ПРОЕКТ ИССЛЕДОВАНИЕ СЕЙСМОАКТИВНОСТИ И АТМОСФЕРНОЙ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ НА ТЕРРИТОРИИ ГОРНОГО АЛТАЯ, ИХ ВОЗМОЖНОЙ ВЗАИМОСВЯЗИ И КОРРЕЛЯЦИИ.

Горный Алтай представляет собой уникальный район для совместного изучения сосредоточенных здесь различных геофизических явлений. В Горном Алтае произошло крупнейшее землетрясение в 2003 году. Оно продолжается до сих пор в режиме последующих толчков – афтершоков. В районе землетрясения развернута сеть сейсмостанций и станций GPS. В настоящем проекте предлагается дополнить эту сеть в целях изучения физики землетрясения и связанных с ним явлений. Известно, что землетрясениям предшествуют изменения режима сейсмоакустической эмиссии, вариации атмосферного электрического поля (АЭП), явления свечения воды и атмосферы, возникновения звуковых эффектов и образования «странных» облаков, в том числе – грозовых, генерация электромагнитного излучения сверхнизких частот (ОНЧ) и т.п. Известны наблюдения генерации очагом землетрясения ударных волн в ионосфере и генерации высокоэнергичных частиц, регистрируемых космическими аппаратами, проходящими над зоной будущего землетрясения. Изучению этих, - предшествующих и сопутствующих землетрясению явлений, и направлен настоящий проект. Автор проекта разрабатывает физически непротиворечивую концепцию, связывающую все перечисленные выше явления в одну общую картину.

1. Проведение наблюдений на сейсмологической и акустической сети в районе Чуйского землетрясения. Сейсмологическая сеть на горном Алтае создана и эксплуатируется Алтае-Саянской сейсмологической экспедицией Геофизической службы СО РАН. Получив поддержку настоящего проекта, мы свяжемся с этой службой и заключим взаимовыгодные договора. Учитывая опыт, приобретенный автором проекта за время работы на Камчатке, предлагается оснастить оборудованием регистрации акустической эмиссии, удачно используемой для прогноза землетрясений на полигонах ИКИРа (Камчатка, Паратунка). Ниже приведена информация об аппаратуре, используемой на Камчатке и Сахалине. Комплекс геоакустических наблюдений

Для регистрации геоакустических сигналов использовались две приемные системы, установленные в небольших водоемах. Каждая система состояла из четырех совмещенных направленных гидрофонов, ориентированных по сторонам света и вниз (рис. 1).

Конструкция из четырех разнонаправленных приемников позволяет достаточно эффективно оценивать анизотропию акустических шумов. Одна из таких систем размещена на дне укрытого бассейна размерами 2×2× 2 3м в пункте комплексных геофизических наблюдений на р. Карымшина (52.49° N, 158.09° E), а другая – на удалении 20-ти км к северу на дне оз. Микижа (52.60° N, 158.14° E), площадью 200×700

2м и с наибольшей глубиной 4 м.

2

Рис.: 1. Акустическая система из четырех направленных гидрофонов. 2. Датчик градиента давления. 3. Конструктивная схема датчика градиента давления: 1 - активный стержень,

2 - инерционная масса, 3 - пьезокерамический преобразователь давления, 4 - гибкие крепления.

Система разнесенных гидрофонов

Для наблюдений и исследований пространственных характеристик источников геоакустической эмиссии, по методу триангуляции, - использовалась автономная трехканальная акустическая станция «Шельф-03» (рис. 4), разработанная в ТОИ ДВО РАН. Станция обеспечивает непрерывную запись акустических сигналов в полосе частот 1 – 15000 Гц с динамическим диапазоном не менее 96 дБ. В качестве преобразователя акустического давления применяются калиброванные сферические гидрофоны, снабженные встроенным предварительным усилителем. Чувствительность по всему частотному диапазону составляет 50 мВ/Па.

Рис. 4. Автономная гидроакустическая станция “Шельф –03”.

Сигнал с датчиков подается на АЦП, а затем на цифровой накопитель, созданный

на основе одноплатного промышленного компьютера Prometheus компании «Diamond Systems Corporation». Свинцово-гелевые аккумуляторы емкостью 115 А·ч обеспечивают непрерывную работу станции в течение 20 суток.

3

Комбинированный приемник

В целях проверки данных, полученных с помощью систем наблюдений, рассмотренных выше, для регистрации сигналов с лета 2004 г. на оз. Микижа был установлен комбинированный акустический приемник разработки кафедры акустики МГУ и НИИФТРИ, производства ЗАО «Геоакустика».

Приемник объединяет в себе сферический пьезокерамический преобразователь давления и трехкомпонентный пьезокерамический инерционный соколебательного типа диаметром 50 мм датчик градиента давления, рис. 3.

Комбинированный приемник имеет частотный диапазон от 10 до 10000 Гц, чувствительность какала давления (без учета предусилителей) составляет 5 мВ⋅Па-1, а векторных каналов, которые ортогональны и образуют правую тройку, – 2 мВ⋅Па-1⋅кГц-1. Направление прихода излучения, характеризуемого вектором плотности мощности (Умова-Пойтинга), определяется по соотношению фаз сигналов между каналами.

Испытания комбинированного приемника и отработка методики наблюдений в небольших водоемах осуществлялись на кафедре акустики МГУ. Результаты наблюдений

На рис. 5 показан геоакустический сигнал, предшествовавший событию 18.12.2002 с К=12.1. Этот сигнал значительно превышает предыдущие по своей продолжительности и амплитуде. Это демонстрирует зависимость энергии акустического сигнала-предвестника от энергетического класса землетрясения. Данная связь, естественно, обусловлена интенсификацией деформационных процессов, которая определяются энергетикой, готовящегося сейсмического события.

Рис.5. Высокочастотные возмущения геоакустического сигнала на частоте 3-7 кГц

в пункте наблюдений на оз. Микижа перед событием 18.12.2002 г. с К=12.1, время события отмечено стрелкой. Направления приема: а – восточное, б – северное, в – южное, г – вертикальное.

Автором проекта показано, что акустические сигналы, показанные на рис. 5 не

могут возникать в эпицентре землетрясения из-за их затухания в среде распространения. Они образуются в непосредственной близости от регистратора. Тем не менее, они всегда предшествуют землетрясению и прекращаются незадолго до его начала. Единственное объяснение этой парадоксальной ситуации можно найти лишь в том случае, если окружающая датчик среда находится в квантовой запутанности со средой очага

4

землетрясения. Перед моментом образования ударной волны, т.е. собственно землетрясения, происходит декогеренция, т.е. разрывается запутанное состояние между окружающей средой и очагом. Это один из принципиальных моментов модели, требующий проведения специальных исследований.

Регистрация сейсмоакустических сигналов должна сопровождаться регистрацией акустических сигналов в атмосфере. Это особенно важно в свете участившихся в последнее время сообщений об обнаружении странных звуков в атмосфере и океане. 2. Использование сети GPS как для контроля геодинамики, так и для контроля состояния ионосферы (определение её полного электронного содержания - TECU). Сеть станций GPS создана на Горном Алтае Институтом нефтегазовой геологии и геофизики. Она эксплуатируется с целью выявления современных геодинамических афтершоковых подвижек в районе Чуйского землетрясения 2003 года. В проекте предлагается использование дополнительных фазовых возможностей СВЧ волн для оценки величины полного электронного содержания ионосферы. Скажем несколько слов об этом новом методе исследования ионосферы. В GPS приемопередатчике используются два канала с немного отличающимися частотами. При прохождении СВЧ импульса через ионосферу (до спутника и обратно) два СВЧ - луча получают различные набеги фазы. Анализ этих различий позволяет получить информацию о полном количестве электронов ионосферы (TECU). На рис. 6 показано как меняется величина TECU в различное время суток. Она «привязана» к местному времени и максимальна в полдень.

Рис. 6. Полное электронное содержание ионосферы (TECU).

Группа профессора Э.Л. Афраймовича из института солнечно-земной физики (Иркутск), изучая вариации TECU во время землетрясений, произошедших в регионах, насыщенных GPS-станциями, обнаружила, что в момент возникновения землетрясения, в ионосфере возникает ударная волна (УВ) (рис. 7). На левом рисунке приведена интерпретация Афраймовича. Он полагал, что акустическая волна из очага землетрясения достигает ионосферных высот и возбуждает в ионосфере УВ. Эта модель не проходит по ряду объективных причин. Предлагается альтернативная модель, согласно которой УВ возникает в водонасыщенной атмосфере одновременно с возникновением УВ самого землетрясения. Предлагается механизм квантовой запутанности среды очага в литосфере с объемом среды атмосферы. Дело в том, что в литосфере присутствуют некоторые вещества, содержащие в своем составе водородные связи, как и в воде, обладающие, как известно, коллективными свойствами. Проявление этих свойств в форме быстрых структурных фазовых переходов, - приводит к образованию ударных волн в обеих средах одновременно, в том числе и акустической УВ в атмосфере (УАВ) (рис. 7, справа).

Проверка предлагаемой модели имеет принципиальный характер, т.к. предлагаемая автором проекта идея использовать многочастичную квантовую запутанность (МКЗ) как основной «рабочий» механизм, позволяет найти объяснение многим геофизическим явлениям, не имевшим до сих пор непротиворечивых толкований.

(Подробнее в Проекте № 5 на сайте автора: http://www.vvkuz.ru/).

5

Рис. 7. Модели возникновения УВ в ионосфере.

3. Создание полигона для наблюдения за атмосферным электрическим полем. Измерение атмосферного электрического поля (АЭП) один их основных способов решения проблемы атмосферной электрической и сейсмической активности. Однако, приборов для её решения в России - не достаточно. Прибрести приборы можно в Пулковской обсерватории, где налажен их мелкосерийный выпуск. (Подробнее в Проекте № 3 на сайте автора: http://www.vvkuz.ru/).

Рис. 8. Схема регистратора АЭП и устройство, установленное в обсерватории на

Камчатке. На рис. 8 приведена схема прибора регистрации АЭП и конструкция прибора на обсерватории Паратунка на Камчатке.

На рис. 9 показано, что величина АЭП изменяется до и во время сильнейшего землетрясения на Суматре в 2004 году. Измерения АЭП проводились в обсерватории в Италии. Проверка того, изменялась ли величина АЭП в это время на других обсерваториях показала, что в этих обсерваториях таких изменений не отмечено. Мечено изменений и на Камчатской обсерватории, которая значительно ближе к Суматре, чем итальянская. Простого объяснения замеченной особенности, естественно, - нет. Попытаться найти объяснение можно лишь в единственном случае, когда перед землетрясением на Суматре и в Италии произошло квантовое запутывание литосферы. Наиболее близкий аналог такого явления приведен в проекте № 6.

6

Рис. 9. Регистрация АЭП в обсерватории Италии перед землетрясением на Суматре.

(Подробнее в Проекте № 6 на сайте автора: http://www.vvkuz.ru/). 4. Оснащение полигона антенной регистрации гроз и молний по шумановскому резонансу, антеннами ОНЧ и другими приборами. Физика линейных молний и, особенно, шаровых - неизвестна до сих пор, несмотря на 300 летнюю историю их изучения. Горный Алтай можно считать «кладовой» молний. Здесь имеются отдельные регионы, в которых молнии образуются особенно часто. Именно в этих регионах регистрируются светящиеся шары, вероятно, наиболее близкие по физике к шаровым молниям.

Рис. 10. Линейная и шаровая молнии.

Изучать грозы и молнии целесообразно используя устройство, регистрирующее шумановский резонанс. Это резонанс в конденсаторе «Земля-ионосфера». Первая гармоника резонатора составляет около 7Гц. Подобное устройство успешно используется в Томске.

7

Рис. 11 Схема шумановского резонанса.

5. Исследования токов Шмидта-Бауэра. Разработка устройства для регистрации токов дождя и оснащение этими устройствами элементов сети.

Взаимосвязь между не потенциальностью геомагнитного поля, токами Шмидта-Бауэра (ШБ) и атмосферным электрическим током (J) обсуждается более 100 лет, но понимание проблемы пока не достигнуто. Причина заключается в том, что геомагнитное поле принято с хорошей точностью считать потенциальным, а токи ШБ – не реальными. Более того, по оценкам величины не потенциальности поля, сила токов ШБ превышает атмосферный ток J на четыре порядка, что так же кажется совершенно не естественным.

A. Schmidt в 1895 первым показал, что потенциальное магнитное поле Земли включает не потенциальную часть (ссылки в Schweidler, 1932). Как известно, в потенциальном поле линейный интеграл вдоль замкнутой кривой должен равняться нулю. В действительности в геомагнитном поле это не совсем точно. При такой операции оказывается, что нуль получается не всегда. Это означает наличие вертикальных токов, достигающих земной поверхности. Шмидт усомнился в реальности результатов расчетов и приписал это неточности наблюдений элементов земного магнетизма (Schweidler, 1932).

Рис. 12 Токи Шмидта-Бауэра (Schweidler, 1932) в северном и южном полушариях. В районах полюсов – токи положительные (направлены вверх), в экваториальной зоне –

токи отрицательны (области их существования затемнены, а сами токи направлены вниз).

Автор проекта обратился к проблеме токов ШБ при создании новой модели АЭП и решении проблемы сохранения Землей электрического заряда.

8

Было предложено, что в атмосфере формируются два тока, текущих в противоположных направлениях. Один – подъем положительно заряженных частиц за счет испарения, а ток, текущий в обратном направлении, это ток дождя (рис. 13). Как видно из рисунка ток дождя меняет направление в зависимости от смены заряда участвующих в процессе переноса водных аэрозолей и капель. Положительные заряды (в виде ионов гидроксония Н3О+) переносятся восходящим потоком до высоты порядка 90 км и образуют положительно заряженный слой, который является своеобразной «обкладкой конденсатора Земля-ионосфера». Атмосферный электрический ток, который на 4 порядка меньше токов дождя, переносит заряд от этого слоя к Земле.

Рис. 13. Прибор для измерения АЭП и ток дождя, измеренный этим прибором.

Проект предполагает найти экспериментальные доказательства правомерности (или ошибочности) этой идеи. 6. Изучение ночных свечений как эффектов проявления атмосферной электрической активности. Создание, приобретение и установка камер полного неба и других приборов для регистрации свечения атмосферы и отдельных светящихся образований.

Проблема шаровой молнии находится на некотором этапе понимания, более выгодном, чем для некоторых других явлений свечения в атмосфере. Одно из них, которое названо явлением Хессдалена, составило основу специальной конфереции. Хессдален — долина в средней части Норвегии. В долине имеется около 100 домов, длина долины 12 км, максимальная ширина 5 км, по ней протекает небольшая речка; высота гор, окружаю-щих долину, примерно 1000 м над уровнем моря. С1981 г. жители эпизодически наблюдали сильное свечение в темное время суток. Это свечение получило название "явление Хессдалена". Обычно оно бывает вечером, ночью и ранним утром, чаще всего осенью, зимой и ранней весной, т.е. в темные времена.

Наблюдаются три типа странных огней. Первый подобен яркому желтому шару или ядру, он может существовать в течение 1-2 часов, перемещаясь по долине и меняя свое место через 5-10 минут. Второй тип имеет яркий беловато-голубой цвет, временами он мерцает. Обычно он наблюдался над горами. Третий тип включает в себя несколько огней, связанных друг с другом. Огни Хессдалена стали появляться с конца 1981 г. и наблюдались несколько сот раз с 1981-го до 1984 г. Они стали исчезать в 1984 г., и в 1985 г. наблюдалось всего несколько случаев. Сейчас огни Хессдалена появляются редко — в зимний сезон 1993-1994 гг. зафиксировано около 30 событий.

9

В 1983 г. в Норвегии усилиями ученых-энтузиастов был создан "Хессдален-проект", целью которого было изучить это явление с использованием парка современных приборов. Эти приборы включали в себя видеокамеру с сеткой, инфракрасный датчик, спектральный анализатор, сейсмограф, магнитометр, радар, гелий-неоновый лазер, счетчик Гейгера-Мюллера.

Аналогичные исследования ведутся и в других странах. Наиболее активно, например, в Австрии. Там, также как и в Норвегии проводятся международные конференции по «проблеме Хессдалена».

Рис. 14. Свечения на американской станции в Антарктиде. Интерес к светящимся шарам усилился в последнее время, когда обнаружилось,

что перемещения в небе таких шаров сопровождается мощным природным звуком, природа которого так же непонятна, как и природа этих шаров. Странный звук обнаружен и в океане. Особенность его состоит в том, что интенсивность звука не зависит от места его измерения.

Рис. 15. Свечение неба перед землетрясением в Новой Зеландии.

Рис. 16. Светящийся шар над Шанхаем Диффузное свечение ночного неба занимает огромные площади. Изучающим это

явление геофизикам не удалось добраться до его «края».

Автором проекта была предпринята попытка найти объяснение физики шаровой молнии как квантово механического явления, основанного на запутывании водяных комплексов на протонах водородных связей (статью можно прочитать на сайте). Замечу, что именно этот подход лежит в основе объяснения всех рассматриваемых в проекте явлений. Принцип многочастичной квантовой запутанности хорошо известен западным физикам. Он, в частности используется при построении квантового компьютера. Заинтересовать этим явлением российских ученых пока не удалось.