Ionospheric Perturbations after Stromboli Volcano Eruptions

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Исследования высокоэнергетических наземных источников, к числу которых можно отнести вулканические извержения, интересны как из-за их влияния на среду обитания человека, так и как примеры сильных воздействий на внешние геосферы, позволяющие судить о механизмах этих воздействий.

В последнее время ионосферный отклик на подобные события изучают посредством ГНСС, измеряя вариации полного электронного содержания (ПЭС) (см., например, [Куницын и др., 2011; Dautermann et al., 2009]). При этом предполагается, что основной вклад в ПЭС обусловлен максимумом ионизации в верхней ионосфере. Между тем традиционное вертикальное зондирование ионосферы посредством наземных ионозондов, используемое, в частности, для изучения вариаций плотности в максимуме ионизации, также остается достаточно информативным инструментом исследований.

В настоящей работе посредством вертикального зондирования ионосферы проводится анализ и интерпретация специфических вариаций критической частоты ионосферного F2-слоя в период сильного извержения вулкана Стромболи в виде двух эксплозий в июле и августе 2019 г. [Спивак и др., 2020; Спивак, Рябова, 2020], а также после возобновления вулканической активности 9 октября 2022 г.

Действующий вулкан Стромболи расположен на одноименном маленьком вулканическом острове, в архипелаге Липарских островов, в Тирренском море, примерно в 75 км к северу от о. Сицилия. Географические координаты – 38.786о с.ш., 15.218о в.д. Вулкан Стромболи состоит из более древнего и разрушенного андезитового конуса и современного базальтового усеченного конуса [Giordano, De Astis, 2021]. Высота вулкана Стромболи составляет свыше 900 м над уровнем моря; примерно две трети общей высоты находится под водой.

По данным бюллетеня Национального института геофизики и вулканологии Италии (INGV) № 84/2019 от 09.07.2019 г. [https://www.ct.ingv.it] вулкан Стромболи активизировался в ~13:45 UT 3 июля 2019 г., при этом наблюдалось повышенное газовыделение на участке склона, расположенного в ~100 м от кратера. В ~14:45 UT произошла сильная эксплозия (пароксизм) на всей террасе кратера, породившая два пирокластических потока, которые продвинулись примерно на 1 км по морю за пределы береговой линии. Столб извержения поднялся примерно на 4 км над вершиной и сопровождался интенсивным выпадением шлака и пемзы, в основном вокруг деревни Гиностра в юго-западном секторе вулкана. Средняя вертикальная скорость радиально расширяющегося облака взрыва составляла ~ 91‒103 м/с в первые 2 с после взрыва [Andronico et al., 2021].

28 августа 2019 г. в 10:17 UT произошел новый пароксизм. Событие затронуло центрально-южную часть террасы кратера. Столб извержения поднялся более чем на 4 км, вулканические продукты выпали вдоль склонов вулкана, достигая береговой линии. Вулканическая активность сопровождалась образованием вдоль Скьяра-дель-Фуоко пирокластического потока, вызвавшего цунами.

По данным бюллетеня Национального института геофизики и вулканологии Италии (INGV) № 41/2022 от 11.10.2022 г. [https://www.ct.ingv.it] вулканическое дрожание, сопровождающееся развитием эксплозивной активности, усилилось по амплитуде с 06:24 UT и наблюдалось на высоком уровне в период между 10 и 12 UT и около 16:00 UT 09.10.2022 г. (рис. 1а). В 09:22 LT (07:22 UT) системой мониторинга был зафиксирован пирокластический поток, сошедший в море, и последующее обрушение части обода кратера.

 

Рис. 1. График вулканического дрожания Стромболи (запись вверх‒вниз) за 09.10.2022 г., адаптированный из данных, представленных на сайте [http://www.ct.ingv.it/] (а); вариации геомагнитного поля на станции “Гальяно” за 09.10.2022 г. (б); стрелками обозначены начала высоких значений вулканического дрожания.

 

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДЫ

Если рассматривать извержение вулкана как точечный источник взрывного типа, то можно ожидать возбуждение в атмосфере (в том числе в результате эксплозий и вулканического дрожания) акустико-гравитационных волн (АГВ). Эти волны характеризуются тем, что имеют вертикальные скорости, которые позволяют им достигать ионосферы, где за счет столкновений движущихся нейтральных частиц с ионами возможно возникновение вариаций плотности плазмы, т.е. возможен ионосферный отклик, регистрируемый, например, посредством ионозондов.

В качестве характеристики ионосферы в нашем исследовании использовались результаты определения критической частоты F2-слоя на основе анализа ионограмм, полученных в ходе высотно-частотного зондирования ионосферы на станциях “Гибильманна”, “Рим” и “Сан Вито” (табл. 1).

 

Таблица 1. Пункты наземного зондирования ионосферы

Пункт	URSI	Широта	Долгота	Расстояние	Ионозонд
Гибильманна	GM037	37.9	14.0	167	AIS-INGV
Рим	RO041	41.9	12.5	443	AIS-INGV
Сан Вито	VT139	40.6	17.8	345	Дигизонд DPS-4D

 

Ионограммы регистрируют следы отражений высокочастотных импульсных радиосигналов, генерируемых ионозондами, от различных слоев ионосферы. Обработка и анализ ионограмм дают информацию о состоянии основных ионосферных слоев (F2, F1, E, Es) [Perrone et al., 2017; Mochalov, Mochalova, 2019] и о высотном профиле электронной концентрации в ионосфере [Scotto, 2009; Scotto et al., 2012].

На станциях наземного зондирования ионосферы “Гибильманна” и “Рим”, расположенных на расстояниях от вулкана ~170 и 440 км соответственно, зондирование выполнялось каждые 15 мин с помощью ионозонда AIS-INGV. Технические характеристики ионозонда: мощность излучения передатчика 5−10 Вт, диапазон зондируемых частот 1−20 МГц, длительность сканирования по частоте 3 мин. Высотно-частотное зондирование на станции “Сан Вито”, расположенной на расстоянии 345 км от вулкана, проводилось с дискретизацией 15 мин (2019 г.) и 7.5 мин (2022 г.) с помощью дигизонда DPS-4D. Технические характеристики ионозонда: мощность излучения передатчика 300 Вт, диапазон зондируемых частот 1–30 МГц, длительность зондирующего импульса 533 мкс.

Ионограммы и результаты их автоматической обработки размещены на сайте Национального института геофизики и вулканологии Италии [http://www.ct.ingv.it/]. При проведении настоящих исследований в процессе анализа экспериментальных данных каждая ионограмма подвергалась ручной обработке и интерпретации по методике URSI [Руководство …, 1977]. Следует отметить, что определение ионосферных характеристик, в том числе критической частоты F2-слоя, часто затруднено. При анализе ионограмм отсутствие измерений или сомнительность в правильности определения характеристики помечались в соответствии с принятыми обозначениями [Wakai et al., 1987].

При выполнении настоящих исследований проводился анализ особенностей временных и спектральных вариаций цифрового ряда значений критической частоты F2-слоя. Следует отметить, что с целью выделения малоамплитудных аномалий в вариациях критической частоты F2-слоя ионосферы оценивались фоновые вариации f₀F2, как медианные значения (уровень показателя, который делит набор данных на две равные половины) за месяц, в котором происходило рассматриваемое извержение вулкана Стромболи.

Мы использовали в нашей работе спектральный анализ вариаций f₀F2 с применением вейвлет-анализа, обеспечивающий заметные преимущества по сравнению с классическим спектральным анализом и позволяющий получить временные локализации спектральных компонент временного ряда [Астафьева, 1996; Torrence, Compo, 1998]. Метод вейвлет-анализа показал свою эффективность при анализе геомагнитных вариаций [Adhikari et al., 2017; Riabova, 2022]. Вейвлет-анализ позволяет выявить временные свойства изучаемого временного ряда, получить локальную высокочастотную и глобальную крупномасштабную информацию достаточно точно и без избыточности, а также позволяет судить о том, в какой момент времени появились те или иные компоненты сигнала [Амосов, Муллер, 2014].

В настоящей работе использовалось непрерывное вейвлет-преобразование [Torrence, Compo, 1998], а в качестве базисного вейвлета использовался вейвлет Морле [Grossmann, Morlet, 1984]. Представление результатов вейвлет-преобразования оформлено в виде скалограмм (локальный спектр энергии) с учетом “краевых” эффектов (конус влияния) [Riabova, 2018].

РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА ПОВЕДЕНИЯ КРИТИЧЕСКОЙ ЧАСТОТЫ F2-СЛОЯ ИОНОСФЕРЫ В ПЕРИОД АКТИВНОСТИ ВУЛКАНА СТРОМБОЛИ

Результаты регистрации суточного хода критической частоты f₀F2 за 03.07.2019 г. на станции “Сан Вито” представлены на рис. 2. Анализ данных о временной изменчивости критической частоты F2-слоя ионосферы свидетельствует о том, что активная стадия вулканического извержения сопровождается вариациями f₀F2 на станции “Сан Вито” в виде снижения с 4.5 МГц (15:00 UT) до 2.6 МГц (15:45 UT), дальнейшего значительного увеличения до 7.9 МГц (16:00 UT) и снижения до 2.9 МГц (17:00 UT).

 

Рис. 2. Вариации критической частоты F2-слоя f₀F2 за 03.07.2019 г. по данным станции “Сан Вито”, момент эксплозии обозначен вертикальной стрелкой.

 

Следующая вулканическая активность Стромболи 28 августа 2019 г. вызвала изменения в ходе суточной изменчивости критической частоты F2-слоя ионосферы. На рис. 3 приведены результаты определения критической частоты F2-слоя на станции “Сан Вито”. Данные рис. 3 свидетельствуют о том, что в период приблизительно с 10:30 UT до 13:00 UT было зарегистрировано возникновение хорошо выраженных аномальных вариаций критической частоты F2-слоя ионосферы, при этом наблюдалось резкое увеличение критической частоты с 4.8 МГц (10:30 UT) до 8 МГц (10:45 UT), резкое снижение до 3 МГц (11:45 UT) и повышение до 5 МГц (13:00 UT) и выход на фоновые значения в 13:30 UT.

 

Рис. 3. Вариации критической частоты F2-слоя f₀F2 за 28.08.2019 г. по данным станции “Сан Вито”, момент эксплозии обозначен вертикальной стрелкой.

 

Следует отметить тот факт, что рассматривались данные зондирования ионосферы только станции “Сан Вито”, а на станциях “Гибильманна” и “Рим” в рассмотренные периоды активной деятельности вулкана Стромболи в 2019 г. оно не выполнялось.

Доступность данных наземного зондирования ионосферы на станциях “Гибильманна”, “Рим” и “Сан Вито” в период вулканической активности Стромболи 09.10.2022 г. предоставила хорошую возможность сравнить отклики F2-слоя ионосферы на этих трех станциях вблизи вулкана. Здесь с целью выделения малоамплитудных аномалий в вариациях критической частоты F2-слоя ионосферы оценивались фоновые вариации f₀F2, как медианные значения (уровень показателя, который делит набор данных на две равные половины) за месяц, в который рассматривается эксплозивное событие.

Результаты регистрации суточного хода критической частоты f₀F2 за 09.10.2022 г. на станции “Рим”, а также ее медианные (за октябрь 2022 г.) значения представлены на рис. 4а. Кроме того на рис. 4б приведена разница между значениями f₀F2 за 09.10.2022 г. и медианными значениями за октябрь 2022 г. Анализ данных, представленных на рис. 4, показал следующее. За время с 07:15 до 07:30 UT значение f₀F2 на станции “Рим” увеличилось с 9.3 до 10 МГц, затем снизилось до 9.6 МГц (07:45 UT), далее поднялось до 10.2 МГц к 8:00 UT и вновь снизилось до 9.4 МГц к 8:15 UT, за снижением последовало увеличение до 10.2 МГц (8:30 UT) с последующим снижением до 9.5 (9:00 UT). Заметные увеличения критической частоты F2-слоя ионосферы по сравнению с фоновыми наблюдались с 11:15 по 13:45 UT и с 17:00 по 18:45 UT.

 

Рис. 4. Суточный ход критической частоты F2-слоя (f₀F2) за 09.10.2022 г. на станции мониторинга ионосферы “Рим” – сплошные линии; медианные месячные значения f₀F2 за октябрь того же года – пунктирные кривые (а); суточный ход разницы ∆f₀F2 между значениями f₀F2 за 09.10.2022 г. и медианными значениями за октябрь 2022 г. (б); стрелками обозначены начала высоких значений вулканического дрожания.

 

Аналогичный ход аномалий нами выявлен на станции “Сан Вито”. Результаты регистрации суточного хода критической частоты f₀F2 за 09.10.2022 г. на станции “Сан Вито”, а также ее медианные (за октябрь 2022 г.) значения представлены на рис. 5а. Разница между значениями f₀F2 за 09.10.2022 г. и медианными значениями за октябрь 2022 г. приведена на рис. 5б. Как видно из рис. 5, заметные знакопеременные вариации критической частоты F2-слоя ионосферы по сравнению с фоновыми наблюдались с 07:15 до 09:22 UT, с 11:15 по 13:37 UT и с 16:52 по 19:07 UT.

 

Рис. 5. Суточный ход критической частоты F2-слоя (f₀F2) за 09.10.2022 г. на станции мониторинга ионосферы “Сан Вито” – сплошные линии; медианные месячные значения f₀F2 за октябрь того же года – пунктирные кривые (а); суточный ход разницы ∆f₀F2 между значениями f₀F2 за 09.10.2022 г. и медианными значениями за октябрь 2022 г. (б); стрелками обозначены начала высоких значений вулканического дрожания.

 

Особый интерес представляют результаты анализа вариаций на станции “Гибильманна”, расположенной южнее вулкана Стромболи, в отличие от станций “Рим” и “Сан Вито”, находящихся к северу от вулкана. Также отметим, что эта самая близкая к вулкану ионосферная станция (см. табл. 1). Как видно из рис. 6, за время с 07:15 до 07:30 UT значение f₀F2 на станции “Гибильманна” снизилось с 9.6 до 8.9 МГц, затем возросло до 10.6 МГц (8:00 UT), далее снизилось до 9.8 МГц к 8:15 UT и вновь повысилось до 10.9 МГц к 8:30 UT, за повышением последовало снижение до 9.8 МГц (9:00 UT) с последующим повышением до 10.7 (9:15 UT). По виду ход аномалий критической частоты F2-слоя на станции “Гибильманна” оказывается противоположным ходу на станциях “Сан Вито” и “Рим”. Однако различное расположение станций относительно эпицентра по расстоянию и по отношению к наклонению геомагнитного поля не позволяет непосредственно сопоставлять наблюдаемые на них возмущения. Заметные увеличения критической частоты F2-слоя ионосферы по сравнению с фоновыми наблюдались с 11:45 по 14:00 UT в виде положительной бухты.

 

Рис. 6. Суточный ход критической частоты F2-слоя (f₀F2) за 09.10.2022 г. на станции мониторинга ионосферы “Гибильманна” – сплошные линии; медианные месячные значения f₀F2 за октябрь того же года – пунктирные кривые (а); суточный ход разницы ∆f₀F2 между значениями f₀F2 за 09.10.2022 г. и медианными значениями за октябрь 2022 г. (б); стрелками обозначены начала высоких значений вулканического дрожания.

 

В дополнение к анализу временных вариаций критической частоты F2-слоя был выполнен спектральный анализ на основе вейвлет-преобразования. В качестве примера на рис. 7 приведены результаты вейвлет-анализа в виде оценки локального спектра энергии – скалограммы. Из рис. 7 видно, что отмеченные выше аномалии, связанные с вулканической активностью Стромболи, проявляются в диапазоне частот 30−50 мин. Здесь следует отметить, что более детальную информацию невозможно получить из-за 15-минутного режима зондирования ионосферы.

 

Рис. 7. Скалограмма вариаций критической частоты F2-слоя за 09.10.2022 г. на станции мониторинга ионосферы “Рим”.

 

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведенные экспериментальные результаты свидетельствуют о достаточно интересной картине отклика ионосферы на сопровождающие извержения процессы. Так, в обоих случаях после эксплозий (в июле и августе 2019 г.) и приблизительно через 15 мин после них в ионосфере вблизи от источника были зарегистрированы достаточно продолжительные по времени (от часа до двух) волновые возмущения с периодами порядка 30 мин. Время их появления соответствует распространению акустического импульса до верхней ионосферы. Однако 15-минутный режим зондирования не позволил зарегистрировать точно приход акустического сигнала и его структуру. Вместе с тем, нет оснований предполагать быструю релаксацию возмущения к равновесному состоянию после прохождения акустического импульса. Дело в том, что в месте прохождения акустического импульса во вращающейся атмосфере после исчезновения возмущающей силы происходит процесс геострофической адаптации [Обухов, 1949], при котором часть энергии первоначального возмущения уносится акустико-гравитационными волнами, а другая (вихревая) часть остается локализованной в области первоначального возмущения и его окрестностях. Соответственно, должны существовать долгоживущие локализованные ионосферные возмущения, инициированные импульсными атмосферными процессами и исчезающие под влиянием сравнительно медленной диссипации [Шалимов, 2018]. При этом подобные долгоживущие ионосферные возмущения как раз и могли быть зарегистрированы после эксплозий при вертикальном зондировании (см. рис. 2, 3).

В случае события 09.10.2022 г. появление возмущений F-слоя развивалось на фоне его быстрого подъема, и первые заметные переколебания были зарегистрированы приблизительно через 40 мин после начала вулканического дрожания и продолжились позднее. Это время соответствует приходу атмосферной внутренней волны (ВГВ) на высоты F-слоя. Зарегистрированные периоды возмущений (порядка 30‒40 мин) также соответствуют внутренним волнам. Источником этих волн могли стать как вулканическое дрожание (и сопутствующие ему процессы подъема магмы), начавшееся в 06:24 UT, так и пирокластический поток. Отметим, что приблизительно через 20 мин после начала вулканического дрожания прохождение атмосферных внутренних волн через нижнюю ионосферу проявилось как магнитные вариации на станции “Гальяно” (GLA; 37.71о с.ш., 14.57о в.д.) в 138 км от источника (см. рис. 1б). Данные регистрации магнитных вариаций на станции “Гальяно” размещены на сайте Национального института геофизики и вулканологии Италии [http://www.ct.ingv.it/]. Распространение ВГВ в плазме нижней ионосферы, обусловливающее магнитные вариации на земной поверхности, рассмотрено в работе [Куницын, Шалимов, 2011].

Если использовать оценочную формулу для основного периода ВГВ Т = Т_В (L/h), где T_B ‒ период, соответствующий частоте Брента-Вяйсяля, L ‒ расстояние от источника до пункта регистрации сигнала, h ‒ высота в ионосфере, то ожидаемый период вариаций на станции “Гальяно” (около 8 мин) отличается от зарегистрированного (15‒25 мин). Отметим однако, что данная оценочная формула не учитывает влияние ветра на распространение ВГВ. При наличии ветра возникает доплеровский сдвиг, который может снижать частоту волны [Fritts, VanZandt, 1987]. Этот же эффект может влиять и на снижение частот сигналов, регистрируемых в F-слое ионосферы в соответствии с наблюдениями.

Таким образом, в настоящей работе в ходе обработки и анализа результатов высотно-частотного зондирования на ионосферных станциях вблизи вулкана Стромболи сделан вывод о воздействии на ионосферу атмосферных акустико-гравитационных волн, генерируемых вулканической активностью и обусловливающих возникновение в ионосфере долгоживущих возмущений. Следует отметить, однако, что проведенный в работе анализ зарегистрированных в ионосфере сигналов АГВ позволяет сделать лишь предварительные выводы, поскольку для получения полной информации о структуре сигналов необходимо использовать данные более частого режима зондирования ионосферы.

ИСТОЧНИКИ ФИНАНСИРОВАНИЯ

Сбор и обработка экспериментальных данных, а также описание полученных при обработке данных выполнены в рамках государственного задания ИДГ РАН № 1220329000185-5 “Проявление процессов природного и техногенного происхождения в геофизических полях”, интерпретация результатов выполнена в рамках государственного задания ИФЗ РАН.

About the authors

S. A. Riabova

Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences; Sadovsky Institute of Geosphere Dynamics of Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: riabovasa@mail.ru
Russian Federation, Bolshaya Gruzinskaya str., 10, bld. 1, Moscow, 123242; Leninsky prosp., 38, bld. 1, Moscow, 119334

S. L. Shalimov

Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences

Email: pmsk7@mail.ru
Russian Federation, Bolshaya Gruzinskaya str., 10, bld. 1, Moscow, 123242

References

Supplementary files