Глубоководный электромагнитный мониторинг в Байкале – классический и неклассический аспекты

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 551.463.7, 530.16

ГЛУБОКОВОДНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МОНИТОРИНГ В БАЙКАЛЕ - КЛАССИЧЕСКИЙ И НЕКЛАССИЧЕСКИЙ АСПЕКТЫ

Естественное электромагнитное поле гидросферы является чувствительным индикатором различных процессов в самой гидросфере, подстилающей литосфере, атмосфере и в удаленных областях, вплоть до гелиосферы. Эта универсальность реакции электромагнитного поля является достоинством, позволяющим использовать его для косвенного изучения множества процессов недоступных прямому измерению, одновременно и недостатком из-за проблемы разделения вкладов различных источников. Здесь мы оставляем за рамками изучение магнитосферно-ионосферных источников, возбуждающих магнитотеллурическое поле. Но для изучения остальных источников с магнитотеллурическим полем приходится считаться как с помехой. Только вертикальная компонента электрического поля Ez может быть свободна от этой помехи и представляет для задач мониторинга особый интерес. Сразу в нескольких отношениях наиболее благоприятные условия для мониторинга Ez имеются в озере Байкал.

Байкал представляет уникальную активную рифтовую структуру - зарождающийся океан и столь же уникальную экологическую зону - самый глубокий в мире пресноводный бассейн (памятник ЮНЕСКО). С 2003 года в юго-западной части озера на базе Байкальской глубоководной нейтринной обсерватории ИЯИ РАН ведется эксперимент по мониторингу вертикальной компоненты электрического поля Ez на базе поверхность-дно. Эксперимент не имеет аналогов практике морских электромагнитных исследований, как по величине вертикальной базы, так и по длительности. Точка измерений избрана примерно на в 10 км от берега при глубине места 1367 м (51°.721 с.ш., 104°.416 в.д.). Выбор точки наблюдений диктовался требованием отсутствия (в пределах точности измерений) вертикальной компоненты теллурического поля в соответствии с результатами математического моделирования [1].Первоначальными целями эксперимента было изучение эффектов землетрясений в электрическом поле и полей индуцированных течениями. В ходе эксперимента были обнаружены длиннопериодные вариации поля, связанные с вариациями тока глобальной электрической цепи (ГЭЦ), их исследование также вошло в дальнейшую программу. Однако недостаточная точность и надежность измерительной установки сдерживала прогресс в интерпретации измерений. В 2012 г. в том же месте была развернута новая глубоководная установка обеспечивающая, наряду с высокой точностью измерений, контроль помехообразующих факторов.

Одной из мер по радикальному повышению строгости эксперимента является контроль собственных потенциалов электродов с помощью электродных пар с практически нулевой базой на приповерхностном и придонном горизонте. Но одновременно эти пары могут использоваться как детекторы макроскопических нелокальных корреляций удаленных крупномасштабных диссипативных процессов различной природы (например, [2]). Вообще, эффект выхода нелокальных корреляций на макроуровень - предмет современных исследований в физике квантовой информации и его понимание далеко от полного[3-5], но геофизические приложения уже актуальны в связи с экспериментально подтвержденной возможностью его использования для прогноза крупномасштабных случайных процессов. Для процессов-источников с большой случайной составляющей характерно наличие опережающих корреляций, которые, за счет меньшей эффективности поглощения экранирующей средой, могут по уровню превышать запаздывающие [6]. Ранее этот эффект успешно использовался для прогнозов солнечной и геомагнитной активности (например, [7; 8]). На материалах испытательной годовой серии измерений с электродными детекторами новой Байкальской установки также продемонстрирована возможность прогноза на основе нелокальных корреляций как глобальных (солнечная активность), так и региональных (гидродинамическая активность) диссипативных случайных процессов [9]. Но с практической точки зрения наиболее интересным региональным процессом при наблюдениях в такой сейсмически активной зоне было бы обнаружение нелокальной опережающей реакции собственных потенциалов электродов на землетрясения. Действительно, первое же после начала измерений с глубоководными электродными детекторами землетрясение вызвало такую реакцию [10]. Поэтому этот неклассический аспект мониторинга оказался так же важен, как и классический.

Мы даем вначале краткий обзор результатов исследований этапа исследований до 2010 г., затем описание нового подхода к эксперименту и его техники, после чего представляем первые результаты мониторинга в этом новом подходе (с 2012 г.).

1. Предшествующий этап мониторинга (до 2010 г.)

Изучение естественного электрического поля в оз. Байкал было начато еще в 50-е годы. Пионер электромагнитных исследований Байкала П.А. Виноградов, впервые выполнивший 3-х компонентные наблюдения электрического поля на акватории озера, исследовал, главным образом, микропульсации [11, 12]. Им были подмечены некоторые важные особенности электрического поля под водой и, в частности, затухание поля с глубиной, влияние батиметрических и геологических неоднородностей, а также возможное влияние течений на измеренные сигналы. Изучение короткопериодных вариаций были продолжены другими исследователями. Однако эти эпизодические работы еще не имели целей мониторинга.

Изучение длиннопериодных вариаций поля на Байкале в режиме мониторинга было начато коллективом исследователей, включая авторов настоящего доклада, в 2003 г. При этом, хотя на предварительном этапе проводились многокомпонентные измерения в озере и на берегу, и были получены результаты об отклике горизонтальных электрических компонент на тектонические процессы [13], внимание было сконцентрировано на мониторинге Ez на базе поверхность-дно. Измерительная установка была разработана С.П. Гайдашом. Она представляет собой вертикальную электрическую антенну, заземленную в воде с помощью неполяризующихся свинцовых электродов, с разносом 1250 м (при глубине места 1367 м). Регистрация вариаций поля осуществлялась автономной глубоководной аппаратурой с дискретностью 10 с. и относительной погрешностью порядка 0.1 %. Установка рассчитана на годичную автономную работу с частичным или, при необходимости полным подъемом на лед в марте для считывания данных, смены питания и ремонта. Полное описание техники и условий эксперимента приведено в работе [14]. По природным и техническим условиям поддержание непрерывной работы установки оказалось непростой задачей. В итоге было получено четыре серии измерений: 2003/2004 г., 2007/2008 г., 2008 г. (неполный год) и 2009/2010 г. Результаты опубликованы в работах [14-17], ниже приведем их краткую сводку в соответствии с источниками поля и задачами эксперимента.

Поле индуцированное течениями. Эта составляющая наиболее проста для анализа, поскольку из-за крайней малости вертикальной компоненты тока, Ez не зависит от геоэлектрического разреза и определяется только эдс индукции от средней по межэлектродной базе магнито-зональной компоненты скорости в горизонтальной компоненте постоянного магнитного поля Земли Bx (). Это делает весьма привлекательным использование длиннобазовых измерений Ez для практически важной в гидрологии, но редко реализуемой из-за громоздкости реализации прямыми методами, задачи мониторинга интегральной по вертикали скорости (полного потока). Наиболее энергичными течениями в Байкале являются синоптические, спектр которых случаен и занимает полосу периодов примерно от 2 до 10 суток. Единственным периодическим течением является инерционное, с теоретическим периодом определяемой широтой : , в нашем случае Т0= 15.286 ч. В действительности период должен быть несколько больше из-за гидродинамического сопротивления. На рис. 1 показан пример спектра Ez в диапазоне доминирования полей течений. Слева видна характерная серия максимумов, обусловленная синоптическими течениями, справа отчетливо виден инерционный максимум. Относительная погрешность определения скорости по этим данным составляет около процента, что, по крайней мере, на порядок лучше точности прямых гидрологических методов. Более того, по расхождению упомянутого теоретического и фактического инерционного периода (T = 15.722 ч) удалось определить достаточно трудно определяемый прямыми методами коэффициент турбулентного трения (5,35•10-5 c -1) и. затем коэффициент донного трения (3,1?10 -8 c -1). Полученные коэффициенты могут использоваться для расчетов бароклинных течений.

Рис. 1. Амплитудный спектр Ez в диапазоне периодов 0.5 - 10 суток (2003/2004 г.)

Отмечена межгодовая изменчивость поля течений, зависящая от средней метеорологической активности. Наиболее спокойной оказалась серия 2003/2004 г, наиболее активной 2007/2008 г. Амплитуды определенной по Ez средней по вертикали скорости синоптических течений менялись от 2.78 см/с до 6.28 см/с.

Поле тока глобальной электрической цепи (ГЭЦ). Хотя концепция ГЭЦ в планетарной геофизике общепринята, она экспериментально обоснована лишь наблюдениями в атмосфере, но не литосфере или гидросфере. Обнаружению тока ГЭЦ в литосфере препятствует его малая величина, техническая трудность измерения вертикальной компоненты и высокая неоднородность среды, приводящая к возникновению теллурической помехи. В океане последние два препятствия отпадают, но первое усугубляется из-за высокой проводимости морской воды. В больших озерах условия однородности и достаточно высокого сопротивления среды выполняются, но почти во всех из них глубина недостаточна для реализации длиннобазовых высокочувствительных измерений. С другой стороны, геофизически наиболее благоприятны для обнаружения тока ГЭЦ зоны активных глубинных разломов, над которыми за счет эманации радона 222 наблюдается повышенная проводимость нижней атмосферы и можно ожидать плотности вертикального тока значительно большей среднепланетарного значения [18]. Озеро Байкал, как самое глубокое, расположенное над активным рифтовым разломом, в наибольшей степени удовлетворяет этим требованиям. Мониторинг обнаружил вариации поля с периодом около 100-160 суток, амплитуда которого на два порядка больше того, которое могло бы быть связано с течением. Эти периоды соответствуют перемежающимся (intermittent) колебаниям жесткой компоненты солнечного рентгеновского излучения (вариации Ригера). Эти вариации могут косвенным образом, через влияние на атмосферные процессы воздействовать на конвекционную составляющую тока ГЭЦ. Однако в области периодов сопоставимых с длиной рядов Ez Фурье-анализ ненадежен. Поэтому, учитывая ответственность вывода, для этой области был выполнен расчет спектра методом глобального минимума [19]. Этот метод уникален своей способностью выделять гармоники с изменяющейся фазой и амплитудой. Результат представлен на рис. 2. Амплитуда вариации Ez 144 сут во много больше 27-суточной вариации общей геоактивности Солнца, а прямое сопоставление со спектрами. солнечного рентгена подтвердило ее отождествление с вариацией Ригера.[17].

Рис. 2. Спектр Ez полученный методом глобального минимума. Горизонтальная линия указывает 95% статистический доверительный уровень спектральных линий (вероятность того, что колебание с указанной амплитудой является сигналом).

Цифры у спектральных пиков указывают периоды в сутках, которые известны в различных индексах солнечной активности

В длиннопериодной области в целом (T>10 сут) вклад поля течений несущественен, но амплитуды прямо зависят от среднегодовой метеорологической активности, (наибольшую корреляцию с Ez обнаруживают вариации атмосферного давления). Корреляция с потоком солнечного рентгеновского излучения меняется от года к году от 0.6 до 0.9, причем ее величина зависит от среднегодового уровня не солнечной, а метеорологической активности. Запаздывание этой корреляции меняется в от нескольких до десятков суток. Это подтверждает сложный опосредованный механизм влияния солнечного рентгена на ток замыкания ГЭЦ.

Такой источник поля должен обладать заметной инерционностью. Это было проверено с помощью метода причинного анализа [20, 21]. Последний основан на вычислении для переменных X и Y шенноновских энтропий , и условных , энтропий, функций независимости и функции причинности . По определению X - причина, а Y - следствие, если . И наоборот, Y - следствие, а X - причина, если . Если - сдвиг времени Y относительно X, то принцип классической причинности формулируется как . На рис. 3 показаны автокорреляционная функция r, функция автонезависимости iY|X и функция автопричинности г (X - фиксированный центральный сегмент реализации, Y - сегмент, скользящий от ее начала к концу) по данным Ez 2007-2008 г. с низкочастотной фильтрацией T > 10 сут. Автокорреляционная функция соответствует процессу с большой случайной составляющей и почти симметрично относительно знака сдвига времени. Функция независимости, как известно, ведет себя, грубо говоря, обратно модулю корреляционной функции, что подтверждает ее вид на рис. 3. Однако функция причинности отчетливо антисимметрична, причем соответствует ; соответствует . Это отвечает тому, что процесс в ранние моменты времени, в определенной степени (в небольшой, учитывая малое отличие от 1), является причиной по отношению к поздним моментам. Иными словами, несмотря на очевидную открытость системы, процесс в источнике обладает заметной инерционностью (памятью). Имеется характерная антисимметричная пара экстремумов при |ф| ? 2 сут. Следовательно, источники, возбуждающие вариации, отраженные в спектре рис. 3 имеют память порядка двух суток.

Эффект и предвестники землетрясения. 27 августа 2008 года произошло сильное землетрясение вблизи измерительной установки. Первое вступление, согласно Каталогу землетрясений Международного центра геофизических данных, отмечено в 1 ч 35 мин 30 с UT, координаты эпицентра: широта 51,62° N; долгота 104,20° E. Глубина гипоцентра - 17 км, магнитуда - 5.9-6.4 балла. Горизонтальное расстояние эпицентра от установки составляет 16,4 км. На рис.4 показан график изменения электрического поля по мировому времени в течение нескольких суток в окрестностях времени землетрясения.

Рис. 3. Функции автопричинности г, автонезависимости iY|X и автокорреляции r (тренд снят)

Видно, что около полудня 26.08 началось быстрое усиление отрицательной Еz, которое продолжалось около 15 часов - до первого вступления землетрясения. Усиление поля заканчивается исключительно острым обособленным всплеском, являющимся непосредственным эффектом землетрясения. Полное увеличение напряженности составило 34 мкВ/м (в 6.4 раза выше фонового уровня). Из них 25 мкВ/м составляют итоговое предварительное увеличение и 9 мкВ/м - величину непосредственного эффекта. После землетрясения поле в течение 4 суток релаксировало к фоновому уровню. Поскольку заключительный всплеск представляет обособленное явление (не является продолжением общего многочасового усиления поля), то очевидно, что механизмы генерации опережающей вариации и самого эффекта землетрясения различны.

Наиболее вероятен фильтрационный (электрокинетический) механизм генерации 15-часового предвестника, связанный с увеличением скорости фильтрации подземных вод при изменении порового давления перед землетрясением. Преимуществом использования Еz над остальными компонентами электромагнитного поля является наивысшее отношение сигнал/шум, недостатком - сосредоточенность аномалии в зоне непосредственно над источником. В данном случае измерения выполнены в эпицентральной зоне, поэтому это условие выполнялось. Непосредственный эффект землетрясения может быть объяснен индукцией при движении среды в горизонтальной компоненте магнитного поля, что дает при Ez = 9 мкВ/м вполне реалистичную для 6-балльного землетрясения оценку скорости Vy около 50 см/с.

Рис. 4. Вертикальное электрическое поле (среднеминутные данные). Момент землетрясения 27.08.2008 соответствует минимуму (пику) кривой

Хотя начало изменения поля, опережающее землетрясение на 15 часов, является его предвестником, для уверенной диагностики такого изменения в режиме реального времени требуется, как видно из рис. 4, примерно 5 - 6 часов. Поэтому практически достижимая заблаговременность не превысит 10 часов. С целью поиска более ранних предвестников была тщательно изучена запись Еz за предшествующий период (с начала года, в сравнении с записями за предшествующие годы). В результате накануне землетрясения были обнаружены необычные колебания, подобные которым не наблюдались за весь предыдущий период наблюдений. На рис.4. в предшествующие землетрясению 2 - 3 суток можно заметить «размытость» записи на некоторых участках. На рис. 5 первые участки показаны с максимальным разрешением (10 с). Примерно за трое суток до землетрясения начинают наблюдаться «цуги» правильных колебаний с периодом около 90 с. По мере приближения землетрясения, амплитуда пульсаций от серии к серии нарастает примерно от 1 до 2 мкВ/м. Поскольку, вертикальная электродная база в месте ее установки полностью нечувствительна к магнитотеллурическому шуму, а магнитогидродинамический шум имеет гораздо более длинный период, обнаруженное явление достоверно имеет тектоническую природу. Однако физический механизм генерации обнаруженных колебаний неясен.

Рис. 5. Предвестники за 3-2 суток до землетрясения (10-секундные данные)

2. Новая экспериментальная установка, методика, состав и качество данных мониторинга

Предшествующая техника и методика мониторинга имела слабые места, оправданные на ранней стадии, но потенциально опасные при интерпретации результатов или ограничивающих возможности исследования.

Использовались простые свинцовые электроды. Хотя такие электроды традиционно считаются приемлемыми для пресной воды, даже минимальные изменения ионного состава или температуры могут вызвать изменения собственных потенциалов и вести к неконтролируемой помехе в измерении поля. Кроме того, при ежегодном частичном подъеме установки со льда для считывания данных и смены источников питания происходит неконтролируемое изменение собственных потенциалов, что не позволяет соединить годовые серии в единый ряд и тем самым ограничивает изучаемый диапазон вариаций периодами менее года. Вертикальность положения электродной линии при ее спуске/подъеме в марте каждого года не вызывала сомнений, но нельзя было исключить, что в другие сезоны линия могла быть заметно наклонена течением, и тем самым, измеряемая разность потенциалов верхнего и нижнего электрода могла содержать вклад от горизонтальной компоненты электрического поля. Надежность установки была невысока. Это привело к тому, что было получено лишь четыре годовые серии измерений за семь лет. Наконец, в свете решаемых задач, конструкция установки в целом морально устарела - единственный измерительный канал с ограниченным самоконтролем и большим энергопотреблением позволял принять меры по повышению надежности, расширению эксперимента, а в дальнейшем - подключению телеметрии для реального решения прогностических задач. Учитывая ответственность вывода об интерпретации многомесячных вариаций поля как проявления вариаций тока ГЭЦ, но не поля течений, требуется прямое сопоставление Ez с синхронными измерениями течений. При этом для решения диагностической задачи было бы достаточно измерения Vy хотя бы на одном приповерхностном горизонте.

С учетом накопленного опыта была разработана новая глубоководная установка. Ее главными чертами является снижение уровня всех возможных помех, повышение чувствительности и надежности за счет применения высококачественных слабополяризующихся электродов и системы контроля их собственных потенциалов. Новый многоканальный блок электроники снабжен системой полного контроля работоспособности и стабильности основных измерительных трактов и имеет вспомогательные каналы для измерения возможных помехообразующих факторов. Наконец, новая установка работает на базе механически и электрически более износостойкой оснастки притопленной буйковой станции. Установка вводилась в строй в два этапа. На первом, годичном этапе (март 2012-март 2013 г.) в прежней точке мониторинга, указанной во введении, был испытан новый блок электроники и новая система спаренных слабополяризующихся электродов. На втором этапе была заменена постановочная оснастка и увеличена до максимально возможной длина измерительной базы. Измерения в постоянном режиме были начаты в марте 2013 г. Электрические измерения комплексировались с измерениями течения на нейтринном телескопе. Через год, в марте 2014 г., был произведен частичный подъем на лед для съема данных и замены источников питания и измерения были возобновлены.

Переходя к описанию методики эксперимента, прежде всего, отметим, что прямое измерение и соответственно точный количественный учет разности собственных потенциалов приповерхностного и придонного электродов, вообще говоря, невозможен. Полное устранение влияния собственных потенциалов, в принципе, дает лишь гидромодуляционный измеритель поля, который, однако, технически возможно реализовать лишь на очень коротких базах (несколько метров). В нашей установке реализована идея качественного контроля собственных потенциалов, основанная на индивидуальности реакции электродов на изменения окружающей среды и на корреляции разностей собственных потенциалов электродных пар, измеренных на верхнем и нижнем горизонтах с (недоступными прямому измерению) разностями собственных потенциалов пар, находящихся на разных горизонтах. Для этого на верхнем и нижнем горизонтах размещается по паре электродов. Три канала измерений достаточны для получения разностей потенциалов всех шести возможных комбинаций электродов. Тогда, например, если при наблюдении некоторого события в электрическом поле окажется, что это событие отражается в разности потенциалов верхней или нижней пары, можно сделать вывод, что поле, определяемое по одной или двум из четырех разностей потенциалов верхних и нижних электродов, искажено электродной помехой. Аналогично, если окажется, что на каком-то периоде разность потенциалов верхней пары коррелирует с локальной температурой в соответствии с известным температурным коэффициентом этой пары, этот период должен быть исключен из анализа поля. Таким образом, результат контроля сводится к исключению искаженных помехой данных Ez во временной или спектральной области. C другой стороны, спонтанные вариации собственных потенциалов электродов в высокостабильной среде представляют интерес сами по себе, поскольку стабилизированная от классических локальных воздействий электродная пара с нулевой базой работает как детектор макроскопических квантовых нелокальных корреляций, которые, в свою очередь, могут быть использованы в прогностических приложениях. Водный слой Байкала представляет хорошую защиту от локальных воздействий. В частности, уже на глубине нескольких десятков метров естественное термостатирование оказывается лучше достижимого в обычных обсерваторских условиях.

Рис. 6. Байкальская глубоководная установка (1 - якорь; 2 - кабель-трос; 3 - блок электроники, датчики термометра и акселерометра; 4 - буйреп; 5 - буй; I, II - верхняя электродная пара; III, IV - нижняя электродная пара)

На рис. 6 показана схема установки в окончательной конфигурации. Нижняя электродная пара помещена на глубине 1337 м (30 м над дном), верхняя - на глубине 47 м, таким образом, база измерений Ez составляет 1290 м. Каждая пара представляет два расположенных с практически нулевым разносом высококачественных морских слабополяризующихся метрологических Ag?AgCl электрода ХД-5.519.00, выпущенных заводом «Эталон» (Киев). Эти электроды были разработаны для прецизионных измерений постоянного электрического поля в море и являются лучшими в мире по нечувствительности собственных потенциалов к изменчивости физико-химических условий среды. Фактически, единственным известным влияющим на них фактором является температура (средний температурный коэффициент 0.04 мВ/К). Коммуникация электродов с блоком электроники осуществляется через несущий кабель-трос, покрытый снаружи герметичной пластиковой оболочкой, что исключает какие-либо искажения электрического поля и делает установку механически и электрически высоконадежной. Сигналы измеряются и записываются блоком электроники, размещенным на глубине 20 м. Дискретность записи данных 10 с. Калибровка и контроль нуля всех каналов осуществляются автоматически ежесуточно. Относительная погрешность измерений не более 0.01%. Кроме того, блок электроники содержит трехкомпонентный акселерометр для определения наклонов верхней части кабель-троса и измеритель температуры. В дальнейшем блок предполагается оснастить гидроакустической телеметрией, передающей данные на нейтринный телескоп, далее по подводному кабелю в Береговой Центр нейтринной обсерватории и далее - в Интернет и, таким образом, мониторинг будет прерываться лишь на время порядка часа в год, необходимое для смены источников питания. Установка фиксируется тяжелым якорем на дне и притопленным буем на глубине 15 м. Большое расстояние (30 м) от якоря до нижней электродной пары исключает его влияние на поле, а использование притопленного буя из полых пластиковых сфер исключает влияние ветрового волнения и прочих гидрометеорологических явлений на поверхности озера на работу установки. Измерительная система рассчитана на автономный режим работы в течение не менее года.

Хотя в предыдущих исследованиях было установлено отсутствие в Ez теллурической составляющей, возросшая не менее чем на порядок точность измерений в новом эксперименте делала желательной проверку этого факта по магнитным измерениям вблизи установки. С этой целью вблизи Берегового центра (~ 50 м от уреза воды) был поставлен в режим непрерывной работы протонный магнитометр ММП-203 (ежеминутные измерения с передачей данных в Интернет).

Для анализа вклада полей течений в Ez в 2012-2014 использовались данные по прямым измерениям течений, выполнявшихся группой EWAG (Швейцария) горизонте 20 м на притопленных нейтринном телескопе в 5 км в от нашей установки, а с 2014 ведутся собственные измерения на горизонте 100 м. Этот анализ носит качественный диагностический характер, поскольку средняя скорость между горизонтами электродов (47 и 1337 м) заведомо меньше. Хотя трудно ожидать полного соответствия форм спектров, можно разделить области спектра Ez, где поле течений преобладает над остальными, и наоборот, где оно пренебрежимо мало. В первом случае типа величина VyBx должна превышать Ez и только во втором она может быть меньше Ez.

Для анализа связи длиннопериодных вариаций Ez с солнечной активностью используются стандартные данные спутников GOES по потоку рентгеновского излучения в интервале длин волн 0.5?4 Е и стандартные наземные данные по потоку радиоизлучения на частоте 2800 МГц.

Неклассическая часть программы эксперимента включает, во-первых, изучение нелокальных корреляций электродных детекторов на двух горизонтах в озере и удаленного на 4200 км лабораторного детектора в Троицке, и. во-вторых, изучение корреляций сигналов детекторов с глобальными и региональными диссипативными случайными процессами. Из опыта предыдущих обсерваторских экспериментов и теоретических оценок [2, 6-8, 22], основными глобальным процессами-источниками являются солнечная и-геомагнитная активность, а региональными - макротурбулентность в деятельном слое Байкала и землетрясения.

Таким образом, получено три годовых серии наблюдений (2012.2013, 2013/2014, 2014/2015). Единственный технический сбой произошел в последней серии в канале измерения разности потенциалов нижней электродной пары. К настоящему времени анализ результатов не завершен до конца лишь в части изучения нелокальных корреляций с глобальными процессами, где требуется их оценка при больших сдвигах по времени.

Данные акселерометра показали, что отклонение от вертикали верхней части кабель-троса в месте крепления блока электроники не превышает полутора градусов. Отклонение от вертикали нижележащей электродной линии должно быть в несколько раз меньше, поэтому можно уверенно считать линию вертикальной, а проекцию горизонтальной компоненты электрического поля на ее направление нулевой.

Сопоставление временных рядов температуры на глубине 20 м и разности потенциалов верхней электродной пары (на глубине 47 м, температурный коэффициент 0.04 мВ/К) показало, что имеется запаздывающий отклик этой разности на вариацию температуры только на годовом периоде. Поэтому диапазон изучаемых вариаций Ez был ограничен периодами T<220 сут.

В качестве канала Ez в каждой годовой серии выбиралась одна из четырех возможных комбинаций верхнего и нижнего электродов по минимуму корреляции с разностями собственных потенциалов как верхней, так и нижней пары. В последней серии из-за упомянутого сбоя пришлось ограничиться выбором из двух комбинаций.

Отсутствие в Ez теллурической составляющей подтверждается сопоставлением полученных по синхронным измерениям спектрам Ez и модуля магнитного поля B в области суточной вариации. Рис. 7 показывает, что действительно четкие и большие первая и вторая гармоники в спектре В не имеют отклика в спектре Ez. И, напротив, характерные особенности спектра Ez не имеют никакого соответствия в спектре В.

Убедившись, таким образом, в отсутствии возможных помех, перейдем к результатам, составлявшим цель эксперимента.

3. Классический аспект

Были продолжены исследования поля течений и тока ГЭЦ; достаточно близких и мощных землетрясений для регистрации в Ez пока не произошло.

Рис. 7. Амплитудные спектры модуля магнитного поля B и вертикальной компоненты Ez в диапазоне периодов Т 10 часов - 10 суток (2013/2014 г.)

Поле течений. Результаты сопоставления Ez с прямыми измерениями Vy на верхнем горизонте по всем трем годовым сериям близки. На рис. 8 представлены амплитудные спектры Ez и эдс VyBx, в диапазоне 10 часов - 10 суток, рассчитанной по измерениям вектора скорости. на горизонте 17 м в точке удаленной в сторону берега на 5 км и известному значению горизонтальной компоненты магнитного поля Bx = 19014 нТл. В этот диапазон попадают два вида течений: 1) единственное периодическое течение на Байкале - инерционное, с теоретическим периодом на широте места ц: T0 = 12/sin ц = 15.286 часа, которое на практике всегда несколько больше за счет турбулентного трения (по закону свободных затухающих колебаний); 2) наиболее мощные на Байкале - синоптические течения в диапазоне периодов 2-10 суток, спектр которых случаен. Как было указано в предыдущем разделе, за счет большого превышения приповерхностной скорости Vy над средней по вертикали, уровень амплитуд VyBx значительно превышает уровень Ez,, что и наблюдается на рис. 8.

Рис. 8. Амплитудные спектры Ez и эдс VyBx, в диапазоне периодов Т 10 часов - 10 суток (2012/2013 г.)

Форма спектров подобна, хотя детального совпадения нет, как также указывалось, из-за удаленности точек измерений. Инерционное течение в спектре Ez представлено небольшим, но характерным (обнаруженным еще в первом эксперименте 2003/2004 гг.) пиком на периоде T = 15.722 часа. Ему отвечает расщепленный (взаимодействием с многочисленными более низкочастотными синоптическими спектральными линиями) максимум в VyBx. Эффект расщепления виден и в Ez, он проще (два боковых пика) из-за большей гладкости синоптического максимума Ez, наблюдаемого в крайней левой части рис. 8. Эта большая гладкость соответствует реакции Ez именно на среднюю скорость. землетрясение электрический земля квантовый

На рис. 9 представлены спектры в диапазоне от 10 до 220 суток. Видно, что в большей части диапазона уровни спектров примерно равны, а на периодах более двух месяцев амплитуды Ez значительно превышают. Согласно отмеченному в предыдущем разделе, это значит, что на периодах более 10 суток индуцированное течением поле незначительно по сравнению с полем других источников. Крайний левый максимум в обоих спектрах отвечает полугодовому периоду. Наличие полугодовой гармоники в скорости течения вполне естественно, тем не менее, из рис. 9 видно, что роль течения в генерации полугодовой вариации Ez пренебрежимо мала. Так же надежно можно утверждать, что не никак связаны с течением два соседних максимума на периодах 100 и 60 суток.

Рис. 9. Амплитудные спектры Ez и эдс VyBx, в диапазоне периодов Т 10 - 220 суток (2012/2013 г.)

Вариации тока ГЭЦ. 100-суточный максимум в спектре Ez на рис. 9 уверенно отождествляется с квазипериодом перемежающихся (“intermittent”) колебаний связанных с вариациями наиболее жесткой компоненты волнового излучения Солнца [23, 24]. Эта вариация была характерной чертой во всех предыдущих (и последующих) сериях наблюдений Ez на Байкале. Перемежающиеся колебания не имеют фиксированного периода, в разные годы он меняется в диапазоне 100-160 сут и отождествление подтверждено спектральным анализом Ez и потока солнечного рентгеновского излучения XR. Кроме того, показано, что корреляция c XR выше корреляции с общей солнечной активностью, характеризуемой стандартным индексом радиоизлучения [10]. При этом очевидно, что прямого физического влияния рентгеновского излучения на ток посредством воздействия на проводимость воздуха быть не может, это влияние может быть только весьма сложным образом опосредованным. Это подтверждается существенно запаздывающим характером корреляции Ez. с XR. [10, 17]. Еще более убедительны результаты причинного анализа в области подобия спектров T>86 сут представленные на рис. 10. (погрешность результатов около 10%). означает что XR причина по отношению к Ez. Максимум причинности и минимум независимости Ez от XR. соответствуют запаздыванию Ez на 4 сут. При том же запаздывании наблюдается наиболее сильная корреляция (, но ее экстремум весьма плоский, что отчасти объясняет большой разброс предшествующих оценок запаздывания по корреляционной функции [10, 17].

Рис. 10. Причинный и корреляционный анализ Ez (X) и XR (Y); ф - сдвиг времени Y относительно X, сут (2014/2015 г.)

4. Неклассический аспект

Согласно принципу слабой причинности [25], для неизвестных квантовых состояний (или, в других терминах, для случайных процессов) возможны опережающие нелокальные корреляции через времениподобный интервал. При диффузионном обмене запутанностью величина опережения (запаздывания) этих корреляций может быть велика. В серии работ, в частности [22], было теоретически и экспериментально показано, что нелокальные корреляции между двумя подсистемами характеризуются запаздывающим и опережающим максимумами, симметрия между которыми нарушается экранирующей средой, в большей степени подавляющей запаздывающий максимум. За счет интерференции может возникать также квазисинхронный максимум корреляции. Экспериментальная задача заключается в установлении корреляции между процессом-источником и полностью изолированном от классических локальных воздействий пробным процессом в детекторе. Наиболее надежным оказался детектор, основанный на спонтанных вариациях собственных потенциалов слабополяризующихся электродов в электролите [22]. В их результате предшествующих экспериментов выявлены нелокальные корреляции, с одной стороны, между удаленными детекторами, и, с другой стороны, между ними и крупномасштабными гелиогеофизическими диссипативными процессами с большой случайной компонентой. Нелокальная природа корреляций доказана нарушением неравенства типа Белла [6, 22]. Доказана возможность прогноза солнечной и геомагнитной активности на основе нелокальных корреляций [7, 8, 22]. Наиболее сильные макроскопические нелокальные корреляции наблюдаются на крайне низких частотах (на периодах несколько месяцев), что требует постановки длительных экспериментов в высокостабильных условиях. Таким образом, неклассический аспект Байкальского мониторинга касался одновременно проблем фундаментальной физики и геофизики.

В результате анализа испытательной годовой серии 2012/2013 г. была выявлена опережающая причинная связь сигналов детекторов, что представляет наиболее своеобразную черту макроскопической запутанности и проявление квантового принципа слабой причинности. Другим результатом было выявление опережающего отклика сигналов детекторов на некоторые региональные (вариации приповерхностной температуры и скорости течения) и глобальные (вариации солнечной активности) случайные диссипативные процессы. [9]. Дальнейший мониторинг подтвердил эти результаты, качество которых улучшилось за счет измененной в 2023 г. конфигурации установки. Проанализируем важнейшие из них на примере серии 2013/2014 г.

Корреляции сигналов детекторов между собой. Обозначим Ub, Ut, Ul сигналы (разности собственных потенциалов) детекторов (электродных пар) расположенных на нижнем и верхнем горизонтах в Байкале и на удаленной наземной обсерватории в Троицке соответственно. В запутанных состояниях, если вариации сами по себе случайны, сигналы подчиняются квантовому принципу слабой причинности, нарушающему сформулированный выше принцип слабой причинности (например, возможно при ). Значимым отклонением экспериментальной оценки от считается ее превышение над относительной выборочной погрешностью (в нашем эксперименте около 10%).

На основе спектрального анализа выделен диапазон периодов наибольшей коррелированности всех сигналов 145>T>46 сут. В этом диапазоне, как и в [9] выявлена направленная сверху вниз (из-за доминирования гелиогеофизических процессов-источников) причинная связь сигналов UlUt, UlUb, UtUb. Эта связь характеризуется приблизительно симметричным запаздыванием и опережением, причем опережающая корреляция систематически больше запаздывающей. Пример (UlUt) показан на рис. 11. Помимо опережающего и запаздывающего максимумов виден промежуточный квазисинхронный () и соответствующие им минимумы . Главный максимум наблюдается при опережении сут. Корреляционная функция отражает только линейную связь, поэтому положение ее экстремумов другое, но наибольшая корреляция также опережающая, сут.

В парах UtUb и UlUb также доминирует опережающая причинность, соответственно: , сут. и , сут. Причинность наиболее выражена для пары детекторов с наибольшим вертикальным разносом (Ul, Ub), но не аддитивно, поскольку связь не локальна.

Рис. 11. Причинный и корреляционный анализ Ut (X) и Ul (Y). ф<0 соответствует запаздыванию Ut относительно Ul,, ф>0 - опережению

Так же как и в испытательном эксперименте [7] установлена нелокальная связь сигнала Ut (на глубине 47 м) с температурой t в вышележащем деятельном слое (глубина измерения 20 м). Амплитуды спектральных максимумов Ut, коррелирующих с t оказались на два порядка выше тех, которые могли бы быть обусловлены локальным воздействием согласно температурному коэффициенту данных электродов. Эта нелокальная связь оказалась причинной t Ut и опережающей (сходной, при Ut (X) и t (Y), по виду с рис. 1). В том же диапазоне периодов главный максимум и минимум наблюдаются при опережении Ut относительно t 19 сут, при этом при почти том же сут. Мы применили к этим данным прогностический алгоритм, основанный на вычислении текущей регрессии. Алгоритм требует длительного обучающего интервала, поэтому прогноз можно было проверить на остающемся относительно коротком отрезке ряда. Результат представлен на рис. 12.

За время эксперимента произошло одно относительно мощное землетрясение: М=5.6, расстояние до эпицентра 890 км (Хакассия), глубина гипоцентра 15 км. В сигнале придонного детектора Ub это событие видно без всякой обработки (рис. 13) как единственное за весь год кратковременное возмущение в виде характерного тройного всплеска (опережающий-квазисинхронный-запаздывающий). Возмущение начинается примерно за 12 суток до землетрясения и достигает опережающего максимума за 6 суток. В Ut сигнал зашумлен близкими вышележащими процессами. В Ez ввиду большой удаленности очага отсутствуют какие-либо особенности в окрестностях события. Но возмущение в сигнале Ub практически свободно от шумов, его форма точно соответствует теоретическому предсказанию, а величина опережающего всплеска (2.7 мВ) не противоречит теоретической оценке согласно уравнению макроскопической запутанности [10]. Таким образом, макроскопические нелокальные корреляции могут быть использованы в прогнозе землетрясений.

Рис. 12. Прогноз низкочастотной вариации температуры t с заблаговременностью 20 суток (1) в сопоставлении с фактической кривой t (2). е - среднеквадратичная ошибка прогноза