Response of the lower and upper ionosphere after the eruption of Shiveluch volcano on april 10, 2023

Full Text

1. Введение

Исследования высокоэнергетических наземных источников, к числу которых наряду с землетрясениями, в частности, можно отнести вулканические извержения, представляют интерес не только из-за их влияния на среду обитания человека, но и как примеры сильных воздействий на внешние геосферы, последствия которых позволяют делать выводы о механизмах этих воздействий [Адушкин и Спивак, 2021].

В последнее время ионосферный отклик на подобные события изучают посредством глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), измеряя вариации полного электронного содержания (Total Electron Content, TEC), основной вклад в которые обусловлен максимумом ионизации в верхней ионосфере (F-слой) (см., например, [Куницын и др., 2011; Соловьева и др., 2022; Dautermann et al., 2009; Heki, 2006; Shults et al., 2016; Nakashima et al., 2016]). При этом в немногочисленных до недавнего времени (до извержения вулкана Хунга в 2022 г.) исследованиях, использующих указанный метод измерений для регистрации ионосферного отклика именно после вулканических извержений, как правило, сообщали об обнаружении квазипериодических колебаний ТEC спустя 10−15 мин после события в диапазоне частот акустических волн (так называемый акустический резонанс). В одной из работ [Dautermann et al., 2009] сообщалось о регистрации возмущений с периодами атмосферных внутренних волн в дополнение к акустическим. В единственной работе [Heki, 2006] после извержения было зарегистрировано возмущение TEC в виде N-волны, т.е. приход на ионосферные высоты ударной волны. Однако остались практически не изученными следующие вопросы: насколько тип ионосферного отклика зависит от типа извержения и его энергии, как использовать отклик для определения энергии события и можно ли найти ионосферный отклик не только в верхней, но и в нижней ионосфере.

В настоящей работе сделана попытка ответить на часть указанных вопросов, используя измерения отклика ионосферы в период достаточно сильного извержения вулкана Шивелуч. В частности, посредством наземных магнитометров и спутников GPS были зарегистрированы вариации геомагнитного поля и ТЕС, которые позволили установить, что воздействие на ионосферу осуществляется посредством сейсмических волн Рэлея и атмосферных акустико-гравитационных волн, генерируемых в моменты эксплозий.

2. Описание события и геомагнитной обстановки

Шивелуч ‒ один из наиболее крупных вулканов Камчатки. Он включает три основных структуры: вулкан Старый Шивелуч, древнюю кальдеру и активный вулкан ‒ Молодой Шивелуч. Высота лавового купола Молодого Шивелуча ‒ 2500 м. Вулкан расположен на пересечении Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг на расстоянии 50 км от поселка Ключи Усть-Камчатского района и 450 км от Петропавловска-Камчатского.

Мощное эксплозивное извержение вулкана Шивелуч произошло 10 апреля 2023 г. В ходе эксплозивной активности бо́льшая часть постройки активного купола вулкана Шивелуч оказалась разрушена, вследствие чего образовался кратер диаметром более 1 км. Отметим, что рост активности вулкана Шивелуч отмечался на протяжении предыдущих нескольких месяцев: наблюдались сход лавин с лавового купола, сильная фумарольная активность, рост температуры тепловой аномалии в районе купола вулкана.

По данным Института вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИВС ДВО РАН), в сейсмических записях было зарегистрировано усиление активности вулкана Шивелуч около 00:54 LT 11 апреля 2023 г. (12:54 UT 10 апреля 2023 г.) (https://iz.ru/1496490/2023-04-11/na-kamchatke-slyshny-raskaty-ot-izverzheniia-vulkana-shiveluch). Согласно данным токийского консультационного центра по вулканическим пеплам, столб пепла поднялся на высоту 15.8 км над уровнем моря в 01:10 LT 11 апреля 2023 г. (13:10 UT 10 апреля 2023 г.) и дрейфовал на северо-запад (https://ds.data.jma.go.jp/svd/vaac/data/vaac_list.html). К 01:58 LT 11 апреля 2023 г. (13:58 UT 10 апреля 2023 г.) шлейф распространился на площадь 75•100 км. По данным ИВС ДВО РАН (http://www.kscnet.ru/ivs/), в 20:30 UT облако достигло 200 км в длину и 76 км в ширину и распространялось на высотах 6‒12 км над уровнем моря. В 23:50 UT облако пепла длиной 400 км и шириной 250 км распространялось на высотах 5‒20 км над уровнем моря. Видеонаблюдение за вулканом долгое время было затруднено из-за непогоды (https://volcano.si.edu/showreport.cfm?wvar=GVP.WVAR20230405-300270). По спутниковым данным максимальная высота пепловых выбросов ~20 км над уровнем моря зафиксирована 10 апреля 2023 г. в 20:30 UT (08:30 LT 11 апреля 2023 г.). Примерно с 11:00 LT 11 апреля 2023 г. (23:00 UT 10 апреля 2023 г.) наблюдалось снижение вулканической активности (http://www.kscnet.ru/ivs/kvert/index?lang=en).

На картах, построенных по данным приборов IASI КА MetOp-В и CriS КА NOAA-20, в районе распространения пеплового облака наблюдалось повышенное содержание диоксида серы (SO₂) (https://www.meteorf.gov.ru/press/news/32412/). В частности, по спутниковым снимкам, полученным в 1:43 UT 11 апреля 2023 г., было определено в шлейфе содержание диоксида серы около 0.2 Мт. Кроме того, по данным КА Himawari-8 фиксировалось повышенное содержание водного раствора серной кислоты (H₂SO₄) [https://dvrcpod.ru/News.php&id_new=46639].

По сейсмическим данным Камчатской вулканической станции 10 апреля 2023 г. с 12:54 до 21:10 UT регистрировались сейсмические события, сопровождавшие пароксизмальную фазу извержения вулкана (http://volkstat.ru/). Значительные импульсы активности произошли примерно в 14:00, 15:20 UT, а затем около 18:00 UT началась более сильная фаза. В 17:44, 18:46, 19:14 UT произошли поверхностные события, возможно, сопровождавшие пепловые выбросы до 18 500–20 000 м ± 4770–5220 м над уровнем моря и/или сход пирокластических потоков.

В близлежащих населенных пунктах Усть-Камчатского района (Ключи, Майское и Козыревский) наблюдались пеплопады. В частности, в 18:30 UT пеплопад начался в поселке Ключи (45 км к юго-западу от места извержения вулкана), и примерно в 19:00 UT большой столб черного пепла перекрыл дневной свет. Именно в поселке Ключи выпала основная масса пепла. Примерно в 21:30 UT шлейф достиг пос. Козыревский (112 км к юго-западу от места извержения вулкана). Были видны почти постоянные удары молний в шлейфе, и примерно до 22:00 UT были слышны звуки, похожие на раскаты грома. Небо над пос. Козыревский посветлело примерно в 22:30 UT. В некоторых районах Камчатки толщина слоя выпавшего пепла составила более 6 см, в частности в пос. Ключи выпало 8.5 см пепла (https://volcano.si.edu/showreport.cfm?wvar=GVP.WVAR20230405-300270). Выпадение такого значительного количества пепла здесь регистрировалось в 1964 г. (https://meteojurnal.ru/izverzhenie-vulkana-shiveluch-na-kamchatke/).

На первом этапе выполнения настоящих исследований были проанализированы сейсмическая активность (землетрясения) и геомагнитная обстановка в период, включающий время извержения вулкана Шивелуч.

Анализ данных каталога землетрясений Геологической службы США (https://www.earthquake.usgs.gov) показал, что в период с 00:00 UT 10 апреля 2023 г. по 01:00 11 апреля 2023 г. не было зарегистрировано ни одного землетрясения магнитудой ≥6.0. Наблюдалось всего два землетрясения магнитудой >5.2 и шесть магнитами ≥5.0 и <5.5. Все события зарегистрированы на значительном расстоянии от вулкана Шивелуч и пунктов наблюдений (более 6000 км). Непосредственно вблизи вулкана (482 км) было зарегистрировано землетрясение магнитудой 4.0. Удаленные и достаточно слабые землетрясения не могут вызывать значительные вариации в магнитном поле Земли и в полном электронном содержании. В используемых нами данных отклик на землетрясения также не отражался.

Анализ временных вариаций планетарных индексов Kp и ap (http://www.isgi.unistra.fr) и локального (Паратунка) индекса K(PET) (http://www.ikir.ru) показал, что в период до и после извержений вулкана 10 апреля 2023 г. магнитное поле было умеренно возмущено (Kp = 3₊, ap = 9 нТл, K(PET) = 3). Кроме того, был проведен сравнительный анализ вариаций Bz-компоненты межпланетного магнитного поля (https://www.swpc.noaa.gov/products/) и компоненты магнитного поля, зарегистрированных на близких к месту извержения вулкана станциях Паратунка и Магадан. В ходе визуально-сопоставительного анализа и оценки вейвлет-когерентности [Grinsted et al., 2004; Maraun and Kurths, 2004] нами было получено, что в период землетрясений записи геомагнитных вариаций искажены вариациями магнитного поля, вызванными источниками солнечного происхождения, за исключением восточной горизонтальной компоненты магнитного поля. Такой вывод вполне соответствует данным, полученным при измерениях в низких широтах [Kelley, 1989].

3. Исходные данные и методы

Во-первых, в ходе настоящих исследований привлекались данные регистрации восточной компоненты геомагнитного поля, выполненной на относительно близких к вулкану Шивелуч станциях Паратунка и Магадан Института космофизических исследований и распространения радиоволн Дальневосточного отделения Российской академии наук. Ближайшая ст. Паратунка (52.971° N; 158.248° E) расположена на расстоянии 455 км от вулкана Шивелуч, ст. Магадан (60.051° N; 150.728° E) расположена на расстоянии 725 км.

Использовались данные инструментальных наблюдений за вариациями геомагнитного поля с дискретизацией 1 мин, представленные на сайте Международной сети INTERMAGNET (https://www.intermagnet.org). Исследование возмущений геомагнитного поля посредством магнитометров позволяет, в частности, выделять вариации ионосферного тока на высотах нижней ионосферы около 100 км (Е-слой), где расположен наиболее высокопроводящий слой ионосферной плазмы.

Во-вторых, для исследования отклика верхней ионосферы на извержение вулкана Шивелуч использовалось радиопросвечивание ионосферы сигналами ГНСС, позволяющее регистрировать вариации ТEC ионосферы вдоль луча спутник − приемник. Основной вклад в ТЕС вносит F-область ионосферы, где расположен максимум электронной концентрации. Использовались данные, полученные в базовом пункте Петропавловск (pett). Для шести эпизодов повышенной активности вулкана Шивелуч 10 апреля 2023 г. отбирались данные спутников, наиболее близких (в радиусе 500 км) к месторасположению вулкана.

В качестве основного метода исследования геомагнитных вариаций был выбран вейвлет- анализ, показавший, в частности, свою эффективность при анализе геомагнитных вариаций [Adhikari et al., 2017; Riabova, 2022]. Вейвлет-анализ позволяет выявить временные свойства изучаемого сигнала, а также позволяет получить информацию о том, в какой момент времени появились те или иные компоненты сигнала [Meyer, 1993]. В настоящей работе использовалось непрерывное вейвлет-преобразование [Torrence and Compo, 1998], а в качестве базисного вейвлета использовался вейвлет Морле [Grossmann and Morlet, 1984]. Представление результатов вейвлет-преобразования оформлено в виде скалограмм (локальный спектр энергии) с учетом “краевых” эффектов (конус влияния) [Riabova, 2018].

4. Геомагнитный отклик

Как показывает анализ временных вариаций геомагнитного поля, в период исследуемого нами извержения в вариациях геомагнитного поля проявляются квазипериодические колебания. Важно отметить, что при визуальном осмотре данных выделение аномалий, сопутствующих землетрясению, во временных вариациях магнитного поля Земли затруднено, даже в вариациях восточной горизонтальной компоненты магнитного поля, наименее подверженной влиянию солнечной активности, нельзя четко выделить аномалии, сопровождающие вулканическую активность.

В целях поиска геомагнитных вариаций, связанных с сейсмическими событиями, и получения информации об их частотном составе в настоящей работе выполнялся спектральный анализ на основе вейвлет-преобразования.

Скалограммы восточной горизонтальной B_y составляющей геомагнитного поля на ближайшей ст. Паратунка после извержений Шивелуч 10 апреля 2023 г. приведены на рис. 1, где в виде двух отдельных скалограмм приведен период за ~1 ч до и ~4 ч после первого начала вулканической активности Шивелуча (рис. 1а), а также приблизительно за ~1 ч до и ~4 ч после повторной (более мощной) активизации Шивелуча (рис.1б). Как видно из рис. 1, скалограммы геомагнитных вариаций характеризуются рядом спектральных гармоник. Всего на скалограммах присутствуют 12 аномалий. Первая аномалия 1 с периодом ~3−5 мин появляется спустя ~8 мин после начала активности вулкана Шивелуч, а примерно через 7−8 мин после значительных импульсов активности, произошедших приблизительно в 14:00 и 15:20 UT, наблюдаются аномалии 2 и 3 с периодами ~3.5−6.0 мин и ~4−8 мин соответственно. Спустя примерно 40 мин после начала активности вулкана Шивелуч возникают колебания (4) с периодом ~12−23 мин. В скалограмме, представленной на рис. 1, присутствуют еще две аномалии (5 и 6), возникающие примерно через 30–40 мин после значительных импульсов активности, наблюдавшихся примерно в 14:00 и 15:20 UT. Периоды этих колебаний составляют ~10−24 и ~14−25 мин. После повторной (более мощной) вулканической активности Шивелуча также в скалограмме идентифицируются шесть аномалий. Как видно из рис. 1, аномалия 7 с периодом ~4−7 мин появляется спустя ~8 мин после начала повторной активности вулкана Шивелуч, а примерно через 7−8 мин после поверхностных событий примерно в 18:46 и 19:14 UT, возможно, сопровождавших пепловые выбросы, наблюдаются аномалии 8 и 9 с периодами ~3−6 мин и ~3.5−4.5 мин соответственно. Спустя примерно 30–40 мин после начала повторной активности вулкана Шивелуч возникают колебания (10) с периодом ~12−26 мин. Кроме того, поверхностные события примерно в 18:46 и 19:14 UT также вызывают аномалии в геомагнитном поле (аномалия 11 с периодом 12‒20 мин и аномалия 12 с периодом 15‒33 мин), которые возникают примерно через 30–40 мин после соответствующего события.

 

Рис. 1. Скалограммы геомагнитных вариаций на ст. Паратунка в период шести эпизодов повышенной активности вулкана Шивелуч с 12:00 UT по 17:00 UT 10 апреля 2023 г. (с 00 LT по 5 LT 11 апреля 2023 г.) (а) и с 17:00 UT по 22:00 UT 10 апреля 2023 г. (с 5 LT по 10 LT 11 апреля 2023 г.) (б); белые штриховые линии − конус влияния.

 

Практически такая же картина наблюдается в скалограмме (рис. 2), вычисленной по данным более удаленной ст. Магадан. В геомагнитных вариациях на ст. Магадан возникают аномалии через ~9‒10 мин после шести эпизодов повышенной активности вулкана Шивелуч в 12:54, 14:00, 15:20, 17:44, 18:46, 19:14 UT. Соответствующие аномалии имеют следующие периоды: аномалия 1 ‒ 3.5−6.0 мин, аномалия 2 ‒ 2.5−4.5 мин, аномалия 3 ‒ 3.5−6.0 мин, аномалия 4 ‒ 3−5 мин, аномалия 5 ‒ 3.5−5.0 мин, аномалия 6 ‒ 3−4 мин. Также в скалограмме, представленной на рис. 2, присутствуют аномалии, возникающие примерно через 40‒50 мин после шести эпизодов повышенной активности вулкана Шивелуч 10 апреля 2023 г. Соответствующие аномалии имеют следующие периоды: аномалия 7 ‒ 38−50 мин, аномалия 8 ‒ 27−39 мин, аномалия 9 ‒ 25−40 мин, аномалия 10 ‒ 29−37 мин, аномалия 11 ‒ 20− 39 мин, аномалия 12 ‒ 36−52 мин.

 

Рис. 2. Скалограммы геомагнитных вариаций на ст. Магадан в период шести эпизодов повышенной активности вулкана Шивелуч с 12.00 UT 10 апреля 2023 г. по 01.00 UT 11 апреля 2023 г. (с 0 LT по 13 LT 11 апреля 2023 г.); белые штриховые линии − конус влияния.

 

5. Вариации полного электронного содержания ионосферы

В настоящей работе для анализа отклика верхней ионосферы использовались данные спутников GPS, позволяющие определять вариации полного электронного содержания ионосферы (TEC), количественно измеряемого в единицах TECU (TEC Units, TECU, 1 TECU = 10¹⁶ электрон/см²).

Вариации TEC с периодами от нескольких минут до первых десятков минут, наблюдаемые несколькими навигационными спутниками, ионосферные проекции трасс которых расположены в ближней зоне, могут быть обусловлены как процессами при извержении вулкана, так и другими причинами, например, возмущенным состоянием геомагнитного поля, солнечной активностью. Для снижения влияния упомянутых факторов и исследования ионосферного отклика только в акустическом диапазоне была применена полосовая фильтрация Баттерворта 7-го порядка.

По станции pett из 32 спутников GPS были выделены те спутники, которые вблизи рассматриваемой эксплозии (от 5 мин до и 15 мин после события) находились на расстоянии менее 400 км. На рис. 3 приведены проекции трасс спутников на ионосферу, данные которых использованы в настоящем анализе. На траекториях указано время пролета, кружком обозначен максимум амплитуды сигнала после эксплозивного события. В качестве примера на рис. 4 представлены результаты фильтрации вариаций TEC в диапазоне 61–1000 с для первых трех эксплозий, рассматриваемых в работе. Как видно из данных, представленных на рис. 4, в первые 10– 15 мин после эксплозивного события наблюдается характерный для ударных волн сигнал в виде N-волны, состоящей из фазы сжатия и фазы разрежения, каждая из которых содержит разрыв (ударный фронт) [Ландау и Лифшиц, 1986]. Такой отклик является следствием нелинейных эффектов распространения сигнала от импульсного источника большой мощности в атмосфере (см. например, [Павлов, 1986]). При этом площадь под положительной фазой N-волны равна площади под отрицательной. Поскольку на высотах F-области масштабы неоднородности атмосферы, ионосферы и акустического импульса — одного порядка, возможна лишь приблизительная оценка параметров акустического импульса.

 

Рис. 3. Географическая карта с проекциями траекторий GPS-спутников для приемной станции pett (местоположение станции обозначено треугольником). Направление проекции трассы обозначено стрелкой с указанием времени начала и окончания (UT = LT − 12). Максимум вариаций TEC для каждой проекции траектории обозначен кружком. Местоположение вулкана Шивелуч обозначено звездой.

 

Рис. 4. Фильтрованные сигналы TEC и вычисления площадей фазы сжатия (штрихпунктир) и разрежения (штриховка): по паре “станция − спутник” pett-G20 за интервал 12:00‒14:00 UT 10 апреля 2023 г. (00:00‒02:00 LT 11 апреля 2023 г.) (а), pett-G30 за интервал 13:30−15:00 UT 10 апреля 2023 г. (01:30‒03:00 LT 11 апреля 2023 г.) (б), pett-G13 за интервал 15:00‒17:00 UT 10 апреля 2023 г. (03:00‒05:00 LT 11 апреля 2023 г.) (в); точка — максимальная величина фильтрованного сигнала на рассматриваемом интервале.

 

6. Обсуждение результатов

Сейсмические события, сопровождаемые при извержении вулкана пепловыми выбросами, свидетельствуют об импульсном выделении энергии. В этом случае вулкан можно уподобить точечному импульсному источнику (как землетрясение), в результате действия которого можно ожидать генерации акустико-гравитационных волн (АГВ). В частности, сейсмические события являются источником сейсмических поверхностных волн Рэлея, которые, как известно, способны генерировать акустические волны, распространяющиеся на ионосферные высоты (см., например, [Шалимов, 2018]).

Рассмотрим сначала появление АГВ-сигналов в нижней ионосфере, отклик на которые может быть зарегистрирован магнитометрами (см. например, [Куницын и Шалимов, 2011]). Как было отмечено при описании геомагнитных откликов (см. рис. 1 и 2), их можно разделить на две группы: первая группа сигналов после активизации источника приходит в ионосферу над станциями заметно быстрее второй. Расстояния от действующего вулкана до станций Паратунка (425 км) и Магадан (725 км) таковы, что систематическая регистрация сигналов первой группы в подионосферной точке с периодами 3–5 мин через 7–8 мин (на ст. Паратунка) и через 9–10 мин (на ст. Магадан) после активизаций вулкана в 12:54, 14:00, 15:20, 17:44, 18:46, 19:14 UT вполне соответствует приходу сейсмической волны Рэлея на станцию.

Вторая группа регистрируемых сигналов имеет в основном периоды 10–20 мин (на ст. Паратунка) и 25–35 мин (на ст. Магадан) и появляется через 30–40 мин и 40–50 мин на ст. Паратунка и Магадан соответственно. Диапазон периодов соответствует атмосферным внутренним волнам, источником которых в данном случае могут быть пепловые эксплозии. Этим же волнам соответствуют скорости распространения сигналов в диапазоне 150‒300 м/с. Наконец, можно оценить предполагаемые периоды сигналов, если считать их обусловленными внутренними волнами. Действительно, используя для оценок формулу  где T_g ‒ период Брента − Вяйсяля, L, h ‒ расстояние от источника и высота регистрации сигнала, и подставляя L = 450 км, h = 110 км, находим T ≈ 20.5 мин для сигналов на ст. Паратунка и T ≈ 33 мин — на ст. Магадан при L = 725 км, что соответствует периодам, показанным на скалограммах (см. рис. 1 и 2).

Рассмотрим теперь возмущения, зарегистрированные при радиопросвечивании посредством GPS. Как видно из рис. 4, возмущения плотности плазмы в F-области в ближней зоне после трех первых активизаций вулкана в 12:54, 14:00, 15:20 UT имеют форму N-волны (аналогично и после остальных трех), т.е. речь идет о приходе ударной волны после эксплозий. Время прихода импульса соответствует интервалу 10− 17 мин после события, т.е. времени распространения акустического импульса до F-области. Важно, что форма импульса демонстрирует равенство площадей под положительной и отрицательной фазами, т.е. характерную особенность ударной волны [Ландау и Лифшиц, 1986].

Зная амплитуду импульса, можно оценить энергию землетрясения. Для ее грубой оценки воспользуемся скейлингом, который следует из сопоставления с источниками известной энергии. После землетрясения в Тохоку с энергией 6.24•10¹⁷ Дж вариации ТЕС достигали 3 ТЕСU [Куницын и др., 2011]. Поскольку энергия волны пропорциональна квадрату амплитуды, то для наблюдаемых после событий всплесков амплитуд вариаций порядка 0.09; 0.08; 0.09 TECU получим приблизительные оценки величин поверхностной энергии 5.6·10¹⁴, 4.4·10¹⁴, 5.6·10¹⁴ Дж соответственно.

Таким образом, на основе данных наземных магнитометров и GPS- радиопросвечивания ионосферы проанализированы возмущения в нижней ионосфере и в области максимума ионосферного F2-слоя в период извержения вулкана Шивелуч в апреле 2023 г. В качестве характеристик отклика ионосферы на это событие изучены вариации магнитного поля и полного электронного содержания ионосферы. Анализ результатов измерений показал, что воздействие на ионосферу осуществляется посредством сейсмических волн Рэлея и атмосферных акустико-гравитационных волн, генерируемых вулканической активностью. Этот вывод основан на повторяемости картины ионосферных возмущений после каждой из шести вулканических эксплозий. По амплитуде ионосферного сигнала в полном электронном содержании оценена энергия нескольких вулканических эксплозий.

Финансирование работы

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 22-27-00182).

About the authors

S. A. Riabova

Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences; Sadovsky Institute of Geosphere Dynamics of Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: ryabovasa@mail.ru
Russian Federation, Moscow; Moscow

S. L. Shalimov

Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences

Email: ryabovasa@mail.ru
Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files