Solar-Terrestrial PhysicsSolar-Terrestrial PhysicsСолнечно-земная физика / Solnechno-Zemnaya Fizika / Solar-Terrestrial Physics2712-9640554710.12737/10831Результаты исследованийResults of current researchРезультаты исследованийDynamics of the atmosphere and seismic activity in the Baikal rift zoneДинамика атмосферы и сейсмическая активность в Байкальской рифтовой зонеЗоркальцеваОльга СергеевнаZorkaltsevaOlga Sergeevnaolgak@iszf.irk.ru
ТатарниковАндрей ВладимировичTatarnikovAndrey Vladimirovichandrey@iszf.irk.ruИнститут солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian FederationИнститут солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian FederationИнститут солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian FederationИнститут солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian Federation2309201523092015135561https://naukaru.ru/en/nauka/article/5547/view
В работе рассмотрены динамика тропосферы, температурный режим стратосферы, вариации излучения верхней атмосферы и сейсмические активизации в Байкальской рифтовой зоне в зимние периоды 2011/2012 и 2012/2013 гг. Вариации характеристик литосферы и тропо-страто-мезосферы в эти интервалы времени происходили либо синхронно, либо с задержкой. Установлено, что за несколько суток до сейсмической активизации в регионе скорость ветра в нижней атмосфере достигала максимальных значений, а затем снижалась до минимальных значений в момент землетрясения. Периоды активизации сейсмических процессов в регионе совпали с эпизодами стратосферных потеплений и увеличением интенсивности атмосферной эмиссии 557.7 нм в мезосфере — нижней термосфере (85–115 км). Возможной причиной найденной корреляции может быть усиление атмосферных воздействий на горные массивы, формирование над горными системами вертикальных потоков, генерация планетарных и гравитационных волн.
We study the troposphere dynamics, temperature regime in the stratosphere, upper atmosphere emission, and seismic activity in the Baikal Rift Zone for winters 2011/2012 and 2012/2013. Variations of the lithospheric, tropospheric, stratospheric and mesosphe-
ric characteristics occurred either simultaneously or with a time lag during these periods. We found that the wind speed in the lower atmosphere reached a maximum several days before the seismic activity increase in the region. Then, it de-creased to a minimum at the earthquake instant. The periods of this seismic activity growth coincided with episodes of stratospheric warm-ings and with an increase in the 557.7 nm atmospheric emission in the meso-sphere and the low thermosphere (85–115 km). A pos-sible reason for the correlations may be the increased atmospheric effects on mountains, the formation of vertical flows above mountains, and generation of planetary and gravity waves.
индекс ветровой нагрузкисейсмическая активностьизлучение мезосферыindex of wind impactseismic activityairglow
ВВЕДЕНИЕВ работах [Садовский и др., 1987; Keilis-Borok, 1990; Sornette et al., 1990] литосфера Земли рассматривалась как открытая самоорганизующаяся система блоков, энергия которой стремится к минимуму посредством сброса напряжений при землетрясениях (ЗТ). Современные знания позволяют считать сейсмический процесс и сильные ЗТ свойством одной из разновидностей нелинейных диссипативных систем, проявляющих противоположные стремления к порядку и к хаосу [Соболев, 2010]. Данная концепция была успешно применена в исследованиях сейсмотектонического разрушения литосферы Байкальской рифтовой зоны [Klyuchevskii, 2010, 2014].Одним из факторов, приводящих к переходу системы литосферных блоков из состояния равновесия к неустойчивому равновесию и локальной динамической неустойчивости, порождающей ЗТ, являются внешние возмущения. Такими возмущениями могут быть аномалии атмосферной циркуляции [Сытинский, 1997; Боков, 2008; Боков, 2010]. Чаще всего в исследованиях атмосферно-литосферных связей в качестве характеристики атмосферного воздействия используют приземное давление, однако результаты оказываются не всегда однозначными. Возможно, причина относительно слабых связей между колебаниями приземного давления и сейсмической активностью в том, что приземное давление характеризует только один тип воздействия на литосферу - колебания вертикальных напряжений. Тангенциальные напряжения, обусловленные взаимодействием ветра с орографией, при этом не учитываются, хотя они могут быть существенными, особенно в горных районах. Признаком возникновения тангенциальных напряжений и колебаний давления орографического происхождения является усиление вертикальных ветровых потоков. Эти потоки можно оценить по изменению поля ветра на изобарических поверхностях, а также по эффектам, возникающим в верхних слоях атмосферы.Собственное излучение верхней атмосферы Земли является проявлением сложного комплекса физико-химических процессов в атмосфере, подверженных влиянию гелиогеофизических факторов и возмущений различной природы, в частности, возникающих в нижней атмосфере. Существенное увеличение интенсивности атмосферной эмиссии I557.7 отмечается, например, во время зимних внезапных стратосферных потеплений (ВСП) [Fukuyama, 1977; Mikhalev et al., 2001a; Mikhalev et al., 2003; Mikhalev, 2010]. Результаты ряда работ указывают также на существование статистической связи между проявлениями сейсмической активности и вариациями некоторых атмосферных эмиссий [Торошелидзе, 1988; Коробейникова и др., 1989; Mikhalev et al., 2001b], а в работе [Kaladze et al., 2008] дается теоретическая интерпретация увеличения эмиссии 557.7 нм во время ЗТ. Одним из нерешенных вопросов в этих исследованиях является установление механизма возмущения атмосферных эмиссий.Основная задача настоящей работы заключалась в уточнении особенностей влияния тропосферных и литосферных процессов на характеристики средней и верхней атмосферы Земли в Байкальской рифтовой зоне. Для этого применительно к зимним периодам 2011/2012 и 2012/2013 гг. рассматривались и анализировались сейсмичность региона, динамика тропосферы, температура стратосферы и интенсивность мезосферной эмиссии атомарного кислорода OI 557.7 нм (высоты высвечивания ~85-115 км). Первый период характерен двумя сильными ЗТ в Республике Тыва 27 декабря 2011 г. (энергетический класс Kp=15.9, магнитуда М=6.7) и 26 февраля 2012 г. (энергетический класс Kp=16.3, магнитуда М~7).
Боков В.Н. Триггерный эффект пространственно-временной изменчивости атмосферной циркуляции в возникновении землетрясений: автореферат дис. … д-ра геог. наук. СПб.: Российский государственный гидрометеорологический университет, 2008. 51 c.Bokov V.N. Triggernyi effekt prostranstvenno-vremennoi izmenchivosti atmosfernoi tsirkulyatsii v vozniknovenii zemletryasenii [Trigger effect of spatial and temporal variability of atmospheric circulation in the event of earthquakes]: Avtoreferat dissertatsii na soiskanie uchenoi stepeni doktora geograficheskikh nauk. Sankt-Peterburg, Rossiyskii gosudarstvennyi gidrome-teorologicheskii universitet (RGGMU) Publ. [Author′s abstract of the PhD. St. Petersburg, Russian State Hydrometeorological University Publ.], 2008, 51 p. (in Russian).Боков В.Н. О связи атмосферной циркуляции и сейсмичности в диапазоне сезонной изменчивости // Ученые записки РГГМУ. 2010. № 14. C. 89-100.Bokov V.N. On the relationship between atmospheric circulation and seismicity in the range of seasonal variability. Uchenye zapiski RGGMU [RSHU Scientific Notes]. 2010, vol. 14, pp. 89-100 (in Russian).Жадин Е.А., Зюляева Ю.А., Володин Е.М. Связи межгодовых вариаций стратосферных потеплений, циркуляции тропосферы и температуры поверхности океанов Северного полушария // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2008. Т. 44, № 5. С. 641-653.Fukuyama K. Airglow variations and dynamics in the lower thermosphere and upper mesosphere III. Variations during stratospheric warming event. J. Atmos. Terr. Phys. 1977, vol. 39, pp. 317-331.Коробейникова М.П., Кулиева Р.Н., Гошджанов М. и др. Вариации эмиссий ночного неба 557.7 нм, 630 нм и Na в период землетрясений // Полярные сияния и свечения ночного неба. М., 1989. № 33. С. 24-27.Kaladze T. D., Horton W., Garner T. W., Van Dam J. W., Mays. M. L. A method for the intensification of atomic oxygen green line emission by internal gravity waves. J. Geophys. Res. 2008, vol. 113, A12307. DOI: 10.1029/2008JA013425.Мордвинов В.И., Иванова А.С., Девятова Е.В. Арктическая осцилляция и тропосферно-стратосферные взаимодействия // Солнечно-земная физика. 2007. Вып. 10. С. 106-112.Keilis-Borok V.I. The lithosphere of the Earth as a non-linear system with implications for earthquake prediction. Rev. Geophys. 1990, vol. 28, pp. 19-34.Савенкова Е.Н. Стратосферно-тропосферное взаимодействие во время весенней перестройки циркуляции // Труды XII Конференции молодых ученых «Взаимодействие полей и излучения с веществом». Иркутск, 2011. С. 343-346.Kheld A. The theory of stationary and quasistationary vortices in the extratropical troposphere. Krupnomasshtabnye dinamicheskie protsessy v atmosfere [Large-scale dynamic processes in the atmosphere]. Moscow, 1988, pp. 143-189 (in Russian). (English edition: Held I.M. Stationary and quasi-stationary eddies in the extratropical troposphere: Theory. Large-scale Dynamical Processes in the Atmosphere. Academic Press, 1983, pp. 127-168).Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писарен-ко В.Ф. Деформирование геофизической среды и сейсмический процесс. М.: Наука, 1987. 101 с.Klyuchevskii A.V. Nonlinear geodynamics of the Baikal Rift System: An evolution scenario with triple equilibrium bifurcation. J. Geodynam. 2010, vol. 49, no. 1, pp. 19-23. DOI: 10.1016/j.jog.2009.08.001Соболев Г.А. Динамика сейсмического процесса и предсказуемость землетрясений // Физические основы прогнозирования разрушения горных пород. М.: ИФЗ РАН, 2010. С. 81.Klyuchevskii A.V. Rifting attractor structures in the Baikal Rift System: Location and effects // J. Asian Earth Sci. 2014, vol. 88, pp. 246-256. DOI: 10.1016/j.jseaes.2014. 03.009Сытинский А.Д. О планетарных атмосферных возмущениях во время сильных землетрясений // Геомагнетизм и аэрономия. 1997. Т. 37, № 2. С. 132-137.Korobeynikova M.P., Kuliyeva R.N., Goshdzhanov M., Khamidulina V.G., Shamov A.A. Variations of the night sky emission 557.7 nm, 630 nm and Na during earthquakes. Polyarnye siyaniya i svecheniya nochnogo neba [Aurora and Airglow]. Moscow, 1989, vol. 33, pp. 24-27 (in Russian).Торошелидзе Т.И., Фишкова Л.М. Анализ колебаний ночного излучения средней и верхней атмосферы, предшествующих землетрясениям // ДАН СССР. 1988. Т. 302, № 2. С. 313-316.Matsuno T. A dynamical model of the stratosphere sudden warming. J. Atmos. Sci. 1971, vol. 28, pp. 1479-1494.Хелд А. Теория стационарных и квазистационарных вихрей во внетропической тропосфере // Крупномасштабные динамические процессы в атмосфере / Под ред. Б. Хоскинса, Р. Пирса. М.: Мир, 1988. С. 143-189.Mikhalev A.V. Variations in the 557.7 nm atmospheric emission during stratospheric warming events under conditions of high and low solar activity. Geomagnetism and Aeronomy 2010, vol. 50, no. 8 (Special Issue 2), pp. 1021-1024.Fukuyama K. Airglow variations and dynamics in the lower thermosphere and upper mesosphere III. Variations during stratospheric warming event // J. Atmos. Terr. Phys. 1977. V. 39, N 2. P. 317-331.Mikhalev A.V., Medvedeva I.V., Beletsky A.B., Kazimirovsky E.S. An investigation of the upper atmospheric optical radiation in the line of atomic oxygen 557.7 nm in East Siberia. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2001a, vol. 63, no. 9, pp. 865-868.Kaladze T.D., Horton W., Garner T.W., et al. A method for the intensification of atomic oxygen green line emission by internal gravity waves // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. A12307. DOI:10.1029/2008JA013425.Mikhalev A.V., Popov M.S., Kazimirovsky E.S. The manifestation of seismic activity in 557.7 nm emission variations of the Earth’s upper atmosphere. Adv. Space Res. 2001b, vol. 27, no. 6-7, pp. 1105-1108.Keilis-Borok V.I. The lithosphere of the Earth as a non-linear system with implications for earthquake prediction // Rev. Geophys. 1990. V. 28. P. 19-34.Mikhalev A.V., Medvedeva I.V., Kazimirovsky E.S., Potapov A.S. Seasonal variation of upper-atmospheric emission in the atomic oxygen 555 nm line over East Siberia. Adv. Space Res. Special Issue: “Long-Term Trends: Thermosphere, Mesosphere, Stratosphere, and Lower Ionosphere”. 2003, vol. 32, no. 9, pp. 1787-1792.Klyuchevskii A.V. Nonlinear geodynamics of the Baikal Rift System: An evolution scenario with triple equilibrium bifurcation // J. Geodyn. 2010. V. 49, N 1. P. 19-23. DOI: 10.1016/j.jog.2009.08.001Mordvinov V.I., Ivanova A.S., Devyatova E.V. Arctic Oscillation and troposphere-stratosphere interactions. Solnechno-zemnaya fizika [Solar-Terrestrial Phyics]. 2007, vol. 10, pp. 106-112 (in Russian).Klyuchevskii A.V. Rifting attractor structures in the Baikal Rift System: Location and effects // J. Asian Earth Sci. 2014. V. 88. P. 246-256. DOI: 10.1016/j.jseaes.2014.03.009Sadovsky M.A., Bolkhovitinov L.G., Pisarenko V.F. Deformation of geophysical medium and seismic process. M.: Nauka, 1987. 101 p.Matsuno T. A dynamical model of the stratosphere sudden warming // J. Atmos. Sci. 1971. V. 28. P. 1479-1494.Savenkova E.N. Stratospheric-tropospheric in-teraction during the spring adjustment circulation. Trudy XII Konferentsii molodykh uchenykh “Vzaimodeystviye poley i izlucheniya s vesh-chestvom” [Proceedings of XII Conference of Young Scientists “Interaction of Fields and Radiation with Matter”]. Irkutsk, 2011, pp. 343-346 (in Russian).Mikhalev A.V. Variations in the 557.7 nm atmospheric emission during stratospheric warming events under conditions of high and low solar activity// Geomagnetism and Aeronomy. 2010. V. 50, N 8 (Special Issue 2). P. 1021-1024.Sobolev G.A. Dynamics of seismic process and forecast of earthquakes // Fizicheskie osnovy prognozirovaniya razrusheniya gornykh porod [Physical bases of forecast of destruction of rocks]. M.: IPE RAS Publ., 2010. P. 81.Mikhalev A.V., Medvedeva I.V., Beletsky A.B., Kazimirovsky E.S. An investigation of the upper atmospheric optical radiation in the line of atomic oxygen 557.7 nm in East Siberia // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2001a. V. 63, N 9. P. 865-868.Sornette D., Davy P., Sornette A. Structuration of lithosphere in plate tectonics as a self-organized critical phenomenon. J. Geophys. Res. 1990, vol. 95, no. B11, pp. 17353-17361.Mikhalev A.V., Popov M.S., Kazimirovsky E.S. The manifestation of seismic activity in 557.7 nm emission variations of the Earth’s upper atmosphere // Adv. Space Res. 2001b. V. 27, N 6-7. Р. 1105-1108.Sytinskii A.D. On the planetary atmospheric disturbances during strong earthquakes. Geomagnetizm i Aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1997, vol. 37, pp. 132-137 (in Rus-sian).Mikhalev A.V., Medvedeva I.V., Kazimirovsky E.S., Potapov A. S. Seasonal variation of upper-atmospheric emission in the atomic oxygen 555 nm line over East Siberia // Adv. Space Res. Special Issue “Long-Term Trends: Thermosphere, Mesosphere, Stratosphere, and Lower Ionosphere”. 2003. V. 32, N 9. P. 1787-1792.Toroshelidze T.I., Fishkova L.M. Analysis of fluctuations in night emission of middle and upper atmosphere before earthquakes. Doklady Akademii nauk SSSR. [Transactions of the USSR Academy of Sciences]. 1988, vol. 302, pp. 313-316 (in Russian).Sornette D., Davy P., Sornette A. Structuration of lithosphere in plate tectonics as a self-organized critical phenomenon // J. Geophys. Res. 1990. V. 95, N B11. P. 17353-17361.Zhadin E.A., Zyulyayeva Yu.A., Volodin E.M. Connections between interannual variations in stratospheric warming, the troposphere circulation, and the surface temperature of the oceans of the northern hemisphere. Izvestiya RAN. Fizika atmosfery i okeana [Izvestiya RAS. Atmospheric and Oceanic Physics]. 2008, vol. 44, pp. 641-653 (in Russian).