Геомагнитные пульсации диапазона Pc3 в магнитосфере и земной коре

С давних пор и до наших дней исследование геомагнитных пульсаций привлекает исследователей. Пульсации отличаются разнообразием и красотой форм, сложным и загадочным поведением. Хотя впервые пульсации были обнаружены более полутора веков назад, бурное развитие в исследовании этого уникального явления природы относится к 70-м годам прошлого века. Сейчас нам известно, что геомагнитные пульсации есть МГД волны, занимающие диапазон от миллигерц до нескольких герц. Пульсации классифицируются в основном по морфологическим признакам (период, амплитуда, время появления и локализация). Имеется два основных класса: регулярные Рс и иррегулярные Pi. Предлагались также [Троицкая и Гульельми, 1967; 1973] два других принципа классификации. Один из них основан на связи с другими геофизическими явлениями, такими, как магнитные бури, полярные сияние (коррелятивная классификация), а другой — с механизмом происхождения (генетическая классификация).

Основные источники геомагнитных пульсаций лежат в околоземной плазме — в ионосфере, магнитосфере и в солнечном ветре. Источники формируются в результате различного рода плазменных неустойчивостей, приводящих к генерации волн. На волновое поле пульсаций большое влияние оказывает структура среды, где эти волны распространяются, наличие естественных волноводов и резонаторов, что приводит к сложному спектру колебаний, содержащему различные резонансные гармоники.

С другой стороны, большой интерес у геофизиков всегда вызывал вопрос о связи геомагнитных и сейсмических явлений, особенно в интервале периодов от долей секунды до десятков секунд, т. е. в диапазоне геомагнитных пульсаций. К указанному направлению близко примыкают работы по поиску сейсмо-ионосферных связей. Мы, однако, не будем останавливаться на этой области исследований, бурно развивающейся в последние годы (см., например, монографию [Липеровский и др., 1992] и статью [Орлов и Уралов, 1987]).

Еще в конце XIX века проводились исследования по проблеме предсказания землетрясений. Возмущение геомагнитного поля сейсмическими волнами может возникнуть на основе известных физических явлений, таких как пьезомагнитный эффект, или может быть связано с магнитостатическими колебаниями локальных геомагнитных аномалий в поле сейсмических волн. Первые попытки регистрации сейсмомагнитных эффектов были тщетны. Причины этих неудач, скорее всего, лежали, с одной стороны, в отсутствии единой теории, описывающей генерацию геомагнитного поля сейсмическими сигналами, а с другой стороны, в трудности выделения сигнала на фоне магнитосферных шумов.

Актуальность проблемы: В диссертации исследовано два основных класса геоэлектромагнитных колебаний, отличающихся по своей физической природе. Оба класса морфологически довольно сходны, но генетически существенно различны. В основу этой дихотомии нами положен тот фундаментальный факт, что одни колебания приходят к нам из глубин космоса, другие — из недр Земли. Изучение и тех, и других в настоящее время актуально, поскольку позволяет получить новые знания об этих двух областях пространства, чрезвычайно важных для жизнедеятельности человека.

Относительно хорошо изучены длиннопериодные геомагнитные пульсации в диапазоне частот РсЗ (период колебаний 10−45 с), источником генерации которых являются пучки отраженных протонов перед фронтом околоземной ударной волны. Возбужденные там маг-нитозвуковые волны проникают затем в магнитосферу, трансформируются в альвеновские резонансные колебания геомагнитных силовых линий и наблюдаются на Земле в виде пульсаций РсЗ [Potapov and Mazur, 1994]. Установлены закономерности возрастания частоты с увеличением напряженности межпланетного магнитного поля (ММП), а также усиления интенсивности пульсаций с ростом скорости солнечного ветра и с уменьшением угла между направлением Солнце-Земля и вектором ММП.

Частота альвеновских колебаний силовых линий зависит от распределения плотности холодной плазмы и магнитного поля, являющихся важнейшими характеристиками магнито-сферного резонатора, добротность которого зависит от проводимости ионосферы и диссипации энергии альвеновских волн в магнитосфере. В исследовании собственных частот альвеновских магнитосферных параметров основную роль играет спектральный метод. Сопоставляя спектральные характеристики пульсаций, наблюдающихся в пространственно разнесенных пунктах наблюдения, находят максимум спектральной мощности вдоль меридиана, который соответствует локальной альвеновской резонансной частоте. Для этого требуются одновременные наблюдения, как минимум, на трех равностоящих станциях. В работах [Баранский, 1985; Бест, 1986] предложены градиентный и градиентно-временной методы оценки резонансных частот геомагнитных силовых линий. Эти методы основаны на сравнении спектров пульсаций, зарегистрированных одновременно в двух близко расположенных (50−80 км) точках вдоль одного геомагнитного меридиана. При этом, однако, как и в случае наблюдений на меридиональных цепочках, неизвестным остается номер гармоники, а следовательно, и фундаментальная частота резонатора, что не позволяет однозначно определить плотность плазмы на данной магнитной оболочке. Для исследования состояния магнитосферы и плазмосферы, их поведения во время возмущений очень важно разработать метод, который позволял бы по измерениям пульсаций в одной точке следить за изменениями собственных частот альвеновских колебаний магнитных оболочек, определяемых вариациями плотности фоновой плазмы. В данной диссертации предложен реальный подход к разработке такого метода.

С другой стороны, твердая оболочка Земли также является электродинамически активной средой, способной генерировать электромагнитные колебания. Об этом свидетельствуют специально проводившиеся наблюдения [Белов и др., 1974; Мигунов и др. 1983; Гох-берг и др. 1989; Крылов и Левщенко, 1990], и теоретические исследования [Гульельми, 1986; 1992; Горбачев и Сурков, 1987; Гульельми и Левшенко, 1993]. В настоящее время теория генерации магнитного поля сейсмической волной находится на стадии становления. Однако идеи, предложенные Гульельми [1995], Гульельми и Левшенко [1994; 1996], наглядно и физически обоснованно дают объяснение процессов генерации геоэлектромагнитных волн разными конкретными типами колебаний земной коры. Переменное магнитное поле В (х, () возбуждается в широком диапазоне частот, но в зависимости от механизма генерации преобладают или низкие, или высокие частоты, причем именно в том же диапазоне, что и волны, приходящие сверху, из ионосферы и магнитосферы Земли. Поэтому на земной поверхности регистрируется суперпозиция электромагнитных волн внутренних и внешних источников.

Условия генерации магнитных колебаний сейсмической волной зависят от параметров земной коры: проводимости, проницаемости и электрокинетической активности горных пород в окрестности точки наблюдения. Следовательно, электромагнитные волны, регистрируемые на земной поверхности, являются диагностическим средством не только околоземного космического пространства, но и твердой оболочки Земли.

Итак, совместное рассмотрение в рамках данной диссертации двух, вообще говоря, различных явлений, а именно, магнитных пульсаций внутрии внеземного происхождения обосновано не только их морфологическим подобием и единством метода экспериментального изучения, но и общей диагностической направленностью исследования геоэлектромагнитных полей. Немаловажным дополнительным обстоятельством является и то, что при регистрации магнитных пульсаций сейсмогенного происхождения магнитосферные пульсации представляют собой мощную помеху, учет которой невозможен без детального изучения ее свойств.

Цель работы состоит в исследовании электромагнитных сигналов, генерируемых поверхностными сейсмическими волнами, и в определении основных параметров альвеновских магнитосферных резонаторов методом обратной задачи статистической теории колебаний.

В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи: отделить колебания, генерация которых вызвана колебаниями земной коры, от магнитосферных сигналов, выступающих в этом случае в роли шумоввыделить колебания, генерируемые конкретным типом сейсмических волнпредложить методы диагностики некоторых параметров земной коры, таких как электропроводность и электрокинетический потенциал, на основе анализа сейс-момагнитных сигналовоценить значения основных характеристик альвеновских резонаторов по данным наблюдения магнитосферных колебаний на среднеширотных станцияхпостроить статистические распределения значений резонансной частоты для каждой из станций.

Научная новизна: В работе были получены следующие новые результаты:

1. На основе метода решения обратной задачи статистической теории колебаний впервые оценены значения основных характеристик альвеновских магнитосферных резонаторов, соответствующих трем сред неширотным станциям наблюдения. Построены распределения резонансных частот для каждой из трех станций.

2. Впервые получены экспериментальные данные, позволившие построить зависимость от местного времени резонансной частоты и декремента затухания колебаний в магнитосферных альвеновских резонаторах.

3. Выявлена высокая эффективность инерционного механизма преобразования энергии сейсмических колебаний в энергию электромагнитного поля. Полученный результат указывает на возможность изучать методами магнитометрии электрокинетические свойства горных пород в естественном залегании.

Апробация работы и публикации: Результаты работы докладывались на Всероссийской конференции по физике солнечно-земных связей (Иркутск, сентябрь 2001) и на семинаI pax отдела 5.00 Института солнечно-земной физики СО РАН, обсуждались на рабочих сдве-^/ щаниях в Объединенном институте физики Земли РАН и Институте земной коры СО РАН. Результаты диссертации опубликованы в 6 печатных работах.

Личный вклад. Автор принимал непосредственное участие в получении экспериментальных данных, используемых в работе. Он участвовал в получении и интерпретации результатов анализа пульсаций магнитосферного происхождения, самостоятельно разрабатывал поляризационный метод для выделения сейсмомагнитных сигналов, принимал активное участие в анализе и интерпретации выделенных сигналов и формулировке научных выводов их исследования.

Общая структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и библиографии. Объем основного текста составляет 71 страницы, включая 11 рисунков и 1 таблицу, библиография — 105 наименований на 9 страницах. Общий объем -80 страницы.

Выводы.

Наиболее важный общий вывод из результатов исследования, представленных в Главе 3, состоит в том, что в земной коре весьма эффективно происходит преобразование механической энергии сейсмических волн в энергию переменного электромагнитного поля. Конкретные результаты исследования состоят в следующем.

В дополнение к известным методам обнаружения сейсмомагнитных сигналов на фоне помех предложен и разработан поляризационный метод, в основе которого лежит тот факт, что сигнал имеет круговую поляризацию в вертикальной плоскости вне зависимости от конкретного механизма возбуждения магнитного поля сейсмической волной, причем плоскость поляризации ортогональна фронту сейсмической волны, а направление вращения магнитного вектора определяется направлением распространения этой волны.

Проанализировано 4 землетрясения с магнитудами М > 7.0 и обнаружено 7 магнитных сигналов, предположительно возбужденных поверхностными сейсмическими волнами. Рассмотрены вопросы интерпретации сейсмомагнитных сигналов. Особое внимание обращено на неопределенность феноменологического параметра (3 среды, от которого зависит эффективность инерционного механизма преобразования сейсмической энергии в энергию магнитного поля. Рассмотрена связь [3 с проводимостью, проницаемостью и электрокинетической активностью горных пород.

По-видимому, впервые удалось зарегистрировать колебания магнитного поля, связанные с волной Лява. Кинематические свойства магнитных колебаний (время вступления, продолжительность, период и поляризация) соответствуют теоретическим представлениям о генерации переменных электрических токов в результате вынужденных колебаний флюида в порах и трещинах горной породы под действием силы инерции, возникающей при распространении волны Лява.

Оценка отношения амплитуды магнитных колебаний к амплитуде волны Лява косвенно свидетельствует о весьма высокой эффективности инерционного механизма преобразования энергии сейсмических колебаний в энергию электромагнитного поля. Полученный результат дает дополнительную основу для интерпретации сейсмоэлектромагнитных явле.

69 ний и указывает на возможность изучать методами магнитометрии электрокинетические свойства горных пород в естественном залегании.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации рассмотрены вопросы генерации и пространственно-временной структуры двух подклассов геомагнитных пульсаций в диапазоне / = 0.02 — 0.1 Гц, имеющих различное происхождение: магнитосферных колебаний типа РсЗ и сейсмомагнитных сигналов, возбуждаемых сейсмическими поверхностными волнами. Для изучения эти двух разновидностей пульсаций разработаны и использованы новые методы анализа. Магнитосферные колебания исследуются путем статистической обработки информации о флуктуациях их фазы и амплитуды и последующего решения обратной задачи восстановления динамической модели этих колебаний. Для анализа литосферных сейсмомагнитных сигналов разработан специальный поляризационный метод, позволяющий отделить их от сигналов магнитосферного происхождения. Обнаружены неизвестные ранее закономерности возбуждения и распространения низкочастотных электромагнитных волн в земной коре и в околоземном пространстве. Перечислим основные результаты исследования:

1. Определены резонансные частоты магнитосферных альвеновских резонаторов по данным трёх среднеширотных станций, расположенных вдоль одного меридиана на территории Монголии и России.

2. Впервые получены экспериментальные данные, позволившие построить зависимость от местного времени резонансной частоты альвеновского резонатора.

3. Сделаны оценки добротности резонатора по декременту затухания.

4. Разработан поляризационный метод регистрации сейсмомагнитных сигналов, дающий возможность эффективно выделять геомагнитные пульсации литосферно-го происхождения на фоне интенсивных пульсаций магнитосферной природы.

5. Обнаружены магнитные колебания, генерируемые поверхностными волнами Лява и Рэлея.

6. Предложена идея сейсмомагнитного зондирования земной коры для оценки электрокинетической активности горных пород в естественном залегании.

Результаты исследований, представленных в диссертации, могут найти применение при разработке методов прогноза космической погоды и при исследовании механомагнит-ных преобразований в земной коре.

Работа была выполнена в Институте солнечно-земной физики СО РАН под научным руководством доктора физ.-мат. наук А. С. Потапова и профессора А. В. Гульельми при частичном финансировании РФФИ по гранту № 00−05−64 770.

В заключение выражаю искреннюю благодарность доктору физ.-мат. наук А. С. Потапову за предложенную тему диссертации и профессору А. В. Гульельми за постоянное внимание к работе и полезные консультации. Благодарю администрацию Института солнечно-земной физики СО РАН, в стенах которого была выполнена данная работа, за гостеприимство, особенно коллектив лаборатории изучения плазменно-волновой структуры магнитосферы и Монгольскую АН за предоставленную возможность проведения этой работы.

Выражаю также особую признательность соавтору, кандидату физ.-мат. наук А. Р. Полякову и кандидату физ.-мат. наук Н. А. Золотухиной за обсуждение результатов работы, полезные советы и всестороннюю помощь и поддержку на всех этапах исследования. Благодарю также В. М. Кожевникова за интерпретацию сейсмических данных.

Мне приятно выразить свою благодарность К. Хаяши, организаторам сайта IRIS и штату сейсмостанции Талая за предоставленную возможность использования данных, без них не удалось бы сделать эту работу.