Использование данных спутника GRACE для исследования современной геодинамики

Миссия GRACE вносит значительный вклад в изучение гравитационного поля Земли и его изменения, связанного с переносом масс. Данные спутников применяются в океанографических, гидрологических, геологических, геофизических, геодезических и геодинамических исследованиях (Tapley et.al., 2005; Kuroishi, 2009) Короткопериодные (в пределах года) изменения силы тяжести в основном связаны с массопереносом в атмосфере и гидросфер (Tapley et.al., 2003). Это может являться следствием климатических и погодных процессов, таких как изменение уровней воды различных акваторий, влажности и температуры воздуха, почвенной влаги, изменениями уровня грунтовых вод, таянием ледников и многое другое(Tapley et.al., 2004). Но так же очевидно, что в вариациях гравитационного поля Земли во времени должны присутствовать внесезонные частотные компоненты, связанные с тектоническими факторами. В частности, свой вклад должны вносить глубинные процессы перераспределения масс в результате мантийной конвекции, изменения земной поверхности, вызванные движениями литосферных плит, землетрясений и т.д. (Tonaka et.al., 2015; Михайлов и др., 2016). Учитывая, что гравитационное поле у поверхности Земли является комбинацией эффектов от гравитирующих масс различной глубины, размеров и природы, появляется возможность подавить "климатические" компоненты с целью акцентировать внимание на тектонической составляющей гравитационного поля. Объектом нашего исследования является набор данных GRACE уровня L3 уложенный в 3-мерную модель, где каждый 2-мерный пространственный слой представляет собой карту изменений гравитационного поля в градусной проекции с пространственным разрешением 1гр/пикс в соответствующий временной интервал. Так как задача заключается в простом удалении высоких частот, в качестве фильтра использовались 3D гауссовы сглаживания, где кроме двух пространственных измерений, третье – время. Тогда, кроме временных (ось Z) сглаживаний, которые удаляют короткопериодные (в зависимости от величины масштабного параметра) составляющие, возможна и пространственная фильтрация, которая дает не только (и не столько) удаление шумов, сколько предоставляет возможность оценивать глубины происходящих геодинамических процессов. Т.е. чем выше пространственная генерализация, тем меньше влияние не конечный результат оказывают приповерхностные процессы. Такой подход позволяет в деталях рассмотреть относительно компактные зоны, например, участки в районе катастрофических землетрясений Суматры (2004) или Тохоку (2011), где главные события происходят на глубинах не более одной-двух сотен километров, но высокая деталировка маскирует глобальные взаимосвязанные процессы на расстояниях в тысячах километров. И пространственная генерализация снимает эту проблему.
Для визуализации был написан ряд программ позволяющих интерактивное взаимодействие с данными GRACE, куда входит инструментарий для выделения интересуемых участков, подбор масштабных параметров сглаживания в режиме on-line как пространственных, так и временных, построение различных матриц градиентов изменения гравитационного поля в зависимости от времени, а также возможность сохранения результата в анимационный ролик или отдельно взятый фрейм в растровое изображение.
В ходе выполнения этой работы, была обнаружена неравномерность "геодинамической активности Земли" (назовем это так) в зависимости от периода наблюдений: высокая активность наблюдалась в 2003-2004 и в 2014-2015 годах, тогда как в 2007-2008 был ее спад. В качестве критерия было использовано стандартное среднеквадратичное отклонение для каждого из пространственных слоев. Расчеты были проведены как для всей планеты, так и для нескольких тектонически активных регионов. Получилась серия графиков, где каждой дате исходных данных GRACE ставится в соответствие некая условная величина активности. В результате графики земной и солнечной активности показали хорошее совпадение. Это и многие другие наблюдения требуют дальнейших исследований и моделирования.
Выявлен ряд особенностей изменения во времени гравитационного поля отдельных сейсмически активных регионов, в том числе района Сихотэ-Алиня и прилегающей территории.
Исходная информация о солнечной активности взята с сервера физико-метеорологической обсерватории (Physikalisch-Meteorologisches Observatorium Davos) в качестве таблицы суммарного солнечного излучения (Total Solar Irradiance - TSI). http://www.pmodwrc.ch/pmod.php?topic=tsi/composite/SolarConstant
Исходные данные GRACE были получены с серверов NASA JPL
https://grace.jpl.nasa.gov/data/monthly-mass-grids/.
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 16-17-00015.