Сравнительный анализ связи солнечных вспышек и землетрясений

Введение

Уже не одно десятилетие ученые пытаются найти связь между событиями на Солнце и сейсмическими событиями на Земле. В настоящей работе предпринята еще одна такая попытка. Для сопоставления параметров землетрясений с параметрами солнечной активности в целях поиска возможной связи необходимо выбрать соответствующие индексы. В качестве индекса,описывающего энергетику землетрясений была выбрана магнитуда.

Землетрясение – сложное геологическое явление, которое связано с внутренними эндогенными силами Земли. Оно представляет собой разрыв, который сопровождается высвобождением и перераспределнием определенной энергии. [Короновский]. Скорость распространения разрывов составляет несколько километров в секунду. Объем горных пород в недрах земли, подвергающийся мгновенному разрушению, называет очагом. [Соколовский]. Гипоцентр – центральная часть этого объема, эпицентр – его проекция на земную поверхность (рис.1).

Рис. 1 Схема строения очага землетрясения

По глубине гипоцентров землетрясения подразделяются на три группы: мелкофокусные – 0 - 60 км; среднефокусные – 60-150 км; глубокофокусные – 150-700 км. Смещение масс горных пород вызывают продольные P и поперечные волны S. Волны P представляют собой чередование сжатия и растяжения и способны проходить через твердые, жидкие и газообразные вещества, волны S сдвигают частицы вещества под прямым углом к направлению своего распространения. В целях количественной оценки меры полной энергии сейсмических волн, выделившихся при землетрясении, широко используется шкала магнитуд.

М = lg(А/Т) + ВlgΔ + ε,

где А и Т – амплитуда и период колебаний в волне, Δ – расстояние от станции наблюдения до эпицентра землетрясения, В и ε – константы, зависящие от условий расположения станций наблюдения.

Для оценки энергетики солнечных вспышек применяется свой индекс. Начиная с 1976 г. [Ишков, 2010]), в качестве такого индекса используется фоновое значение потока мягкого рентгеновского излучения Солнца в диапазоне 0.1 – 0.8 нм (12.5 эВ – 1 кэВ) по данным спутников серии GOES. Поток рентгеновского излучения на околоземной орбите, измеренный сенсорами спутника, может быть отнесен к одному из классов А, В и С.

А = (1 – 9) ×10 ^-8 Вт/м²

B = (1 – 9) ×10 ^-7 Вт/м²

C = (1 – 9) ×10 ^-6 Вт/м²

Патрульные наблюдения на спутниках показали, что изменения фонового рентгеновского излучения обычно заключены в пределах от А < 1 в минимуме солнечного цикла до C < 5 в максимуме солнечного цикла. Та же система обозначений применяется для обозначения вспышек, максимальные интенсивности рентгеновского излучения которых лежат в пределах

(1 – 9) ×10 ^-6 Вт/м² (класс С)

(1 – 9)×10 ^-5 Вт/м² (класс М)

(1 – n)×10 ^-4 Вт/м² (класс Х),

где n ограничено возможностями сенсора. На основании этой номенклатуры были введены следующие классы для рентгеновских вспышек. Малыми (слабыми) называются все вспышки баллов B и С. Средние вспышки – все вспышки в пределах от М1 до М4.9 (М1 – 10^-5 Вт/м², М4,9 – 4.9×10^-5 Вт/м²). Все вспышки больше М5 считаются большими или сильными (М5 – 5×10^-5 Вт/м²). Запись «вспышечный индекс данной вспышки равен М7,6» означает, что излучение во время максимума ее развития соответствовало величине 7,6×10^-5 Вт/м², а соответствующая вспышка должна считаться сильной.

Сильные вспышки могут оказывать значительное влияние на земную атмосферу. При взаимодействии солнечных частиц с магнитным полем Земли происходит магнитная буря, которая может продолжаться от нескольких часов до нескольких суток.

Индексы магнитных бурь – это количественные показатели интенсивности и длительности геомагнитной активности, связанной с бурями в кольцевом токе, в ионосфере и конвекции в полярных регионах.

Еще один параметр, выбранный для анализа – возмущенность геомагнитного поля, которая описывается с помощью Кр-индекс. Это глобальный трехчасовой индекс геомагнитной активности, усреднённый по международной сети станций, диапазон обычно 0–9; значения выше означают более сильные возмущения.

В процессе измерения магнитометр фиксирует горизонтальные компоненты магнитной индукции в нанотеслах за трёхчасовой период. Отклонение вычисляют как разницу между полученными значениями и средним показателем спокойных дней. Максимальные положительные и отрицательные отклонения за этот интервал суммируют, общее максимальное отклонение. Затем по специальному алгоритму это значение преобразуют в K-индекс. K-индекс имеет квазилогарифмический характер: прибавление одной единицы индекса соответствует примерно двукратному росту отклонения. Поскольку геомагнитная активность зависит от места измерения, таблица преобразований может различаться между пунктами. (таблица 1)

Таблица 1. Значения К-индекс

1 Данные

Каталог солнечных вспышек. Для исследования солнечных вспышек был создан каталог данных, который включает в себя вспышки классов М и Х. Как правило, вспышки именно этих классов могут вызвать магнитные бури на Земле.

В каталог включены данные такие, как дата (год, месяц, день); время максимума вспышки; номер активной области согласно номенклатуре NOAA, в которой произошла вспышка; рентгеновский класс вспышки; вычисленными нами вспышечный индекс (рис. 2).

Рис. 2 Фрагмент каталога вспышек на Солнце

Для исследования были отобраны данные с января 2009 г по декабрь 2025 г., включающие в себя 2675 событий класса М и Х. В мае 2024 года – это был максимум 25 цикла солнечной активности, наблюдался так называемый вспышечный эксцесс. За короткий промежуток времени произошло рекордное количество вспышек класса Х. Для сравнения, за 24 цикл СА произошло 19 вспышек класса Х, а с начала мая по середину июня 2024 года их было 25. Об этом событии авторы ранее опубликовали несколько статей. Вспышечный индекс К₁ отражает энергетику вспышек на Солнце.

Данные для каталога были взяты с сайта ИКИ РАН и ИСЗФ СО РАН - https://xras.ru/.

Каталог магнитных бурь. Для составления каталога магнитных бурь был также использован архив сайта https://xras.ru/. Были взяты данные за исследуемый период, которые включают в себя 680 событий. В каталоге указаны следующие данные: дата; время начала бури; класс бури; максимальный планетарный индекс (рис.3). Также, для сравнительного анализа и нормировки сопоставляемых данных был введен индексК₂ = К×10^-1, где К – К-индекс.

Рис. 3 Каталог магнитных бурь

Каталог землетрясений.Для составления глобального каталога землетрясений был использован сайт Единой геофизической службы - http://www.gsras.ru. За исследуемый период было отобрано 37079 событий, магнитуда которых была более 5. В каталоге отображены следующие данные: дата; время; координаты (широта, долгота); глубина; магнитуда (рис. 4). Как и для магнитных бурь, для магнитуды также был введен индекс для сравнительного анализа: К₃ = М×10^-2, где М – магнитуда землетясения.

Рис. 4 Каталог землетрясений

2         Анализ данных

В ходе исследования была рассмотрена возможная связь между индексами солнечных вспышек и землетрясениями (рис. 5), между индексами магнитных бурь и землетрясениями (рис. 6). Для построения графиков были рассчитаны суммарные значения индексов по годам. По оси х размещены временные промежутки, а по оси у – значения коэффициентов.

Рассчитаны коэффициентылинейной корреляции. При сравнении индексов магнитных бурь К₂ и землетрясений М коэффициент оказался исчезающе малым -0,003; при сравнении индексов солнечных вспышек К₁ и землетрясений М ситуация оказалась аналогичной – коэффицент корреляции составил – 0,039.

Рис. 5. Сравнение К-индекса магнитной бури и К₂ землетрясений

Рис. 6. Сравнение вспышечного индекса вспышки на Солнце и К₂ землетрясений

Рассмотрено количественное сравнение всех исследуемых событий (рис. 7), из которого хорошо видно, что связь между ними не просматривается.

Рис. 7. Количественное сравнение вспышек, магнитных бурь и землетрясений

Выводы. Как указывалось выше, исследования возможной связи солнечной активности и сейсмической активности на Земле ранее выполнялись неоднократно. Сопоставления землетрясений с индексом пятнообразования на Солнце – числом Вольфа не показывали значимой связи, и это можно понять: само по себе появления пятен на Солнце в 150 миллионах километров от планеты не должно привести к серьезным энергоемким событиям на Земле, – по крайней мере, физические механизмы такого воздействия не просматриваются.

Влияние солнечных вспышек в этом смысле потенциально более возможно. Однако нужно иметь в виду, что на Землю и ее оболочки воздействуют не вспышки, а выбрасываемые во время вспышек облака плазмы, которые могут влиять (и влияют) на состояние магнитосферы и верхней атмосферы Земли. В то же время нужно иметь в виду, что далеко не все вспышки (а только преимущественно сильные) сопровождаются выбросами облаков корональной плазмы, при этом значительная часть таких выбросов пролетает мимо Земли и повлиять на земные процессы не может. Поэтому зависимость, если она есть, может проявляться только но большой статистике.

Рассмотрение воздействия геомагнитных бурь на сейсмическую активность выглядит более физически обоснованным, поскольку магнитная буря есть достоверно подтвержденный факт влияния солнечного события на верхние оболочки Земли. В работе проанализирована возможная связь сильных землетрясений с сильными солнечными вспышками и геомагнитными бурями. Примененный метод показал, что линейная корреляция между этими типами явлений и землетрясениями, по-видимому, отсутствует. Если связь сейсмических событий на Земле с солнечными процессами и существует, то она, как минимум, слабая, и скорее всего (если она есть) носит нелинейный характер. Простые стандартные способы поиска связи здесь, судя по всему, не работают.

Авторы ставят перед собой задачу продолжить исследования, а именно рассмотреть связи в более короткие периоды времени, а также отдельно проанализировать возможную связь сильнейших землетрясений с магнитными бурями.

Работа выполнена с использованием данных, полученных на уникальной научной установке «Сейсмоинфразвуковой комплекс мониторинга арктической криолитозоны и комплекс непрерывного сейсмического мониторинга Российской Федерации, сопредельных территорий и мира» [https://ckp-rf.ru/usu/507436/, http://www.gsras.ru/unu/]., а также благодаря госзаданию FZZE 2026-0006.

Литература:

1. Ишков В. Н., Земля и Вселенная, № 3, 22, 2010
2. Короновский Н.В., Общая геология, М.: КДУ, 2006. – 528 с.
3. Соколовский А.К. Общая геология в 2 тт., том 1, 2006, М.: КДУ, 2006. – 448.