На правах рукописи Захаренкова Ирина Евгеньевна ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ СИГНАЛОВ СИСТЕМЫ GPS
advertisement
На правах рукописи Захаренкова Ирина Евгеньевна ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ СИГНАЛОВ СИСТЕМЫ GPS ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ИОНОСФЕРНЫХ ПРЕДВЕСТНИКОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ 01.04.03 – радиофизика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Калининград – 2007 Работа выполнена в Российском государственном университете имени Иммануила Канта Научные руководители: кандидат технических наук, профессор Лаговский Анатолий Францевич кандидат физико-математических наук, Шагимуратов Ирк Ибрагимович Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Намгаладзе Александр Андреевич доктор физико-математических наук профессор Захаров Вениамин Ефимович Ведущая организация: Полярный геофизический институт, г. Мурманск Защита состоится «____» ___________ 2007 г. в _____часов на заседании диссертационного совета К212.084.02 физического факультета Российского государственного университета имени И. Канта по адресу: 236041, г. Калининград, ул. А. Невского, 14 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного университета имени И. Канта Российского Автореферат разослан «____» ______________ 2007 г. Ученый секретарь диссертационного совета В.А. Пахотин 2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Проблема прогноза землетрясений попрежнему остается одной из важнейших нерешенных задач современной геофизики. В свете катастрофических событий последних лет актуальность развития и совершенствования методов прогноза не уменьшается. Это касается долгосрочного, среднесрочного и, тем более, краткосрочного прогнозирования. В настоящее время получены экспериментальные и теоретические результаты, значительно продвинувшие решение данной проблемы. Совокупный анализ результатов наблюдений позволил сделать заключение о том, что подготовка землетрясения сопровождается интенсивной активизацией различных процессов в приземных слоях атмосферы и формированием в нижней атмосфере источников, стимулирующих многочисленные плазменные и электромагнитные эффекты в ионосфере, которые можно рассматривать как предвестники и использовать их в качестве физической основы для построения новых систем прогнозирования и предупреждения землетрясений, дополняющих комплекс традиционных сейсмических, геохимических и других систем прогноза. Идея осуществления краткосрочного прогноза разрушительных землетрясений на основе ионосферных и магнитосферных предвестников нашла свое отражение в разработке и создании специализированных проектов космического мониторинга природных катастроф “COMPASS-1” (Complex Orbital Magneto-Plasma Autonomous Small Satellite), “COMPASS2”, (проект “Vulkan”), “Sich-1M” (проект “Variant”), “QuakeSat”, “DEMETER” (Detection of Electro-Magnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions), “ESPERIA” (Earthquake investigation by Satellite and Physics of the Environment Related to the Ionosphere and Atmosphere). Однако отдельные спутники способны поставлять лишь фрагментарную информацию, для осуществления мониторинга в глобальном масштабе необходимо создание многоспутниковых систем, которые в настоящий момент находятся на стадии разработки. Поэтому сегодня развитие мониторинга ионосферных предвестников землетрясений связывается с использованием глобальной навигационной системы GPS (Global Positioning System). Система GPS является в настоящее время наиболее эффективным и перспективным средством дистанционной диагностики ионосферы из всех радиофизических методов. Измерения параметров трансионосферных радиосигналов, излучаемых спутниками системы GPS, обеспечивают получение информации о структуре и динамике ионосферы в планетарном масштабе. Использование 3 GPS измерений имеет целый ряд преимуществ по сравнению с классическими радиофизическими средствами зондирования ионосферы – действительная непрерывность, высокое пространственно-временное разрешение и глобальность мониторинга ионосферных возмущений различной природы. Метод диагностики ионосферы с помощью спутниковых радиосигналов является наиболее экономичным, так как основывается на уже существующей космической и наземной инфраструктуре навигационной системы GPS. Перспективность использования метода радиопросвечивания ионосферы на основе применения сигналов глобальных навигационных систем базируется на развитии и расширении космического сегмента за счет реализации проектов GALILEO и ГЛОНАСС, что создаст исключительные предпосылки для повышения точности контроля состояния ионосферы и, как следствие, выделения ионосферных эффектов, связанных с сейсмической активностью. Целью диссертационной работы является исследование пространственно-временной модификации ионосферы, порождаемой процессами подготовки землетрясений, для разработки новых методов дистанционного обнаружения и раннего оповещения о природных катастрофах методом радиопросвечивания ионосферы сигналами дециметрового диапазона. 1. 2. 3. 4. 5. Для решения данной цели были поставлены следующие задачи: Усовершенствование и развитие алгоритмов и программ обработки измерений задержек двухчастотных радиосигналов навигационных спутников GPS/ГЛОНАСС по восстановлению полного электронного содержания ионосферы (ТЕС). Разработка методики выявления сейсмо-ионосферных предвестников на фоне вариаций в ионосфере, вызванных другими факторами (солнечной, геомагнитной активностью и пр.). Разработка алгоритмов и программного комплекса обнаружения сейсмоионосферных предвестников в вариациях полного электронного содержания. Проведение исследования пространственно-временной модификации ионосферы перед сильными землетрясениями (M>5.0) для различных сейсмически-активных районов Земли. Совокупный анализ полученных результатов с целью выделения общих закономерностей проявления сейсмо-ионосферных предвестников в GPS ТЕС вариациях. 4 Методы исследования В работе использовались методы обработки измерений задержек сигналов навигационных спутников системы GPS на частотах 1.2 / 1.6 ГГц по восстановлению полного электронного содержания ионосферы и построения карт ТЕС с высоким пространственно-временным разрешением на основе алгоритма многостанционной обработки наблюдений международной сети IGS/GPS приемных станций. Для обнаружения ионосферных предвестников землетрясений в вариациях полного электронного содержания ионосферы применялись методы статистического анализа данных. Достоверность и обоснованность результатов и выводов диссертационной работы определяется корректностью постановки задач и методов их решения, а также согласием результатов интерпретации экспериментальных данных с современными представлениями о литосферно-ионосферном взаимодействии, которые основываются на данных наземного и спутникового зондирования ионосферы, повторяемостью результатов для землетрясений с магнитудой выше 5.0-5.5 по шкале Рихтера, а также проверкой на соответствие выводам других авторов. Научная новизна 1. Впервые для обнаружения и анализа ионосферных аномалий, ассоциированных с сейсмической активностью, была применена современная и наиболее эффективная технология непрерывного глобального мониторинга состояния ионосферы на основе спутниковых радиофизических методов. 2. Впервые для изучения пространственно-временных характеристик сейсмо-ионосферных предвестников была разработана и реализована технология построения региональных карт полного электронного содержания ионосферы, полученных по результатам многостанционной обработки непрерывных наблюдений сетей GPS станций EUREF, GEONET, IGS. 3. Предложен новый подход в исследовании ионосферных предвестников землетрясений на основе анализа вариаций полного электронного содержания ионосферы с использованием: а) локальных измерений ТЕС, б) региональных ТЕС карт, в) глобальных ТЕС карт в формате IONEX. 4. Получены новые данные о проявлении сейсмо-ионосферных предвестников в GPS TEC измерениях для среднеширотных землетрясений (Италия, Греция, Турция, Алжир, Япония), выявлены 5 основные характеристики предсейсмической модификации ТЕС над изучаемыми регионами. Практическая ценность Практическое применение результатов сейсмо-ионосферного мониторинга и прогноза представляет собой особую задачу, решение которой лежит в сфере интересов служб по чрезвычайным ситуациям не только в России, но и для других стран. Разработанный подход базируется на новых принципах обработки информации о состоянии ионосферы, так и на комплексном подходе к анализу предвестников разной природы. Использование ионосферных предвестников, обнаруживаемых в GPS TEC вариациях для землетрясений с магнитудой выше 5.0, дает возможность дополнить традиционные методы сейсмического мониторинга. Реализация этой концепции может в скором будущем заложить надежные основы для устойчивого научного прогнозирования сильных землетрясений. Наряду с этим результаты исследования характеристик трансионосферных сигналов дециметрового диапазона представляют интерес с точки зрения изучения пространственной структуры и динамики ионосферы, а также могут найти применение в задачах космической навигации, радиолокации, связи. На защиту выносятся следующие положения: 1. Методика обнаружения ионосферных предвестников землетрясений в вариациях GPS ТЕС. 2. Результаты исследования пространственно-временной модификации ионосферы для различных сейсмически-активных регионов мира. 3. Характеристики обнаруженных сейсмо-ионосферных аномалий в вариациях полного электронного содержания ионосферы. 4. Вывод о перспективности использования глобального мониторинга ионосферы на основе GPS наблюдений для реализации новых методов краткосрочного прогноза землетрясений. Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и были представлены на IX, X, XI, XII региональных конференциях по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 2003, 2004, 2005, 2006), Международной научной конференции, приуроченной к 200-летию со дня рождения К.Якоби и 750-летию со дня основания г. Калининграда (Кёнигсберга) (Калининград, 2005), XXI Всероссийской научной конференции по распространению радиоволн (Йошкар-Ола, 2005), European Geosciences Union General Assembly 2006 (Vienna, Austria, 2006), XXIV Всероссийском симпозиуме "Радиолокационное исследование 6 природных сред" (Санкт-Петербург, 2006), 6th International Conference "Problems of Geocosmos" (Санкт-Петербург, 2006), 18th International Wroclaw Symposium and Exhibition on Electromagnetic Compatibility (Wroclaw, Poland, 2006), 6-й Украинской конференции по космическим исследованиям (Евпатория, Украина, 2006), AGU Chapman Conference on Mid-latitude Ionospheric Dynamics and Disturbances (Yosemite, USA, 2007). По теме диссертации опубликовано 23 работы, из них 9 статей, 3 работы в трудах научных конференций и 11 тезисов докладов. Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав и заключения. Работа содержит 146 страниц текста, в том числе 73 рисунка и 3 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 135 наименований. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во Введении обосновывается актуальность темы исследования, сформулирована цель работы, приводятся сведения о научной новизне и практической значимости полученных результатов. В первой главе представлен обзор основных результатов изучения ионосферных предвестников землетрясений. Обобщены и систематизированы экспериментальные данные, полученные с помощью наземных станций вертикального зондирования ионосферы, расположенных в сейсмически-активных регионах Земли, а также результаты спутникового радиозондирования. Показано, что одним из наиболее чувствительных параметров ионосферной плазмы к процессам подготовки землетрясения является электронная плотность в максимуме слоя F ионосферы NmF2. Проявления сейсмо-ионосферных возмущений в слое F носят настолько специфический характер, что при спокойном или умеренно-возмущенном гелио-геомагнитном фоне могут отождествляться как сейсмо-ионосферные предвестники землетрясений с высокой степенью вероятности. В этой связи данные регулярного мониторинга пространственно-временного распределения электронной концентрации ионосферы могут предоставлять достаточно надежную информацию о предвестниках катастрофических явлений и эффективно использоваться для краткосрочного прогноза землетрясений. В настоящее время GPS техника является наиболее перспективным средством диагностики для обнаружения сейсмо-ионосферных предвестников. 7 Физические механизмы литосферно-ионосферного взаимодействия широко обсуждаются многими авторами. В данной главе представлено описание наиболее адекватной электродинамической модели литосферноатмосферно-ионосферных связей, позволяющей интерпретировать большинство спутниковых и наземных измерений аномальных вариаций ионосферы, наблюдаемых над сейсмически-активными регионами, проявлением одной причины [Сорокин В.М. и Чмырев В.М. Электродинамическая модель ионосферных предвестников землетрясений и некоторых видов катастроф // Геомагнетизм и аэрономия. 2002. Т. 42. № 6. с.821-830]. Согласно этой модели, изменения параметров нижней атмосферы над сейсмоактивной зоной инициируют возмущения ионосферной плазмы и электромагнитного поля. Главной причиной этих эффектов является вертикальный турбулентный перенос инжектируемых в атмосферу заряженных аэрозолей и радиоактивных веществ. Увеличение уровня атмосферной радиоактивности при подготовке землетрясения приводит к росту скорости ионообразования и электрической проводимости нижней атмосферы. Совместное действие этих процессов приводит к усилению в ионосфере электрического поля до величин единицы – десятки мВ/м, что сопровождается локальными изменениями концентрации плазмы. Вторая глава содержит описание методики обработки двухчастотных радиосигналов навигационных спутников системы GPS по восстановлению полного электронного содержания ионосферы и методику анализа вариаций GPS ТЕС с целью обнаружения ионосферных предвестников землетрясений. В параграфе 1 представлено описание конфигурации и основных характеристик навигационной системы GPS, а также глобальной и региональных сетей GPS станций. Космический сегмент системы образован орбитальной группировкой, номинально состоящей из 24 основных спутников и четырех резервных. Космические аппараты находятся на шести круговых орбитах высотой 20200 км, наклонением 55° и равномерно разнесенных по долготе через 60°. Данная конфигурация предполагает, что в любой точке Земли в любой момент времени в зоне радиовидимости находятся 6-8 спутников системы, что позволяет проводить непрерывный мониторинг ионосферы. Каждый спутник GPS излучает два высокостабильных сигнала на частотах f1=1575.42 МГц и f2=1227.60 МГц. Двухчастотные групповые измерения задержек сигналов спутников GPS позволяют выделить ионосферную часть задержки радиосигнала, и соответственно определить абсолютное значение 8 полного электронного содержания, которое пропорционально этой задержки. В настоящее время в мире насчитывается более 3000 GPS станций, которые проводят непрерывные наблюдения на регулярной основе и свободно предоставляют свои данные мировому сообществу. Каждая отдельная станция обеспечивает мониторинг ионосферы в радиусе более чем 1000 км, в том числе в трудно доступных местах. Глобальная сеть IGS (International GNSS Service) содержит более 1500 станций по всему миру. Использование сети IGS станций для исследования ионосферы имеет несколько преимуществ над более традиционными методами: одновременное глобальное покрытие, высокое временное разрешение, непрерывность во времени, доступность данных. Необходимо отметить также бурный рост региональных сетей GPS станций, обеспечивающих невиданное ранее пространственно-временное разрешение. Европейская сеть EUREF Permanent GPS Network (EPN) в настоящий момент насчитывает 187 станций. Мощная сеть GEONET, развернутая в Японии, предоставляет информацию от 1200 GPS станций. Плотная сеть GPS станций (около 300) создана в сейсмоопасной зоне в штате Калифорния (США). Развитие данных сетей представляет собой экспериментальную основу для осуществления GPS мониторинга основных сейсмоактивных районов мира. Параграф 2 описывает методику восстановления полного электронного содержания ионосферы (ТЕС) по измерениям сигналов навигационных спутников системы GPS. GPS техника реализует одновременно измерения групповых (P1, P2) и фазовых задержек сигналов L1(λ1) на частоте 1575.42 МГц и L2(λ2) на частоте 1227.60 МГц, которые можно записать в следующем виде: P1 I1 c (t П 1 t С1 ) , P2 I 2 c (t П 2 t С 2 ) , L 1 I 1 1 N 1 , L 2 I 2 2 N 2 , где T – включает в себя геометрическое расстояние между приемником и спутником (ρ), Т – задержки в тропосфере, - часть систематической погрешности, в состав которой входят погрешности определения спутниковых эфемерид, расхождение шкал времени спутника и приемника и другие частотно-независимые задержки, – случайная погрешность, I1 и I1 – поправки на ионосферную рефракцию сигналов, λ1N1 и λ2N2 – неизвестные начальные фазы сигналов, c – скорость света, δtС1, δtС2 и δtП1, δtП2 – инструментальные задержки сигналов в аппаратуре спутника и приемника. 9 Дифференциальная задержка двух сигналов пропорциональна полному электронному содержанию ионосферы TEC (Total Electron Content): L I B , P I A , f 12 f 22 I 40.3 2 2 TEC M TEC f1 f 2 где ΔI – дифференциальная ионосферная задержка, B – неизвестная начальная фаза, А – неизвестная аппаратурная задержка, M=10.5·1018 м3/эл – масштабный коэффициент. Формально уравнения для групповых и фазовых измерений имеют одинаковый вид, и ионосферная задержка может быть определена с точностью до неизвестной поправки. Инструментальная задержка мало меняется на временах более нескольких дней, в то время как начальная фаза остается постоянной на временах сеанса связи. Для обработки GPS измерений используются два алгоритма – одно- и многостанционный. В одностанционном варианте восстанавливается суточная вариация ТЕС над отдельной станцией по измерениям всех пролетов спутников на 24-часовом интервале. При этом определяется абсолютное значение ТЕС, инструментальные задержки и неизвестные фазы для каждого спутника. Для восстановления ТЕС над станцией используется локальная модель для суточной вариации в виде разложения по суточным гармоникам. Для пересчета наклонного ТЕС (вдоль луча спутник-приемник) в вертикальный используется однослойная модель ионосферы, в которой предполагается, что все электроны сосредоточены в тонком слое, расположенном на некоторой высоте над поверхностью Земли. Высота слоя считается фиксированной и равной 400 км. Для пересчета используется геометрический фактор. Для получения пространственного распределения ТЕС и построения карт был реализован алгоритм многостанционной обработки GPS измерений с использованием глобальной (региональной) модели. Плотная и развитая сеть приемных станций в Европе и Японии обеспечивает высокое пространственное и временное разрешение карт ТЕС. Карты могут строиться с интервалом 5 минут, что позволяет проводить исследования тонкой структуры ионосферы и ее динамики во времени. Параграф 3 описывает методику обнаружения сейсмо-ионосферных предвестников в вариациях полного электронного содержания, в основе которой лежит информационно-статистический подход. Первый этап. Для предварительной оценки сейсмо-ионосферных эффектов применяется анализ глобальных ТЕС карт в формате IONEX (IONosphere map EXchange), которые регулярно создаются лабораториями 10 CODE, JPL, ESA/ESOC, gAGE/UPC по данным мировой сети IGS станций. Данный формат предполагает пространственное разрешение 5° по долготе, 2.5° по широте, временной интервал – 2 часа. IONEX данные доступны на сайте: ftp://cddisa.gsfc.nasa.gov/pub/gps/products/ionex/. С помощью комплекса программ обрабатываются глобальные ТЕС карты, строятся фоновые и вычисляются дифференциальные карты отклонений ТЕС. Поскольку пространственный масштаб ионосферных предвестников для сильных землетрясений достигает нескольких тысяч километров вдоль параллели и около 1000 км вдоль меридиана, то использование глобальных ТЕС карт позволяет получить предварительные оценки о возможной регистрации сейсмо-ионосферного предвестника и сделать вывод о необходимости проведения дальнейшего изучения обнаруженного эффекта. Для того чтобы надежно связать ионосферные вариации с приближающимся землетрясением, необходимо знать все особенности регионального поведения ионосферы в рассматриваемой географической зоне в спокойных и магнито-возмущенных условиях. Поэтому для каждого сейсмически-активного региона анализ модификации ионосферы с помощью ТЕС карт должен осуществляться непрерывно. Однако двухчасовой интервал построения карт не всегда достаточен для проведения подобного анализа. Так как основными особенностями ионосферных предвестников являются четко выраженная локальность («приложенность» к месту действия будущего землетрясения) и ограниченность времени проявления (не более 4-6 часов), то возникает необходимость изучать карты с более высоким пространственновременным разрешением. Второй этап. Используется разработанная нами технология построения региональных ТЕС карт по данным измерений сетей GPS станций. Данная методика позволяет получать карты с интервалом 15 минут и с высоким пространственным разрешением, дающим возможность детектировать ионосферные неоднородности с размерами более 100 км. Таким образом, анализ региональных карт с подобным разрешением позволяет изучать морфологические и динамические характеристики возбуждаемых сейсмической активностью ионосферных возмущений. Для каждой из рассматриваемых сейсмически-активных зон строятся и анализируются карты ТЕС-вариаций в спокойное и сейсмически-активное время. Оцениваются пространственные масштабы и амплитуда сейсмоионосферного возмущения. Третий этап. В каждом изучаемом сейсмически-активном регионе выделяется сеть опорных GPS станций. Необходимо отметить, что каждая отдельная станция обеспечивает мониторинг ионосферы в радиусе более чем 1000 км, в том числе в труднодоступных местах. Для выбранных 11 станций изучается поведение суточной вариации ТЕС: строится временной ряд, который исследуется с помощью методов статистического анализа. Определяется локальная область с наибольшими отклонениями в ТЕС вариации. Необходимо учесть, что для формирования суточной вариации ТЕС используются измерения всех пролетов над станцией наблюдения; т.е. суточная вариация получается посредством осреднения ТЕС по достаточно большой пространственной области ионосферы. Поэтому для более детального исследования картины изменения ТЕС изучаются вариации ТЕС вдоль пролетов отдельных спутников. Для спутников системы GPS период обращения составляет 12 сидерических часов, таким образом, каждый спутник появляется через сутки над одной и той же областью с временным сдвигом около 4 минут, поэтому можно проводить сравнение вариации ТЕС вдоль определенного пролета на временном интервале в несколько дней. В третьей главе представлены результаты исследования пространственно-временной модификации ионосферы перед сильными землетрясениями (M>5.0) для различных сейсмически-активных районов Земли. Для исследования отобраны землетрясения с магнитудой выше 5.0, которые были зафиксированы в различных регионах с 1999 по 2006 гг. Анализ сейсмо-ионосферных вариаций, наблюдаемых для сильных среднеширотных землетрясений (Италия, Греция, Турция, Алжир, Япония) в спокойных геомагнитных условиях, позволил выявить следующие характеристики: проявление сейсмо-ионосферных эффектов в GPS TEC измерениях наблюдается, по меньшей мере, за двое-трое суток до землетрясения, имеет вид локального увеличения электронной концентрации, максимум возмущенной области расположен в непосредственной близости от эпицентрального района. Пространственный масштаб – несколько тысяч километров вдоль параллели и около 1000 км вдоль меридиана. По мере приближения к моменту землетрясения амплитуда возмущения увеличивается, достигая значения 40-60% (в некоторых случаях, 80-100%) относительно фонового уровня. За 10-30 часов до землетрясения выявлена тенденция уменьшения электронной концентрации над эпицентральным районом – "отрицательная" аномалия. Величина "отрицательного" эффекта может достигать минус 30% относительно невозмущенного состояния. В спокойных геомагнитных условиях смена знака сейсмо-ионосферного возмущения может трактоваться как сигнал приближающегося землетрясения. Параграф 3. Особый интерес представляет исследование воздействия электрических полей сейсмогенной природы на экваториальную ионосферу. 12 Известно, что экваториальная аномалия очень чутко реагирует на любые изменения электрических полей различного происхождения. В ходе подготовительной фазы экваториального землетрясения происходит проникновение аномальных электрических полей сейсмогенной природы на ионосферные высоты, вызывая усиление или ослабление натурального поля экваториального электроджета. Изменение процесса ExB-дрейфа вызывает пространственное перераспределение электронной концентрации. Исследовалась модификация ионосферы низких широт, ассоциированная с катастрофическим землетрясением в районе острова Суматра 26 декабря 2004 г. Магнитуда землетрясения была равна 9.0. Обнаруженная модификация экваториальной аномалии, ассоциированная с землетрясением, носила различный характер проявления и наблюдалась от ~3-4 и вплоть за несколько часов до начала сейсмической активности. На заключительной стадии подготовки землетрясения были обнаружены 2 модификации в распределении ТЕС. За 2 дня до события наблюдался позитивный эффект в виде дневного усиления экваториальной аномалии. Максимальное увеличение в «гребнях» достигало 20 TECU (50-60%) относительно невозмущенного уровня. В предшествующие дни в вечерние и ночные часы местного времени отмечалась специфическая трансформация распределения ТЕС. Структура в виде аномалии с двумя «гребнями» и провалом наблюдалась в то время, когда экваториальная аномалия обычно исчезает. Параграф 4. Данные по измерениям задержек сигналов навигационных спутников системы GPS, проводимых на международной сети станций GPS-IGS, были использованы для обнаружения в планетарном масштабе перемещающихся крупномасштабных неоднородностей, ассоциированных с предвестниками землетрясений. Ранее обнаружение этих неоднородностей и изучение их траекторий проводилось по данным вертикального зондирования сети ионосферных станций, а также по данным спутникового зондирования. Данные неоднородности возникают на уровне высоты максимума слоя F2 в окрестностях эпицентров сильных землетрясений (М>5.0) за 10-15 ч до главного удара. Их горизонтальные размеры (14)·103 км, вертикальные порядка 100 км. Однако возможности непрерывного глобального мониторинга подобных неоднородностей с помощью ионозондовых наблюдений весьма ограничены в связи со значительным сокращением числа ионосферных станций ВЗ в мире. Впервые подобные крупномасштабные неоднородности были выявлены в ТЕС вариациях на основе измерений задержек радиосигналов навигационных спутников глобальной системы GPS. Их параметры (размеры, величина возмущения, достигающая 30-40% относительно 13 спокойного фона, траектория движения), согласующиеся с ранее полученными ионозондовыми измерениями, позволили ассоциировать данные неоднородности с предвестниками землетрясений. Поэтому регулярный мониторинг ионосферы, осуществляемый в глобальном масштабе на основе сети GPS-станций, может стать эффективным инструментом для изучения подобных эффектов в частности и краткосрочного прогнозирования катастрофических землетрясений в целом. В Заключении диссертационной работы. сформулированы основные результаты 1. Разработаны алгоритмы и реализован комплекс программ по обработке обсервационных данных, анализу и обнаружению сейсмо-ионосферных предвестников в вариациях полного электронного содержания ионосферы. 2. Представлены результаты анализа пространственно-временной модификации ионосферы перед сильными землетрясениями (M>5.0) для различных сейсмически-активных районов Земли: Европа, Япония, Индонезия. В ходе работы было рассмотрено более 35 землетрясений. 3. Анализ TEC вариаций, полученных по измерениям радиосигналов системы GPS, позволил получить новые данные о модификации ионосферы над сейсмически-активными регионами. Выявленные особенности предсейсмического поведения ТЕС соответствуют основным результатам исследований других авторов по изучению ионосферных предвестников, наблюдаемых в F слое, по данным наземного и спутникового радиозондирования ионосферы. 4. На основе статистического анализа большого числа сильных среднеширотных землетрясений (Италия, Греция, Турция, Алжир, Япония) получены следующие характеристики ионосферных предвестников землетрясений в GPS TEC измерениях: - проявление сейсмо-ионосферных эффектов наблюдается в среднем за двое-трое суток до землетрясения, - имеет вид локального увеличения электронной концентрации, - максимум возмущенной области расположен в непосредственной близости от эпицентрального района, - пространственный масштаб – несколько тысяч километров вдоль параллели и около 1000 км вдоль меридиана, - амплитуда возмущения достигает значения в среднем 40-60% относительно фонового уровня, 14 - при увеличении магнитуды землетрясения наблюдается увеличение пространственного масштаба и амплитуды проявления сейсмоионосферного эффекта, - приблизительно за 1 сутки до события может наблюдаться тенденция относительного уменьшения электронного содержания ионосферы над сейсмически-активным регионом. 5. Анализ карт полного электронного содержания ионосферы перед землетрясением 26 декабря 2004 г. (М9.0) в районе о.Суматра показал, что для низкоширотного землетрясения основной сейсмо-ионосферный эффект обнаруживается в виде специфической модификации экваториальной аномалии за несколько дней до главного сейсмического толчка. 6. Совокупный анализ результатов исследования показал, что оперативное использование технологии мониторинга полного электронного содержания ионосферы, осуществляемого по измерениям сигналов системы GPS, в глобальном масштабе и над конкретным регионом в частности может внести существенный вклад в развитие программ краткосрочного прогноза землетрясения. 15 Основное содержание диссертации опубликовано в работах: 1. Захаренкова И.Е., Шагимуратов И.И., Лаговский А.Ф., Кранковски А. Вариации полного электронного содержания ионосферы во время Калининградского землетрясения 21 сентября 2004 г. // Вестник Мурманского государственного технического университета. 2006. Т.9. №3. C.434-439. 2. Сергеенко Н.П., Захаренкова И.Е., Шагимуратов И.И., Сазанов А.В., Рогова М.В. Анализ проявления в ионосфере крупномасштабных перемещающихся неоднородностей, ассоциированных с землетрясениями, по комплексным измерениям // Вестник Мурманского государственного технического университета. 2006. Т.9. №3. C.445-452. 3. Сергеенко Н.П., Шагимуратов И.И., Захаренкова И.Е., Сазанов А.В., Рогова М.В. Планетарные движения макромасштабных неоднородностей, возникающих в слое F2 ионосферы над эпицентрами сильных землетрясений по данным GPS // Исследование Земли из космоса. 2006. №5. C.3-11. 4. Krankowski A., Zakharenkova I.E., Shagimuratov I.I. Response of the ionosphere to the Baltic Sea earthquake of 21 September 2004 // Acta Geophysica. 2006. V. 54. №1. P.90-101. 5. Zakharenkova I.E., Krankowski A., Shagimuratov I.I. Modification of the low-latitude ionosphere before December 26, 2004 Indonesian earthquake // Natural Hazards and Earth System Sciences. 2006. 6. P.817-823. 6. Захаренкова И.Е., Шагимуратов И.И., Лаговский А.Ф., Кранковски А. Исследование ионосферных предвестников для землетрясений класса M~5.0 // Электронный журнал "Исследовано в России". 39. C.361-371. 2006. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/039.pdf 7. Захаренкова И.Е., Шагимуратов И.И., Кранковски А., Лаговский А.Ф. Ионосферные аномалии, наблюдаемые в GPS TEC измерениях перед землетрясением в Греции 8 января 2006 г. (M6.8) // Электронный журнал "Исследовано в России". 110. C.1047-1055. 2006. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/110.pdf 8. Захаренкова И.Е., Лаговский А.Ф., Шагимуратов И.И. Анализ ионосферных предвестников алжирских землетрясений в мае 2003 года // Вестник Калининградского Государственного Университета. Вып. 1-2: Сер. Информатика и телекоммуникации. – Калининград: Изд-во КГУ. 2005. C.115-126. 9. Захаренкова И.Е., Лаговский А.Ф., Шагимуратов И.И. Исследование ионосферных эффектов, ассоциированных с землетрясениями в Японии, по данным GPS измерений // Вестник Российского государственного 16 университета им. И.Канта. Вып. 10: Сер. Физико-математические науки. – Калининград: Изд-во РГУ им. И.Канта. 2006. C.58-64. 10. Захаренкова И.Е., Шагимуратов И.И., Лаговский А.Ф. Модификация ионосферы в период подготовки землетрясений по данным спутниковой системы GPS // Распространение радиоволн: сборник докладов XXI Всероссийской научной конференции. В 2-х т. Йошкар-Ола, 25-27 мая 2005 г. – Йошкар-Ола, МарГТУ, 2005. Т.1. C.194-198. 11. Zakharenkova I.E., Shagimuratov I.I., Krankowski A., Lagovsky A.F. Ionospheric precursors observed during the Mediterranean region earthquakes // Proceed. 18th International Wroclaw Symposium and Exhibition on Electromagnetic Compatibility, June 28-30, 2006. P.85-90. 12. Zakharenkova I.E., Shagimuratov I.I., Lagovsky A.F. Occurrence of ionospheric anomalies related with earthquakes obtained from GPS TEC measurements // Proceed. 6th International Conference "Problems of Geocosmos", St.Petersburg, 23-27 May, 2006. P.397-400. 13. Захаренкова И.Е., Шагимуратов И.И., Лаговский А.Ф., Ефишов И.И. Ионосферные предвестники землетрясений, полученные по данным GPS наблюдений // Региональная IX конференция по распространению радиоволн. Тезисы докладов. – СПб.: ВВМ. 2003. C.44. 14. Захаренкова И.Е., Шагимуратов И.И., Лаговский А.Ф. Модификация ионосферы перед катастрофическими землетрясениями в Японии 24-29 сентября 2003 года // Региональная X конференция по распространению радиоволн. Тезисы докладов. – СПб.: ВВМ. 2004. С.47. 15. Zakharenkova I.E. Ionospheric total electron content perturbations monitored by the GPS global network during the earthquake preparation // Избранные вопросы современной математики: Тезисы Международной научной конференции, приуроченной к 200-летию со дня рождения К.Г. Якоби – Калининград, 2005. С.228-230. 16. Захаренкова И.Е., Шагимуратов И.И., Лаговский А.Ф. Ионосферные аномалии, ассоциированные с землетрясением в Индонезии 26 декабря 2004 года // Региональная XI конференция по распространению радиоволн. Тезисы докладов. – СПб.: ВВМ. 2005. С.27. 17. Kalinin U.K., Sergeenko N.P., Zakharenkova I.E., Shagimuratov I.I., Krankowski A. Traveling large-scale ionospheric irregularities associated with earthquake precursors // European Geosciences Union General Assembly 2006, Vienna, Austria, 02–07 April, 2006. Geophysical Research Abstracts, Vol. 8, 00230, 2006. http://www.cosis.net/abstracts/egu06/00230/egu06-j-00230-1.pdf 18. Krankowski A., Zakharenkova I.E., Shagimuratov I.I., Lagovsky A.F. Research of the earthquake effects in the GPS positioning and ionosphere total electron content variations // European Geosciences Union General 17 Assembly 2006, Vienna, Austria, 02 – 07 April, 2006. Geophysical Research Abstracts, Vol. 8, 00611, 2006. http://www.cosis.net/abstracts/egu06/00611/egu06-j-00611-1.pdf 19. Zakharenkova I.E., Shagimuratov I.I., Ruzhin Yu.Ya., Lagovsky A.F. Seismo-ionospheric precursors of December 26, 2004 Indonesian earthquake // European Geosciences Union General Assembly 2006, Vienna, Austria, 02–07 April, 2006. Geophysical Research Abstracts, Vol. 8, 00234, 2006. http://www.cosis.net/abstracts/egu06/00234/egu06-j-00234-1.pdf 20. Zakharenkova I.E., Shagimuratov I.I., Lagovsky A.F. Research of ionospheric effects for Japan earthquakes using GPS measurements // 6 th International Conference "Problems of Geocosmos", St.Petersburg, 23-27 May, 2006. Book of Abstracts. P.149-150. 21. Захаренкова И.Е., Шагимуратов И.И., Лаговский А.Ф. Использование спутниковой навигационной системы GPS для изучения эффектов, связанных с сейсмической активностью // 6-я Украинская конференция по космическим исследованиям, 3-10 сентября 2006 г. Сборник тезисов. НЦУИКС, Евпатория. 2006. C.141. 22. Захаренкова И.Е., Шагимуратов И.И., Лаговский А.Ф. GPS TEC вариации, ассоциированные с землетрясениями в средиземноморском регионе // Региональная XII конференция по распространению радиоволн. Тезисы докладов. – СПб.: ВВМ. 2006. C.55. 23. Zakharenkova I.E., Ruzhin Yu.Ya., Tepenitsina N.Yu. The Intensification Effect of Magnetic Storm on Pre-seismic Ionosphere Behavior // AGU Chapman Conference on Mid-latitude Ionospheric Dynamics and Disturbances, Yosemite National Park, California, USA. 3-6 January 2007. P.57-58. 18 Захаренкова Ирина Евгеньевна ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ СИГНАЛОВ СИСТЕМЫ GPS ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ИОНОСФЕРНЫХ ПРЕДВЕСТНИКОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Подписано в печать 22.01.2007 г. Формат 60х90 1/6 Бумага для множительных аппаратов. Ризограф. Усл. печ. л. 1,19 Уч.- изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ . Издательство Российского государственного университета им. И. Канта 236041, г. Калининград, А. Невского, 14 19