WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Скрипачев В.О., Суровцева И.В., Захаренкова И.Е., Падохин А.М., Тимофеев А.И. Возмущения ионосферы над республикой Кыргызстан перед сильным землетрясением по данным о характеристиках сигналов навигационных космических аппаратов GPS

Научная статья

 

Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»      227       http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2009/022.pdf

Возмущения ионосферы над республикой

Кыргызстан перед сильным землетрясением по

данным о характеристиках сигналов навигационных

космических аппаратов GPS

Скрипачев В.О. (skripatchevv^inbox.ru) (1), Суровцева И.В. (1), Захаренкова И.Е. (2), Падохин A.M. (3), Тимофеев А.И. (4)

(1) Научно-технологический центр космического мониторинга Земли ФГУП «РНИИ КП»,

(2) Западное Отделение ИЗМИР АН,

(3) Московский Государственный Университет

им. M.B. Ломоносова,

(4) Академия гражданской защиты МЧС РФ


В последние годы в исследованиях предвестниковых возмущений ионосферы перед землетрясениями активно используются сигналы навигационных космических аппаратов (НКА) американской спутниковой навигационной системы - GPS (Global Position System или «NAVSTAR»). По характеристикам принятых сигналов НКА диагностируется состояние ионосферы и тропосферы вдоль трассы распространения сигнала, исследуется морфология возмущений полного электронного содержания (ПЭС) атмосферы. Отметим, что ПЭС является основной характеристикой ионосферы, определяющей изменение параметров проходящей радиоволны [1].

По данным о ПЭС над многими сейсмоопасными регионами обнаружены аномальные возмущения ионосферы перед сильными землетрясениями. Эволюция этих возмущений соответствует результатам исследований с наземных станций ионосферного зондирования. Так, в [2] над Грецией по четырем станциям, расположенным в радиусе до 1000 км от эпицентра сильного землетрясения 8 января 2006г. (магнитуда М=6.8), выявлено значительное изменение ПЭС за сутки до землетрясения - рис. 1.

MATE (40.39[N,16.42° Е|

20

I           I

"I      I      Г

3        4

N0T1 (35.52° U, 14.59- Е)

20-,

I

ТиЕЯ(4МГН,ШГЕ

20

0RID (41.07= IM, 20.47= Е| I

Рис. 1 - Вариации ПЭС для европейских станций ORID, TUBI, МАТЕ и NOT1 за период 3-9 января 2006г. Тонкая линия - текущая вариация ПЭС, толстая линия - среднее значение. Стрелкой отмечен момент землетрясения [2]

Для  исследования  морфологии возмущений ПЭС  над Грецией  в  [2]  использовались


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»      228       http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2009/022.pdf

глобальные ПЭС карты, построенные в формате IONEX [1, 3], с двухчасовым интервалом и разрешением 5° по долготе и 2.5° по широте. Значения полного электронного содержания за текущий день сравнивались с фоновыми ПЭС картами. В качестве фоновых использовались осредненные за рассматриваемый период значения ПЭС.

Карты в формате IONEX хранятся в архивах в IGS (International GPS Service for Geodynamics), куда они поступают от национальных агентств в соответствии с регламентами обеспечения работоспособности глобальной навигационной системы GNNS (Global Navigation Satellite System) [4, 5]. IGS представляет собой лишь один из десятка сервисов IAG (International Association of Geodesy: http://www.iag-aig.org/), объединяющей службы лазерной локации, вращения Земли, изучения приливов и уровня моря, гравитационного поля и геоида, измерения времени и др.

На рис. 2 представлены рассчитанные дифференциальные процентные ПЭС карты за 7.01.2006г. из [2].


0 0 10 20 30 40 50

10 UT Кр=1.3


12 UT Кр=1.3

-10 0 10 20 30 40 50


14 UT

Кр=13

45 35

25

15

¦10 0 10 20 30 40 50



18 UT Кр=0.7


20 UT Кр=0.7


22 UT Кр=0.3


10 0 10 20 30 40 50   -10 0 10 20 30 40 50   -10 0 10 20 30 40 50


-45-40-35 -30 -25-20-15 -10  О   10 15 20 25 30 35 4-0 45 50 [%)

Рис. 2 - Дифференциальные процентные ПЭС карты по широте и долготе для

Европейского региона за 7.01.2006г. Точка - эпицентр землетрясения в Греции

По рис. 2 видно, что с 10 UT наблюдается формирование малоподвижной области повышенных значений ПЭС. Максимум области располагается в непосредственной близости от эпицентра землетрясения. Амплитуда возмущения в эти часы достигает ~ 40 % от фоновых значений, а в дальнейшем до 55 % в 18-20 UT. Аномалия имеет четко выраженный локальный характер, в течение рассматриваемого периода времени область максимального возмущения располагается в районе эпицентра будущего землетрясения. Область значительного повышения ПЭС имеет размеры около 4000 км по долготе и 1500 км по широте. Надо учесть, что низкое разрешение карт в формате IONEX сгладило детали возмущения ПЭС, выявляемых при радиотомографических исследованиях ионосферы.

Другой пример проявления возмущений ПЭС перед сильным землетрясением представлен, например, в [6] над Калининградом (Россия), недалеко от которого 21 сентября 2004 года произошло 2 землетрясения с магнитудами М=4,8 и М=5. Оба землетрясения наблюдались практически в одном месте с интервалом в 2,5 часа (11:05:04 UTC и 13:32:31 UTC). Эпицентры землетрясений соответствовали 54.9 с.ш., 20.1 в.д. и 54.7 с.ш., 20.1 в.д. Эти землетрясения произошли в зоне, не являющейся сейсмоактивной.

На рис. 3 из [6] приведены высотные профили распределения электронной концентрации,


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»      229       http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2009/022.pdf

полученные по наблюдениям GPS спутника № 26 с наземной станции RIGA. Минимальное удаление проекции его орбиты от эпицентра землетрясения было около 290 км. Радиотрасса до станции Рига пересекала с юго-запада-юга эпицентральную зону землетрясений.

иг

Рис. 3 - Профили электронной концентрации в период 16-21 сентября 2004 года (RIGA, спутник № 26) [6]

За двое суток до землетрясения значение максимума электронной концентрации в F2 слое ионосферы заметно уменьшилось, затем начался рост электронной концентрации. Накануне землетрясений зафиксировано аномальное увеличение ПЭС. Причем, по наземным данным зондирования ионосферы размер сейсмо-модифицированной области в ионосфере в период подготовки сильного землетрясения достигает порядка 20°-30° в диаметре [6, 7]. Она не стационарна, и после формирования начинает движение со скоростью в несколько сотен км/ч ортогонально к ближайшей к эпицентру границе литосферной плиты [8].

Физически подобные ионосферные аномалии пытаются объяснить электрическими полями сейсмотектонической аномалии. Они фиксировались с КА над сейсмоопасными регионами перед сильными землетрясениями.

Диагностика возмущений ПЭС представляет интерес для совершенствования региональных систем сейсмического мониторинга. Например, для системы сейсмического мониторинга республики Кыргызстан, с достаточно развитой системой пунктов наземного сейсмического мониторинга. Для этого необходимы архивы морфологии возмущений ПЭС и предварительная их диагностика.

В данной работе для диагностики предвестниковых сейсмогенных возмущений ПЭС над республикой Кыргызстан было использовано сильное коровое землетрясение региона 31.12.2007г. (~ 23ч 10-21 мин. по местному времени, широта эпицентра 40,29° с.ш., долгота 72,99° в.д., глубина гипоцентра z=6 км, М=5,8). Положение станций приема сигналов НКА GPS и эпицентральной зоны землетрясения представлено на рис. 4.


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»      230       http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2009/022.pdf



Рис. 4 - Положение приемников и эпицентральной зоны землетрясения 31.12.2007г.

над республикой Кыргызстан

Следует отметить, что 26.12.2007г. произошло еще одно землетрясение, вызвавшее значительные разрушения. Информация прошла по новостным лентам различных информационных агентств, но это землетрясение не было обозначено в каталогах международной службы геодвижений.

Оценки ПЭС в эксперименте рассчитывались в соответствии с известными методиками [1] по архивным данным IGS о характеристиках сигналов GPS КА. Результаты расчетов оценок ПЭС по станции Талас (TALA) и Бишкек (POL2) с учетом баллистических характеристик НКА для сейсмоопасного периода времени представлено на рис. 5.



Чми

POL2  {42.40,    74.41) 12  -1

~г~

27

26


Рис. 5 - Изменение оценок ПЭС по станции Талас и Бишкек


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»      231       http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2009/022.pdf

За сутки-трое до землетрясения на представленных графиках проявляются минимальные ночные значения ПЭС, что соответствует результатам исследований сейсмоионосферных эффектов [9, 10] с помощью наземных станций ионосферного зондирования.

Солнечная активность в указанный интервал времени была низкой. Вспышек не отмечалось. Данные наблюдений за вариациями индексов геомагнитной активности Кр и Dst с 19.12.2007г. по 3.01.2008г. приведены на рис. 6 [11].


ЕКр


О       00       о



4)

¦в я


I   I   I   I   I   I   I   I   I   I   I   I   I   I   I   I I   I   I   I   I   I   I   I   I   I   I   I   I   I   I   I

19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 1  2 3


1—I—I—I—I—Г

1- 1- 1- 1- 1- 1- 1- 1- 1

I  I  I  I  I I  I  I  I  I

I I I I I I I I I I I I I I I I

I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

Дни

19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 1

Рис. 6 - Вариации индексов геомагнитной активности Кр и Dst с 19.12.2007г. по 3.01.2008г.


Отклонение среднесуточной вариации ПЭС от общей средней на отрезке в несколько суток до землетрясения не превышало 5-6 %, что является малой величиной, так как нормальная вариабельность среднеширотной ионосферы оценивается в ±25%. Во внутрисуточных вариациях оценок ПЭС, рассчитанных без учета угла наклона видимых НКА, 31.12.2007г. проявилась четырехчасовая положительная аномалия ПЭС, превышающая фон более чем в 1,5 раза со значительными вариациями (рис. 7).

Рис. 7 - Изменение оценок ПЭС без учета данных баллистики НКА

Значительные выбросы оценок ПЭС 31.12.2007г. могли быть обусловлены неисправностью аппаратуры, сбоями в передаче сигналов с НКА, образованием мощного спорадического Es-слоя, метеорным потоком, сейсмогенными движениями земной поверхности. Однако в данных ПЭС не было сообщений о сбоях в передаче сигналов с НКА.


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»      232       http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2009/022.pdf

С использованием быстрого преобразования Фурье [12] для суточного объема данных ПЭС за 24, 26, 28, 31 декабря 2007г. и 1.01.2008г. с дискретностью 30 секунд были рассчитаны амплитудные спектры вариаций ПЭС. На рис. 8 приведен фрагмент амплитудного спектра вариаций ПЭС для периодов более 1 минуты.


2000

1500

1000

500


Амплитуда, ото. ед.


Период, мин

Рис. 8 - Фрагмент амплитудного спектра вариаций ПЭС для периодов более 1 минуты. Кривые 1, 2, 3, 4, 5 соответствуют 24, 26, 28, 31 декабря 2007г. и 1.01.2008г.

Накануне землетрясения 31.12.2007г. амплитуда минутных и полутораминутных вариаций в данных ПЭС (кривая 4) больше, чем в другие дни, в несколько раз. Значения амплитуд для минутного и полутораминутного периода вариаций ПЭС 25.12.2007г. составляют 859 и 569 отн. единиц, что соответствует фоновым вариациям.

Для периодов более часа амплитуда вариаций ПЭС накануне землетрясения 31.12.2007г. (кривая 4) также повышена - рис. 9, как и четвертьсуточных вариаций.


Амплитуда, отн


Рис. 9 - Фрагмент амплитудного спектра вариаций ПЭС для

периодов более 60 минут. Кривые 1, 2, 3, 4, 5 соответствуют

датам 24, 26, 28, 31 декабря 2007г. и 1.01.2008г.

Таким образом, по данным сигналов НКА над республикой Кыргызстан перед сильным землетрясением выявлена аномалия ПЭС, которую нельзя объяснить солнечными или геомагнитными факторами. Наземная станция ионосферного зондирования в Кыргызстане давно не функционирует. Отмечено, что амплитуда малых периодов возрастает перед землетрясением. Для диагностики морфологии возмущений ионосферы необходима большая дискретность анализируемых данных.

Оценки ПЭС над республикой Кыргызстан рассчитывались также с учетом положения HKAGPS.

При этом, восточнее станции Бишкек оценки ПЭС 31.12.2007г. оказались больше значений в выбранные для сравнения сутки (рис. 10 (а)). В данных НКА №4 и №8 выделяется сложная морфология возмущений ионосферы - достаточно резкая граница ионосферного возмущения по широте. Расчеты характеристик сигналов НКА на станции Бишкек с западного сектора указывают на пониженное ПЭС 31.12.2007г.


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»      233       http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2009/022.pdf

Аномальное возмущение ПЭС соответствует долготе эпицентра землетрясения. Его движение (данные с НКА № 8, 17, 4) ориентировано на восток со скоростью ~ 350-450 км/ч. Крутые границы возмущения ПЭС не обусловлены срывами приема сигналов, а отражают быстрое уменьшение оценок ПЭС.

longitude


 


r'  4 '  к' 4  ' * '  ' Г

Universal Time

  1. 26.12 - 31.12
  2. 01.01
  3. trajectory

Обозначения кривых


НКА № 4


10?

НКА № 17

HKA № 28

НКА № 8

HKA № 26


longitude

72           74           76

12                    3          4

Universal Time

longitude

2       '       4      '       6~ Universal Time


longitude

68         72        76         80

14,'---- '--- '---- '--- ±я*..... it,

2       '       4      '       6 Universal Time

longitude

72            76           80

1      '      5"

Universal Time



66 12i

10H I-

6

4

i-1-?

HKA № 5


longitude

68                 70

Universal Time


1


HKA № 12


longitude 68        TD

Universal Time


¦I


Рис. 10 (a) - Результаты расчета ПЭС на станции Бишкек по данным сигналов НКА


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»      234       http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2009/022.pdf

Для станции ТАЛАС изменение ПЭС неоднозначно, хотя с западного сектора значения ПЭС больше (рис. 10 (б)). В данных НКА № 4 и 8 выделяется сложная морфология возмущений ионосферы - достаточно резкая граница ионосферного возмущения по широте.


longitude

76        78    |    SO    |    8j>


I


--------  26.12

»--- 31.12

--------  01.01

^™------ trajectory

Обозначения кривых


Universal Time

НКА № 4


longitude

70           72            74

2     '     I

Universal Time


longitude

2      '      4      '      6 Universal Time



НКА № 8


HKA № 17



longitude

64            65            66

2              3              4

Universal Time


longitude 72        76

2                  4

Universal Time



HKA № 26


HKA № 28



l4S

1121 10

8-

6     '     7     '     ri     '     i

HKA № 5

longitude

66        67         68

Universal Time


HKA № 17


longitude 66    .    68

6        7        8        9

Universal Time


1


Рис. 10 (б) - Результаты расчета ПЭС на станции ТАЛАС по данным сигналов НКА


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»      235       http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2009/022.pdf

Таким образом, установлено удовлетворительное соответствие выявленных возмущений ПЭС перед сильным землетрясением 31.12.2007г. над республикой Кыргызстан с результатами, полученными другими авторами для сильных землетрясений.

Впервые продемонстрирована возможность использования технологии локации возмущений ионосферы сигналами с НКА при диагностике предвестников сильного землетрясения над республикой Кыргызстан.

Литература

    • Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли-Иркутск: ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН, 2006. 480с.
    • Захаренкова И.Е., Шагимуратов И.И., Кранковски А., Лаговский А.Ф. Ионосферные аномалии, наблюдаемые в GPS ТЕС измерениях перед землетрясением в Греции 8 января 2006г. (М=6.8) // Исследовано в России http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/110.pdf
    • Mannucci A.J., Но СМ., Lindqwister UJ. et al. A global mapping technique for GPS-drived ionospheric TEC measurements //Radio Sci. 1998. V. 33, N 8. P. 565-582.
    • Яценков B.C. Основы спутниковой навигации. Системы GPS NAVSTAR и ГЛОНАСС. -М.: Горячая линия - Телеком, 2005. 272 с.
    • Hofmann-Wellenhof В., Lichtenegger Н, Collins J. Global Positioning System: Theory and Practice. Springer-Verlag Wien. New York. 1992. P. 327.
    • Бондур В., Смирнов В. Мониторинг вариаций ионосферы в период подготовки и прохождения землетрясений по данным спутниковых навигационных систем / 31st International Symposium on Remote Sensing of Environment, June 20-24, 2005, Saint Petersburg, Russian Federation
    • Сергеенко Н.П., Захаренкова И.Е. и др. Планетарные движения макромасштабных неоднородностей, возникающих в слое F2 ионосферы над эпицентрами сильных землетрясений по данным GPS // Исследование Земли из космоса, 2006, № 5. С. 3-11.
    • Смирнов В.М. Вариации ионосферы в период землетрясений по данным навигационных систем // Исследовано в России, http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/153.pdf
    • Липеровский В.А., Похотелов О.А., Шалимов С.А. Ионосферные предвестники землетрясений. - М.: Наука, 1992. 304 с.
    • Pulinets S.A. and Boyarchuk К. Ionospheric Precursors of Earthquakes. Springer, Berlin, Germany, 2004. 315 p.
    • Заболотная H.A. Индексы геомагнитной активности: Справочное пособие. - М.: Издательство ЛКИ, 2007. 88 с.
    • Кобзарь А.И. Прикладная математическая статистика. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. 814 с.
     



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.