Цунами, землетрясения и извержения вулканов способны инициировать возмущения в различных средах: атмосфере, литосфере и гидросфере [Astafyeva, 2019]. В ионосфере такие возмущения могут распространяться на большие расстояния [Astafyeva, Afraimovich, 2006; Chum et al., 2012; Muafiry et al., 2022; Verhulst et al., 2022; Wright et al., 2022].

Одним из наиболее эффективных методов исследования состояния ионосферы является применение глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) [Calais, Minster, 1995; Afrajmovich, Perevalova, 2006]. Использование ГНСС-данных позволяет исследовать ионосферные возмущения природного (солнечные затмения, магнитные бури, землетрясения, тропические циклоны) и антропогенного (запуск ракет, промышленные и другие взрывы, подземные ядерные испытания) происхождения [Afraimovich et al., 2013].

Мощное взрывное извержение подводного вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай (находится между двумя необитаемыми островами Хунга-Тонга и Хунга-Хаапай, являющимися частью архипелага Тонга, расположенного в южной части Тихого океана в Океании, к югу от Самоа), произошедшее 15 января 2022 г., вызвало ряд возмущений в атмосфере [Duncombe, 2022], включая интенсивные ионосферные аномалии, зафиксированные в различных регионах Земли [Themens et al., 2022] и обогнувшие земной шар три раза [Zhang et al., 2022]. Извержение также спровоцировало значительное уменьшение электронной концентрации вблизи вулкана [Astafyeva et al., 2022]. Возникшие крупномасштабные ионосферные возмущения распространялись со скоростью ~300 м/с. Многие исследователи связывают это явление с волнами Лэмба [Chen et al., 2022; Heki, 2022; Hong et al., 2022; Themens et al., 2022; Zhang et al., 2022]. До этого события волны Лэмба в атмосфере были обнаружены во время извержения вулкана Кракатау в 1883 г. [Symons, 1888; Taylor, 1932].

Целью настоящего исследования являются поиск и получение характеристик ионосферных возмущений, инициированных произошедшим 15 января 2022 г. приблизительно в 04:02 по всемирному координированному времени (UTC) наиболее сильным эксплозивным эпизодом извержения вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай (далее Хунга-Тонга) над территорией Приморского края и смежными регионами по данным ГНСС-наблюдений, а также сравнение их с данными измерений лазерного деформографа и лазерного нанобарографа, установленных на морской экспериментальной станции Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичёва Дальневосточного отделения РАН, мыс Шульца, полуостров Гамова, Приморский край.

Для поиска ионосферных возмущений, вызванных извержением вулкана Хунга-Тонга, над территорией Приморского края и смежными регионами были использованы наблюдения нескольких сетей двухчастотных ГНСС-приемников. Для обработки и дальнейшего анализа использовались сигналы спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС, собранные за период с 11 по 20 января 2022 г. на 26 станциях глобальной ГНСС-сети IGS (7 станций находятся вблизи вулкана и 19 станций рассредоточены по направлению от вулкана до Приморского края) и 13 станциях, расположенных на территории Приморья. Наблюдения в формате RINEX с шагом дискретизации данных 30 с на станциях сети IGS были загружены из информационной системы данных о динамике земной коры CDDIS (https://cddis.nasa.gov/index.html), координаты вулкана получены с сайта Глобальной программы вулканизма Смитсоновского института (https://volcano.si.edu/). Расположение всех используемых в настоящей работе ГНСС-станций относительно вулкана Хунга-Тонга показано на рис. 1.

Геомагнитная обстановка в момент исследуемого вулканического события характеризовалась как возмущенная. На рис. 2 представлен график изменения геомагнитного индекса Kp, определяемого по станциям в средних широтах и характеризующего геомагнитную обстановку на планете с трехчасовым временным разрешением. Из рис. 2 видно, что 14.01.2022 г. (незадолго до начала исследуемого эруптивного эпизода) началась умеренная геомагнитная буря, вызвавшая возмущения в ионосфере Земли, не связанные с извержением вулкана и продолжавшиеся с постепенным затуханием до 21.01.2022 г.

Высота слоя максимальной ионизации на момент извержения, необходимая для расчетов, была получена с использованием модели ионосферы IRI 2016 (https://kauai.ccmc.gsfc.nasa.gov/instantrun/iri) и принята равной 306 км. Это значение использовалось для анализа всех ГНСС-данных.

Значения «наклонного» полного электронного содержания (ПЭС) вдоль всех лучей станция – спутник были рассчитаны при помощи программного обеспечения «tec-suite» (http://www.gnss-lab.org/). Величины ПЭС определялись по известной формуле [Jorgenson, 1978; Afrajmovich, Perevalova, 2006]:

где f1 и f2 – несущие частоты ГНСС-сигнала, L1λ1 и L2 λ2 – фазовые пути сигнала в метрах на соответствующих частотах, вызванные задержкой фазы в ионосфере (набег фазы), const – фазовая неоднозначность, nL – ошибки фазовых измерений.

Ряды «наклонного» ПЭС были преобразованы в вариации «вертикальных» значений и профильтрованы в программном обеспечении Viewtecs методом скользящего среднего в двух временных диапазонах: 1–10 и 10–60 мин с целью выделения коротко- и длиннопериодных вариаций ПЭС (рис. 3, б, в). Более подробное описание использованной процедуры удаления тренда и фильтрации данных ПЭС можно найти в работах [Shestakov et al., 2021; Afrajmovich, Perevalova, 2006].

Пересчет в вертикальный ПЭС (ВПЭС) производился с использованием выражения [Afrajmovich, Perevalova, 2006]:

где RZ – радиус Земли, Hion – высота слоя максимальной ионизации, θS – угол возвышения спутника. Далее в работе обсуждаются результаты, полученные только с использованием ВПЭС.

За каждые сутки (по UTC) в период с 11 по 20 января 2022 г. были сформированы профильтрованные в соответствующем частотно-временном диапазоне ряды изменений ВПЭС по каждой паре «станция – спутник». За этот же временной интервал построены диаграммы дальность – время, показывающие временные изменения ВПЭС на расстояниях до 11 тыс. км от вулкана в направлении Приморского края (рис. 4 и 5).

С целью поиска и выделения ионосферных возмущений, связанных с активностью вулкана Хунга-Тонга (ковулканические возмущения), а также для получения картины фоновых вариаций ПЭС и ее изменений до и после исследуемого эруптивного эпизода авторами были построены и проанализированы диаграммы дальность – время за временной интервал с 11 по 20 января 2022 г. На диаграммах, построенных в диапазоне периодов 1–10 мин на расстояниях свыше 9 тыс. км от вулкана, какие-либо возмущения не выделяются. Для периодов 10–60 мин на диаграммах за 15 января 2022 г. были обнаружены интенсивные ковулканические вариации ПЭС (КИВ), прослеживающиеся непосредственно от вулкана до расстояний свыше 10 тыс. км от него (см. рис. 4). На рис. 5 также представлены аналогичные диаграммы, построенные для двух последовательных дней до извержения и за аналогичный промежуток после изучаемого эпизода извержения. В Прил. 1 представлены диаграммы дальность – время для периодов 10–60 мин, построенные за полные сутки с 11 по 20 января 2022 г.

Из рис. 4 видно, что интенсивные перемещающиеся ионосферные возмущения (ПИВ), начало регистрации которых относится примерно к 04:10 и далее наблюдаемых между четырьмя и шестью часами по всемирному времени, являются следствием извержения вулкана Хунга-Тонга. Такие вариации отсутствуют в дни до и после него (рис. 5). Эти возмущения, распространяясь от вулкана, разделились на расстоянии около 3 тыс. км на две моды: первая (быстрая) прослеживается примерно до 8 тыс. км, а вторая (медленная) распространялась значительно дальше – до 10–11 тыс. км.

В табл. 1 приведены оценки значений скоростей распространения выделенных на рис. 4 ковулканических возмущений ВПЭС. ПИВ 1–4, характеризующиеся средними скоростями от ~720 до ~950 м/с, распространялись до расстояний 2.5–3.0 тыс. км в течение примерно трех часов после извержения. Аналогичные результаты приводятся в работах [Themens et al., 2022; Zhang et al., 2022]. Полученные скорости соответствуют акустической моде, которая порождается ударными волнами в нижней атмосфере Земли, часто возникающими при сильных эксплозиях (взрывах). На расстоянии около 3 тыс. км от вулкана эти возмущения разделяются на две моды: первая распространяется до расстояний 7–8 тыс. км от вулкана с несколько меньшей средней скоростью ~630 м/с (ПИВ 5–6); вторая мода, регистрируемая на значительно больших расстояниях, в том числе и над Приморьем, имеет скорость порядка 340 м/с (ПИВ 7–8) и отождествляется рядом авторов с волнами Лэмба [Chen et al., 2022; Heki, 2022; Hong et al., 2022; Themens et al., 2022; Zhang et al., 2022]. Явление разделения возмущений ВПЭС на удалении от породившего их источника уже ранее наблюдалось для сильных землетрясений и описано в работах [Artru et al., 2001; Astafyeva et al., 2009]. Выделяющиеся в дальней зоне ПИВ 9–10, распространяющиеся со средней скоростью ~330 м/с, также могут быть ассоциированы с ковулканическими аномалиями ПЭС, так как не наблюдаются в предшествующие извержению и последующие дни.

На рис. 6 приведены примеры вариаций ПЭС, зарегистрированные в день извержения на двух станциях, расположенных в Приморском крае (дальняя зона относительно вулкана). Также даны изменения ПЭС за день до и после него. Из рисунка видно, что в день извержения наблюдаются интенсивные колебания ВПЭС с амплитудами 0.5–1.4 TECU, которые отсутствуют в другие дни. Чтобы убедиться в том, что эти колебания действительно обусловлены извержением, а также отождествить их с соответствующими фронтами ПИВ, визуально выделяющимися на диаграмме дальность – время на расстояниях 9–10 тыс. км от вулкана (см. рис. 4), среди этих вариаций были выделены первые четко читающиеся максимумы и минимумы (обозначены, соответственно, красными и синими стрелками на рис. 6). Координаты соответствующих им ионосферных точек (точки, в которых лучи приемник – спутник пересекают слой максимальной ионизации) показаны на рис. 4 пурпурными кружками и в крупном масштабе даны на рис. 7. Средняя амплитуда обнаруженных над территорией Приморского края ковулканических возмущений ПЭС составила ~1.0 TECU.

Средний период и длина волны этих возмущений были определены по расстоянию между положением максимумов и минимумов, расположенных на одинаковом удалении от вулкана и показанных на соответствующей диаграмме дальность – время (рис. 7). Полупериод обнаруженных возмущений составил ~28 мин, а половина длины волны достигла ~580 км (соответственно, период и длина волны составили ~57 мин и ~1160 км). Полученные авторами величины отличаются от значений аналогичных параметров, полученных для дальней зоны в работе [Themens et al., 2022], где период составил ~10–25 мин, а длина волны ~250–500 км, и статье [Zhang et al., 2022], где период составил ~10–30 мин, а длина волны – 500–1000 км. В работе [Saito, 2022], исследующей распространение возмущений над территорией Японии, оценка длины волны (относящаяся к первому приходу возмущений) составила ~400 км.

Полученные по данным ГНСС-наблюдений характеристики ковулканических ионосферных возмущений над Приморским краем были сопоставлены с данными других высокоточных инструментов: лазерного нанобарографа (НБ) и двух лазерных деформографов (ДФ), ориентированных по направлениям север – юг и восток – запад. Оба инструмента расположены на юге Приморья, на мысе Шульца, являющегося частью полуострова Гамова, в точке с координатами 42.581° с.ш. 131.157° в.д. в пределах 100 м от ГНСС-станции [Dolgikh et al., 2022а] (на рис. 1 расположение оборудования соответствует обозначению ГНСС-станции SHUL). Для сопоставления с рядами вариаций ВПЭС данные НБ и ДФ были разрежены до 30 с и профильтрованы в том же диапазоне периодов, что и данные ПЭС, полосовым фильтром Хемминга. Используемая процедура дает результаты, аналогичные использованному для анализа данных ПЭС методу скользящего среднего. На рис. 8 представлены полученные после увеличения шага дискретизации данных и фильтрации вариации атмосферного давления по записям нанобарографа и смещений земной поверхности по данным деформографов. Описание используемой аппаратуры приведено в статье [Dolgikh et al., 2022b].

Из рис. 8 видно, что наиболее интенсивные возмущения, вызванные извержением вулкана Хунга-Тонга, наблюдались в период с 12:10:00 до 14:00:00 UTC [Dolgikh et al., 2022а]. Записи всех трех инструментов фиксируют практически синхронные изменения приземного давления и колебаний земной поверхности, что говорит о том, что последние были инициированы распространением возмущения в нижнем слое атмосферы (тропосфере). Максимум возмущений наблюдался в ~12:29:00 UTC, а минимум в ~12:39:00 UTC. Максимумы и минимумы изменений ВПЭС, зафиксированные по ГНСС-данным в ближайших к мысу Шульца ионосферных точках (рис. 9), наблюдались в ~11:40:00 и ~12:07:30 UTC, т.е. значительно ранее возмущений, зафиксированных НБ и ДФ. Разность моментов фиксации возмущений в тропосфере и ионосфере для максимума составила ~50 мин, для минимума ~30 мин. Эффект опережающего прихода ионосферных возмущений отмечают и другие исследователи. В работе [Heki, 2022] разность моментов фиксации возмущений ПЭС и приземного давления воздуха на территории Японии составила ~40 мин, в статье [Saito, 2022], рассматривающей тот же регион, ~30 мин, а в работе [Hong et al., 2022] первые ионосферные возмущения фиксируются до фиксации возмущений в тропосфере. В статье [Chen et al., 2022] авторы получили разность моментов фиксации возмущений ~40 мин.

Обнаруженный эффект, на первый взгляд, противоречит предположению о том, что распространяющиеся в нижней тропосфере Земли возмущения (волны Лэмба) служат источником выявленных в дальней зоне ПИВ, так как они регистрируются значительно позже интенсивных возмущений в ионосфере. Однако в работах [Chen et al., 2022; Heki, 2022; Hong et al., 2022; Saito, 2022] обнаружен второй приход ПИВ, время регистрации которых вполне соотносится с зафиксированными также и авторами данной работы достаточно слабыми возмущениями 9–10 (см. рис. 4), наблюдаемыми уже после регистрации аномалий нанобарографом и деформографами и, возможно, инициированными именно тропосферными возмущениями.

Явление ранней регистрации в дальней зоне интенсивных ПИВ 7–8 по отношению к возмущениям приземного давления воздуха и колебаний земной поверхности (см. рис. 4) вулканического происхождения может быть связано с тем, что в атмосфере распространялись два независимых друг от друга возмущения, источниками которых стало извержение вулкана Хунга-Тонга. Первое возмущение распространялось в тропосфере Земли со скоростью, близкой к скорости распространения звука порядка 320 м/с (зарегистрировано НБ и ДФ), второе, поднявшись вертикально вверх над вулканом, распространялось в ионосфере с большей скоростью порядка 340 м/с (зарегистрировано по ГНСС-данным и на ~6 % больше скорости возмущений, зафиксированных в тропосфере).

Другое объяснение может быть связано с эффектом «опережающих ионосферных возмущений», ранее зафиксированных во время цунами, порожденного Суматра-Андаманским землетрясением 26.12.2004 г. с магнитудой Mw 9.1, при котором ионосферные возмущения распространялись со скоростью ~650 м/с, опередив приход цунами на ~90 мин [Bagiya et al., 2017]. Возникновение таких возмущений объясняется на основе диссипации поперечной моды акустико-гравитационных волн, так как фронт тропосферных возмущений генерирует распространяющуюся вверх и вперед волну возмущений, достигающую высот ионосферы. Возможно, именно данный механизм объясняет обнаруженный авторами данной статьи и другими исследователями эффект опережающего распространения вариаций ПЭС в дальней относительно источника зоне. Для разрешения этого вопроса требуется выполнение отдельных исследований и математического моделирования полученных данных.

Также следует отметить, что на рис. 4, 5 выделяется ряд достаточно интенсивных аномалий ВПЭС сложной структуры, природа которых на данный момент не ясна. Речь идет об ионосферных возмущениях, наблюдавшихся на расстояниях 8–10 тыс. км от вулкана 15.02.2022 г. в промежутках времени 00–12 и 15–22 часа UTC (см. рис. 4), а также подобные им возмущения, затухающие к 15 часам следующего после извержения дня. Изменяющее свою интенсивность «пятно» вариаций ПЭС также выявляется в промежутках между 00–04 и 20–24 часами в ближней к вулкану зоне (до 2000 км) в течение 13–17 января (см. рис. 4, 5). Наиболее вероятно, эти явления связаны с какими-то долгоживущими образованиями в ионосфере Земли. Однако на диаграммах дальность – время видно, что интенсивность этих аномалий в день извержения и спустя сутки после него заметно усилилась, что также может быть связано с извержением вулкана.

На графиках вариаций ВПЭС, построенных по данным ГНСС-наблюдений, на пунктах, расположенных на территории Приморского края, в день извержения 15 января 2022 г. были обнаружены интенсивные колебания ПЭС, средняя амплитуда которых составила ~1.0 TECU.

По диаграммам дальность – время были получены значения скоростей распространения возмущений от вулкана Хунга-Тонга в направлении Приморского края в ближней и дальней зонах, а также до и после разделения возмущений на две моды. Скорости возмущений до разделения на моды, на расстояниях до 2.5–3.0 тыс. км от вулкана, варьировались от ~720 до ~950 м/с. Затем ионосферные возмущения разделились на две моды. Первая распространялась до расстояний 7–8 тыс. км от вулкана со скоростью ~630 м/с. Вторая мода распространялась значительно медленнее и дальше и была зафиксирована на расстояниях 10–11 тыс. км, в том числе над территорией Приморского края. Ее скорость составила ~340 м/с. Также в дальней зоне были обнаружены ионосферные возмущения, которые могли быть порождены ковулканическими возмущениями в тропосфере Земли, их скорость составила ~330 м/с. Эти возмущения отсутствовали в дни до и после извержения.

После сопоставления результатов, полученных по ГНСС-данным, с результатами, полученными по данным нанобарографа и деформографов, был обнаружен эффект «опережающих ионосферных возмущений», также обнаруженный и другими исследователями. Разность моментов фиксации возмущений в тропосфере и ионосфере для максимумов возмущений составила ~50 мин, а для минимумов ~30 мин. Можно предполагать два возможных объяснения возникновения обнаруженного эффекта. Первое объяснение заключается в том, что в верхней и нижней атмосфере Земли распространялись два независимых друг от друга возмущения, источником которых являлось извержение вулкана Хунга-Тонга. Возмущение в тропосфере, отождествляемое с волнами Лэмба, двигалось со скоростью 320 м/с, близкой к скорости распространения звука; второе перемещалось в ионосфере с большей скоростью, ~340 м/с. Другой механизм предполагает, что фронт тропосферных возмущений мог генерировать распространяющуюся вверх и вперед волну возмущений, достигающую высот ионосферы и регистрируемую ГНСС-методами.

Авторы выражают благодарность АО «ПРИН», ООО «АЭРОФОТОПРОМ», ООО «Меридиан», ИПМ ДВО РАН и ДВФУ за ГНСС-данные по используемым в анализе ГНСС-станциям на территории Приморского края и признательны научному сотруднику ИСЗФ СО РАН, кандидату физ.-мат. наук С.В. Воейкову за предоставление программного обеспечения Viewtecs.

М.А. Болсуновский – обработка и анализ ГНСС-данных, обсуждение и анализ полученных результатов, подготовка рукописи статьи. Н.В. Шестаков – формулировка проблемы исследования, анализ данных, обсуждение и анализ полученных результатов, подготовка и редактирование рукописи статьи. Г.И. Долгих, Н.П. Перевалова, А.С. Тен – обсуждение и анализ полученных результатов, редактирование рукописи статьи.

M.A. Bolsunovskii – processing and analysis of GNSS data, discussion and analysis of the results obtained, preparation of the manuscript of the article. N.V. Shestakov – formulation of the research problem, data analysis, discussion and analysis of the results obtained, preparation and editing of the manuscript of the article. G.I. Dolgikh, N.P. Perevalova, A.S. Ten – discussion and analysis of the results obtained, editing of the manuscript of the article.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

The authors declare that they have no conflicts of interest to declare. The authors read and approved the final manuscript.