ИНФРАЗВУК В АТМОСФЕРЕ И ЕГО СВЯЗЬ С КОСМИЧЕСКИМИ И ГЕОСФЕРНЫМИ ПРОЦЕССАМИ

Сорока С.А, Калита Б.И., Мезенцев В.П., Каратаева Л.М.

Львовский центр Института космических исследований НАНУ-НКАУ (ЛЦ ИКИ)

Инфразвуковые колебания в атмосфере Земли являются результатом действия многочисленных геосферных процессов и процессов в ближнем космосе. Действие энергии космического происхождения на земные процессы обычно связывают с электромагнитными излучениями и корпускулярными потоками Солнца. Взаимодействие электромагнитного излучения с неоднородностями прозрачности атмосферы может приводить к генерации акустических колебаний в широком диапазоне частот. Важно отметить, что неоднородности прозрачности атмосферы в значительной степени определяются солнечной активностью (СА). Следует ожидать, что в спектре инфразвуковых колебаний атмосферы (ИКА) должна проявляться ритмика СА. Широко известная связь СА с биосферными процессами может осуществляться через акустический канал [1,2,3].

ИКА связаны также с сейсмической активностью. Причем в этом случае можно рассматривать две ситуации. ИКА могут быть, как внешним воздействием на подготовительные процессы, так и их результатом.

Известно, что интенсивность сейсмических процессов связана с СА. Эта связь была обнаружена при анализе глобальной сейсмичности на Земле и 11-летних циклов СА. Считается, что эта связь осуществляется через циклоническую активность в атмосфере. Однако можно предположить, что СА влияет на интенсивность инфразвуковых волн в атмосфере, которые, в свою очередь, воздействуют на сейсмические процессы. Таким образом, Солнце, межпланетная среда, атмосфера и литосфера представляют собой единую систему, в которой существенную роль в процессах взаимодействия геосфер играют инфразвуковые волны.

В ЛЦ ИКИ проводятся работы в трех направлениях:

	исследование влияния СА на инфразвуковые колебания в атмосфере Земли;
	исследование связи сейсмической активности с инфразвуком в атмосфере;
	исследование влияния искусственных акустических возмущений на систему атмосфера-ионосфера.

Целью работ по первому направлению был поиск в спектре атмосферного инфразвука ритмики СА. В результате анализа спектра инфразвука за период 1997-2000г обнаружены годовые, сезонные, 27 суточные и суточные периоды колебаний. Подтверждена гипотеза о возрастании энергии инфразвука при уменьшении СА. Предложена схема механизма влияния СА на ИКА.

В рамках второго направления проведены исследования изменений инфразвука до и после крупных землетрясений. Если предположить, что подготовка крупного землетрясения сопровождается небольшими изменениями сейсмической активности на большой территории, то эти изменения не будут заметны при сейсмических измерениях в одной точке. В ИКА могут наблюдаться большие изменения вследствие их интегрального характера и зависимости от многих факторов, сопровождающих подготовку землетрясения на больших территориях. В результате проведенных исследований обнаружены характерные изменения спектра и фазовых диаграмм инфразвуковых колебаний в атмосфере перед крупными землетрясениями.

По третьему направлению проведены многочисленные эксперименты по наблюдению электромагнитных откликов на акустические возмущения в атмосфере [4]. В результате использования мобильного акустического излучателя открыт эффект усиления акустических возмущений в атмосфере [5]. Экспериментально доказана связь инфразвука с геомагнитными вариациями.

ИНФРАЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ В АТМОСФЕРЕ И СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ

Можно выделить несколько источников энергии космического происхождения, порождающих акустические колебания в атмосфере Земли. Это гравитационное воздействие Луны и Солнца, падения метеоров и т.п. Исследовалась только связь ИКА с СА.

Исходя из этого факта, что максимальные значения амплитуд инфразвука наблюдались в моменты снижения СА, была выдвинута гипотеза, что уровень инфразвука в атмосфере зависит от галактических космических лучей (ГКЛ). 

На рис.1 показаны изменения годовой энергии инфразвука и СА за период с 1997 по 2000гг. Максимальная годовая энергия инфразвука наблюдалась в 1997г, когда СА была в минимуме. Аналогичное наблюдалось и при кратковременных (5-10суток) изменениях СА. Измерения инфразвука проводились в Западном региональном центре специального контроля НКАУ в точке с координатами 48˚41΄N, 26˚30΄Е.

Сценарий связи СА с инфразвуком в атмосфере сводится к следующей схеме (рис.2). Изменения СА приводят к модуляции ГКЛ. Модулированный поток ГКЛ при взаимодействии с нижней атмосферой изменяет ее прозрачность путем образования аэрозолей и вариаций малых составляющих атмосферы (NO_x, H₂O, O₃ и др.). Изменения оптической прозрачности приводят к пространственным вариациям поглощения солнечной энергии в атмосфере. Вследствие этого в различных зонах атмосферы образуются температурные градиенты и тепловые неустойчивости, порождающие ИКА. Образовавшийся инфразвук может влиять на флуктуации интенсивности взаимодействия космических лучей с атмосферными аэрозолями. 

На рис.2 это отображено введением обратной связи. Инфразвуковые колебания могут усилить модуляцию прозрачности и эффект оптико-акустического преобразования в атмосфере.

Согласно предложенной схемы генерации инфразвука в его спектре должно проявляться солнечное действие. 

На рис.3 показана спектральная плотность СА и инфразвука. Использованы данные за период 1997-2000гг. Реализации записей инфразвука центрированы и сглажены. Для оценки СА использовался индекс F10.7. Спектральные плотности инфразвука и СА хорошо согласованы в диапазоне периодов 24-35 суток. На более высоких частотах на ИКА наверно оказывает влияние сейсмическая активность. Хорошо выделяются суточный и полусуточный периоды в инфразвуковых колебаниях. 

На рис.4а,б показаны графики спектральных плотностей часовых сумм модулей инфразвука за период ~2 месяцев. В “спокойные” периоды проявляются только две гармоники (рис4а). В межсезонный период при наличии в атмосфере возмущений появляются дополнительные гармоники (рис.4б).

Таким образом, спектральный анализ инфразвука показал наличие связи его с СА. Можно предположить, что влияние СА на биосферу может осуществляться через акустический канал. Экспериментальные исследования [2] показали наличие влияния инфразвука на электропроводность и вязкость растворов. Обнаружено влияние инфразвука на капиллярные процессы.

СВЯЗЬ СЕЙСМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ С ИНФРАЗВУКОМ В АТМОСФЕРЕ

Вторым фактором, оказывающим значительное влияние на ИКА, является сейсмическая активность. Влияние сейсмической активности на ИКА является очень сложным процессом и не сводится только к поршневому излучению колеблющихся литосферных плит. Здесь необходимо учитывать разнообразные физико-химические процессы, как в литосфере, так и в атмосфере. ИКА могут порождаться газовыми выделениями из трещин литосферы при возрастании сейсмической активности, колебаниями литосферных плит, аэрозольными неоднородностями в атмосфере.

ИКА могут создавать на поверхности Земли знакопеременные напряжения и проникать на значительные глубины в литосферу. Проникая в литосферу инфразвуковые колебания, влияют на скорость перемещения флюидов, теллурические электрические поля и на локальные сейсмические колебания. Такие процессы происходят на больших территориях и могут оказывать существенное влияние на сейсмическую активность. Таким образом, инфразвук в атмосфере может быть как результатом сейсмических колебаний, так и активно влиять на них. В характере взаимообмена колебательной энергией между литосферой и атмосферой могут проявляться процессы подготовки крупных землетрясений.

Для исследований акустического канала литосферно-атмосферных связей было введено два индекса сейсмической активности. Первый пропорциональный квадрату максимальной магнитуды в данный день в заданном регионе, второй – квадрату суммы магнитуд всех сейсмических событий с магнитудой ≥3 за день в заданном регионе. Рассматривалось два региона. Один с размерами по долготе 10˚-45˚Е и широте 35˚-60˚N, а второй – по долготе 10˚-55˚Е и широте 20˚-60˚N. Первый и второй регионы включали основные зоны повышенной сейсмичности центральной и восточной Европы, а также Турцию. Измерения инфразвука проводились в точке с координатами 48˚41΄N, 26˚30΄Е.

Был проведен анализ связи сейсмичности с инфразвуком за период 1997-2000гг. Хорошо согласуются спектральные характеристики инфразвука и сейсмической активности. 

На рис.5 показаны спектральные плотности суточной энергии инфразвука и сейсмической активности за период 1997-2000гг.

Исследования показали, что инфразвуковые колебания “чувствительны” к изменениям сейсмической активности в радиусе до 2000км. Оптимальный размер радиуса этой области находится в пределах 1000-1500км.

Наибольший интерес представляет анализ ИКА до катастрофических землетрясений в регионе, близком к точке измерения инфразвука. 

На рис.6 показана динамика изменения спектральной плотности огибающей инфразвука перед катастрофическим землетрясением в Турции 17.08.1999г. При приближении к моменту землетрясения спектральная плотность инфразвука изменяется, появляется много спектральных составляющих не характерных для “спокойного” периода. В “спокойное” время в плотности спектра наблюдаются две составляющие с периодами 24 и 12 часов которые, скорее всего, связаны с изменением солнечной радиации (день, ночь). При приближении к моменту землетрясения меняются также и внутрисуточные характеристики инфразвука.

Для анализа сейсмической активности использовались фазовые портреты, широко применяемые в теории динамических систем. 

На рис.7 показаны фазовые портреты сейсмической активности за период 1997-2000гг. По оси абсцисс отложено значения индекса сейсмической активности (в данном случае пронормированные значения квадрата максимальной магнитуды в заданном регионе). По оси ординат отложена пронормированная производная от функции построенной на значениях индекса сейсмической активности. Как видно из рис.7 фазовые траектории притягиваются к компактной области. Только при катастрофических землетрясениях фазовая траектория выходит из области притяжения. Причем, выход фазовой траектории из области притяжения и вход в опасную область (на рисунке отмечена вертикальной пунктирной линией) не происходит мгновенно. Это происходит за несколько дней. 

На рис.8 показаны фазовые портреты сейсмической активности и инфразвука до и после катастрофического землетрясения в Турции 17.08.1999г. Фазовый портрет перед землетрясением имеет вид разворачивающейся спирали. После землетрясения фазовая траектория возвращается в область притяжения. Интересно, что и фазовый портрет изменений суточной энергии инфразвука ведет себя подобным образом (рис.8б).

АКТИВНЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ В АТМОСФЕРЕ

Важным направлением исследования связи ИКА с процессами в геосферах является искусственное акустическое возмущение нижней атмосферы, и последующее наблюдение изменения различных геофизических полей. Для моделирования акустического возмущения использовались крупные наземные взрывы. Таким путем проводились исследования влияния наземных акустических возмущений на ионосферу. Получены убедительные факты, подтверждающие влияние наземных взрывов на ионосферную плазму. Однако в последнее время многие исследователи ставят под сомнение возможность прохождения акустической волны на ионосферные высоты. Причем под сомнение ставится не сам факт влияния акустических волн в тропосфере на ионосферную плазму, а только прямое прохождение акустической волны в ионосферу. Эти сомнения базируются на большом затухании акустических волн в атмосфере при их вертикальном распространении вследствие экспоненциального падения давления с высотой. Уменьшение давления приводит к увеличению амплитуды волны, преобразования ее профиля в треугольный и, соответственно, появлению нелинейных механизмов диссипации энергии.

Целью данного направления работ был поиск возможных механизмов, объясняющих появление электромагнитных откликов при наземном акустическом возмущении и создание аппаратных средств для проведения экспериментальных исследований. Для проведения исследований влияния наземных акустических возмущений на систему атмосфера-ионосфера было создано два акустических стенда: стационарный (рис.9а) и мобильный (рис.9б). 

Созданное оборудование позволило значительно удешевить (в тысячи раз) эксперименты по сравнению с взрывными методами акустического возбуждения ионосферы. На стационарном акустическом стенде были проведены обширные экспериментальные исследования и уставлены основные закономерности электромагнитных откликов на акустические возмущения атмосферы [4].

На рис.10 показаны типичные изменения геомагнитных вариаций в диапазоне 1-40Гц. На графиках представлена энергия сигнала магнитометра в диапазоне 1-40Гц до и после акустического возмущения. Характер сигналов изменялся на длительное время. Причем, в одних случаях энергия сигнала возрастала (рис.10б), в других падала (рис.10а). Эти сигналы не укладываются в известную модель Гальперина-Хаякавы [5]. Уменьшение сигнала после акустического возмущения невозможно объяснить наличием в атмосфере только механизма усиления.

Для объяснения такого странного поведения сигналов-откликов была выдвинута гипотеза, что в атмосфере существуют свои собственные генераторы инфразвука. В одних случаях, при внешнем акустическом воздействии, они усиливают генерирование инфразвука, а в других – внешнее акустическое воздействие разрушает атмосферные генераторы. В атмосфере существует своеобразный акустический “триггерный” механизм. Для этого необходимо предположить, что в атмосфере есть скрытая энергия. Действительно, атмосферу нельзя рассматривать как пассивную среду, состоящую из смеси газов. В атмосфере идут химические реакции, фазовые переходы воды, ионизация под действием солнечного излучения и выветривания радиоактивной пыли с поверхности Земли. Все эти процессы  приводят  к  пространственным  вариациям  выделения  и  поглощения  энергии    в  атмосфере и  образованию   тепловых  неустойчивостей.   Пространственные  тепловые неоднородности в определенных условиях могут приводить к генерации в атмосфере инфразвука. Локальные изменения атмосферной среды при воздействии внешней акустической волны может привести к дополнительному выделению тепловой энергии и, соответственно, к усилению генерирования акустических волн. В этой ситуации происходит перекачка энергии из среды в акустическую волну. Этот процесс можно рассматривать как своеобразный акустический “лазер”. Следует отметить, что частота атмосферных акустических колебаний, вызванных внешним акустическим воздействием не будет совпадать с частотой воздействия. Внешнее акустическое воздействие является “спусковым крючком” для запуска крупномасштабных атмосферных процессов. При этом происходит перекачка энергии из внутренних резервуаров атмосферы в акустические колебания. В определенных ситуациях внешнее акустическое воздействие может разрушать атмосферные генераторы. В этом случае должен уменьшатся уровень инфразвука и, соответственно, уменьшаются электромагнитные сигналы-отклики. Предложено три возможных механизма усиления инфразвука в атмосфере[5].

Были проведены натурные эксперименты по наблюдению атмосферного инфразвука до и после мощного акустического воздействия длительностью 1-3мин. Мобильный акустический излучатель с энергоприводом 560кВт был установлен на расстоянии ~300м от системы измерения инфразвука. Были обнаружены характерные изменения амплитуды инфразвука и геомагнитных вариаций до и после акустического возмущения (рис.11). 

Кратковременное акустическое воздействие приводило к возрастанию амплитуды инфразвука (рис.11б), или к уменьшению (рис.11а). Синхронные измерения геомагнитных вариаций показали, что они изменяются похожим образом (рис.11). При возрастании интенсивности инфразвука возрастают и геомагнитные вариации (рис.11б) и наоборот (рис.11а). Спектральный анализ показал, что в диапазоне периодов от десятков минут до десятков секунд спектры инфразвука и геомагнитных вариаций имеют одинаковый характер. Низкочастотная часть спектра инфразвука и геомагнитных вариаций показана на рис.12.

Таким образом, экспериментально было доказано, что короткое акустическое воздействие высокой интенсивности изменяет характер инфразвуковых колебаний в атмосфере на длительное время. Достигая ионосферных высот, инфразвуковые колебания воздействуют на ионосферные электрические токи и приводят к изменениям геомагнитного поля.

ВЫВОДЫ

1.   Анализ спектров инфразвука за период 1997-2000гг. показал наличие частот с периодами характерными для солнечной активности 27 суток, 24 часа, 12 часов. Энергия инфразвука возрастает при падении солнечной активности. Предложен возможный механизм влияния солнечной активности на инфразвук в атмосфере.

2.   Обнаружены изменения в спектре инфразвука, вызванные литосферными процессами. За 5-10 дней до крупных землетрясений существенно изменяется спектр инфразвуковых колебаний в атмосфере, что может стать основой для создания нового метода прогноза землетрясений. Фазовая диаграмма инфразвука перед крупным землетрясением имеет вид раскручивающейся спирали.

3.   Впервые обнаружен эффект усиления звука в атмосфере. Кратковременное (~60с) интенсивное акустическое воздействие на атмосферу приводит к возрастанию инфразвуковых колебаний, которые затухают на протяжении длительного времени. Предложено три возможных механизма этого эффекта: конденсационный, химический и релаксации неравновесно разогретого газа. В общем, это можно сформулировать как наличие в атмосфере неравновесных состояний, которые при воздействии акустической волны генерируют инфразвук в широкой полосе частот.

4.   Экспериментально определен диапазон частот, в котором инфразвук влияет на ионосферные токи. Спектральные плотности геомагнитных вариаций и инфразвука совпадают в диапазоне периодов от 1 до 20мин.

5.   Дальнейшие активные акустические исследования ионосферы целесообразно проводить путем синхронных наземных и спутниковых измерений электромагнитных откликов на наземное акустическое возмущение. Такие исследования позволят обосновать возможность создания системы спутникового мониторинга процессов на Земле, которые сопровождаются интенсивным  акустическим излучением.

6.   Целесообразно расширить исследования влияния инфразвука на биосферные процессы и биологические объекты разных уровней организации. Возможно, что посредством инфразвука осуществляется влияние солнечной активности на биосферу Земли.

ЛИТЕРАТУРА

1.   Негода А.А., Сорока С.А. Акустический канал космического влияния на биосферу Земли. Космічна наука і технологія, 2001, т.7, №5/6, с.85-93.

2.   Сорока С.А Солнечная активность и инфразвуковые колебания в атмосфере Земли. Тезисы докладов третьей Всероссийской научной конференции “Физические проблемы экологии (экологическая физика)”. Москва, 2001, с.48-49.

3.   Знак З.О., Негода А.А., Сорока С.А., Акустические колебания в атмосфере как возможный канал космического влияния на биосферу. Тезисы докладов II Украинской конференции по перспективным космическим исследованиям. Кацивели, 2002, с.152.

4.   Kalita B., Mezentcev V., Soroka S. Electromagnetic responses during acoustic disturbance in atmosphere. III International Workshop on Magnetic and Electromagnetic Methods in Seismology and Volcanology (MEEMSV-2002). Moscow, 2002, p.205.

5.   Soroka S.A. To Galperin-Hayakava Model of Influence of Ground Acoustic disturbance on Ionosphere. International Symposium in memory of Professor Yuri Galperin. Aureal Phenomena and Solar-Terrestrial Relations. Moscow, 2003, p.101.