Внезапные начала магнитных бурь и землетрясения

Наиболее известным и, пожалуй, наиболее ярким примером спорадического воздействия Солнца на Землю является геомагнитная буря, которая развивается в магнитосфере вскоре после солнечной вспышки. Буря начинается с резкого сжатия магнитосферы фронтом межпланетной ударной волны. Магнитный импульс, регистрируемый при этом наземными и орбитальными обсерваториями, называется внезапным началом бури (SSC, storm sudden commencement) [Araki, 1994]. Импульсы SSC играют особую роль при исследовании солнечноземных связей. В момент SSC в околоземном пространстве формируется специфическая комбинация параметров, которую теоретик использует как начальное условие при решении дифференциальных уравнений, моделирующих МГД-колебания магнитосферы. Для экспериментатора особый интерес пред- ставляет тот факт, что SSC можно использовать при статистическом исследовании широкого круга геофизических явлений как надежный репер, четко разделяющий спокойное и возмущенное состояния магнитосферы.

В физике солнечно-земных связей есть ряд необычных проблем, к которым следует отнести возможное воздействие SSC на сейсмическую активность. Необычность состоит в том, что, с одной стороны, априори не существует простых физикоматематических представлений о механизмах такого воздействия. С другой стороны, наблюдения свидетельствуют о вероятной модификации региональной [Соболев и др., 2001; Закржевская, Соболев, 2003, 2004] и локальной [Адушкин и др., 2012] сейсмичности после SSC.

Трудность интерпретации наблюдений указывает на необходимость дополнительного эксперимен- тального исследования, чему и посвящена данная работа. Ее отличительной особенностью является то, что мы сосредоточили внимание на глобальной сейсмичности. Это позволило статистически надежно обнаружить еще одно эмпирическое подтверждение связи между SSC и землетрясениями.

1.    ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕИ РЕЗУЛЬТАТ АНАЛИЗА

Данные по SSC с 1973 по 2010 г. взяты из каталога [ftp:// COMMENCEMENTS/], о землетрясениях — из каталога Национального информационного центра о землетрясениях геологической службы США [USGS/ NEIC, ]. За указанный период зарегистрировано 1113 SSC. Времена их появления использовались в качестве реперов для проведения статистического анализа землетрясений методом наложенных эпох.

Был поставлен следующий вопрос: различается ли глобальная сейсмичность в двух смежных часовых интервалах: до SSC и после. Для поиска ответа была проведена предварительная селекция землетрясений, которая состояла в отборе только тех событий, которые произошли на интервалах ± 60 мин относительно репера. Выбор длительности определяется тем, что, с одной стороны, интервалы должны быть по возможности большими, чтобы иметь достаточное количество землетрясений для статистического анализа. С другой стороны, при изучении сейсмомагнитного эффекта SSC было бы нежелательно включать в анализ интервалы времени, захватывающие главную фазу геомагнитной бури или хотя бы часть главной фазы. Таким образом, выбор интервалов ± 60 мин является своего рода компромиссом.

Было накоплено 3352 события с магнитудами М ≥1. Из этого многообразия для дальнейшего анализа была выбрана так называемая представительная часть (о важности использовать представительную выборку при статистическом исследовании землетрясений см. в работе [Смирнов, 1997]). На рис. 1 показано распределение землетрясений по магнитуде, причем прямая линия lg N =6.4–0.92 M аппроксимирует представительную часть каталога, которая соответствует магнитудам М ≥5 и содержит 405 событий. Здесь N — число землетрясений с данным значением М . Коэффициент корреляции между N и М равен –0.93 в представительной части.

На рис. 2 показано распределение землетрясений из представительной части каталога на интервалах времени ± 60 мин относительно репера. Видно, что до репера количество землетрясений заметно больше, чем после него. Точный подсчет дает 230 событий событий до репера и 173 события после него. Сформулируем нулевую гипотезу, которая соответствует представлению об отсутствии связи между землетрясениями и SSC: вероятности отдельному событию попасть в интервал –60÷0 мин или 0÷60 мин одинаковы и равны 0.5. В действительности указанные вероятности равны 0.571 и 0.429 соответственно.

Рис. 1. Распределение землетрясений по магнитудам. Прямая линия аппроксимирует представительную часть каталога USGS

Рис. 2. Землетрясения с магнитудами М ≥5 на интервалах времени ± 60 мин относительно моментов SSC

Рис. 3. Распределения землетрясений по магнитудам до SSC (черные столбики) и после (серые столбики)

Простой подсчет по схеме Бернулли свидетельствует, что различие эмпирических вероятностей существенно в том смысле, что нулевую гипотезу следует отвергнуть, причем вероятность ошибиться не превышает 0.01. Это означает, что SSC некоторым образом подавляет сейсмичность.

Данное заключение не вполне согласуется с результатом работ [Соболев и др., 2001; Закржевская, Соболев, 2003, 2004], в которых установлено, что сейсмичность может как подавляться, так и стимулироваться геомагнитными бурями с SSC. Вполне возможно, что указанное несоответствие связано с различиями в методиках отбора и обработки материала наблюдений. Особо важным нам представляется тот факт, что мы отбирали лишь весьма короткие интервалы времени относительно SSC.

Рис. 4. Распределение землетрясений по частоте появления в часовых интервалах до SSC (вверху) и после (внизу). Гладкие кривые — нормальные распределения, аппроксимирующие эмпирические

Интересно сопоставить распределения землетрясений по магнитудам до SSC и после (рис. 3). Видно, что в большинстве интервалов М сейсмическая активность до SSC выше, чем после него. Применение критерия хи-квадрат свидетельствует о достоверном различии указанных распределений на уровне значимости 0.05.

Наконец, мы сопоставили распределения землетрясений по частоте появления до SSC и после. Построение эмпирических распределений производилось следующим образом. После накопления событий по методу наложенных эпох проводилось сглаживание скользящим средним с окном 5 мин и шагом 1 мин. При подсчете частоты появления землетрясений учитывалось, что общее количество SSC, используемых в качестве реперов, равно 1113 (см. раздел 1). Результат показан на рис. 4. Видно, что средние частоты появления землетрясений до SSC и после равны 0.206 ч^–1 и 0.154 ч^–1 соответственно. Доверительные интервалы для средних значений равны соответственно 0.011 ч^–1 и 0.009 ч^–1 на 95%-м уровне достоверности. Различие между средними значениями на 5 σ выглядит вполне убедительно. Таким образом, обнаружено некоторое понижение глобальной сейсмичности после SSC.

2.    ОБСУЖДЕНИЕ

Воздействие электромагнитного поля на горные породы может быть силовым, тепловым или хими- ческим. Идея химического воздействия высказывалась в связи с экспериментами по закачке в земную кору мощных импульсов тока от МГД-генератора (см., например, обзор [Бучаченко, 2014]). В нашем случае действие химического механизма можно представить себе следующим образом. Токи Фуко, индуцированные переменным магнитным полем, модифицируют гетерогенную среду в результате электрохимических реакций на межфазных границах. Это возможно, однако сомнительно, что локальные электрохимические превращения в горных породах под действием SSC могут повлиять на сейсмичность. Во всяком случае довольно трудно оценить продуктивность данной идеи без дополнительного исследования. Такое же сомнение возникает и в отношении теплового механизма. Можно корректно рассчитать нагрев горных пород индукционными токами Фуко, как это сделано, например, в работе [Файнберг и др., 2004], но не вполне ясно, каким образом такой нагрев влияет на вероятность возникновения землетрясения. Не намного лучше обстоит дело и с вопросом о силовом воздействии SSC на земную кору, но в этом случае можно поставить задачу, интересную, по крайней мере, с методической точки зрения [Гульельми, 1992]. Речь идет о пондеромоторном взаимодействии между корой и ядром Земли. Кратко изложим эту постановку.

Пондеромоторная сила, действующая на единичный объем горной породы, равна

F = ¹ j x B ,                                    (1)

c где B — постоянное геомагнитное поле, источники которого сосредоточены в земном ядре, j — плотность токов Фуко, индуцированных в земной коре магнитным импульсом SSC, c — скорость света. Магнитное поле внешних источников SSC почти однородно по периметру Земли. Можно считать, что оно перпендикулярно плоскости геомагнитного экватора и направлено с юга на север. Поле проникает в земную кору на глубину скин-слоя

5 ~ с т / q , (2)

где τ — характерное время нарастания переднего фронта SSC, σ — электропроводность горных пород. В тонком слое толщиной δ и сосредоточены токи j . Пользуясь правилом Ленца, нетрудно определить, что токи текут по азимуту с востока на запад. Тогда из формулы (1) следует, что пондеромо-торные силы аксиально-симметричны. На геомагнитном экваторе силы направлены радиально к центру Земли, а на средних широтах в обоих полушариях силы имеют касательные составляющие, направленные к экватору.

Очевидно, что спорадическое взаимодействие такого рода между корой и ядром происходит не только при SSC, но и при других глобальных возмущениях геомагнитного поля. В настоящее время не ясно, насколько эффективными окажутся деформации земной коры при таком взаимодействии. Определение деформаций требует решения довольно сложной задачи теории упругости при заданном рас- пределении пондеромоторных сил, приложенных к сферическому слою толщиной δ. Следует заметить, что сама идея магнитного взаимодействия между корой и ядром Земли еще не объясняет, как можно интерпретировать связь землетрясений с SSC.

Теперь кратко обсудим тенденции экспериментального исследования сейсмоэлектромагнитных связей. Прежде всего выделим работы по искусственной модификации региональной сейсмичности путем закачки в земную кору импульсов тока от МГД-генератора [Тарасов, 1997; Тарасов и др., 1999, 2001; Авагимов и др. 2005; Бучаченко, 2014]. Публикации по исследованию геоэлектромагнитных предвестников землетрясений разделим на две категории. К первой отнесем статьи, посвященные анализу предвестников отдельных событий, например Суматра-Андаманского землетрясения или землетрясения Тохоку [Fraser-Smith et al., 1990; Bernardi et al., 1991; Гуфельд и др., 1992; Hayakawa et al., 1996, 2000; Merzer, Klemperer, 1997; Собисевич, Собисевич, 2010; Собисевич и др., 2010; Schekotov et al., 2012]. Вторая категория включает статьи, посвященные статистическому исследованию корреляционных связей между локальной, региональной или глобальной сейсмичностью и геоэлектромагнитными возмущениями [Husamiddinov, 2000; Закржевская, Соболев, 2002; Duma, Ruzhin, 2003; Balasis et al., 2011; Адушкин и др., 2012; Гульельми, Зотов, 2012; Зотов и др., 2013]. Следует подчеркнуть, что приведенные здесь ссылки не исчерпывают списка публикаций.

Из многообразия магнитных предвестников, исследованных в работах каждой категории, удобно выделить два класса предвестников: внутренние и внешние. Они характеризуются тем, что источники магнитных сигналов, предшествующих землетрясениям, располагаются соответственно в земной коре и во внешних геосферах (ионосфере и магнитосфере). Внутренние предвестники исследовались, например, в работах [Fraser-Smith et al., 1990; Гульельми, Зотов, 2012], а внешние — в работах [Закржевская, Соболев, 2002; Duma, Ruzhin, 2003]. К особому классу целесообразно отнести смешанные предвестники. В этом случае первичные источники магнитного поля никак не связаны с землетрясениями. Они располагаются в ионосфере и магнитосфере. Предвестник формируется вторичными (индуцированными) источниками в земной коре за счет пространственно-временной вариации электропроводности горных пород в процессе подготовки землетрясения. Интересный пример этого описан в работе [Schekotov et al., 2012]. Более подробное обсуждение систематики сейсмомагнитных связей выходит за рамки настоящего исследования (см., например, [Зотов и др., 2013]).

Следует отметить широкий спектр мнений по вопросу взаимосвязи электромагнитных и сейсмических явлений. Изредка появляются полемические статьи с резкой критикой результатов исследования по данной тематике (см., например, [Masci, 2011]). В большинстве же статей приводятся факты в пользу идеи реальности указанной связи. Далеко не полный список публикаций такого рода можно найти в обзорах [Hayakawa, 2001; Hattori, 2004; Гульельми, 2007].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мы попытались поддержать интерес геофизического сообщества к обсуждавшейся уже не раз задаче, представив еще одно эмпирическое подтверждение связи между землетрясениями и SSC. Выбор именно этой частной задачи был мотивирован главным образом простотой ее формулировки. Удалось обнаружить понижение глобальной сейсмичности после SSC.

Мы не склонны преувеличивать познавательную ценность установленной связи между SSC и землетрясениями. В самом деле, описание любой эмпирической связи является лишь необходимым шагом к пониманию, т. е., в конечном счете, к построению физико-математической модели природного явления. Но теоретической интерпретации связи SSC с землетрясениями пока что найти не удалось. Мы считаем такое положение довольно критическим, поэтому необходимо продолжение исследований в надежде отыскать ключ к решению интересной и важной проблемы.