Применение методов анализа и разложения временных рядов для выявления аномалий пространственно-временного распределения концентрации электронов в ионосфере по данным спутниковых измерений на примере землетрясения Тохоку 2011 года

Для исследования физической природы сейсмо-ионосферных связей и поиска возможных предвестников землетрясений необходим метод достоверной идентификации аномалий пространственно-временных распределений параметров ионосферы, к примеру, аномальных всплесков концентрации электронов в области повышенной сейсмической активности за несколько дней до катастрофы. К настоящему времени накоплены данные по измерениям параметров ионосферы с использованием глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) и наземных ионозондов, начиная с 90-х годов XX века. Помимо ГНСС, имеется ряд низкоорбитальных научных спутников, оснащенных аппаратурой для измерения электромагнитных полей, проходящих в том числе сквозь ионосферу, чувствительность и диапазоны измерений которой позволяют исследовать новые параметры ионосферной плазмы в широком спектре частот, не ограничиваясь дециметровыми.
При анализе динамики верхней ионосферы крайне важно разделать вклады внешних воздействий, основным источником которых является Солнце, и локальных процессов, таких как напряжения в литосфере или мощные тайфуны и грозы в атмосфере. Концентрация электронов является чувствительным индикатором состояния ионосферы, поддающимся измерению в глобальном масштабе с высоким пространственным и временным разрешением благодаря большому количеству источников сигналов GPS/GLONASS на орбитах вокруг Земли и огромному числу приемников, установленных на станциях сети GEONET по всему Земному шару. Современные данные обеспечивают разрешение до 0.5 градуса по широте и долготе и до 15-30 секунд по времени, что более чем достаточно для диагностики возможных предвестников землетрясений. Тем не менее, до сего дня не существует надежного метода дистанционного спутникового обнаружения предвестников катастрофических процессов в ионосфере и атмосфере.
Основная проблема заключается в отсутствии метода однозначной идентификации аномалий в пространственно-временном распределении параметров ионосферы относительно фоновых значений. Для выделения аномалий концентрации электронов в ионосфере в заданном районе необходимо знать нормальный суточный, сезонный, годовой ход этого параметра в заданной точке, с учетом фактической солнечной активности и возмущений магнитного поля Земли. Это сложная многофакторная задача. Для ее решения применяют модели ионосферы, построенные по многолетним наблюдениям, с помощью которых рассчитываются локальные, региональные и глобальные карты полного электронного содержания в ионосфере (англ. GIM – Global Ionosphere Maps). Основой для построения глобальных карт ионосферы служит мировая общедоступная сеть ГНСС-станций, развернутая международной службой анализа IGS, функционирующая с 1994 года. В качестве модели пространственного распределения полного электронного содержания используется разложение в виде сферических функций (13 различных наборов коэффициентов сферических гармоник на суточном интервале). Наиболее известны модели Европейского центра определения орбит CODE (rapid CORG), Уханьского Университета WHU (rapid WHRG) и Лаборатории реактивного движения NASA JPL (rapid JPRG). Общим недостатком указанных моделей является низкое пространственное (2-5 градусов) и временное (15 минут – 2 часа) разрешение, которое не позволяет выявлять короткопериодические аномальные вариации электронного содержания.
Альтернативным решением является использование информации, содержащейся в самих данных измерений, с учетом дополнительных знаний о годовом, сезонном, суточном уровне солнечной активности, а также необычных всплесках такой активности, обусловленной солнечными вспышками и выбросами плазмы. Все предпосылки для этого есть, так как на данный момент накоплена достаточная история измерений, позволяющая делать выводы относительно суточной, сезонной, годовой динамики, а также динамики в рамках 11-летних солнечных циклов.
Нами предложен метод анализа и разложения пространственно-временных рядов данных на составляющие, позволяющие выделять аномальные вариации полного, регионального или локального (зависит от охвата исходных данных) электронного содержания, измеренного по данным сигналов спутников ГНСС, принятых станциями сети GEONET с временным разрешением 30 секунд. Дополнительно использованы данные о максимальной плотности ионизации верхней ионосферы, полученные на станциях вертикального зондирования ионосферы с временным разрешением 15 минут, индексы солнечной активности, магнитные индексы SME и данные об интенсивности солнечного излучения в радиодиапазоне с длиной волны 10.7 см (соответствующей частоте 2800 МГц). Предложенный метод может быть использовать при обработке больших объемов данных, так как не требуем больших вычислительных мощностей и легко масштабируется на любой нужный регион, использует информацию, которая содержится в самих данных.