Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
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.
index of wind impact, seismic activity, airglow
ВВЕДЕНИЕ
В 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).
1. 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).
2. 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).
3. 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.
4. 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:https://doi.org/10.1029/2008JA013425.
5. 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.
6. 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).
7. 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:https://doi.org/10.1016/j.jog.2009.08.001
8. 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:https://doi.org/10.1016/j.jseaes.2014. 03.009
9. 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).
10. Matsuno T. A dynamical model of the stratosphere sudden warming. J. Atmos. Sci. 1971, vol. 28, pp. 1479-1494.
11. 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.
12. 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.
13. 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.
14. 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.
15. Mordvinov 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).
16. Sadovsky M.A., Bolkhovitinov L.G., Pisarenko V.F. Deformation of geophysical medium and seismic process. M.: Nauka, 1987. 101 p.
17. 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).
18. 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.
19. 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.
20. 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).
21. 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).
22. 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).
