^{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 ИФ РАН

ВЕРОЯТНОСТЬ ИНИЦИИРОВАНИЯ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ВОЛНЫ ПРОНИКАЮЩИМИ КОМПОНЕНТАМИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

Сущность проблемы. В конце 80-х годов XX века была высказана идея о возможности мониторинга напряженного состояния глубинных слоев Земли в области формирования очагов землетрясений с использованием мюонного потока космических лучей, проникающего на несколько километров вглубь земной коры [1]. Было также показано, 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 спровоцировать землетрясения. Исходя из этого можно предложить идею нового космогеофизического метода краткосрочного прогноза сильных землетрясений, который, в принципе может быть реализован на базе экспериментального высокогорного комплекса «ATHLET» (Almаtу Three Level Experiment Technique).

Космические лучи – ключевой параметр в механизме солнечно-земных связей. В настоящее время в качестве одного из претендентов на механизм солнечно-земных связей выступает глобальная электрическая цепь [2-5]. В первом приближении, глобальная электрическая цепь (ГЭЦ) можно рассматривать как вертикальный токовый контур, пронизывающий и электродинамически связывающий все геосферы. В современной концепции ГЭЦ полагают, что ее верхняя граница находится на магнитопаузе, управляемой энергией солнечного ветра, а нижняя – в глубоких земных слоях. Эффективность работы ГЭЦ определяется ионизацией и электрической проводимостью среды, которая обеспечивается различными механизмами, в том числе, космическими лучами. Ток проводимости в ГЭЦ коррелирует положительно с вариациями интенсивности потока космических лучей в 11 летнем солнечном цикле. На проводимость различных участков ГЭЦ могут влиять различные компоненты космических лучей. Так, электронно-фотонная компонента, рождаемая в широких атмосферных ливнях (ШАЛ), производит ионизацию воздуха на высотах тропосферы [6]. Другая компонента космических лучей ШАЛ (мюонная) может проникать в земные породы и порождать в них микротрещины [1]. Не исключено, что при длительном воздействии микротрещины могут разрастаться и заполняться флюидными массами с гораздо большей проводимостью по сравнению с соседними участками. Одновременно, раскрытие микротрещин в геологической среде может сопровождаться акустическим (мюонным) шумом. Амплитуда шума будет зависеть от уровня напряженности среды и в сейсмически активной среде может возрастать на несколько порядков по сравнению с шумом в обычной ненапряжённой среде. Более того, при воздействии потока мюонов на сейсмически активную среду, напряжение в которой близко к критическому порогу разрушения породы, поток мюонов способен не только генерировать микротрещины и акустический шум, но и спровоцировать мгновенный сброс накопившегося напряжения, то есть, вызвать землетрясение [1]. Поэтому идея о том, что одновременный мониторинг потока мюонов в широких атмосферных ливней (ШАЛ) и амплитуд акустической и сейсмической эмиссий недалеко от оси ШАЛ, может обеспечивать исследователей чрезвычайно важной информацией об объемном напряженном состоянии среды (ОНС) на глубине формирования очагов землетрясений. Такой фактический материал мог бы стать основой для разработки космогеофизического метода краткосрочного прогноза сильных землетрясений.

Потенциальная возможность реализации космогеофизического метода прогноза сильных землетрясений на Северном Тянь-Шане. Расположенный вблизи г. Алматы высокогорный комплекс «ATHLET» (Almаtу Three Level Experiment Technique) [7] позволяет проводить регистрацию широких атмосферных ливней (ШАЛ) и получать характеристики электронно-фотонной и мюонной компонент космических лучей. ШАЛ рождается в результате взаимодействия первичных космических лучей (в основном протонов) с ядрами атмосферного газа [8]. Ширина ливня у земной поверхности может достигать сотен и тысяч метров, а площадь — десятков квадратных километров. При образовании ШАЛ, основная энергия первичной частицы (~80%) переходит в энергию электронно-фотонной компоненты вторичных космических лучей, которая полностью растрачивается в атмосфере, уходя на ионизацию нейтрального газа. Остальные ~20% частиц ШАЛ составляют мюоны. Эффективность взаимодействия мюонов с атмосферными газами примерно в 4.10⁴ раз меньше, чем у электронов, поэтому мюоны могут проникать в земную кору. В работах [9,10] проведено моделирование пробега мюона в грунте плотностью 2 г/см³ (гравийно-песчаная смесь) и показано, что они могут достигать глубин, по меньшей мере, до первого десятка километров. Оценка спектрального потока акустической (мюонной) энергии W = dε/dsdtdf (вт см^-2Гц^-1), генерируемой в процессе раскрытия микротрещин, в свое время была выполнена в работе [1]. Показано, что выделение этой энергии может происходить двумя способами - посредством «теплового» и «деструкционного» механизмов. В случае теплового механизма мощность акустической энергии (W_T) определяется выражением:

(1)

_{где Ntot – общая концентрация проникающих в земную кору частиц;}

_{εТ – акустическая энергия, излучаемая одним элементарным источником;}

_{R1 – расстояние от источника излучения до точки наблюдения.}

_{Полагая, что поток мюонов космических лучей на уровне моря составляет}

_{dNµ/dsdt ~ 2,7х10-2 (cm-2c-1),}

_{авторы [1] получили, что вклад теплового механизма в генерацию акустической энергии в диапазоне частот до 1КГц составляет примерно ~10-36 Втсм-2Гц-1. Экспериментально измеряемая на земной поверхности акустическая энергия в этом диапазоне частот находится в пределах 10-10– 10-18 Втсм-2, поэтому авторы [1] пришли к выводу, что «тепловой» механизм практически не вносит вклада в генерацию мюонной акустической энергии. Другой механизм взаимодействия проникающих частиц с геологической средой-«деструкционный» развивается при взаимодействии мюонов с} высоконапряженной сейсмически активной средой (САС). В этом случае образуется ядерно-электромагнитный каскад небольших размеров, в котором создаются условия для снятия напряжения в небольшом объёме породы, что сопровождается генерацией не только акустической, но и сейсмической волн, т.е. происходит мгновенная разрядка напряжения. В «деструкционном» механизме элементарными источниками акустического шума будут раскрывающиеся трещины, возникающие внутри объёма каскада. Суммарный поток энергии такого объёмного шума определяется выражением [1]:

(2)

_{где η – доля пород, находящихся в сейсмически активном состоянии;}

_{R1 – расстояние от источника излучения до точки наблюдения.}

_{Интегрирование в (2) ведётся по всему объёму среды. Величина объемного шума от}

_{взаимодействия мюонов с САС определяется в уравнении (2) интегралом от произведения двух зависящих от глубины функций: быстро падающей плотности числа столкновений мюонов со средой и растущей с глубиной функции η(h), которая представляет долюобъема земных пород, находящихся в сейсмически активном состоянии. При ядерном взаимодействии проникающей частицы с сейсмически активной средой и образовании каскада происходит практически мгновенная диссипация энергии в объеме, занимаемым каскадом. Наибольшая объёмная плотность тепловыделения достигается вблизи точки взаимодействия на треках малоэнергичных осколков ядра, где в цилиндре с поперечными размерами ~ 10-6см выделяется 109 – 1010 эВ/см. Если среда находится в сильно напряжённом состоянии, то такое тепловыделение может привести к образованию зародышевой трещины и сколь угодно мощному акустическому сигналу (землетрясению), инициированному очень малым «спусковым» воздействием проникающей частицы. Проведенные оценки, даже для случая умеренной трещины l=1мм, показали, что энергия «деструцционного» механизма увеличивается относительно энергии «теплового» механизма в 1021 раз, т.е. на 21 порядок. Однако, в работе [11] сделано заключение, что для образования столь мощного импульса под влиянием ядерного взаимодействия должно выполняться весьма жёсткое требование на напряжение в среде: оно должно быть чрезвычайно близко к предельному напряжению (σп ) разрушения породы: Δσ/σ = (σп – σ0)/σ0 ≈ 10-8, где σ – напряжение в среде.}

Для реализации изложенной теоретической идеи, то есть, для реализации метода мониторинга объёмно-напряжённого состояния среды на глубине формирования очагов землетрясений с использованием мюонов космических лучей, необходима регистрация мюонов в широких атмосферных ливнях на площади в несколько квадратных километров и одновременная регистрация акустических сигналов от раскрывающихся в геологической среде трещин. Экспериментальный комплекс «АТНLЕТ», состоящий из установок на высотах 3340м (станция Тянь-Шань), 1700м (Промежуточная станция) и 850м (центр г. Алматы) позволяет определить момент зарождения ШАЛ, его размер и энергию первичной частицы. Мюонная установка комплекса размещена в подземном помещении с 15-ти сантиметровым поглотителем мягкой (электронно-фотонной) компоненты. С 2013 года комплекс «АТНLЕТ» дополнен установкой “Горизонт-Т”, расположенной на высоте 3340 м над уровнем моря. Количество вещества от границы атмосферы до уровня установки в направлении под зенитным углом 70 градусов составляет 2000 г/см². На такой толщине вещества атмосферы, электронно-фотонная компонента ШАЛ практически полностью поглощается и заряженные частицы, которые достигают уровня установки, в основном, являются мюонами. Установка «Горизонт-Т» позволит определять энергетический спектр первичного космического излучения в области энергий больше 10¹⁶эВ, а также поток наклонных мюонов. То есть, к настоящему времени на территории Северного Тянь-Шаня уже создана основная наукоемкая часть системы для реализации космофизического метода прогноза сильных землетрясений. С установлением на территории комплекса акустических приемников и сейсмической станции, появится возможность экспериментального наблюдения корреляций между моментами появления широких атмосферных ливней, как источников пучков энергичных мюонов, и вызванных ими импульсов акустической и сейсмической эмиссий. В результате может быть создан новый инструмент изучения сейсмического процесса - мониторинг объемного напряженного состояния среды на глубине формирования потенциального очага землетрясения и новый космогеофизический метод краткосрочного прогноза сильных землетрясений.

Т.о. проникающая в земную толщу компонента космических лучей (мюоны) при взаимодействии с напряженной сейсмически активной средой может порождать микротрещины с генерацией акустической и даже сейсмической волн. Одновременная регистрация мюонов в широких атмосферных ливнях и энергии акустической и сейсмической эмиссий вблизи оси ливня позволила бы создать новое средство изучения сейсмического процесса, пригодного для проведения мониторинга объемного напряженного состояния среды на глубине формирования потенциального очага землетрясения, что стало бы основой для разработки нового космогеофизического метода краткосрочного прогноза сильных землетрясений. 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. Царев В.А., Чечин В.А. Атмосферные мюоны и высокочастотные сейсмические шумы. Препринт ФИАН. – 1988.– № 179. – 21с.

2. Markson, R. Solar modulation of atmospheric electrification and possible implications for the Sun-weather relationship. Nature. – 1978. - V.273. - 103-109 p.

3. Rycroft, M.J., S. Israelsson and C. Price. The global atmospheric electric circuit, solar activity and climate change. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. – 2000. - V. 62. –РР.1563-1576.

4. Harrison R.G. The global atmospheric electrical circuit and climate. Survey in geophysics. -2004. - V. 25. – РР.441-484.

5. Mукашев К.М., Вильданова Л._, Чубенко А.П. Атмосферное электричество и излучения, возникающие при грозовых явлениях. – Алматы.- Улагат. - 2012. --- с.

6.. Stozhkov Y.I. The role of cosmic ray in the atmospheric processes. //Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics. -2003. - V. 29. - No. 5. - РР.913-923.

7. Комплекс «АТЛЕТ» (АТНLЕТ) - http://npad.lebedev.ru/docs/athlet3.pdf

8. Добротин И. А., Г.Т. Зацепин, И.Л. Розенталь, Л.И. Сарычева, Г.Б. Христиансен, Л X. Эйдус. Широкие атмосферные ливни космических лучей. Успехи физических наук. - 1953 г. Февраль. - Т. XLIX. - Вып. 2. – С. 1-57.

9. Бейсембаев Р.У., Дрынь Е.А., Жуков В.В., Садыков Т.Х., Степанов А.В. Электронно-фотонные каскады в модели “Тянь-Шань”//Препринт ФТИ МОН РК. – 2002.–10с.

10. Гусев Г.А., Жуков В.В., Мерзон Г.И., Митько Г.Г., Степанов А.С., Рябов В.А., Чечин В.А., Чубенко А.П., Щепетов А.Л.. Космические лучи как новый инструмент сейсмологических исследований// Краткие сообщения по физике ФИАН. –2011.– №12. – С. 43-51.

11. Хаврошкин О.Б., Царев В.А., Циплаков В.В., Чечин В.А. Взаимодействие нейтринных пучков с сейсмически активной средой. Препринт ФИАН. –1985.–№ 167.– 16с.

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