Диссертация (1150499), страница 7
Текст из файла (страница 7)
С их помощью был подтверждѐнряд полученных по данным наземных средств наблюдений эффектов в параметрахионосферной плазмы перед землетрясениями, а также установлен ряд новых,таких как магнитная сопряжѐнность эффектов, усиление шума в широком диапазонечастот в надэпицентральной области, вариации электронной и ионной плотностей,всплески магнитной и электрической компонент электрического поля, получены оценкихарактерных размеров зон проявления предвестников, а также их времена жизни и др.Тем не менее, in situ измерения, выполняемые отдельными спутниками в конкретнойточке для каждого конкретного момента времени, также не могут обеспечить глобальныеи непрерывные наблюдения параметров ионосферной плазмы. Частично эта проблемав настоящее время решается путѐм привлечения в исследования наблюдений ПЭСионосферы, полученных на основе наблюдений глобальных навигационных систем (GPS,34GLONASS, GALILEO) и сети наземных приѐмников их сигналов.
Их анализ позволилустановить, что сейсмо-ионосферные ПЭС-предвестники проявляются в виде 1) сильных(≥30-90%) 2) крупномасштабных (≥1000 км) 3) долгоживущих (≥4 ч) неоднородностей(областейповышенныхилипониженныхзначений),4) локализованныхв околоэпицентральной и часто магнитосопряжѐнной к ней областях, 5) появляющихсяза несколько часов или дней (обычно 1-3, реже до ~10) до сейсмического события.Тем не менее, к настоящему времени общепринятая схема развития сейсмогенныханомалий в ПЭС ионосферы не разработана, а приводимые авторами признаки аномалийи их количественные оценки зачастую противоречивы из-за отсутствия единой методикиобработки и анализа данных GPS-мониторинга в целях выявления предвестниковземлетрясений.35Глава 2.
Поиски предвестников землетрясений в вариацияхполного электронного содержания ионосферыВ настоящей главе приведены результаты исследований морфологическихособенностей аномальных вариаций ПЭС (полного электронного содержания) ионосферыпо данным наземных и спутниковых средств наблюдений (в основном, навигационныхспутников GPS/GLONASS и сети наземных приѐмников их сигналов) перед сильнымиземлетрясениями на примере ряда конкретных сейсмических событий.
В качественачального приближения для поиска сейсмо-ионосферных предвестников землетрясенийрассматривался приведѐнный в п.1.2 Главы 1 набор признаков (1)-(6).Для систематического анализа вариаций ПЭС ионосферы в периоды подготовкисильных землетрясений необходимо не только накопление первичного фактическогоматериала, но и представление о физических механизмах осуществления связи системы«литосфера-атмосфера-ионосфера», что позволяет не только объяснять и выделятьсейсмо-ионосферные вариации ПЭС на фоне других – не сейсмической природы –возмущений, но и предсказывать некоторые их свойства. В настоящей работев части физическойинтерпретациинаблюдаемыхвозмущенийПЭСионосферымы исходим из электромагнитного механизма осуществления литосферно-ионосферноговзаимодействия, а именно дрейфа плазмы F2-области в скрещенных магнитноми электрическом полях.
Особое внимание при этом уделяется магнитной сопряжѐнностиэффектов (как следствию эквипотенциальности силовых линий магнитного поля).Более подробное обсуждение возможных физических механизмов осуществления связисистема «литосфера – ионосфера» представлено в Главе 3.2.1.
Получение невозмущѐнной фоновой вариацииДля количественной оценки геомагнитной активности и выявления геомагнитныхвозмущений, происходящих перед, во время или после исследуемых сейсмическихсобытиймыанализировалииндексыгеомагнитнойактивности.Дляанализанами были выбраны следующие индексы: kp, ap, Dst, AE [Bartels et al., 1939; Sugiura, 1964;Davis and Sugiura, 1966; Брюнелли и Намгаладзе, 1988].kp индекс – трехчасовой квазилогарифмический планетарный индекс, полученныйкак среднее значений К-индексов, по данным наблюдений 13 субавроральных станций(расположенных между 44○ и 60○ северной и южной геомагнитных широт).
Характеризуетвозмущения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли, принимает значения0o, 0+, 1-, 1o, 1+, 2-, 2o, 2+, ... , 8o, 8+, 9-, 9o. Точность публикуемых значений равна 1/3,36т.е. «4-» соответствует «3 и 2/3», «4o» соответствует «4 ровно», а «4+» – «4 и 1/3».Значения 2 и менее соответствуют спокойным геомагнитным условиям, 3 и менее –слабым возмущениям, 4 – возмущѐнные, начиная с 5 соответствуют активности уровнягеомагнитных бурь, 7 и более – сильных магнитных бурь.ap индекс – трѐхчасовой планетарный индекс, определяется в единицах магнитногополя(нТл),изменяется(крайне возмущѐнные);ввдиапазонеотличиеот 0от(оченьkpспокойныеиндексаусловия)являетсядо 400линейным,а не квазилогарифмическим.
Также является мерой глобальной планетарной геомагнитнойактивности для выбранного трехчасового диапазона. Существует таблица переводазначений kp индекса в ap, а также таблица перевода диапазонов значений ap индекса в kp.Суточный Ap индекс вычисляется как суточное среднее ap индексов (т.е. 8 значений).Значения больше 30 нТл соответствуют условиям геомагнитных возмущений уровнягеомагнитной бури.Dst (Disturbed strom-time) индекс – мера геомагнитной активности на основеанализа возмущений H-компоненты (направленной на север) геомагнитного поля,используемая для оценки силы магнитных бурь; выражена в единицах магнитного поля(нТл), вычисляется по данным магнитометров, расположенных на приэкваториальныхобсерваториях (но не на столько экваториальных, где начинают доминировать магнитныевозмущения, порождѐнные экваториальной электроструѐй).
Часовой Dst индекс являетсямеройсреднечасовыхвозмущениймагнитосферногокольцевоготока.Сильныеотрицательные возмущения (уменьшения величины) Dst индекса являются индикаторомусиления кольцевого тока и имеют временные масштабы порядка часа. Постепенноеуменьшение возмущений (возвращение к исходным значениям) может занять значительнобольшевремени,порядканесколькихчасов.Весьпериодотвозникновениядо исчезновения возмущений называют магнитной бурей. Собственно, отрицательныезначения Dst индекса являются признаком главной фазы магнитной бури.
В периоддлительныхбурьобычнообнаруживаютнесколькосуббурьвAEиндексе.Кроме кольцевого тока, на Dst индекс оказывают влияние и другие токи, наиболее важнымиз которых является ток магнитопаузы. Dst индекс часто корректируется, чтобы убратьвклад от этого тока, а также вклад от кольцевого тока при спокойных условиях.AE (Auroral Electrojet) индекс – часовой индекс, представляет количественную мерумагнитнойактивностиавроральнойзоны,порождѐннуюионосфернымитоками,текущими внутри аврорального овала. Характеризует возмущение по сравнениюс невозмущѐнными условиями горизонтальной компоненты магнитного поля в областиаврорального овала.
Для определения AE индекса по данным обсерваторий строят37UT-вариации H-компоненты, определяется нижняя огибающая (или максимальноеотрицательноеотклонениеH-компоненты)–ALиндекс,верхняяогибающая(максимальное положительное отклонение H-компоненты) – AU индекс. Разница AU-ALназывается AE-индексом. Т.о., AU и AL индексы дают представление об интенсивностяхвосточного и западного электроджетов, а AE индекс даѐт оценку силы полногогоризонтального тока.
Отклонения AE индекса от стандартного дневного хода называетсягеомагнитной суббурей и может длиться от десятков минут до нескольких часов.Перечисленный набор индексов позволяет оценить уровень геомагнитнойактивности и выделить факторы (возмущения), способные своими проявлениями в ПЭСионосферы осложнить выявление возмущений сейсмической природы.Анализпубликаций,вкоторыхпредставленырезультатыисследованийпо проблеме выявления, поиска и обнаружения возможных предвестников землетрясенийв ПЭС ионосферы, позволяет утверждать, что в научном сообществе не существуеткакого-либо общепринятого метода определения фоновой вариации ПЭС в целяхвыявления сейсмо-ионосферных предвестников, как нет и общепринятых критериевдля выработки такого метода. Тем не менее, можно выделить ряд наиболее частоиспользуемых подходов к определению фоновой вариации:1) расчѐт невозмущѐнного состояния на основе эмпирических моделей, например,различных версий справочной модели ионосферы IRI [Zakharenkova et al., 2008b];2) принятие в качестве невозмущѐнного хода вариации в ближайший геомагнитноспокойный день [Zakharenkova et al., 2006];3) различные преобразования (фильтрация) рядов наблюдений.К последним можно отнести вычисление различных средних (в т.ч.
скользящих)[Liu et al., 2004, 2006; Kon et al., 2011], применение вейвлет-преобразований,калмановской фильтрации, интерквартильного анализа [Akhoondzadeh and Saradjian, 2011;Saradjian and Akhoondzadeh, 2011a], метода (нелинейного анализа) главных компонент[Lin, 2010, 2011], искусственных нейронных сетей [Akhoondzadeh, 2013a], нечѐтких логик,адаптивных нечѐтких нейронных сетей [Akhoondzadeh, 2013c], генетических алгоритмов[Akhoondzadeh, 2013b], анализа собственных значений и т.д.38Наибольшее распространение из перечисленных выше методов получиливсевозможные средние:UBndTEC Q(iTEC i ),(2.1)i LBnd1(2.2)0 i(2.3)iiiUBnd ≥ LBndгдеωi – весовой коэффициент,UBnd и LBnd обозначают верхнюю и нижнюю границу ряда (начало и конецокна сглаживания), соответственно,TECi –«моментальное» значение ПЭС ионосферы для отсчѐтаi(при фиксированном местном времени LT, т.е.
обычно совпадающее с номеромдня).В большинстве работ данным наблюдений TECi (отсчѐтам, участвующимв вычислении невозмущенного состояния) присваивается равный вес1/ N = ω = 1/(UBnd – LBnd +1)(3)где N – ширина окна сглаживания (бегущего среднего), равная количеству отсчѐтов(т.е.
по факту количеству дней), учитываемых при расчѐте фоновой вариации.Обычно ширину окна сглаживания ограничивают 7, 15 [Пулинец и Цыбуля, 2010;Zhao et al., 2010; Le et al., 2011], 27 [Xu et al., 2011b] или 30 [Pulinets et al., 2010; Carter etal., 2013] днями. Существуют разные подходы к «размещению» этого окна относительнорассчитываемого момента времени: до, после или центрировано относительно искомогомомента. Зависимость относительных возмущений от выбранной ширины окнасглаживания рассматривается далее в настоящей Главе.В качестве исходных данных для определения фоновой вариации чаще всегоиспользуются наблюдения ПЭС ионосферы по данным IGNSS (ГЛОНАСС, GPS) системи наземных приѐмников их сигналов, а также рассчитанные на их основе картывертикального ПЭС, предоставляемые NASA в свободном доступе в формате IONEXпо адресу ftp://cddisa.gsfc.nasa.gov/pub/gps/products/ionex/ .39В настоящей диссертационной работе фоновая невозмущѐнная вариация ПЭСионосферы в каждом узле определяется как сгруппированное по моментам местноговремени среднееTEC Q1NN 1TEC i ,(4)i 0где i – количество дней до рассчитываемого момента,N – ширина окна скользящего среднего, во всех представленных расчетах N = 7дней,TECi – ПЭС ионосферы, наблюдавшееся за i дней до текущего моментадля фиксированных LT; i = 0 соответствует наблюдениям для момента времени,для которого рассчитывается спокойная фоновая вариация.Соответствующие относительные (%) возмущения ПЭС ионосферы определяютсяпо стандартной формулеTEC DSTi(TEC i TEC Q ) / TEC Q 100 %,(5)402.2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
