Автореферат (1149486), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Входными параметрами модели являются дата и мировое времямоделируемого события, поток солнечного радиоизлучения, спектрысолнечного ультрафиолетового и крайнего ультрафиолетового излучения,потоки высыпающихся из магнитосферы энергичных электронов,продольные токи зон 1 и 2 и/или распределение электрическогопотенциала на границе полярной шапки, индексы магнитной активности,Y- и Z-компоненты межпланетного магнитного поля.Для нахождения искомых вариаций параметров решается системаквазигидродинамических уравнений, описывающая основные физическиепроцессы рассматриваемой системы (процессы переноса, теплообмена,фотохимические процессы, химические реакции и внешнее воздействие) исостоящая из уравнений непрерывности (1), движения (2) и тепловогобаланса (3), а также уравнения для электрического потенциала (4).Интегрирование уравнений осуществляется методом конечных разностей.n (n v ) Q L ,t(1)где nα – концентрация частиц сорта α, vα – вектор скорости направленногодвижения частиц сорта α, Qα – скорость образования, Lα – скорость потерьчастиц сорта α, соответственно. v ( r ) 2 v F , t(2)где ρα – плотность газа сорта α, Ω – вектор угловой скорости вращенияЗемли, r – радиус-вектор, направленный от центра Земли, Fα – векторсилы, действующей на единицу объема газа сорта α. cVT p v ( T ) PQ PL PT ,t(3)где сVα – удельная теплоемкость газа сорта α при постоянном объеме, Tα –его температура, λα – теплопроводность, pα = nαkTα – давление, PQα –скорость нагрева, PLα – скорость охлаждения, PTα – скорость теплообмена сдругими газами, соответственно.11 [ˆ ( [V B]) jm js ] 0,(4)где σ – тензор ионосферной проводимости, φ – потенциал электрическогополя, V – вектор скорости среднемассового движения нейтрального газа, B– вектор магнитной индукции, jm и js – плотности магнитосферногоэлектрического тока и токов через нижнюю границу, соответственно.Модель описывает мезосферу, термосферу и ионосферу как единуюсистему и охватывает весь глобус по широте и долготе.
В нейрассчитываются не только ветры, скорости движения заряженных частиц,плотности и температуры основных компонент, но также электрическиеполя как магнитосферного, термосферного (динамо) и сейсмическогопроисхождения. Возможны варианты нахождения искомых параметров какполностью в самосогласованном варианте, т.е.
путем решения уравнений(1-4), так и с использованием данных эмпирических моделей ионосферыIRI-2001, нейтральной атмосферы NLRMSISE-00 и нейтрального ветраHWM-93.В третьей главе представлены результаты и анализ модельныхрасчетов мезомасштабных электрических полей и их ионосферныхэффектов. В качестве источников на нижней границе (на высоте 80 км)уравнения для электрического потенциала (4) задавались вертикальныеэлектрические токи js плотностью 10 нА/м2, расположенных на 30°геомагнитной широты и 0° геомагнитной долготы, что соответствовалоэпицентру сильного землетрясения на Гаити 12 января 2010 г. в условияхспокойной геомагнитной и солнечной активности. Горизонтальныеразмеры области действия электрического тока составляли 250 км вдольмеридиана и 4500 км вдоль параллели (вдоль разлома).
Расчет параметровдля нейтрального газа осуществлялся по эмпирической моделиNLRMSISE-00.Численные расчеты показали, что возмущенное электрическое полеформируется в ночное время над областью действия источников ипередаетсявмагнитосопряженнуюобласть,чтообъясняетсяэквипотенциальностью геомагнитных силовых линий. Оно имеетрадиальную структуру и направлено во все стороны от или к источнику взависимости от направления тока. Горизонтальные масштабывозмущенной области составляют 40–50° по долготе и 20–30° по широте.Напряженность электрического поля достигает 10–15 мВ/м, чтосоответствует измерениям квазистационарных электрических полейспутниками DEMETER и Intercosmos Bulgaria 1300 над сейсмоактивнымиобластями.Создаваемые электрическим полем посредством [E x B] дрейфаплазмымодельные возмущенияTECионосферыпосвоимморфологическим характеристикам соответствуют данным GPSнаблюдений.
Были воспроизведены магнитуда возмущений, их12стабильность, отсутствие перемещений в течение времени ихсуществования, а также уменьшение возмущений в дневное время сутоквплоть до полного исчезновения (в связи с увеличением электрическойпроводимости освещенной ионосферы и уменьшением электрическогополя) и восстановление в ночное время.Смена направления вертикального электрического тока приводит ксмене знака электрического поля и, соответственно, смене знаканаправления вертикального перемещения плазмы, что выражается вперераспределении положительных и отрицательных возмущений TECотносительно магнитного меридиана эпицентра. Асимметричностьвозмущений TEC относительно магнитного экватора и меридианаэпицентра обусловлена влиянием искривленности линии терминатораотносительно магнитного меридиана и местным временем, а именноразличием в высотных профилях фоновой электронной концентрации иэлектрической проводимости ионосферы по разным сторонам отмеридиана эпицентра.Были получены характеристики возмущений в зависимости отплотности электрического тока, широтного расположения источников,сезона рассматриваемого события, а также от конфигурации источников.Увеличение плотности электрических токов и одновременное уменьшениеплощадки, через которые они текут, в два раза не дает изменений вкартине возмущений.
Наиболее интенсивные возмущения получены дляисточников,расположенныхнашироте30º.Низкоширотныеэлектрические токи не могут течь поперек геомагнитного поля и несоздают заметных возмущений электронной концентрации. Длясреднеширотныхисточниковмалаяинтенсивностьвозмущенийобусловлена слабым дрейфом плазмы из-за большего наклонениямагнитных силовых линий.
Различия между эффектами в летнем и зимнемполушариях зависят от местного времени, т.е. от формы высотногопрофиля фоновой электронной концентрации, значений NmF2 и HmF2 иот расположения источников относительно терминатора. Численныерасчеты с учетом обратных электрических токов, компенсирующихсейсмогенные электрические токи и сохраняющих полный ток в ГЭЦ,показали сильную зависимость формы и расположения мезомасштабныхэлектрических полей и, соответственно, создаваемых под их действиемвозмущений TEC. Подбором различных конфигураций токов в дополнениек ранее исследованным возмущениям перед землетрясением в Гаити(январь 2010 г.; Золотов, 2015) были воспроизведены индивидуальныеособенности возмущений, наблюдавшихся перед землетрясениями наСуматре (в марте 2005 г.) и у побережья Японии (в марте 2011 г.).Непосредственно над источником, где разность электрическихпотенциалов и электрическое поле равны нулю, дрейф отсутствовал.13Восточнее и западнее источников зональные компоненты электрическогополя максимальны и имели противоположные направления напротивоположных сторонах от меридиана эпицентра.
Создаваемыйвосточным полем вертикальный дрейф приводил к перемещению плазмывверх, т.е. увеличению электронной концентрации. На противоположнойстороне западное электрическое поле приводило к обратному эффекту –уменьшению электронной концентрации.
Горизонтальное движениеплазмы, создаваемое меридиональным электрическим полем имаксимальное на меридиане эпицентра, приводило к перераспределениюэлектронов в горизонтальной плоскости. Результирующее движение имелосложную трехмерную структуру и приводило к формированию ночныхвсплывающих пузырей – "бабблов" и "блобов" – ограниченных областейпониженнойиповышеннойэлектроннойконцентрациинапротивоположных сторонах от меридиана эпицентра. Вертикальный дрейфплазмы F2-слоя под действием западной и восточной компонентымезомасштабного электрического поля в совокупности с горизонтальнымперераспределением плазмы под действием меридиональной компонентыполя приводит к их изменению.Вчетвертойглавеописанытермосферныеэффектымезомасштабных электрических полей.
Была проведена серия численныхрасчетов в полностью самосогласованном варианте модели UAM, вкотором вместо использования эмпирических данных о параметрахтермосферы решалась вся система уравнений движения, непрерывности итеплового баланса (1-3) как для заряженных, так и нейтральныхкомпонент.
Было показано, что столкновения заряженных и нейтральныхчастиц и Джоулева нагрева на нижней границе в области действияисточников электрического тока приводят к формированию возмущенийтермосферы, распространяющихся преимущественно вверх и в сторонуполюсов. Изменения температуры нейтрального газа на высотах 120 и 300км составили, соответственно, 35–50 и 15–20 К по сравнению сневозмущенными условиями, изменения скорости нейтрального ветра 40–60 м/с, возмущения концентрации атомов кислорода порядка 10 %.Распространение имело волновой характер с периодом порядка 1 часа искоростью распространения порядка 300–500 м/с, что соответствуетвнутренним гравитационным волнам (ВГВ). При этом эффект наблюдаетсяне только в районе расположения источников, но и в магнитосопряженнойобласти, где был выражен слабее.
Рассчитанные значения измененийнейтральной температуры хорошо согласуются с данными спутниковыхизмерений перед Веньчуанским (май 2008 г.) и Тайваньским (декабрь 2006г.) землетрясениями (Sun et al., 2011).Результаты самосогласованных расчетов TEC были сопоставлены срезультатами расчетов, в которых для нахождения параметров термосферы14использовалась эмпирическая модель NRLMSISE-00, т.е. отсутствоваловзаимодействие дополнительно вносимых зарядов и нейтралов.Единственными отличиями стало формирование более локализованных именее интенсивных возмущений TEC (порядка 40%) в самосогласованномварианте расчетов.
Таким образом, было показано, что эффект от ВГВ ввозмущениях TEC незначителен по сравнению с эффектомэлектромагнитного дрейфа плазмы под действием возмущенногоэлектрического поля.В пятой главе обосновывается генерация мезомасштабныхэлектрических полей в ионосфере результатом действия вертикальногоэлектрического тока, текущего между Землей и ионосферой и созданногопреимущественно неэлектрическими силами.
Показано, что вертикальныйэлектрический ток, возникающий в периоды подготовки землетрясений,имеет ту же физическую природу, что и электрические токи, возникающиепри образовании грозовых облаков, замыкающие глобальнуюэлектрическую цепь и заряжающие ионосферу положительноотносительно Земли. Осуществлены оценки интенсивности токов,генерируемых при подготовке землетрясений.В условиях теплого влажного воздуха с большой концентрациейаэрозолей и при наличии источников ионизации в нижней атмосферегенерируется сторонний электрический ток. Отрицательные заряды,образованные в результате ионизации воздуха и прилипания электронов ктяжелым частицам, являются потенциальными ядрами конденсации икоагулируют в крупные водяные капли (Ивлев и Довгалюк, 1999; Ермаков иСтожков, 2004).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
