Основные обозначения и сокращения, используемые в работе
ГОИН - Государственный Океанографический Институт
ГПЗ - гравитационный потенциал Земли
ГЦ - РАН Геофизический Центр РАН
ДЗЗ - дистанционное зондирование Земли
ИБДС - А интегрированная база данных спутниковой альтиметрии
ИСЗ - искусственный спутник Земли
ИФЗ РАН - Институт физики Земли РАН им. Г.А.Гамбурцева
МГИ - Морской гидрофизический Институт
НАНУ - Национальная Академия Наук Украины
РАН - Российская Академия Наук
РЛСБО - радиолокационные системы бокового обзора
Росгидромет - Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу
окружающей среды
САО - Система автоматизированной обработки
СГВ - время по Гринвичу
СО РАН - Сибирское Отделение РАН
ТПО - температура поверхности океана
ХПС - холодный промежуточный слой
ЮО ИО РАН - Южное Отделение Института Океанологии РАН
AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) - радиометр высокого
разрешения
AVISO (Archiving Validation and Interpretation of Satellites Oceanographic data)
Центр по хранению, контролю и интерпретации спутниковых
океанографических данных
FNMOC (Fleet Numerical Meteorology and Oceanography Center) - Центр
количественной метеорологии и океанографии ВМФ США
4
GRADS (Grid Analysis and Display System) - система анализа и отображения
сеточной информации
NASA - Национальное аэрокосмическое агентство США
NEIC (National Earthquake Information Center) - Национальный
информационный центр по землетрясениям
PODAAC (Physical Oceanography Distributed Active Archive Center) - архив по
физической океанографии Лаборатории реактивного движения
Калифорнийского технологического института
Т/Р — искусственный спутник Земли Topex-Poseidon
USGS - Геологическая Служба США
Введение
В данной диссертационной работе представлена методика обнаружения цунами и температурных аномалий, вызванных подводным землетрясением при помощи аппаратуры ДЗЗ, установленной на борту полярно-орбитальных ИСЗ. Известно, что по способу получения информации, методы дистанционного зондирования подразделяются на пассивные и активные. В первом случае, источником информации является электромагнитное излучение, испускаемое исследуемой средой. Во втором случае, со спутника периодически посылаются зондирующие импульсы, а полезную информацию получают путем сравнения излученного прибором и отраженного от среды сигналов.
Наблюдения, оценка и прогноз состояния Мирового океана при помощи ИСЗ получили наименование космического мониторинга океана. Бортовая аппаратура спутников мониторинга океана предназначена для непрерывного измерения ряда характеристик, связанных с ТПО, океаническими течениями, приповерхностными ветрами и высотой океанских волн.
Диссертационная работа состоит из двух основных частей. В первой части описана и испытана на практике методика регистрации цунами при помощи активного метода радиолокационной альтиметрии.
В настоящее время цунами регистрируются главным образом прямыми методами с помощью береговых самописцев уровня и датчиков придонного гидростатического давления. Однако, показания береговых самописцев содержат колебания, сильно искажающие исходную форму волны, которую она имеет в открытом океане. Такие явления, как выход на мелководье и отражение от берегов заметно увеличивают амплитуду волны. При этом форма записи трансформируется за счет резонансных свойств прибрежной области: шельфа, бухт, проливов и других особенностей берегов. Датчики придонного гидростатического давления лишены этого недостатка, но дороги в эксплуатации и не могут обеспечить полного покрытия вероятных районов
6
возникновения и проявления цунами. Результаты данной работы дают возможность не только обойти эти два недостатка используемых методик, но регистрировать подобные колебания уровня океана на значительном удалении от берегов с точной привязкой к единой геодезической системе отсчета, используя данные спутниковой альтиметрии и, в частности, высокоточных радиовысотомерных измерений с ИСЗ Geosat, Т/Р, ERS-1, ERS-2, Jason-1 и Envisat. Точность привязки к единой системе высот, данных об уровне моря, полученных в результате этих работ, обеспечивается установленными на борту приемниками какой либо из навигационных систем: GLONASS, GPS или DORIS. Характеристики землетрясений выбирались из электронной базы данных для тихоокеанских цунами, разработанной в СО РАН. В исследовании были использованы данные спутникового альтиметра, предварительно обработанные в Геофизическом Центре РАН.
Во второй части работы анализируются массивы данных о температурном поле поверхности океана в эпицентральной области подводного землетрясения, полученные пассивным методом с бортового радиометра высокого разрешения.
Известно, что турбулентность в океане играет определяющую роль в формировании гидрологических полей. Изучение влияния сейсмических движений на океанскую турбулентность началось в последние десятилетия прошлого века при обнаружении аномалий ТПО в районах сильных подводных землетрясений [8]. В работе [7] впервые были приведены аналитические выкладки, подтверждающие возможность переноса холодных придонных водных масс в приповерхностный слой океана за счет вертикальных движений в зоне действия подводных землетрясений. Возникновение температурных аномалий на поверхности океана после землетрясения впоследствии было названо "сейсмическим апвеллингом". Ниже, автором дается краткое описание выполненных ранее работ по этой тематике.
Для анализа изменений ТПО, вызванных сильными землетрясениями, были использованы следующие массивы данных:
7
1. каталог землетрясений NEIC;
2. данные по ТПО, находящиеся в открытом доступе (Naval Oceanographic Office Open Data Access Server).
Данные поступали с AVHRR, установленных на полярно-орбитальных спутниках N0AA-14 и N0AA-15. В этом проекте достигнуто рекордно-высокое пространственное разрешение - 0,1 градуса. В данной работе описывается методика обработки данных, выбранных с сервера с помощью ряда программ, написанных автором. Визуализация обработанных данных произведена средствами графического пакета GrADS.
Затем приводится аналогичный анализ данных по ТПО, полученных прямыми измерениями, на примере региона Черного моря. Из приводимых рисунков распределения температур ХПС следует, что глубина изотермы минимальной температуры ХПС на вторые сутки после землетрясения резко уменьшилась. Иначе говоря, эффект "сейсмического апвеллинга" имел место и здесь, но не на поверхности, а на некоторой глубине.
В заключение работы приводятся аналитические выкладки. Их целью является попытка теоретического обоснования процесса переноса глубинных вод к поверхности в результате сейсмических колебаний дна.
Результаты проведенных исследований проявления сейсмических эффектов в океанологических полях и возможное их практическое применение выносятся на защиту данной диссертационной работы.
8
Глава 1. Обзор литературы
1.1 Дистанционные методы исследования океана
Дистанционное зондирование представляет собой совокупность методов измерения параметров физического состояния подстилающей поверхности и атмосферы с помощью приборов, находящихся на значительном удалении от объектов исследования. В отличие от контактных (прямых) измерений, когда измерительное устройство находится в соприкосновении с исследуемой средой, приборы дистанционного (косвенного) зондирования получают полезную информацию о среде путем измерения эффектов взаимодействия с ней электромагнитного излучения. Термин «дистанционное зондирование» обычно включает в себя регистрацию электромагнитного излучения посредством различных камер, сканеров, микроволновых приемников, радиолокаторов и других приборов такого рода. Дистанционное зондирование используется для сбора и записи информации об окружающей среде. Системы получения и распространения, данных дистанционного зондирования базируются на «четырёх китах»:
1. носителях съёмочной аппаратуры, в случае зондирования из космоса -ИСЗ;
2. собственно аппаратуре дистанционного зондирования;
3. бортовых средствах передачи данных на Землю по каналу связи;
4. наземных станциях приёма информации, её обработки и предоставления потребителям.
Для задач ДЗЗ обычно используются два основных типа спутников: геостационарные и полярно-орбитальные. Если первые ИСЗ постоянно обеспечивают обзор одной и той же части планеты, что достигается сохранением неизменного положения относительно определённой точки на экваторе, то вторые, находясь на орбите, почти перпендикулярно плоскости
9
вращения Земли, через определённый интервал времени, зависящий от ширины полосы обзора ИСЗ, оказываются над заданным районом наблюдения.
Соответственно, зона обзора геостационарных спутников ограничена пятидесятыми параллелями обоих полушарий. Полярно-орбитальные системы сталкиваются с проблемой иного рода: спутник может оказаться над одним и тем же районом съёмки в различные периоды «местного» (солнечного) времени. Так как сопоставление данных, полученных при разных условиях солнечной освещённости, оказывается весьма затруднительным, то такие спутники, как правило, выводятся на «солнечно-синхронные» орбиты. В этом случае движение спутника по орбите синхронизируется с вращением Земли, а поворот плоскости орбиты — с вращением Земли вокруг Солнца. На практике чаще всего используются солнечно-синхронные орбиты, для которых примерно постоянным остается угол между плоскостью орбиты и направлением на Солнце. В этом случае съемка осуществляется при постоянном местном времени, соответствующем району наблюдения. В зависимости от времени пролета ИСЗ над районом съемки различают утренние, полуденные и сумеречные орбиты.
Земная атмосфера прозрачна для электромагнитного излучения лишь в четырёх диапазонах: ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном и микроволновом. В соответствии с этим съёмочная аппаратура ДЗЗ, устанавливаемая на спутнике, также должна работать только в этих диапазонах. По способу получения информации об исследуемом объекте, методы дистанционного зондирования подразделяются на пассивные и активные. В первом случае источником информации является электромагнитное излучение, испускаемое средой, например цвет моря (видимый диапазон) или ТПО (инфракрасная область спектра). Во втором случае с ИСЗ периодически посылаются зондирующие импульсы, а полезную информацию получают путём сравнения излученного прибором и отражённого от среды сигнала. Так, например, измеряется расстояние до поверхности планеты.
10
Наблюдение, оценка и прогноз состояния Мирового океана с помощью ИСЗ получили обобщенное наименование космического мониторинга океана. Бортовая аппаратура спутников мониторинга океана предназначена для непрерывной регистрации целого ряда параметров, характеризующих состояние океана: ТПО, океанских течений (в том числе замкнутых), ветра в приводном слое атмосферы, высоты волн и др.
Наиболее распространенными датчиками ДЗЗ, использующимися на океанографических спутниках для измерения цвета поверхности океана, являются специальные многоспектральные радиометры, предназначенные для построения изображений в диапазонах спектра, оптимизированных с учетом необходимости определения приведенных выше характеристик. Как правило, диапазоны выбираются в видимом и ближнем инфракрасном областях спектра (0.4—0.8 мкм) и имеют ширину порядка нескольких нм. Пространственное разрешение радиометров для изучения поверхности океана чаше всего бывает невысоким (более 1 км), благодаря чему удается обеспечить необходимую обзорность снимков (ширина полосы обзора колеблется от 1000 до 3000 км).
В системах космического мониторинга океана также широко используется аппаратура радиолокационного зондирования; высотомеры, скаттерометры и РЛСБО. При этом эффективность применения РЛСБО для исследования поверхности океана обусловливается как общеизвестными преимуществами систем такого типа (всепогодность, независимость получения информации от времени суток и сезона), так и наличием адекватных моделей рассеяния электромагнитных волн морской поверхностью, которые используются при разработке методов зондирования и интерпретации получаемой информации.
11
1.2 Обнаружение цунами в открытом океане по данным спутникового альтиметра
В настоящее время цунами регистрируется в основном прямыми методами с помощью береговых самописцев уровня и датчиков придонного гидростатического давления.
Прямые измерения цунами, получаемые береговыми самописцами уровня, содержат колебания, сильно искажающие исходную форму волны, которую она имеет в открытом океане. Её выход на мелководье и отражение от берегов приводят к увеличению амплитуды, но при этом и спектр сигнала трансформируется за счет резонансных свойств прибрежной области шельфа, бухт, проливов. Наиболее качественные записи цунами в открытом океане осуществляются датчиками придонного гидростатического давления [1]. Однако такие системы весьма дороги и не могут обеспечить полного покрытия вероятных районов возникновения цунами.
Кардинальным решением проблемы изучения уровня моря не только вблизи побережья, но и на значительном удалении от берега с точной привязкой к единой геодезической системе отсчета в настоящее время является использование спутниковой альтиметрии и, в частности, высокоточных радиовысотомерных измерений с ИСЗ Geosat, T/P, ERS-1, ERS-2, Jason-1 и Envisat. В перспективе с этой целью могут быть использованы измерения российского геодезического ИСЗ "Муссон-2", а также других спутников с высотомерами, разрабатываемыми за рубежом. Таким образом точность привязки к единой системе высот, данных об уровне моря, полученных в этих работах, обеспечивается установленными на борту приемниками какой-либо из навигационных систем: Глонасс, GPS или Doris. В настоящее время данные спутниковой альтиметрии широко используются в задачах изучения мезомасштабной изменчивости течений, приливов и т.п.
12
По-видимому, впервые данные спутникового альтиметра в целях обнаружения цунами в открытом океане использовали американские специалисты [2]. Ими были проанализированы спутниковые записи, полученные в ходе экспериментов Topex-Poseidon, относящиеся к трём сильнейшим цунами Окуширскому, имевшему место 12 июля 1993 года, цунами на о. Ява 2 июня 1994 года и Шикотанскому, произошедшему 4 октября 1994 года. Записи уровня сделанные после землетрясения, подвергались корреляционному анализу. Авторы утверждали, что таким способом могут быть выделены крупномасштабные смещения уровня океана высотой 3-5 см. Однако им не удалось обнаружить следов цунами на всех записях, относящихся к этим событиям.
Следующая попытка обнаружить цунами в открытом океане по данным со спутника была сделана в 1999 году. Авторами были проанализированы записи, совпадающие по времени с несколькими цунамигенными землетрясениями [3]. Методами спектрального анализа специалистам удалось идентифицировать только Никарагуанское цунами 2 сентября 1992 года. Анализ всех остальных событий (в том числе таких значительных, как Шикотанское 4 октября 1994 года и Индонезийское 17 февраля 1996 года) не дали положительного результата.
13
1.3 Возникновение аномалий ТПО вызванных подводными землетрясениями
В настоящем пункте изложены представления о вертикальном обмене в океане, существующие на сегодняшний день. Интерес к исследованию океанской турбулентности обусловлен ее определяющей ролью в формировании гидрологических полей. Весьма важны исследования закономерностей турбулентности и для актуальной в настоящее время проблемы борьбы с загрязнением океана. Благодаря турбулентности океан способен "перерабатывать" определенные количества посторонних веществ, поступающих в него, так как турбулентная диффузия достаточно быстро снижает концентрацию примеси. До недавнего времени влияние сейсмических движений дна на океанскую турбулентность не исследовалось. Изучение этого вопроса началось в последние годы при обнаружении явления образования аномалий ТПО в районах сильных подводных землетрясений.
Сведения о неоднократном появлении пятен воды желтоватых и коричневатых оттенков на поверхности океана в зоне действия подводного землетрясения приведены в [4] со ссылкой на свидетельства очевидцев. Такое изменение цвета воды обычно связывают с появлением в ней значительного количества взвешенных частиц. Они могут переноситься от дна к поверхности восходящими турбулентными потоками. В работе [5] показано, что на процесс вертикального перемешивания вод океана сейсмическими движениями дна может затрачиваться порядка 0.01 % энергии землетрясения. В работе [6] описаны обнаруженные в Чёрном море аномалии в распределении сероводорода по глубине в период повышенной сейсмической активности в июне 1984 г., что также подтверждает обоснованность наших предположений о сложных процессах в море после сейсмических событий.
Возможность выхолаживания поверхности океана при подводном землетрясении впервые отмечалась в работе [7]. Там же приведены
14
аналитические выкладки, подтверждающие возможность переноса холодных придонных масс в приповерхностный слой океана за счёт вертикальных импульсов, возникающих в зоне действия подводных землетрясений. В этой же работе приведены априорные оценки характеристик таких процессов и возможной продолжительности существования температурных аномалий на поверхности океана.
Впоследствии возникновение температурных аномалий на поверхности океана после землетрясений было названо "сейсмическим апвеллингом". Приведём, согласно работам [8, 9], характерные величины данного явления: горизонтальный размер зоны возмущения равен 300-500 км, временной интервал между землетрясением и возникновением температурной аномалии на поверхности моря составляет 20-30 часов, время существования аномалии достигает 2 суток и более [8], максимальное отклонение температуры от фоновых значений достигает 6°С [9]. В настоящее время сведения об инструментальной регистрации температурных аномалий в океане, вызываемых подводными землетрясениями, весьма скудны. Ниже приводятся описания некоторых случаев проявления сейсмического апвеллинга.
В работе [8] при совместном анализе карт аномалий ТПО FNMOC и оперативного выпуска сейсмологического бюллетеня NEIC впервые было обнаружено несколько случаев образования холодных аномалий: 6 и 12 мая 1996 г. в районе о. Бугенвиль (Соломоновы острова) и 13 июня 1996 г. в районе о. Самар (Филиппины). Во всех случаях данным событиям предшествовали сильные сейсмические события (с М > 7.0). В этой же работе была оценена скорость восходящих потоков водных масс, которая составляет около 1 см/с.
В районе о-ва Бугенвиль в период с 20 апреля по 31 мая в радиусе 300 км от эпицентра землетрясения с максимальной магнитудой произошло 145 преимущественно неглубоких землетрясений. Основное землетрясение с магнитудой 7.5 имело место 29 апреля в 14 ч. 40 мин. по Гринвичу.
Температурная аномалия появлялась дважды. Максимальное отклонение температуры поверхности океана от окружающих фоновых значений составило
15
~3°С в первом случае и ~2°С во втором. Характерный горизонтальный размер аномалии равнялся 300-500 км. Необходимо отметить, что проявление температурной аномалии после основного толчка едва заметно, и лишь после целой серии сейсмических событий с 29 апреля по 5 мая аномалия становится ярко выраженной. Повторное появление аномалии 12 мая последовало непосредственно за землетрясениями, имевшими место 11 мая. Продолжительность аномалий составляла 1-2 суток.
Третье из обнаруженных событий - образование аномалии ТПО в результате подводных землетрясений, - произошло вблизи о. Самар, который находится в Филиппинском архипелаге. За период с 1 по 30 июня 1996 года в области, ограниченной радиусом 300 км, произошло свыше 50 землетрясений. Сейсмическое событие с максимальной магнитудой 7.2 имело место 11 июня в 18 ч. 23 мин. по Гринвичу. Холодная аномалия ТПО, образовавшееся у о. Самар обладала горизонтальными размерами порядка 500 км, а отклонение температуры в ней составляло ~1°С. Аномалия образовалась через 1.5 суток после землетрясения с максимальной магнитудой. Время существования аномалии составило около 1 суток.
В работе [9] при анализе данных попутных судовых наблюдений в дальневосточном регионе также было выявлено несколько случаев «сейсмического апвеллинга» и два из них детально описаны. В работе [10] был выявлен случай возникновения температурной аномалии, уникальный тем, что впервые наряду с образованием аномалии ТПО в результате подводного землетрясения была обнаружена и аппаратурно зафиксирована зона с аномально-высокой концентрацией фитопланктона (хлорофилла «а»).
Подводное землетрясение, интенсифицируя вертикальный обмен в слое океана над эпицентральной областью, может привести к тому, что в результате эволюции зоны с нарушенной стратификацией образуется внутренняя волна. До настоящего времени была известна лишь единственная работа, в которой описана внутренняя волна, вызванная Мексиканским землетрясением 1995 г [11]. На пятнадцатичасовых записях датчиков двух заякоренных буйковых
16
станций, установленных на шельфе вблизи эпицентра Мексиканского землетрясения (18,9° с.ш., 104,1° з.д.), через 175 минут после прихода волны цунами было зарегистрировано резкое понижение температуры воды (на 6°С) и повышение солености (на 0.5 промилле) на глубине 50 м. Продолжительность существования этого возмущения составила более 3 часов.
17
Глава 2. Анализ спутниковых данных по регистрации фронта цунами, вызванного цунамигенным
землетрясением
2.1 Современное состояние спутниковых альтиметрических программ и перспективы их развития
За период с 1974 по 1980 г.г. в США было реализовано 3 проекта по изучению Земли с использованием альтиметров. На борту Skylab IV были проведены испытания радиовысотомера с точностью измерения высот ИСЗ над уровнем моря 1 м, эксперимент по изучению поверхности Мирового океана с аналогичным прибором на борту ИСЗ Geos-З и эксперимент по решению той же задачи с помощью радиовысотомера 10 см точности, установленного на океанографическом ИСЗ Seasat. Все эти эксперименты были направлены на определение средней поверхности Мирового океана, отождествляемой, при некоторых предположениях, с поверхностью геоида. Точность предвычисления радиальной составляющей вектора положения спутника составила в среднем около 70-100 см. Поэтому задача полной реализации измерительных возможностей радиовысотомера ИСЗ Seasat оказалась невыполненной. К тому же из-за неполадок в работе бортовой аппаратуры срок активного существования ИСЗ Seasat составил всего лишь 3 месяца.
Тем не менее, обработка радиовысотомерных измерений проведённых на борту ИСЗ Geos-З и Seasat позволила решить ряд важных задач. Значительно уточнена фигура геоида Мирового океана (в диапазоне широт от +72 до -72 градуса). Ее среднеквадратическая ошибка составила около 1 м. Уточнена планетарная модель ГПЗ, что позволило ее использовать для решения многих геодинамических задач. Установлено наличие корреляции топографии уровня Мирового океана с циркуляцией водных масс и метеорологическими явлениями. Показана перспективность использования спутниковой альтиметрии для изучения

Получить работу