Физика / 9..Астрофизика и космические лучи

 

1Жантаев Ж.Ш., 1Бреусов Н.Г.,  2Курманов Б.К., 2Хачикян Г.Я.,

3Мукашев К.М.,  4Садыков Т.Х., 5Жуков В.В.

 1АО «Национальный центр космических исследований и технологий»  НКА РК

 2ДТОО «Институт ионосферы»  АО «НЦКИТ» НКА РК

 3Национальный Педагогический Университет им. Абая МОН РК

4Физико-Технический Институт АО «ННТХ «Парасат» МОН РК

 5Тянь-Шаньская Высокогорная Научная Станция  ИФА РАН

 

О ВОЗМОЖНОЙ КОРРЕЛЯЦИИ МЕЖДУ ВАРИАЦИЯМИ ИНТЕНСИВНОСТЕЙ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ И ХАРАКТЕРИСТИКАМИ СЕЙСМИЧНОСТИ

 

Сущность проблемы.  Как известно, на Земле ежегодно происходит примерно 18-20  землетрясений с магнитудой  7,0 и выше по шкале Рихтера. В результате этих явлений погибают более 60000 человек при  экономическом ущербе, достигающем сотни миллиардов долларов США. Поэтому естественно возникает высокий социальный спрос на надежные методы прогноза  землетрясений.  Территория  Казахстана в этом плане не является исключением, поскольку около третьи его площади расположено в сейсмоопасных районах. В свое время в этих районах  происходили разрушительные землетрясения и  они не исключены в будущем [1]. С механической точки зрения, землетрясение представляет собой мгновенную разрядку накопившегося в конкретном объеме геологической среды напряжения, поэтому одним из ключевых факторов для сейсмического прогноза является  информация об объемном напряженном состоянии  (ОНС) геологической среды в районе потенциально возможного очага землетрясения, расположенного, как правило, на глубине порядка 10 км и более. Ранее была высказана идея о возможности мониторинга ОНС среды на глубине формирования очагов землетрясений с использованием мюонного потока космических лучей, проникающего  на несколько километров вглубь земной коры [2]. Сущность идеи заключается в том, что при воздействии высокоэнергичных  мюонов на сейсмически активную среду, напряжение в которой близко к критическому (порогу разрушения), может произойти мгновенный  сброс критического  напряжения, то есть, поток космических лучей может сыграть роль спускововго механизма  землетрясения. Поэтому важность систематизации статистических результатов о соответствии между вариациями космических факторов и характеристик  сейсмичности, как на всей планете, так и на территории Северного Тянь-Шаня, несомненна.

Солнечная активность и сейсмичность всей Земли. Можно считать, что наличие соответствия между вариациями солнечной активности и сейсмической  активности Земли к настоящему времени надежно установлено. Так, в работах [3,4] по  данным 1973-2011гг. было показано, что долговременные тренды в числе солнечных пятен и в частоте повторяемости на планете землетрясений с магнитудой М≥4,5 находятся в противофазе. Относительные (в процентах) вариации частоты повторяемости землетрясений (ΔNT%)  внутри 11 летнего солнечного цикла в зависимости от числа солнечных пятен (W) представлены  на рисунке 1, где вертикальные отрезки есть среднеквадратическое отклонение, а сплошная кривая - аппроксимация зависимости функцией  Гаусса. Видно, что при низком уровне солнечной активности (W<60), значения ΔNT%  располагаются преимущественно выше нулевой линии, при умеренном (60<W<140),  ΔNT%  располагаются преимущественно ниже нулевой линии, а при высоком  (W≥140), отклонение ΔNT%  от нулевой линии  заметно сокращается. В целом, рисунок 1 показывает, что внутри 11-летнего солнечного цикла вариации частоты повторяемости землетрясений с М≥4.5 находятся в пределах первого десятка процентов.

К настоящему времени также установлено, что величина выделяющейся на планете сейсмической энергии увеличивается с понижением уровня солнечной активности. Например, в работе [4] была подсчитана среднегодовая сейсмическая энергия Es=10(11,8+1,5M), выделившаяся на планете в 1973 - 2011гг.  Для расчетов были использованы данные о землетрясениях с магнитудой М ≥ 4,5 (182933 событий).  На рисунке 2 сопоставлены среднегодовые числа солнечных пятен (а) и логарифм выделившейся сейсмической энергии logEs=11,8+1,5М, где М - магнитуда.  Сплошные  линии на рисунке – долговременные тренды, которые показывают, что от 1973 к 2011 гг. солнечная активность уменьшалась, а сейсмическая энергия Земли увеличивалась.

 

Bin-Gauss

Рисунок 1 – Распределение отклонений (в процентах) годового числа землетрясений с М≥4,5 в зависимости от среднегодового числа солнечных пятен (крестики); ромбы – усредненные отклонения внутри W- бинов, равных 20; [4].

 

Солнечная активность и сейсмичность на Северном Тянь-Шане.  На территории  Северного Тянь-Шаня за последние  ~130 лет произошло восемь сильных землетрясений [5]:  Беловодское (1885г., М=6,9); Верненское (1887г., М=7,3);  Чиликское (1889г., М=8,3); Кеминское (1911г., М=8.2); Кемино-Чуйское (1938г., М=6,9); Сарыкамышское (1970г., М=6,8); Жаланаш-Тюпское (1978г., М=6,8); Байсорунское (1990г., М= 6,4).  Анализ этих событий в связи с вариациями солнечной активности выявил [6] четкую  обратную зависимость между их магнитудой и среднегодовым числом солнечных пятен (W) (рисунок 3).  Сплошная прямая на рисунке  есть  линейная аппроксимация наблюденных данных с уравнением регрессии: М=7,96–0,012W, среднеквадратическим отклонением SD=0,36 и коэффициентом корреляции  R=-0,88.

 

 

 

Рисунок 2 – Среднегодовые числа солнечных пятен (а) и

логарифм годовых значений выделившейся на

Земле сейсмической энергии (b) по результатам  [4].

 

Другой, не менее важный результат, свидетельствующий о связи сейсмичности на Северном Тянь-Шане с вариациями солнечной активности, получен в цикле работ [7-10]. Результаты этих исследований показывают наличие связи между вариациями солнечной активности и сейсмотектонической деформации земной коры на локальной территории, расположенной в высокогорной части хребтов Заилийский и Кунгей Алатау, между Алматинской впадиной на севере и Иссыкульской – на юге, Аксайским и Тургеньским разломами – на западе и востоке. В недалеком прошлом на этой территории произошли сильные землетрясения: Верненское (1887г., М=7,3) и Кеминское (1911г., М=8,2). Анализ вариаций среднегодовых значений коэффициента Лоде-Надаи, рассчитанных по данным о механизмах очагов землетрясений, показал  , что для данной территории характерен деформационный режим одноосного сжатия в годы  минимума солнечной активности и  режим одноосного растяжения - в годы максимума солнечной активности [7, 8]. Также, для данной территории характерно наличие в подкоровом пространстве активной мантии, характеризующейся низкими значениями скорости (Vp=7,6 км/с) и аномально высокой температурой (1000-1400°С). На глубине 280-160км тепломассопотоки

 

Рисунок 3 -  Магнитуды сильных  землетрясений, произошедших

на Северном Тянь-Шане за последние ~130 лет,

в зависимости от  числа солнечных пятен [6].

 

локализованы в плюмовые каналы, а по мере прослеживания вверх их горизонтальное сечение увеличивается и, фактически,  земная кора этой территории расположена непосредственно над плюмовым каналом - в зоне подкорового латерального «растекания» мантийного субстрата, где его температура достигает 1000-1300°С [11]. С учетом отмеченных тектонических особенностей строения литосферы данного района,  можно дать следующую  интерпретацию эффекта связи сейсмотектонической деформации земной коры с солнечной активностью [10]: «…на территории Северного Тянь-Шаня, в условиях субмеридионального регионального сжатия, обусловленного коллизией Евразийской и Индостанской литосферных плит, вследствие локального увеличения температуры и мощности мантии (имеется ввиду - при высокой солнечной активности), происходит отно­сительное уменьшение сил сжатия из-за разуплотнения мантии (повышения текучести). В результате, на локальных территориях, где имеются подсти­лающие мантийные плюмы, возможно относительное растяжение (уменьше­ние сжатия), фиксируемое многочисленными землетрясениями со сбросовыми механизмами в очагах, в отличие от большинства вбросовых механизмов в окружающем пространстве». Ключевая фраза в данной интерпретации «….вследствие локального увеличения температуры и мощности мантии» подразумевает, что объяснить соответствие между вариациями сейсмотектонической деформации и солнечной активности можно, но при условии, что солнечная активность влияет на активность подстилающей земную кору мантии или, другими словами,  на активность мантийных плюмовых каналов. Открытым остается вопрос о физическом механизме возможного влияния солнечной активности на мантийный субстрат. Не исключено, что физический механизм такого влияния может быть лишь составной частью более общего механизма солнечно-земных связей, который пока еще до конца не разработан, и в котором одним из ключевых параметров являются именно космические лучи.

Т.о., анализ приведенных статистических результатов о соответствии между вариациями солнечной активности, интенсивности потока космического излучения и вариациями характеристик сейсмичности Земли с позиции  современного взгляда на физический механизм солнечно-земных связей показывает, что  одним из ключевых параметров в данном случае могут выступить космические лучи. Представленные в данной статье результаты обсуждались на заседаниях соответствующих секций двух международных симпозиумов [12, 13].

Работа выполнялась по Программе 055 «Научная и/или научно-техническая деятельность»  по приоритету  «Интеллектуальный потенциал страны» в рамках гранта  «Разработка  методов прогноза сейсмической активности  на основе мониторинга акустических сигналов, генерируемых мюонами космических лучей на примере Алматинского прогностического полигона» и гранта Ректора КазНПУ им. Абая.

 

Литература

          1. Сыдыков А. Сейсмический режим территории Казахстана. -Алматы: Гылым. 2004. 270 с.

      2. Царев В.А., Чечин В.А. Атмосферные мюоны и высокочастотные сейсмические  шумы.  Препринт ФИАН. – 1988.– № 179. – 21с.

3. Жантаев Ж.Ш., Курманов Б.К., Хачикян Г.Я., Ким А.С., Жумабаев Б.Т. Литокосмическая  погода: современное состояние проблемы //Геодинамика и солнечно-земные связи. Алматы.– 2013.– С. 20-39.

4. Хачикян Г.Я.,  Садыкова А.Б.,  Джанабилова С. Связь частоты повторяемости землетрясений  и сейсмической  энергии  Земли  с вариациями солнечной активности. //Международный научный журнал-приложение Республики Казахстан.  Высшая школа Казахстана.,  Поиск-Izdenis.–2014. - №2. – С. 55-61.

5. Кальметьева З.А., Миколайчук А.В., Молдобеков Б.Д., Мелешко А.В., Жантаев М.М. и Зубович А.В. Атлас Землетрясений Кыргызстана. Бишкек – ЦАИИЗ – 2009. - ISBN 978-9967-25-829-7. – 74c.

6. Хачикян Г. Я., Садыкова А.Б.,  Полешко Н.Н. Вариации  солнечной активности и  сейсмотектоническая активность Северного Тянь-Шаня. //Международный научный журнал-приложение  Республики Казахстан.  Высшая школа Казахстана. Поиск-Izdenis.–2014. - №2(1) – С. 114-119.

7. Полешко Н.Н., Садыкова А.Б., Сыдыков А., Тимуш А.В. Хачикян Г.Я., Шацилов В.И. Вариации солнечной активности и сейсмотектонические деформации на Северном Тянь-Шане: Часть 1. Коэффициент Лоде-Надаи // Вестник НЯЦ РК. - 2009.  -Вып.1. - С. 86-92.

8. Полешко Н.Н., Садыкова А.Б., Сыдыков А., Тимуш А.В. Хачикян Г.Я., Шацилов В.И. Вариации солнечной активности и сейсмотектонические деформации на Северном Тянь-Шане: Часть 2.  Азимут оси напряжения сжатия // Вестник НЯЦ РК. - 2009.  -Вып.1.  - С. 93-97.

9. Полешко Н.Н., Копничев Ю.Ф., Садыкова А.Б., Хачикян Г.Я., Соколова И.Н.  Сейсмотектоническая деформация и добротность среды на Северном Тянь-Шане: связь с вариациями солнечной активности. Тезисы докладов пятого международного симпозиума «Современные проблемы геодинамики и геоэкологии внутриконтинентальных орогенов» к 75-летию со дня рождения Ю.А. Трапезникова. Бишкек. - 2011. -Т.1.-  С. 272-275.

10. Тимуш А.В., Садыкова А.Б., Степаненко Н.П., Хачикян Г.Я. Строение литосферы как фактор вариаций сейсмотектонических деформаций в связи с солнечной активностью на Северном Тянь-Шане // Известия НАН РК. Серия геологии и технических наук. - 2013.  - №1. - С. 55-66.

11. Шацилов В.И., Горбунов П.Н. Тимуш А.В. Новые данные о тектоносфере Тянь-Шаня // Доклады НАН РК.  - 2000. - №2. - С.50-54.

12. Zhantayev Zh.,  Khachikyan G., Breusov N. On dependence of seismic activity on 11 year variations in solar activity and/or cosmic rays. Geophysical Research Abstracts. 2014.

-V.16.EGU2014-5253.Presentation.http://meetingorganizer.copernicus.org/EGU2014/orals.

13. Sadykov T.Kh., Zhukov V.V.,  Breusov N.G. , Mukashev K.M., Khachikyan G.Ya., Zastrozhnova N.N. Seismic stations for short-term prediction of earthquakes by means of the cosmic rays// Материалы VIІI международной научно-практической конференции  «Новости научной мысли – 2013». Изд: Publishing House «Education and Science» (Чехия, Прага). –28-30 October 2013. www.rusnauka.com/CONF/NEW_CONF/1.htm‎

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ СТАТЬИ

 

Жантаев Жумабек Шабденамович, член-корреспондент НАН РК, доктор физико-

математических наук, Генеральный директор АО «НЦКИТ». Адрес: 050100,  Алматы,  Шевченко, 15.

Бреусов Николай Гергиевич, кандидат  физико-математических наук, Зам. Генерального директора АО «НЦКИТ». Адрес: 050100,  Алматы,  Шевченко, 15.

  Курманов Бауржан Коптлеуулы, директор ДТОО «Институт ионосферы» АО»НЦКИТ» . Адрес: 050020, Алматы, Каменское плато

Хачикян Галина Яковлевна, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник ДТОО «Институт ионосферы» АО»НЦКИТ» .Адрес: 050020, Алматы, Каменское плато. Служ. тел. 380-30-54. e-mail: galina.khachikyan@gmail.com

Мукашев Канат Мукашевич,  доктор физико-математических наук, профессор, Национальный Педагогический Университет им. Абая МОН РК.  Адрес: 050100, Алматы, Достык,13. Служ. тел. 380-30-54. e-mail: kanat-kms@mail.ru

Садыков Турлан Хамзинович, доктор физико-математических наук, зав. лабораторией, Физико-Технический Институт АО «ННТХ «Парасат» МОН РК.  Адрес: Алматы, пос. Алатау. Служ. тел. 380-30-54.

Жуков Валерий Витальевич, кандидат физико-математических наук, заведующий Тянь-Шаньской  Высокогорной Научной Станции  ИФА РАН. Адрес: 050020,  Алматы,  Митина, 3. Служ. тел. 387-08-58