Сейсмоэлектромагнитные явления как новая область исследований радиоволновых явлений

Аннотация

К изучению сейсмоэлектромагнитных явлений приступили совсем недавно – порядка одного десятилетия назад, но данная область исследований обещает быть чрезвычайно важной и перспективной для таких как стран, как, например, Япония, где наблюдается достаточно высокий уровень сейсмической активности. Ранее применявшийся метод краткосрочного прогнозирования землетрясений был основан на традиционных механических (сейсмических) измерениях движений земной коры, однако уже десять лет тому назад был сделан вывод о неэффективности данного метода краткосрочного прогнозирования. За этим последовала новая волна исследований электромагнетических (несейсмических) явлений как перспективного метода прогнозирования землетрясений на протяжении десяти лети. Землетрясению предшествуют несколько явлений. Первое из них - ультранизкочастотные электромагнитные излучения литосферы, второе – сейсмические атмосферные возмущения, и третье - ионосферные возмущения, связанные с землетрясениями субионосферным распространением ультра-низкочастотных и низкочастотных волн. Нам бы хотелось представить обзор наших исследований по данному вопросу, и мы выражаем свою надежду на то, что важная роль электромагнитных явлений в прогнозировании землетрясений станет очевидной.

1. Краткое описание исследований сейсмических электромагнитных явлений и методики краткосрочного прогнозирования землетрясений

Прогнозирование землетрясений может быть: (1) долгосрочным, (2) среднесрочным и (3) краткосрочным. Долгосрочным прогнозированием считается оценка статистической вероятности возникновения землетрясений по временной шкале от 10 до 100 лет, основанная на геологических исследованиях разрывных нарушений и многолетних наблюдениях за сейсмичностью. Среднесрочное прогнозирование (от 1 года до 10 лет) основано на недавно полученных данных инструментальных сейсмологических и геодезических наблюдений. Таким образом, долгосрочное и среднесрочное прогнозирование в действительности, является предметом исследований сейсмологов.

Краткосрочное прогнозирование (3) осуществляется, несомненно, намного сложнее по сравнению с долгосрочным и среднесрочным, но, тем не менее, имеет гораздо более важное значение для спасения жизней людей и крайне необходимо в странах с повышенной сейсмоактивностью, например, в Японии. Под краткосрочностью подразумевается временной промежуток от нескольких часов до недель. Около десяти лет тому назад было обнаружено, что традиционные измерения механических движений земной коры являются недостаточно эффективными при краткосрочном прогнозировании землетрясений. Ситуация выглядела довольно пессимистично, но вскоре стали проводиться новые исследования в области краткосрочного прогнозирования землетрясений, ставшие основой для развития новой науки - исследования сейсмических электромагнитных явлений. Данное прогнозирование основано на исследовании именно электромагнитных (а не механических) явлений, и к настоящему моменту со времени землетрясения в Кобе о явлениях, предшествующих землетрясению, собрано достаточно большое количество информации. Мы полагаем, тот факт, что предшествующие землетрясению явления (в основном, непосредственно перед ним) все-таки существуют, становится уже общепринятым.

По результатам недавних исследований, электромагнитные явления происходят в широком диапазоне частот непосредственно перед землетрясением (Hayakawa и Fujinawa, 1994; Hayakawa , 1999; Hayakawa и Молчанов, 2002; Молчанов и Hayakawa, 2008), и данные сейсмоэлектромагнитные явления, предшествующие землетрясению, представляются ценными в целях предупреждения подобных катастроф. В основном, существует два метода наблюдения за признаками землетрясения. Первый заключается в непосредственном наблюдении за электромагнитными излучениями (естественным излучением) литосферы, а второй направлен на опосредованное изучение сейсмического явления, имеющего форму аномалии распространения предсуществующих передаваемых сигналов. Первый метод основан на утверждении, что естественное излучение распространяется из гипоцентра землетрясений ввиду некоторых тектонических явлений в период, предшествующий землетрясению. Сложность данных «локальных» измерений в том, что для того, чтобы обнаружить сейсмогенные явления, станция по осуществлению наблюдений должна находиться непременно в непосредственной близи от эпицентра землетрясения. Второй метод основан на том, что по причине сейсмической активности в атмосфере и ионосфере происходят аномалии, порождающие аномалии предсуществующих характеристик передаваемых сигналов (амплитуды и фазы) при их распространении. Мы называем данный вид наблюдения «интегрированными» измерениями, поскольку с его помощью можно прогнозировать любые землетрясения, происходящие в непосредственной близи от пути прохождения сигнала от передатчика до приемника, таким образом в целях проведения данных «интегрированных» измерений достаточно легко зарегистрировать необходимое для прогнозирования число событий.

В настоящей статье рассматриваются несколько возможных явлений, предшествующих землетрясениям. В Разделе 2 исследуются ультранизкочастотное литосферные излучения (для локальных измерений), Раздел 3 посвящен атмосферным возмущениям, ассоциирующимся с землетрясениями, и, наконец, в Разделе 4 рассматриваются сейсмо-ионосферные возмущения, обнаруживаемые благодаря субионосферному ультранизкочастотному/низкочастотному распространению волн в качестве «интегрированного» способа измерений. В итоговом Разделе 5 приводятся общие заключения.

2. Сейсмогенные УНЧ излучения

2.1. Введение

В настоящем разделе рассматриваются УНЧ (ультранизкочастотные, с частотой менее 10 Гц) вариации магнитного поля, подлежащие локальным измерениям. К исследованиям сейсмогенного УНЧ излучения приступили в начале 1990х годов. Несмотря на тот факт, что радиоизлучение порождается в качестве импульса в гипоцентре землетрясения, волны с более высокой частотой не могут распространяться в литосфере на большие расстояния по причине затухания, но УНЧ волны могут распространяться до пункта наблюдения, расположенного у поверхности земли, с небольшим затуханием. В этом заключается самое значимое преимущество сейсмогенного УНЧ излучения.

Существуют сообщения о трех достоверных событиях, для которых до наступления землетрясения были обнаружены вариации магнитного поля; (1) Землетрясение в г. Спитак, Армения (8 декабря 1988 г., Магнитуда = 6,9) (Молчанов и др., 1992), (2) Землетрясение в Лома-Приета, штат Калифорния, США (18 октября 1989г., M = 7,1) (Fraser-Smith и др., 1990) и (3) Землетрясение на о. Гуам (8 августа 1993г., M = 8,0) (Hayakawa и др., 1996a). Расстояние до эпицентра землетрясения составляло 129 км для (1), 7 км для (2) и 65 км для (3). Землетрясение в Лома Приета произошло очень близко к наблюдательной станции, поэтому будет целесообразно привести результаты именно для данного события. На рисунке 2.1 показана эволюция во времени УНЧ магнитного поля (горизонтальная составляющая, частота = 0,01 Гц (период = 100 с)). Он свидетельствует о том, что магнитное поле усиливается в течение одной недели за 5–12 дней до землетрясения, затем наблюдается некоторый спокойный период, за которым следует резкое увеличение за один день до землетрясения). Для двух других землетрясений также наблюдались весьма значительные изменения УНЧ магнитного поля, что послужило стимулом к интенсификации исследований взаимосвязи между УНЧ излучением и землетрясениями. В настоящей статье мы рассматриваем взаимосвязь между двумя данными явлениями. Другим значимым моментом является тот факт, что данное сейсмогенное УНЧ излучение настолько слабое, что крайне важно разработать методы по обнаружению данных сигналов. Нам требуются сложные методы обработки сигналов, и мы изучаем результаты наблюдений именно на основании применения данных методов. И, наконец, будут рассмотрены перспективы для будущих исследований.

2.2. Датчики магнитного поля и система наблюдений за ним

На рисунке 2.2 показана УНЧ активность, связанная с землетрясением, в форме магнитуды землетрясения (M) против расстояния до эпицентра (R) от УНЧ магнитной станции (Hattori, 2004; Hayakawa и др., 2007). Белым и черным кругами обозначены землетрясения, для которых УНЧ аномалии наблюдались или не наблюдались, соответственно. Пунктирной линией показана пороговая величина, установленная опытным путем (0.025R ≤ M–4,5), для возникновения аномальных УНЧ сигналов, предшествующих крупным землетрясениям. Данный рисунок свидетельствует о том, что УНЧ излучение может наблюдаться на расстоянии около 60 км от зоны расположения источника для землетрясения с M ≥ 6, а расстояние, на котором УНЧ аномалии могут быть обнаружены, увеличивается до 100 км в случае с землетрясением с M ≥ 7.

В целях предотвращения катастрофы в регионах с высокой плотностью населения важно уметь прогнозировать землетрясения с M ≥ 6. Следовательно, мы приняли решение установить сеть УНЧ магнитоизмерительных приборов с высокой частотой квантования по территории Канто (Токио) с расстоянием между измерительными приборами приблизительно в 70–80 км. Применялись два типа магнитоизмерительных приборов; торсионного и индукционного типов. Принимая во внимание наличие Геомагнитной Обсерватории Какиока, Метеорологического Агентства Японии (МАЯ) (географические координаты: 36,2° N, 144,2° E), мы запланировали расположение станции таким образом, как показано на Рисунке 2.3. Кругами на рисунке показано расстояние диаметром 60 км от станции (расстояние от Обсерватории Какиока также показано кругом). Система синхронизации времени на каждой станции управляется системой спутниковой навигации GPS.

К примеру, один из магнитоизмерительных устройств (индукционного типа) был установлен в Сейсмологической Обсерватории г. Матсусиро МАЯ (36,5°N, 138,2°E), на которой Метеорологическим Агентством Японии уже используются тензометры, инклинометры и высокочастотные сейсмоприемники. В целях понимания фундаментальной физики процесса, предшествующего землетрясению, важно сравнить сейсмические и электромагнитные данные. Также мы установили индукционный магнитоизмерительный прибор на станции Титибу. Индукционные магнитометры, установленные на данных двух станциях, имеют индукционную катушку с частотой квантования в 85 Гц, марки LEMI-30, произведены в Львовском Центре Института Космических Исследований Национальной Академии Наук Украины. Эти датчики предназначены для исследования диапазона частот от 0.01 до 30 Гц, и их подробные технические характеристики представлены в работе Hattori и др. (2004). Также на станции в Матсусиро был установлен акустический датчик. Акустический датчик регистрирует излучения в четырех диапазонах частот в 30, 160, 500 и 1000 Гц. Нижний диапазон соответствует наивысшей частоте для LEMI-30.

При помощи трёх магнитометров торсионного типа была образована Г-образная расстановка, расстояние которой - около 5 км в западной части полуострова Идзу и южной части полуострова Босо. Посредством такой схемы расстановки мы надеемся разработать метод по обнаружению направления прихода УНЧ волн (Hayakawa, 2006). Как полуостров Идзу, так и полуостров Босо являются регионами сейсмически активными, поэтому мы посчитали нужным в целях осуществления точного определения УНЧ аномальных сигналов использовать именно такие схемы расстановки. Также мы установили магнитометры торсионного типа в Яиси, Йогатаке, Хаякава, Мисакубо и Ситара. Данные магнитометры торсионного типа, MVC-2DS, были произведены Институтом земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн, Филиалом в Санкт-Петербурге (СПбФ ИЗМИРАН), Российской Академии Наук. Магниточувствительным элементом датчика торсионного типа является постоянный магнит, подвешенный на кварцевых или металлических нитях, которые служат осью вращения магниточувствительного элемента. Отражающая поверхность, трансформирующая угловое смещение магниточувствительного элемента в электрические сигналы посредством фотоэлектрического конвертера, жестко закреплена с магниточувствительным элементом. Когда элемент поворачивается силой внешнего магнитного поля, световой пучок отклоняется от нулевого положения, что обуславливает усиление одного диодного подсвета и ослабление другого. В результате, возникает сигнал, пропорциональный изменению величины магнитного поля на выходе датчика. Элемент подвешен внутри заполненной жидкостью капсулы на тонких металлических нитях, и в качестве фотогенератора применяется маломощный монохроматический инфракрасный светодиод. Применяется схема обратной связи, образующая магнитное поле, противоположное внешнему полю. Также устанавливаются катушка для компенсации постоянного магнитного поля для настройки магниточувствительного элемента на нулевую позицию и катушка для калибровки. Основные технические параметры прибора MVC-2DS описаны в работе Hattori и др. (2004).

2.3. Метод анализа вариаций УНЧ магнитного поля

Помимо установки высокочувствительных УНЧ-датчиков мы должны провести сложные процедуры обработки сигналов в целях обнаружения и идентификации слабых сейсмогенных УНЧ-излучений. Мы уже разработали несколько успешных процедур обработки сигналов, некоторые из них описываются далее.

(a) Отношение вертикальной составляющей магнитного поля к горизонтальной составляющей (поляризационный анализ.

Сообщалось, что в целях разграничения сейсмогенных УНЧ излучений и шумов эффективным является применение отношения вертикальной составляющей магнитного поля к горизонтальной составляющей S_Z/S_G (S_G² = S_H² + S_D², H и D - две горизонтальные составляющие магнитного поля) (Hayakawa и др., 1996 a). Мы предполагаем, что данное соотношение (S_Z/S_G) (поляризация) относительно небольшое для плазменных волн, исходящих из ионосферы/магнитосферы, и мы также ожидаем, что данное соотношение значительно увеличивается, S_Z/S_G ~1 или даже более при сейсмогенных излучениях. Применим данный метод к конкретному событию (Hattori и др., 2002). В северо-восточной части префектуры Кагосима произошло два землетрясения с магнитудой M=6,5 и M=6,3 26 марта и 16 мая 1997 года, соответственно. Глубина обоих землетрясений достигала 20 км. Наша Обсерватория по исследованию УНЧ-волн (г. Тарумидзу, префектура Кагосима) расположена в 60 км от их эпицентров, и в ней были проведены измерения трех составляющих магнитных полей с квантованием в 1с. На основании применения данных, полученных в период одного года с августа 1996 года до сентября 1997 года, относительно взаимосвязи между вариациями УНЧ магнитного поля и сейсмической активностью, мы предприняли попытку определить условия возникновения вариаций УНЧ магнитного поля в ответ на движения земной коры. Применялись следующие процедуры анализа данных. (1) Используем данные за 4 часа около полуночи по местному времени (LT = 0 ~4 h). (2) Делим данные на интервалы в 30 минут и получаем 8 сегментов. По отношению к данным 8 сегментам применяем метод анализа БПФ. (3) Оцениваем среднее значение и разброс значений спектра для определения основной частоты сейсмогенных УНЧ излучений. (4) Производим поляризационный анализ (S_Z/S_G) в целях обнаружения сейсмогенного УНЧ излучения. Вычислением среднего значения для 8 сегментов мы получаем среднесуточные спектр и поляризацию. (5) Сравниваем полученные данные с соответствующими данными с удаленных станций для того, чтобы разграничить локальные и глобальные явления. (6) Сравниваем эволюцию по времени усредненного спектра и усредненной поляризации с геомагнитной активностью (выраженной как ΣKp) и локальной активностью земной коры. Принимая во внимание пространственный масштаб вариации магнитного поля в Обсерватории Тарумидзу, изучаем данные магнитного поля (3 составляющих) на о. Огасавара (Титидзима) в 1200 км от Тарумидзу и на станции Дарвин (точка, идентичная с Тарумидзу). Самые значительные шумы на УНЧ – это геомагнитные изменения в верхних слоях атмосферы, и именно по этой причине мы учитываем данные на идентичной точке. На данных станциях установлены одни и те же датчики (индукционного типа). Подтверждаем, что в течение времени проведения нами анализа в радиусе 100 км от Обсерватории на Титидзима и Обсерватории Дарвина землетрясения зарегистрированы не были.

На рис. 2.4(a) показана эволюция сейсмической активности по времени (энергия, испускаемая центрами землетрясений, интегрируется за один день, за чем следует обратное преобразование в магнитуду). На рис. 2.4(b) показан временной график поляризации (S_Z/S_G) за 10 дней до настоящего дня на трех станциях. Сплошной линией обозначаются данные для Тарумидзу. На рис. 2.4(c) показана геомагнитная активность (ΣKp). При рассмотрении рис. 2.4(b) можно сделать вывод о стабильности поляризации на двух станциях (тонкими линиями показаны данные для станций Титидзима и Дарвина). При этом можно наблюдать весьма значительное изменение поляризации на станции Тарумидзу, обозначенной жирной линией. Как видно по рисунку, поляризация усиливается с величины низших порядков в ~1,0 до величины, практически в два раза больше, перед первым землетрясением. Мы наблюдаем снижение поляризации, и после стабилизации данного снижения, происходит первое землетрясение. Как видно из рисунка, величина поляризации остается неизменной некоторое время. Затем мы вновь наблюдаем снижение поляризации, и происходит второе землетрясение. В начале июля значение поляризации вернулось к уровню величины низшего порядка. Значительные изменения наблюдаются только для Тарумидзу, а не для станций Дарвина и Титидзима. При сравнении сейсмической активности в области Тарумидзу и поляризации можно сделать выводы о том, что (1) поляризация на станции Тарумидзу значительно усиливается перед землетрясением, и (2) изменения поляризации по времени происходят одновременно с изменениями сейсмической активности. Это означает, что поляризация вариаций магнитного поля является хорошим параметром для осуществления наблюдения за локальной сейсмической активностью (Hattori и др., 2002, 2004), и крайне важным является тот факт, что усиление поляризации происходит перед землетрясением. Никакой значимой связи с геомагнитной активностью не обнаружено.

(b) Метод главных компонент

Мы осуществили наблюдение за схемой расстановки станций при помощи 3–4 магнитометров торсионного типа на полуостровах Идзу и Босо, как показано на рис.
2.3. Частота выборки была определена как 50 или 12,5 Гц. Нам известно, что сейсмическая активность на острове Мияке стала усиливаться в конце июня 2000 года, и здесь начался процесс извержения вулкана. Активность продолжилась не только на острове Мияке, но и в его окрестностях. Общее число землетрясений в этом регионе составило 12000, что является рекордным числом для данного региона со времени основания Метеорологического агентства. Мы применили метод главных компонент (МГК) для УНЧ-данных, наблюдаемых на нескольких станциях полуострова Идзу (Гото и др., 2002). При помощи УНЧ-данных, полученных на трех близко расположенных друг к другу станциях мы получили три набора данных, что позволяет нам выделить три возможных источника. В общем, УНЧ-сигнал, наблюдаемый на одной станции, представляет собой сочетание нескольких явлений; (1) геомагнитных изменений магнитосферы (например, геомагнитных бурь) из-за солнечной активности, (2) индустриальных помех, (3) и других явлений (включая сейсмогенные излучения). Мы отследили собственное значение λ_n (n = 1, 2 ,3) трех главных компонент в диапазоне частот от T = 10 с до T = 100 с на основании применения временных данных продолжительностью в 30 м. В результате анализа было определено, что первая главная компонента (λ₁) имеет высокую корреляцию с геомагнитной активностью (Ap). Второе собственное значение (λ₂) имело период в 24 часа, с максимальным значением в дневное время и минимальным значением в ночное время. На основании этого можно предположить, что данные шумы связаны с деятельностью человека. На рис. 2.5 показана эволюция по времени 3-ей (или наименьшей) главной компоненты (λ₃). Можно отметить увеличение для λ₃ с середины марта до средины июня (в течение нескольких месяцев), за чем последовал период некоторой стабилизации (приблизительно за одну неделю до первого землетрясения) и резкое увеличение за несколько дней до первого землетрясения. Похожие резкие изменения наблюдаются для последующих землетрясений с магнитудой выше 6,0. Данные общие закономерности находятся в тесной связи с явлениями на рис. 2.1, что свидетельствует о том, что данные изменения отражают активность земной коры в указанном регионе.

(c) Определение направления (метод градиента магнитного поля)

Цель вышеуказанных двух методов заключалась лишь в обнаружении наличия сейсмогенных УНЧ-излучений, но нам предстоит доказать, что обнаруженное УНЧ-излучение будет больше связываться с землетрясением, если нам удастся локализовать точку его возникновения. Мы осуществили так называемое определение направления УНЧ излучения для вышеупомянутой серии землетрясений на полуострове Идзу. Мы применили ту же локальную сеть сейсмических станций, состоящую, по крайней мере, из 3 станций на полуостровах Идзу и Босо. Измерением градиента горизонтальной и вертикальной составляющих магнитного поля на различных частотах [Копытенко и др., 2002; Исмагуйлов и др., 2002) (или периоды, указанные на рис. 2.6 (ордината)] мы вычитаем направление азимута от нормального для наблюдаемого градиента. Результаты исследования для полуострова Идзу приводятся на рис. 2.6. На данном рисунке 0° показывает северное направление, +, восток и -, запад, а на рис. 2.6 показана эволюция по времени направлений прихода. Ордината показывает вероятность появления азимута прихода в ночное время с 0 часов до 6 часов утра. Сплошными линиями обозначена вертикальная составляющая, в то время как пунктирными линиями обозначена горизонтальная составляющая. Судя по распределению азимутов, определяются 4 источника шумов. По наблюдению за сетью станций на полуострове Идзу, в основном, существует сигнал преимущественно с Запада (Суруга-Бэй) (под номером 1 на рис. 2.6) (что соответствует вектору Паркинсона) в вертикальной составляющей, отражающей геологический контраст между морем и сушей. Для горизонтальной составляющей определяется два стационарных сигнала. Один локализован на востоке и направлен на регион с сейсмической активностью в восточной части моря у полуострова Идзу (обозначен как 2 на рис. 2.6). Второй сигнал направлен от Дзенису, который обозначен как 3 на рис. 2.6. Места расположения данных источников шумов (под номерами 1–3 на рис. 2.6) описаны на рис. 2.7. Время регистрируется от (a) до (e); (a) 4 месяца до серии землетрясений, (b) два месяца до серии землетрясений, (c) 12 дней до серии землетрясений, (d) во время серии землетрясений и (e) два года после серии землетрясений. Теперь рассмотрим шумы, обозначенные 4 на рис. 2.6. Данные шумы наблюдались приблизительно за две недели до начала серии землетрясений (c на рис. 2.6) вследствие извержения вулкана на острове Мияке, данные шумоизлучения распространились от острова Мияке, и частота их возникновения являлась наивысшей во время серии землетрясений (см. рис. 2.6 d). Более того, нами была предпринята попытка определить направление для данных шумов, обозначенных как 4, от полуостровов Идзу и Босо. На рис. 2.8 приводятся результаты метода определения направления в качестве результатов триангуляции данных для полуостровов Идзу и Босо. Азимутальное направление от каждого полуострова показано областью между двумя направлениями пунктирной линией. Область, определенная триангуляцией, совпадает с областью активности для серии землетрясений на полуострове Идзу. Можно сделать следующее заключение: вероятность того, что УНЧ излучения, обозначенные на рис. 2.6, 2.7 и 2.8 (Копытенко и др., 2002; Исмагуйлов и др., 2002), связаны с сейсмической активностью для серии землетрясений на полуострове Идзу, весьма высока.

(d) Определение направления (Гониометрический метод)

Важность определения направления вновь подчеркивается результатами для другого, произошедшего не так давно крупного землетрясения (землетрясение в Ниигата) (Ohta и др., 2005; Hayakawa и др., 2006). Данное землетрясение произошло в 17:56 по эталонному времени в Японии 23 октября в 2004 году, и его магнитуда и глубина составляли 6,8 и 10 км. Докажем наличие УНЧ-излучений для данного землетрясения на основании данных с другой обсерватории в Накацугава. Три составляющие магнитного поля (Bns, Bew, Bz) измеряются на станции в Накацугава при помощи тех же индукционных магнитометров (Ohta и др., 2005), что и на полуостровах Идзу и Босо, но значительное отличие заключается в том, что измерение параметров, характеризующих форму волн, осуществляется в широком диапазоне частот. Так, частота выборки составляет 100 Гц, и на рис. 2.9 показана эволюция по времени интенсивности излучения (составляющая Bew) в диапазоне частот, f ≤ 0,1 Hz, что показывает, что интенсивность сигнала значительно усиливается на 3 dB, по сравнению со средним месячным значением со 2 октября по 6 октября. Данный шум, по всей видимости, аномален. Тем не менее, мы не можем сделать вывод о том, что это связано с землетрясением, даже несмотря на тот факт, что шум появляется за несколько недель до землетрясения. Далее, мы определили направление для данного шума с применением гониометрического принципа с помощью двух горизонтальных составляющих магнитного поля. Мы провели оценку азимута прихода волны на основании соотношения Bns/Bew для излучения с аномальной амплитудой в период со 2 по 6 октября. Определенный азимут (среднее значение) показан на рис. 2.10. Азимутальное направление составляет 55° с востока, что соответствует эпицентральному направлению. Это свидетельствует о более высокой вероятности того, что данный шум имеет связь с землетрясением.

2.4. Характеристики сейсмогенного УНЧ излучения и механизм его порождения

Со времени известных землетрясений в Спитаке, Лома Приета и на Гуаме было опубликовано большое количество работ по сейсмогенному УНЧ излучению, и в настоящем разделе мы рассмотрели только опубликованные нами результаты. Мы можем суммировать характеристики сейсмогенного УНЧ излучения на основании не только наших результатов, но и предыдущих результатов, опубликованных учеными из других стран.

(1) Несомненно, УНЧ-излучение является явлением, предшествующим относительно крупным землетрясениям. Расстояние обнаружения (R) составляет 70–80 км для магнитуды = 6,0, и ~100 км для магнитуды = 7,0. Пороговая величина для обнаружения, установленная эмпирическим путем, на рис. 2.2 определяется как 0,025 R = M -4.5.

(2) По всей видимости, УНЧ-излучение для крупных землетрясений (с магнитудой более 6,0), демонстрирует типичную эволюцию по времени. Прежде всего, мы наблюдаем первый пик в период за один месяц - несколько недель до землетрясения, за чем следует период стабилизации и значительное увеличение в амплитуде за несколько дней до землетрясения.

(3) Обнаружено, что амплитуда данного сейсмогенных УНЧ излучений варьируется от 0,1 nT до нескольких nT. Тем не менее, их частотные спектры недостаточно ясны; а именно, какая частота преобладает? Недавние исследования подчеркивают важность частоты в 10 мГц (период в 100 с).

(4) Наблюдение за УНЧ-излучениями осуществляется при помощи локальных измерений. По этой причине мы можем обнаружить сейсмогенные излучения только в том случае, когда наша станция наблюдения оказывается в непосредственной близи к эпицентру землетрясения. В противном случае обнаружить какое-либо сейсмогенное излучение невозможно, и именно поэтому у нас отсутствует набор избыточных данных, приведенный на рис. 2.2. В случае с землетрясением в Ниигата указанная выше пороговая величина не наблюдается, поэтому в этом случае следует рассмотреть механизм порождения и последующего распространения излучения.

Далее рассмотрим механизм образования сейсмогенных УНЧ излучений. Существовало предположение, что УНЧ излучение порождается механизмом, требующим разделения зарядов (как группы небольших антенн) из-за образования микротрещин вследствие изменения напряжения в очаговом регионе до землетрясения (Молчанов и Hayakawa, 1995). Согласно их теоретической оценке, УНЧ излучения могут быть обнаружены в пределах 60 км для M = 6 и 100 км для M = 7. По всей видимости, данная теоретическая оценка хорошо согласуется с вышеуказанной пороговой величиной, установленной экспериментальным путем, приведенной на Рисунке 2.2. В случае, когда радиоизлучение порождается в области расположения источника, оно должно иметь широкий диапазон. Тем не менее, составляющие более высокой частоты убывают во время распространения в литосфере, что обуславливает возможность обнаружения УНЧ излучений у поверхности земли (Молчанов и др., 1995). Другой возможный механизм - электрокинетические явления (Fenoglio и др., 1995). В настоящий момент мы не можем утверждать, какой из двух представленных механизмов с большей вероятностью выступает в качестве механизма порождения сейсмогенных УНЧ-излучений. Далее, прокомментируем другой аспект явлений, предшествующих землетрясениям. Известно, что на данном этапе для литосферы характерна самоорганизующаяся критичность. А именно, мы предполагаем образование микротрещин в очаговом регионе из-за увеличения напряжения, за чем следует увеличение и соединение микротрещин между собой. Полагают, что данный процесс участвует в образовании УНЧ-излучений. Данный нелинейный процесс в литосфере можно рассмотреть посредством фрактального анализа (Hayakawa и др., 1999; Ida и др., 2005; Ida и Hayakawa, 2006). В механизме образования сейсмогенных УНЧ излучений предпочтительно учитываются результаты фрактального анализа.

2.5. Направление будущих исследований в отношении наблюдения за серией магнитных полей (три составляющие)

В Японии некоторые институты (магнитные обсерватории, принадлежащие МАЯ, Институт Геологических Исследований и т. д.) к настоящему времени проводили наблюдения за магнитными явлениями с тремя составляющими, но их частота выборки слишком мала (квантование в 1 минуту). Университеты Японии также имеют свои собственные сети станций по осуществлению наблюдений, но их интересуют измерения полных магнитных потоков с применением протонных феррозондовых магнитометров в области физики твердой среды. Для того чтобы применить результаты наблюдений за магнитным полем, к прогнозированию землетрясений, предпочтительно (1) вести наблюдение за тремя составляющими магнитного поля, (2) осуществить выборку данных, по крайней мере, в одно значение в секунду, (3) осуществлять наблюдение за магнитным полем с разрешением менее 10 pT, и (4) осуществлять координированное наблюдение на нескольких станциях.

Более того, нам следует учитывать и другие явления; требуется информация по солнечно-земным явлениям (геомагнитным изменениям, магнитным бурям) при магнитном мониторинга сейсмической активности. Мы обнаружили, что перед относительно крупными землетрясениями наблюдались значительные геомагнитные изменения. Таким образом, необходимо осуществить точное определение темпоральных/пространственных характеристик сигналов посредством одновременного мониторинга солнечно-земных явлений на земле и из космоса.

3. Сейсмогенные возмущения в атмосфере

3.1 Вступление

Существует всеобщее мнение о том, что подземные электромагнитные поля в диапазоне частот f ≤ 1 Гц, ассоциируемые с землетрясениями, образуются либо благодаря электрокинетическим явлениям (ЭК) (явлениям образования микротрещин), либо сейсмоиндуктивным явлениям (к примеру, см. Молчанов и Hayakawa, 2008). На более высокой частоте можно ожидать появление излучений из сейсмовозмущенной атмосферы и ионосферы, и, действительно, по данному вопросу написано много работ (например, многочисленные собрания работ исследователей Hayakawa и Fujinawa (1994), Hayakawa (1999) и Hayakawa и Молчанов (2002)). Можно выделить несколько типов атмосферных электромагнитных излучений, а именно; (а) свечение при землетрясении, (б) ВЧ/УВЧ излучение в диапазоне частот 10–100 МГц, (в) электромагнитное излучение в ЧНЧ/ОНЧ/СЧ диапазоне частот от сотен Гц до сотен кГц, и (г) УНЧ/ЧНЧ атмосферное излучение в диапазоне частот 3–30 Гц.

Другим явлением является возмущение атмосферы, которое, возможно, связано с землетрясениями. Данное явление исследовали при помощи загоризонтного сигнала передатчика ОВЧ диапазона (один из видов интегрированных измерений, как, например, субионосферное распространение ОНЧ/НЧ).

В настоящей работе представлены результаты недавних исследований только некоторых из вышеупомянутых явлений.

3.2. Сейсмо-атмосферные электромагнитные излучения

(a) ВЧ/ОВЧ излучение в диапазоне частот 10–100 МГц

Некоторые исследования одного события проводились в США (Warwick и др., 1982, частота ~18 МГц), Греция (Nomicos и др., 1995, частота ~41 МГц и 53 MHz), а также в Японии (Maeda и Tokimasa, 1996, частота ~22 МГц; Yamada и др., 2002, частота ~50 МГц). По сообщениям, интенсивность и продолжительность всплесков излучений была сопоставима с обычным ВЧ излучением при грозах, поскольку прием ВЧ шумов метеорологическими спутниками представляет из себя обычную процедуру регистрации при мониторинге грозовой активности. Тем не менее, попытки получить статистические данные о взаимосвязи явлений либо обнаружить и идентифицировать естественный фон всплесков ВЧ излучения, предположительно, связанных с землетрясениями, предприняты не были.

В настоящей работе представлены некоторые результаты последних исследований данных сейсмогенных ОВЧ радиоизлучений. Yonaiguchi и др. (2007b) первыми предприняли попытку применить фрактальный анализ по отношению к ОВЧ радиошумам, наблюдаемым на нескольких станциях в регионе Сендай для особенно крупного землетрясения, землетрясения в Мьяги-кен оки (16 августа 2005; магнитуда = 7,2). Применение фрактального анализа позволило им разграничить различные источники шумов (молний, солнечно-земных явлений и сейсмогенных явлений).

(b) УНЧ/ЧНЧ атмосферное излучение в диапазоне частот 3–30 Гц

Обычный УНЧ-диапазон в 0,003–30 Гц можно разделить на две части, отличающиеся друг от друга в физическом смысле: первая часть - это диапазон в 0,003–3 Гц, где можно наблюдать спорадические магнитосферные излучения (магнитные пульсации), естественное (несейсмическое) излучение ионосферы и ионосферный альвеновский резонанс ИАР) (0,3–3 Гц) с небольшими происходящими время от времени сейсмогенными излучениями (Молчанов и др., 2003). Во второй части основным является атмосферное излучение грозовых импульсов, что приводит к максимальным значениям интенсивности близко к шумановскому резонансу. Данные максимальные значения спектра возникают благодаря распространению атмосферных шумов на дальние расстояния (например, Николаенко и Hayakawa , 2002). Ohta и др. (2001) сообщили о вызванных сейсмической активностью изменениях УНЧ/ЧНЧ атмосферных шумов. На основании проведенного наблюдения за УНЧ/ЧНЧ шумами в Накацудава в Японии они обнаружили аномальное усиление интенсивности УНЧ/ЧНЧ шумов за один день и после знаменитого землетрясения в г. Чи-Чи в Тайване (21 сентября 1999 года, M=7,6), и результаты проведения процедуры по определению их гониометрического направления показали, что данные шумы были направлены от эпицентра землетрясения. Позднее, Hayakawa и др. (2005) сообщили об аномальном шумановском резонансе, и в особенности значимом явлении для четвертой гармонической составляющей (частота ~25 Гц), и данная аномалия рассматривалась в плане сейсмо-ионосферных возмущений.

Исследования в данном направлении были продолжены на русской станции Каримсиро, и в настоящей статье далее представлены похожие результаты наблюдений за УНЧ/ЧНЧ магнитными полями. Локальные вариации магнитного поля в УНЧ/ЧНЧ диапазоне частот, предположительно, связанные с сейсмичностью, рассматриваются наряду с данными наблюдений в комплексной лаборатории Каримсимо (широта 52,83?N, долгота 158,13?E, Камчатка, Россия) (Щекотов и др., 2007). Было обнаружено, что излучение широкого диапазона частот появляется приблизительно за 5 дней до землетрясения и продолжается на протяжении 5 дней после него. Для сейсмического УНЧ/ ЧНЧ-излучения в диапазоне частот 4–6 Гц, по сравнению с сейсмически спокойным фоном, характерно увеличенное P_hh/P_dd (P_hh и P_dd - спектральные плотности мощности составляющих H и D) спектральное отношение и сниженная стандартное отклонение эллипсного угла ориентации и эллиптичности, а также поляризация большей линейности, как показано на рис. 3.1. Параметры данного излучения изучаются для более чем 30 отдельных случаев землетрясений, а также статистически при помощи метода определения зависимости. Проверяется достоверность гипотезы прогнозирования землетрясения, и производится отбор подходящих параметров землетрясений и параметров ЧНЧ магнитного поля. Для данного излучения благоприятными параметрами землетрясения являются следующие: глубины H < 50 км, магнитуды Ms > 5,5 и расстояния до эпицентра R < 300 км. Изменения естественных УНЧ/ЧНЧ излучений в течение периодов повышенной сейсмической активности интерпретируются в качестве следствия возбуждения дополнительных УНЧ/ЧНЧ излучений в сейсмической зоне к востоку от обсерватории либо перераспределения грозовых разрядов с их возможной концентрацией возле активного разлома земной коры.

3.3. Сейсмо-атмосферное возмущение

(a) Прием загоризонтных сигналов передатчика ОВЧ диапазона и сейсмоатмосферное возмущение

Распространение загоризонтных FM-сигналов, предположительно, связанных с приближением землетрясения, наблюдалось исследователями Kushida и Kushida (1998). Они обнаружили сигналы с загоризонтного передатчика в Центральной Японии на несколько дней и недель до землетрясения в Кобе. Несмотря на тот факт, что мы не осуществляем прием сигнала с передатчика ОВЧ диапазона за пределами линии прямой видимости, мы иногда получаем сигналы с передатчика и определяем это как аномальное явление. Была обнаружена некоторая связь между аномальным распространением ОВЧ волн и землетрясениями, которые произошли в ряде регионов с повышенной активностью. Данное явление активно изучалось для нескольких землетрясений в Центральной Японии в период с 1 февраля до 30 июня 2000 года группой ученых во главе с Fukumoto (2001) при интенсивном применении ими интегрированных измерений. Передатчик с частотной модуляцией расположен в Сендай, в 312 км от приемника в Тофу, при этом расстояние линии прямой видимости составляло 80 км. Несмотря на то, что FM-сигналы (77,1МГц) из Сендай в обычные дни в Тофу зарегистрированы не были, поскольку станция находится за пределами прямой видимости, в Тофу время от времени принимались загоризонтные FM-сигналы с небольшим углом входа менее 20°. На рис. 3.2 показан один пример обнаружения загоризонтных сигналов с FM передатчика в Сендай. Приведенные данные наблюдались 27 мая 2000 года, за несколько дней до землетрясения, произошедшего 3 июня 2000 года (с магнитудой в 6.2). Определение направление сигнала показало, что иногда имеется множество различий в отношении определения эпицентра предстоящего землетрясения. Fukumoto и др. (2001) обнаружили, что взаимная корреляция между аномальными FM загоризонтными сигналами и землетрясениями свидетельствует о значительном пике приблизительно за 7 дней до землетрясения. Недавно данное явление было подтверждено экспериментальным путем Fujiwara и др. (2004). Существует достаточно мало исследований сейсмо-атмосферных возмущений на основании изучения загоризонтных ОВЧ сигналов (Kushida и Kushida, 1998; Fukumoto и др., 2001; Fujiwara и др., 2004). Мы можем сделать следующие основные выводы на основании данных ранее проведенных исследований, которые имеют огромную важность для следующих теоретических соображений.

(1) При нормальных условиях загоризонтные FM сигналы с передатчика ОВЧ диапазона не обнаруживаются (Кушида и Кушида, 1998; Фукумото и др., 2001), но в некоторых случаях они все-таки регистрируются.

(2) Обнаружено, что данные аномальные загоризонтные ОВЧ сигналы принимаются на станции за пределами линии прямой связи с небольшим углом входа (угол входа ≤20°) (Fukumoto и др., 2001).

(3) Взаимная корреляция между загоризонтными ОВЧ сигналами и землетрясениями показывает, что такая аномалия происходит приблизительно за одну неделю до землетрясения (Fukumoto и др., 2001; Fujiwara и др., 2004).

(4) Определение направления загоризонтного сигнала показывает, что иногда существует множество различий относительно места расположения эпицентра предстоящего землетрясения. Область атмосферных возмущений всегда оказывается ближе к суше для океанических землетрясений (Fukumoto и др., 2001).

В отличие от первоначальной гипотезы, предложенной Kushida и Kushida (1998), группа учёных во главе с Fukumoto (2001) обнаружили, что данная ОВЧ-аномалия связана не с ионосферой, а с атмосферным возмущением (пункт 2). Данное атмосферное возмущение обычно происходит за одну неделю до землетрясения (пункт 3). На основании пункта 4 можно сделать предположение о том, что атмосферный рассеиватель загоризонтных ОВЧ сигналов располагается ближе к суше (а не над поверхностью моря).

(b) Результаты последних статистических исследований

Yonaiguchi и др. (2007a) первыми провели исследование статистической корреляции между загоризонтными ОВЧ сигналами (FM в Сендай и принятыми в Тофу) и землетрясениями на основании данных за один полный год. Было обнаружено, что метеорологическое радиоволноводное явление преимущественно наблюдается в июле-сентябре. С другой стороны, при ограничении области анализа средней зоной траектории по дуге большого круга, всегда можно получить значительную корреляцию между характеристиками ОВЧ-сигнала (среднее значение, срединная интенсивность или вариации) с сейсмичностью для любого месяца года, превышающую доверительный уровень.

Yasuda и др. (2009) разработали метод интерферометрического определения направления для загоризонтных ОВЧ-сигналов. Распределение азимута при помощи интерферометра позволило нам соотнести любой всплеск в эволюции заряженности электрического поля по времени с тем или иным землетрясением. Загоризонтные сигналы передатчика ОВЧ-диапазона (в нашем случае, FM в Сендай (77,1 МГц)), предположительно связанные с землетрясениями, всегда значительно превышают фоновые шумы, азимут которых относительно близко расположен к направлению с Сендай и относительно далеко от эпицентрального направления землетрясения. С другой стороны, ОВЧ-радиопомехи, рассматриваемые в разделе 3.2 (a), всегда одновременно обнаруживаются как усиление фоновых шумов, азимуты которых относительно близко расположены к эпицентру землетрясения.

(c) Механизм порождения сейсмо-атмосферных возмущений

Kushida and Kushida (1998) и Филипенко и др. (2001) выдвинули предположение, не приведя тому никаких убедительных доказательств, что аномальное распространение загоризонтных ОВЧ-волн обусловлено обратным рассеянием от неоднородностей плазмы в ионосфере над регионом с сейсмической активностью. Однако выше приводятся выводы о том, что прием загоризонтных ОВЧ-сигналов обуславливается атмосферными возмущениями.

Вспомним, что слабые загоризонтные сигналы, обнаруженные на Тофу, были идентифицированы с помощью аудиомониторинга как FM сигналы с Сендай на частоте в 77,1 МГц. Общеизвестный факт, что явление дальнего распространения ОВЧ-волн обычно вызвано распространением волн в тропосферном волноводе через отражение волн ниже тропопаузы (Turman, 1955; Hall и др., 1996). Yonaiguchi и др. (2007 a) действительно обнаружили данное явление распространения волн в тропосферном волноводе в определенное время года (летом). Волноводное распространение в тропосфере, за которым следует дисторсия луча, происходит в результате изменений показателя преломления с высотой. При геометрически оптическом подходе радиус кривизны, R, луча можно выразить через показатель преломления n следующим образом (например, см. Turman, 1955):

где N обозначает единичный вектор главной нормали к кривой/лучу. Показатель преломления воздуха, в основном, зависит от атмосферного давления P, температуры T и парциального давления водяного пара e, содержащегося в воздухе. Эмпирическое соотношение данных параметров можно определить следующим образом (например, см. Hall и др., 1996):

где α₁ = 7,8 х 10^-7K /Pa и α₂ = 3,7 х 10^-3K² /Pa – эмпирические константы. Первый член правой части уравнения (2) обозначает сухие газы, преимущественно, азот и кислород, а следующий член определяется водяным паром. Атмосферное давление с высотой снижается почти экспоненциально, и средняя температура обычно падает приблизительно на один градус на каждые 100 метров. Давление водяного пара зависит от метеорологических условий и давления насыщенного водяного пара, которое, в свою очередь, является функцией температуры.

При стандартных метеорологических условиях показатель преломления воздуха уменьшается с высотой z, и типичное значение его производной – это dn/dz = -4 х 10^-8m^-1. Волноводное распространение возникает при том условии, что показатель преломления снижается быстрее с высотой таким образом, что

где Re – радиус Земли. Это означает, что лучи повторят кривизну земной поверхности.

Основной причиной радиоволноводного распространения волн является инверсия влажности и температуры, что время от времени происходит над поверхностью воды в условиях антициклона. Обычно волноводы не сохраняются над поверхностью суши, и это явление наблюдается вблизи берега. Следует отметить, что продолжительная инверсия давления не имеет место быть, поскольку из-за действия ветров равновесие быстро восстанавливается. Широкое многообразие волноводообразующих инверсий расположены ниже 1–2 км (Yonaiguchi и др., 2007 a), таким образом, для распространения волн в тропосферном волноводе необходимо вхождение луча в волновод под малым углом. Было обнаружено, что загоризонтные сигналы, предположительно связанные с землетрясениями, имеют угол места менее 10° (Fukumoto и др., 2001). Данный факт свидетельствует в пользу распространения волн в тропосферном волноводе, нежели о рассеянии в ионосфере.

Ввиду того, что распространение волн в тропосферном волноводе, в основном, обусловливается поведением давления водяного пара, первым членом правой части уравнения (2) можно пренебречь. Таким образом, подставляя уравнение (2) вместо n в уравнение (1) и принимая R = R_e, получаем

где Δe – типичное значение колебания давления пара, а Δh обозначает вертикальную шкалу волновода. Совмещая уравнение (4) с уравнением состояния идеальных газов, можно определить изменение плотности массы водяного пара на границах волновода

где C – универсальная газовая постоянная, а M - масса молекулы пара. Подставляя Δh = 0,1 – 0,5 км и T = 293K в уравнение (5), получаем приблизительную оценку Δρ = (1,3 – 0,3) х 10^-2 кг/м³. Обратите внимание, что данное значение – порядка средней плотности пара у поверхности земли.

Интересен тот факт, что такие аномальные метеорологические условия можно связать с колебаниями приземной температуры, в некоторых случаях наблюдаемых до наступления сейсмических событий. Перед несколькими сильными коровыми землетрясениями были зарегистрированы увеличение приземной температуры приблизительно в 1–3K и колебания почвенной влажности (к примеру, Sugisaki и др., 1980; Wang и Zhu, 1984). На температурных изображениях со спутников Национального Управления Океанических и Атмосферных Исследований/Радиометрия очень высокого разрешения заметно аномальное усиление уходящего инфракрасного излучения над регионами с сейсмической активностью в Центральной и Средней Азии, Китае, Японии и Европейском Союзе, преимущественно, вдоль системы разломов земной коры (Горный и др., 1988; Тронин, 1999; Qiang и др., 1999; Tramutoli и др., 2001; Тронин и др., 2002). Температурные аномалии наблюдались за несколько дней или недель до землетрясения. Увеличение температуры на несколько K продолжалось в течение недели после землетрясения. Температурные аномалии в регионе площадью ~10⁴ – 10⁵ км² менялись в размерах до и после землетрясения.

Полагают, что данное явление обусловлено выделением оптически активных газов, таких как CO₂, CH₄, и водяного пара, что приводит к локальному парниковому эффекту (Тронин, 1999). Предполагают, что другой механизм обусловлен выдавливанием термальных вод из верхних слоев земли по направлению к поверхности Земли, за чем следует нагревание поверхности земли. Конвекционный механизм нагревания пород подземными водами, поднимающимися на поверхность земли, рассматривался в качестве возможной причины стабильных температурных аномалий, возникающих вблизи разрыва (Сурков и др., 2006). Обратите внимание, что конвекционный механизм нагревания пород может проходить интенсивнее при землетрясениях под водой либо вблизи от побережья, поскольку в данных случаях толщина земной коры меньше по сравнению с сушей.

Теперь рассмотрим возможную связь между аномальными колебаниями показателя преломления и повышением температуры земной поверхности (Hayakawa и др., 2007). Теплообмен между землей и атмосферой, в основном, контролируется суточными изменениями потока солнечного излучения. Тепловой баланс также включает конвективный/турбулентный теплообмен в атмосферном слое близ поверхности земли, теплопотери ввиду испарения земли и слабый геотермальный теплообмен (Тронин, 1999).

Теперь определим конвективный теплообмен, который зависит от разницы температур земли и атмосферы

где индексы a и g обозначают атмосферу и землю (соответственно), а постоянная γ варьируется в зависимости от времени суток как γ = 15 –25 W/(m2K) (Горный и др., 1993). Увеличение средней температуры земли на значение ΔT приводит к увеличению теплообмена вверх на значение Δqe = γΔT. Если не принять во внимание суточные колебания теплового баланса, дополнительное количество тепла, произведенное за временной интервал t, можно приблизительно оценить как ΔQ = γΔTSt, где S обозначает площадь, на которой наблюдаются температурные аномалии. Если предположить, что все тепло полностью преобразуется в энергию, которая необходима для испарения грунтовых вод, максимальная масса водяного пара по причине испарения определяется как Δm = ΔQ/λ, где λ обозначает удельную теплоту парообразования для указанной температуры. Водяной пар может перемещаться из-за адвекции воздушных масс, что обычно происходит в летние сумерки, когда воздух с теплой поверхности суши перемещается в более прохладную область над поверхностью моря.

Когда водяной пар концентрируется на высоте 1–2 км от поверхности земли, это может привести к высоким градиентам влажности и температурной инверсии, что образует радиоволновод. Чистая масса водяного пара в волноводе определяется как Δmd = ΔρΔhSd, где Δh - толщина волновода, Sd – площадь волновода, а Δρ – изменения плотности пара. Предположив, что Δm ~ Δmd и S ~ Sd, и учитывая вышеприведенное уравнение для ΔQ, получаем

Подстановкой уравнения (6) вместо Δρ в уравнение (8), можно определить временной интервал, необходимый для образования массы пара Δm_d

Отбираем следующие параметры и получаем λ = 2,45 х 10⁶ J/kg (T = 293 K), γ = 20 W/(m² K) и ΔT = 1 – 3 K. Числовые величины для других параметров можно найти в настоящем разделе. Подставив данные величины в уравнение (8), получаем то, что t может варьироваться от 3 ч до 9 дней. Данное определение строго не противоречит тому предположению, что слабое нагревание земной поверхности в течение нескольких дней или недель может явиться причиной испарения подземных вод, что, в свою очередь, способно поддерживать процесс радиоволноводного распространения. Это означает, что, в принципе, как аномальные загоризонтные FM-сигналы, так и аномалии приземной температуры могут предшествовать землетрясениям. Наконец, прокомментируем влияние магнитуды землетрясения, несмотря на то, что это влияние чрезвычайно важно для порождения сейсмо-атмосферных возмущений. Данное влияние магнитуды имплицитно включается в параметр S, обозначающий область, на которой наблюдается температурная аномалия.

Результаты анализа, описанного выше, свидетельствуют о возможном наличии связи между аномальным явлением при получении загоризонтных ОВЧ-сигналов и периодом, предшествующим землетрясению. Можно предположить следующий сценарий развития явления в сейсмически активной области. Колебания тектонического напряжения вблизи разломов приводят к тому, что подземные воды постепенно вытесняются из верхних слоев грунта по направлению к поверхности Земли. Грунтовые воды с повышенной температурой поднимаются из верхних грунтовых слоев к поверхности Земли, в результате чего наблюдается небольшое увеличение температуры грунта, аналогичного увеличению, обнаруженному перед землетрясением (Горный и др., 1988; Тронин, 1999; Qiang и др., 1999; Tramutoli и др., 2001; Тронин и др., 2002). Помимо этого, может наблюдаться повышение содержания водяного пара, CO₂, CH₄, и других оптически активных газов, что, в свою очередь, приводит к локальному парниковому эффекту, за которым следует повышение температуры грунта (Тронин, 1999). Оказывается, что время опережения аномального загоризонтного ОВЧ сигнала составляет одну неделю (пункт 3 в разделе 4.3.) и соответствует результатам измерения температуры земли, полученным со спутников.

Если благоприятные метеорологические условия наблюдаются в атмосферном слое близ поверхности Земли в регионах с сейсмической активностью, они могут обусловить инверсию влажности воздуха и температуры, затем следуют аномальные изменения показателя преломления воздуха. Такие метеорологические условия могут наблюдаться некоторое время вблизи береговой линии. По всей видимости, это соответствует данным, приведенным в пункте 4 в разделе 3.3. В конечном итоге это может привести к радиоволноводному распространению и распространению загоризонтных ОВЧ волн (Kushida и Kushida, 1998; Fukumoto и др., 2001; Fujiwara и др., 2004).

3.4. Сейсмо-атмосферные явления. Заключение

Мы рассмотрели сейсмогенные радиоизлучения в атмосфере, которые предположительно ассоциируются с землетрясениями, включая свечение землетрясения, ВЧ/ОВЧ радиоизлучения, ЧНЧ/ОНЧ/СЧ радиоизлучения. В общем, вероятно, что данные радиоизлучения наблюдаются непосредственно перед землетрясениями, однако на данный момент было предпринято очень мало попыток получить корреляционные статистические данные и также очень мало попыток отделить данные сейсмогенные излучения от других шумов. Следовательно, механизм порождения данных сейсмогенных излучений крайне малоизучен на настоящий момент.

Напротив, в последнее время исследование сейсмо-атмосферных возмущений при помощи загоризонтных ОВЧ сигналов продвинулось далеко вперед, и результаты данных наблюдений свидетельствуют о том, что перед землетрясением в атмосфере, определенно, происходят возмущения. Статистические исследования и исследования в области определения направлений позволили выявить характеристики сейсмоатмосферных возмущений. Также не так давно приступили к изучению механизма порождения излучений на основании изменений в геохимических свойствах, обусловленных землетрясениями, что приводит к образованию радиоволноводов.

В рамках данного сценария также можно предположить, что увеличение влажности и средней температуры в атмосферных слоях близ поверхности Земли сопровождается небольшим спадом атмосферного пробивного напряжения. В этой связи интересен тот факт, что перед крупными землетрясениями и во время них наблюдались некоторые странные явления, такие как сплошная молния/зарница, свечение горных вершин и туманность в некоторых областях (Finkelstein и Powell, 1970; Hedervari и Noszticzius, 1985; Derr и Persinger, 1986; Моргунов, 1998). Вышеприведенное предположение подтверждает этот факт, хотя мы не можем утверждать наверняка, действительно ли данные любопытные явления связаны с землетрясениями. И, наконец, нам бы хотелось обобщить следующие аспекты:

(1) По всей видимости, сейсмогенные излучения в широком диапазоне частот от УНЧ/ЧНЧ до ОВЧ возникают в связи с землетрясениями, но окончательных выводов о наличии данных излучений делать нельзя до проведения детальных исследований по определению статистической корреляции.

(2) Можно предположить, что тектоническая активность в зоне разломов может инициировать небольшое увеличение температуры поверхности земли, подъем подземных вод и выделение газа, что, в свою очередь, приводит к некоторому изменению влажности в атмосферном слое близ поверхности земли, затем следуют изменения атмосферного показателя преломления и вероятность возникновения пробивного напряжения.

(3) Возникновение загоризонтных ОВЧ-сигналов и повышение температуры поверхности земли в сейсмически активных регионах может быть обусловлено нагревом земной поверхности по причине постепенного вытеснения грунтовых вод из верхних грунтовых слоев на поверхность земли либо слабо выраженному парниковому эффекту.

(4) Все явления, которые рассматривались в настоящей статье, кажутся спорадическими и зависят от конкретных условий, поскольку обуславливаются метеорологическими условиями, суточными и сезонными колебаниями влажности воздуха, близости к береговой линии и т.д. Для изучения данной интересной проблемы в сейсмически активных регионах и детальной проработки теоретических заключений, представленных в настоящем разделе, требуется проведение дальнейших экспериментов в данной области.

4. ОНЧ/НЧ радиозондирование ионосферных возмущений, ассоциируемых с землетрясениями

4.1. Использование ОНЧ/НЧ субионосферного распространения в качестве новой методологии исследования

Большинство энергии, излучаемой ОНЧ/НЧ-передатчиками, захватывается между поверхностью земли и нижней ионосферой, тем самым образуя волновод Земля-ионосфера. Субионосферные ОНЧ/НЧ-сигналы отражаются от слоя D ионосферы, вероятно, наименее изученного слоя атмосферы Земли (Rodger и McCormick, 2006). Данные высоты (~70–90 км) слишком далеко расположены для зондов и слишком низко для спутников, из-за чего измерения in-situ проводятся чрезвычайно редко. Единственно возможный способ зондирования данного слоя D связан с ОНЧ/НЧ-субионосферными сигналами.

Любые колебания в слоях ионосферы D/E приводят к изменениям в условиях распространения ОНЧ-волн, распространяющихся субионосферно, и, следовательно, изменения наблюдаемой амплитуды и фазы ОНЧ/НЧ-сигналов обусловлены различными видами источников возмущений; (1) солнечные вспышки, (2) геомагнитные бури (и соответствующее высыпание частиц), (3) прямое воздействие молнии (например, Rodger и McCormick, 2006). Помимо данных солнечно-земных явлений, можно предложить еще одно явление, ассоциирующееся с землетрясениями (или сейсмической активностью), в нижнем слое атмосферы (Hayakawa, 2007).

Первая попытка осуществить ОНЧ/НЧ-радиозондирование сейсмоионосферных явлений была предпринята коллегами из России (Гохберг и др., 1989; Гуфельд и др., 1992), которые изучали распространение ОН-волн на дальние расстояния от Реюньон (передатчик Омега) до Омска в целях обнаружения каких-либо явлений, связанных с землетрясением в Кавказском регионе. Далее, им удалось обнаружить значительную аномалию в распространении волн по двум траекториям с дальним расстоянием от Реюньон до Москвы и также до Омска за несколько дней до известного землетрясения в Спитаке (Гуфельд и др., 1992).

Самые убедительные результаты исследования сейсмо-ионосферных возмущений при помощи ОНЧ-зондирования были получены Hayakawa и др. (1996b) в отношении известного землетрясения в Кобе в 1995 году (с магнитудой 7,3 и глубиной 20 км). Ниже приводятся самые важные выводы в их работе; (1) расстояние распространения (от Цусима Омега до обсерватории Инубо) – относительно небольшое при ОНЧ (~1,000 км), как показано на рис. 4,1(a), по сравнению с 5,000 ~9,000 км, в работе русских исследователей (Гохберг и др., 1989; Гуфельд и др., 1992), и (2) было обнаружено, что флуктуационный метод, применяемый ранее, оказался не таким эффективным для траектории распространения на небольшие расстояния, в связи с этим ими был разработан другой метод анализа. А именно, они обратили внимание на терминальное время (утро и вечер) и обнаружили значительные изменения в терминальном времени до землетрясения, как показано на рис. 4.1(b). Утреннее время (t_m) смещается на ранние часы, а вечернее t_e смещается на поздние часы. Данный момент был исследован в статистическом отношении на основании базы данных более продолжительного периода в ±4 месяца, в результате чего было обнаружено, что смещение для t_e (фаза) на рис. 4.1(b) более, чем в два раза превышает стандартное отклонение (2σ). Это означает, что дневное время, определяемое субионосферными ОНЧ сигналами, продлевается за несколько дней до и после землетрясения, а теоретические заключения (Hayakawa и др., 1996b; Молчанов и др., 1998; Yamauchi и др., 2007говорят о том, что нижний слой ионосферы понижается перед землетрясением.

Следующее масштабное исследование, проведенное Молчановым и Hayakawa (1998), было основано на гораздо большем числе событий за 13 лет (11 событий с магнитудой выше 6,0 и в пределах 1-ой зоны Френеля) для одной и той же траектории распространения волн от Омега, Цусима, до Иннубо, при этом были сделаны следующие выводы.

(1) Что касается неглубоких землетрясений (глубиной менее 30 км), для 4 землетрясений из 5 была характерна одна и та же аномалия терминального времени, что и для землетрясения в Кобе (как показано на рис. 4.1(b)) (с тем же критерием 2σ).

(2) В случаях, когда глубина землетрясений находилась в среднем диапазоне в 30–100 км, наблюдалось два события. Для одного события была характерна та же аномалия терминального времени, для второго - аномалия другого типа.

(3) Для глубоких землетрясений (глубиной более 100 км) (4 события) аномалий замечено не было. Два из них имели крайне большую магнитуду (выше 7,0), но не имели аномалий распространения волн.

По результатам данного исследования можно предположить наличие относительно высокой вероятности возникновения аномалии волнового распространения (в форме аномалии времени прерывания) порядка 70 ~ 80% для более крупных землетрясений (с магнитудой выше 6,0), расположенных относительно близко к траектории по дуге большого круга (например, 1-ая зона Френеля).

После того, как были получены такие значимые результаты, упомянутые выше (в особенности, результаты для землетрясения в Кобе), правительство Японии осуществило интегрированный передовой проект по исследованию землетрясений, а бывшее НАСДА (Национальное агентство по освоению космического пространства Японии) осуществило так называемый “Передовой Проект по дистанционному зондированию при прогнозировании землетрясений” (в котором исследованием руководил автор настоящей работы) в период с 1997 года по 2001 год (проект продолжительностью 5 лет) (Hayakawa и др., 2004 a, b; Hayakawa, 2004). В данном проекте мы уделили огромное внимание субионосферному ОНЧ/НЧ распространению волн в целях его использования для краткосрочного прогнозирования землетрясений. На рис. 4.2 показана сеть ОНЧ/НЧ станций Японии, построенных в рамках Передового Проекта, которые эксплуатируются до сих пор. В сеть включаются семь наблюдательных станций (Мосири (Ноккайдо), Тофу (Токио), Татеяма (Тиба), Симидзу (Сидзуока), Касугай (Нагоя), Майдзуру (Киото) и Коти). Нами осуществляется одновременное наблюдение за несколькими передатчиками на каждой станции, в отличие от ранее используемой ОНЧ радиоприемной системы. Сейчас мы осуществляем наблюдение за следующими ОНЧ/НЧ передатчиками: (1) JJY (40 кГц, Фукусима), (2) JJI (22,2 кГц, Эбино, Кюсю), (3) NWC (19,8 кГц, Австралия), (4) NPM (21,4 кГц, Гавайи) и (5) NLK (24,8 кГц, Америка). При помощи использования данных наблюдения с нескольких станций и большого количества ОНЧ/НЧ-передатчиков мы сможем установить месторасположение ионосферного возмущения с точностью в 100 км. Опишем нашу систему. Наш ОНЧ/ НЧ-приёмник под названием Japal спроектирован для измерения очень медленных и незначительных изменений в амплитуде и фазе. Магнитуда возмущений с медленной фазой и небольшой амплитудой, которые, по утверждениям, предшествуют землетрясению, намного превышают данные показатели, поэтому наша система должна обнаружить данные возмущения, если таковые существуют.

Наша ОНЧ/НЧ-система также развернута во многих странах по их просьбам. Один из наших ОНЧ/НЧ приемников сейчас эксплуатируется на Камчатке в России, благодаря которому были получены ценные данные (Рожной и др., 2004), еще один установлен в Тайване. Данные станции, наряду с нашей развитой системой станций в Японии, образуют глобальную Тихоокеанскую ОНЧ/НЧ сеть. Более того, несколько ОНЧ/НЧ-приёмников было установлено в Европе, в частности, один из них, установленный в Италии, сейчас эксплуатируется и является источником значимых данных (Biagi и др., 2004).

При помощи вышеупомянутой ОНЧ/НЧ-сети станций в Японии, мы изучали конкретные условия возникновения крупных землетрясений. Мы можем перечислить данные землетрясения; (1) сеть землетрясений на полуострове Идзу (с наивысшей магнитудой в 6,3) в марте 1997 года (на основании данных, переданных с Цусима, Омега на Тофу), (2) землетрясения в регионе Токай (Нагоя) (на основании данных, переданных с Норт-Уэст-Кейп (Австралия) на Касугай (Нагоя) (Ohta и др., 2000), (3) землетрясение в Токачи-оки (25 сентября 2003 года, M 8,3) (Shvets и др., 2004a; Cervone и др., 2006), (4) землетрясение в Ниигата-Туэцу (23 октября 2004 года, M 6,8) (Hayakawa и др., 2006; Yamauchi и др., 2007). В частности, мы воспользовались всеми средствами наблюдения нашей ОНЧ/НЧ-сети станций в случае с землетрясением в Ниигата (Yamauchi и др., 2007). А именно, сопоставление данных о различных траекториях распространения волн с нескольких наблюдательных станций и нескольких полученных сигналов ОНЧ/НЧ-передатчиков позволило нам определить месторасположение ионосферного возмущения и вывести его пространственную шкалу. Также был сделан вывод о его темпоральных динамических характеристиках, и проведены теоретические двухполупериодные расчеты.

Метод терминального времени, который мы впервые разработали для изучения землетрясения в Кобе, применялся в качестве метода стандартного анализа ОНЧ/НЧ-данных. Помимо данного метода терминального времени, существует и другой метод анализа ОНЧ/НЧ-данных, называемый «метод анализа флуктуаций в ночное время суток», представляющий собой усовершенствование метода, описанного в работах русских ученых.

4.2. Результаты последних исследований ОНЧ/НЧ-сигналов

В настоящей статье представлены некоторые из результатов наших последних исследований с применением ОНЧ/НЧ-радиозондирования. Во-первых, представлены результаты статистической корреляции ионосферных возмущений, определенных путем субионосферного ОНЧ/НЧ-радиозондирования, и землетрясениями. Далее представлены результаты исследования конкретных условий, определенных в Японии для сильнейшего землетрясения на о. Суматра, Индонезии.

(a) Статистическое исследование корреляции между ионосферными возмущениями и землетрясениями

Помимо проведения исследований конкретных событий крайне необходимы статистические исследования корреляции между ионосферными возмущениями и землетрясениями на основании большого числа данных. Сообщений о статистической корреляции между ионосферными возмущениями и землетрясениями крайне мало (Shvets и др., 2002, 2004b; Рожной и др., 2004). Shvets и др. (2004b) изучили данные за очень короткий промежуток времени (март-август 1997 года) для двух траекторий (одна – Цусима – Тофу, другая – Норт – Уэст – Кейп (Австралия) – Тофу) и обнаружили, что волнообразные аномалии в ОНЧ-сигнале с Омега с промежутками в несколько часов (что свидетельствует о значимости атмосферных гравитационных волн, по предположению Молчанова и др. (2001) и Miyaki и др. (2002)) наблюдались за 1–3 дня и в день умеренно сильного землетрясения с магнитудой 5–6,1. Далее, Рожной и др. (2004) провели масштабное исследование данных о субионосферном НЧ сигнале вдоль траектории Япония (позывной, JJY)–Камчатка (расстояние = 2300 км) и обнаружили на основании проведенного статистического анализа, что НЧ сигнал наблюдается только для землетрясений с магнитудой, по крайней мере, выше 5,5.

Далее приводятся краткое содержание нашего последнего исследования (Maekawa и др., 2006), посвященного статистическому исследованию корреляции между ионосферными возмущениями и сейсмической активностью. Описываются несколько важных отличий от предыдущих работ Shvets и др. (2002, 2004 b) и Рожного и др. (2004). Первый важный момент - гораздо более продолжительный период наблюдения за ОНЧ/НЧ-данными (пять лет). Второй момент – то, что мы уделяем внимание физическим параметрам ОНЧ/НЧ данным о распространении; (1) амплитуда (или тренд) и (2) рассеивание (в амплитуде) (или колебания). В предыдущей работе Рожного и др. (2004) исследовалось процентное соотношение аномальных дней, при котором один аномальный день определялся как один день, в течение которого разница в амплитуде (и/или фазе) от среднемесячного значения превышает одно стандартное отклонение (σ).

В настоящей работе особое внимание уделяется землетрясениям в Японии и близлежащих к ней регионах, и поэтому мы учитываем путь волны от японского НЧ передатчика, JJY (40 кГц) (географические координаты; 36°18' N, 139°85' E) до приемной станции Коти (33°33' N, 133°32' E). На рис. 4.3 показано месторасположение НЧ передатчика, JJY, и нашей приемной станции, Коти, относительно друг друга, а расстояние между передатчиком и приемником составляет 770 км.

Субионосферные НЧ данные для данного пути распространения волны берутся за период в 6 лет с июня 1999 года до июня 2005 года, но один год, а именно, 2004 (с января по декабрь 2004 года) не учитывался по следующей причине. Как вам, возможно, известно, 23 октября 2004 года произошло чрезвычайно крупное землетрясение под названием «землетрясение в центре префектуры Ниигата 2004 года», с магнитудой = 6,8 и глубиной = 10 км (Hayakawa и др., 2006), и основной толчок, а также нескольких крупных последующих толчков были настолько крупными и настолько частыми, что этом могло значительно повлиять на результаты нашего последующего исследования. Далее мы исключили данный год (2004) при проведении нами анализа. Нам пришлось определить критерии отбора землетрясений. Зона чувствительности для пути волны, от передатчика JJY до приемной станции Коти, определяется следующим образом. Как показано на рис. 4.3, сначала мы применим круги с радиусом в 200 км вокруг передатчика и приемника, и зона чувствительности будет определена как зона их наложения друг на друга. Все 92 землетрясения с магнитудой (конвенциональная амплитуда (M) по данным Метеорологического Агентства Японии) выше 5,0 графически расположены на рис. 4.3, однако глубина земли составляет менее 100 км (принимая во внимание результаты предыдущих исследований Молчанова и Hayakawa (1998) о том, что неглубокие землетрясения могут влиять на ионосферу). Обычно в качестве зоны ОНЧ/НЧ-чувствительности мы использовали пятую зону Френнеля (Молчанов и Hayakawa, 1998; Рожной и др., 2004), но мы обнаружили, что область непосредственно вокруг передатчика и приемника также чувствительна к ОНЧ-возмущениям (см. Ohta и др., 2000), учитывая возможный размер сейсмо-ионосферного возмущения. В этом смысле область чувствительности, которой мы пользуемся, оказывается достаточно оправданной, поскольку широта области чувствительности очень близка к 10-ой зоне Френнеля.

Осуществляя следующий статистический анализ, мы увеличиваем соотношение S/N. В данном случае мы по-другому определяем магнитуду землетрясения. Поскольку мы рассматриваем данные в единице одного (a) дня (мы применяем U. T. (нежели L. T.) для расчета дней, поскольку мы остаемся в том же дне, даже когда наступает полночь, при применении U.T.), сначала мы производим подсчет общего количества энергии, высвободившейся при нескольких землетрясениях с различной магнитудой за один день в пределах зоны чувствительности для пути НЧ-волны, как показано на рис. 4.3, путём интегрирования энергии, высвободившейся при нескольких землетрясениях (по направлению вниз к конвенциональной магнитуде M = 2,0) и её преобразования в эффективную магнитуду (Meff) для данного дня. Данная величина Meff имеет гораздо большее значение по сравнению с конвенциональной магнитудой для каждого землетрясения, поскольку аномалия НЧ волнового распространения в один день – это явления, интегрированные для нескольких землетрясений, которые произошли в пределах одной зоны чувствительности в тот день. Несмотря на то, что данное наблюдение не представлено в виде графика, мы определили, что имеется 19 дней с Meff более 5,5.

Известно, что суточные вариации амплитуды и фазы субионосферного ОНЧ/НЧ-сигнала значительно меняются от месяца к месяцу и изо дня в день. Следовательно, продолжая направление предыдущих работ (Shvets и др., 2002, 2004a, b; Рожной и др., 2004; Hayakawa и др., 2006; Horie и др., 2007 a), при применяем, в целях нашего анализа, разностный сигнал амплитуды dA как разницу между наблюдаемой интенсивностью сигнала (амплитудой) и средним значением за несколько дней до и после текущего дня:

где A(t) – амплитуда во время t для текущего дня, а <A(t) > – соответствующее среднее значение в то же время t для периода ±15 дней (15 дней до, 15 дней после землетрясения и непосредственно день землетрясения). В своей работе Рожной и др. (2004) определяют аномальный день, когда dA(t) превышает соответствующее стандартное отклонение. Осуществляя наш анализ, мы изучили вариации в ночное время суток (в диапазоне U.T. от U.T. = 10 ч до 20 ч) (либо L.T. 19 ч до 05 ч)). Затем, применяем два физических параметра: среднюю амплитуду (назовем ее «амплитуда») (либо тренд) и рассеивание амплитуды (назовем это «рассеивание») (или колебания)). Определяем среднюю амплитуду для каждого дня (в отношении U.T.), используя наблюдаемую dA(t) и одно значение для дисперсии (колебания) для каждого дня.

Далее мы можем приступить к самому анализу. В целях проведения исследования корреляции между ионосферными пертурбациями по двум параметрам (амплитуда и рассеивание) и сейсмичностью, отбираем два характерных периода; периоды с сейсмической активностью при Meff более 5,5 и более 6,0. Число событий с Meff ≥ 5,5 – 19, а с Meff ≥ 6,0 – 4.

Наконец, предпримем непосредственно статистический анализ. Когда мы применяем z-преобразование Фишера к амплитуде данных и рассеиванию, соответственно, и известно то, что значение z приблизительно повторяет нормальное распределение N (0, 1) с нулевым средним и рассеиванием. На рис. 4.4 (a) и 4.4 (b) приводятся соответствующие статистические результаты z-теста. Линия 2σ (σ: стандартное отклонение за весь период в пять лет) выступает в качестве статистического критерия. Прежде всего, обратим внимание на амплитуду (тренд) на рис. 4.4 (a). Очевидно, что голубая линия для Meff превышает линию 2σ более чем на 6,0 (снижение около 3 dB) за несколько дней до землетрясения. Это позволяет сделать предположение о том, что ионосферное возмущение в отношении амплитуды (тренда) ведёт себя статистически значимо перед землетрясением (3–5 дней перед землетрясением). Далее обратимся к рассеиванию на рис. 4.4 (b). Усиление рассеивания (колебаний) очевидно для крайне высокой сейсмической активности (Meff ≥ 6,0). То есть, рассеивание превышает линию 2σ за 6–2 дня перед днём землетрясением. В случае, когда Meff несколько уменьшается (Meff ≥ 5,5), явления, связанные с землетрясением, присутствуют, но они не настолько значимы по сравнению со случаем для Meff ≥ 6,0. Наконец, рассмотрим соответствующие результаты для M ≥ 5,0 (далее ниже Meff = 5,5 на 0,5). Нам удалось обнаружить, что изменения амплитуды и рассеивания происходят в пределах линии ±2σ для Meff ≥ 5,0, и на основании результатов настоящего и предыдущих исследований, можно сделать вывод, что сейсмическая активность может быть выявлена наверняка только для Meff ≥ 6,0.

Сравним результаты нашего настоящего статистического исследования с результатами предыдущих исследований (Shvets и др., 2002; Рожной п др., 2004). Группа ученых во главе с Рожновым (2004) определили процентное соотношение аномальных дней для различных землетрясений конвенциональных магнитуд. После изучения различных явлений (солнечных вспышек, геомагнитных бурь и т.д.), они смогли определить сейсмические явления при субионосферном распространении ОНЧ/НЧ-волн для тех случаев, когда магнитуда землетрясения превышает 5,5. Проводя наш анализ, мы обращаем внимание не на процентное соотношение аномальных дней, как это сделали Рожной и др. (2004), а на два физических параметра субионосферного НЧ-распространения [(1) амплитуду (тренд) и (2) рассеивание (или колебания)]. Результаты проведенного нами исследования подтвердили и доказали результаты исследования Рожного и др. (2004) благодаря использования данных за гораздо более продолжительный период времени. Настоящее статистическое исследование доказало надежность применения флуктуационного метода в ночное время суток при обнаружении сейсмо-ионосферных возмущений (Hayakawa и др., 2006; Horie и др., 2007 a)

(b) Изучение обстоятельств землетрясения на Суматре в декабре 2004 г.

(Наземный прием сигналов ОНЧ в Японии и спутниковые наблюдения за сигналами ОНЧ)

Данный раздел посвящен недавнему изучению обстоятельств землетрясения на острове Суматра с помощью данных по распространению ОНЧ сигналов между ОНЧ передатчиком на полуострове Норт-Уэст-Кейп (Австралия) (21,82° ЮШ, 114,15° ВД) и Японией. Так как данное землетрясение было чрезвычайно мощным, важно определить, оказало ли оно эффект на нижнюю ионосферу. При наличии этого эффекта, будут изучены параметры и динамика возмущений.

Мощное землетрясение произошло на западном побережье острова Суматра 26 декабря 2004 г. Магнитуда землетрясения составила 9,3 балла, а глубина очага землетрясения – 30 км. Эпицентр землетрясения располагался по координатам 3.31°СШ, 95.95°ВД. Как показано на рис. 4.5, эпицентр землетрясения имел форму огромного круга (окружности) (12/26) и располагался далеко (примерно 2000 км) от траекторий дуги большого круга между ОНЧ передатчиком на полуострове Норт-Уэст-Кейп (также показанном на рис. 4.5) и тремя приёмными станциями в Японии [города Тиба (аббревиатура CBA), Тофу (CHO) и Коти (KOC)]. Описание данной ОНЧ/НЧ-сети Японии приводится в работе Hayakawa и др. (2004 a, b).

Обратим особое внимание на промежуток времени до и после землетрясения на острове Суматра, а именно периоду с середины ноября 2004 г. по май 2005 г. На рис. 4.5 мы отобразили только два пути распространения сигнала (две из пяти зон Френеля: от полуострова Норт-Уэст-Кейп до города Коти и от полуострова Норт-Уэст-Кейп до города Тиба). В период с середины ноября 2004 г. по май 2005 г. мы отмечали эпицентры землетрясений, имевших магнитуду выше 6,0 и расположенных вблизи наших путей распространения сигнала. Центр каждого круга обозначает эпицентр землетрясения, а его размер пропорционален магнитуде землетрясения. Цвет круга указывает на глубину с шагом в 20 км.

Как объяснялось выше, было предложено два метода анализа для определения явлений, предшествующих землетрясению в ОНЧ/НЧ; (1) Метод терминального времени (Hayakawa и др., 1996 b; Молчанов и Hayakawa, 1998), (2) Анализ колебания в ночное время суток (Shvets и др., 2004a, b; Рожной и др., 2004; Maekawa и др., 2006). Как показано на рис. 5.5, путь распространения лежит приблизительно в меридиональной плоскости север-юг, таким образом, метод терминального времени оказывается не таким эффективным в отношении определения данного пути. Метод определения терминального времени, в основном, эффективен для направления распространения волн восток-запад (Maekawa и Hayakawa, 2006). Следовательно, мы применили метод колебаний. На рисунке 5.6 показан непрерывный график колебаний амплитуды в ночное время суток сигнала с НУК, наблюдаемого на трех станциях [Тиба (CBA), Тофу (CHO) и Коти (KOC)]. Понятно, что в количественном отношении имеется усиление колебаний в ночное время на всех станциях. Далее, произведём количественный анализ колебаний в ночное время суток. С этой целью применяем ночной временной интервал L.T. в шесть часов (L.T. = 21 ч – 03 ч), и определяем разницу dA(t) (≡ A(t) – <A(t)>) где A(t) – ОНЧ амплитуда во время t и <A(t)> – среднее значение за период в ±15 дней (один месяц) в то же время t. Наконец, интегрируем dA2 за указанные шесть часов в ночное время суток и получаем данные для каждого дня.

Как рассматривается в работе Maekawa и др. (2006), мы показали результаты анализа за два года – 2004 и 2005. В результате этого долгосрочного анализа было установлено, что ОНЧ колебание в ночное время снижается во время сейсмически спокойных периодов.

Пятая зона Френеля, показанная на рис. 4.5, уже доказала свою эффективность применения в качестве ОНЧ-зоны чувствительности для землетрясений с магнитудой в 6,0–7,0 (Hayakawa и др., 1996 b; Молчанов и Hayakawa, 1998), при рассмотрении возможного размера сейсмоионосферных возмущений. Землетрясение на о. Суматра было крайне сильным (M = 9,3), поэтому в этом случае ожидается наличие чрезвычайно большой по размеру области образования ионосферных возмущений. Простым применением либо формулы по определению размера подготовительной зоны, приведенной в работе Добровольского и др. (1979) либо эмпирической формулы по определению размера ионосферных возмущений Ружина и Depueva (1996), радиус подготовительной зоны для возможных ионосферных возмущений определяется порядка 7,000–8,000 км. Эмпирическая формула Ружина и Depueva (1996), главным образом, основана на событиях с магнитудой M = 7,0 или около того, поэтому использовать ли данную формулу по отношению к землетрясению с M =9,3 – спорный вопрос. Хотя было бы разумно предполагать, что на путь распространения ОНЧ-сигналов с передатчика в НУК до ОНЧ-станций в Японии оказывается сильное воздействие, поскольку расстояние до эпицентра по траектории по дуге большого круга составляет всего 2000 км.

Как уже было доказано Horie и др. (2007 a), геомагнитная активность в период до и после землетрясения в Суматре (например, ±один месяц до и после землетрясения) оказалась относительно спокойной, за исключением периода середины января 2005 года, когда ΣKp превысил 40 (возмущения). К примеру, в декабре 2004 года нам удалось обнаружить относительно спокойную геомагнитную активность. Обратим внимание на ОНЧ-флуктуации непосредственно перед землетрясением на о. Суматра. Мы наблюдали весьма продолжительный сейсмически спокойный период перед землетрясением на о. Суматра. На рис. 4.7 приводятся подробные данные для ограниченного периода времени до и после землетрясения. Однако можно наблюдать, что темпоральные эволюции колебаний в ночное время суток (та же интегрированная dA2 за ночь) на трех станциях (Тиба обозначается чёрным цветом, Тофу – синим, а Коти – розовым), наряду с соответствующим текущим значением m (среднее) +2σ (стандартное отклонение) для ±15 дней (показано одним цветом). Можно отметить один резкий подъём 8 декабря 2004 года и продолжительное максимальное значение в период с 21 декабря 2004 года по 2 января 2005 год. В случае с усилением флуктуации 8 декабря 2004 года, можно отметить её значительное усиление на Тиба (показано чёрным цветом) выше линии (m + 2σ). Тем не менее, колебания на Тофу (показано синим цветом) не превышают линию (m + 2σ) (что показано на рис. розовым цветом), и также не наблюдается никакого усиления на Коти (показано красным цветом). Принимая это во внимание можно сделать вывод о том, что значительные колебания амплитуды произошли только на Тиба, что означает, что данное усиление 8 декабря 2004 года могло быть связано только с траекторией Норт-Уэст-Кейп-Тиба. Далее рассмотрим продолжительный период колебаний амплитуды в период с 21 декабря 2004 года во 2 января 2005 года. В данный период можно наблюдать одновременное усиление колебаний на трёх наблюдательных станциях [Тофу (показано синим), Тиба (показано чёрным цветом) и Коти (показано красным цветом)], что говорит о том, что данные продолжительные колебания являются глобальными, а для траектории распространения волн Норт-Уэст-Кейп-Тиба характерны сильные возмущения. Колебания на Тофу (показано синим цветом) значительно превышают линию (m + 2σ) на Тофу за несколько дней до землетрясения. Также можно наблюдать их значительное усиление на Тиба и Коти. Отмечается значительно преобладание колебаний в ночное время суток над соответствующей линией (m + 2σ) как на Тофу, так и Коти. Даже после основного толчка (M = 9) 26 декабря 2004 года произошло несколько последующих толчков 1 ~ 4 января 2005 года с магнитудами в диапазоне с 6,1 до 6,7. В соответствии с данной высокой сейсмической активностью в период с 21 декабря 2004 года по 2 января 2005 года отмечалось продолжительное ОНЧ-колебание.

При рассмотрении эволюции по времени на рис. 4.6 можно легко отметить явные волнообразные структуры данных. Визуальное наблюдение позволяет нам предполагать, что волнообразные структуры наблюдаются, к примеру, 16, 24 и 26 декабря 2004 года. Данные структуры были исследованы в количественном отношении при помощи анализа импульса и обратной корреляции. Предполагается, что данные тонкие структуры с волнообразными характеристиками могут предоставить нам информацию о том, каким образом происходят возмущения в ионосфере в связи с землетрясениями.

Мы применили анализ импульса с основным импульсом комплексного вейвлета Морлета (Daubechies, 1990) к разнице dA(t) (Shvets и др., 2004 a, b; Рожной и др., 2004; Maekawa и др.,2006) и вычислили интенсивность спектра ОНЧ-колебания dA. Далее мы осуществили количественный анализ временных задержек между двумя станциями при помощи метода обратной корреляции.

На рис. 4.8 приводятся результаты анализа обратной корреляции времени задержки для данных с Тиба в отношении Коти на основании метода наложения. Левая сторона на рис. 4.8 относится к периоду с 16 декабря по 26 декабря 2004 года (то есть, 11 дней) до землетрясения. При этом правая сторона соотносится с периодом после землетрясения (2 мая – 12 мая 2005 года) (то есть, спокойный период). Важным моментом является то, что колебания амплитуды (dA(t)) значительно усиливаются в период 20–100 минут перед землетрясением. Анализ левой части рисунка свидетельствует о явном наличии задержки во времени и волнообразных структур до землетрясения. Период колебаний составляет от 20–30 минут до более 100 минут, а задержка во времени на станции Тиба составляет около 2 часов в отношении станции Коти. Значительная зависимость от частоты (рассеяние) для задержки во времени отсутствует. В правой части рис. 4.8 такие волнообразные структуры после землетрясения не наблюдаются совсем. Таким образом, вероятно, наличие таких волнообразных структур наблюдается в период, предшествующий настоящему землетрясению.

Перед землетрясением можно отметить усиление спектра колебаний в диапазоне частот от 20–30 минут до 100 минут. Данный период соответствует периоду атмосферных гравитационных волн (АГВ) (от 30 до 180 минут) (Grossard и Hooke, 1975; Hooke, 1977), и данные АГВ, вероятно, являются источником данных о связи между литосферой и ионосферой (Молчанов и др., 2001; Miyaki и др., 2002; Shvets и др., 2004 a, b). Вейвлет на Тиба задерживается приблизительно на 2 часа по сравнению с таковым для Коти, что свидетельствует о характере его распространения от эпицентра к внешним границам. Предположив, что волна распространяется радиально от эпицентра, можно определить, что расстояние распространения волны между NWC-KOC и NWC-CBA составляет ~ 150 км. Таким образом, можно определить скорость распространения волны для наших волнообразных колебаний составляет около 20 м/с. Данное значение хорошо согласуется с теоретическими оценками АГВ (Kichengast, 1996; Hooke, 1968). Экспериментальное подтверждение тому, что волнообразные колебания наблюдались перед землетрясением на о. Суматра, могут рассматриваться в качестве подтверждения важной роли АГВ в связи литосфера-ионосфера. Более детально этот вопрос изучается в работе Horie и др. (2007 b).

Те же сигналы НУК были обнаружены французским спутником, DEMETER, что показало, что соотношение сигнал-шум (отношение ОНЧ-сигнала к фоновым шумам) значительно понижается за один месяц до землетрясения, а диаметр ионосферного возмущения, наблюдаемого со спутника, составляет приблизительно 5000 км (Молчанов и др., 2006). Данный факт регистрации спутником ионосферного возмущения, возможно связанного с землетрясением на о. Суматра, и его пространственный масштаб подтверждают результаты нашего метода наземного ОНЧ-обнаружения.

4.4. Механизм связки литосфера-ионосфера

Даже несмотря на то, что вероятность того, что возмущения в ионосфере происходят до землетрясения, очень высока, механизм того, как именно происходят возмущения в ионосфере под влиянием сейсмической активности в литосфере, остается малоизученным и малопонятным. Hayakawa и др. (2004 a, b) уже выдвинули несколько вероятных гипотез относительно механизма взаимосвязи между литосферной активностью и ионосферой; (1) химический (+электрическое поле) канал, (2) акустический и гравитационный волновой канал и (3) электромагнитный канал. Что касается первого канала, геохимические параметры, такие как (температура поверхности, эманация радона и т.д.) индуктируют возмущения в проводимости атмосферы, что обуславливает изменение ионосферы посредством атмосферного электрического поля (e.g., Pulinets и Boyarchuk, 2004; Сорокин и др., 2006). Второй канал основан на ключевой роли атмосферных колебаний в связке литосфера-атмосфера-ионосфера, и возмущения на поверхности Земли (такие как температура и давления) в регионе с сейсмической активностью возбуждают атмосферные колебания, переходящие в ионосферу (Молчанов и др., 2001; Miyaki и др., 2002; Shvets и др., 2004a, b). Последний механизм заключается в том, что радиоизлучения (в любом диапазоне частот), возникшие в литосфере, распространяются в ионосферу и изменяют ее путем нагревания и/или ионизации. Но данный механизм кажется недостаточным по причине слабой интенсивности литосферных радиоизлучений (Молчанов и др., 1995). Таким образом, первый и второй механизмы больше подходят в качестве объяснения данной связки (Молчанов и Hayakawa, 2008).

Наше последнее открытие, упомянутое в предыдущем разделе, предоставляет доказательства важной роли АГВ в связке литосфера-атмосфера-ионосфера. Тем не менее, имеющихся данных наблюдений недостаточно, поэтому нам необходимо собрать больше информации относительно механизма этой связи. То же мы можем сказать в отношении первого механизма образования химического канала, и данная тема, сама по себе, вызывает к себе значительный интерес.

4.5. Заключение

В последнее время самым перспективным направлением по краткосрочному прогнозированию землетрясений является наблюдение за ионосферой. Мы предложили ОНЧ/ НЧ-радиозондирование сейсмоионосферных возмущений, и в данном разделе было представлено много убедительных подтверждений наличию связи между ионосферными возмущениями и землетрясениями на основании статистического и ситуационного анализа. На данный момент самое важное - собрать как можно больше убедительных доказательств, что сейчас реализуется при помощи метода ОНЧ/НЧ-зондирования с характерными свойствами интегрированного наблюдения.

Мы убеждены в наличии ионосферных возмущений, которые связаны с землетрясениями, но крайне необходимы более координированные наблюдения для того, чтобы определить механизм связки литосфера-атмосфера-ионосфера в качестве основной цели сейсмо-электромагнитных исследований. К примеру, мы выбираем место для проведения испытания, где производим высоко координированные измерения; различные виды наблюдений, включая мониторинг земной поверхности, наблюдения за литосферными радиоизлучениями, атмосферными явлениями (изучаемыми при помощи загоризонтных ОВЧ-сигналов) и ионосферных явлений (изучаемых при помощи субионосферных ОНЧ/НЧ волн в данном разделе).

5. Выводы

В ходе исследований сейсмоэлектромагнитных явлений как новой перспективной области науки о радиоявлениях изучаются электромагнитные явления, связанные с землетрясениями, в целях краткосрочного прогнозирования землетрясений. В данной статье были приведены некоторые исторические факты и результаты наших последних исследований в отношении нескольких вопросов наибольшей значимости в области изучения электромагнитных явлений, включая ОНЧ излучения в литосфере, сейсмоатмосферные возмущения, сейсмо-ионосферные возмущения, связку литосфераатмосфера-ионосфера и т.д. Эта новая область исследований интересна и привлекательна не только с научной точки зрения, но и с точки зрения потенциального значения для краткосрочного прогнозирования землетрясений для того, чтобы избежать катастроф при землетрясениях в странах с высокой сейсмической активностью, например, Японии.

Здесь нам бы хотелось отметить тот факт, что прежние механические (сейсмические) измерения предоставляли сейсмологам макроскопические объемы информации, необходимой для изучения механизма землетрясений, а именно, о землетрясениях в литосфере сразу после того, как они произошли. Но данная информация была бесполезной для краткосрочного прогнозирования землетрясений. В то же самое время исследуемые нами электромагнитные (несейсмические) явления, вероятно, связаны с микроскопическими явлениями в литосфере, и они возникают преимущественно до землетрясения. Также данные электромагнитные явления могут распространяться на дальние расстояния в литосфере, хотя, конечно, это зависит от частоты волны. Данные два свойства электромагнитных явлений, заключающиеся в предшествовании землетрясениям и распространению на дальние расстояния, определенно, превосходят по значимости традиционные сейсмические измерения.

Как упоминается в настоящем исследовании, мы еще далеки от осуществления прогнозирования землетрясений на практике, хотя на данный момент собрано большое количество подтверждений возможности такого прогнозирования. В зависимости от типа физических параметров (локальных или интегрированных измерений), число явлений, на которые можно полагаться, различно. Так, число изучаемых ОНЧ-явлений все еще небольшое, поэтому нам необходимо увеличить их количество настолько, насколько это возможно, для определения их статистической корреляции с землетрясениями. С другой стороны, количества явлений сейсмо-атмосферных и -ионосферных возмущений уже достаточно для определения их статистической корреляции с землетрясениями. Так, мы должны изучить механизм связки литосфера-атмосфера-ионосфера в качестве основной цели исследований сейсмо-электромагнитных явлений. С этой целью в ближайшем будущем будут крайне необходимы любые координированные измерения по сбору данных о различных параметрах, отражающих информацию о литосфере (а именно, ОНЧ-излучения, акустические излучения и т.д.), информацию об атмосфере (ЧНЧ/ОНЧ и ОВЧ-излучения, атмосферные возмущения ОВЧ-сигналами) и информацию об ионосфере (наблюдение за ОНЧ/НЧ-сигналами в слое D ионосферы, наблюдения при помощи ионозондов (f_o F2), спутниковые наблюдения и т.д.).

В конце нам хотелось бы обратить внимание читателя на то, что изучаемые нами сейсмоэлектромагнитные явления имеют несейсмическую природу и поэтому не имеют практически ничего общего с сейсмологией. Хотя нам известно, что образование сейсмоэлектромагнитных явлений в любом случае связано с механическими явлениями (не макроскопическими, а микроскопическими) в литосфере, основными областями исследований являются электромагнитные явления, радиофизика и радиотехника, геофизика, атмосферное электричество, атмосферная физика и химия, физика плазмы, физика верхний слоев атмосферы, обработка сигналов и т.д., а сейсмология и геология являются для нас лишь источником основной информации о литосфере.

Выражение признательности за сотрудничество

Результаты, представленные в настоящей работе, основаны на широкомасштабном сотрудничестве с учеными, которым авторы выражают свою признательность. Основными учреждениями, с которыми осуществлялось сотрудничество, перечисляются ниже; Университет Тубу, Университет Тиба, Токайский университет, Лаборатория исследований в области связи (ныне NICT) в Японии, Институт физики Земли (Россия), Санкт-Петербургский филиал ИЗМИРАН (Россия), Институт радиофизики и электроники, Харьков (Украина), Лаборатория физики и химии космического пространства (Орлеан, Франция), Университет Бари (Италия). Второй автор настоящей работы, профессор Н.В.Коровкин, представляющий Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, работает в международной группе учёных, организованной профессором М.Hayakawa с 1998 года. Его вклад в настоящую публикацию состоит в подборе материала, частичном переводе и редактировании перевода статьи.

Figure caption

Fig. 2.1
Temporal evolution of geomagnetic variation for the Loma Prieta EQ (f=0.01Hz) (after Fraser-Smith et al., 1990).

Fig. 2.2
Summary of the seismo-ULF emissions in the form of EQ magnitude (M) and epicentral distance (R). A white circle means the event with ULF anomaly, while a black circle, the event without ULF anomaly. The empirical threshold is indicated by a dotted line (0.025R=M-4.5).

Fig. 2.3
A ULF network in the Kanto (Tokyo) area. A triangle indicates the installation of an induction magnetometer and a circle, the torsiontype magnetometer. Kakioka observatory is equipped with induction magnetometers. A box indicates the fluxgate magnetometer.

Fig. 2.4
Polarization results at Tarumizu, Chichijima and Darwin. (a) Temporal evolution of regional seismicity, (b) temporal variation of polarization (SZ/ SG, 0.01Hz) at Chichijima and Darwin (thin lines) and at Tarumizu (thick line), and (c) ΣKp variation.

Fig. 2.5
Result of principal component analysis with the use of the H component data observed at three stations. The upper panel indicates the temporal evolution of the third principal component ( ). The enhancement in λ3 is seen from the middle March to the middle June, followed by a quiet period one week before the 1st EQ, by a quiet period one week before the 1st EQ and by a sharp increase a few days before the 1st EQ. (b) Geomagnetic activity (Ap).

Fig. 2.6
Temporal variation of the occurrence histogram of direction of arrival (azimuth) by means of the Izu array. The abscissa is the arrival azimuth (0: North, +, east and -, west). Time goes from the bottom (a) to the top (e); (a) February 1st, 2000 (4 months before the swarm), (b) Aprile 10, 2000 (two months before the swarm), (c) June 14, 2000 (12 days before the swarm), (d) July 14-15, 2000 (during the swarm) and (e) July 5, 2002 (two years after the swarm). There are 4 characteristic noise sources numbered from 1 to 4. The number 4 is the seismogenic emission.

Fig. 2.7
Direction finding results. Different azimuthal directions in Fig. 2.6, correspond to different noise sources (numbered 1-4 in Fig. 2.6).

Fig. 2.8
Triangulation of the noise source (#4 in Fig. 2.6) by using the azimuths estimated from the Izu and Boso peninsula arrays/

Fig. 2.9
Temporal evolution of magnetic field intensity at Nakatsugawa. The frequency is less than 0.1 Hz. Strong emissions are observed from October 2 to 6. EQ indicates the EQ time.

Fig. 2.10
Goniometric direction of ULF noises during 2-6 October as seen from Nakatsugawa. The epicenter is also indicated, for the sake of comparison.

Fig. 3.1
The observation results in the frequency rage (4-6 Hz) for different parameters: <H/D> -1 (second panel), [<H/D> -1] / [rms(Pol)] (third panel), [<H/ D> -1] / [rms(Angle)] (fourth panel) and [<H/D> -1] / [rms(Angle) rms(Angle)] (bottom). Here rms (Pol) is the dispersion in polarization and rms (Angle) is the dispersion in ellipse orientation. The top panel indicates the ΣKp index (in dotted line) (the scale is given on the left end) and also Ks index (so-called seismic index ) (its scale is given on the right end).

Fig. 3.2
An example of the reception at our university of over-horizon VHF signal from FM Sendai on 27 May, 2000. The outputs from different antenna systems are plotted, indicating the source bearing in the atmosphere (not the ionosphere). This reception may be a precursor to an EQ on 3 June, 2000 (magnitude 6.2).

Fig. 4.1(a)
Relative location of the VLF transmitter (Omega, Tsushima), our observatory at Inubo and the EQ epicenter (x). The first Fresnel zone is indicated. (b) The sequential plot of diurnal variation (phase) (nearly the same pattern as for amplitude) and please pay attention to the variation in tm (morning terminator time) and te (evening terminator time). The shaded areas indicate the shift from the monthly mean value.

Fig 4.1(b)
Is found to exceed well above twice the standard deviation (2σ). This means that the daytime felt by subionospheric VLF signals is elongated for a few days around the earthquake, and the theoretical estimation (Hayakawa et al., 1996; Molchanov et al., 1998; Yamauchi et al., 2007) suggests that the lower ionosphere is lowered before the earthquake.

Fig. 4.2
VLF/LF network in Japan. Several observing stations (Moshiri (abbreviated as MSR), Chofu (CHO), Chiba (CBA), Shimizu (SMZ), Kasugai (KSG), Maizuru (MZR), and Kochi (KOC)) and several VLF/ LF transmitter signals detected at each station. The situation for one station (MSR) is indicated, and receiving transmitters are JJY, NWC, JJI, NPM and NLK.

Fig. 4.3
Relative location of the LF transmitter, JJY in Fukushima and an observing station, Kochi. The sensitive area for this LF propagation path is also indicated; the circles with radius of 200km around the transmitter and receiver and by connecting the outer edges of these two circles. Also 92 EQs with conventional magnitude (M) greater than 5.0 are plotted, which took place within the sensitive area.

Fig. 4.4
Statistical test result for the amplitude (a) and dispersion (b). The day on the abscissa is defined as follows: day zero indicates the day of the EQ, and minus (plus) means that the phenomenon takes place before (after) the EQ. The important 2σ (σ: standard deviation) lines are plotted for the statistical test.

Fig. 4.5
Propagation paths from the transmitter, NWC (in Australia) to the two receiving sites (Kochi and Chofu). The fifth Fresnel zone for each propagation path is indicated. The EQs with magnitude greater than 6.0 within and just close to the VLF sensitive zone during the years of 2004 and 2005 are all indicated. The center of each circle corresponds to the EQ epicenter, and the size of the circle indicates the EQ magnitude. The color of EQ s during the period of November, 2004 to May, 2005 indicates the EQ depth. The date of the EQ is indicated beside the circle (i.e. 4/10 means April 10). The Sumatra EQ is far away from the great-circle paths, but it is indicated (12/26).

Fig. 4.6
Sequential plot of nighttime amplitude data of the NWC signal as observed at three Japanese observing stations (from left to right: CBA, CHO and KOC). Date goes from the bottom to the top, and the EQ date is given by EQ. Time is given in UT, so that the Japanese local time (LT) is given by UT +9 h.

Fig. 4.7
Temporal evolution of VLF amplitude nighttime fluctuation (dA2) at the three observing stations (Chofu (Blue), Chiba (Black), and Kochi (Red)). The red line indicates (m (mean) +2σ (σ: standard deviation)) at Chofu, and the corresponding lines refer to Chiba and Kochi. The EQ with magnitude greater than 6.0 is plotted downward, and the EQs during the restricted period of November, 2004 to May, 2005 are characterized by different colors (color indicates the depth).

Fig. 4.8
The superimposed epoch analysis for the crosscorrelation of fluctuation at the two stations of Chiba and Kochi. The left panel refers to the period before the EQ (December 16 to December 26, 2004), while the right, a quite period after the EQ (May 2 to May 12, 2005). The time delay at CBA on the abscissa is defined with respect to KOC (the delay of +2 hours in the left panel at CBA, means that the wave structure arrives at CBA 2 hours later with respect to KOC).

Справочная информация
Biagi, P.F., Piccolo, R. Castellana, L., Maggipinto, T., Ermini, A., artellucci, S., ellecci, C., Perna, G., Capozzi, V., Molchanov, O. A., Hayakawa, M., and Ohta, K. VLF-LF radio signals collected at Bari (South Italy): a preliminary analysis on signal anomalies associated with earthquakes. Natural Hazards Earth System Sci., vol.4, 685-689, 2004.
Cervone, G., Maekawa, S., Singh, R.P., Hayakawa, M., Kafatos, M., and Shvets, A. Surface latent heat flux and nighttime LF anomalies prior to the M? = 8.3 Tokachi-Oki earthquake. Natural Hazards Earth System Sci., vol.6, 109-114, 2006.
Daubechies, I., The wavelet transform time-frequency localization and signal analysis, IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 36, 961-1004, 1990.
Derr, J. S., and Persinger, M. A., Luminous phenomena and earthquakes in southern Washington., Experientia, vol.42, 991–999, 1986.
Dobrovolsky, I. R., Zubkov, S. I., and Myachkin, V. I. Estimation of the size of earthquake preparation zones. Pure and Applied Geophysics, vol. 117, 1025-1044, 1979.
Fenoglio, M. A., Johnston, M. J. S., Byerlee, J. D., Magnetic and electric fields associated with changes in high pore pressure in fault zones: Application to the Loma Prieta ULF emissions. J. Geophys. Res., vol. 100, 12951-12958, 1995.
Finkelstein, D., and Powell, J., Earthquake lightning. Nature, vol. 228 (5273), 759–760, 1970.
Fraser-Smith, A. C., Bernardi, A., McGill, P. R., Ladd, M. E., Helliwell, R. A., and Villard Jr., O. G., Low-frequency magnetic field measurements near the epicenter of the Ms 7.1 Loma Prieta earthquake; Geophys. Res. Lett., vol.17, 1465-1468, 1990.
Fujiwara, H., Kamogawa, M., Ikeda, M., Liu, J. Y., Sakata, H., Chen, Y. I., Ofuruton, H., Muramatsu, S., Chuo, Y. J., and Ohtsuki, Y. H., Atmospheric anomalies observed during earthquake occurrences, Geophys. Res. Lett., vol.31, L17110, 2004.
Fukumoto, Y., Hayakawa, M., and Yasuda, H., Investigation of over-horizon VHF radio signals associated with earthquakes, Natural Hazards Earth System Sci., vol.1, 107–112, 2001.
Gokhberg, M. B., Gufeld, I. L., Rozhnoy, A. A., Marenko, V. F., Yampolsky, V. S., and Ponomarev, E. A. Study of seismic influence on the ionosphere by super long wave probing of the Earth-ionosphere waveguide. Phys. Earth Planet. Inter., vol.57, 64-67, 1989.
Gorny, V. I., Salman, A. G., Tronin, A. A., and Shilin, B. B., The Earth outgoing IR radiation as an indicator of seismic activity, Proceedings of Academy of Sciences of the USSR, vol. 301, 67–69, 1988.
Gorny, V. I., Shilin, B. B., and Yasinsky, G. I., Thermal Aerospace Survey, Nedra, Moscow (in Russian), 1993.
Gotoh, K., Akinaga, Y., Hayakawa, and M., Hattori, K., Principal component analysis of ULF geomagnetic data for Izu islands earthquakes in July 2000, J. Atmos. Electr., vol. 22, 1-12, 2002.
Grossard, E. E., and Hooke, W. H., Waves in the Atmosphere (Atmospheric Infrasound and Gravity Wave – Their Generation and Propagation), Elsevier Sci. Pub. Co.: Amsterdam, 1975.
Gufeld, I. L., Rozhnoi, A. A., Tyumensev, S. N., Sherstuk, S. V., Yampolsky, V. S., Radiowave disturbances in period to Rudber and Rachinsk earthquakes, Phys. Solid Earth, vol. 28, 267-270, 1992..
Hall, M. P. M., Barclay, L. W., and Hewitt, M. T. (Eds.), Propagation of Radio Waves, IEE, London. 1996.
Hattori, K., ULF geomagnetic changes associated with large earthquakes, Terr. Atmos. Ocean. Sci., vol. 15, 329-360, 2004.
Hattori, K., Takahashi, I., Yoshino, C., Isezaki, N., Iwasaki, H., Harada, M., Korepanov, K., Molchanov, O., Hayakawa, M., Noda, Y., Nagao, T., and Uyeda, S., ULF geomagnetic field measurements in Japan and some recent results associated with Iwateken Nairiku Hokubu earthquakes in 1998, Phys. Chem. Earth, vol.29, issues 4-9, 481-494, 2004.
Hattori, K, Akinaga, Y. Hayakawa, M., Yumoto, K., Nagao, T., Uyeda, S, ULF magnetic anomaly preceding the 1997 Kagoshima earthquakes, In Seismo Electromagnetics: Lithosphere-Atmosphere-Ionosphere Coupling; Hayakawa, M., Molchanov, O. A., Eds.; TERRAPUB, Tokyo, 19-28, 2002.
Hayakawa, M. (Editor), Atmospheric and Ionospheric Electromagnetic Phenomena Associated with Earthquakes, Terra Scientific Pub. Comp., Tokyo, 996p, 1999.
Hayakawa, M., Electromagnetic phenomena associated with earthquakes: A frontier in terrestrial electromagnetic noise environment, Recent Res. Devel. Geophysics, vol. 6, 81- 112, 2004.
Hayakawa, M. Measuring techniques of electromagnetic phenomena associated with earthquakes and latest results. Inst. Electr. Inform. Comm. Engrs. Japan, vol. J89-B, 1036- 1045, 2006.
Hayakawa, M., VLF/LF radio sounding of ionospheric perturbations associated with earthquakes, Sensors, vol.7, 1141-1158, 2007.
Hayakawa, M., Ohta, K., Nickolaenko, A. P., and Ando, Y., Anomalous effect in Schumann resonance phenomena observed in Japan, possibly associated with the Chi-chi earthquake in Taiwan, Ann. Geophysicae, vol. 23, 1335-1346, 2005.
Hayakawa, M., Hattori, K., and Ohta, K., Monitoring of ULF (ultra-low-frequency) geomagnetic variations associated with earthquakes, Sensors, vol.7, 1108-1122, 2007.
Hayakawa, M., Surkov, V. V., Fukumoto, Y., and Yonaiguchi, N., Characteristics of VHF over-horizon signals possibly related to impending earthquakes and a mechanism of seismoatmospheric perturbations, J. Atmos. Solar-terr. Phys., vol.69, 1057-1062, 2007.
Hayakawa, M., and Fujinawa, Y. (Editors), Electromagnetic Phenomena Related to Earthquake Prediction; Terra Scientific Pub. Comp., Tokyo, 677p, 1994.
Hayakawa, M., Kawate, R., Molchanov, and O. A., and Yumoto, K., Results of ultra-lowfrequency magnetic field measurements during the Guam earthquake of 8 August 1993, Geophys. Res. Lett., vol. 23, 241-244, 1996a.
Hayakawa, M., Molchanov, O. A., Ondoh, T., and Kawai, E., The precursory signature effect of the Kobe earthquake on VLF subionospheric signals, J. Comm. Res. Lab., Tokyo, vol. 43, 169-180, 1996b.
Hayakawa, M., and Molchanov, O. A. (Editors), Seismo Electromagnetics: Lithosphere - Atmosphere - Ionosphere Coupling, TERRAPUB, Tokyo, p 477, 2002.
Hayakawa, M., Molchanov, O. A., and NASDA/UEC team, Summary report of NASDA’s earthquake remote sensing frontier project, Phys. Chem. Earth, vol. 29, 617-625, 2004a.
Hayakawa, M., Molchanov, O. A., and NASDA/UEC team, Achievements of NASDA’s Earthquake Remote Sensing Frontier Project, Terr. Atmos. Ocean. Sci., vol. 15, 311-328, 2004b.
Hayakawa, M., Ohta, K., Maekawa, S., Yamauchi, T., Ida, Y., Gotoh, T., Yonaiguchi, N., Sasaki, H., and Nakamura, T. Electromagnetic precursors to the 2004 Mid Niigata Prefecture earthquake, Phys. Chem. Earth, 31, 356-364, 2006.
Hayakawa, M., Itoh, T., and Smirnova, N. Fractal analysis of ULF geomagnetic data associated with the Guam earthquake on August 8, 1993. Geophys. Res. Lett., vol. 26, 2797-2800, 1999.
Hedervari, P., and Noszticzius, Z., Recent results concerning earthquake lights, Annales Geophysicae, vol. 3, 705–708, 1985.
Hooke, W. H., Ionospheric irregularities produced by internal atmospheric gravity waves. J. Atmos. Solar-terr. Phys., vol. 30, 795-823, 1968.
Hooke, W. H., Rossby-planetary waves, tides, and gravity waves in the upper atmosphere, in The Upper Atmosphere and Magnetosphere, Nat. Acad. Sci., Washington, 130-140, 1977.
Horie, T., Maekawa, S., Yamauchi, T., and Hayakawa, M., A possible effect of ionospheric perturbations for the Sumatra earthquake, as revealed from subionospheric VLF propagation (NWA-Japan), Int’l J. Remote Sensing, vol. 28, 3133-3139, 2007a.
Horie, T., Yamauchi, T., Yoshida, M., , and Hayakawa, M., The wave-like structures of ionospheric perturbation associated with Sumatra earthquake of 26 December, 2004. J. Atmos. Solar-terr. Phys., vol. 69, 1021-1028, 2007b.
Ida, Y., M. Hayakawa, A. Adalev, and K. Gotoh, Multifractal analysis for the ULF geomagnetic data during the 1993 Guam earthquake, Nonlinear Processes Geophys., vol. 12, 157-162, 2005.
Ida, Y., and M. Hayakawa, Fractal analysis for the ULF data during the 1993 Guam earthquake to study prefracture criticality, Nonlinear Processes Geophys., vol. 13, 409-412, 2006.
Ismaguilov, V. S., Kopytenko, Yu. A., Hattori, K.,and Hayakawa, M., Variations of phase velocity and gradient values of ULF geomagnetic disturbances connected with the Izu strong earthquakes, Natural Hazards and Earth System Sci., vol. 20, 1-5, 2002.
Kopytenko, Yu. A., Ismaguilov, V. S., Hattori, K., and Hayakawa, M., Monitoring of the ULF electromagnetic disturbances at the station network before EQ in seismic zones of Izu and Chiba peninsulas, In Seismo Electromagnetics: Lithosphere-Atmosphere-Ionosphere Coupling; Hayakawa M., Molchanov. O. A., Eds.; TERRAPUB, Tokyo, pp 11-18, 2002.
Kushida, Y., and Kushida, R., On a possibility of earthquake forecast by radio observation in the VHF band, RIKEN Review, 19, 152–160, 1998.
Kichengast, G., Elucidation of the physics of the gravity wave – TID relationship with the aid of theoretical simulations, J. Geophys. Res., vol. 101, 13353-13368, 1996.
Maeda, K., and Tokimasa, N., Decametric radiation at the time of the Hyogo-ken Nambu earthquake near Kobe in 1995, Geophys. Res. Lett., vol. 23, 2433–2436,1996.
Maekawa, S., Horie, T., Yamauchi, T., Sawaya, T., Ishikawa, M., Hayakawa, M.,and Sasaki, H., A statistical study on the effect of earthquakes on the ionosphere, based on the subionospheric LF propagation data in Japan, Ann. Geophysicae, 24, 2219-2225, 2006.
Maekawa, S., and Hayakawa, M., A statistical study on the dependence of characteristics of VLF/LF terminator times on the propagation direction. Inst. Electr. Engrs. Japan, Fundamentals and Materials, Special Issue on Recent Progress in Seismo-Electromagnetics, vol. 126, 4, 220-226, 2006.
Miyaki, K., Hayakawa, M., and Molchanov, O. A., The role of gravity waves in the lithosphere - ionosphere coupling, as revealed from the subionospheric LF propagation data. in “Seismo Electromagnetics: Lithosphere - Atmosphere - Ionosphere Coupling”; Hayakawa, M., Molchanov, O. A., Eds.; TERRAPUB: Tokyo; pp 229-232, 2002.
Molchanov. O. A., Schekotov, A. Y., Fedorov, E. N., Belyev, G. G., and Gordeev. E. E., Preseismic ULF electromagneric effect from observation at Kamchatka, Natural Hazard Earth System Sci., vol. 3, 1-7, 2003.
Molchanov, O. A., and Hayakawa, M., Seismo-Electromagnetics and Related Phenomena: History and Latest Results, TERRAPUB, Tokyo, 189p, 2008.
Molchanov, O. A., and Hayakawa, M. Generation of ULF electromagnetic emissions by microfracturing. Geophys. Res. Lett., vol. 22, 3091-3094, 1995.
Molchanov, O. A., Kopytenko, Y. A., Voronov, P. M., Kopytenko, E. A., Matiashvili, T. G., Fraser-Smith, A. C., and Bernadi, A. Results of ULF magnetic field measurements near the epicenters of the Spitak (Ms=6.9) and the Loma Prieta (Ms=7.1) earthquakes: Comparative analysis, Geophys. Res. Lett., vol. 19, 1495-1498, 1992.
Molchanov, O. A., Hayakawa, M., and Rafalsky, V. A., Penetration characteristics of electromagnetic emissions from an underground seismic source into the atmosphere, ionosphere, and magnetosphere, J. Geophys. Res., vol. 100, 1691-1712, 1995.
Molchanov, O. A., Hayakawa, M., Ondoh, T., and Kawai, E., Precursory effects in the subionospheric VLF signals for the Kobe earthquake, Phys. Earth Planet. Inter., vol. 105, 239-248, 1998.
Molchanov, O. A., and Hayakawa, M. Subionospheric VLF signal perturbations possibly related to earthquakes, J. Geophys. Res., vol. 103, p 17,489-17,504, 1998.
Molchanov, O. A., Hayakawa, M., and Miyaki, K., VLF/LF sounding of the lower ionosphere to study the role of atmospheric oscillations in the lithosphere-ionosphere coupling, Adv. Polar Upper Atmos. Res., vol. 15, 146-158, 2001.
Molchanov, O. A., Rozhnoi, A., Solovieva, M., Akentieva, O., Berthelier, J. J., Parrot, M., Lefeuvre, F., Biagi, P. F., Castellana, L., and Hayakawa, M. ,Global diagnostics of the ionospheric perturbations related to the seismic activity using the VLF radio signals collected on the DEMETER satellite, Natural Hazards Earth System Sci., vol. 6, 745-753, 2006.
Morgunov, V. A. Electric phenomena preceding aftershocks of Shikotan earthquake, Proceedings of Russian Academy of Sciences, vol. 359, 102–105, 1998 (in Russian).
Nickolaenko, A. P. and Hayakawa, M., Resonances in the Earth-Ionosphere Cavity, Kluwer Acad. Pub., Dordrecht, 380p, 2002.
Nomicos, K., Vallianatos, F., Kalliakatos, J., Sideris, S., and Bakatsakis, M., Latest aspects of telluric and electromagnetic variations associated with shallow and intermediate depth earthquake in South Aegean. Annali di Geophysica, vol. X1/2, 361-375, 1995.
Ohta, K., Watanabe, N., and Hayakawa, M., The observation of ULF emissions at Nakatsugawa in possible association with the 2004 Mid Niigata Prefecture earthquake, Earth Planets Space vol. 57, 1003-1008, 2005.
Ohta, K., Umeda, K., Watanabe, N., and Hayakawa, M., ULF/ELF emissions observed in Japan, possibly associated with the Chi-Chi earthquake in Taiwan, Natural Hazards Earth System Sci., vol. 1, 37-42, 2001.
Ohta, K., Makita, K., and Hayakawa, M., On the association of anomalies in subionospheric VLF propagation at Kasugai with earthquakes in the Tokai area, Japan, J. Atmos. Electr., vol. 20, 85-90, 2000.
Pulinets, S.,and Boyarchuk, K. Ionospheric Precursors of Earthquakes; Springer, Berlin, 315p, 2004.
Pilipenko, V., Shalimov, S., Uyeda, and S., Tanaka, H., Possible mechanism of the overhorizon reception of FM radio waves during earthquake preparation period, Proceedings of Japan Academy, vol. 77B (7), 125–130, 2001.
Qiang, Z. J., Dian, C. G., and Li, L. Z., Satellite thermal infrared precursor of two moderatestrong earthquakes in Japan and impeding earthquake prediction, In: Hayakawa, M. (Ed.), Atmospheric and Ionospheric Phenomena Associated with Earthquakes, Terra Scientific Publishing Company, Tokyo, pp. 747–750, 1999.
Rodger, C., and McCormick, R. J., Remote sensing of the upper atmosphere by VLF. in “Sprites, Elves and Intense Lightning Discharges”; Fullekrug, M. et al. Ed.; Springer, pp 167- 190, 2006.
Rozhnoi, A., Solovieva, M. S., Molchanov, O. A., and Hayakawa, M., Middle latitude LF (40 kHz) phase variations associated with earthquakes for quiet and disturbed geomagnetic conditions, Phys. Chem. Earth, vol. 29, 589-598, 2004. Ruzhin, Yu. Y., and Depueva, A. Kh., Seismoprecursors in space as plasma and wave anomalies, J. Atmos. Electr., vol. 16, 271-288, 1996.
Schekotov, A. Y., Molchanov, O. A., Hayakawa, M., Fedorov, E. N., Chebrov, V. N., Sinitsin, V. I., Gordeev, E. E., Belyaev, G. G., and Yagova, N. V., ULF/ELF magnetic field variations from atmosphere induced by seismicity, Radio Sci., vol. 42, RS6S90, doi:10.1029/2005RS003441, 2007.
Shvets, A. V., Hayakawa, M., and Molchanov, O. A., Subionospheric VLF monitoring for earthquake-related ionospheric perturbations, J. Atmos. Electr., vol. 22, 87-99, 2002.
Shvets, A. V., Hayakawa, M., and Maekawa, S. Results of subionospheric radio LF monitoring prior to the Tokachi (m = 8, Hokkaido, 25 September 2003) earthquake, Natural Hazards Earth System Sci., vol. 4, 647-653, 2004a.
Shvets, A. V., Hayakawa, M., Molchanov, O. A., and Ando, Y., A study of ionospheric response to regional seismic activity by VLF radio sounding, Phys. Chem. Earth, vol. 29, 627-637, 2004b.
Sorokin, V. M., Yaschenko, A. K., Chmyrev, V. M., and Hayakawa, M., DC electric field formation in the mid-latitude ionosphere over typhoon and earthquake regions, Phys. Chem. Earth, vol. 31, 454-461, 2006
Sugisaki, R., Anno, H., and Ui, H., Geochemical features of gases and rocks along active faults, Geochemical Journal, vol. 14, 101–112, 1980.
Surkov, V. V., Pokhotelov, O. A., Parrot, M., and Hayakawa, M., On the origin of stable IR anomalies detected by satellites above seismo-active regions, Physics and Chemistry of the Earth, vol. 31, 164–171, 2006.
Tramutoli, V., Bello, D., Pergola, G. N., and Piscitelli, S., Robust satellite technique for remote sensing of seismically active areas, Annali di Geofisica, vol. 44, 295–312, 2001.
Tronin, A. A., Satellit thermal survey application for earthquake prediction. In: Hayakawa, M. (Ed.), Atmospheric and Ionospheric Phenomena Associated with Earthquakes, TERRAPUB, Tokyo, pp. 717–746, 1999.
Tronin, A. A., Haykawa, M., and Molchanov, O. A., Thermal IR satellite application for earthquake research in Japan and China, J. Geodynamics, vol. 33, 519–534, 2002.
Turman, F.E., Electronic and Radio Engineering, Fourth ed. McGraw-Hill, New York, pp. 818–823, 1955.
Wang, L., and Zhu, C., Anomalous variations of ground temperature before the Tangsan and Haiheng earthquakes, J. of Seismological Research, vol. 7 (6), 649–656 1984 (in Chinese),
Warwick, J. W., Stoker, C., and Meyer, T. R., Radio emission associated with rock fracture: Possible application to the great Chilean earthquake of May 22, 1960, J. Geophys. Res., vol. 87, 2851–2859, 1982.
Yamada, Y., Sakai, K., Yaji, Y., and Shimakura, S., Observation of natural noise in VHF band which relates to earthquakes, in Seismo Electromagnetics: Lithosphere-Atmosphere-Ionosphere Coupling, Hayakawa, M., and Molchanov. O. A. (Ed.), TERRAPUB, Tokyo, 255- 258, 2002.
Yamauchi, T., Maekawa, S., Horie, T., Hayakawa, M., and Soloviev, O., Subionospheric VLF/LF monitoring of ionospheric perturbations for the 2004 Mid-Niigata earthquake an their structure and dynamics, J. Atmos. Solar-terr. Phys.,vol. 69, 793-802, 2007.
Yasuda, Y., Y. Ida, T. Goto, and M. Hayakawa, Interferometric direction finding of overhorizon VHF transmitter signals and natural VHF radio emissions possibly associated with earthquakes, Radio Science, vol. 44, RS2009, doi:10.1029/2008RS003884, 2009.
Yonaiguchi, N., Ida, Y., and Hayakawa, M., On the statistical correlation of over-horizon VHF signals with meteorological radio ducting and seismicity, J. Atmos. Solar-terr. Phys., vol. 69, 661-674, 2007a.
Yonaiguchi, N., Ida, Y., Hayakawa, M., and Masuda, S., Fractal analysis for VHF electromagnetic noises and the identification of preseismic signature of an earthquake, J. Atmos. Solar-terr. Phys., vol. 69.