The loading effect of the atmosphere to the hydrosphere

详细

When processing satellite data of total electron content on the route between GLONASS, GPS satellites and ground receiving stations located in the Primorsky Territory of Russia, disturbances of the electronic layer with periods ranging from 5 minutes to 45 minutes caused by natural fluctuations in the atmospheric region were identified. The isolated vibrations affecting the sea surface cause fluctuations in the aquatic environment with periods ranging from 5 minutes to 40 minutes.

全文:

Исследование взаимодействия геосферных полей различных частотных диапазонов было крайне актуальным и остаётся таким же актуальным в настоящее время. Это связано не только с определением первоисточников данных полей, но, что более важно, с изучением физики их возникновения и развития. Но на первом этапе изучения данного взаимодействия важно определить первоисточник процессов, колебаний и волн. Подобные исследования проводились, результаты которых опубликованы в различных статьях, а в качестве характерных примеров можно привести работы [1, 2], в которых утверждается, что колебания в атмосфере вызвали в земной коре колебания на соответствующих частотах, а в воде – колебания водных слоёв, которые на первоначальном этапе были отождествлены с внутренними шельфовыми волнами. Но ещё более интересные результаты были получены при объяснении колебаний, зарегистрированных различными морскими станциями, расположенными в Тихом океане, после взрыва вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай. В некоторых опубликованных статьях утверждалось, что зарегистрированные изменения уровня моря вызваны волнами цунами двух типов, сгенерированных взрывом данного вулкана [3]. Первые – волны цунами, вызванные собственными колебаниями атмосферы в месте расположения уровнемерной станции, которые были возбуждены проходящим импульсом взрыва, а вторые волны – волны цунами, возникшие в воде в результате взрыва. Если первые волны цунами, т.е. метеоцунами, объективно были, то вторых не было. Это следует из того, что: 1) скорость распространения возмущения от места взрыва до места регистрации примерно равна скорости звука в воздухе, а других возмущений на записях уровнемерных станций не было [4]; 2) спектральные компоненты на каждой уровнемерной станции были различными, и, по-видимому, соответствовали спектральным компонентам собственных колебаний атмосферных слоёв в месте расположения станций [4].

В данной работе ставится задача по определению первоисточников колебаний, которые были зарегистрированы некоторыми уровнемерными станциями, приведёнными в работе [4], на основе анализа совершенно других экспериментальных данных, полученных при спутниковом мониторинге. В качестве исходных экспериментальных данных будем использовать данные по изменению полного электронного содержания, т.е. интегральной электронной концентрации, характеризующей количество свободных электронов во всей толще ионосферы на трассе между спутником и наземной приёмной станцией, высота максимальной ионизации в день извержения составила примерно 300 км от поверхности Земли.

Также следует отметить, что незадолго до извержения вулкана началась умеренная геомагнитная буря, вызвавшая возмущения в ионосфере Земли. Наличие бури было установлено с помощью геомагнитного индекса Kp, определяемого по станциям в средних широтах и характеризующего геомагнитную обстановку на планете [5].

При анализе мы использовали данные Глобальных навигационных спутниковых систем, полученных с помощью спутниковых систем ГЛОНАСС (24 спутника на высотах 18840–19440 км) и GPS (32 спутника на высоте около 20150 км) по следующим наземным ГНСС-станциям, расположенным в Приморском крае: ARSN, BKM2, DLNG, IMAN, KALV, LESO, NKHD, NOVP, SHUL, SLAV, VLAD, VLDV, ZAPV (рис. 1). Часть используемых станций входит в комплексную геодинамических сеть ДВО РАН [6]. Частота дискретизации ГНСС-данных равна 0.033(3) Гц. Определение величины полного электронного содержания выполнялось по методу, описанному работах [7, 8], точность определения ПЭС составляет по фазовым измерениям составляет около 0.01–0.02 TECU [9].

Рис. 1. Расположение ГНСС-станций в Приморском крае. ARSN – с. Старосысоевка, BKM2 – г. Большой Камень, DLNG – г. Дальнегорск, IMAN – г. Дальнереченск, KALV – пгт Кавалерово, LESO – г. Лесозаводск, NKHD – г. Находка, NOVP – с. Новопокровка, SHUL – м. Шульца, SLAV – пгт Славянка, VLAD – г. Владивосток, VLDV – о. Русский, ZAPV – с. Заповедный.

Все спутники двигались по траекториям, проекции на Землю которых проходили через несколько территорий и акваторий. При этом приёмными ГНСС-станциями, расположенными в Приморском крае, регистрировалось полное электронное содержание слоя, расположенного в ионосфере. Учитывая то, что высоты расположения спутников над поверхностью Земли в 60–80 раз больше высот расположения этого слоя, то можно считать, что полученные данные по треку спутник-приёмная ГНСС-станция будут соответствовать ионосферным данным конкретных территорий, над которыми прорисованы эти треки. На рис. 2 приведён трек ГНСС-станция-спутник VLAD-G26. На треках приведены: положение соответствующих ГНСС-станций, время получения отчета (ч.дч. UTC), цветовая шкала, показывающая вариации полного электронного содержания.

Рис. 2. Трек станция-спутник VLAD-G26. На треке приведены: положение соответствующих станций, время получения отчета (ч.дч. UTC), цветовая шкала, показывающая вариации полного электронного содержания.

По данному рисунку можно сказать об интенсивности полного электронного содержания в ионосфере над конкретной точкой земной поверхности. На рис. 3 а приведён участок записи полного электронного содержания в ионосфере, полученный на станции BKM2 при прохождении спутника в поле видимости данной станции, а на рис. 3 б – его спектр, полученный периодограммным методом с усреднением 2. Из спектра можно выделить мощные максимумы на частотах, соответствующих периодам 39 мин 23.1 с, 29 мин 26.7 с, 17 мин 39.3 с, 14 мин 37.7 с, 11 мин 22.7 с. Эти данные относятся ко всему обработанному ряду.

Рис. 3. Изменение полного электронного содержания при прохождении спутника G31 (а), зарегистрированное наземной станцией BKM2, и его спектр (б).

Далее нас интересуют те отрезки записей, которые совпадают с расположением некоторых уровнемерных станций, описанных в работе [4] и приведённых на рис. 4 (станций с номерами 8–15), т.е. тех станций, вблизи которых проходят треки спутник-ГНСС-станция. Основные результаты получены по ионосферным возмущениям, находящимся над/вблизи уровнемерными станциями 13–15. По ионосферным возмущениям есть данные над/вблизи уровнемерных станций 9, 10, 12, но в меньшем количестве. И мало данных по ионосферным возмущениям, полученным по уровнемерным станциям 8, 11. По другим уровнемерным станциям данных нет, так как они находятся за пределами регистрационных возможностей приёмных ГНСС-станций, расположенных в Приморском крае (рис. 1).

Рис. 4. 1–12 – Станции, расположенные в Тихом океане. Красными кружками показано положение уровнемерных станций, желтым кружком – положение вулкана.

Поученные экспериментальные данные по трекам спутник-ГНСС-приёмник были разделены на временные промежутки, центр которых находился наиболее близко к уровнемерным станциям, приведённым на рис. 4. Таким образом, для каждой уровнемерной станции были выбраны конкретные участки экспериментальных данных. Далее выделенные отрезки были обработаны периодограммным методом, а также методом максимального правдоподобия с числом гармоник 60 [10]. Такое значение числа гармоник было выбрано из-за того, что длительность обрабатываемых участков наблюдения составляла, в основном, 128 точек, т.е. даже при спектральной обработке методом быстрого преобразования Фурье число спектральных компонент (гармоник) будет равно 64.

Мы считаем, что колебания водной поверхности, зарегистрированные при прохождении в атмосфере импульса взрыва [4], вызваны возбуждёнными собственными колебания атмосферной области в зоне расположения данной уровнемерной станции. В настоящей статье мы предполагаем, что периоды колебаний слоя электронов в ионосфере, находящегося над местом расположения уровнемерной станции, близки к периодам колебаний, зарегистрированных уровнемерными станциями, приведёнными в работе [4]. Для последующего анализа мы приведём в таблице 1 экспериментальные результаты (зарегистрированные периоды колебаний) рассматриваемых уровнемерных станций, опубликованных в статье [4].

В таблице 2 приведены периоды максимумов, выделенные при обработке участков данных интенсивности полного электронного содержания в ионосфере над конкретной (или вблизи) конкретной уровнемерной морской станции.

При сравнении данных, приведённых в таблицах 1 и 2 следует, что периоды максимумов, выделенных из записей уровнемерных станций при прохождении атмосферного импульса взрыва, близки к периодам максимумов, выделенных из записей интенсивности полного электронного содержания областей ионосферы, расположенных над зоной расположения конкретной уровнемерной станции. Это даёт основание утверждать, что первоисточник этих колебаний один и тот же и обусловлен собственными колебаниями конкретных областей Атмосферы.

Таблица 1. Уровнемерные станции

Номер Станции	Название	Периоды Фон [4]	Периоды Сигнал [4]
8	Chichijima	20 мин 28.0 с 16 мин 30.3 с 13 мин 49.7 с	20 мин 28.0 с 15 мин 02.9 с 12 мин 47.5 с
9	Mera	6 мин 09.9 с 5 мин 19.8 с 22 мин 14.7с	22 мин 14.7 с 6 мин 05.5 с 6 мин 38.7 с
10	Tosashimizu	20 мин 28.0 с 39 мин 21.4 с	20 мин 28.0 с 24 мин 21.8 с 42 мин 38.2 с
11	Naha	26 мин 55.7 с	24 мин 21.8 с 10 мин 26.5 с 22 мин 14.7 с 25 мин 34.9 с 19 мин 40.7 с
12	Aburatsu	26 мин 55.7 с 17 мин 38.6 с 11 мин 37.7 с	22 мин 14.7 с 10 мин 26.5 с 9 мин 18.2 с
13	Preobrazheniye	31мин 58.7 с 15 мин 59.3 с	30 мин 05.8 с 9 мин 28.5 с 15 мин 59.3 с
14	Pos’et	31 мин 58.7 с 17 мин 38.6 с 10 мин 53.2 с	30 мин 05.8 с 17 мин 38.6 с 11 мин 22.2 с
15	Vladivostok	39 мин 21.4 с 31 мин 58.7 с	31 мин 58.7 с

Таблица 2. Периоды максимумов, выделенные при обработке участков данных интенсивности полного электронного содержания в ионосфере

Номер морской станции	Наземная станция ARSN – спутник	Наземная станция BKM2 – спутник	Наземная станция KALV – спутник	Наземная станция SLAV – спутник	Наземная станция VLAD – спутник	Наземная станция SHUL – спутник	Наземная станция ZAPV – спутник	Наземная станция IMAN – спутник
8			05:39-06:43 R21 14:03.2 18:17.7
9	07:04-08:09 G31 06:42.4	07:18-08:22 G31 07:58.2	06:43-7:47 R21 22:03.1 05:59.6	06:39-08:48 R11 22:47.4 21:46.9	05:40-09:57 G26 21:36.3	09:38-10:44 G16 21:57.7	05:36-10:17 R21 22:01.5 06:40-08:49 R21 04:50.8 22:11-23:16 R21 22:23.5 06:31-09:54 G26 22:49.3
10	7:00-8:05 R12 19:57.7 07:04-08:09 G31 41:23.4 20:15.9 07:04-08:09 G31 20:15.9	10:51-11:56 R12 19:06.2 05:36-06:40 G27 39:56.6 06:34-07:39 G27 44:22.5 04:18-05:23 G16 44:22.5		07:00-11:34 R22 42:43.0 06:40-07:45 R21 24:42.5 06:39-08:48 R11 41:39.6	05:40-06:45 R21 20:29.9 08:03-11:54 R12 38:36.6 05:32-07:41 G31 19:41.4 05:45-12:14 G27 43:11.5 21:24.7		06:40-08:49 R21 43:21.2 03:31-04:37 G26 41:56.0 19:02.1 03:47-08:04 G26 19:09.6	08:06-11:48 R12 42:38.2 06:06-11:48 R12 42:14.6 05:52-06:57 G27 19:50.2
11		05:36-06:40 G27 19:08.9
12		05:36-06:40 G27 11:53.5с			05:45-06:50 G27 22:21.6 10:17.5		03:31-04:37 G26 21:59.5
13	09:09-10:13 R22 09:09.3 07:07-09:15 R21 09:28.0 08:20-11:31 R12 30:45.8 06:07-07:13 G27 09:09.3 07:00-09:09 G26 16:15.6 09:00-10:05 G08 09:04.0	07:51-08:56 R12 29:55.9	05:46-06:51 G16 15:20.8 10:03-11:08 G16 30:51.3	06:40-07:45 R21 09:43.0 05:36-10:20 R21 31:44.9 07:38-08:44 G16 16:12.1	07:26-08:24 R22 09:14.4 15:23.5 05:40-06:45 R21 15:35.2 09:13.8 05:39-10:14 R21 30:54.1 22:15-23:42 R21 15:56.6 05:32-07:41 G31 15:36.1 06:33-08:42 G16 09:46.1 10:20-11:26 G16 09:45.9	04:32-05:37 G26 09:09.6 15:19.0 05:32-06:37 G26 09:01.0 06:42-07:47 G16 09:04.7	22:11-23:16 R21 15:58.5 06:49-07:54 R11 09:09.0 05:43-07:51 G16 30:35.4 09:03.6 09:49.5	07:36-11:59 R22 31:46.7 05:52-12:18 G27 30:26.3 11:37-13:46 G08 09:54.0
14	06:03-07:07 R21 17:05:0 08:20-10:29 R12 18:00.4 08:20-11:31 R12 30:45.8 07:08-08:13 G08 16:51.0 08:00-09:05 G08 30.09.4	09:56-11:00 R22 17:50.8 09:52-10:56 R22 17:27.4 07:51-10:00 R12 17:53.2 04:32-06:41 G31 10:50.4 06:34-07:39 G27 17:11.6 11:23.0 05:35-12:18 G27 17:21.3 11:49.7 06:31-07:37 G26 17:40.1 10:26.0 06:12-07:17 G16 11:07.3	05:46-06:51 G16 10:35.1 06:46-07:51 G16 17:25.1	05:36-10:20 R21 31:44.9 03:32-04:37 G26 10:41.9 04:32-05:37 G26 11:00.9	07:26-11:44 R22 11:02.1 06:44-07:49 R21 11:05.9 22:15-23:20 R21 11:32.4 08:03-10:12 R12 17:07.6 11:55.0 06:45-08:54 G27 11:36.1 05:45-12:14 G27 18:02.8 05:40-09:57 G26 17:04.5 10:20-11:26 G16 17:54.4	03:32-04:35 G26 10:44.0	04:32-06:41 G26 17:01.2 05:43-07:51 G16 30:35.4 11:13.9	07:36-11:59 R22 17:02.0 05:52-12:18 G27 30:26.3 06:57-08:01 G08 17:36.6
15	08:20-09:25 R12 39:44.7 29:35.9 08:20-10:29 R12 41:29.9 08:20-11:31 R12 40:44.4 06:48-11:05 G16 40:01.1 32:32.0 08:20-09:25 R12 29:35.9	07:51-10:00 R12 40:02.6 05:12-06:17 G16 39:38.8 10:56.4	05:46-06:51 G16 39:33.0	06:39-07:44 G16 30:51.3 31:28.6		05:41-06:47 G16 29:39.2	05:43-07:51 G16 30:35.4	06:24-08:33 G27 31:31.4 08:56-10:01 G08 31:59.1

Источники финансирования

Работа выполнена в рамках выполнения темы государственного задания (№ АААА-А20-120021990003-3) “Изучение фундаментальных основ возникновения, развития, трансформации и взаимодействия гидроакустических, гидрофизических и геофизических полей Мирового океана” и при финансовой поддержке ФНТП “Обоснование системы климатического мониторинга дальневосточных морей и разработка методов мониторинга экстремальных погодно-климатических явлений, связанных с океаном, на основе стационарных и мобильных измерительных комплексов, а также мультисенсорного спутникового зондирования”.