Метеорологическое влияние на показания гравиметров и сейсмографов

Неприливные вариации силы тяжести, полученные после исключения лунно-солнечных вариаций из мониторинговых наблюдений, обусловлены различными причинами: землетрясениями, ударами корональных выбросов масс по магнитосфере и метеорными потоками по атмосфере Земли и т. д. [1—5]. Примерно то же самое происходит с сейсмическими наблюдениями, так как измерения сейсмического и гравитационного полей выполняются с помощью одного и того же датчика (маятника Голицына). Частично влияние космических и погодных факторов на показания гравиметров и сейсмометров рассматривалось ранее [1—5]. При этом основное внимание уделялось влиянию космических факторов. Но анализ многолетних наблюдений за гравиметрами и сейсмометрами показывает, что погодные изменения также влияют на показания приборов (особенно на сейсмометры), не меньше, чем космические факторы. Кроме того, процессы, происходящие в атмосфере Земли, очень сложны и зависят от многих факторов. В первую очередь состояние атмосферы определяется температурой, давлением, влажностью, водностью облаков, фазами Луны и т.д. Тем не менее отметим, что деление на космические и погодные факторы достаточно условное. Например, удар метеорного потока по атмосфере вызывает в ней не только колебания, но и изменения в погоде. Те же погодные изменения вызывают выбросы корональных масс при ударе по магнитному полю Земли.

Исходные данные

Для оценки влияния погоды на изменение сейсмического и гравитационного полей использованы мониторинговые наблюдения этих полей во времени в различных пунктах Евразийского континента. Измерения силы тяжести проводились гравиметром CG-5 AUTOGRAV на Бишкекском геодинамическом полигоне РАН (г. Бишкек, Киргизстан), в Институте геофизики РАН (г. Екатеринбург) и обсерватории Заполье (г. Владимир). На обсерваториях м. Шульц (г. Владивосток), п. Арти (г. Екатеринбург) и BFO (Шварцвальд, Германия [10]) гравиметрические измерения получены с помощью приливных гравиметров La Coste — Romberg. На всех упомянутых пунктах ведутся сейсмические наблюдения. Но гравиметрические данные сравниваются в основном с сейсмическими на ст. Галичья Гора Воронежской обсерватории, где, к сожалению, гравиметрических наблюдений нет. Это обусловлено тем. что на Галичьей Горе практически нет технических помех. Кроме того, гравиметрические данные, взятые в разных точках Евразийского континента и совпадающие с сейсмическими данными в Воронеже, подчеркивают глобальность протекающих процессов в космосе и на Земле. Данные о внешней температуре воздуха и атмосферном давлении взяты c ближайших к вышеперечисленным пунктам наблюдений метеостанций [11].

Методика обработки гравиметрических измерений

Вычисление неприливных вариаций силы тяжести делалось следующим образом. На первом этапе исключается притяжение Луны и Солнца. В связи с тем, что в программном продукте гравиметра CG-5 AUTOGRAV, в котором рассчитывается притяжение Луны и Солнца, обнаружены погрешности [1], то заново рассчитывались лунно-солнечные вариации силы тяжести и учитывались при обработке [12]. После учета лунно-солнечных вариаций вычислялся линейный тренд полученных значений, который исключался. Значения тренда в основном отражают в себе сползание нуль-пункта прибора и какую-то низкочастотную часть изменения внешнего гравитационного поля. Оставшуюся часть вариаций после исключения лунно-солнечной части и тренда назовем неприливной вариацией силы тяжести. Как показывают исследования [1, 2], неприливная вариация с помощью метода осреднения делится на локальную (остаточную) и осредненную неприливные вариации. Кстати, локальная неприливная вариация может быть получена с помощью метода осреднения непосредственно из исходных наблюдений, минуя операции учета лунно-солнечных вариаций силы тяжести и смещения нуль-пункта прибора. Вариация, полученная по исходным наблюдениям с помощью осреднения, и вариация силы тяжести, полученная обычным способом, практически совпадают между собой. Разность между ними не превышает одного микрогала, что минимум на два порядка меньше амплитуды наблюдаемых неприливных вариаций и погрешности измерений [1, 2]. Так что в большинстве случаев для получения неприливной вариации лучше пользоваться методом осреднения.

Обсуждение результатов интерпретации

А теперь рассмотрим, как проявляется изменение метеоусловий в неприливных вариациях силы тяжести. Сами метеоусловия характеризуются в основном температурой и влажностью воздуха, атмосферным давлением и водностью. Все эти параметры тесно увязаны между собой. Их (параметров) влияние на плотность воздуха (а именно эта величина будет интересовать нас) может складываться или вычитаться. Например, увеличение влажности воздуха ведет к понижению его плотности, а увеличение атмосферного давления, наоборот, к повышению плотности. Но наиболее существенную роль играет температура. Поэтому, естественно, возникает вопрос: а как проявляются сезонные изменения температуры в неприливных вариациях силы тяжести? В зимне-осенний период плотность воздуха больше, избыточные массы находятся выше пункта наблюдения, следовательно, должны иметь отрицательную аномалию силы тяжести, а летом должно быть наоборот. Указанные рассуждения подтверждаются измерениями в обсерватории Арти под Екатеринбургом (рис. 1).

На графике неприливной вариации силы тяжести (рис. 1а) приведены осредненные значения вариации на пятиминутном интервале (дискретность наблюдений 1 с) за 2018 г. Год весьма спокойный в смысле космической погоды, т.е. минимум погрешностей из космоса. Смещение нуль-пункта незначительно — менее 1 мГала. После исключения нуль-пункта (рис. 1б) теплый период времени года характеризуется положительной аномалией силы тяжести. Обращает на себя внимание на фоне летней положительной аномалии локальный минимум (рис. 1б), который связан с май-июньским похолоданием в зоне обсерватории. Рассмотрим этот отрезок отдельно (рис. 2а, б). На данном рисунке наряду с графиком изменения силы тяжести приводятся графики изменения текущей температуры воздуха. В данном локальном случае видим четкую корреляцию между похолоданием и изменением силы тяжести. Здесь же (рис. 2в, г) приводятся аналогичные результаты зависимости силы тяжести от температуры воздуха по обсерватории Заполье (г. Владимир). Таким образом, температура атмосферы вносит существенные коррективы в неприливные вариации силы тяжести. Ранее автором указывалось [2, 3], что влиянию температуры подвержены датчики не только гравиметров, но и сейсмометров.

Отметим одну особенность, которая проявляется при сравнении изменений температуры воздуха и силы тяжести. Корреляция между температурой и силой тяжести характерна преимущественно для среднесуточного хода температуры и силы тяжести, хотя локальное изменение температуры в течение дня намного превышает среднесуточный ход. Объяснить это явление можно следующим образом. Среднесуточный ход определяется мощным слоем атмосферы, небольшое изменение плотности в котором вызывает изменение силы тяжести. Изменение температуры в течение суток касается в основном приземного (пограничного) слоя атмосферы небольшой мощности, который не вызовет заметных изменений силы тяжести. Причем кривая среднесуточного похолодания (потепления) чаще всего начинается с резкого скачка температуры с последующим уменьшением.

Влияние влажности на изменение плотности возможно преимущественно при положительных температурах воздуха, и оно почти на два порядка меньше влияния температуры [4, 5]. Атмосферное давление изменяет плотность воздуха несколько больше, чем влажность, но не столь существенно [7, 9]. Вопрос об учете влияния атмосферного давления при гравиметрических измерениях ранее рассматривался в [6, 7]. Там же [7] приводится приближенная формула перевода давления в значения силы тяжести

Δg = К ΔР, (1)

где Δg — приращение силы тяжести; ΔР — приращение атмосферного давления, К — коэффициент перевода значений давления в значения силы тяжести. Этот коэффициент равен 0,0568×10^-3 для давления в мм рт. ст. или 0,0426×10^-3 при давлении в миллибарах. Кроме того, из значений атмосферного давления вычтена постоянная составляющая и оставлена вариативная часть, которая, собственно, оказывает влияние на значения силы тяжести.

Рассмотрим некоторые особенности морфологии графиков изменения атмосферного давления и силы тяжести. На рисунке 3 приведены графики осредненной (а) и локальной (в) неприливных вариаций, а также давления (б). Значения атмосферного давления для удобства сравнения с неприливными вариациями переведены с помощью указанной формулы (1) в условные значения силы тяжести. Отсюда можно сделать вывод, что вклад давления в изменение неприливных вариаций минимален: значения силы тяжести при изменении давления ±(10—15) миллибар сопоставимы с погрешностью измерений силы тяжести. На рисунке 3г приведено сравнение осредненной неприливной вариации и влияния давления: разница в амплитудах составляет целый порядок. Причем, в отличие от случая с температурой, здесь превалирует корреляция силы тяжести и давления для суточного хода. Для подтверждения этого высказывания рассмотрим графики лунно-солнечных вариаций и атмосферного давления (рис. 4а, в). Внешне они похожи, но при внимательном рассмотрении видим, что максимумы давления больше тяготеют к максимальным значениям градиента лунно-солнечных вариаций. Поэтому было решено продифференцировать лунно-солнечные вариации и сравнить с давлением. Налицо полное совпадение изменения производной и давления (рис. 4б, г). На графиках производная (рис. 4б, г) заменена приращением вариаций δg = Δg(t_n+1) – Δg(t_n) c шагом 1 мин. Здесь сталкиваемся с такой же ситуацией, которую имеем между силой тяжести и вертикальной составляющей сейсмического поля [3].

В силу малости изменения поправок за счет давления при проведении гравиметрических работ их можно не учитывать, за исключением случаев, когда поправки могут достигать 3—5 мкГал. Это случаи высокоточных работ в инженерной или подземной гравиразведке. А вот при проведении измерений в горной местности поправки на давление надо вводить.

Что же касается водности кучевых облаков, данный вопрос очень прост с физической точки зрения. После полного насыщения воздуха парами воды излишняя влага выделяется в виде жидкости, резко увеличивая плотность облаков, тем самым увеличивая влияние на датчики сейсмографов и гравиметров. Ранее уже отмечалось [4] влияние атмосферных фронтов на показания приборов. Но атмосферные фронты по длине своей неоднородны: в одних случаях накрапывает дождь, а в других идет ливень с градом. Кроме того, меняется высота облачности, скорость перемещения фронта, пространственная форма объекта, в котором содержатся осадки, и т.д. [8, 9]. Ясно, что все это влияет на показания приборов, и дать оценку этому влиянию трудно. В какой-то мере о водности можно судить по выпавшему дождю, но это будет некорректно. Допустим, что выпал кратковременный дождь 50 мм. Это мощный ливень. Он может начаться резко при светлом небе, после окончания опять солнечная погода. В другом случае такой же дождь выпадет за сутки. Эффект от притяжения водной массы в том и другом случае один и тот же. А сколько воды осталось в обложном облаке? При обложном дожде влаги в тучах может оставаться достаточно много, и погода долго будет дождливой, оказывая влияние на показания приборов.

На рисунках 5 и 6 приведены примеры влияния дождливой погоды на показания сейсмометра. Выбраны самые дождливые отрезки времени. На рисунке 5 приведены сейсмические данные в Воронеже, которые отличаются резким изменением сейсмического поля. Особенно четко выделяется отрезок времени с 28 августа по 3 сентября, когда прошел атмосферный фронт. Посчитано среднее значение сейсмических колебаний (рис. 5б, кривая 2), которое соответствует прохождению фронта. Основная водная масса сосредоточена в голове фронта, затем она убывает и ее (массы) влияние медленно ослабевает. В данном случае (рис. 5б) влияние температуры незначительно. Среднесуточная температура в течение двух недель практически не менялась, оставаясь почти постоянной во время прохождения фронта, а до и после прохождения фронта характеризовалась обычными дневными флуктуациями. Поведение давления (рис. 5в) соответствует динамике прохождения фронта [4]: минимум давления соответствует периоду дождя, затем давление по мере прохождения фронта возрастает. Кроме того, на рисунке 5а приведена локальная неприливная вариация, по морфологии которой можно заключить, что пульсаций неприливных вариаций силы тяжести за весь рассматриваемый период не было.

Далее перейдем к рисунку 6. Две недели шли дожди с небольшими перерывами. Но колебания, в отличие от рассмотренного выше случая, имеют меньшую частоту. Амплитуда колебаний почти та же. Диапазон изменения давления и температуры невелик, и никаких закономерностей не отмечается. Пульсаций неприливных вариаций (рис. 6а), как и в предыдущем случае, нет. Это замечание неслучайное. Обратимся к рисунку 7, где приводятся сейсмические данные при наличии пульсаций. Такая картина наблюдается всегда при пульсациях. Ведь в принципе метеорные потоки, которые создают пульсации, являются аналогами «пыльных облаков». Но данный вопрос достаточно широк и будет рассмотрен отдельно.

Далее попытаемся дать трактовку осредненным значениям сейсмического поля (рис. 5б и 6б, кривые 2). На изменения сейсмического поля оказывает влияние сила тяжести. При обработке сейсмических наблюдений притяжение Луны и Солнца исключается программным обеспечением сейсмографа, а влияние неприливных вариаций силы тяжести не учитывается. Разберем это на примере прохождения атмосферного фронта (рис. 8). Прохождение фронта в первом приближении можно представить в виде перемещения масс холодного (теплого) влажного воздуха, имеющих форму уступа. Допустим, сейсмограф находится в нулевой точке. Аномалии силы тяжести g в позициях 1, 2, 3 показаны в нижней части рисунка. Следовательно, при прохождении уступа через нулевую точку будет наибольшая амплитуда градиента dg/dt. А как известно [3], показания сейсмометра определяются производной силы тяжести по времени. На наш взгляд, влияние неприливных вариаций можно сопоставить со средним значением сейсмических наблюдений. Очевидно, среднее значение неприливной вариации можно учитывать так же, как лунно-солнечные вариации силы тяжести. В конце добавим, что форма плотностных атмосферных неоднородностей может иметь самые причудливые конфигурации.

Заключение

Таким образом, по результатам исследований можно уверенно сказать, что метеорологические процессы оказывают влияние на показания гравиметров и сейсмометров. Наибольшее влияние оказывают водность облаков и изменение температуры земной атмосферы. Но если говорить в целом, то лунно-солнечные вариации силы тяжести и происходящие процессы в атмосфере тесно связаны между собой. Атмосфера окружает Землю, поэтому влияние всех внешних и внутренних факторов находит отклик в атмосфере, тем самым определяя состояние как самой атмосферы, так и состояние геофизических полей внутри и вне ее.