The effects of the acoustic resonance induced in the atmosphere

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

After strong earthquakes and volcanic eruptions, geomagnetic oscillations with frequencies of 3.5–4.0 mHz have sometimes been observed. In this paper, we theoretically study the probable cause of these phenomena, which is related to the vertical acoustic resonance arising between the Earth’s surface and the thermosphere due to the propagation of the atmospheric wave corresponding to the acoustic branch generated by surface displacements. In the plane layered model of the atmosphere and ionosphere with inclined geomagnetic field, we analyze the propagation of two-dimensional (2D) harmonic acoustic wave. The height of the reflecting atmospheric layer corresponds to the region of sharp temperature change close to the thermosphere boundary ∼80–90 km. In this case, the calculated fundamental resonant frequency is close to the frequencies of the observed oscillations. The solution of this problem is used to calculate currents and electromagnetic perturbations in the atmosphere and ionosphere. The ionospheric E-layer is considered in the thin layer approximation. In this approximation, the formulas describing the geomagnetic perturbations (GMP) in the ionosphere and on the Earth’s surface are derived. The GMP spectrum contains a sharp maximum at the frequency corresponding to the acoustic resonance. According to the calculations, close to the resonance frequency, the spectral powers of GMPs on the ground can reach 5–30 nT2/Hz, which is consistent with the results of ground-based measurements.

Full Text

Restricted Access

About the authors

V.  V.  Surkov

Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences; Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation,
Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: surkovvadim@yandex.ru
Russian Federation, Moscow; Moscow

V.  A.  Pilipenko

Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences

Email: surkovvadim@yandex.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. Голицын Г.С., Кляцкин В.И, Колебания земной атмосферы, вызываемые движениями земной поверхности // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1967. Т. 3. № 10. С. 1044–1052.
  2. Госсард Э., Хук У. Волны в атмосфере. М.: Мир. 1978. 532 с.
  3. Куницын В.Е., Шалимов С.Л. Ультранизкочастотные вариации магнитного поля при распространении в ионосфере акустико-гравитационных волн // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 3. Физ. Астрон. 2011. № 5. С. 75
  4. Мартинес-Беденко В.А., Пилипенко В.А., Шиокава К., Акбашев Р.Р. Электромагнитные УНЧ/КНЧ-колебания, вызванные извержением вулкана Тонга // Солнечно-земная физика. 2023. Т. 9. № 1. С. 83–94. doi: 10.12737/szf-84202208
  5. Сорокин В.М., Ященко А.К., Сурков В.В. Генерация геомагнитных возмущений в ионосфере волной цунами // Геомагнетизм и аэрономия. 2019. Т. 59. № 2. С. 236–248. doi: 10.1134/S0016794019020135
  6. Ясюкевич Ю.В., Едемский И.К., Перевалова Н.П., Полякова А.С. Отклик ионосферы на гелио- и геофизические возмущающие факторы по данным GPS. Иркутск: изд-во ИГУ. 2013. 259 с.
  7. Astafyeva E., Maletckii B., Mikesell T.D., Munaibari E., Ravanelli M., Coisson P., et al. The 15 January 2022 Hunga Tonga eruption history as inferred from ionospheric observations // Geophys. Res. Letters. 2022. V. 49. e2022GL098827. doi: 10.1029/2022GL098827
  8. Choosakul N., Saito A., Iyemori T., Hashizume M. Excitation of 4-min periodic ionospheric variations following the great Sumatra-Andaman earthquake in 2004 // J. Geophys. Res. 2009. V. 114. A10313, doi: 10.1029/2008JA013915
  9. Gavrilov B.G., Poklad Y.V., Ryakhovsky I.A., Ermak V.M., Achkasov N.S., Kozakova E.N. Global electromagnetic disturbances caused by the eruption of the Tonga volcano on 15 January 2022 // J. Geophys. Res.: Atmospheres. 2022. V. 127. e2022JD037411. https://doi.org/10.1029/2022JD037411
  10. Harding B.J., Wu Y.-J. J., Alken P., Yamazaki Y., Triplett C.C., Immel T.J., et al. Impacts of the January 2022 Tonga volcanic eruption on the ionospheric dynamo: ICON-MIGHTI and Swarm observations of extreme neutral winds and currents // Geophys. Res. Lett. 2022. V. 49. e2022GL098577. doi: 10.1029/2022GL098577
  11. Iyemori T., Nose M., Han D.-S., Gao Y., Hashizume M., Choosakul N., Shinagawa H., Tanaka Y., Utsugi M., Saito A., McCreadie H., Odagi Y., Yang F. Geomagnetic pulsations caused by the Sumatra earthquake on December 26, 2004 // Geophys. Res. Lett. 2005. V. 32. L20807, doi: 10.1029/2005GL024083
  12. Iyemori T., Tanaka Y., Odagi Y., Sano Y., Takeda M., Nose M., Utsugi M., Rosales D., Choque E., Ishitsuka J., Yamanaka S., Nakanishi K., Matsumura M., Shinagawa H. Barometric and magnetic observations of vertical acoustic resonance and resultant generation of field-aligned current associated with earthquakes // Earth Planets Space. 2013. V. 65. P. 901–909. doi: 10.5047/eps.2013.02.002
  13. Iyemori T., Nishioka M., Otsuka Y., Shinbori A. A confirmation of vertical acoustic resonance and field aligned current generation just after the 2022 Hunga Tonga Hunga Ha’apai volcanic eruption // Earth, Planets and Space. 2022. V. 74. P. 103, doi: 10.1186/s40623-022-01653-y
  14. Kanamori H., Mori J., Harkrider D.G. Excitation of atmospheric oscillations by volcanic eruptions // J. Geophys. Res. 1994. V. 99. P. 21947–21961.
  15. Matsumura M., Iyemori T., Tanaka Y., Han D., Nose M., Utsugi M., Oshiman N., Shinagawa H., Odagi Y. Tabata Y. Acoustic resonance between ground and thermosphere // Data Science Journal. 2009. V. 8. P. 68–77. doi: 10.2481/dsj.8.S68
  16. Nishida K., Kobayashi N., Fukao Y., Resonant oscillations between the solid Earth and the atmosphere // Science. 2000. V. 287. P. 2244–2246.
  17. Lognonné, P., Clevede E., Kanamori H., Computation of seismograms and atmospheric oscillations by normal-mode summation for a spherical earth model with realistic atmosphere // Geophys. J. Int. 1998. V. 135. P. 388–406.
  18. Saito A., Tsugawa T., Otsuka Y., Nishioka M., Iyemori T., Matsumura M., Saito S., Chen C.H., Goi Y., Choosakul N. Acoustic resonance and plasma depletion detected by GPS total electron content observation after the 2011 off the Pacific coast of Tohoku Earthquake // Earth Planets Space. 2011. V. 63. P. 863–867.
  19. Shinagawa H., Iyemori T., Saito S., Maruyama T. A numerical simulation of ionospheric and atmospheric variations associated with the Sumatora earthquake on December 26, 2004 // Earth Planets Space. 2007. V. 59. P. 1015–1026.
  20. Shinbori A., Otsuka Y., Sori T., Nishioka M., Perwitasari S., Tsuda T., Nishitani N. Electromagnetic conjugacy of ionospheric disturbances after the 2022 Hunga Tonga Hunga Ha′apai volcanic eruption as seen in GNSS TEC and SuperDARN Hokkaido pair of radars observations // Earth, Planets and Space. 2022. V. 74. P. 106. https://doi.org/10.1186/s40623-022-01665-8
  21. Sorokin V.M., Yashchenko A.K., Surkov V.V. Geomagnetic field perturbations resulted from tsunami wave impact on the ionosphere // Progress in Electromagnetics Research B. 2019. V. 85. P. 49–63. doi: 10.2528/PIERB19050201
  22. Tahira M., Acoustic resonance of the atmosphere at 3.7 mHz // J. Atmos. Science. 1995. V. 52. P. 2670–2674.
  23. Themens D.R., Watson C., Žagar N., Vasylkevych S., Elvidge S., McCaffrey A., Prikryl P., Reid B., Wood A., Jayachandran P.T. Global propagation of ionospheric disturbances associated with the 2022 Tonga volcanic eruption // Earth and Space Science Open Archive. 2022. doi: 10.1002/essoar.10510350.1
  24. Yamazaki Y., Soares G., Matzka J. Geomagnetic detection of the atmospheric acoustic resonance at 3.8 mHz during the Hunga Tonga eruption event on 15 January 2022 // J. Geophys. Res. 2022. V. 127. e2022JA030540. https://doi.org/10.1029/2022JA030540
  25. Zettergren M.D., Snively J.B. Ionospheric response to infrasonic-acoustic waves generated by natural hazard events // J. Geophys. Res. 2015. V. 120. P. 8002–8024. https://doi.org/10.1002/2015JA0211-16
  26. Zhang S-R., Vierinen J., Aa E., Goncharenko L.P., Erickson P.J., Rideout W., Coster A.J., Spicher A. Tonga volcanic eruption induced global propagation of ionospheric disturbances via Lamb waves // Front. Astron. Space Science. 2022. V. 9. 871275. doi: 10.3389/fspas.2022.871275

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Plane-layered model of the environment, including the following layers: E – earth; A – atmosphere; I – thin E-layer of the ionosphere; M – magnetosphere.

Download (286KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Model dependence of the spectral power of the horizontal component of the GMV on the ground on frequency. Graphs 1 and 2 are plotted for wave numbers and km−1.

Download (223KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».