Эффекты в спорадическом слое Е в период подготовки землетрясения 27.08.2008 по наблюдениям в Иркутске

Исследованию предвестников землетрясений в ионосфере по данным вертикального зондирования посвящено много работ, большая часть которых основывается на изменениях в регулярном слое F2. Тем не менее, перед сильными землетрясениями с М>5 часто отмечаются существенные изменения в спорадическом слое Е (Е_s): увеличение вероятности появления Е_s, изменения частоты экранирования ( f b E s ), предельной частоты отражений от слоя E s ( f о E s ), диапазона полупрозрачности слоя E s [Липер-повская и др., 1994, 2007; Пулинец, Лью, 1999; Silina et al., 2001; Ondoh, 2003, 2009; Корсунова, Хегай, 2005; Singh et al., 2007; Perrone et al., 2010]. Все эти изменения в E s наблюдаются с различным временем упреждения момента землетрясения, составляющим несколько суток. В [Корсунова, Хегай, 2005] было показано, что разброс времени появления ионосферных предвестников землетрясений обусловлен двумя факторами: магнитудой готовящегося землетрясения и удалением пункта наблюдения от эпицентра землетрясения. В дальнейшем было установлено, что в качестве предвестника можно использовать появление аномально высокого E s , который образуется на высотах h ≥ 120 км, превышающих на 10 км и более фоновые значения высот для конкретного времени суток [Korsunova and Khegai, 2006]. При этом наблюдается увеличение частот спорадического слоя Е и регулярного слоя F2. Анализ тридцати землетрясений в Японии с М ≥ 6.0 позволил получить эмпирические зависимости, связывающие время упреждения предвестником момента землетрясения с его магнитудой и эпицентральным расстоянием.

Представленная в [Корсунова, Хегай, 2008] методика выделения предвестников землетрясений в спорадическом слое Е была использована нами для выделения возможных предвестников в период подготовки землетрясения 27.08.2008 с М=6.1, произошедшего вблизи Иркутска.

Метод анализа и результаты

Обычно для выделения ионосферных предвестников находят отклонения текущих значений тех или иных параметров от фоновых значений. В качестве последних используют средние по геомагнитно спокойным дням или медианы за тот или иной промежуток времени. Для регулярного слоя F2 предвестниками считаются отклонения его критической частоты от фона, превышающие стандартное отклонение в 1.5–2 раза [Rios et al., 2004; Liu et al., 2006]. Исследования спорадического слоя Е в период подготовки землетрясений [Silina et al., 2001; Ondoh, 2003; Корсунова, 2004] показали, что отклонения его частотных параметров существенно ниже этих значений, но поведение E s в этот период имеет ряд особенностей. Именно эти особенности и легли в основу предложенного и апробированного в [Korsunova, Khegai, 2006] метода поиска возможных предвестников землетрясений. Главными из них являются аномально высокие E s с длительностью существования τ≈ 2 ч, сопровождающиеся «всплесками» в частоте экранирования не менее 20 % такой же продолжительности, а также увеличение критических частот регулярного слоя F2. Более подробное обоснование приведенных критериев поиска предвестников землетрясений в ионосферных параметрах приведено в работе [Корсунова, Хегай, 2008].

Для анализа использовались данные пятнадцатиминутных измерений на автоматической станции вертикального зондирования ионосферы Института солнечно-земной физики СО РАН, нахо- дящейся в ~100 км от эпицентра землетрясения 27.08.2008 с Мs=6.1. Весь анализ подразделялся на два этапа:

• 1)    находились медианы действующих высот спорадического слоя Е ( h ‘ m E s ), частоты экранирования ( f bmE _s) и критической частоты регулярного слоя ( f omF2 ) по всем невозмущенным дням (А р <17) за 30 календарных дней, предшествующих землетрясению;

• 2)    вычислялись отклонения текущих значений указанных параметров от соответствующих медиан ( A h ‘ E s , A f _bEs, A f _oF2), а также величины отношений { A f b / f „JE, ; { A f o / f om } F2 с дискретностью в 15 мин.

Следует отметить, что случаи полной экранировки спорадическим слоем области F исключались из рассмотрения, так как в отсутствие слоя F2 значения A f _bEs становятся неопределенными. Идентификация предвестника осуществлялась по приведенным выше критериям. Промежуток времени от появления предполагаемого предвестника до момента толчка является временем упреждения предвестником момента землетрясения ( A T) .

В результате проведенного исследования были выделены три случая появления E s , отвечающие критериям выбора предвестника землетрясения. Первый предполагаемый предвестник появился 31.07.2008 в 09:15 UT за A T ~27 сут с т= 1 ч 30 мин. Он сопровождался «всплесками» в частоте экранирования такой же продолжительности. Изменения ионосферных параметров происходили при очень спокойных геомагнитных условиях (А р =3). Следующий случай появления аномально высокого E_s был отмечен в 19:00 UT 13.08.2008 за A T ~13 сут, и, наконец, третий - в 22:45 UT 25.08.2008 за A T ~1 сут до толчка.

Из табл. 1 следует, что предполагаемые предвестники появляются в разное время суток, за исключением околополуденных часов местного времени. Максимальные изменения частоты экранирования, а значит и электронной концентрации в Е_s, отмечаются накануне землетрясения. Отметим, что выделенные интервалы времени приходятся на дни с очень низкой геомагнитной активностью. Трехчасовые локальные K -индексы отличаются от планетарных K р не более чем на 1 или совпадают с ними, но в целом для всех указанных дней сумма локальных K -индексов превышает сумму планетарных.

Таблица 1

Параметры трех предполагаемых предвестников в Es для землетрясения 27.08.2008, среднесуточные индексы геомагнитной активности Ар и суммы локальных K-индексов

Дата	Время, UT	A h 'Bs, км	{ A fJf ,m }E s	A T , сут	т , ч	А р , нТл	∑K ind
31.07.2008	9:15	28	0.31	26.67	1.5	3	10
13.08.2008	19:00	26	0.44	13.2	1.75	4	13
25.08.2008	22:45	18	0.54	1.12	1.75	1	4

Тем не менее, в дни появления аномальных E s геофизическая обстановка остается спокойной, так что выявленные эффекты, по-видимому, не связаны с «космической погодой».

Временной ход отклонений от исследуемых параметров E_s в течение ± 1 сут относительно времени появления предполагаемых предвестников землетрясений представлен на рис. 1, а–в вместе с соответствующими стандартными отклонениями. Момент толчка обозначен штриховой линией со стрелкой.

Возможные предвестники землетрясений в параметрах E s представляют собой группы «всплесков» с максимальными амплитудами, превышающими стандартные отклонения, общей продолжительностью т = 1.5 ^ 1.75 ч. Отсюда следует, что для изучения эффектов подготовки землетрясений в ионосфере с М<6.0 необходимы измерения с дискретностью не менее чем 15 мин. Как следует из рисунков, в некоторые моменты времени наблюдаются существенные отклонения того или иного параметра, помимо указанных выше. Однако эти отклонения не соответствуют критериям выбора предвестников по длительности или по совокупности их во всех трех параметрах ( A h ' E s , { A fb/ f „}e, , { A f , / f _т}и).

Полученные результаты, представленные в табл. 1 и на рис. 1, а–в, свидетельствуют о том, что процесс подготовки землетрясения и соответствующий «отклик» в ионосфере занимают продолжительное время. При этом могут наблюдаться предвестники разной «срочности», которые различаются также и по величине отклонений.

Для сейсмоактивного Байкальского региона важно выяснить, нет ли подобных изменений в параметрах ионосферных слоев в отсутствие сильных

2 "0S.200S

Рис . 1. Временной ход отклонений от исследуемых параметров E_s в период подготовки землетрясения 28.08.2008 для интервалов 30.07.2008–1.08.2008 ( а ); 12.08.2008–14.08.2008 ( б ); 25.08.2008–27.08.2008 ( в ). Затененными участками кривых отмечены предполагаемые предвестники землетрясений.

землетрясений. Для ответа на этот вопрос были рассмотрены ионосферные данные за июнь–июль 2008 г., когда отмечались только слабые землетрясения с энергетическим классом K <12 (или М<4.8). При этом ионосферная станция в Иркутске не попадала в зону подготовки землетрясения по Добровольскому, т. е. R > r _D [Dobrovolsky et al., 1979]. Тем не менее, в ряде случаев наблюдались отклонения в параметрах спорадического слоя Е и в f ₀F2, близкие к критериям выбора предвестников землетрясения, но с некоторыми особенностями. Во-первых, длительность существования аномальных E s была несколько меньше (τ=1.25÷1.5 ч), чем для 27.08.2008, и во-вторых, «всплески» в E s следовали за изменениями в f 0 F2, а не наоборот, как обычно бывает в зоне подготовки землетрясения. Возможно, именно указанные различия важны для оценки предполагаемой сейсмоопасности. Все эти случаи (табл. 2) предваряли на несколько часов землетрясения с K =9.8÷11.3 для эпицентральных расстояний R <320 км, за исключением события 24.07.2008.

Таблица 2

Список рассмотренных слабых землетрясений и предваряющие их аномалии в Es

№	Дата появления аномалии в E s	Время появления аномалии в E s , UT	Дата землетрясения	Время землетрясения, UT	K	R , км	Δ T , сут
1	01.06.2008	21:45	02.06.2008	03:09	10.0	313	0.22
2	09.06.2008	23:45	10.06.2008	10:37	10.2	315	0.45
3	13.06.2008	14:45	13.06.2008	21:36	10.2	313	0.28
4	18.06.2008	21:00	20.06.2008	00:19	11.3	206	1.14
5	26.06.2008	20:00	27.06.2008	00:09	9.8	315	0.17
6	18.07.2008	09:00	19.07.2008	00:17	11.1	290	0.63
7	24.07.2008	14:00	24.07.2008	19:09	10.7	656	0.21
8	09.08.2008	09:15	09.08.2008	19:44	10.4	289	0.44
9	26.08.2008	06:15	28.08.2008	07:27	10.5	88	2.04

Для указанных в табл. 2 случаев оказалось возможным построить зависимость, связывающую время упреждения выделенными аномалиями момента землетрясения с энергетическим классом и эпицентральным расстоянием до пункта наблюдения. Прямая линейной регрессии в соответствии с методом наименьших квадратов имеет вид lg( A TxR )=0.38 K-1 .85 и представ-

Рис . 2. Эмпирическая зависимость, связывающая времена задержки A T (между появлением выделенных аномалий в E_s и моментами землетрясений) с энергетическим классом сейсмических событий и их эпицентральными расстояниями до пункта наблюдения (точки). Соответствующая линия регрессии показана сплошной линией.

Обсуждение результатов

Наземные измерения (деформации земной коры, уровень подземных вод и содержание в них радона, электросопротивление, характеристики распространения сейсмических волн), систематизированные в [Сидорин, 1979; Зубков, 1987], указывают на существование нескольких групп предвестников землетрясений, классифицированных авторами как долгосрочные, среднесрочные и краткосрочные. Для каждой из групп получены эмпирические зависимости, связывающие время упреждения предвестником момента землетрясения и эпицентральное расстояние до точки наблюдения с магнитудой готовящегося землетрясения. Такого же рода зависимости с учетом региональных особенностей сейсмических зон были позднее представлены в [Сидорин, 1992]. Так, для Центральной Азии по данным наземных измерений в работе [Сидорин, 1992] приведена следующая эмпирическая зависимость для долгосрочных предвестников землетрясений: lg( A T x R )=0 .59 М - 0.01. Для М=6.1 и R =100 км это дает время упреждения предвестником момента землетрясения A T = 39 сут. Ионосферные наблюдения в Ашхабаде для ряда землетрясений в Средней Азии [Корсунова, 2004] позволили выявить следующую зависимость для предвестников землетрясений: lg( A T x R )=0 .74 М - 0.96, что для тех же параметров землетрясения дает A T = 36 сут. В Иркутске первый предполагаемый предвестник землетрясения обнаружен за A T = 27 сут, что соответствует приведенным выше величинам (десятки суток).

Менее изучены среднесрочные (по классификации [Зубков, 1987]) предвестники землетрясений. По ионосферным наблюдениям на Камчатке для восьми коровых землетрясений в [Корсунова и др., 2009] были обнаружены возможные среднесрочные предвестники землетрясений, для которых A T имеет тенденцию изменяться в соответствии с выражением lg( A T x R )=0 .81 М - 1.83. В этом случае для землетрясения с М=6.1 и R =100 км A T составляет 12.9 сут. Появление второго аномального E s по наблюдениям в Иркутске происходит за 13.2 сут до землетрясения, что соответствует времени упреждения для возможного среднесрочного ионосферного предвестника землетрясения.

Для предвестников землетрясений с заблаговременностью часы - сутки получен ряд зависимостей, связывающих время упреждения A T предвестником момента землетрясения с магнитудой М готовящегося землетрясения, как с учетом эпицентрального расстояния до точки наблюдения, так и без учета этого фактора. Для М=6.1 с учетом эпицентрального расстояния R =100 км по ионосферным данным для восьми камчатских землетрясений получено, что время упреждения A T =3.2 сут [Корсунова и др., 2009], а для ряда землетрясений в Японии с теми же параметрами A T =1.7 сут [Korsunova, Khegai, 2006]. В Иркутске третий предполагаемый ионосферный предвестник землетрясения с минимальным временем упреждения обнаружен 25.08.2008 с A T =1.1 сут, что соответствует приведенным выше временам упреждения для ионосферных предвестников землетрясений такого рода.

Таким образом, благодаря длительным ионосферным наблюдениям с повышенным относительно стандартного временным разрешением (Δ T =15 мин)

были выделены три типа возможных ионосферных предвестников с различным временем упреждения момента землетрясения, представляющие собой появление аномально высоких E s с повышенной электронной концентрацией. Кроме того, отмечены менее значительные изменения в E s перед землетрясениями с энергетическим классом K <12 на расстояниях, превышающих размеры зоны подготовки землетрясения по Добровольскому. На то, что эти эффекты не случайны, указывает полученная нами зависимость, связывающая время упреждения предвестником момента землетрясения и эпицентральное расстояние до точки наблюдения с энергетическим классом готовящегося землетрясения, подобная аналогичной зависимости, полученной для наземных предвестников землетрясений: lg( A T x R )=0 .48 K - 3.0 [Сидорин, 1979]. Последнее может означать, что границы зоны подготовки землетрясения, возможно, простираются в некоторых направлениях (например вдоль разлома в земной коре) дальше, чем это следует из формулы Добровольского.

За исследуемый нами период ионосферных наблюдений (лето 2008 г.) все обнаруженные нами аномалии в E_s соотнесены с теми или иными землетрясениями. Следует отметить, что по другим, более длительным (в течение нескольких лет) ионосферным наблюдениям отмечались иногда аномалии в E_s, полностью соответствующие принятым нами критериям идентификации ионосферных предвестников, но за ними не последовали землетрясения. В [Perrone et al., 2010] при анализе ионосферных данных за все месяцы 1984 и 1997 гг., когда отсутствовали сильные землетрясения M >5.0, только в шести случаях были обнаружены «ложные» предвестники. Поскольку такие случаи довольно редки, пока неясно, как различить реальные и «ложные» предвестники землетрясений, и это может стать предметом будущих исследований.

Соответствие экспериментально определенных величин (параметров возможных предвестников землетрясений) для конкретного землетрясения вблизи Иркутска результатам расчетов по эмпирическим зависимостям для землетрясений с близкими характеристиками в других региональных сейсмических зонах подтверждает корректность идентификации аномалий в E s в качестве ионосферных предвестников землетрясений по приведенным в [Корсунова и Хегай, 2008] критериям. Кроме того, эти результаты свидетельствуют в пользу единообразия процессов подготовки коровых землетрясений в различных сейсмических зонах.

Существует ряд теоретических работ, в которых показана возможность образования аномально высоких E s в период подготовки землетрясений [Ким и др., 1993; Pulinets et al., 2000]. Такие слои могут образоваться в результате сложного электродинамического взаимодействия в системе литосфера–атмосфера– ионосфера перед землетрясениями. Полученные выше результаты согласуются с выводами этих теоретических разработок.

Выводы

• 1.    Впервые были выделены три возможных ионосферных предвестника в период подготовки землетрясения с М s =6.1 с различным временным упреждением: A T~27 сут; 13 сут; 1 сут.

• 2.    Близкие времена появления выделенных предвестников по ионосферным данным в Прибайкалье, на Камчатке и в Японии для землетрясений одинаковой мощности могут свидетельствовать о единообразии процессов подготовки коровых землетрясений в различных регионах Земли.