Реакция температурных атмосферных слоев во время сейсмических процессов по спутниковым измерениям

При развитии геодинамических процессов в локальных сейсмоактивных зонах изменения литосферного напряжения влияют на земную атмосферу через различные физико-химические механизмы. Впервые идею о возможной реакции атмосферы на сейсмическую активность высказал академик Б.Б. Голицын [1]. На сегодняшний день зарегистрировано значительное количество эффектов возмущения атмосферы, связанных с сейсмособытиями [2, 3]. Отметим, что из-за сложных процессов взаимодействия между различными атмосферными слоями изучение взаимосвязи между изменениями метеорологических параметров в возмущенной атмосфере и сейсмической активностью до сих пор остается крайне важной задачей. Исходя из этого, актуальным направлением является обнаружение реакции близлежащих к твердой Земле слоев тропосферы и стратосферы во время проявлений сейсмичности по спутниковым данным.
В качестве геообъектов исследования в экваториальных, средних и полярных широтах отобраны 5 землетрясений [4]: в Японии (11.03.2011, М=9.1); Чили (16.09.2015, М=8.3); Калифорнии (06.07.2019, М=7.1); на Суматре (06.04.2010, М=7.8) и в Канаде (07.08.2009, М=6.1). Геофизическая информация об этих сейсмособытиях включала: дату, время, магнитуду, место эпицентра, координаты и т.д. На основе каталога USGS [4] сформированы временные ряды периодов сейсмической активности для вышеперечисленных геофизических событий с М>6.0, а также созданы «фоновые» временные ряды периодов относительно спокойной сейсмической обстановки в исследуемых районах. В первом случае, в рамках выделенного интервала, решалась задача анализа вариаций метеопараметров в возмущенной атмосфере при наибольшей геодинамической активности, а во втором – в невозмущенной, «фоновой».
Для анализа реакции атмосферы на произошедшие сейсмособытия сформирован архив по температуре и давлении за период с 2004 по 2024 гг. на основе спутниковых измерений ATOVS (Advanced TIROS Operational Vertical Sounder, КА NOAA серии POES) и ATMS (Advanced Technology Microwave Sounders, Suomi NPP). Аппаратура ATOVS измеряет в ИК и микроволновом диапазонах [5]. Радиометр ATMS поперечного сканирования регистрирует собственное микроволновое тепловое излучение атмосферы и земной поверхности в 22 спектральных каналах в диапазоне 23-183 ГГц [6]. Спутниковые данные по температуре атмосферы с привязкой к изобарическим уровням от 1000 гПа до 20 гПа содержатся в открытой базе доступа [7]. Предварительная обработка исходной информации осуществлялась с помощью пакетов разработанных нами специализированных программ.
Для выделения геофизической информации в работе использовалась разработанная методика контроля атмосферных колебаний, возникающих как отклик на возмущение геосреды во время сейсмической активности, включающая статистический и спектральный методы анализа [8]. Выполнялись статистические оценки температурных рядов и пространственно-временной изменчивости давления относительно эпицентра сильного землетрясения для невозмущенной и возмущенной атмосферы. Обнаружено, что во время основного сейсмического момента каждого землетрясения, когда регистрировалась максимальная магнитуда, наблюдался эффект существенного понижения либо повышения амплитуды температуры на изобарических уровнях 150, 100, 50 и 20 гПа (тропосфера и стратосфера). Полагаем, что выявленные вариации температуры обусловлены рядом процессов происходящих в атмосфере, изменения которых инициированы геодинамической активностью. К ним относятся: адвекция тепла или холода, крупномасштабные смещения воздушных масс и т.д.
С помощью метода сингулярного спектрального анализа SSA-Гусеница [9] проводилось исследование сформированных температурных рядов на выявленных изобарических уровнях. Построены периодограммы для каждого исследуемого района, выполнены оценки спектральной плотности мощности. Отметим, что наибольшие пики периодограмм соответствовали дате основного толчка землетрясения. Выявлены периоды атмосферных колебаний над исследуемыми районами в различных широтах во время наибольшей сейсмической активности. В частности, над районом Канадского землетрясения существенные атмосферные колебания температурного слоя наблюдались на уровне 150 гПа (13.5 км, [10]) с периодом t=37 сут. Над очагом Японского землетрясения колебания с t= 36 сут зарегистрированы в слое на изобарическом уровне 50 гПа (20 км, [10]). Над зоной Чилийского землетрясения период колебаний, зафиксированных в слое на уровне 150 гПа (13.5 км), составил также 36 сут. Над районом Калифорнийского землетрясения атмосферные колебания с t= 38 сут выявлены на уровне 100 гПа (16 км, [10]). Над очагом Суматранского землетрясения период атмосферных колебаний на уровне 20 гПа (20 км, [10]) составил t=16 сут. В полярных широтах, над сейсмоактивным районом Баффинового залива атмосферные колебания обнаружены на уровне 150 гПа (13.5 км) и их период t= 37 сут.
Таким образом, с помощью предложенной методики контроля колебаний в невозмущенной и возмущенной атмосфере удалось выявить понижение и повышение амплитуды температуры на уровнях 150, 100, 50 и 20 гПа во время наибольшей сейсмоактивности над исследуемыми районами в экваториальных, средних и полярных широтах независимо от сезона и времени суток. Выявленные периоды флуктуаций в тропосфере и нижней стратосфере варьировались от 16 до 38 суток, определяя изменчивость метеопараметров за несколько дней до и после возникновения землетрясений относительно эпицентра в сейсмоактивном районе. Полученные результаты крайне важны для понимания взаимовлияния атмосферы и литосферы в сейсмоактивных районах.