Диссертация (1149487), страница 13
Текст из файла (страница 13)
3.5, былиполучены максимумы относительных возмущений полного электронного содержания.Соответствующие высотно-широтные профили электронной концентрации для спокойныхи возмущенных условий представлены на рис. 3.21 и 3.22.Профили электронной концентрации для спокойных условий на рис.
3.21показывают эволюцию экваториальной аномалии в ночное время. Отметим, чтоконцентрация в максимуме F2-слоя и высота максимума выше в летнем (южном)полушарии по сравнению с зимним (северным) полушарием. Это дает свой вклад васимметрию возмущений полного электронного содержания, показанным на рис. 3.5,относительно магнитного экватора и приводит к более интенсивным возмущения в летнемполушарии (Karpov et al., 2012b).Рассчитанныевозмущенныхвысотно-широтныеусловийпредставленыпрофилинарис.электронной3.22.Видно,концентрациичтодляформированиемезомасштабного электрического поля в районе эпицентра и магнитосопряженной точкиприводит к уменьшению высоты максимума F2-слоя, а также смещению горбовэкваториальной аномалии относительно экватора.Высотно-широтные профили изменения логарифма элктронной концентрацииотносительно спокойных условий представлены на рис.
3.23. На них видно заполнение и 68углубление провала электронной концентрации эападнее и восточнее меридианаэпицентра, соответственно.Как видно из рисунков, сейсмогенные возмущения электронной концентрацииимеют вид всплывающих бабблов (bubbles, пузыри) и блобов (blobs, капли) – замкнутыхобластей пониженной (восточнее меридиана эпицентра) и повышенной (западнеемагнитного меридиана эпицентра) электронной концентрации вдоль магнитной трубки(McClure et al., 1977; Ma and Maruyama, 2006; Yokoyama et al., 2007), образующихся навысотах 200–300 км и распространяющихся со скоростью порядка 100-150 м/с.На меридиане эпицентра возмущения минимальны из-за нулевой зональнойкомпонентысейсмогенногоэлектрическогополяи,соответственно,отсутствиявертикального дрейфа на этом меридиане.
Появление здесь слабых положительных иотрицательных возмущений обусловлено горизонтальным перераспределением плазмы извозмущенных областей по обеим сторонам от меридиана эпицентра.В работе (Kuo et al., 2011) были получены абсолютно симметричные ночныебабблы относительно меридиана эпицентра, что вероятно объясняется моделированиемионосферных эффектов, создаваемых вертикальными электрическими токами, длясинтетического случая, без рассмотрения эффектов местного времени и сезона события. 69Рис.
3.21. Логарифм электронной концентрации вдоль долготы 0º (средний ряд), а также вдоль меридианов на 30° западнее (верхний ряд) и30° восточнее (нижний ряд) в период с 21:00 до 05:00 местного времени 9 января 2010 г. Показаны результаты расчетов для спокойныхусловий (без вертикальных электрических токов). 70Рис.
3.22. Логарифм электронной концентрации вдоль меридиана эпицентра (средний ряд) в период с 21:00 до 05:00 местного времени, атакже вдоль меридианов на 30° западнее (верхний ряд) и 30° восточнее (нижний ряд) меридиана эпицентра. Показаны результаты расчетовдля конфигурации вертикальных электрических токов, направленных к ионосфере, и фоновых условий, соответствующих периодуподготовки землетрясения в Гаити (9 января 2010 г., магнитная широта эпицентра 30º). 71.Рис. 3.23. Изменения логарифма электронной концентрации (сейсмогенные возмущения) относительно спокойных условий вдоль меридианаэпицентра (средний ряд) в период с 21:00 до 05:00 местного времени, а также вдоль меридианов на 30° западнее (верхний ряд) и 30°восточнее (нижний ряд).
Показаны результаты расчетов для конфигурации вертикальных электрических токов, направленных к ионосфере, ифоновых условий, соответствующих соответствующих периоду подготовки землетрясения в Гаити (9 января 2010 г., магнитная широтаэпицентра 30º) 723.4. Заключение к главе 3С использованием модели UAM были выполнены численные расчеты возмущениймезомасштабных электрических полей и проанализированы их ионосферные эффекты.Источником возмущений являлись вертикальные электрические токи, плотностью 10нА/м2 и текущие между Землей и ионосферой, которые задавались локально в уравнениидля расчета электрического потенциала на нижней границе модели (на высоте 80 км).Сформулируем основные результаты выполненных численных расчетов.1.
Напряженность формируемых в ионосфере электрических полей (порядка 10мВ/м) и их горизонтальные размеры (более 1000 км) соответствуют наблюдаемымэлектрическим полям перед сильными землетрясениями (раздел 3.1).2.Создаваемыеэлектрическимполемвозмущенияполногоэлектронногосодержания ионосферы по своим морфологическим характеристикам соответствуютданным GPS наблюдений перед сильными сейсмическими событиями. А именно, имодельные, и наблюдаемые возмущения представляют собой локальные областиповышенной и/или пониженной электронной концентрации, формируемые в областиэпицентра и магнитносопряженной точки, с магнитудой более 40%. Были воспроизведеныстабильность возмущенных областей, отсутствие перемещений в течение времени ихсуществования, а также уменьшение возмущений в дневное время суток вплоть дополного исчезновения (в связи с увеличением электрической проводимости освещеннойионосферы и уменьшением электрического поля) и восстановление в ночное время(раздел 3.1).3.
Смена направления вертикального электрического тока приводит к смене знакаэлектрического поля и, соответственно, смене знака направления вертикальногоперемещенияплазмы,чтовыражаетсявперераспределенииположительныхиотрицательных возмущений полного электронного содержания ионосферы относительномагнитного меридиана эпицентра. Зависимость возмущений полного электронногосодержания от направления токов более сложная, чем для потенциала. Асимметричностьвозмущений TEC относительно магнитного экватора и меридиана эпицентра обусловленавлиянием искривленности линии терминатора относительно магнитного меридиана иместным временем, а именно различием в высотных профилях фоновой электроннойконцентрации и электрической проводимости ионосферы по разным сторонам отмеридиана эпицентра.4.
Изучено влияние параметров источников вертикального электрического тока навозмущения электрического поля и создаваемые ими возмущения полного электронногосодержания. Получены характеристики возмущений в зависимости от плотности 73электрического тока, широтного расположения источников, сезона рассматриваемогособытия, а также от конфигурации источников.В частности, показано:а) увеличение плотности электрических токов и одновременное уменьшениеплощадки, через которые они текут, в два раза не дает изменений в картине возмущений(раздел 3.2.1);б) наиболее интенсивные возмущения получены для источников, расположенныхна широте 30º. Низкоширотные электрические токи не могут течь поперек геомагнитногополяинесоздаютзаметныхвозмущенийэлектроннойконцентрации.Длясреднеширотных источников малая интенсивность возмущений обусловлена слабымдрейфом плазмы из-за большего наклонения магнитных силовых линий;в) различия между эффектами в летнем и зимнем полушариях зависят от местноговремени, т.е.
от формы высотного профиля фоновой электронной концентрации, значенийNmF2 и HmF2 и от расположения источников относительно терминатора;г) численные расчеты с учетом обратных электрических токов, компенсирующихсейсмогенныеэлектрическойэлектрическиецепи,токипоказалиисохраняющихсильнуюполныйзависимостьтокформыивглобальнойрасположениямезомасштабных электрических полей и, соответственно, создаваемых под их действиемвозмущений полного электронного содержания.
Подбором различных конфигурацийтоков в дополнение к ранее исследованным возмущениям перед землетрясением в Гаити(январь 2010 г.; Золотов, 2015) были воспроизведены индивидуальные особенностивозмущений, наблюдавшихся перед землетрясениями на Сумматре (в марте 2005 г.) и упобережья Японии (в марте 2011 г.).5.Полученыпространственно-временныехарактеристикитрехмерныхвозмущений электронной концентрации. Они представляют собой ночные всплывающиепузыри – бабблы и блобы – ограниченные области пониженной и повышеннойэлектронной концентрации на противоположных сторонах от меридиана эпицентра.Вертикальный дрейф плазмы F2-слоя под действием западной и восточной компонентымезомасштабногоэлектрическогополявсовокупностисгоризонтальнымперераспределением плазмы под действием меридиональной компоненты поля приводит ких изменению. 74Глава 4.
Математическое моделирование возмущений термосферыВ предыдущей главе рассматривались характеристики ионосферных возмущенийпод действием электрического поля, которое создавалось вертикальным электрическимтоком между Землёй и ионосферой. Воздействие ионосферных возмущений нанейтральный газ, как и обратное воздействие возмущений нейтрального газа назаряженные частицы при этом не учитывалось, поскольку расчеты для термосферныхпараметров осуществлялись с использованием эмпирической модели термосферыNLRMSISE-00. Для изучения эффектов воздействия вертикальных электрических токов исоздаваемых ими электрических полей на нейтральный газ и ответных ионосферныхэффектов была проведена серия численных расчетов в полностью самосогласованномварианте модели UAM, в котором вместо использования эмпирических данных опараметрах термосферы решалась вся система уравнений движения, непрерывности итеплового баланса (2.1-2.4) как для заряженных, так и нейтральных компонент.
Дляописания взаимосвязанной динамики возмущений термосферы и ионосферы былирассмотрены результирующие изменения нейтральной температуры, скорости ветра иплотности нейтрального газа, а также изучено влияние генерируемых возмущенийнейтрального газа на заряженные компоненты ионосферы. Расчеты выполнялись дляусловий периода подготовки землетрясения в Гаити (12 января, 2010 г., эпицентр на 30ºгеомагнитной широты и 0º долготы).Как показывают результаты расчетов, представленные на рис.4.1–4.4, столкновениязаряженных и нейтральных частиц, ведущие к ион-нейтральному увлечению и Джоулевунагреву приводят к формированию возмущений термосферы, распространяющихсяпреимущественно вверх и в сторону полюсов, что является характерной особенностьювнутренних гравитационных волн (ВГВ) (Брюнелли, Намгаладзе, 1988).Изменения температуры нейтрального газа, показанные на рис.
4.1 для высот 120 и300 км, составили, соответственно, 35–50 и 15–20 К по сравнению с невозмущеннымиусловиями, изменения скорости нейтрального ветра 40–60 м/с (рис. 4.2 и 4.3), возмущенияконцентрации атомов кислорода порядка 10 % (рис. 4.4). Распространение имеловолновой характер с периодом порядка 1 часа и скоростью распространения порядка 300–500 м/с, что соответствует типичным внутренним гравитационным волнам. При этомэффект наблюдается не только в районе расположения источников, но и вмагнитосопряженной области, где выражен слабее из-за сезонного эффекта. 75Рис. 4.1. Рассчитанные изменения нейтральной температуры (К)относительно спокойных условий на высотах 120 (вверху) и 300 км (внизу).Рис.
4.2. Рассчитанные изменения скорости меридионального ветра (м/с)относительно спокойных условий на высотах 120 (вверху) и 300 км (внизу).За положительное направление выбрано направление на север. 76Рис. 4.3. Рассчитанные изменения скорости зонального ветра (м/с)относительно спокойных условий на высотах 120 (вверху) и 300 км (внизу).За положительное направление выбрано направление на восток.Рис. 4.4. Рассчитанные возмущения плотности атомов кислорода (%)относительно спокойных условий на высоте 300 км (внизу). 77Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
