Electromagnetic ULF Fields from an Underground Seismic Source on the Earth’s Surface and in the Ionosphere

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

A theoretical formalism has been developed to calculate the electromagnetic fields generated in the atmosphere–ionosphere system by a finitelength underground horizontal current source. A numerical model with a realistic profile of the ionosphere in a vertical geomagnetic field has been designed based on this theory. It is shown that the apparent impedance of the electromagnetic field created by an underground source on the Earth’s surface is one order of magnitude higher than the Earth’s impedance, which can be used to discriminate perturbations from seismogenic sources. The presented results of numerical modeling allow us to relate perturbations created by a large-scale underground source in the Earth surface magnetic field and in the electric field in the ionosphere. Based on these model estimates it is concluded that many of the ULF electric field perturbations detected in satellite data before earthquakes cannot be attributed to direct emission from seismogenic sources.

Full Text

Restricted Access

About the authors

N. G. Mazur

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

Author for correspondence.
Email: ngmazur@mail.ru
Russian Federation, Moscow

E. N. Fedorov

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

Email: enfedorov1@yandex.ru
Russian Federation, Moscow

V. A. Pilipenko

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

Email: space.soliton@gmail.com
Russian Federation, Moscow

K. E. Borovleva

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

Email: k.borovlyova@gmail.com
Russian Federation, Moscow

References

  1. Бучаченко А.Л., Ораевский В.Н., Похотелов О.А., Сорокин В.Н., Страхов В.Н., Чмырев В.М. Ионосферные предвестники землетрясений // Успехи физических наук. 1996. Т. 166. №9. C. 1023–1029.
  2. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: Наука. 1967. 685 с.
  3. Гохберг М.Б., Гуфельд И.Л., Гершензон Н.И., Пилипенко В.А. Эффекты электромагнитной природы при разрушении земной коры // Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли. 1985. № 1. C. 72–87.
  4. Гульельми А.В., Левшенко В.Т. Электромагнитные сигналы из очага землетрясения // Физика Земли. 1997. № 9. C. 22–30.
  5. Костерин Н.А., Пилипенко В.А., Дмитриев Э.М. О глобальных УНЧ электромагнитных сигналах перед землетрясениями // Геофизические исследования. 2015. Т. 16. № 1. С. 24–34.
  6. Лосева Т.В., Кузьмичева М.Ю., Спивак А.А. Электрические и магнитные сигналы при стесненных движениях блоков земной коры // Докл. РАН. 2010. Т. 432. № 5. С. 685–688.
  7. Лосева Т.В., Спивак А.А., Кузьмичева М.Ю. Дипольная модель генерации электрических импульсов при релаксационных процессах в земной коре // Докл. РАН. 2012. Т. 442. № 3. С. 401–404.
  8. Молчанов О.А. Передача электромагнитных полей от сейсмических источников в верхнюю ионосферу Земли // Геомагнетизм Аэрономия. 1991. Т. 31. № 1. С. 111–119.
  9. Пилипенко В.А., Федоров Е.Н., Мазур Н.Г., Климов С.И. Электромагнитное “загрязнение” околоземного космического пространства излучением ЛЭП // Солнечно-земная физика. 2021. Т. 7. № 3. С. 3–12. doi: 10.12737/szf-71202101
  10. Федоров Е.Н., Мазур Н.Г., Пилипенко В.А. Электромагнитные поля в верхней ионосфере от горизонтального КНЧ наземного излучателя конечной длины // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2022. Т. 65. № 9. С. 697–712. doi: 10.52452/00213462_2022_65_09_697
  11. Финкель В.М. Физические основы торможения разрушения. 1977. М. 359 с.
  12. Чмырев В.М., Исаев Н.В., Биличенко С.В. Электрические поля и гидромагнитные волны в ионосфере над очагом землетрясения // Геомагнетизм и аэрономия. 1986. Т. 26. C. 1020–1022.
  13. Athanasiou M.A., Anagnostopoulos G.C., David C.N., Machairidis G.G. The ultra low frequency electromagnetic radiation observed in the topside ionosphere above boundaries of tectonic plates // Research in Geophysics. 2014. V. 4. P. 5001. doi: 10.4081/rg.2014.5001
  14. Baños A. Dipole radiation in the presence of a conducting half-space. Pergamon. NY. 1966. 263 p.
  15. Bleier T., Dunson C., Maniscalco M., Bryant N., Bambery R., Freund F. Investigation of ULF magnetic pulsations, air conductivity changes, and infra red signatures associated with the 30 October Alum Rock M5.4 earthquake // Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 2009. V. 9. P. 585–603, doi: 10.5194/nhess-9-585-2009
  16. Bortnik J., Cutle J.W., Dunson C., Bleier T.E. The possible statistical relation of Pc1 pulsations to Earthquake occurrence at low latitudes // Annales Geophysicae. 2008. V. 26. P. 2825–2836.
  17. Bortnik J., Bleier T. E., Dunson C., Freund F. Estimating the seismotelluric current required for observable electromagnetic ground signals // Annales Geophysicae. 2010. V. 28. P. 1615–1624, doi: 10.5194/angeo-28-1615-2010
  18. Chmyrev V.M., Isaev N.V., Bilichenko S.V., Stanev G. Observation by space-borne detectors of electric fields and hydromagnetic waves in the ionosphere over an earthquake center // Phys. Earth Planet. Inter. 1989. V. 57. P. 110.
  19. Chmyrev V., Smith A., Kataria D., Nesterov B., Owen C., Sammonds P., Sorokin V., Vallianatos F., Detection and monitoring of earthquake precursors: TwinSat, a Russia–UK satellite project // Advances in Space Research. 2013. V. 52. P. 1135–1145
  20. Dong J., Gao Y., Hayakawa M. Analysis on subaerial electric field radiated by a unit electric current source in the ground // IEEJ Trans. FM. 2005. V. 125. № 7. P. 591–595.
  21. Fedorov E.N., Mazur N.G., Pilipenko V.A., Vakhnina V.V. Modeling ELF electromagnetic field in the upper ionosphere from power transmission lines // Radio Science. 2020. V. 55. e2019RS006943. doi: 10.1029/2019RS006943
  22. Fedorov E.N., Mazur N.G., Pilipenko V.A. Electromagnetic response of the mid-latitude ionosphere to power transmission lines // J. Geophysical Research. 2021. V. 126. e2021JA029659. doi: 10.1029/2021JA029659
  23. Freund F.T., Heraud J.A., Centa V.A., Scoville J. Mechanism of unipolar electromagnetic pulses emitted from the hypocenters of impending earthquakes // Eur. Phys. J. Spec. Top. 2021. V. 230. P. 47–65. doi: 10.1140/epjst/e2020-000244-4
  24. Hattori K. ULF Geomagnetic changes associated with large earthquakes // Terrestrial, Atmospheric and Oceanic Sciences. 2004. V. 15. № 3. P. 329–360.
  25. Hayakawa M., Kawate R., Molchanov O.A., Yumoto K. Results of Ultra-Low-Frequency magnetic field measurements during the Guam earthquake of 8 August 1993 // Geophys. Res. Lett. 1996. V. 23. P. 241–244.
  26. Honkura Y., Kuwata Y. Estimation of electric-fields in the conducting earth’s crust for oscillating electric-current dipole sources and implications for anomalous electric-fields associated with earthquakes // Tectonophysics. 1993. V. 224. P. 257–263.
  27. King R.W.P., Smith G.S., Owens M., Wu T.T. Antennas in matter: Fundamentals, theory and applications. MIT Press. Cambridge. 1981.
  28. Kodama T., Molchanov O.A., Hayakawa M. NASDA earthquake remote sensing frontier research – Feasibility of satellite observation of Seismo-electromagnetics // Advances Space Res. 2000. V. 26. P. 1281–1284.
  29. Li Z., Yang B., Huang J., Yin H., Yang X., Liu H., Zhang F., Lu H. Analysis of pre-earthquake space electric field disturbance observed by CSES // Atmosphere. 2022. V. 13. P. 934. https://doi.org/10.3390/atmos13060934
  30. Lockner D.A., Johnston M.J.S., Byerlee J. A mechanism to explain the generation of earthquake lights // Nature. 1983. V. 302. № 59. P. 3–9.
  31. Losseva T.V., Nemchinov I.V. Earthquake lights and rupture processes // Natural Hazards and Earth System Science. 2005. V. 5. P. 649–656.
  32. Molchanov O.A., Hayakawa M. Generation of ULF electromagnetic emissions by microfracturing // Geophys. Res. Lett. 1995. V. 22. P. 3091–3094.
  33. Parrot M. Electromagnetic disturbances associated with earthquakes: An analysis of ground-based and satellite data // Journal Scientific Exploration. 1990. № 4. P. 203.
  34. Parrot M. DEMETER satellite and detection of earthquake signals // Natural Hazards. 2008. P. 115–138. doi: 10.1201/9781315166841
  35. Parrot M., Lil M. DEMETER results related to seismic activity // Radio Science Bulletin. 2015. № 355. P. 18–25.
  36. Picozza P., Conti L., Sotgiu A. Looking for earthquake precursors from space: A critical review // Frontiers Earth Sci. 2021. V. 9. 676775. doi: 10.3389/feart.2021.676775
  37. Pilipenko V., Vellante M., Anisimov S., De Lauretis M., Fedorov E., Villante U. Multi-component ground-based observation of ULF waves: goals and methods // Annali Geofisica. 1998. V. 41. № 1. P. 63–77.
  38. Pilipenko V., Nenovski P., Tanaka H. Detection and discrimination of VLF/ULF seismic-related electromagnetic emissions // Bulgarian Geophysical Journal. 2005. V. 29. P. 13–30.
  39. Ouyang X.Y., Parrot M., Bortnik J. ULF wave activity observed in the nighttime ionosphere above and some hours before strong earthquakes // Journal of Geophysical Research. 2020. V. 125. e2020JA028396. doi: 10.1029/2020JA028396
  40. Sgrigna V., Buzzi A., Conti L., Picozza P., Stagni C., Zilpimiani D. The ESPERIA satellite project for detecting seismo-associated effects in the topside ionosphere. First instrumental tests in space // Earth Planets Space. 2008. V. 60. P. 463–475.
  41. Simões F., Pfaff R., Berthelier J.-J., Klenzing J. A review of low frequency electromagnetic wave phenomena related to tropospheric-ionospheric coupling mechanisms // Space Science Review. 2012. V. 168. P. 551–593. doi: 10.1007/s11214-011-9854-0.
  42. Surkov V.V., Hayakawa M. Ultra and Extremely Low Frequency Electromagnetic Fields. Springer. 2014.
  43. Surkov V.V., Hayakawa M. ULF geomagnetic perturbations due to seismic noise produced by rock fracture and crack formation treated as a stochastic process // Physics and Chemistry of the Earth. 2006. V. 31. P. 273–280.
  44. Tian X., Hata M. Analysis of seismogenic radiation and transmission mechanisms // J. Atmospheric Electricity. 1996. V. 16. № 3. P. 227–235.
  45. Walker S.N., Kadirkamanathan V., Pokhotelov O.A. Changes in the ultra-low frequency wave field during the precursor phase to the Sichuan earthquake: DEMETER observations // Annales Geophysicae. 2013. V. 31. P. 1597–1603, doi: 10.5194/angeo-31-1597-2013
  46. Wang Z., Zhou C., Zhao S., Xu X., Liu M., Liu Y., Liao L., Shen X. Numerical study of global ELF electromagnetic wave propagation with respect to lithosphere–atmosphere–ionosphere coupling // Remote Sensing. 2021. V. 13. P. 4107. doi: 10.3390/rs13204107
  47. Wang Q., Huang J., Zhao S., Zhima Z., Yan R., Lin J., Yang Y., Chu W., Zhang Z., Lu H., Xu S., Liu D., Guo F., Zhou N., Tan Q., Li W., Huang H., Wang J., Sun X., Shen X. The electromagnetic anomalies recorded by CSES during Yangbi and Madoi earthquakes occurred in late May 2021 in west China // Natural Hazards Research. 2022. V. 2. P. 1–10.
  48. Zhima Z., Yan R., Lin J., Wang Q., Yang Y., Lv F., Huang J., Cui J., Liu Q., Zhao S., Zhang Z., Xu S., Liu D., Chu W., Zhu K., Sun X., Lu H., Guo F., Tan Q., Zhou N., Yang D., Huang H., Wang J., Shen X. The possible seismo-ionospheric perturbations recorded by the China-Seismo-Electromagnetic Satellite // Remote Sens. 2022. V. 14. P. 905. https://doi.org/10.3390/rs14040905
  49. Zhu K., Fan M., He X., Marchetti D., Li K., Yu Z., Chi C., Sun H., Cheng Y. Analysis of Swarm satellite magnetic field data before the 2016 Ecuador (Mw = 7.8) earthquake based on non-negative matrix factorization // Frontiers Earth Science. 2021. 9:621976. doi: 10.3389/feart.2021.621976

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Schematic representation of the geometry of the problem of an underground current source with current at depth h in the presence of atmosphere and ionosphere.

Download (372KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Spatial structure of the amplitude of the magnetic component on the Earth surface in the direction along the current for sources with km and A (corresponding to a point dipole) and c km and A. Source frequency Hz, specific conductivity of the Earth σg = 10-3 Sm/m.

Download (187KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Spatial structure of the amplitude of the magnetic components and at the ground surface in the direction across the current for the source c km and A at Hz.

Download (175KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Profile of apparent impedances and in comparison with the Earth impedance (dashed line) at different distances from the source. The calculation was performed for values h = -10 km, cm/m, L = 50 km, f = 1 Hz.

Download (156KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Horizontal spatial structure of the amplitude of the horizontal electrical components and in the upper ionosphere at a height of km of radiation from an underground source c km and A at Hz. The source is oriented either along the x-axis (ϕ = 0°, solid line) or along the y-axis (ϕ = 90°, dashed line).

Download (219KB)
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».