин δPEsi (в процентах) и Δ fEsΣ приведен на рис. 1 для землетрясения 31.10.2003 г. с М = 7.0. Каждая точка на графиках соответствует значению параметра в конкретные сутки, отсчитываемые от дня землетрясения (0 день) по японскому стандартному времени JST = UT + 9 ч. Стрелкой показан день землетрясения, зачерненным эллипсом отмечены максимумы в изменениях отклонений рассматриваемых параметров, которые наблюдаются в одни и те же сутки для обоих параметров на двух разнесенных НСВЗИ.

Рис. 1.

Изменения суточных параметров δРЕs (левая ось ординат, сплошные линии) и Δ fEsΣ (правая ось ординат, штрихпунктирные линии) на временнóм интервале в одиннадцать суток, включая день землетрясения 31.10.2003 г. с магнитудой М = 7.0, на НСВЗИ KOKUBUNJI (Re ≈ 360 км, верхняя панель) и YAMAGAWA (Re ≈ 1300 км, нижняя панель). День землетрясения отмечен вертикальной линией со стрелкой. Вероятные КИПЗ отмечены заштрихованными эллипсами.

Как следует из рисунка, максимальные отклонения в параметрах δPEs и Δ fEsΣ наблюдаются накануне землетрясения и в середине исследуемого подготовительного периода, но различаются по своей продолжительности. Анализ ежечасных изменений ионосферных параметров, проведенный в работе [Корсунова и Хегай, 2018] показал, что эффекты, связанные с подготовкой землетрясения, длятся 2–3 ч и появляются в течение одних суток. Поэтому только один максимум на рис. 1 продолжительностью в одни сутки может быть связан с подготовкой землетрясения. Именно день его появления определяет время упреждения им момента землетрясения, обозначенное нами здесь (и далее везде) как ΔTδPEs. Максимумы в изменениях суточных характеристик Es продолжительностью более одних суток обусловлены другими геофизическими факторами, связанными с природой образования среднеширотного спорадического слоя Е, и могут превышать предвестниковые эффекты. Поэтому абсолютная величина отклонений в характеристиках Еs в максимумах накануне землетрясения не может служить критерием выделения краткосрочного ионосферного предвестника. Им является совпадение времен появления максимумов в обоих параметрах δPEs и ΔfEsΣ на двух пунктах наблюдения, удаленных друг от друга на несколько сотен километров в соответствии с критериями, предложенными в работе [Корсунова и Хегай, 2018].

В приведенной ниже табл. 1 представлены характеристики всех 19 рассмотренных землетрясений (магнитуды М, радиусы зон подготовки ρD по Добровольскому [Dobrovolsky et al., 1979] и ρS по Сидорину [Сидорин, 1992] в км, расстояния от эпицентров до НСВЗИ Re в км. Нижний индекс “+” у чисел в колонке для Re отмечает случаи, когда Re > ρD), а также времена упреждения выделенными ИПЗ дня землетрясения (ΔTδPEs, сут). Для сравнения там же приведены времена упреждения (ΔTh'Es, сут), полученные ранее для тех же землетрясений по ежечасным отклонениям действующей высоты h'Еs из работы [Корсунова и Хегай, 2018]. Видно, что времена упреждения, определенные двумя методами, совпадают с точностью до суток для большинства землетрясений с М = 6.5–7.0. Заблаговременность появления краткосрочного предвестника (время упреждения!) для землетрясений с М < 7.2 в основном не превышает 1 сут, но возрастает для более сильных землетрясений. Кроме того, для землетрясений с М > 7.2 по рассмотренным суточным характеристикам спорадического слоя Е обнаруживаются более ранние появления ИПЗ по сравнению с полученными по ежечасным изменениям четырех ионосферных параметров h'Es, foEs, fbEs, foF2. Также можно отметить, что иногда эффекты подготовки землетрясений (увеличение δPEs и ΔfEsΣ) выявляются и на НСВЗИ, отстоящих от эпицентров на расстояния, превышающие радиус зоны подготовки землетрясения по Добровольскому.

Таблица 1.  

Параметры рассмотренных землетрясений и соответствующие им времена упреждений ΔTδPEs и ΔTh'Es возможных ионосферных предвестников землетрясений, появляющихся на выбранных парах НСВЗИ

M Дата и время землетрясения Географ. координаты эпицентра НСВЗИ Эпицентр. расстояние Re от НСВЗИ, км ρD,
км
ρS,
км
ΔTδPEs,
сут
ΔTh'Es,
сут
6.5 14.01.1978 г.
03:25 UT
34.81° N
139.26° E
KOK
AKI
100
550
620
620
1320
1320
1.0 1.0
6.5 29.05.2004 г.
20:56 UT
34.25° N
141.41° E
KOK
WAK
240
1240+
620
620
1320
1320
1.0 0.6
6.6 07.02.1993 г.
13:28 UT
37.63° N
137.24° E
KOK
AKI
290
340
690
690
1470
1470
1.0 0.5
6.6 23.10.2004 г.
08:56 UT
37.23° N
138.78° E
KOK
WAK
180    920+ 690
690
1470
1470
2.0 1.2
6.7 16.02.1996 г.
15:21 UT
37.35° N
142.38° E
KOK
WAK
320
   900+
760
760
1640
1640
1.0 1.0
6.7 08.10.2003 г.
09:07 UT
42.65° N
144.57° E
KOK
WAK
   890+
360
760
760
1640
1640
1.0 1.1
6.8 06.12.2004 г.
14:15 UT
42.9° N
145.25° E
KOK
WAK
   940+
380
840
840
1840
1840
1.0 1.3
6.8 16.08.2005 г.
02:46 UT
38.24° N
142.03° E
KOK
WAK
360
770
840
840
1840
1840
1.0 1.0
6.9 10.06.1975 г.
13:47 UT
43.03° N
147.73° E
AKI
WAK
740
550
930
930
2050
2050
1.0 1.2
6.9 18.07.1992 г.
08:37 UT
39.42° N
143.33° E
AKI
WAK
280
680
930
930
2050
2050
2.0 1.5
7.0 06.01.1995 г.
22:38 UT
40.25° N
142.18° E
KOK
WAK
560
570
1020
1020
2290
2290
1.0 1.0
7.0 31.10.2003 г.
01:06 UT
37.8° N
142.62° E
KOK
YAM
360
1320+
1020
1020
2290
2290
1.0 1.2
7.0 28.11.2004 г.
18:32 UT
43.0° N
145.12° E
KOK
WAK
940
360
1020
1020
2290
2290
1.0 0.7
7.1 29.02.1972 г.
09:23 UT
33.13° N
140.8° E
KOK
AKI
310
740
1130
1130
2560
2560
1.0 1.0
7.1 18.10.1975 г.
10:37 UT
27.93° N
130.18° E
YAM
KOK
370
1230+
1130
1130
2560
2560
2.0 1.0
7.3 01.11.1989 г.
18:26 UT
39.84° N
142.7° E
KOK
AKI
540
230
1380
1380
3190
3190
4.0 1.4
7.3 25.09.2003 г.
21:08 UT
41.8° N
143.6° E
KOK
WAK
760
400
1380
1380
3190
3190
2.0 1.5
7.4 23.03.1978 г.
03:15 UT
44.0° N
148.0° E
WAK
AKI
520
810
1520
1520
3560
3560
4.0 2.2
7.4 05.09.2004 г.
14:57 UT
33.2° N
137.1° E
KOK
YAM
360
650
1520
1520
3560
3560
3.0 1.5

Примечание: Нижний индекс “+” у чисел в колонке для Re отмечает случаи, когда Re > ρD.

Проведенный выше анализ базируется на многолетних данных ручной обработки ионограмм в соответствии с Международной инструкцией [Руководство …, 1977]. Однако в настоящее время большинство НСВЗИ оснащено цифровыми ионозондами с автоматической обработкой ионограмм, при которой часто фиксируется лишь один параметр спорадического слоя EfoEs.

Необходимо сравнить два способа обработки ионограмм (ручной и автоматический), чтобы убедиться в адекватности результатов выделения ИПЗ по их данным. С этой целью нами были рассмотрены данные измерений Es, обработанные двумя способами, на ст. KOKUBUNJI (Re = 250 км) и WAKKANAI (Re = 770 км) в период подготовки землетрясения 22.11.2016 г. с М = 6.9, произошедшего в спокойных геомагнитных условиях. Здесь Re – расстояние от эпицентра землетрясения до соответствующей НСВЗИ.

В соответствии с методикой, изложенной выше, для периода в 10 сут, предшествующих толчку, плюс день землетрясения, рассчитывались параметры δРЕs и Δ fEsΣ. Полученные результаты представлены на рис. 2, из которого следует, что изменения каждого из параметров по данным ручной и автоматической обработки ионограмм за рассматриваемый период времени подобны, хотя величины их различаются. Можно отметить совпадение времени появления максимумов в ежесуточных изменениях обоих параметров накануне землетрясения, что характерно для землетрясений с М = 6.8–7.0 (см. табл. 1). Эти максимумы наблюдаются в одни и те же сутки на станциях, удаленных друг от друга на ~500 км, а это является признаком появления КИПЗ согласно работе [Корсунова и Хегай, 2018].

Рис. 2.

Изменения суточных параметров δРЕs и Δ fEsΣ на временнóм интервале в одиннадцать суток, включая день землетрясения 22.11.2016 г. с магнитудой М = 6.9, на НСВЗИ KOKUBUNJI (Re ≈ 250 км, верхние панели) и WAKKANAI (Re ≈ 770 км, нижние панели). Сплошные линии соответствуют величинам, полученным в результате ручной обработки соответствующих ионограмм, а штрихпунктирныe – автоматической. День землетрясения отмечен вертикальной линией со стрелкой. Вероятные КИПЗ отмечены заштрихованными эллипсами.

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Cравнительный анализ данных ручной и автоматической обработки ионограмм НСВЗИ показал, что имеются некоторые различия в поведении интегральных суточных параметров Еs, особенно заметные накануне землетрясения. Эти различия обусловлены тем, что при ручной обработке ионограмм фиксируются все (даже слабые) отражения от Еs, а при автоматической обработке – наиболее интенсивные спорадические образования. Так как перед землетрясением возрастает общее число появлений Еs, как отмечалось в работе [Blaunstein and Hayakawa, 2009], то δРЕsручн ≥ ≥ δРЕsавт. Следует отметить, что максимум δРЕs накануне землетрясения на НСВЗИ WAKKANAI (см. рис. 2), наблюдаемый при автоматической обработке данных, выражен очень слабо, хотя по времени своего появления он совпадает с максимумом δРЕs, наблюдаемым при ручной обработке данных. Возможно, это связано с тем, что НСВЗИ WAKKANAI находится вблизи границы зоны подготовки данного землетрясения. Следовательно, наиболее полные сведения об изменениях в Еs в период подготовки землетрясений можно получить лишь при ручной обработке ионограмм НСВЗИ. Тем не менее, на заключительной фазе подготовки сильных землетрясений с М ≥ 7.0 (см. рис. 1), характеризующейся появлением интенсивных спорадических образований, автоматическая обработка данных ионосферных измерений позволяет выделять возможные краткосрочные предвестники готовящегося сейсмического события. Кроме того, для более корректного выделения КИПЗ по данным разнесенных НСВЗИ желательно, чтобы расстояние между станциями по широте не превышало 5°, т.е. станции находились бы в одной и той же широтной зоне, где геофизические условия образования Еs близки (см., например, рис. 1, разд. 2). В этом случае ежесуточные характеристики δРЕs и Δ fEsΣ, полученные по измерениям на цифровых ионозондах, наиболее полно отражают изменения в Еs, присущие КИПЗ. Полученные результаты позволяют считать измерения цифровыми ионозондами ионосферных характеристик важным дополнением к комплексным многопараметрическим наблюдениям нижней ионосферы, особенно в сейсмоактивных регионах.

Анализ изменений в параметрах Еs перед всеми рассмотренными землетрясениями (см. табл. 1) показывает, что ежесуточные характеристики δРЕs и ΔfEsΣ возрастают накануне землетрясений с магнитудами 6.5 ≤ М ≤ 7.2 (см., например, рис. 1). Этот рост характеризуется появлением положительного экстремума в поведении δРЕs за день до толчка, совпадающего с локальным максимумом ΔfEsΣ. Следует отметить, что увеличение δРЕs накануне землетрясения на широтах 35°–45° N составляет ~10–20% для магнитуд М = 6.8–7.4, а отклонения ΔfEsΣ достигают 0.6–0.8 МГц, что составляет ≈15–20% от среднесуточных медианных значений foEs за рассматриваемый период времени. Подчеркнем, что максимумы δРЕs и ΔfEsΣ перед землетрясениями отмечаются в одни и те же сутки на двух НСВЗИ, удаленных друг от друга на сотни километров. Этот факт соответствует критерию идентификации КИПЗ готовящегося сильного землетрясения, который основывается на появлении аномальных изменений ионосферных параметров в одни и те же сутки, на НСВЗИ, разнесенных на сотни километров, согласно выводам Корсуновой и Хегай [2018]. Следовательно, ежесуточные характеристики δРЕs и ΔfEsΣ можно отнести к группе ранее изученных параметров h'Es, foEs и fbEs, используемых для идентификации краткосрочных ионосферных предвестников в Е-области ионосферы.

Более того, анализ данных ионозондов дальневосточных НСВЗИ Магадан (Re ≈ 800 км) и Хабаровск (Re ≈ 1500 км) перед Камчатским землетрясением 30.01.2016 г. с М = 7.2 позволил обнаружить появление максимумов вероятности PEs в одни и те же сутки накануне землетрясения на обеих станциях, отстоящих от эпицентра землетрясения более чем на 700 км. Увеличение PEs составляло ~20%, что соответствует данным, полученным для японских НСВЗИ в том же Тихоокеанском регионе (см. выше).

Отметим также, что близость времен упреждения моментов землетрясений ΔTδPEs и ΔTh'Es накануне главного удара (см. табл. 1), свидетельствует о том, что максимумы δРЕs и h'Es наблюдаются в одни и те же сутки. Можно предположить, что появление большего количества спорадических слоев в течение суток перед землетрясением происходит и на высотах, превышающих обычные уровни образования Еs на средних широтах. Так, образование высоколежащих слоев Еs перед землетрясением по сравнению с обычными условиями согласуется с выводами теоретических расчетов в работах [Ким и др., 1993; Xu et al., 2020]. Из этих работ следует, что высоколежащие спорадические слои на средних широтах могут образовываться в результате проникновения в ионосферу сейсмогенного электрического поля.

4. ВЫВОДЫ

Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы.

1. Ежесуточные характеристики δРЕs и Δ fEsΣ, полученные по данным одновременных измерений на двух НСВЗИ, разнесенных на сотни километров друг от друга, позволяют выделить возможные КИПЗ готовящегося землетрясения. Полученные в работе времена упреждения ими моментов землетрясений близки к определенным ранее временам упреждения для тех же землетрясений по ежечасно измеряемым параметрам h'Es, foEs, fbEs и составляют примерно сутки для землетрясений с магнитудами М = 6.5–7.2. При этом воможные КИПЗ иногда наблюдаютcя вне зоны подготовки землетрясения, если ее размеры определены по Добровольскому.

2. Данные автоматической обработки ионограмм современными цифровыми ионозондами менее полно отражают состояние спорадических образований в Е-области ионосферы в период подготовки землетрясений, фиксируя лишь наиболее интенсивные слои. Тем не менее, они все же позволяют идентифицировать КИПЗ по максимумам изменений характеристик δРЕs и ΔfEsΣ.

Список литературы

  1. Апродов В.А. Зоны землетрясений. М.: Мысль, 461 с. 2000.

  2. Бычков В.В., Корсунова Л.П., Смирнов С.Э., Хегай В.В. Аномалии в ионосфере и электричестве приземного слоя атмосферы перед Камчатским землетрясением 30.01.2016 г. по данным обсерватории “ПАРАТУНКА” // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 57. № 4. С. 532–540. 2017.

  3. – Зубков С.И. Времена возникновения предвестников землетрясений // Изв. АН СССР. Физика Земли. № 5. С. 87–91. 1987.

  4. Ким В.П., Хегай В.В., Иллич-Свитыч П.В. О возможности образования слоя ионов металлов в Е-области ночной среднеширотной ионосферы перед сильными землетрясениями // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 33. № 5. С. 114–119. 1993.

  5. Корсунова Л.П., Хегай В.В. Возможные краткосрочные предвестники сильных коровых землетрясений в Японии по данным наземных станций вертикального зондирования ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 58. № 1. С. 94–101. 2018.

  6. Липеровская Е.В., Похотелов О.А., Олейник М.А., Алимов О.А., Павлова С.С., Хакимова М. Некоторые эффекты в спорадическом слое E-ионосферы перед землетрясением // Физика Земли. № 11. С. 86–88. 1994.

  7. Липеровский В.А., Похотелов О.А., Шалимов С.Л. Ионосферные предвестники землетрясений. М.: Наука, 303 с. 1992.

  8. Насыров Г.А. О связи эмиссий ночного неба с сейсмической активностью // Изв. АН Туркм. ССР, сер. физ.-техн., хим. геол. наук. № 2. С. 119–122. 1978.

  9. Пулинец С.А., Узунов Д.П., Давиденко Д.В., Дудкин С.А., Цадиковский Е.И. Прогноз землетрясений возможен?! М.: Тровант, 144 с. 2014.

  10. Руководство URSI по интерпретации и обработке ионограмм. М.: Наука, 343 с. 1977.

  11. Руленко О.П. Оперативные предвестники землетрясений в электричестве приземной атмосферы // Вулканология и сейсмология. № 4. С. 57–68. 2000.

  12. Сидорин А.Я. Предвестники землетрясений. М.: Наука, 192 с. 1992.

  13. – Alimov O.A., Roubtsov L.N., Gokhberg M.B., Lipe-rovskaia E.V., Gufeld I.L., Liperovsky V.A. Anomalous characteristics of the middle latitude Es layer before earthquakes // Phys. Earth Planet. In. T. 57. № 1–2. C. 76–81. 1989.

  14. – Blaunstein N., Hayakawa M. Short-term ionospheric precursors of earthquake using vertical and oblique ionosondes. V. 34. Iss. 6–7. P. 496–507. 2009.

  15. Chen Y.-I., Liu J.-Y., Tsai Y.-B., Chen C.-S. Statistical tests for pre-earthquake ionospheric anomaly // Terr. Atmos. Ocean. Sci. J. V. 15. № 3. P. 385–396. 2004.

  16. Dobrovolsky I.P., Zubkov S.I., Miachkin V.I. Estimation of the size of earthquake preparation zones // Pure Appl. Geophys. V. 117. Iss. 5. P. 1025–1044. 1979.

  17. – Hobara Y., Parrot M. Ionospheric perturbation in association with seismic activity. A statistical study // XXVIIth General Assembly of the International Union of Radio Science. Commission E URSI GA 2002 – Oral and Poster Sessions. EGH P.10 (570). Maastricht, the Netherlands, 17–24 August 2002. www.ursi.org/Proceedings/ProcGA02/papers/p0570.pdf. 2002.

  18. Korsunova L.P., Khegai V.V. Medium-term ionospheric precursors to strong earthquakes // Int. J. Geomagn. Aeron. V. 6. Iss. 3. GI3005. 2006. https://doi.org/10.1029/2005GI000122

  19. Korsunova L.P., Hegai V.V. Ionospheric precursors of crustal earthquakes in the northwestern part of the Asia-Pacific seismic belt // The J. Open Transactions on Geosciences (GEOS). V. 1. № 1. P. 25–33. 2014.

  20. Korsunova L.P., Hegai V.V. Effectiveness criteria for methods of identifying ionospheric earthquake precursors by parameters of a sporadic E-layer and regular F2-layer // J. Astronomy and Space Sciences. V. 32. № 2. P. 137–140. 2015. https://doi.org/10.5140/JASS.2015.32.2.137

  21. Liu J.Y., Chen Y.I., Chuo Y.J., Chen C.S. A statistical investigation of pre-earthquake ionospheric anomaly // J. Geophys. Res. V. 111. A05304. 2006. https://doi.org/10.1029/2005JA011333

  22. Ondoh T. Seismo-ionospheric phenomena // Adv. Space Res. V. 26. Iss. 8. P. 1267–1272. 2000.

  23. Ondoh T. Investigation of precursory phenomena in the ionosphere, atmosphere and groundwater before large earthquakes of M > 6.5 // Adv. Space Res. V. 43. № 2. P. 214–223. 2009.

  24. Ouzounov D., Freund F.T. Mid-infrared emission prior to strong earthquakes analyzed by remote sensing data // Adv. Space Res. V. 33. Iss. 3. P. 268–273. 2004.

  25. Parrot M., Berthelier J.J., Lebreton J.P., Sauvaud J.A., Santoli′k O., Blecki J. Examples of unusual ionospheric observations made by the DEMETER satellite over seismic regions // Phys. Chem. Earth. Parts A/B/C. V. 31. № 4. P. 486–495. 2006. https://doi.org/10.1016/j.pce.2006.02.011

  26. Perrone L., Korsunova L.P., Mikhailov A.V. Ionospheric precursors for crustal earthquakes in Italy // Ann. Geophysicae. V. 28. № 4. P. 941–950. 2010.

  27. Pulinets S.A., Boyarchuk K.A. Ionospheric precursors of earthquakes. Berlin: Springer, 315 p. 2004.

  28. Sarkar S., Gwal A.K., Parrot M. Ionospheric variations observed by the DEMETER satellite in the mid-latitude region during strong earthquakes // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 69. № 13. P. 1524–1540. 2007.

  29. Saroso S., Liu J.Y., Hattori K., Chen C.H. Ionospheric GPS TEC anomalies and M ≥ 5.9 earthquakes in Indonesia during 1993–2002 // Terr. Atmos. Ocean. Sci. V. 19. № 5. P. 481–488. 2008. https://doi.org/10.3319/TAO.2008.19.5.481(T)

  30. Silina A.S., Liperovskaya E.V., Liperovsky V.A., Meister C.V. Ionospheric phenomena before strong earthquakes // Nat. Hazards Earth Syst. Sci. V. 1. № 3. P. 113–118. 2001.

  31. Xia C., Yang S., Xu G., Zhao B., Yu T. Ionospheric anomalies observed by GPS TEC prior to the Qinghai Tibet region earthquakes // Terr. Atmos. Ocean. Sci. V. 22. № 2. P. 177–185. 2011. https://doi.org/10.3319/TAO.2010.08.13.01(TibXS)

  32. – Xu T., Hu Y., Deng Z., Zhang Y., Wu J. Revisit to sporadic E layer response to presumably seismogenic electrostatic fields at middle latitudes by model simulation // J. Geophys. Res. – Space. V. 125. e2019JA026843. 2020. https://doi.org/10.1029/2019JA026843

Дополнительные материалы отсутствуют.