ОНЧ излучения и возмущения космической плазмы связанные с землетрясениями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

'pre ' од

1 И H.VJ '.roq •

' ....... МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах руксйшси УДК 650.388, 650.34 МАЖАЕВА Ольга Алексеевна

ОНЧ ИЗЛУЧЕНИЯ И ВОЗМУЩЕНИЯ КОСМИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ СВЯЗАННЫЕ С ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯМИ

Специальность 01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Долгопрудный - 1993

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени ймзико-техническом институте

Научный руководитель: доктор ©юнко-математических наук О.А.Молчанов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, Ю.И.Гальперин доктор физико-математических наук Д.С.Лукин

Еедущая организация: ИЗМИРАН, г.Троицк Московской обл.

Защита состоится "28« 05" 1993 г. в № часов на заседании Специализированного Совета К.063.91.02 Московского физико-технического института по адресу: г.Долгопрудный Московской облает.., Институтский пер., 9, МФТИ, ауд._

С диссертацией мояно ознакомиться в библиотеке Московского физико-технического института.

Автореферат разослан 1993 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета С.М.Коршунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теки. Одним из наиболее важных достижений • > современной сейсмологии стало признание того факта, что землетрясения, особенно мелкие, порождаются разломами земной коры. Действие сейсмического источника основано на аккумуляции энергии упругих напряжений и их мгновенном превращении в кинетическую энергию . Наземные наблюдения в сейсмических районах, а также лабораторные эксперименты по разрушению горных пород доказали существование физических процессов, приводящих к появлении электромагнитных излучений во время подготовки землетрясений Среди возможных

механизмов излучения электромагнитных импульсов при трещинообразовании рассматривается дипольное излучение трещин. Предполагается, что в процессе раскрытия4 трещины происходит перераспределение ' заряда, в результате чего противоположные вершины трещины "тановятся заряженными с противоположном знаками. Среди предполагаемых механизмов ' генерации электромагнитных излучений называет также пьезоэлектрические, трибоэлектрические и пьезомагнитные процессы, а также, механизм электрофильтрации, предполагающий наличие циркулирующих потоков воды в системе трещин и взаимосвязанных пор внутри горного источника.многообразие . явлений, .наблюдающихся перед сейсмическими событиями (подземные толчки малой силы, деформация земной поверхности, Изменение уровня боли в водоемах, свечение атмосферы и др.), приводят к выводу, что не существует единого для всех землетрясезшй механизма, их вызывающего.

Интенсивное развитее методов электромагнитных измерений Ь последшш 30 лет значительно расширило область поиска оперативных предвестников землетрясений. Активные экспершэн-ты по воздействии на плазму, а также пассивные спутниковые, измерения значительно расширили наши знания о физических ' процессах в ионосфере и мзгмг эсфоро Земли, в том числе об элекгромагнитшх явлениях в околоземной плазме, связанных с сейсмикой. Исследовение состояния ионосферы в периоды сейстлт-

ческой активности осуществляется с использованием богатого арсенала методик: вертикальное высокочастотное и низкочастотное зондирование, метод доплеровского сдвиге, фотометрические наблюдет»! и др. Среди эффектов, сопровождающих подготовку землетрясения наиболее часто наблюдаются отклонения критических частот К>-слоя (Д/0?2) от средних значений, увеличение электронной плотности в £2-слое, возникновение спорадических • Е1 слоев, диффузность в Б-слое, появление неоднородностей в нижней ионосфере. Однако^ станции ионосферного зондирования, как правило, находятся в далеке от районов сейсмической активности. Поэтому, расстояния между очагами землетрясений и районами наблюдения этих эффектов обычно достаточно большие и необходимы дополнительные эксперименты для подтвеадения достоверности сёйсмогашой природы наблюдаемых явлений. Кроме того, метод вертикального зондирования дает информацию о локальных параметрах ионосферы, связанных с землетрясением лишь временным фактором.

В начале 80-х годов по наблюдениям на искусственных спутниках Земли были обнаружены аномальные увеличения интенсивности низкочастотных излучений [/<100 кГц] на низшие и средних широтах над районами подготовки землетрясений Излучения обычно наблюдаются за несколько часов или суток да • момента главного толчка землетрясения и пороз несколько часов или суток поело иого. Учитывая, что подобные возмущошш в этих областях верхней ноносфори ' и мопштосфори в ыагштоспокойшо периода обычно но наблюдаются, на основе статистического аиалиэо спутнншшх дшпшх било сделано продпбжшнио о сойсмогошюм характере этих эффектов.

Преимущество метода спутниковых измор-зшт, состоит в том, что измерения носят глобальный характер 'л дают возможность одновременно исследовать эффекты, названные несколькими сейсмическими событиями. Он также даеТ возможность" оцешть масштаб области еойсьюшашх возмущений в ворхноа ионосфере. Кроме того, он Т;оо2йлао? проводить систематические «наблюдения и, следовательно, статистический ензяиз дашнвх, -на основе •которого шено показать связь ыеаду сейсмичоонш активность» ■и зшШшдаэмыми электромагнитными эффектами.

Цель работы состояла в изучении детальных ' характеристик электромагнитных излучений сейсмогенного происхождения в верхней ионосфере и магнитосфере Земли по данным, получегашм на спутнике "Интеркосмос-24" и построешю теоретической модели сейсмогенчых процессов в околоземной плазме. Особое внимание уделено изучению условий генерации электромагнитных волн очень низкой частоты (ОНЧ) энергичными частицами внутреннего радиационного пояса под воздействием электромагнитных альвековских волн, проникающих с Земли,' и количественной оценке полученных эффектов.

Научная новизна работы. Впервые показано, что электромагнитные излучения сейсмогенного происхоздения могут быть зарегистрированы не только над районами подготовки землетрясений, но и в достаточно удаленных по долготе точках, которые по шроте близки к широте землетрясения. Указано на различие частотного диапазона сейсмогенных излучений над зонами землетрясений и в удалении точках. Показано, что вероятность наблюдения электромагнитных излучений, предшествующих моменту главного толчка, выше, чем вероятность наблюдения всплесков излучения после него.

Построена модель взаимодействия косых УНЧ (ГОООО Гц) альвеновских волн от сейсмического источника с энергичными частицами околоземной плазмы и их переизлучения нестабильными группами частиц в ОНЧ диапазоне (1 = 1 кГц + 100 кГц), что указывает на вторичность наблюдаемых в верхней ионосфере и магнитосфере и на земной поверхности ОНЧ излучений в связи с землетрясениями. Сделаны числешше оценки, подтверждающие принципиальную возможность возникновения рассматриваемых, процессов в околоземной плазме, как следствия сейсмической, активности.

Основные 'положения, выносимые на защиту:

1. Статистические характеристики сейсмогенных электро- • магнитных излучений в околоземной плазме.

2. Временная связь наблюдаемых предвестников сейсми-

ческой активности с моментами главного толчка землетрясения.

3. Зона регистрацию! сейсмоэлектромагнитных излучений в околоземной плазме. >

4. Различие частотных диапазонов сейсмогенных излучений в зависимости от удаленности зоны регистрации от района подготовки землетрясения.

5. Теоретическая модель трансформации УНЧ (КЮОО Гц) альвеновских волн от сейсмического источника в более, высокочастотные ОНЧ (¿ООО кГц) свистовые волны в магнитосферной плазме при двойном резонансном взаимодействии с энергичными частицами внутреннего радиационного пояса Земли.

6. Частотный диапазон вторичных ОНЧ излучений, воз- . букдаемых в силовой трубке над очагами землетрясений.

7. Порог возбуждения ОНЧ сви-товых волн и оценка силы землетрясения, которое может вызвать возбуждение электромагнитных излучений в околоземной плазме.

■О. Амплитуднные характеристики электромагнитных полей, возбуждаемых в силовой трубке над очагами землетрясений.

Научная и практическая значимость. Научные результаты, собранные в диссертации, отражают реальные физические аспекты проблемы литосферно-магнктосферного взаимодействия применительно к вопросу о наблюдении электромагнитных предвестников сейсмической активности в околоземной пазме. Они могут быть использованы для временной и пространственной локализации источника излучения, т.е. очага землетрясения. Разработанная методика численного расчета может быть применена как для • анализа экспериментальных данных, так и для -теоретических оценок сейсогенных эффектов в околоземной плазме.

Апробация работы и публикации. Основные' результаты диссертации докладывались на 9 Всесоюзном семинаре по ОНЧ излучениям (апрель 199! г.), на Объединенном семинаре по результатам проекта'"Активный" (Ш1 РАН, май 1993 г.), на научных семинарах отдела "Электромагнитного поля Земли" института физики Земли РАН, отдела, низкочастотных волн ИЗМИРАН.

Структура и объем диссертации. Представленная " работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Она содержит 136 страниц машинописного текста, включая библиографический список литературы из 169 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении, показана актуальность теш, сформулирована цель и дана общая характеристика работы, а также, перечислены .общие положения, выносимые на защиту.

Первая глава содержит общий обзор состояния проблемы поиска предвестников сейсмической активности. Особое, место занимает класс электромагнитных предвестников, включающий в себя ряд эффектов, наблюдающихся как на земле в зонах повышенной. сейсмической активности (вариации электротеллурических полей, УНЧ вариации электромагнитного поля, КНЧ-ОНЧ электромагнитные излучения и др.) так и в верхней ионосфере и матнитосфере по результатам измерений на искусственных спутниках Земли (изменения электронной плотности и температуры в ■ионосфере, КНЧ-ОНЧ излучения, усиление высыпания энерпгшых частиц и др.)

Вопрос о передаче возмущения от сейсмического источника на высоты ионосферы и магнитосферы дискутируется многими авторами. В настоящее время обсуздаются два основных механизма передаче энергии в ионосферу:

- электромагнитные излучения из '»зоны подготовки землетрясений проникают через почвенный слой в атмосферу и ионосферу в виде косых альвеновских мод в УНЧ диапазоне . Первичные электромагнитные волны от сейсмического источника взаимодействуют с энергичными частицами внутреннего радиационного пояса, вызывал возбуждение вторичных ОНЧ волн и усиление диффузии частиц в конус потерь и их высыпание.

- воздействие окусто-грь лтациошшх волн на атмосферу и ионосферу, вызванное поверхностными волнами (волны Релея). Оно приводит к возмущению нейтральной компоненты в ионосфере.

смещению заряженных частиц в динамообласти и, следовательно, к генерации продольных токов, которые в свою очередь вызывают возбуждение электромагнитных волн вдоль силовой трубки. Эти процессы сопровождаются ионосферными колебаниями электронной плотности и температуры.

Численные оценки возможного воздействия на. ионосферу этих двух типов возмущений представлены в 4 главе.

Во второй главе изложены-результаты анализа спутниковых данных по наблюдениям электромагнитных излучений сейсмоген-ного происхождения в верхней ионосфере и магнитосфере Земли, производимых на борту спутника "Интеркосмос-24" в период" с 16 ноября по 31 декабря 1989 г. Спутник "Интеркосмос-24" (Активный) был запущен 28 сентября 1989 г. на околоземную орбиту с перигеем 500 км, апогеем 2500 км и наклонением 83°. Низкие высоты пролетов спутника, а также короткий период обращения вокруг Земли позволяют подробно исследовать параметры верхней ионосферы на низких геомагнитных широтах, т.к. спутник неоднократно в течение суток пересекает эту область ионосферы. Низкочастотный волновой комплекс обеспечивает широкий динамический диапазон и высокое разрешение измерений электромагнитных полей.

Измерения проводились в частотном диапазоне 5гц+22кгц, который был разбит на 12 каналов, делящихся на две группы: 10 каналов, перекрывающих УНЧ-КНЧ область (Р<1 кгц) и 2 канала с частотами Юкгц и 15кгц.Рогистрации электрического поля осуществлялись с помощью шаровых зондов. Измерялись две компоненты поля, перпендикулярные орбите спутника. Чувствительность аппаратуры гля низкочастотных полей (Р<1кгц) составляла

10"7в/шу^ц, для высокочастотных полей (Р=1+22кгц)

3-10"8в/ш/ч1. Магнитное поле измерялось с помощью трехкомпо-нентннх индукционных датчиков с чувствительностью для низко-,

частотных полей - 8-10"6т«/у^ц и для высокочастотных полей -

3.5'10"6тп/>^ц.

Выдй.пйнпо сейсмогоннш электромагнитных излучений

осуществлялось на регистрация^ электрической' компонента

поля,, , перпендикулярной плоскости орбиты. Сейсмогенше

излучения имели форму всплеска длительностью от 20 до 80 с.

Из рассморения исключались данные, где сейсмогенкость

всплесков ■ могла быть поставлена под сомнение (периоды

геомагнитной возмущенности (к >3), данные на геомагнитных . р широтах ф>45 и др.).

Поиск электромагнитных излучений проводился для 28 достаточно 'сильных коровых землетрясений с Мя<5,2. Глубина очага в каждом случае не превышала 60 км. Для каждого землетрясения поиск КНЧ-ОНЧ всплесков производился во* всем интервале геомагнитных широт и долгот на скоррелировакной геомагнитной оболочке землетрясения I(Ф3 °, лз), где Ф3' и лз - скоррелированная геомагнитная ппфота и долгота землетрясения. Ввиду того, УНЧ волны распространяются через ионосферу приблизительно вдоль градиента концентрации, т.е. по вертика-'ли, а далее вдоль силовой линии магнитного поля, предполагалось, что Ф ' соответствует геомагнитной широте силовой линии, проходящей через проекцию эпицентра землетрясения на высоте 300 км. Под воздействием сейсмогенного УНЧ излучения происходит возбуждение заряженных частиц во внутреннем радиационном поясе Земли на £3. Движение этих частиц в общем случае складывается из вращения вокруг силовой линии, смещения вдоль нее и долготного дрейфа, связанного с неоднородностью магнитного поля. Поэтому в сейсмозлектромагнитные излучения могут быть обнаружены во всем диапазоне широт и долгот на Ь3. Сравнение широты и долготы Ф8, Л8 наблюдаемых всплесков с коодинатами землетрясения производился в терминах

дф = |фв| - |Оа*|; дл = лв - л3

При этом автоматически учитывалась возможность наблюдения всплесков не только над эпицентром, но и в магнитосопряжешой • зоне ф * = - Ф°.

3 3

Выделение всплеска в магнитоспокойный период обычно не предсталяло труда. После построения обзорных графиков и сопоставления времени и координат наблюдаемых всплесков с временем и координатами землетрясений строились детальные графики измерений в интервале широт |дФ* . В этом, бо^ее узком интервале широт неоднозначность сопоставления

исключалась.

Наблюдаемые всплески излучений в зависимости от спектра делились на две группы: всплески, в которых замечено изменение поля как в КНЧ, так и в ОНЧ диапазонах частот, и ' всплески только в ОНЧ диапазоне.

Детальный анализ КНЧ спектра затруднен из-за малой частоты опроса соответствующих фильтров, однако, в некоторых случаях это удалось сделать. В КНЧ диапазона сейсмоэлектромагнит-ные излучения имели спадающий спектр. Из 28 рассмотренных землетрясений для 17- наблюдались всплески электромагнитных излучений на геомагнитных широтах, близких " широте землетрясения. Смещение центров всплесков по геомагнитной широте и долготе относительно координат эпицентров землетрясения показано на рис.1v Видно, что положение всплесков хорошо » контролируется по широте и распределено в широком интервале долгот. Однако, следует отметить, что область наблюдения двухполосных (УНЧ-КНЧ и ОНЧ) всплесков, отмеченных черными кружками, ограничена по долготе (<Дь> ^ го0- зо°) относительно координат эпицентра.'

Для каждого всплеска расчитывалась разница по времени между моментом его наблюдения и временем главного толчка. Вероятность наблюдения всплесков с заданным сдвигом ¿t„ относительно главного толчка p(&t) равнялась отношению числа интервалов, в которых наблюдался всплеск к общему числу интервалов нз длительностью Sta. Зависимость p(¿t) приведена на рис.2. Видно, что вероятность наблюдения излучений за сутки до землетрясения превышает 50%.

о

В третьей главе диссертации обсуждается процесс трансформации УНЧ (1<1 ООО Гц) альвековеких волн от сейсмического иеточтжа в более высокочастсетиэ 0114 {К 100 кГц) свистовые i солка в магнитосфврной плазме' íip:i двойном резонансном взаимодействии с энергичными чвстацсма внутреннего радиационного_ пояса Земли.

Для простоты предполагается, что омшйтуда первой волны намного превышает тепловой фон, тогда как вторая волна в начальный момент -находится на уровне тепловых флуктуация.

лФ

■10' о

о о

_о,_

60*

НО*

Рис. 1 Смешение центров всплесков относительно скоррелиро-вашшх координат очага землетрясения.

Рис 2. Зависимость Р) наблюдения всплесков в ра:ше, периоды времени относительно момента главного толчка. '

о -60*

»

в

о

о

Рассмотрим двойной резонанс альвеновских (о,, к,) и свистовых ■ (о),, к ) в плазме большой плотности (р = и2 /и* » 1, о , и

2* г « ре а г Р« Вш

- плазменная и гирочастота электронов). В этом случае резо- , нансными частицами могут быть энергичные ионы (для простоты, протоны), причем альвеновские волны взаимодействуют с ними на циклотронном резонансе (^=+1), а свистовые - на черепковском резонансе (п = 0). Тогда условие резонанса будет следующее:

О) - 0) и

—1 = 1.,--г- <п

где ив1-гирочастота ионов. Отсюда видно, что с учетом естественного для альвеновс:шх волн в протонной плазме соотношения и,< ша1, двойной резонанс возможен только на встречных волнах №и>0, й,,<0).

Взаимодействие монохроматической альвеновской волны, с энергичными протонели после усреднения по ларморовскому вращению частиц с радиусом ря1= \/ив1 описывается уравнениями:

сгГ

2Й.

+

где Ь =

d9 ах

5?"

е

- В.

= Vй!" ир] +

V, е!п9

+ ь —-

2/гв V

= -1-1 + ь и

2йа

со

— --и, совв.

V. 1*, N и

1 / 1

- - и. Ь. 11 -

СОЭ0,

(2)

(1+р)соеф1

В, - амплитуда магнитной

т ' 2(рг+соогф1)1/г

компоненты волны, (})1 - угол между волновым вектором и магнитным полем, р - коэффициент поляризации {Ег/Еж = £р), е - суммарная фаза волны и частицы:

е

=

ы + №

•к/2

1 Ло.

ВI

ОБ

- градиент магнитного поля вдоль направле-

ния даижония частиш. С учетом соотношения (1) для v¡) (п=1) и •'¡3 * и^г, 1да '= vl/v¡ из (2) получаем, что оптимальной об-

ластью взаимодействия является район вблизи экватора (5=0), где

с!и? его —I = —1 о о

(К о5

При малых амплитудах поля размер области взаимодействия, где фаза меняется медленно (А9 » х/2), определяется следушим образом:

ЛЯ - (Зх/<1) ' , Ф(5)= <3-5, где й --Ц- кдга + —

2(1гэ)2 I- 1-у-»

Если источшт волн существует время г, причем ав, тй « X < а

где - время азимутального дрейфа частиц, а та - время жизни частиц в силовой трубке. Характерное время исчезновегаи ч а стад за счет их высылания в конус потерь (5ае«1) оценивается следующим образом: •

2%3

Т <* --

Ь\ L.

Критерием неустойчивого распределения являотся условие

а/

— >о

Таким образом, при'конечном времени воздействия процесс имеет пороговое значение Ьп, начиная с которого функция распределения резонансных частиц может стать неустойчивой:

Дтс'и.Си. ъ > ь*„ ■ ' « п V 21 Ш

т ■ Я

Пороговое значение имеет вид:

Ч,

2Е0 х3(1 -у)3

Ет ДЛ(Л|1г3) Гия(1+п)у3

Тагам образом, нерасновесное распределение- частиц может создаваться только сигналами в не быстро огдаюацзм по частота спектром.

В четвертой главе сделаны численные оценки частот, вторичных ОНЧ излучений, их амплитуд и пороговые значения амплитуды магнитной' составляющей поля в первичной КНЧ волне, при которой может произойти возбуждение. А также, сделаны численные оценки эффектов, вызванных воздействием акустических волн,- связанных с сейсмической активностью, и сделаны отнтсителыю вклада этих механизмов в возбуждение околоземной плазмы.

Окончательная связь между частотами взаимодействующей и ■ возбуждаемой волн:

(1-У)3

Г"(1-4;г)1/,уг

со = и.

1ИЯ

0-У.!. > 40-**)

Оцененный порог возбуждения с учетом В0=3925 нТл, Е0=Ю

кеВ,

У - ■ 0.0833 (ы*/2тс -5 Гц)

г =26-ю'с (3 дня), п«-0.5, ал о. о.» рад (5*), й1"2.6»10~3,№|« 1г|)1X3 «32," Ег^5МеВ получаем Вп*0.2 нТл//гц

Таким образом, возбуаденио ОКЧ-излучзния может произой-' ти. В возбуадешш участвуют энергичные протоны с энергиями 1+5 !.!оВ, которые присутствуют во внутреннем радиационном поясе Земли.

Таким образом, показано что:

1) возможен процесс трансформации УЛЧ-воли в.более высокочастотные О!И волш в магштосфорной плазме;

2) наиболее интенсивно процесс происходит в экваториальной плоскости;

3) "для реальных условий манитосфоры при Ь*2 УКЧ волны с частотой порядка 1 +5 Гц могут 'преобразовываться в МП излучения с частотой 0,5+10 кГц за счет квазилинейного взаимодействия с энергичными протонами внутреннего радиационного пояса с энергией 0,5-5 МэВ за времена от нескольких часов до не-

скольких суток.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. О.А.Молчанов. О.А.Мажаева, М.Л.Протопопов "Наблюдение электромагнитных ОНЧ-излучений сейсмогенного происхожде:шя на ИСЗ "Интеркосмос-24", Геомагн. и аэроном., 1992, Т.32; С.128-137.

2., О.А.Молчанов, О.А.Мажаева "Резонансное взаимодействие УНЧ и ОНЧ волн с энергичными протонами магнитосферной плазмы", Космические исследования, 1993, Вып.4, Т.31, c.IC8-II9.

3. Molchanov О.А., Mazhaeva О.А., Goliavin А.Н., Науакааыа М. ^Observation on the Interkosmos-24 satellite of ELF-VIF electromagnetic emission? associated with eartqilakes", Ann. Geophyalcae, v. 11, p.184-195^ '

4. Molchanov O.A., Mazhaeva O.A., "VLF emissions associated with eartquakes observed on ACTIVNY satellite", The world Space Congress, Book of abstarcts, 1992, USA..

5. О.А.Мажаева, О.А.Молчанов "Статистические характеристики УНЧ-КНЧ и ОНЧ' излучений в верхней ионосфере и магнитосфере над очагами землетрясений", представлено к публикации.

fl'PTU За г.. /пир /OOorj 2D.0k.9ii

%