Автореферат (1149486), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Под действием силы тяжести их перенос вверхзамедляется, а легкие положительные заряды уносятся вверх восходящимипотоками воздуха, т.е. под действием сил тяжести и трения, а такжеградиентов давления – конвективным переносом и гравитационнымоседанием зарядов противоположных знаков и разной массы –осуществляется разделение и перенос зарядов. Генерируемый такимобразом сторонний ток, в отличие от электрического тока, определяемогоэлектрической проводимостью атмосферы и фоновым электрическимполем между поверхностью Земли и ионосферой, создаетсянеэлектрическими силами и течет вверх, против фонового электрическогополя.Показано, что атмосферные условия над тектоническими разломамив преддверии сильных землетрясений способствуют значительномуувеличению вертикального электрического тока.
Во-первых, благодаряналичию дополнительных источников ионизации в виде радиоактивныхчастиц в приземном слое, выталкиваемых из тектонического разлома(Heincke et al., 1995), а также, возможно, в виде электрических полей т.н.положительных дыр, накапливающихся у раздела поверхность-воздух при15сжатии пород (Freund, 2011). Во-вторых, увеличение концентрациипочвенных газов и аэрозолей, формирование ионных кластеров в ходепроцессов нуклеации и присутствие других тяжелых частиц, способствуютувеличению концентрации крупных заряженных частиц вследствие ихзамедленной рекомбинации по сравнению с первичными ионами иэлектронами. В-третьих, разделению и переносу электрических зарядовспособствуют восходящие потоки тепла, представляющие собойкрупномасштабные области с повышенной на 2–4° температурой,образующиеся над разломами за 4–20 дней до землетрясения ирегистрируемые спутниками в виде убегающего длинноволновогоизлучения в инфракрасном диапазоне (Ouzounov et al., 2007).Наличие восходящих потоков теплого, влажного и ионизованноговоздуха, содержащего аэрозольные частицы, способствует формированиюоблачности.
Показано, что перед сильными землетрясениямидействительно образуются крупномасштабные линейнообразные облака,которые, в отличие от "обычных" облаков, гонимых ветром иизменяющихся по форме, остаются "привязанными" к тектоническомуразлому (Morozova , 2012). Таким образом, экспериментальноустановленная связь между землетрясениями и облаками и грозами и,соответственно, связанными с ними мезомасштабными возмущениямиглобальной электрической цепи подтверждает описанные выше ранеерассуждения о физическом механизме сейсмогенного электрического токаи создаваемых им электрических полей в ионосфере.Для корректного физико-математического описания электрическихтоков, текущих над тектоническими разломами, и моделированиясоответствующих эффектов в ионосфере необходимо учитывать не толькопроцессы изменения электрической проводимости, но также все процессыобразования и потерь зарядов(ионизацию воздуха, рекомбинациюзарядов, их взаимодействие с нейтралами, конденсацию водяных паров,коагуляцию капель, парообразование и т.д.), а также все силы,действующие на них (силы тяжести и трения, градиенты давления, а такжедействие фонового электрического поля).
Величина вертикальногосейсмогенного электрического тока между Землей и ионосферой можетбыть оценена из следующих соображений.Результирующий ток будет определяться суммой токов заряженныхчастиц различных сортов, присутствующихв атмосфере:j Zeni vi ,(5)iгде ni – концентрация заряженных частиц сорта i, vi – вектор скоростичастицы, e – элементарный заряд, Zi - количество зарядов на частицах i -госорта.Концентрация аэрозольных частиц n над поверхностью оцениваетсякак величина порядка 108–1010 1/м3 (Makino and Ogawa, 1985; Ермаков и16Стожков, 2004) и экспоненциально убывает с высотой.
Концентрациякрупных аэрозолей (радиусом более 0,2 мкм) составляет порядка 106–1081/м3 (Ивлев и Довгалюк, 1999). Если считать, что на них содержится от 1 до1000 элементарных зарядов, то общая концентрация зарядов в этом случаебудет варьироваться в пределах от 106 до 1012 1/м3. С другой стороны, приводности воздуха порядка 1г/м3 концентрация капель воды радиуса 10-5 мсоставляет 109 1/м3, а каждой такой капле соответствует 2000 зарядов(Френкель, 2007). При таких значениях общая концентрация зарядовсоставит 2·1012 1/м3.
Среднюю скорость восходящих потоков воздуха пооблаку будем считать равной 1–10 см/с (Ивлев и Довгавлюк, 1999). Тогда,подставляя полученные значения концентрации зарядов nZ = 106–1012 1/м3и скорости v = 0,1–0,01 м/с в уравнение (5), получим диапазон значенийвертикального электрического тока между Землей и ионосферой впределах от 10-15 до 10-8 А/м2.Похожий подход к оценке плотности вертикального электрическоготока представлен в работе (Сорокин и Ружин, 2015), в которой приусловии, что аэрозоли с концентрацией 8·109 1/м3 имеют заряд 300e идвижутся со скоростью 0,3 м/с, плотность тока будет равна ~10-8 А/м2.Таким образом, представленные оценки показывают, чтовертикальный электрический ток может достигать значений, до четырехпорядков превосходящих значения плотность токов, текущих в областяххорошей погоды (в отсутствие облаков и гроз).ВЗаключениисформулированыосновныерезультатыдиссертационной работы:На примере процессов подготовки землетрясений проанализированыданные спутниковых наблюдений мезомасштабных возмущенийглобальной электрической цепи.
Сейсмогенные электрические поля,возникающие над эпицентрами землетрясений за несколько дней досейсмического события, имеют напряженности порядка 5-15 мВ/м игоризонтальные масштабы от нескольких сотен до тысячи километров.Возникающий под действием электрического поля электромагнитный [E xB] дрейф плазмы F2-слоя ионосферы создает стабильные возмущения TECионосферы обоих знаков магнитудой от 30 до 90% и более в областиэпицентра и магнитосопряженной точки. Показано формирование похожихвозмущений электрического поля и TEC при извержении вулканов,пылевых бурях, тайфунах и штормах, а также ядерных взрывах.С использованием численной глобальной самосогласованной моделиверхней атмосферы UAM выполнены численные расчеты мезомасштабныхвозмущений электрического поля в ионосфере и создаваемых имидвумерных возмущений TEC ионосферы.
Возмущения создавались путемвключения дополнительных источников вертикального электрическоготока на нижней границе уравнения для электрического потенциала модели.17Показано, что для формирования электрических полей в низких и среднихширотах с напряженностью порядка 10-15 мВ/м, наблюдаемых спутникамиDEMETER и Intercosmos Bulgaria 1300 над областями подготовкиземлетрясений, необходим электрический ток плотностью порядка 10нА/м2 на площади порядка 250 на 4500 км вдоль широты и долготы,соответственно. Соответствующие модельные возмущения TECотносительноспокойныхусловийсоответствуютнаблюдаемымвозмущениям TEC в преддверии сильных землетрясений.Проанализирована зависимость возмущений электрического поля иTEC от направления вертикальных электрических токов, широтногорасположения источников, их конфигурации и сезона события.Смена направления тока приводит к изменению направленийкомпонент электрического поля на противоположные и, соответственно,смене направления вертикального перемещения плазмы, что выражается вперераспределении положительных и отрицательных возмущений TECионосферы относительно меридиана эпицентра.
Возмущения TECасимметричны относительно магнитного экватора и меридиана эпицентра,что объясняется влиянием искривленности линии терминатораотносительно магнитного меридиана и различием в высотных профиляхфоновой электронной концентрации и электрической проводимостиионосферы по разным сторонам от меридиана эпицентра и линиитерминатора.Наиболее интенсивные возмущения TEC получены для источниковтоков, расположенных на широте 30º. Низкоширотные электрические токине могут течь поперек геомагнитного поля и не создают заметныхвозмущений электронной концентрации.
Для среднеширотных источниковмалая интенсивность возмущений обусловлена слабым дрейфом плазмыиз-за большего наклонения магнитных силовых линий.Различия между возмущениями TEC в летнем и зимнем полушарияхзависят от местного времени, т.е. от формы высотного профиля фоновойэлектронной концентрации, значений NmF2 и HmF2 и от расположенияисточников относительно терминатора.Учетобратныхэлектрическихтоков,компенсирующихсейсмогенные электрические токи и сохраняющих полный ток вглобальной электрической цепи, оказывает влияние на форму ирасположения возмущений TEC, а также их симметрию/асимметриюотносительно магнитного экватора и/или магнитного меридианаэпицентра.Подборомразличныхконфигурацийтоковбыливоспроизведеныиндивидуальныеособенностивозмущений,наблюдавшихся перед землетрясениями на Суматре (в марте 2005 г.) и упобережья Японии (в марте 2011 г.).18Рассчитаныпространственно-временныехарактеристикитрехмерных возмущений электронной концентрации.
Они представляютсобой ночные всплывающие пузыри – бабблы и блобы – ограниченныеобласти пониженной и повышенной электронной концентрации напротивоположных 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.Рассчитаныпространственно-временныехарактеристикитрехмерных возмущений нейтрального газа, создаваемых под действиеммезомасштабного электрического поля.Возмущения термосферыпредставляют собой типичные ВГВ, распространяющиеся от источника.Изменения температуры нейтрального газа на высотах 120 и 300 кмсоставили, соответственно, 35–50 и 15–20 К по сравнению сневозмущенными условиями, что соответствовало спутниковымизмерениям за несколько дней до землетрясений, изменения скоростинейтрального ветра составили 40–60 м/с, возмущения концентрацииатомов кислорода порядка 10 %.Показано, что генерируемые ВГВ не оказывают существенноговлияния на возмущения TEC по сравнению с действиемэлектромагнитного дрейфа плазмы, создаваемого электрическим полем,которое, в свою очередь, формируется в ионосфере вследствие генерациивертикального электрического тока между Землей и ионосферой.Дано объяснение генерации мезомасштабных электрических полей вионосфере в результате действия вертикального электрического тока,текущего между Землей и ионосферой и созданного преимущественнонеэлектрическими силами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
