Электромагнитные УНЧ поля на земной поверхности и в ионосфере от подземного сейсмического источника

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Построен теоретический формализм для расчета электромагнитных полей в системе атмосфера–ионосфера, создаваемых подземным горизонтальным токовым источником конечной длины. На основании этой теории разработана численная модель с реалистичным профилем ионосферы, находящейся в вертикальном геомагнитном поле. Показано, что кажущийся импеданс электромагнитного поля подземного источника на земной поверхности на порядок превышает импеданс Земли, что может быть использовано для дискриминации возмущений от сейсмогенных источников. Представленные результаты численного моделирования позволяют связать возмущения приземного магнитного поля и электрического поля в ионосфере, создаваемые крупномасштабным подземным источником. На основании этих модельных оценок сделан вывод, что многие из найденных в спутниковых данных ультранизкочастотных возмущений электрического поля перед землетрясениями нельзя связать с прямым излучением сейсмогенных источников.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Н. Г. Мазур

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: ngmazur@mail.ru
Россия, Москва

Е. Н. Федоров

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Email: enfedorov1@yandex.ru
Россия, Москва

В. А. Пилипенко

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Email: space.soliton@gmail.com
Россия, Москва

К. Е. Боровлева

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Email: k.borovlyova@gmail.com
Россия, Москва

Список литературы

  1. Бучаченко А.Л., Ораевский В.Н., Похотелов О.А., Сорокин В.Н., Страхов В.Н., Чмырев В.М. Ионосферные предвестники землетрясений // Успехи физических наук. 1996. Т. 166. №9. C. 1023–1029.
  2. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: Наука. 1967. 685 с.
  3. Гохберг М.Б., Гуфельд И.Л., Гершензон Н.И., Пилипенко В.А. Эффекты электромагнитной природы при разрушении земной коры // Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли. 1985. № 1. C. 72–87.
  4. Гульельми А.В., Левшенко В.Т. Электромагнитные сигналы из очага землетрясения // Физика Земли. 1997. № 9. C. 22–30.
  5. Костерин Н.А., Пилипенко В.А., Дмитриев Э.М. О глобальных УНЧ электромагнитных сигналах перед землетрясениями // Геофизические исследования. 2015. Т. 16. № 1. С. 24–34.
  6. Лосева Т.В., Кузьмичева М.Ю., Спивак А.А. Электрические и магнитные сигналы при стесненных движениях блоков земной коры // Докл. РАН. 2010. Т. 432. № 5. С. 685–688.
  7. Лосева Т.В., Спивак А.А., Кузьмичева М.Ю. Дипольная модель генерации электрических импульсов при релаксационных процессах в земной коре // Докл. РАН. 2012. Т. 442. № 3. С. 401–404.
  8. Молчанов О.А. Передача электромагнитных полей от сейсмических источников в верхнюю ионосферу Земли // Геомагнетизм Аэрономия. 1991. Т. 31. № 1. С. 111–119.
  9. Пилипенко В.А., Федоров Е.Н., Мазур Н.Г., Климов С.И. Электромагнитное “загрязнение” околоземного космического пространства излучением ЛЭП // Солнечно-земная физика. 2021. Т. 7. № 3. С. 3–12. doi: 10.12737/szf-71202101
  10. Федоров Е.Н., Мазур Н.Г., Пилипенко В.А. Электромагнитные поля в верхней ионосфере от горизонтального КНЧ наземного излучателя конечной длины // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2022. Т. 65. № 9. С. 697–712. doi: 10.52452/00213462_2022_65_09_697
  11. Финкель В.М. Физические основы торможения разрушения. 1977. М. 359 с.
  12. Чмырев В.М., Исаев Н.В., Биличенко С.В. Электрические поля и гидромагнитные волны в ионосфере над очагом землетрясения // Геомагнетизм и аэрономия. 1986. Т. 26. C. 1020–1022.
  13. Athanasiou M.A., Anagnostopoulos G.C., David C.N., Machairidis G.G. The ultra low frequency electromagnetic radiation observed in the topside ionosphere above boundaries of tectonic plates // Research in Geophysics. 2014. V. 4. P. 5001. doi: 10.4081/rg.2014.5001
  14. Baños A. Dipole radiation in the presence of a conducting half-space. Pergamon. NY. 1966. 263 p.
  15. Bleier T., Dunson C., Maniscalco M., Bryant N., Bambery R., Freund F. Investigation of ULF magnetic pulsations, air conductivity changes, and infra red signatures associated with the 30 October Alum Rock M5.4 earthquake // Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 2009. V. 9. P. 585–603, doi: 10.5194/nhess-9-585-2009
  16. Bortnik J., Cutle J.W., Dunson C., Bleier T.E. The possible statistical relation of Pc1 pulsations to Earthquake occurrence at low latitudes // Annales Geophysicae. 2008. V. 26. P. 2825–2836.
  17. Bortnik J., Bleier T. E., Dunson C., Freund F. Estimating the seismotelluric current required for observable electromagnetic ground signals // Annales Geophysicae. 2010. V. 28. P. 1615–1624, doi: 10.5194/angeo-28-1615-2010
  18. Chmyrev V.M., Isaev N.V., Bilichenko S.V., Stanev G. Observation by space-borne detectors of electric fields and hydromagnetic waves in the ionosphere over an earthquake center // Phys. Earth Planet. Inter. 1989. V. 57. P. 110.
  19. Chmyrev V., Smith A., Kataria D., Nesterov B., Owen C., Sammonds P., Sorokin V., Vallianatos F., Detection and monitoring of earthquake precursors: TwinSat, a Russia–UK satellite project // Advances in Space Research. 2013. V. 52. P. 1135–1145
  20. Dong J., Gao Y., Hayakawa M. Analysis on subaerial electric field radiated by a unit electric current source in the ground // IEEJ Trans. FM. 2005. V. 125. № 7. P. 591–595.
  21. Fedorov E.N., Mazur N.G., Pilipenko V.A., Vakhnina V.V. Modeling ELF electromagnetic field in the upper ionosphere from power transmission lines // Radio Science. 2020. V. 55. e2019RS006943. doi: 10.1029/2019RS006943
  22. Fedorov E.N., Mazur N.G., Pilipenko V.A. Electromagnetic response of the mid-latitude ionosphere to power transmission lines // J. Geophysical Research. 2021. V. 126. e2021JA029659. doi: 10.1029/2021JA029659
  23. Freund F.T., Heraud J.A., Centa V.A., Scoville J. Mechanism of unipolar electromagnetic pulses emitted from the hypocenters of impending earthquakes // Eur. Phys. J. Spec. Top. 2021. V. 230. P. 47–65. doi: 10.1140/epjst/e2020-000244-4
  24. Hattori K. ULF Geomagnetic changes associated with large earthquakes // Terrestrial, Atmospheric and Oceanic Sciences. 2004. V. 15. № 3. P. 329–360.
  25. Hayakawa M., Kawate R., Molchanov O.A., Yumoto K. Results of Ultra-Low-Frequency magnetic field measurements during the Guam earthquake of 8 August 1993 // Geophys. Res. Lett. 1996. V. 23. P. 241–244.
  26. Honkura Y., Kuwata Y. Estimation of electric-fields in the conducting earth’s crust for oscillating electric-current dipole sources and implications for anomalous electric-fields associated with earthquakes // Tectonophysics. 1993. V. 224. P. 257–263.
  27. King R.W.P., Smith G.S., Owens M., Wu T.T. Antennas in matter: Fundamentals, theory and applications. MIT Press. Cambridge. 1981.
  28. Kodama T., Molchanov O.A., Hayakawa M. NASDA earthquake remote sensing frontier research – Feasibility of satellite observation of Seismo-electromagnetics // Advances Space Res. 2000. V. 26. P. 1281–1284.
  29. Li Z., Yang B., Huang J., Yin H., Yang X., Liu H., Zhang F., Lu H. Analysis of pre-earthquake space electric field disturbance observed by CSES // Atmosphere. 2022. V. 13. P. 934. https://doi.org/10.3390/atmos13060934
  30. Lockner D.A., Johnston M.J.S., Byerlee J. A mechanism to explain the generation of earthquake lights // Nature. 1983. V. 302. № 59. P. 3–9.
  31. Losseva T.V., Nemchinov I.V. Earthquake lights and rupture processes // Natural Hazards and Earth System Science. 2005. V. 5. P. 649–656.
  32. Molchanov O.A., Hayakawa M. Generation of ULF electromagnetic emissions by microfracturing // Geophys. Res. Lett. 1995. V. 22. P. 3091–3094.
  33. Parrot M. Electromagnetic disturbances associated with earthquakes: An analysis of ground-based and satellite data // Journal Scientific Exploration. 1990. № 4. P. 203.
  34. Parrot M. DEMETER satellite and detection of earthquake signals // Natural Hazards. 2008. P. 115–138. doi: 10.1201/9781315166841
  35. Parrot M., Lil M. DEMETER results related to seismic activity // Radio Science Bulletin. 2015. № 355. P. 18–25.
  36. Picozza P., Conti L., Sotgiu A. Looking for earthquake precursors from space: A critical review // Frontiers Earth Sci. 2021. V. 9. 676775. doi: 10.3389/feart.2021.676775
  37. Pilipenko V., Vellante M., Anisimov S., De Lauretis M., Fedorov E., Villante U. Multi-component ground-based observation of ULF waves: goals and methods // Annali Geofisica. 1998. V. 41. № 1. P. 63–77.
  38. Pilipenko V., Nenovski P., Tanaka H. Detection and discrimination of VLF/ULF seismic-related electromagnetic emissions // Bulgarian Geophysical Journal. 2005. V. 29. P. 13–30.
  39. Ouyang X.Y., Parrot M., Bortnik J. ULF wave activity observed in the nighttime ionosphere above and some hours before strong earthquakes // Journal of Geophysical Research. 2020. V. 125. e2020JA028396. doi: 10.1029/2020JA028396
  40. Sgrigna V., Buzzi A., Conti L., Picozza P., Stagni C., Zilpimiani D. The ESPERIA satellite project for detecting seismo-associated effects in the topside ionosphere. First instrumental tests in space // Earth Planets Space. 2008. V. 60. P. 463–475.
  41. Simões F., Pfaff R., Berthelier J.-J., Klenzing J. A review of low frequency electromagnetic wave phenomena related to tropospheric-ionospheric coupling mechanisms // Space Science Review. 2012. V. 168. P. 551–593. doi: 10.1007/s11214-011-9854-0.
  42. Surkov V.V., Hayakawa M. Ultra and Extremely Low Frequency Electromagnetic Fields. Springer. 2014.
  43. Surkov V.V., Hayakawa M. ULF geomagnetic perturbations due to seismic noise produced by rock fracture and crack formation treated as a stochastic process // Physics and Chemistry of the Earth. 2006. V. 31. P. 273–280.
  44. Tian X., Hata M. Analysis of seismogenic radiation and transmission mechanisms // J. Atmospheric Electricity. 1996. V. 16. № 3. P. 227–235.
  45. Walker S.N., Kadirkamanathan V., Pokhotelov O.A. Changes in the ultra-low frequency wave field during the precursor phase to the Sichuan earthquake: DEMETER observations // Annales Geophysicae. 2013. V. 31. P. 1597–1603, doi: 10.5194/angeo-31-1597-2013
  46. Wang Z., Zhou C., Zhao S., Xu X., Liu M., Liu Y., Liao L., Shen X. Numerical study of global ELF electromagnetic wave propagation with respect to lithosphere–atmosphere–ionosphere coupling // Remote Sensing. 2021. V. 13. P. 4107. doi: 10.3390/rs13204107
  47. Wang Q., Huang J., Zhao S., Zhima Z., Yan R., Lin J., Yang Y., Chu W., Zhang Z., Lu H., Xu S., Liu D., Guo F., Zhou N., Tan Q., Li W., Huang H., Wang J., Sun X., Shen X. The electromagnetic anomalies recorded by CSES during Yangbi and Madoi earthquakes occurred in late May 2021 in west China // Natural Hazards Research. 2022. V. 2. P. 1–10.
  48. Zhima Z., Yan R., Lin J., Wang Q., Yang Y., Lv F., Huang J., Cui J., Liu Q., Zhao S., Zhang Z., Xu S., Liu D., Chu W., Zhu K., Sun X., Lu H., Guo F., Tan Q., Zhou N., Yang D., Huang H., Wang J., Shen X. The possible seismo-ionospheric perturbations recorded by the China-Seismo-Electromagnetic Satellite // Remote Sens. 2022. V. 14. P. 905. https://doi.org/10.3390/rs14040905
  49. Zhu K., Fan M., He X., Marchetti D., Li K., Yu Z., Chi C., Sun H., Cheng Y. Analysis of Swarm satellite magnetic field data before the 2016 Ecuador (Mw = 7.8) earthquake based on non-negative matrix factorization // Frontiers Earth Science. 2021. 9:621976. doi: 10.3389/feart.2021.621976

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схематическое изображение геометрии задачи о подземном токовом источнике c током на глубине h при наличии атмосферы и ионосферы.

Скачать (372KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Пространственная структура амплитуды магнитной компоненты на земной поверхности в направлении вдоль тока для источников с км и A (соответствует точечному диполю) и c км и A. Частота источников Гц, удельная проводимость Земли σg = 10–3 См/м.

Скачать (187KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Пространственная структура амплитуды магнитных компонент и на земной поверхности в направлении поперек тока для источника c км и A на частоте Гц.

Скачать (175KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Профиль кажущихся импедансов и в сравнении с импедансом Земли (штриховая линия) на различных удалениях от источника. Расчет проведен для значений h = –10 км, См/м, L = 50 км, f = 1 Гц.

Скачать (156KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Горизонтальная пространственная структура амплитуды горизонтальных электрических компонент и в верхней ионосфере на высоте км излучения подземного источника c км и A на частоте Гц. Источник ориентирован либо по оси x (ϕ = 0°, сплошная линия), либо по оси y (ϕ = 90°, штриховая линия).

Скачать (219KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024