Диссертация (1150760), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Сейсмические приборы могут регистрировать эти перемещенияразличными путями. При атмосферных движениях с временным масштабом порядка и, темболее, больше 1 часа успевает восстанавливаться гидростатическое равновесие в атмосфере.Поэтому перемещение воздуха отражается в вариациях приземного давления в атмосфере, чтоприводит к деформационным процессам в литосфере и, соответственно, к возникновениюнаклона земной поверхности [Бончковский, 1948; Савина и др., 1984; Rabbel, Zschau, 1985].Таким образом, деформографы и наклономеры оказываются способными регистрироватьпроцессы в атмосфере.
Однако основной механизм воздействия атмосферных движений напоказания вертикальных сейсмометров и гравиметров не связан с деформацией литосферы.Серией исследований [Farrell, 1972; Spratt, 1982; Muller, Zurn, 1983; Niebauer, 1988; Merriam,1992; Crossley et al., 1995; Zurn, Widmer, 1995; Boy et al., 1998] было показано, что воздействиеатмосферы на силу тяжести у земной поверхности примерно на 90% обусловленонаправленным вверх ньютоновским притяжением со стороны воздушной массы. Поэтомувертикальные сейсмометры и гравиметры непосредственно реагируют на горизонтальныеперемещениявоздуханадними,сопровождающиесяизменениямимассывоздуха,приходящейся на единицу площади земной поверхности.
Эмпирически оценены характерныепередаточные коэффициенты воздействия атмосферного возмущения, выраженного черезвозмущение приземного давления атмосферы, на силу тяжести. Для крупномасштабныхатмосферных процессов, таких как солнечные приливные гармоники Sm с m = 1 – 7, этоткоэффициент находится в интервале от -1 мкГал/гПа до -3 мкГал/гПа (1 Гал = 1 см/с2) [Crossleyet al., 1995]. Наконец, вариации атмосферного давления могут влиять непосредственно намаятник сейсмометров и гравиметров через изменения действующей на него силы плавучести[Линьков, 1987; Wielandt, 2002], причем чем больше период движения, тем труднее защититьприбор от этого воздействия.
Это не касается сверхпроводящих гравиметров, маятник которыхвисит в вакуумированной камере, поддерживаемый магнитной силой.22Восцилляциях,регистрируемыхсейсмическимиприборами,обнаруживаютсяпериодичности, соответствующие трем типам атмосферных движений.1. Сейсмическиеприборы уверенно регистрируют гармоники теплового солнечногоприлива Sm. Гармоники Sm для широкого набора чисел m выявлены сверхпроводящимигравиметрами, которые позволяют из многолетних рядов измерений восстанавливатьпериодический сигнал величиной в несколько нГал [Boy et al, 1998], что соответствуетколебаниям давления атмосферы с амплитудой вплоть до таких малых значений как ~ 1 Па. Вспектрах, построенных по рядам показаний сверхпроводящих гравиметров длительностью неменее года, обнаружены гармоники Sm вплоть до m ~ 10 [Warburton, Goodkind, 1977; Smylie etal., 1993; Crossley et al., 1995]. А 5-летние измерения сверхпроводящего гравиметра вСтрасбурге даже выявили гармоники вплоть до m = 23 [Florsch et al., 1995].
Гармоники Smобнаруживаются также в спектрах, построенных по относительно коротким рядам измерений,произведенных вертикальными сейсмометрами. Например, гармоники с m = 4–8 выявлены вработе [Петрова, Любимцев, 2006] по записям длительностью порядка недели, и вплоть до m ~30 обнаружено появление групп гармоник в спектрах, полученных по последовательностямрядов измерений длительностью 35 ч со сдвигом 15 минут [Shved et al., 2011]. Гармоники Smтакже регистрируются деформографами (см., например, [Давыдов, Долгих, 1995]).2. Другим классом глобальных движений атмосферы, регистрируемых сейсмическимиприборами, являются СКА.
По-видимому, впервые внимание на возможную реакциюсейсмических приборов на глобальные периодические процессы в окружающей среде(атмосфере и гидросфере) с периодами, превышающими 1 сутки, было обращено в работе[Линьков, 1970] в результате наблюдений дрейфа нуля вертикального сейсмометра (см. также[Линьков, 1987]). Спектр когерентности между вариациями силы тяжести, измеренными за 10лет сверхпроводящим гравиметром в Страсбурге, и вариациями приземного давленияатмосферы там же [Boy et al, 1998] указывает, что гравиметры регистрируют волны Россби спериодами больше 1 сут: в диапазоне периодов 1.2–25 суток коэффициент когерентности можетпревышать значение 0.8, а в подынтервале периодов 2–10 суток – даже значение 0.9.
С волнамиРоссби можно также связать пики, выявленные на периодах этих волн по рядам годичныхизмерений как в спектрах вариаций деформаций литосферы на далеко отстоящих станциях, таки в спектре когерентности между этими вариациями [Милюков и др., 2011]. Однако донастоящего времени было неизвестно, обнаруживаются ли осцилляции атмосферногопроисхождения с периодами более 1 сут сейсмометрами, регистрирующими горизонтальныедвижения земной поверхности (в так называемых горизонтальных каналах).
В настоящейдиссертации мы представляем результаты исследования по этому вопросу в главе 2.23Существуют измерения сейсмическими приборами, выявляющие осцилляции, в которыхможно подозревать гравитационные СКА. К настоящему времени в интервале периодов ~ 1 – 5часов в разных пунктах земного шара измерениями посредством вертикальных сейсмометров игравиметров [Савина и др., 1984; Линьков и др., 1989; Smylie at al., 1993; Карпова и др., 2004;Петрова, Любимцев, 2006; Shved et al., 2011], а также деформографов [Нестеров и др., 1990;Давыдов, Долгих, 1995], выявлены осцилляции, частоты которых нельзя отнести ни кприливным гармоникам Sm, ни к сейшам в случае измерений, проводимых вблизи моря. (Болееранние примеры регистрации осцилляций в диапазоне периодов ~ 1 – 2 часа даны в монографии[Линьков, 1987]).
Указанные осцилляции наблюдаются как после сильных землетрясений, так ив сейсмически спокойное время. Имеются исследования [Линьков и др., 1989; Карпова и др.,2004; Shved et al., 2011], показывающие совпадение частот осцилляций, обнаруживаемыходновременно в сейсмометрических спектрах и в барометрических спектрах вариацийатмосферного давления, измеряемого в том же месте. Ряд частот осцилляций с периодами от ~1 ч до ~ 5 ч выявлен в измерениях, проводимых разными исследователями различными типамиприборов в разных пунктах, что свидетельствует о реальности этих периодических процессов.Например, осцилляции с частотами около 64, 74 и 77 мкГц получены по измерениямвертикальных сейсмометров как в работе [Петрова, Любимцев, 2006], так и по другим данным вработе [Карпова и др., 2004] с использованием техники перемножения спектров (см.
Главу 3).Кроме того, осцилляция с частотой около 64 мкГц зарегистрирована по измерениям лазерногоинтерферометра-деформографа [Нестеров и др., 1990], а осцилляции с частотами около 74 и 77мкГц – по измерениям сверхпроводящими гравиметрами [Smylie et al., 1993; Florsch et al.,1995].Поскольку асимптотическая формула (1.9) для гравитационных СКА известна давно, топоиск периодичности в частотном распределении осцилляций, согласно формуле (1.10),предпринималсяещедоработынаднастоящейдиссертацией.Впервыечастотнаяпериодичность с периодом около 8 мкГц была выявлена по данным вертикального сейсмометрав диапазоне периодов ~ 1 – 2 ч Петровой и Шведом (2000). Следы такой же периодичностибыли найдены в интервалах периодов 42 – 90 мин и 2.5 – 5 ч по объединенным даннымвертикальных сейсмометров и барометров Карповой и др.
(2004). Наконец, для всего диапазонапериодов ~ 1 – 5 ч. Беляевым и Шведом (2014) с использованием результатов спектральногоанализа разнородных рядов измерений (см. в разделе 1.2 выше) было получено указание, чточастотное расстояние между группами СКА вероятно находится между 7 и 8 мкГц. Эти триисследования вселяли надежду, что предпринятый нами целенаправленный поиск указанногорасстояния будет успешным.243.
По-видимому, тоже впервые в работе [Линьков, 1970] по дрейфу нуля вертикальногосейсмометра была обнаружена осцилляция около периода 50 суток. Эта же периодичность скоэффициентом когерентности больше 0.8 выявлена в спектре когерентности междувариациями силы тяжести, измеряемыми в течение 10 лет сверхпроводящим гравиметром, ивариациями атмосферного давления [Boy et al., 1998]. Данную периодичность естественноможно связать с известной осцилляцией системы атмосфера–океан в тропиках, называемойосцилляцией Маддена–Джулиана (ОМД).25Глава 2. Выявление длиннопериодных глобальных волнсейсмометром STS-2Исходные данные и способы их обработки.
Использовались ряды непрерывныхизмерений трехканального сейсмометра STS-2 (рис. 2) [Wielandt, 2002] в Кольмскойобсерватории (Германия; 51.3 N, 13.0 E) за весь 2002 г. Одновременно здесь жерегистрировалось атмосферное давление. Каналы сейсмометра дают сумму проекций движенияего трех маятников на горизонтальные направления вдоль меридиана и параллели(соответственно N- и E-компоненты движения) и на вертикальное направление (Z-компонента).Все маятники прибора ориентированы под одним и тем же углом к горизонту, т.е.
идентичны. Вкаждом из каналов движение происходит в направлении ребер куба, поставленного на один изего углов. Каждое из ребер наклонено по отношению к вертикали на 54.7º. Смещения U, V, Wпересчитываются в компоненты E, N, Z. Поскольку запись производится в цифровом коде,такой пересчет осуществляется непосредственно в самом приборе, и на выходе получаемкомпоненты E, N, Z. Шаг дискретизации сейсмометрических измерений 1 с.Рис. 2.1. Геометрия трехосевого сейсмометра STS-2 [Wielandt, 2002].26Одновременно на той же станции регистрировалось атмосферное давление также весь2002 г.
Чувствительность барометра, измерявшего давление, была не хуже ~ 0.1 гПа.Атмосферные волны воздействуют на показания сейсмометров посредством двух механизмов.Во-первых, как указано в главе 1, в часовом диапазоне периодов показания сейсмометра ввертикальном канале регистрируют вариации силы тяжести, которые в основном обязанывариациям ньютоновского притяжения маятника сейсмометра атмосферой с изменяющейсяплотностью воздуха над сейсмометром. Во-вторых, вариации плотности воздуха могутнепосредственно влиять на маятник через изменения действующей на него силы плавучести.Относительный вклад механизмов в выходной сигнал сейсмометра STS2 в Кольме неизвестен.Однако это обстоятельство не наносит ущерба, поскольку воздействия механизмов на маятниксовпадают по фазе [Shved et.al., 2011].Ряды измерений обрабатывались двумя способами вейвлет-преобразованием Морле 6[Torrence, Compo, 1998] и Фурье-преобразованием по методу Ломба-Скаргла для измеренийнеравномерных во времени [Press et al., 1992].
Анализ данных для Фурье-преобразованияпроводился для измерений, усредненных по 5-минутным интервалам, а для Вейвлетпреобразованиявычислительный–по6-часовымкодвинтервалам.Matlab,Длявейвлет-анализаразмещенныйиспользовалсянасайтеhttp://www.pol.ac.uk/home/research/waveletcoherence/, а при оценке статистической значимостиспектральных особенностей принималась модель красного шума. Оценка статистическойзначимости пиков в спектрах Фурье проводилась путем сравнения со спектром белого шума[Scargle, 1982].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
