Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Мезомасштабные возмущения глобальной электрической цепи 13
1.1. Глобальная электрическая цепь 13
1.2. Возмущения электрического поля в ионосфере 15
1.3. Возмущения электронной концентрации и полного электронного содержания ионосферы 18
1.4. Волновой механизм формирования ионосферных возмущений 25
1.5. Электромагнитный механизм формирования ионосферных возмущений 26
1.6. Механизм проникновения электрического поля в ионосферу 27
1.7. Механизм вертикального переноса зарядов сторонним электрическим током 29
1.8. Заключение к главе 1 30
Глава 2. Модель UAM (Upper Atmosphere Model) 32
2.1. История создания модели 32
2.2. Уравнения модели в общем виде 35
2.3. Блок нейтральной атмосферы и нижней ионосферы 36
2.4. Блок F2-области ионосферы и внешней ионосферы 39
2.5. Блок расчета электрического потенциала 40
2.6. Методы решения уравнений. Граничные и начальные условия 41
2.7. Входные параметры 43
2.8. Заключение к Главе 2 45
Глава 3. Математическое моделирование мезомасштабных электрических полей и создаваемых ими ионосферных эффектов 46
3.1. Моделирование мезомасштабных электрических полей и двумерных возмущений полного электронного содержания 48
3.1.1. Зависимость от направления тока 52
3.2. Зависимость электрического поля и возмущений полного электронного содержания от параметров источников тока 53
3.2.1. Зависимость от плотности вертикального электрического тока 53
3.2.2. Зависимость от широтного расположения источников вертикального электрического тока 54
3.2.3. Зависимость от сезона 55
3.2.4. Зависимость от конфигурации источников тока 55
3.3. Моделирование трехмерных возмущений электронной концентрации 66
3.4. Заключение к главе 3 73
Глава 4. Математическое моделирование возмущений термосферы 74
4.1. Заключение к главе 4 79
Глава 5. Обсуждение физического механизма генерации мезомасштабных электрических полей в ионосфере 80
5.1. Генерация стороннего электрического тока 80
5.2. Землетрясения и формирование облаков 84
5.3. Моделирование вертикального электрического тока 85
5.4. Заключение к главе 5 90
Заключение 92
Список литературы
- Волновой механизм формирования ионосферных возмущений
- Блок F2-области ионосферы и внешней ионосферы
- Зависимость от плотности вертикального электрического тока
- Землетрясения и формирование облаков
Введение к работе
Актуальность темы исследования
В последнее время особое внимание уделяется исследованию ионосферных возмущений с горизонтальными масштабами от нескольких сотен до 1000-3000 км – так называемых мезомасштабных возмущений. Спутниковые и наземные измерения показывают локальные изменения электрических полей и соответствующих им возмущений ионосферной плазмы в связи с процессами, происходящими в атмосфере и литосфере, такими как землетрясения и процессы их подготовки, извержения вулканов, грозовая активность, пылевые и песчаные бури, тайфуны, а также в связи с антропогенными загрязнениями. Изучение этих процессов и механизмов их влияния на ионосферу – среду распространения радиоволн – представляет собой актуальную проблему в виду необходимости осуществления задач радиосвязи, радиолокации и навигации в условиях упомянутых явлений, а также их мониторинга и прогнозирования в целях предотвращения катастрофических последствий этих явлений для инфраструктурных объектов и жизни человека.
Рост научного интереса к данной проблеме стимулировал запуск специализированных научных программ, активно применяются спутниковые системы глобального позиционирования GPS (Global Positioning System), ГЛОНАСС, Galileo для измерения ряда параметров, характеризующих состояние ионосферы. Однако над малонаселенными участками суши (с малым количеством приемников), над океанами, где приемники отсутствуют вовсе, а также в высоких широтах за пределами орбит спутников изучение локальных воздействий на ионосферу затруднительно в виду отсутствия данных наблюдений. Кроме того, несмотря на обилие экспериментальных данных, научное сообщество еще далеко от единого, общепринятого объяснения выявленных закономерностей. В этой связи представляется актуальным использование численных моделей околоземного пространства, которые в совокупности с набором данных наблюдений в качестве начальных и граничных условий используются для физической интерпретации наблюдаемых явлений, а также в качестве средств их мониторинга (путем интерполяции модельных результатов в места, где наблюдения отсутствуют) и прогнозирования.
Целью диссертационной работы является изучение методом математического моделирования механизмов генерации мезомасштабных возмущений электрического поля в ионосфере в периоды подготовки землетрясений и влияния этих полей на пространственно-временные
вариации параметров термосферы и ионосферы в двумерной и трёхмерной постановках задачи.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
Проанализировать опубликованные спутниковые и наземные данные наблюдений мезомасштабных электрических полей, формируемых в ионосфере локализованными источниками, и соответствующие ионосферные возмущения, в частности, возмущения электронной концентрации и полного электронного содержания в периоды подготовки сильных землетрясений.
Осуществить математическое моделирование физических процессов, ответственных за генерацию мезомасштабных электрических полей в ионосфере от локальных источников вертикального электрического тока, текущего между Землей и ионосферой. Исследовать физическую природу источников этого тока и оценить его параметры, необходимые для генерации наблюдаемых электрических полей и их соответствующих эффектов в термосфере и ионосфере Земли.
Выполнить численные расчеты и проанализировать глобальные пространственно-временные вариации мезомасштабных электрических полей и соответствующие термосферные и ионосферные возмущения, формируемые в результате действия различных конфигураций источников вертикального электрического тока. В частности, рассчитать двумерные возмущения полного электронного содержания ионосферы, а также трехмерные возмущения концентраций, температур и скоростей движения заряженных и нейтральных частиц с использованием глобальной численной модели верхней атмосферы Земли UAM (Upper Atmosphere Model).
Проанализировать и сопоставить результаты проведенных численных расчетов с данными спутниковых и наземных наблюдений параметров верхней атмосферы при подготовке землетрясений.
Сделать выводы об относительной роли электромагнитного дрейфа плазмы F2-слоя ионосферы под действием мезомасштабного электрического поля и внутренних гравитационных волн в формировании ионосферных возмущений в периоды подготовки сильных землетрясений.
Метод исследования
В работе для исследования мезомасштабных электрических полей и их термосферных и ионосферных эффектов применялся метод физико-математического моделирования. Для этого использовалась численная глобальная модель верхней атмосферы Земли UAM (Upper Atmosphere Model), описывающая околоземное пространство в диапазоне высот от 80 до 100000 км. Основные параметры термосферы и ионосферы (концентрации, температуры и скорости движения основных газовых
компонент) рассчитывались в модели путем численного интегрирования системы нестационарных трехмерных уравнений движения, непрерывности и теплового баланса для нейтральных и заряженных частиц совместно с уравнением для расчета электрического потенциала. В качестве локальных источников мезомасштабных возмущений на нижней границе уравнения для электрического потенциала задавались вертикальные электрические токи.
Достоверность и обоснованность результатов и выводов диссертационной работы обеспечены корректностью постановки задач, метода их решения и согласием полученных результатов численного моделирования с результатами спутниковых и наземных наблюдений, а также с современными представлениями о физике процессов в верхней атмосфере Земли.
Научная новизна настоящей работа заключается в следующем.
Дано теоретическое объяснение генерации мезомасштабных электрических полей в ионосфере в результате действия вертикального электрического тока, текущего между Землей и ионосферой и созданного преимущественно неэлектрическими силами. Показано, что вертикальный электрический ток, возникающий в периоды подготовки землетрясений, имеет ту же физическую природу, что и электрические токи, возникающие при образовании грозовых облаков, замыкающие глобальную электрическую цепь и заряжающие ионосферу положительно относительно Земли.
Рассчитаны возмущения напряженности электрических полей и соответствующие двумерные возмущения полного электронного содержания ионосферы, и проанализированы их зависимости от плотности и направления вертикального электрического тока, широтного расположения источников, их конфигурации и сезона моделируемого события. Воспроизведены основные индивидуальные особенности относительных возмущений полного электронного содержания, наблюдавшихся перед землетрясениями на Суматре в марте 2005 г. и Японии в марте 2011 г.
Впервые выполнены модельные расчеты трехмерных вариаций электронной концентрации под действием мезомасштабных электрических полей. Изучено влияние не только вертикального дрейфа плазмы под действием зональной компоненты мезомасштабного электрического поля, но и горизонтальное перераспределение плазмы. Выявлено формирование всплывающих пузырей (баблов) и капель (блобов) – областей пониженной и повышенной электронной концентрации в низкоширотной ионосфере.
Впервые выполнены расчеты трехмерных возмущений концентрации, температуры и скоростей движения основных нейтральных
компонент верхней атмосферы Земли, создаваемых действием сейсмогенных электрических полей в ионосфере.
Исследован относительный вклад электромагнитного дрейфа плазмы Б2-слоя ионосферы и внутренних гравитационных волн в формирование ионосферных возмущений в периоды подготовки сильных землетрясений.
Научная и практическая значимость работы
Проведенное исследование вносит вклад в развитие представлений о физике глобальной электрической цепи и подтверждает электромагнитный механизм формирования ионосферных возмущений, связанных с процессами подготовки землетрясений, - генерацию возмущений электронной концентрации и полного электронного содержания посредством электромагнитного дрейфа плазмы (дрейфа в скрещенных электрическом и магнитном полях), создаваемого сейсмогенным электрическим полем, возникающим в результате появления стороннего электрического тока между Землей и ионосферой. Результаты проведенных расчетов могут быть использованы в разработке методик мониторинга и прогнозирования таких мезомасштабных природных явлений как тайфуны, штормы, грозовые облака и землетрясения по данным спутниковых наблюдений и физико-математического моделирования эффектов этих явлений в термосфере и ионосфере.
На защиту выносятся:
Результаты численного моделирования генерации локальных квазистационарных электрических полей в ионосфере действием сторонних электрических токов в глобальной электрической цепи, текущих между Землей и ионосферой. Обоснование реальности таких токов и их количественные оценки.
Описание структуры электромагнитного дрейфа плазмы Р2-слоя ионосферы под действием мезомасштабного электрического поля и создаваемых этим дрейфом трехмерных возмущений электронной концентрации ионосферы, в частности, в виде всплывающих пузырей в низких широтах.
Описание двумерных возмущений полного электронного содержания ионосферы в зависимости от магнитуды, широтного и долготного расположения источников вертикального электрического тока, с учетом обратных токов и в зависимости от сезона.
Описание трехмерных возмущений термосферы (концентрации, скоростей и температур нейтрального газа), создаваемых при взаимодействии с заряженными частицами.
Оценка относительной роли генерируемых в термосфере внутренних гравитационных волн в формировании возмущений полного электронного содержания в сравнении с ролью [Е х В] дрейфа плазмы Р2-слоя ионосферы, создаваемого мезомасштабным электрическим полем.
Личный вклад автора
Автор участвовал в постановке задач, разработке физического механизма генерации мезомасштабных электрических полей, выполнил численные расчеты термосферных и ионосферных возмущений от действия квазистационарных электрических полей с использованием модели UAM, выполнил обработку, анализ и сопоставление результатов модельных расчетов между собой, а также с данными эмпирических моделей и данными спутниковых и наземных наблюдений. Автор принимал участие в обсуждении и подготовке публикаций с описанием полученных результатов и выводов диссертации.
Апробация работы и публикации
Результаты работы были представлены и обсуждались на международных конференциях «Атмосфера. Ионосфера. Безопасность» (Калининград, 2012, 2014) и «Проблемы геокосмоса» (Санкт-Петербург,
2012, 2014), ежегодных семинарах «Физика авроральных явлений»
(Апатиты, 2013, 2014), региональных конференциях «Высокоширотные
геофизические исследования» (Мурманск, 2012, 2013, 2015), конференции
«Радиофизические исследования ионосферы» (Харьков, Украина, 2013), на
генеральных ассамблеях Европейского союза наук о Земле (Вена, Австрия,
2013, 2014), Международного научного радиосоюза (Пекин, Китай, 2014),
Американского геофизического союза (Сан-Франциско, США, 2013) и
Комитета по космическим исследованиям (Москва, 2014), а также на
семинарах в Бернском международном институте космических
исследований в 2014 и 2015 г.
По теме диссертации опубликована 21 научная работа, в том числе четыре статьи в журналах из перечня научных изданий Высшей аттестационной комиссии РФ, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, две статьи в других реферируемых журналах и 15 работ в трудах и материалах научных конференций.
Волновой механизм формирования ионосферных возмущений
К настоящему времени накоплен большой массив данных измерений вариаций параметров ионосферы перед сильными землетрясениями.
На первых этапах экспериментального изучения и мониторинга состояния ионосферы наиболее распространенным методом являлось вертикальное зондирование, позволившие получить сведения о суточных, сезонных и широтных вариациях электронной концентрации в E, F1 и F2-слоях ионосферы. Метод основан на отражении радиосигналов наземных станций (ионозондов) от ионосферы и определении высоты отражения от частоты передатчика по времени прохождения сигнала до точки отражения и обратно. Анализ результатов зондирования – ионограмм – позволяет восстанавливать вертикальные профили электронной концентрации в районе наземной станции, определить высоты максимумов электронной концентрации. С развитием спутниковых технологий популярным методом измерений параметров ионосферы стало радиозндирование сверху, с помощью ионозонда, находящегося на спутнике и позволяющего получить распределение электронной концентрации вдоль его орбиты.
Анализ данных наземного и спутникового зондирования ионосферы за несколько дней до землетрясений показал формирование, в основном в ночное время, спорадических слоев на высотах E-области (90–150 км), изменения критических частот регулярного E-слоя (Гохберг и др., 1984, 1988; Alimov et al., 1989; Parrot and Mogilevsky, 1989; Silina et al., 2001; Liperovskaya et al., 2003, 2006a, 2006b; Liperovsky et al., 2000, 2005; Корсунова и Хегай, 2008; Корсунова и др., 2013), критических частот и высоты максимума F2-слоя ионосферы, модификаций экваториальной аномалии в виде смещения горбов или углубления провала между гребнями аномалии (Leonard and Barnes, 1965; Davies and Baker, 1965; Depueva and Ruzhin, 1995; Депуева и Ротанова, 2000; Depueva and Rotanova 2001; Депуева и др., 2007; Depuev and Zelenova, 1996; Ruzhin et al., 1998; Liu et al., 2000, 2006; Silina et al., 2001; Liperovskaya et al., 2006a, 2008, 2009; Pulinets, 1998; Pulinets et al., 2003; Pulinets and Davydenko, 2014), а также возмущений компонент электрических и магнитных полей (Moore, 1964; Chmyrev et al., 1989; Hayakawa et al., 1996; Bhattacharya et al., 2009); появление термальных аномалий (Filizzola et al., 2004; Genzano et al., 2007, 2009; Ouzounov, 2004; Ouzounov et al., 2006, 2007, 2011; Saradjian and Akhoondzadeh, 2011a, 2011b; Tramutoli et al., 2005, 2013; Tronin et al., 2002, 2004; Tronin, 2006). Установлено, что указанные атмосферные и ионосферные аномалии фиксируются за часы, дни или недели до землетрясения в зависимости от вида вариации. Наземное и спутниковое радиопросвечивание ионосферы обладает существенным недостатком: оно позволяет получить профили электронной концентрации либо непосредственно в районе наземной станции, либо вдоль траектории спутника. Выход из строя наземных станций и постепенное сокращение сети ионозондов усугубляет проблему и затрудняет получение глобальных распределений параметров ионосферы по всему глобусу.
Новая эра мониторинга состояния ионосферы открылась в связи с развитием глобальных спутниковых навигационных систем. Развернутые группировки спутников GPS (Global Positioning System) и ГЛОНАСС вместе с наземными приёмными станциями обеспечивают непрерывное и глобальное покрытие земного шара. По времени задержки и изменению фазы сигналов между спутниками и наземными приемниками определяют глобальное распределение полного электронного содержания ионосферы (Total Electron Content, сокр. TEC) – интегральное количество электронов в столбе единичного сечения и измеряемого в единицах TECU (1 TECU = 1016 электронов/м2).
Наиболее часто используемые для анализа данные предоставляет International GNSS (Global Navigation Satellite Systems) Service, который включает около 200 агентств, занимающихся обработкой GPS и ГЛОНАСС сигналов по всему миру. Данные предоставляются в виде глобальных карт TEC с пространственным разрешением 2,5 на 5 градусов по широте и долготе, соответственно, с часовым шагом по времени (Dow et al., 2009).
Применительно к процессам подготовки землетрясений карты вариаций полного электронного содержания по данным GPS и ГЛОНАСС позволили выявить особенности возмущений электронной концентрации, неизвестные ранее. На основе анализа множества случаев был определён ряд морфологических особенностей в вариациях полного электронного содержания, наблюдавшихся перед сильными землетрясениями (M 6) (Liu et al., 2001, 2004; 2006a, 2006b, 2011; Pulinets and Boyarchuk, 2004; Pulinets and Davydenko, 2014; Romanovskaya et al., 2012; Le et al., 2011; Zakharenkova et al., 2006, 2007a, 2007b, 2008; Захаренкова, 2007; Золотов и др., 2011, 2013; Золотов, 2015; Романовская, Намгаладзе, 2014 и ссылки в них). Они представляют собой положительные и отрицательные отклонения (увеличения или уменьшения) порядка 30-90% и более относительно фоновых значений. Пространственные размеры областей возмущений составляют более 1500 км по широте и 3500 км по долготе. Их формирование происходит над эпицентром или вблизи него от нескольких дней и часов до 1-2 недель до момента землетрясения. Время жизни сейсмогенного возмущения составляет 4-6 часов и может достигать 12 часов в случаях сильных землетрясений. При этом, в отличие от возмущений, связанных с геомагнитной и солнечной активностью, возмущения остаются стабильными, практически не меняют свой формы и остаются неподвижными. С восходом Солнца происходит значительное уменьшение возмущений, часто вплоть до их полного исчезновения с последующим восстановлением в ночное время. Аналогичные эффекты часто наблюдаются в магнитосопряженной области. В случае сильных низкоширотных землетрясений наблюдаются эффекты, связанные с перестройкой экваториальной аномалии F2-области ионосферы (Depueva and Ruzhin, 1995; Depuev and Zelenova,1996; Депуева и Ротанова, 2000; Depueva and Rotanova, 2001; Пулинец и Легенька, 2002; Депуева и др., 2007; Pulinets, 2012; Ryu et al., 2014b).
Подобные возмущения полного электронного содержания ионосферы также регистрируются при извержении вулканов, пылевых бурях и ядерных взрывах (Pulinets and Davydenko, 2014).
Примеры относительных возмущений полного электронного содержания ионосферы перед сильными землетрясениями по данным систем глобального позиционирования представлены на рис.1.3-1.6 (Романовская и Намгаладзе, 2014).
На рис. 1.3 и 1.4 приведены наиболее типичные примеры относительных возмущений полного электронного содержания перед четырьмя различными землетрясениями в Иране и Индонезии, демонстрирующие перечисленные характеристики. Рис. 1.5 наглядно иллюстрирует данные наблюдений перед землетрясением, произошедшем у островов Лоялти при повышенной геомагнитной активности (Kp 6). Наглядно видно присутствие возмущений разных типов. Интенсивные возмущения, перемещающиеся с высоких широт к низким в течение всех суток, связаны геомагнитной активностью, а сейсмические возмущения проявляются вблизи эпицентра в ночное время и остаются стабильными. Два других примера приведены на рис. 1.6 для землетрясений вблизи Японии. Для данных случаев характерно проявление отклонений только в одном полушарии, в одном случае вблизи эпицентра, в другом – вблизи магнитосопряженной области. Значительное количество других примеров относительных возмущений полного электронного содержания представлено в диссертационном исследовании (Золотов, 2015).
Блок F2-области ионосферы и внешней ионосферы
В Советском Союзе (до 1991 г.) ионосферное моделирование развивалось в нескольких научных школах: иркутская (СибИЗМИР, ИГУ – Поляков, Кринберг, Климов, Кошелев, Коен, Хазанов, Тащилин и др.); калининградская (КМИО ИЗМИРАН, КГУ – Намгаладзе, Латышев, Никитин, Захаров, Клименко, Суроткин, Смертин, Карпов, Саенко и др.), московская (ИЗМИРАН, ИПГ – Фаткуллин, Дёминов, Ситнов, Ким, Хегай, Осипов, Михайлов, Иванов-Холодный, Данилов, Павлов и др.), мурманск-апатитская (Мизун, Власков, Мингалёвы, Иванов и др.), томская (ТГУ – Колесник, Королёв и др.), якутская (ИКФиА – Голиков).
Из современных отечественных моделей следует отметить математическую модель конвектирующей высокоширотной ионосферы (Mingaleva et al., 2009), которая позволяет рассчитывать трехмерные распределения электронной плотности, скорости положительных ионов и электронной и ионной температур на высотах F-области; численную модель средней и верхней атмосферы МСВА (Pogoreltsev et al., 2007); трехмерную нестационарную модель ионосферы Тащилина А.В. (Тащилин, 2014); трехмерную ассимиляционную модель ионосферы (Титов и др., 2013); трехмерную нестационарную модель концентраций и температур электронов и ионов области F ионосферы и плазмосферы низких и средних широт (Pavlov, 2006). За рубежом наиболее известными являются американская (Боулдер – Роббл, Ридли, Ричмонд и др.) и британская (Лондон, Шеффилд – Фуллер-Рауэлл, Мофетт и др.) школы ионосферного и термосферного моделирования.
Среди зарубежных глобальных моделей, объединяющих термосферу и ионосферу, следует отметить модели ионосферы USU-IFM (Utah State University-Ionosphere Forecast Model) и SAMI3 (Another Model of the Ionosphere). Модель SAMI3, основанная на двумерной модели ионосферы SAMI2 (Huba et al., 2000, 2008), рассчитывает ионный состав в диапазоне высот от 85 до 20000 км, однако не охватывает широты выше 50 градусов, поскольку не учитывает высыпания и электрические поля магнитосферного происхождения. Модель USU-IFM (Schunk et al., 1997), основанная на модели USU Time-Dependent Ionosphere Model (Schunk, 1988; Sojka, 1989), охватывает высоты от 90 до 1600 км и все широты, и долготы. Как и модель SAMI3 она использует эмпирические модели термосферы NLRMSISE-00 и горизонтальный ветров HWM в качестве входных параметров.
К самосогласованным трехмерным моделям ионосферы и термосферы относятся модели CTIPe (Coupled Thermosphere Ionosphere Plasmasphere electrodynamics; Fuller-Rowell et al., 1996; Codrescu et al., 2000; Millward et al., 1996, 2001), GITM (Global Ionosphere Thermosphere Model; Ridley et al., 2006), и TIE-GCM (Thermosphere-Ionosphere-Electrodynamics General Circulation Model; Roble et al., 1988; Richmond et al., 1992).
В 2000-е годы происходило расширение и объединение разработанных ранее моделей атмосферы в двух направлениях: вверх, соединяя с численными моделями магнитосферы, гелиосферы и солнечной короны, например, Space Weather Modeling Framework (SWMF) (Tth et al., 2005) и вниз до высот стратосферы и тропосферы путем объединения моделей верхней атмосферы с метеорологическими или климатическими моделями нижней и средней атмосферы (Akmaev et al., 2008; Fuller-Rowell et al., 2008, 2011; Pedatella et al., 2011; Wang et al., 2011; Martynenko et al., 2014). Подробное описание основных указанных моделей, а также других менее известных представлено в монографии (Huba et al., 2014).
Оба типа «объединённых» моделей являются, в сущности, конструкциями, составленными из различных частей разных моделей без учёта физической взаимосвязанности этих частей.
Наиболее полно охватывающей околоземное пространство как единую систему, является модель UAM. Эта модель превосходила и по сей день превосходит все имеющиеся зарубежные и отечественные аналоги по пространственному охвату (высоты 60–100 000 км) и разрешению (до 1 градуса широты и долготы), что выгодно отличает модель от зарубежных конкурентов в моделировании мезомасштабных (с горизонтальными масштабами до нескольких сот километров) возмущений.
UAM создавалась на базе модели среднеширотной ионосферы для диапазона высот 100-1000 км (Namgaladze et al., 1977), модели экваториальной ионосферы (Суроткин и др., 1979), а также модели системы ионосфера-протоносфера (Намгаладзе и др., 1980), последовательно разработанных в Западном отделении ИЗМИРАН коллективом под руководством профессора А.А. Намгаладзе и затем объединенных в глобальную самосогласованную модель термосферы, ионосферы и протоносферы (ГСМ ТИП) (Намгаладзе и др., 1988, 1990; Namgaladze et al., 1988, 1991). С помощью этих моделей были исследованы суточные, сезонные и возмущённые вариации электронной концентрации, ионного состава, электронной и ионной температур и скоростей нейтральных ветров в Е, F1 и F2 областях среднеширотной ионосферы (Намгаладзе, 1978 и ссылки в ней); реакция F2-области среднеширотной и высокоширотной ионосферы на действие крупномасштабных зональных и меридиональных электрических полей (Клименко и Намгаладзе, 1977, 1980, 1983); ионосферные эффекты солнечных вспышек (Кореньков и Намгаладзе, 1977); эффекты возмущений нейтральной атмосферы (термосферных ветров, газового состава термосферы и внутренних гравитационных волн), связанных с магнитосферными суббурями и бурями (Намгаладзе и др., 1982 и ссылки в ней); установлен механизм формирования расслоений экваториальной F2-области ионосферы (Суроткин и др., 1985); исследованы физические механизмы формирования главного ионосферного провала и плазмопаузы как связанных образований (Намгаладзе и др., 1980); физические механизмы формирования разнообразных возмущений верхней атмосферы Земли, связанных с солнечной и геомагнитной активностью, осуществлена физическая интерпретация данных оптических и радиофизических наблюдений (Намгаладзе и др., 1990 и ссылки в ней).
В Полярном государственном институте и Мурманском государственном техническом университете модель была усовершенствована и модернизирована для изучения высокоширотных ионосферных эффектов (Намгаладзе и др., 1996; Namgaladze et al., 1998a, 199b) и получила обозначение UAM. В частности, в модель были включены эмпирические модели термосферы и нейтральных ветров, а также реализованы численные алгоритмы интегрирования моделирующих уравнений с переменным шагом по широте для изучения термосферных и ионосферных эффектов с пространственными масштабами более ста километров.
Зависимость от плотности вертикального электрического тока
При смене направления вертикального электрического тока на противоположное модельное электрическое поле (рис. 3.4 верхняя и нижняя панели, соответственно) и, соответственно, дрейф плазмы также меняют свой знак на противоположный. В картах относительных возмущений полного электронного содержания это выражается в зеркальном перераспределении положительных и отрицательных возмущений относительно меридиана эпицентра (верхняя и нижняя панель на рис. 3.5), т.е. области с пониженной электронной концентрации образуются на месте, где ранее были получены области с увеличенной концентрацией электронов и наоборот. Однако форма положительных и отрицательных возмущений при этом не сохраняется, поскольку зависимость возмущений полного электронного содержания от направления токов более сложная, чем для электрического потенциала. Она обусловлена влиянием местного времени, т.е. различиями в высотных профилях фоновой электронной концентрации и в электрической проводимости восточнее и западнее меридиана эпицентра. 3.2. Зависимость электрического поля и возмущений полного электронного содержания от параметров источников тока
Ниже представлены результаты численных модельных экспериментов, выполненных с помощью модели UAM, для источников с различными характеристиками, иллюстрирующие зависимости ионосферных эффектов подготовки землетрясений от: а) плотности электрического тока; б) широтного расположения источников; в) сезона моделируемого события; г) конфигурации источников.
При изменении плотности электрического тока с 10 нА/м2 до 20 нА/м2 и одновременном уменьшении в два раза площади, через которую вносились дополнительные заряды, картина возмущений полного электронного содержания сохранялась. Это означает, что при исследовании физических механизмов вертикальных электрических токов, генерируемых в атмосфере над тектоническим разломом, важна не только интенсивность тока, но и размеры области, над которыми они возникают на подготовительных стадиях землетрясений. Здесь имеет смысл упомянуть численные расчеты сейсмогенных возмущений полного электронного содержания, выполненные с использованием модели SAMI3 (Kuo et al., 2011). В отличие от численных экспериментов, представленных в настоящей диссертационной работе, Куо и соавт. рассматривали локальные эффекты от источника вертикального электрического тока, а не в глобальном масштабе, как в нашем случае, и игнорировали магнитосопряженную область. В качестве причины формирования электрического тока считались электрические поля т.н. положительных "дыр", возникающих при сдавливании породы и накапливающихся у поверхности (Freund, 2011). По результатам их расчетов источники электрического тока плотностью 0,2–10 мкА/м2, текущего через площадку с размерами 200 на 30 км, создают возмущения полного электронного содержания порядка 2–25 % относительно спокойных условий в ночное время, а токи плотностью 0,01–1 мкА/м2 – возмущения порядка 1–30% в светлое время суток. Общий вносимый заряд примерно соответствовал нашим источникам, и результаты расчетов в обоих случаях в целом согласуются друг с другом. 3.2.2. Зависимость от широтного расположения источников вертикального электрического тока
Для исследования зависимости возмущений полного электронного содержания от широтного расположения мезомасштабных электрических полей были выполнены расчеты, в которых источники располагались на широтах 45, 15 и 5. Результаты расчетов были сопоставлены с расчетами для землетрясения на Гаити, представленными в разделе 3.1 (эпицентр 0 геом. долготы, 30 геом. широты; 9 января 2010 г.). Визуализация результатов расчетов для всех четырех вариантов в 01:00 LT представлена на рис. 3.6.
Рассчитанные относительные возмущения полного электронного содержания (%) в зависимости от расположения источников вертикального электрического тока (слева направо): на 5, 15, 30 (Гаити) и 45 геомагнитной широты, для вертикальных электрических токов, направленных к ионосфере (верхний ряд) и к Земле (нижний ряд)
Как видно, максимальные возмущения полного электронного содержания имеют место при расположении источников электрического тока на 30 геомагнитной широты (магнитуда порядка 30-45%), а для низкоширотных и экваториальных источников возмущения минимальны или отсутствуют вовсе. Это объясняется углом наклона магнитных силовых линий. На экваторе, где силовые линии параллельны Земле, вертикальный электрический ток не может течь поперек магнитного поля, и, соответственно, электрическое поле, создаваемое дополнительным переносом зарядов в ионосферу снизу, отсутствует. Малая интенсивность возмущений полного электронного содержания, создаваемых источником на 45, по сравнению с источником на 30 обусловлена большим наклонением силовых линий и, соответственно, меньшим вертикальным дрейфом плазмы.
Зависимость ионосферного отклика от сезона моделируемого события можно видеть на рис. 3.5, который показывает, что различия между эффектами в летнем (южном) и зимнем (северном) полушариях зависят от местного времени, т.е. от формы высотного профиля фоновой электронной концентрации, значений NmF2 и HmF2 и от расположения источников относительно терминатора. Существенно, что возмущения электрического потенциала одинаковы в летнем и зимнем полушариях (рис. 3.4) из-за эквипотенциальности геомагнитных силовых линий.
При внесении дополнительных зарядов в ионосферу путем включения сейсмогенных источников электрического тока на нижней границе модели полный электрический ток в цепи значительно изменялся по сравнению со спокойными условиями. Для сохранения полного тока в цепи на нижней границе в уравнении электрического потенциала задавались дополнительные электрические токи противоположного направления (обратные или возвратные токи). Были рассмотрены несколько конфигураций, в которых менялось положение обратных токов относительно основных (прямых токов), схематично представленных на рис. 3.7-3.10.
В первом моделируемом варианте обратные токи задавались распределёнными равномерно по всему глобусу, как показано на рис. 3.7. Такая конфигурация упрощенно соответствует представлениям о глобальной электрической цепи, где ток зарядки течет вверх преимущественно в локальных грозовых областях, а в обширных областях хорошей погоды течет ток противоположного направления и тем меньший, чем больше область хорошей погоды. Сопоставление результатов модельных расчетов возмущений электрических полей, электронной концентрации и полного электронного содержания для такой конфигурации с представленными на рис. 3.4 и 3.5 результатами (без обратных токов) не выявило каких-либо существенных изменений (Karpov et al., 2012a).
Во втором рассмотренном случае источники обратного тока были расположены в узлах численной сетки вокруг узлов с основными источниками, непосредственно рядом с ними и сопоставимой плотности (как показано на рис. 3.8). В данном случае единственными изменениями стало уменьшение магнитуды возмущений электрического поля и полного электронного содержания, а также площади их проявления примерно в 2 раза (Karpov et al., 2012a).
Землетрясения и формирование облаков
Результаты численного моделирования возмущений полного электронного содержания, выполненные в работах (Kuo et al., 2011; Намгаладзе и др., 2013; Золотов, 2015), расчеты возмущений электрического поля и трехмерных возмущений плазмы и нейтрального газа верхней атмосферы, представленные в предыдущей главе, а также оценки сейсмогенных электрических полей и токов в серии работ (Sorokin et al., 2001, 2003, 2005a, 2005b, 2006a, 2006b, 2006c, 2007a, 2007b) сходятся в том, что для возникновения наблюдаемых в периоды подготовки сильных землетрясений ионосферных эффектов требуются интенсивные электрические токи, по плотности превышающие обычные токи хорошей погоды на несколько порядков. Вертикальные электрические токи, возникающие на начальной стадии сейсмической активности и образовании тайфунов, рассматриваются в упомянутых работах Сорокина и соавт. в качестве основной причины многочисленных эффектов в космической плазме в электродинамической модели процессов литосферно-атмосферно-ионосферной связи (Сорокин и Ружин, 2015). Генерация дополнительного электрического тока в глобальной электрической цепи качественно объясняется появлением в приземных слоях атмосферы дополнительной электродвижущей силы, обусловленной инжекцией радиоактивных частиц и аэрозолей почвенных газов из разлома или конденсацией пара над поверхностью океана и конвективным переносом и гравитационным оседанием заряженных аэрозолей. В настоящей главе подробно рассмотрены процессы возникновения, накопления, разделения и переноса электрических зарядов перед сейсмическими событиями, штормами и тайфунами, а также для песчаных и снежных бурь и показана их связь с образованиями облаков и гроз и, соответственно, с локальными модификациями в глобальной электрической цепи.
Свободные электрические заряды в атмосфере образуются в результате ионизации воздуха, главным образом, вследствие естественной радиоактивности у поверхности Земли и галактическими космическими лучами со скоростью ионизации порядка 2 см-3с-1 у поверхности и 20-30 см-3с-1 на высотах верхней тропосферы (Reiter, 1992). При обычных условиях (в сухом воздухе или при отсутствии загрязнений) заряды быстро рекомбинируют друг с другом, но при наличии крупных тяжелых молекул – частиц континентального, океанического или антропогенного происхождения, таких как почвенные газы, пыль, пепел, частицы металлов и прочие примеси с размерами от нескольких сотен ангстрем до нескольких микрон (Boucher, 2015), капель воды или льдинок – к ним быстро прилипают свободные электроны. За счет замедленной рекомбинации новообразованных крупных заряженных частиц (скорость рекомбинации в зависимости от их размера может быть меньше скорости рекомбинации первичных зарядов на четыре порядка; Harrison and Carslaw, 2003) происходит накопление и увеличение концентрации зарядов.
Возникшие ионы выступают в роли ядер конденсации водяных паров. Далее рост капель осуществляется преимущественно посредством коагуляции – процесса слипания капелек воды в более крупные образования (Ивлев и Довгалюк, 1999; Ермаков и Стожков, 2004). При этом в ходе конденсации выделяется скрытая теплота, равная теплоте парообразования и способствующая усилению потоков теплого восходящего воздуха. Известно, что на отрицательно заряженных ядрах конденсация происходит эффективнее, чем на положительных и нейтральных ядрах, поскольку для конденсации на положительно заряженных ядрах требуется значительно большая насыщенность водяного пара (Ермаков и Стожков, 2004). За счет большего размера отрицательных зарядов и, соответственно, их большей массы они увлекаются вниз под действием силы тяжести, а легкие, положительно заряженные частицы переносятся вверх вместе с восходящими потоками теплого воздуха. Таким образом, силой тяжести и градиентами давления осуществляется разделение и вертикальный конвективный перенос противоположно заряженных частиц, т.е. возникает электрический ток, получивший название стороннего.
В отличие от тока хорошей погоды, определяемого электрической проводимостью воздуха и фоновым электрическим полем между Землей и ионосферой, сторонний ток создается неэлектрическими силами и направлен в противоположную сторону – от Земли к ионосфере. Сторонний электрический ток присутствует всегда при наличии восходящих потоков теплого и влажного воздуха и источников ионизации, и в зависимости от изменения атмосферных условий, температуры, давления и влажности воздуха, состава и концентрации пылевых и водных аэрозолей, а также условий ионизации сторонний ток увеличивается или уменьшается, создавая локальные изменения разности электрического потенциала между Землей и ионосферой.
Перед землетрясениями вертикальный электрический ток между Землей и ионосферой значительно увеличивается над областями их подготовки (Намгаладзе и Карпов, 2015; Namgaladze and Karpov, 2015). Во-первых, за счет возникновения дополнительных источников ионизации воздуха по сравнению с обычными условиями. Ускоренному ионообразованию способствует повышенная концентрация радиоактивных частиц в приземном слое, выталкиваемых из тектонического разлома, превышающая фоновые значения в несколько раз (King, 1986; Alekseev and Alekseeva, 1992; Virk and Singh, 1994; Heincke et al., 1995; Igarashi et al., 1995; Yasuoka et al., 2006). Возможный дополнительный источник ионизации, связанный с процессами в литосфере, был предложен в серии экспериментальных работ (Freund et al., 2007, 2009; Freund and Sornette, 2007; Freund, 2011). При сжатии породы происходит активация т.н. положительных дыр – дефектов кристаллической решетки, представляющих собой высокоподвижные носители положительных зарядов. По мере сдавливания объема положительные дыры накапливаются у поверхности, на границе раздела земля-воздух, и, наконец, происходит пробойная ионизация нейтральных молекул приземного воздуха. Лабораторные эксперименты показали, что при этом возникает мощный источник электрического поля, а плотность соответствующего электрического тока по данным измерений составила 0,5-1,25 мкА/м2.
Во-вторых, увеличение концентрации почвенных газов и аэрозолей, формирование ионных кластеров в ходе процессов нуклеации и присутствие других тяжелых частиц, способствуют увеличению концентрации крупных заряженных частиц вследствие их замедленной рекомбинации по сравнению с первичными ионами и электронами.
В-третьих, разделению и переносу электрических зарядов способствуют восходящие потоки тепла над активными разломами. Они представляют собой крупномасштабные области (от нескольких тысяч до десятков тысяч квадратных километров) с повышенной на 2–4 температурой, образующиеся за 4–20 дней до землетрясения и регистрируемые спутниками в виде убегающего длинноволнового излучения в инфракрасном диапазоне (Filizzola et al., 2004; Genzano et al., 2007, 2009; Ouzounov, 2004; Ouzounov et al., 2006, 2007, 2011; Saradjian and Akhoondzadeh, 2011a, 2011b; Tramutoli et al., 2005, 2013; Tronin et al., 2002, 2004; Tronin, 2006). Пример образования подобной тепловой аномалии по данным спутника NOAA (National Ocean and Atmospheric Administration) представлен на рис. 5.1 для землетрясения в Китае в январе 1999 г.