Perturbazioni ELF significative e di lunga durata nella banda SR sono state rilevate per il periodo pre-sismico e il periodo meta-sismico.
Eventi elettromagnetici ristretti in una zona ristretta di frequenze da 15 a 25 HZ con un massimo massimo intorno a 21 Hz.
Diverse interpretazioni delle perturbazioni ELF sono state discusse con il maggior numero possibile di onde girotrope.
La registrazione dettagliata dell'emissione EM ELF di origine litosferica e / o ionosferica è stata ottenuta così vicino a un epicentro sismico
Le osservazioni consistono in un'opportunità unica di studiare l'origine e le proprietà dei segnali sismo-elettromagnetici.
1 . introduzione
Schumann Resonance (qui di seguito SR) è un'onda elettromagnetica globale nella banda di frequenza ELF nella cavità Terra-Ionosfera che si ritiene essere eccitata dall'attività globale dei fulmini ( Schumann 1952 ; Nickolaenko e Hayakawa 2002 ). Ad essa sono state attribuite numerose applicazioni in meteorologia , climatologia , geofisica e persino neurofisiologia . L'analisi spettrale (trasformata di Fourier) delle registrazioni SR rivela le frequenze di picco intorno a 8, 14, 21, 26, 35 Hz ecc. Che sono quasi stabili nel tempo con variazioni molto brevi di qualche punto percentuale. Allo stesso tempo, la loro ampiezzavaria di un fattore 2-3 durante il giorno, a seconda dell'attività dei principali fulmini globali. Esistono tre centri principali, uno in Sud America (0 oN, 75oW) che si avvicina alla sua attività massima a UT = 21, un secondo in Africa (0oN, 25oE) con attività massima a UT = 15 -16, e un terzo in Asia (10oN, 105oE) con attività massima a UT = 8-9.
Negli ultimi venti anni, l'interazione di SR con l'attività sismica è stata molto studiata, sia dal punto di vista teorico che di osservazione. Due importanti domande che devono essere risolte sono a) se le onde sismiche elastiche possono innescare i campi elettromagnetici nella litosfera eb) se i segnali ULF / ELF di origine litosferica possono disturbare il normale background SR, generando così un precursore sismico. In una breve ma densa rassegna dei fenomeni elettromagnetici associati ai terremoti (qui di seguito EQ), Hayakawa e Molchanov (2007)hanno combinato diversi segnali atmosferici / ionosferici, emissioni ULF e variazioni del plasma rilevate da satelliti a bassa traiettoria durante i loro passaggi sopra i centri sismici. Particolare interesse è stato dato alla generazione e alla propagazione degli impulsi ULF nel terreno, associati alle perturbazioni di sismicità nell'atmosfera superiore-ionosfera e alla dispersione del segnale VLF nella ionosfera . In una revisione molto ampia e dettagliata, Hayakawa e Hobara (2010) hanno preso in considerazione tutti i possibili casi di interazione sismica con l'emissione elettromagnetica nelle bande ULF / ELF attorno ad un epicenter EQ . Particolare attenzione è stata data alla frequenza ultrabassa litosferica(ULF) e perturbazioni sismo-ionosferiche elettromagnetiche. In un'analisi dettagliata, Liperovskaya et al. (2008) hanno tentato di spiegare un possibile accoppiamento di litosfera-ionosfera per variazioni di densità di ionizzazione nello strato F. È stato anche eseguito un sacco di lavoro di osservazione. Pubblicazioni importanti sono state ottenute su EQ molto forti in Asia orientale come, l'EQ di Taiwan chiamato Chi-Chi (7,8 R) che si è verificato il 21 settembre 1999 e l'EQ Tohoku che si è verificato l'11 marzo 2011 (M = 9R) ( Hayakawa et al. , 2005 , 2008 ; Xinyang et al., 2013 ). Segnali SR anormali sono stati registrati negli osservatori diNagatsugava e Moshiriin Giappone a 3200 km dal primo epicentro e nella stazione Chinize SR dell'osservatorio di Yongsheng a 4100 km dal secondo epicentro. In entrambi i casi, i segnali insoliti consistevano in incrementi imprevisti nella banda di frequenza 20-30 Hz ( Xinyang et al., 2013 , Hayakawa et al., 2008 ). Infine, basato sul lavoro teorico di Ohta et al. (2009) , Sorokin e Hayakawa (2008) , Sorokin e Pokhotelov (2005) , e Sorokin et al. (2009) , Hayakawa et al. (2010)ha fatto un tentativo molto interessante di associare due EQ nelle vicinanze che si sono verificati a 200-250 km di distanza dalla stazione di Nakatsugawa con onde gyrotropiche eccitate da onde dal basso nella banda 15-20 Hz. Nell'ex EQ (Niigata-Chuetsu), è stato rilevato il miglioramento della modalità SR n = 3 insieme alla generazione di un segnale intorno a 16 Hz nel componente By e un altro intorno a 18 Hz nel componente Bx. Nell'ultimo EQ (Noto-Hantou), è stato anche rilevato un miglioramento della modalità SR n = 3 insieme a un segnale a 18 Hz nel componente Bx. Un'interpretazione in termini di onde giroscopiche suggerita da Sorokin e Hayakawa (2008)è stato proposto, sebbene teoria e dati non fossero d'accordo. Recenti lavori teorici presuppongono che l'attività sismica e pre-sismica riduca l'altezza del limite inferiore della ionosfera al di sopra del terremoto ( Nickolaenko e Hayakawa 2014 ). La riduzione massima arriva a 20 km e la perturbazione simmetrica è descritta lungo il raggio da una curva di Gauss su una scala di 1000 km ( Nickolaenko et al., 2015 ; parte 1 ). Ulteriori lavori su questo argomento hanno concluso che segnali SR anomali possono essere spiegati dalla perturbazione della conduttività atmosferica nell'intervallo di altitudine inferiore a 60-70 km localizzati sopra il centro sismico. I segnali anomali possono essere spiegati come modifiche spettrali più pronunciate attorno alla quarta modalità di risonanza (Nickolaenko e Hayakawa, 2015 ).
Nel nostro articolo, presentiamo osservazioni di segnali ELF avanzati spettacolari nell'intervallo 15-25 Hz che si sovrappongono a registrazioni SR normali (allo stato stazionario). Questi miglioramenti sono stati registrati prima e dopo un EQ di media magnitudo in Grecia, che si è verificato in modo quasi imprevisto quasi al di sotto del sito della nostra stazione SR (la distanza tra il sito di osservazione e l'epicentro EQ era di soli 3,65 km, vedi Fig. 3 ). Queste osservazioni costituiscono un'opportunità unica per studiare l'origine e le proprietà dei segnali sismo-elettromagnetici e possono un giorno portare a previsioni più accurate dei terremoti.
Fig. 1
Fig. 2
Fig. 3 . I siti delle osservazioni SR e l' epicentro EQ sono mostrati con spilli gialli sulla mappa. La distanza tra i due siti è di soli 3,65 km (linea rossa).
2 . Misure SR a lungo termine in Grecia
Un anno e mezzo fa, un sito per la registrazione e l'archiviazione delle misurazioni della SR è stato stabilito in una piccola cappella ospitale nel nord della Grecia ( Figura 1 ). L'attrezzatura del sito è portatile ma molto accurata e consiste in una bobina da 60 cm, un sistema di amplificazione e un registratore in cui i dati sono memorizzati in una scheda SD. La bobina è costituita da un nucleo in mu-metal con relativa permeabilità magneticadell'ordine di 10 5 e 40.000 spire di filo di rame di diametro 0,25 mm attorno ad esso. Un preamplificatore e un amplificatore a cascata a sette stadiinsieme a un sistema di filtraggio assicurano un chiaro guadagno di segnali SR. L'ultimo ma non meno importante componente del sistema è un sistema di acquisizione ed elaborazione in cui i dati digitalizzati sono organizzati in file di 10 minuti e sono memorizzati in una scheda SD.
Al fine di minimizzare il rumore di corrente elettrica , l'energia fornita al sistema è fornita da un set di batterie. Per l'uso universale dei nostri dati, tutti i riferimenti temporali sono in UT. Ulteriori dettagli tecnici e richieste strutturali sono stati descritti estensivamente in Tatsis et al., 2015 , Tatsis et al., 2016 Votis et al. (2018) . La nostra bobina monostrato è orientata in modo permanente lungo la direzione Nord-Sud e registra la componente Bx del campo magnetico . Una seconda bobina con sistemi periferici è già stata costruita e verrà installata nella direzione Est-Ovest e registrerà il componente Per nel prossimo futuro. Un esempio delle nostre misurazioni Bx può essere visto in Fig. 2 .
3 . Osservazioni di perturbazioni SR durante un terremoto che si è verificato molto vicino al sito di osservazione SR
3.1 . Periodo post-sismico
Al 15 ottobre 2016 , UT = 20: 14: 48,9, un mezzo di magnitudo superficie terremoto con magnitudo 5,3 si è verificato R ad una profondità di 17 km nei pressi del villaggio di Kalpaki nel nord della Grecia (39 ○ 79' Ν, 20 ○ , 69'Ε), a soli 3,65 km dal nostro sito di misurazione (39 ○ 54 '49,8''Ν, 20 ○ 35' 20,1''E) . La brevissima distanza tra l' epicentro sismico e il sito di osservazione SR (3,65 km) rappresenta un caso molto interessante per lo studio della relazione tra onde sismiche elastiche e ULF / ELFattività elettromagnetica .
Dopo l'EQ, le registrazioni del nostro sistema SR sono cambiate radicalmente. In Fig. 4 sono mostrate le misure ricevute in UT: 20:23:49 cioè 9,0 minuti dopo il terremoto (a sinistra) e 4,5 ore dopo (a destra). Questi due pannelli rappresentano la prima e l'ultima registrazione perturbata di una serie continua di misurazioni anomale che è durata per quattro ore e mezza dopo l'EQ. A prima vista, sembra che le caratteristiche tipiche di uno spettro SR (visto ad esempio nel pannello di destra di Fig. 2 ) siano scomparse. Lo spettro è stato oscurato da un segnale molto più forte nella gamma di frequenze 17-25 Hz con un massimo intorno a 21 Hz, così come nel range di frequenza SR attorno agli 8 Hz (vedi Fig. 4).). Una caratteristica comune dell'attività metasismica è che la Power Spectrun Distribution (di seguito PSD) ha raggiunto valori enormi rispetto a uno spettro SR standard. Un normale PSD per un tipico spettro SR raggiunge valori di solo 1-2 mW / Hz (vedi Fig. 2 ) mentre 9,0 min dopo l'EQ abbiamo misurato valori fino a 100 mW / Hz (pannello di sinistra di Fig. 4 )! 4,5 ore dopo l'EQ (pannello di destra di Fig. 4 ) la PSD è tornata ai valori normali. Tuttavia, l'intensa amplificazione nell'area di 17-25 Hz è rimasta, mentre la prima frequenza SR di 7,8 Hz è diventata di nuovo prominente.
Fig. 4 . Registrazioni caratteristiche ottenute 9,0 minuti (pannello sinistro) e circa 4,5 ore (pannello destro) dopo il primo shock EQ. La curva blu nel pannello di sinistra è un tipico adattamento di Lorentz.
In Fig. 5 tracciamo le serie temporali che corrispondono agli spettri mostrati in Fig. 4 . L'intensità elevata degli eventi estremi nel pannello di sinistra (registrati 9,0 minuti dopo l'EQ) è evidente dal fatto che sono "scalati" quando hanno superato il valore di saturazione dell'amplificatore di ± 2 V. Di seguito, registrazioni improvvise che superare il valore di saturazione del nostro amplificatore si chiamerà Extreme Electromagnetic Events (EEE) (vedi Sezione 4 ). Gli eventi elettromagnetici estremi (EEE) nel pannello di destra (registrati 4,5 ore dopo lo shock EQ principale) sono molto più deboli di eventi simili nel pannello sinistro e non hanno raggiunto la saturazione.
Fig. 5 . Dieci minuti di osservazioni da cui sono stati ottenuti i due rispettivi spettri in Fig. 4 .
Segnali extra molto intensi sono stati sovrapposti al solito segnale SR in entrambi i pannelli di Fig. 5 . Nel nostro sforzo di verificare la loro origine, abbiamo isolato bande strette limitate da segnali estremi in entrambi i pannelli. Dal pannello di sinistra, abbiamo isolato la striscia spessa e molto intensa tra 50 e 90 s, mentre dal pannello di destra, abbiamo isolato la striscia stretta tra 358 e 364 s. Istantanee di queste strisce compaiono in Fig. 6 , mentre un ingrandimento è mostrato in Fig. 7 .
In Fig. 8 si stampano le trasformazioni Fast Fourier (di seguito FFT) prime applicate alle istantanee di Fig. 6 sopra . È ovvio che entrambi gli spettri sono significativi in una stretta striscia di frequenze tra 15 e 25 Hz con un massimo estremo intorno a 21 Hz.
In Fig. 9 abbiamo isolato istantanee con valori bassi normali tra gli eventi estremi di Fig. 5 . L'istantanea nel pannello sinistro si estende tra 300 e 470 s mentre l'istantanea nel pannello di destra tra 367 e 600 s.
Fig. 9 . Istantanee dal tempo imperturbabile si estende tra i segnali forti che appaiono nei due pannelli di Fig. 5 .
Se applichiamo un Fast Fourier Tranform-FFT su queste due parti di serie temporali, otteniamo i due spettri mostrati in Fig. 10 . Questi sembrano molto simili agli spettri di Fig. 8 . Si noti che il picco singolare a 50 Hz è dovuto alla rete elettrica greca.
Infine, in Fig. 11 presentiamo spettri medi 4 ore prima (pannello di sinistra) e 4 ore dopo (pannello di destra) l'EQ. È evidente che lo spettro durante e dopo la sequenza sismica è molto diverso dal normale spettro SR prima dell'EQ. Il miglioramento di 15-25 Hz nel pannello di destra è più che evidente mentre il PSD è 2,5 volte più alto del pannello di sinistra.
3.2 . Attività pre-sismica
Diversi giorni prima del terremoto principale (15 ottobre 2016), sono stati registrati segnali simili a quelli del pannello di destra di Fig. 4 .
In Fig. 12 , la fila superiore di pannelli mostra gli spettri di due segnali registrati cinque giorni e mezzo (a sinistra) e otto ore e mezza (a destra) prima del terremoto principale del 15 ottobre 2016. Il miglioramento caratteristico intorno a 21 Hz è più che evidente.
Fig. 12 . Due segnali caratteristici hanno registrato cinque giorni e mezzo (colonna sinistra) e quasi otto ore e mezza (colonna destra) prima del terremoto principale del 15 ottobre 2016.
Nella seconda fila di pannelli mostriamo i dati grezzi da cui sono stati calcolati gli spettri dei pannelli superiori. Si noti che le AEE vengono ricomposte sulla normale attività SR.
Gli spettri di questi eventi estremi appaiono nella terza fila di pannelli. Il segnale extra intorno a 21 Hz rilevato nel periodo post-sismico è presente anche prima dell'EQ! Per confronto, gli spettri di un periodo "silenzioso" di dati grezzi, 300-600 s, appaiono nella riga più bassa. I dati grezzi senza EEE sono caratteristici di uno spettro SR normale. Al contrario, gli EEE mostrano strette bande di frequenza intorno a 21 Hz.
Nella Tabella 1 , elenchiamo tutti i segnali estremi rilevati due settimane prima dell'EQ principale.
Tabella 1 . Eventi elettromagnetici estremi ELF durante le due settimane prima del terremoto principale.
| Giorno di ottobre 2016 | UT | Numero di eventi in file di 10 minuti | PICCO PRINCIPALE (Hz) | PSD (mW / Hz) |
|---|---|---|---|---|
| 01 | 01:09:27 | 1 | 18,85 | 3,0 |
| 02:59:43 | 1 | 19 | 4,5 | |
| 17:41:50 | 1 | 19,5 | 13,5 | |
| 18:21:56 | 2 | 19 | 14,0 | |
| 23:22:41 | 2 | 18,8 | 4,5 | |
| 02 | 16:25:15 | 1 | 19 | 6.95 |
| 22:16:09 | 1 | 19 | 3,13 | |
| 03 | 19:39:32 | 1 | 19,3 | 2,1 |
| 20:19:38 | 1 | 18,85 | 5,0 | |
| 04 | 20:13:39 | 1 | 19,15 | 1,75 |
| 23:44:09 | 1 | 19,5 | 0,8 | |
| 05 | 02:04:33 | 1 | 19,2 | 7,0 |
| 19:17:30 | 1 | 19.3 | 8,87 | |
| 23:18:12 | 1 | 19,6 | 2.56 | |
| 06 | 02:58:51 | 1 | 18,5 | 7,0 |
| 16:31:16 | 1 | 19,5 | 1,3 | |
| 19:11:45 | 1 | 19,5 | 5,37 | |
| 07 | 20:16:22 | 1 | 20 | 1,5 |
| 22:46:51 | 1 | 20 | 2,35 | |
| 08 | 19:10:44 | 1 | 20 | 5,65 |
| 20:51:04 | 1 | 19,15 | 3,5 | |
| 09 | 00:41:49 | 1 | 19,65 | 1,25 |
| 02:22:08 | 1 | 19,80 | 8,77 | |
| 05:22:44 | 1 | 24,50 | 137,00 | |
| 06:42:59 | 1 | 24,50 | 111,44 | |
| 07:23:07 | 1 | 19,95 | 2,63 | |
| 10:13:41 | 1 | 24,50 | 157,20 | |
| 19:05:27 | 1 | 19,85 | 7,26 | |
| 22:36:09 | 1 | 19,50 | 8,0 | |
| 23:06:16 | 1 | 19,75 | 4,14 | |
| 10 | 00:16:30 | 1 | 19,80 | 6,2 |
| 04:17:18 | 1 | 19,50 | 10,0 | |
| 06:17:43 | 1 | 20 | 3,5 | |
| 09:18:19 | 1 | 20 | 6,35 | |
| 10:58:40 | 1 | 20,55 | 4,0 | |
| 13:19:09 | 1 | 17,5 / 22,5 | 3,5 | |
| 11 | 09:13:17 | 3 | 26,45 | 0,7 |
| 10:43:36 | 60 | 26,5 | 0,7-2,0 | |
| 12 | 10:28:43 | 2 | 26,6 | 0,8 |
| 10:58:49 | 5 | 26,5 | 0,6 | |
| 17:00:08 | 1 | 19,85 | 6,33 | |
| 13 | 00:51:52 | 1 | 19,60 | 15,00 |
| 05:22:52 | 1 | 21,25 | 15,65 | |
| 08:23:33 | 1 | 25 | 5,63 | |
| 08:33:35 | 1 | 19,6 / 25 | 3,72 / 71,14 | |
| 08:43:38 | 1 | 25 | 61,43 | |
| 08:53:40 | 1 | 25 | 11,38 | |
| 15:15:05 | 33 | 26,50 | debole | |
| 14 | 06:38:36 | 1 | 23,8 | 2,38 |
| 06:58:41 | 1 | 22 | 2,43 | |
| 07:38:50 | 1 | 16,8 / 25,3 / 33 | 1,6 / 2,7 | |
| 08:12:29 | 1 | 19 | 2,8 | |
| 15 | 01:23:05 | 1 | 20 | 3,0 |
| 11:53:28 | 1 | 20,4 / 23,25 | 4,93 / 5,3 | |
| 20:23:49 | Main Quake |
Vale la pena notare che, sei giorni prima dello shock principale, il 9 ottobre 2016, si sono verificati nove EEE significativi, tre dei quali hanno raggiunto valori PSD anormalmente alti di 137,00, 111,44 e 157,20 mW / Hz. Inoltre, la frequenza di occorrenza degli AEE dopo questa data è aumentata. L'11 ottobre, abbiamo rilevato una serie di 60 eventi centrati attorno a 26,5 Hz, mentre il 13 ottobre è stata rilevata una serie di 30 eventi di bassa intensità intorno a 26,5 Hz.
4 . Discussione
Eventi elettromagnetici estremi (EEE) con frequenze limitate in strisce strette intorno a 21 Hz, che si sovrappongono ai normali spettri SR, sono stati rilevati prima e dopo il terremotoprincipale del 15 ottobre 2016, che si è verificato nel villaggio di Kalpaki vicino alla Grecia- Confine albanese La frequenza di occorrenza di tali eventi è molto inferiore prima che dopo il terremoto principale. Tuttavia, le loro caratteristiche principali sono quasi le stesse prima e dopo il terremoto. La loro identificazione prima e dopo l'EQ principale certifica che appartengono tutti allo stesso processo fisico, cioè sono innescati dallo stesso effetto fisico. La questione importante, ovviamente, è qual è l'origine fisica di queste AEE.
Una prima risposta facile sarebbe un tipo di attività antropogenica. Tuttavia, questa risposta non è molto convincente in quanto nessuna attività antropogenica conosciuta si svolge in una banda ristretta di frequenze intorno a 21 Hz. Inoltre, la comparsa di AEE al momento dell'EQ è molto improbabile.
Una seconda risposta potrebbe attribuire gli EEE allo sviluppo della tensione induttiva a causa delle vibrazioni della bobina durante il terremoto. Questa è una spiegazione plausibile che necessita di ulteriori discussioni. Inizialmente, la tensione induttiva in una bobina viene prodotta durante il movimento di un filo attraverso le linee di campo magnetico . La nostra bobina è orientata lungo l'asse Bx del campo magnetico terrestre. Bx è localmente omogeneo, quindi, un potenziale induttivo si svilupperebbe solo se la bobina potesse ruotare di un angolo rispetto alla direzione Nord-Sud. Ciò che è più importante, tuttavia, è che abbiamo eseguito un confronto dettagliato tra i tempi di occorrenza delle AEE e gli shock di terremoto / scosse di assestamento registrate dall'Osservatorio Nazionaledi Atene, e abbiamo concluso che le AEE non erano coincidenti con gli eventi di shock / post-shock dell'EQ. Pertanto, le AEE non possono essere dovute a vibrazioni della bobina durante il terremoto.
Una terza risposta potrebbe essere un'attività eccessiva nei tre centri di fulmini che forniscono energia all'SR e producono EEE intorno a 21 Hz. Una contro-argomentazione è che i tempi di massima attività per ogni centro globale di fulmini sono rispettivamente 8UT, 14UT, 20 UT per i centri asiatici, africani e americani, che non sono casuali con la maggior parte delle AEE che abbiamo osservato. Tuttavia, non possiamo rifiutare la probabilità che le AEE possano comparire in qualsiasi momento senza essere collegate ai principali fulmini globali.
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