1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Геомагнетизм и аэрономия
  4. T. 63, № 2, 2023

Геомагнетизм и аэрономия, 2023, T. 63, № 2, стр. 227-237

Оценка эффективности использования интегральных суточных характеристик Еs для выделения краткосрочных ионосферных предвестников сильных землетрясений

Л. П. Корсунова 1, *, В. В. Хегай 1, **

1 Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН)
Москва, Троицк, Россия

* E-mail: lpkors@rambler.ru
** E-mail: hegai@izmiran.ru

Поступила в редакцию 23.06.2022
После доработки 15.09.2022
Принята к публикации 22.09.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Исследованы изменения отклонений от реперных значений интегральных суточных характеристик спорадического слоя Е ото дня ко дню в разные сезоны 1987 г., 1996 г., 2003–2004 гг. и 2014 г. Анализ проводился на основе ежечасных измерений японских наземных станций вертикального зондирования ионосферы с целью выявления возможных краткосрочных ионосферных предвестников коровых (поверхностных) землетрясений с магнитудами М ≥ 6.5 в условиях реальных наблюдений. По совпадению максимумов в изменениях рассматриваемых характеристик Еs в одни и те же сутки на парах станций, разнесенных на сотни километров друг от друга, было обнаружено 12 возможных ионосферных предвестников землетрясений (истинные “тревоги”) и 22 ложные “тревоги”, за которыми не последовали землетрясения указанного диапазона в разных сезонах 1987 г., 1996 г., 2003–2004 гг. Определена эффективность выделения возможных краткосрочных ионосферных предвестников сильных землетрясений по выбранной методике на основе оценки Хансена–Койпера (Rscore), которая оказалась равной 0.82 для указанных периодов времени. Сделан вывод, что предложенная методика выявления краткосрочных ионосферных предвестников сильных землетрясений может быть использована в реальных условиях.

1. ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия широко обсуждались вопросы сейсмоионосферного взаимодействия (см. работы [Ondoh, 2000, 2003; Silina et al., 2001; Hobara and Parrot, 2002; Pulinets and Boyarchuk, 2004; Liu et al., 2006; Sharma et al., 2006; Sarkar et al., 2007; Dabas et al., 2007; Корсунова и Хегай, 2008, 2018; Perrone et al., 2010; Xia et al., 2011; Perevalova et al., 2014; Пулинец и др., 2014; Бычков и др., 2017]) и поиска ионосферных предвестников землетрясений (ИПЗ). При этом рассматривались изменения различных ионосферных параметров: критической частоты регулярного слоя F2 (foF2), полного электронного содержания (ПЭС) в ионосфере (иначе Total Electron Content – ТЕС), температуры электронов на высотах слоя F2, предельной частоты отражений и частоты экранирования спорадического слоя Е (foEs, и fbEs соответственно), а также LF-радиосигналы (см., в частности, работу [Saha et al., 2014]). Большинство известных методов исследования изменений вышеперечисленных ионосферных параметров дают достаточно полную информацию о состоянии верхней ионосферы в сейсмоактивные периоды, тогда как сведений о нижней ионосфере значительно меньше. Кроме прямых измерений со спутников, метод наземного вертикального зондирования позволяет получить данные об электронной концентрации как в области F, так и ниже. Это особенно важно с учетом долговременных непрерывных наблюдений на многих наземных станциях вертикального зондирования ионосферы (НСВЗИ) по всему миру. Значительный интерес в этой связи приобретает изучение изменений в ионосфере в периоды подготовки землетрясений в окрестности соответствующих НСВЗИ.

Отклик ионосферы на подготовку землетрясений определяется, как правило, по отклонению тех или иных параметров ионосферы от выбранных фоновых значений. Так, в указанной выше работе [Liu et al., 2006] на основе анализа 184 землетрясений на о-ве Тайвань было показано, что перед коровыми землетрясениями только c магнитудами М ≥ 5.4 и эпицентральными расстояниями R ≤ 150 км до НСВЗИ наблюдались специфические аномалии в ионосфере сейсмогенного происхождения (preearthquake ionospheric anomalies – PEIAs), которые оказались статистически значимыми. Они представляли собой аномальные понижения более чем на 25% величины foF2 от своего фонового значения в дневной период (12:00–18:00 LT) в интервале 1–5 дней до подземного толчка. Кроме того, авторы этой работы установили, что вероятность регистрации PEIA перед подземным толчком увеличивается с магнитудой землетрясения, но уменьшается с увеличением расстояния от эпицентра землетрясения до НСВЗИ. Аналогичные возмущения ионосферы, предшествующие землетрясению (ВИПЗ) и связанные с последующим подземным толчком, т.е. отрицательные сейсмоионосферные аномалии foF2, превышающие стандартное отклонение от фонового уровня, описаны также и в работе [Hobara and Parrot, 2005]. Они были обнаружены за 4 дня до мощного подводного землетрясения с магнитудой M = 8.3 вблизи Японии (Hachinohe earthquake, 16.05.1968 г., географические координаты эпицентра φe = 40.81° N, λe = 143.21° E). Значимые понижения foF2 фиксировались только на ионосферных станциях, расположенных на эпицентральных расстояниях, не превышающих ~1500 км.

Однако, так как часто изменения в foF2 перед землетрясениями составляют примерно 20–25% от фоновых значений и не превышают стандартного отклонения (см., например, работу [Корсунова и Хегай, 2005]), затруднительно всегда однозначно определять их как ИПЗ. Для повышения надежности выделения возможных ИПЗ в работе [Korsunova and Khegai, 2006] было предложено в дополнение к foF2 использовать еще 2 параметра ионосферного спорадического слоя Е (Es): действующую (виртуальную) высоту h'Es и экранирующую частоту обыкновенной волны спорадического E-слоя ионосферы – fbEs. Идентификация ИПЗ согласно предложенной в этой работе методике производилась по следующим морфологическим признакам: появление в период подготовки коровых землетрясений с М ≥ 6.0 (на шестидневном интервале до подземного толчка) аномально высокого слоя Еs (с превышением медианного значения h'Es на более чем 10 км, которое длится 2–3 ч), сопровождающееся увеличением частот fbЕs и foF2 (с превышением на 20% их медианных значений) в течение одних и тех же суток. Для расчета медианных значений ионосферных характеристик в подготовительный период накладывалось дополнительное требование, согласно которому значение суточного планетарного геомагнитного индекса Ap ≤ 20 нТл для всех “реперных” дней.

Дальнейшая апробация этой методики проводилась с использованием данных японских НСВЗИ за 1968–1992 гг. для 18 землетрясений с магнитудами М ≥ 6.5 в работе [Корсунова и Хегай, 2008]. Для всех землетрясений были выделены их возможные ионосферные предвестники (ИПЗ) и показано, что величина аномальных отклонений во всех ионосферных параметрах уменьшается с удалением от эпицентра. Этот же подход был реализован в регионе Италии применительно к массиву менее сильных коровых землетрясений, случившихся за период 1979–2009 гг. (с магнитудами, лежащими в диапазоне 5.5 ≤ M < 6.0) в работе [Perrone et al., 2010]. Для этих коровых землетрясений, эпицентры которых располагались на расстояниях менее 500 км от НСВЗИ ROME, были выделены предполагаемые ИПЗ, за которыми последовали землетрясения. В этой же работе также было показано, что в ряде случаев аналогичные изменения ионосферных параметров наблюдаются и в отсутствие землетрясений (так называемые ложные “тревоги”). Они были немногочисленны, но их количество оказалось сравнимо с количеством истинных ИПЗ.

Для того чтобы в дальнейшем успешно применять предложенную выше методику выделения ИПЗ, необходимо выяснить, насколько она эффективна. В работе [Chen et al., 2004] было предложено несколько способов определения эффективности того или иного метода выделения ИПЗ из экспериментальных ионосферных данных в эпигнозе. При этом составляется соответствующая таблица сопряженности признаков (contingency table) для выбранного интервала наблюдений, и дни распределяются в матрице 2 × 2 согласно своим характеристикам, а затем используется та или иная оценка качества выделения предполагаемых ИПЗ, как если бы на основании их появления был бы сделан прогноз.

Одна из таких оценок, это так называемая оценка Хансена–Койпера (Hanssen–Kuipers Score, True Skill Statistic, Pierce Skill Score, Rscore), которая представляет собой разность между вероятностью обнаружения истинного предвестника землетрясения и вероятностью обнаружения ложного предвестника. Ее величина может принимать значения в диапазоне от –1 до 1, при этом последнее означает стопроцентную вероятность обнаружения истинного предвестника при отсутствии ложных “тревог”. Именно этот метод оценки ранее был использован в работах Korsunova and Hegai [2015] (для Камчатских землетрясений с М = = 4.6–6.0 и эпицентральными расстояниями до соответствующей НСВЗИ PETROPAVLOVSK-KAMCHATSKY Re ≅ 100–400 км в августе 1998 г.; июне–августе 1999 г.; июле 2000 г.; мае–июне и августе–сентябре 2001 г.; апреле–мае 2002, всего 34 землетрясения) и Корсунова и др. [2016] (для Прибайкальских землетрясений с М = 3.5–4.8 и Re ≅ 100–500 км до НСВЗИ IRKUTSK в мае–августе 2008 г.; июне и июле 2009 г.; мае и июле 2010 г.; июле и августе 2011 г., всего 28 землетрясений). В первом случае оказалось, что Rscore = 0.82, а во втором – Rscore = 0.77. Эти результаты были получены в отсутствии сильных геомагнитных возмущений, когда 3-часовой планетарный индекс Кр ≤ 30. Как следует из этих работ, использование ежесуточных изменений трех ионосферных параметров (h'Es, fbEs и foF2) позволяет достаточно надежно выделять возможные ионосферные предвестники даже для землетрясений с М ≤ 6.0, что при использовании только одного параметра foF2 проблематично (см., в частности, работу [Perevalova et al., 2014]).

Однако, в реальных условиях, подготовка землетрясений может происходить при любых геомагнитных условиях. В связи с этим, в работе [Корсунова и Легенька, 2021] была предложена новая методика выделения краткосрочных ионосферных предвестников землетрясений (КИПЗ) по двум новым введенным интегральным суточным параметрам спорадического слоя Е (Еs), для которого на средних широтах нет явной зависимости от геомагнитной активности, как это следует из работы [Чавдаров и др., 1975]. Эта новая методика обнаружения КИПЗ в эпигнозе базируется на вычислении ежесуточных изменений вероятности появления Еs-слоя по сравнению с ее медианным значением (δPEs – суточно-медианная разность вероятностей, которая может быть и отрицательной!) и взвешенных суммарных (интегральных) суточных отклонений от медианных значений обыкновенной компоненты предельной частоты отражений foEs (ΔfEsΣ) на заданном периоде наблюдений. При этом рассматриваются одновременные измерения на двух НСВЗИ, удаленных друг от друга на сотни километров, но входящих в зону подготовки одного и того же землетрясения. Апробация этой методики была проведена на примере ряда землетрясений с М = 6.5–7.4 в Тихоокеанском регионе, для которых ранее в работе Корсунова и Хегай [2018] уже были обнаружены КИПЗ этих землетрясений. Так, в исследовании [Корсунова и Легенька, 2021] было показано, что использование введенных интегральных суточных характеристик Еs также позволяет выделять возможные КИПЗ готовящегося землетрясения, причем время упреждения ими самого землетрясения с точностью до суток совпадает с полученным ранее по ежечасным изменениям трех параметров (h'Es, fbEs и foF2). Следует отметить, что эти результаты были получены при условии отсутствия сильных геомагнитных возмущений и было неясно, насколько предложенная методика может быть эффективна применительно к реальным условиям.

Известно, что отклик ионосферы на изменения сейсмической активности зависит от процессов, происходящих в очаге назревающего землетрясения. Эти процессы, в частности, обусловлены глубиной очага готовящегося землетрясения, с чем связана классификация землетрясений по глубине их гипоцентра (поверхностных, промежуточных и глубокофокусных). Эпицентральная зона землетрясения обычно определяется как проекция очаговой зоны землетрясения на поверхность Земли, в которой наиболее сильно проявляются макросейсмические эффекты землетрясения. Следовательно, размер области подготовки землетрясения на поверхности Земли по крайней мере, не меньше. К тому же оказывается (см. монографию [Апродов, 2000]), что чем глубже расположен очаг землетрясения, тем большую территорию охватывают сейсмические проявления при равной энергии землетрясения. Таким образом, промежуточные землетрясения (глубины гипоцентров от 60 до 300 км) охватывают большие площади, чем поверхностные (глубины гипоцентров до 60 км) при одинаковых магнитудах. Далее, время проявления предвестников землетрясений в электростатическом поле в приземной атмосфере (а значит и связанных с ними возможных аномалий в ионосфере – ИПЗ) для разных глубин гипоцентров землетрясений было рассмотрено в работе [Михайлов, 2007]. Вообще говоря, физика очага землетрясения на различных глубинах гипоцентра является задачей специальных исследований. Эти вопросы, безусловно, очень важны с физической точки зрения, однако в нашей работе они не являются предметом изучения.

Для коровых землетрясений (глубина гипоцентра которых не превосходит 60 км), исследованных ниже, характерным сейсмоионосферным откликом являются специфические изменения электронной концентрации на различных высотах ионосферы над зоной подготовки соответствующего землетрясения на поверхности земли незадолго до толчка. Минимальный радиус этой зоны подготовки землетрясения (ρD), в которой положение эпицентра землетрясения является нулевой точкой отсчета, определялся согласно исследованию Dobrovolsky et al. [1979] и ρD = = 100.43M (км).

Задачами представленного ниже исследования были а) выделение вероятных КИПЗ по методике, подробно описанной в работе [Корсунова и Легенька, 2021] для новой группы сильных землетрясений с М ≥ 6.5, основная часть которых не вошла в исследования Корсунова и Хегай [2018] и [Корсунова и Легенька, 2021], по непрерывным длительным измерениям параметров слоя Еs на парах НСВЗИ, разнесенных на сотни километров друг от друга, но попадающих в зону подготовки одного и того же землетрясения; б) оценка надежности идентификации предполагаемых КИПЗ этих землетрясений в реальных условиях на основе критерия Хансена–Койпера (Rscore).

2. АНАЛИЗ ДАННЫХ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Для решения поставленных задач сначала необходимо было получить длительные ряды ежесуточных измерений параметров слоя Еs при одновременных наблюдениях на парах разнесенных на сотни километров НСВЗИ для выбранных периодов времени. К таким периодам были отнесены зимние и равноденственные месяцы 1987, 1996, 2003, 2004 и 2014 гг., когда было зафиксировано минимальное число появлений землетрясений с магнитудами М ≥ 6.5 (либо их отсутствие). Месяцы с мая по август любого года были исключены из рассмотрения, т. к. из-за частого круглосуточного существования Еs в течение нескольких дней к ним неприменима методика выделения КИПЗ, подробно описанная в работе [Корсунова и Легенька, 2021].

В проведенном ниже анализе использовались данные измерений foЕs, полученные на японских среднеширотных НСВЗИ: WAKKANAI (географические координаты 45.2° N, 141.8° E), AKITA (39.7° N, 140.1° Е), KOKUBUNJI (35.7° N, 139.5° Е) и YAMAGAWA (31.2° N, 130.5° Е), для которых имелись многолетние непрерывные наблюдения ионосферы, доступные для дальнейшей обработки. Так как выделение КИПЗ производится на основе сравнения изменений двух интегральных суточных характеристик Еs-слоя ионосферы (δPEs и ΔfEsΣ) на двух станциях (в соответствии с работой [Корсунова и Легенька, 2021]), то для зафиксированных землетрясений подбирались пары НСВЗИ, когда обе (или хотя бы одна из них) входили бы в зону подготовки того или иного землетрясения. Как уже указано выше, радиус зоны подготовки землетрясения (ρD), в которой положение эпицентра землетрясения является нулевой точкой отсчета, определялся согласно исследованию Dobrovolsky et al. [1979]. Так как выбор нужных пар НСВЗИ обусловлен их взаиморасположением и расстояниями станций относительно эпицентра землетрясения, для разных периодов это были разные пары НСВЗИ. Поэтому для 1987 г. это были пары (AKITA, KOKUBUNJI) и (YAMAGAWA, KOKUBUNJI), для 1996 г. – (KOKUBUNJI, WAKKANAI) и (KOKUBUNJI, YAMAGAWA), для 2003, 2004 и 2014 гг. – (WAKKANAI, KOKUBUNJI). Всего по парам станций было рассмотрено 20 месяцев ионосферных наблюдений в периоды времени, когда землетрясения наблюдались и 6 месяцев, когда землетрясения с М ≥ 6.5 отсутствовали.

Критерием идентификации КИПЗ с использованием интегральных суточных характеристик δPEs и ΔfEsΣ, как следует из работы [Корсунова и Легенька, 2021] является ОДНОВРЕМЕННОЕ наличие локальных максимумов в этих суточных характеристиках перед подземным толчком на двух НСВЗИ (т. е. совпасть по времени должно 4 локальных максимума!), удаленных друг от друга на несколько сотен километров, но попадающих в зону подготовки соответствующего землетрясения. Дополнительное требование, которое было наложено в этом исследовании, состояло в том, чтобы δPEs ≥ 0 в эти же сутки хотя бы на одной из пары станций, т.е. суточно-медианная разность вероятностей появления Es (которая является интегральной суточной характеристикой), должна быть неотрицательной. Следовательно, необходимо было найти ежесуточные изменения этих параметров для всех отобранных месяцев разных лет и соответствующих пар станций.

На первом этапе (см. также работу [Корсунова и Легенька, 2021]) по табличным данным ежечасных измерений foEs вычислялись PEsi = NEsi/ni, где NEsi – число появлений Es в конкретные сутки, ni – число реально проведенных сеансов измерений в эти же сутки, при этом 1 ≤ ni ≤ 24. Для сопоставления данных разных станций, где геофизические условия образования Es могут различаться, вычислялись отклонения реальных PEsiот их медианных значений за пятнадцатидневный период: δPEsi = PEsi – PEsmed для каждого землетрясения.

Алгоритм вычисления отклонений в foEs отличается от описанного выше, т.к. необходимо было исключить зависимость foEs от местного времени при дальнейшем рассмотрении данных разных станций. Поэтому сначала для каждого часа суток (j) находилась медиана распределения fmedEsj для исследуемого периода времени в 15 сут, а затем – отклонения от нее конкретных ежечасных значений: Δj  fEs = foEsj – fomedEsj, при этом индекс j ∈ [0, 23], если для данного часа конкретных суток имеется значение foEsj и fomedEsj. В случае, когда значение foEsj и/или fomedEsj отсутствует для заданного часа суток, ΔjfEs остается неопределенной, и эта разность не учитывалась при определении суммарного (интегрального) взвешенного суточного отклонения. Далее, для каждого дня вычислялись взвешенные суммарные (интегральные) суточные отклонения Δ fEsΣ, по формуле

(1)
$\Delta {\kern 1pt} fE{{s}_{\Sigma }} = {{[{{\Delta }_{1}}fEs + {{\Delta }_{2}}fEs + \ldots + {{\Delta }_{{23}}}fEs]} \mathord{\left/ {\vphantom {{[{{\Delta }_{1}}fEs + {{\Delta }_{2}}fEs + \ldots + {{\Delta }_{{23}}}fEs]} {{{n}_{i}},}}} \right. \kern-0em} {{{n}_{i}},}}$
где ni – число учтенных значений Δj  fEs в каждых конкретных сутках i.

На рисунке 1 приведен пример изменений указанных величин δPEs и ΔfEsΣ на НСВЗИ AKITA и KOKUBUNJI для января 1987 г. Каждая точка на графиках соответствует значению того или иного параметра в конкретные сутки по японскому стандартному времени JST = UT + 9 ч. На верхней панели представлены изменения суточного индекса геомагнитной активности Ар. Сплошная линия со стрелкой внизу у оси времени отмечает день землетрясения (09.01.1987 г.). Вертикальными штриховыми линиями отмечены выделенные “тревоги” в соответствии с критерием идентификации возможного КИПЗ.

Рис. 1.

Изменения интегральных суточных характеристик δРЕs (штрихпунктирные линии, левые оси ординат) и ΔfEsΣ (сплошные линии, правые оси ординат) в январе 1987 г. на НСВЗИ AKITA (средняя панель) и KOKUBUNJI (нижняяя панель). Вертикальными штриховыми линиями отмечены три выявленные “тревоги” (08.01.1987 г. – истинная, а 12.01.1987 г. и 31.01.1987 г. – ложные). Вертикальной сплошной линией со стрелкой на самой нижней оси абсцисс отмечен день землетрясения с М = 6.6, случившегося 09.01.1987 г. На верхней панели приведены значения суточного индекса геомагнитной активности Ар за этот же период времени.

Из рисунка видно, что в изменениях интегральных суточных характеристик Еs наблюдаются множество локальных максимумов, отличающихся по величине и продолжительности. Как уже было сказано выше, критерием идентификации возможного КИПЗ (согласно работе [Корсунова и Хегай, 2018] и дополнительному требованию, чтобы δPEs ≥ 0 в эти же сутки хотя бы на одной из пары станций) является совпадение максимумов указанных характеристик Еs на двух разнесенных на сотни километров НСВЗИ (четыре совпадающих локальных максимума). Этим требованиям соответствуют максимумы δРЕs и ΔfEsΣ на НСВЗИ AKITA и KOKUBUNJI 08.01.1987 г., 12.01.1987 г. и 31.01.1987 (“тревоги”). За первой группой “тревог” последовало землетрясение с М = 6.6 – это верный признак КИПЗ, за второй и третьей группой “тревог” землетрясений не последовало – это ложные “тревоги”. Видно, что первые две группы “тревог” отмечались в спокойных геомагнитных условиях (Ар ≤ 10 нТл), а последняя группа “тревог” наблюдалась, когда уровень геомагнитной активности занимал промежуточное положение между слабой и умеренной возмущенностью (Ар = 18 нТл). Отметим также, что для НСВЗИ WAKKANAI, находящейся вне зоны подготовки землетрясения, возможные КИПЗ не были обнаружены.

Выделенные истинные и ложные “тревоги” для других месяцев 1987 г., 1996 г., 2003–2004 гг. и 2014 г. представлены в табл. 1. Там же приведены даты и географические координаты произошедших землетрясений, их магнитуды М, радиусы зон подготовки землетрясений ρD по Добровольскому [Dobrovolsky et al., 1979 ], названия НСВЗИ, данные которых использовались при анализе, эпицентральные расстояния Re, величины δРЕs и ΔfEsΣ в выделенных максимумах ежесуточных изменений этих параметров (отнесенные к “тревогам”) и значения суточного индекса геомагнитной активности Ар.

Таблица 1.  

Параметры “тревог” и землетрясений

Месяц, год Дата “тревоги” Дата землетрясения Географические координаты эпицентров землетрясения M ρD, км НСВЗИ Re, км Ap, нТл δPEs, % Δ foEsΣ, МГц
Январь 1987 г.   8.01 9.01 39.9° N 141.7° E 6.6 690 AKITA
KOKUB 		140 305  7 33 28 1.2 0.8
12.01 Ложная тревога AKITA
KOKUB 		10 4 –1 0.2 0.1
31.01 Ложная тревога AKITA
KOKUB 		8 65 37 0.6 0.8
Февраль 1987 г. 5.02 6.02 37.0° N 141.1° E 6.8 840 KOKUB AKITA 240 330 4 17 –4 0.8 0.1
11.02 Ложная тревога KOKUB AKITA 7 9 21 0.5 0.6
25.02 Ложная тревога KOKUB
WAKK 		7 21 21 0.8 0.3
Март 1987 г. 17.03 18.03 32.0° N 131.8° E 6.7 760 YAMAG
KOKUB 		150 820 13 7 15 0.1 0.3
27.03 Ложная тревога YAMAG
KOKUB 		26 15 15 0.4 0.8
Апрель 1987 г. 6.04 7.04 37.4° N 141.8° E 6.6 690 KOKUB
AKITA 		280 300 7 6 16 0.4 0.8
10.04 Ложная тревога KOKUB
AKITA 		10 15 8 0.7 0.8
Пропуск “цели” 23.04 37.2° N 141.6° E 6.6 690 KOKUB
AKITA 		250 310 4 – – – –
30.04 Ложная тревога KOKUB
AKITA 		4 17 25 2.2 0.7
Сентябрь 1987 г. 2.09 Ложная тревога       KOKUB
WAKK 		  12  8 23 0.8 1.6
16.09 Ложная тревога KOKUB
WAKK 		19 21 21 0.8 0.3
Октябрь–Декабрь 1987 г. Нет тревог и землетрясений с М ≥ 6.5
Январь 1996 г. 8.01 Ложная тревога       KOKUB
WAKK 		  4 –8 29 0.2 0.7
Февраль 1996 г. 5.02 7.02 45.3° N 149.9° E 7.2 1250 WAKK
KOKUB 		680 1380 6 8 12 0.3 0.4
16.02 17.02 37.4° N 142.4° E 6.7 760 KOKUB
WAKK 		320 900 9 12 21 0.7 0.1
Март 1996 г. 14.03 Ложная тревога       KOKUB
WAKK 		  9 17 21 0.5 0.2
Апрель 1996 г. 25.04 Ложная тревога       KOKUB
WAKK 		  5  0 21 1.3 1.1
Сентябрь 1996 г. 24.09 Ложная тревога       YAMAG
KOKUB 		  8 4 –8 0.2 0.2
Октябрь 1996 г. 17.10 19.10 31.9° N 131.5° E 7.0 1020 YAMAG
KOKUB 		90 850  6 –8 0 0.5 0.3
Ноябрь 1996 г. 7.11 Ложная тревога       YAMAG
KOKUB 		  4 25 17 1.2 0.1
Пропуск “цели” 20.11 34.4° N 141.1° E 6.8 840 YAMAG
KOKUB 		1040 210 10 – –
Декабрь 1996 г. 1.12 2.12 31.8° N 131.3° E 6.9 930 YAMAG
KOKUB 		70 870 3 25 17  0.4 0.8
16.12 Ложная тревога YAMAG
KOKUB 		12 8 11 1.1 1.1
19.12 Ложная тревога YAMAG
KOKUB 		1 0 11 0.5 0.4
Сентябрь 2003 г. 25.09 26.09 41.8° N 143.6° E 6.7 760 WAKK
KOKUB 		430 760 28  4 17 0.4 0.1
9.09 Ложная тревога WAKK
KOKUB 		22 20 17 1.1 0.8
Октябрь 2003 г. 30.10 31.10 37.8° N 142.6° E 7.0 1020 WAKK
KOKUB 		850 360 191 17 9 0.4 0.8
10.10 Ложная тревога WAKK
KOKUB 		2 29 13 0.4 0.4
25.10 Ложная тревога WAKK
KOKUB 		16 21 9 0.8 0.7
Ноябрь 2004 г. 28.11 29.11 43.0° N 145.1° E 7.0  1020 WAKK
KOKUB 		380 940 13 5 8 1.0 0.4
9.11 Ложная тревога WAKK
KOKUB 		119 0 –8 1.2 1.3
Декабрь 2004 г. 5.12 6.12 49.9° N 145.8° E 6.8 840 WAKK
KOKUB 		430 920 9 9 4 0.7 0.2
23.12 Ложная тревога WAKK
KOKUB 		6 25 12 1.3 0.1
31.12 Ложная тревога WAKK
KOKUB 		7 13 0 0.4 0.4
Март 2014 г. 23.03 Ложная тревога       WAKK
KOKUB 		  6 25 12 0.2 0.4
Январь–Февраль, Октябрь–Декабрь 2014 г. Нет тревог и землетрясений с М ≥ 6.5

Как следует из табл. 1, за исследованные периоды времени (исключая 2014 г.) произошло 14 землетрясений с магнитудами М = 6.6–7.2, при этом 12 из них предварялись верными “тревогами”, и только в двух случаях (22.04.1987 г. и 19.11.1996 г.) предупреждения (“тревоги”) не было, т. е. произошли “пропуски целей” – соответствующих землетрясений. За все месяцы указанных лет отмечено 22 ложные “тревоги”. Если учесть, что были проанализированы данные за 20 месяцев, то ложные “тревоги” в среднем отмечаются один раз в месяц.

Проведенный анализ показал, что в некоторых случаях отклонения δРЕs от фоновых медианных значений в выделенных “тревогах” отрицательны (см. табл. 1). Так как выделение “тревог” проводилось на основе совпадения по времени максимумов в изменениях интегральных суточных характеристик δРЕs и Δ fEsΣ, то отрицательные значения δРЕs означают, что в этих случаях эффект, связанный с подготовкой землетрясения, меньше вклада от изменяющегося динамического режима среды, влияющего на образование Еs за исследуемый промежуток времени.

Расчеты для зимних и равноденственных месяцев 2014 г. в отсутствие землетрясений в указанном интервале магнитуд обнаружили лишь одну ложную “тревогу” (см. табл. 1). Тем не менее, в реальных условиях неизвестно, какая именно обнаружена “тревога” (истинная или ложная), поэтому необходимо оценить эффективность использования критерия выделения КИПЗ сильных землетрясений по ежесуточным изменениям использованных δРЕs и Δ fEsΣ – интегральных суточных характеристик Еs.

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Оценка эффективности выделения КИПЗ, использованная в этой работе (оценка Хансена–Койпера), дается выражением

(2)
$Rscore = \left[ {{a \mathord{\left/ {\vphantom {a {(a + c)}}} \right. \kern-0em} {(a + c)}}} \right] - \left[ {{b \mathord{\left/ {\vphantom {b {(b + d)}}} \right. \kern-0em} {(b + d)}}} \right],$
в котором а – число дней с тревогами, за которыми последовали землетрясения (корректный прогноз, “попадание в цель”, землетрясение происходит); b – число дней с тревогами, за которыми не последовали землетрясения (ложные “тревоги”); c – число дней с землетрясениями в отсутствие тревог (пропуск “цели”); d – число дней без тревог и землетрясений.

В нашем исследовании Rscore вычислялось для трех временны́х интервалов наблюдений: 1987 г., 1996 г. и 2003–2004 гг. отдельно. Значения величин a, b, c и d в выражении (2) определялись на основании данных табл. 1. Ниже в табл. 2 приведены значения a, b, c и d и соответствующие им значения Rscore.

Таблица 2.  

Число дней с заданными характеристиками a, b, c и d в рассмотреные периоды наблюдений и величина Rscore

Регион Магнитуды Годы a b с d Rscore
Япония M ≥ 6.5 1987 г. 4 9 1 225 0.76
Япония M ≥ 6.5 1996 г. 4 7 1 231 0.77
Япония M ≥ 6.5 2003–2004 гг. 4 6 0 109 0.94
Япония M ≥ 6.5 За все годы 12 22 2 565 0.82
Камчатка М = 4.6–6.0 1998–2002 гг. 29 9 5 280 0.82
Прибайкалье М = 3.5–4.8 2008–2011 гг. 23 12 5 244 0.77

Примечание: а – число дней с тревогами, за которыми последовали землетрясения (корректный прогноз, “попадание в цель”, землетрясение происходит); b – число дней с тревогами, за которыми не последовали землетрясения (“ложные тревоги”); c – число дней с землетрясениями в отсутствие тревог (пропуск “цели”); d – число дней без тревог и землетрясений.

Из таблицы 2 следует, что значения Rscore изменяются в пределах 0.76–0.94, причем наименьшие значения обусловлены пропуском “цели”, т.е. землетрясением, случившимся на фоне отсутствия КИПЗ по выбранной методике. Значение Rscore = 0.76 можно считать минимальным (пороговым) при оценке эффективности данной методики выделения КИПЗ. В табл. 2 также приведены оценки Rscore для Камчатских землетрясений с М = 4.6–6.0 по ионосферным наблюдениям в летние месяцы 1998–2002 гг. с использованием ежечасных значений параметров h'Es, fbEs и foF2 из работы [Korsunova and Hegai, 2015], а также для Прибайкальских землетрясений вблизи Иркутска с М = 3.5–4.8 по 15-минутным измерениям параметров h'Es, fbEs, foEs и foF2 в летние месяцы 2008–2011 гг. из работы [Корсунова и др., 2016]. В обеих работах получены близкие значения Rscore (см. табл. 2), хотя указанные землетрясения произошли в разные годы и в различных регионах.

И, хотя методика выделения возможных КИПЗ по интегральным суточным характеристикам Еs, отличается от использованной в работе [Korsunova and Hegai, 2015] такое соответствие Rscore свидетельствует о высокой степени эффективности предложенной в работе [Корсунова и Легенька, 2021] новой методики идентификации КИПЗ. Для рассмотренного в этой работе региона Японии (за все годы) с вероятностью ≅80% по этой методике среди всех выделенных тревог могут быть идентифицированы КИПЗ. Преимуществом ее использования является возможность применения в реальных условиях независимо от состояния магнитного поля Земли. Следует отметить, что в основном выделенные нами КИПЗ (11 из 12) наблюдались в геомагнитоспокойных или слабовозмущенных условиях (3 ≤ Ар ≤ 28 нТл) и только один раз во время сильной магнитной бури (Ар = 191 нТл).

Проведенные расчеты показали, что вклад ложных “тревог” в величину Rscore невелик (см. табл. 2), но для предупреждения о сейсмической опасности важно знать, как отличить ложные “тревоги” от истинных КИПЗ. Контролирующим фактором в реальных условиях может быть геомагнитная активность, поэтому был проведен анализ, целью которого было получение ответа на вопрос: “При каком состоянии магнитного поля Земли появление ложных тревог наиболее вероятно?”. Как следует из табл. 1 (до декабря 2004 г. включительно), чаще всего (в 15 случаях из 22) ложные “тревоги” появляются при спокойном геомагнитном поле (Ар ≤ 10 нТл), а значение трехчасового индекса арmax не превышает 22 нТл. Примерно пятая часть ложных тревог отмечена при слабой возмущенности геомагнитного поля (Ар = 16–26 нТл, а арmax = 27–39 нТл) что по классификации работы [Loeve and Prolls, 1997], соответствует слабой магнитной буре. И только в одном случае в ноябре 2004 г. ложная “тревога” отмечена при сильной магнитной буре. Из проведенного анализа следует, что ложные “тревоги”, как и истинные, появляются преимущественно в отсутствие сильных геомагнитных возмущений, т.е. состояние магнитного поля Земли не оказывает существенного влияния на появление “тревог”.

Для обнаружения отличий ложных “тревог” от истинных были проанализированы значения отклонений интегральных суточных характеристик Es в выделенных максимумах δРЕs и ΔfEsΣ, приведенных в табл. 1. Оказалось, что в среднем, абсолютные значения этих величин мало отличаются для ложных и истинных “тревог”. Так, например, средние значения ΔfEsΣ = 0.79 Мгц, δРЕs = 16% для ИПЗ и ΔfEsΣ = 0.85 Мгц, δРЕs = 21% для ложных “тревог”, хотя максимальные значения обеих характеристик Еs в ложных “тревогах” почти в 2 раза превышают значения для ИПЗ. Однако, главное отличие истинных ИПЗ от ложных “тревог” было обнаружено при сравнении величин отклонений δРЕs и ΔfEsΣ в выделенных максимумах на двух НСВЗИ. В случае ИПЗ максимальные значения δРЕs на двух станциях оказались близки между собой: (δРЕs)НСВЗИ-1 – (δРЕs)НСВЗИ-2 ≤ 10% в 10 из 12 случаев, тогда как для ложных “тревог” такая разница отмечена только в половине случаев (11 из 22). При этом разница в максимальных отклонениях ΔfEsΣ на двух станциях (ΔfEsΣ)НСВЗИ-1 – – (ΔfEsΣ)НСВЗИ-2 ≤ 0.3 МГц для ИПЗ только в 4 из 12 случаев, тогда как для ложных “тревог” такая разница отмечена в 14 из 22 случаев. Таким образом можно сделать вывод, что для истинных ИПЗ характерны следующие особенности: близкие значения отклонений δРЕs в выделенных максимумах и существенное различие в ΔfEsΣ на двух разнесенных НСВЗИ, причем, величина ΔfEsΣ больше на станции, расположенной ближе к эпицентру землетрясения (см. табл. 1).

Основываясь на отмеченных специфических особенностях истинных ИПЗ, определим вероятность появления таких же особенностей среди “тревог” ложных. Из табл. 1 следует, что для ложных “тревог” только в 5 случаях из 22 в выделенных максимумах на двух станциях отмечались близкие значения δРЕs и существенно различные значения ΔfEsΣ. Это означает, что вероятность ошибки идентификации КИПЗ среди выделенных “тревог” с учетом его специфических свойств составляет примерно 23%. Таким образом, найдено дополнительное условие распознавания возможного КИПЗ с М = 6.6–7.2 по данным двух НСВЗИ, разнесенных на сотни километров друг от друга: близкие значения δРЕs (разность для двух станциях ≤10%) и существенно различные значения ΔfEsΣ (разность для двух станциях >0.3 МГц) для выделенной “тревоги” дают дополнительные основания сделать вывод, что это “тревога” является истинным ИПЗ.

4. ВЫВОДЫ

1. На основании анализа временны́х изменений впервые введенных в работе [Корсунова и Легенька, 2021] интегральных суточных характеристик ионосферного слоя Еs (δРЕs и ΔfEsΣ) по непрерывным наблюдениям ряда японских НСВЗИ в зимние и равноденственные месяцы 1987 г., 1996 г., 2003–2004 гг. выявлены 34 случая (“тревоги”), соответствующих критериям идентификации краткосрочного ионосферного предвестника землетрясений (КИПЗ) с магнитудами М ≥ 6.5. Их них в 12 случаях за тревогами последовали землетрясения, а в 22 случаях “тревоги” оказались ложными. Показано, что предложенный ранее в работе [Корсунова и Легенька, 2021] критерий идентификации КИПЗ является необходимым, но не достаточным условием выявления ионосферного предвестника землетрясения. Поэтому следует проводить дополнительный анализ выявленной “тревоги” на наличие специфических свойств, указанных в этом исследовании, присущих истинному КИПЗ.

2. В результате выполненного исследования получена количественная оценка эффективности предложенной методики идентификации возможных КИПЗ сильных землетрясений в реальных условиях – Rscore (оценка Хансена–Койпера), а также оценена погрешность их обнаружения, обусловленная появлением ложных “тревог”. Показано, что появление “тревог” не связано с изменением состояния магнитного поля Земли. Согласно проведенному анализу:

а) эффективность (численное значение Rscore) выявления КИПЗ землетрясений с магнитудами М = 6.6–7.2 по интегральным суточным характеристикам Еs на двух разнесенных на сотни километров НСВЗИ, различна для разных периодов времени и Rscore = 0.76–0.94, таким образом минимальным (пороговым) значением Rscore можно считать величину 0.76, которая представляет собой РАЗНОСТЬ между вероятностью обнаружения истинного предвестника землетрясения и вероятностью обнаружения ложного предвестника землетрясения.

б) истинные “тревоги” (КИПЗ) характеризуются тем, что в них максимумы отклонений δРЕs от реперных значений на двух станциях близки между собой, тогда как максимумы отклонений ΔfEsΣ существенно отличаются друг от друга. Для ложных “тревог” такая закономерность отмечена лишь примерно в 23% случаев.

в) ложные “тревоги” появляются в среднем 1 раз в месяц в годы, когда были зафиксированы сильные землетрясения. За 6 мес. 2014 г. в отсутствие землетрясений с М ≥ 6.5 была отмечена всего одна ложная “тревога”.

Список литературы

  1. – Апродов В.А. Зоны землетрясений. М.: Мысль, 461 с. 2000.

  2. – Бычков В.В., Корсунова Л.П., Смирнов С.Э., Хегай В.В. Аномалии в ионосфере и электричестве приземного слоя атмосферы перед Камчатским землетрясением 30.01.2016 г. по данным обсерватории “ПАРАТУНКА” // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 57. № 4. С. 532–540. 2017.

  3. – Корсунова Л.П., Легенька А.Д. Обнаружение возможных краткосрочных ионосферных предвестников сильных землетрясений по изменениям ежесуточных характеристик Es // Геомагнетизм и аэрономия Т. 61. № 6. С. 803–811. 2021. https://doi.org/10.31857/S0016794021050060

  4. – Корсунова Л.П., Хегай В.В. Сейсмо-ионосферные эффекты сильных коровых землетрясений в Тихоокеанском регионе // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 45. № 5. С. 706–711. 2005.

  5. – Корсунова Л.П., Хегай В.В. Анализ сейсмоионосферных возмущений на цепочке японских станций вертикального зондирования ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 48. № 3. С. 407–415. 2008.

  6. – Корсунова Л.П., Хегай В.В. Возможные краткосрочные предвестники сильных коровых землетрясений в Японии по данным наземных станций вертикального зондирования ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 58. № 1. С. 94–101. 2018.

  7. – Корсунова Л.П., Чистякова Л.В., Хегай В.В. Изменения в ионосфере перед слабыми землетрясениями в регионе Иркутска // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 56. № 4. С. 525–534. 2016. https://doi.org/10.7868/S0016794016040088

  8. – Михайлов Ю.М. О свойствах предвестников землетрясений в электростатическом поле в приземной атмосфере // Физика Земли. № 4. С. 76–80. 2007.

  9. – Пулинец С.А., Узунов Д.П., Давиденко Д.В., Дудкин С.А., Цадиковский Е.И. Прогноз землетрясений возможен?! М.: Тровант, 144 с. 2014.

  10. – Чавдаров С.С., Часовитин Ю.К., Чернышева С.П., Шефтель В.М. Среднеширотный спорадический слой Е ионосферы. М.: Наука, 120 с. 1975.

  11. – Chen Y.-I., Liu J.-Y., Tsai Y.-B., Chen C.-S. Statistical tests for pre-earthquake ionospheric anomaly // Terr. Atmos. Ocean. Sci. J. V. 15. № 3. P. 385–396. 2004.

  12. – Dabas R.S., Das R.M., Sharma K., Pillai K.G.M. Ionospheric precursors observed over low latitudes during some of the recent major earthquakes //J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 69. P. 1813–1824. 2007.

  13. – Dobrovolsky I. P., Zubkov S. I., Miachkin V. I. Estimation of the size of earthquake preparation zones // Pure Appl. Geophys. V. 117. Iss. 5. P. 1025–1044. 1979.

  14. – Hobara Y., Parrot M. Ionospheric perturbation in association with seismic activity. A statistical study // XXVIIth General Assembly of the International Union of Radio Science. Commission E URSI GA 2002 – Oral and Poster Sessions. EGH P.10 (570). Maastricht, the Netherlands, 17–24 August 2002. www.ursi.org/Proceedings/ProcGA02/ papers/p0570.pdf

  15. – Hobara Y., Parrot M. Ionospheric perturbations linked to a very powerful seismic event // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 67. Iss. 7. P. 677–685. 2005. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2005.02.006

  16. – Korsunova L.P., Khegai V.V. Medium-term ionospheric precursors to strong earthquakes // Int. J. Geomagn. Aeron. V. 6. Iss. 3. GI3005. 2006. https://doi.org/10.1029/2005GI000122

  17. – Korsunova L.P., Hegai V.V. Effectiveness criteria for methods of identifying ionospheric earthquake precursors by parameters of a sporadic E-layer and regular F2-layer // J. Astronomy and Space Sciences. V. 32. № 2. P. 137–140. 2015. https://doi.org/10.5140/JASS.2015.32.2.137

  18. – Liu J.Y., Chen Y.I., Chuo Y.J., Chen C.S. A statistical investigation of pre-earthquake ionospheric anomaly // J. Geophys. Res. V. 111. A05304. 2006. https://doi.org/10.1029/2005JA011333

  19. – Loewe C.A., Prolss G.W. Classification and mean behavior of magnetic storms // J. Geophys. Res. V. 102. Iss. A7. P. 14 209–142 013. 1997. https://doi.org/10.1029/96JA04020

  20. – Ondoh T. Seismo-ionospheric phenomena // Adv. Space Res. V. 26. Iss. 8. P. 1267–1272. 2000.

  21. – Ondoh T. Anomalous sporadic-E layers observed before M7.2 Hyogo-ken Nanbu earthquake; Terrestrial gas emanation model // Adv. Polar Upper Atmos. Res. № 17. P. 96–108. 2003.

  22. – Perevalova N.P., Sankov V.A., Astafyeva E.I., Zhupityaeva A.S. Threshold magnitude for ionospheric TEC response to earthquakes // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 108. P. 77–90. 2014. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2013.12.014

  23. – Perrone L., Korsunova L.P., Mikhailov A.V. Ionospheric precursors for crustal earthquakes in Italy // Ann. Geophysicae. V. 28. № 4. P. 941–950. 2010.

  24. – Pulinets S.A., Boyarchuk K.A. Ionospheric precursors of earthquakes. Berlin: Springer, 315 p. 2004.

  25. – Saha A., Guha A., Kumar B., De B.K., Roy R., Choudhury A., Banik B., Dhar P., Chakraborty M. Precursory signature of several major earthquakes studied using 40 kHz low frequency signal // Adv. in Space Res. V. 54. Iss. 4. P. 617–627. 2014. https://doi.org/10.1016/j.asr.2014.04.024

  26. – Sarkar S., Gwal A.K., Parrot M. Ionospheric variations observed by the DEMETER satellite in the mid-latitude region during strong earthquakes // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 69. № 13. P. 1524–1540. 2007.

  27. – Sharma D.K., Israil M., Chand R., Rai J., Subrahmanya P., Garg S.C. Signature of seismic activities in the F2 region ionospheric electron temperature // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 68. P. 691–696. 2006.

  28. – Silina A.S., Liperovskaya E.V., Liperovsky V.A., Meister C.V. Ionospheric phenomena before strong earthquakes // Nat. Hazards Earth Syst. Sci. V. 1. № 3. P. 113–118. 2001.

  29. – Xia C., Yang S., Xu G., Zhao B., Yu T. Ionospheric anomalies observed by GPS TEC prior to the Qinghai Tibet region earthquakes // Terr. Atmos. Ocean. Sci. V. 22. № 2. P. 177–185. 2011. https://doi.org/10.3319/TAO.2010.08.13.01(TibXS)

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Геомагнетизм и аэрономия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал