Диссертация (1149487), страница 14
Текст из файла (страница 14)
4.5. Возмущения TEC (%) относительно спокойных условий, рассчитанные вварианте с эмпирической моделью NLRMSISE-00 для термосферы (вверху) и всамосогласованном варианте (внизу). Черными звездами показано расположениеисточников тока, черным ромбом – магнитособпряженная эпицентру точка, чернойлинией – линия терминатора.Рассчитанныезначенияхорошосогласуютсясизмеренияминейтральнойтемпературы для Венчуанского землетрясения 12.05.2008 г. и землетрясения на Тайване26.12.2006 г., выполненные с помощью аппаратуры SABER (Sounding of the Atmosphereusing Broadband Emission Radiometry), установленной на борту спутника TIMED(Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics and Dynamics).
Спутниковое зондированиевыявило формирование слабых ВГВ, и изменения нейтральной температуры относительнофоновых значений составили около 20-30 К на высоте 115-130 км в течение несколькихдней, предшествующих подземным толчкам (Sun et al., 2011).При рассмотрении в главе 1 возможных физических механизмов литосферноионосферной связи было показано, что распространением внутренних гравитационныхволн от поверхности Земли вверх объяснить наблюдаемые характеристики возмущенийполногоэлектронногосодержанияневозможно.Однако,результатырасчетовтермосферных эффектов показывают, что при вертикальные электрические токи сами 78являются источниками ВГВ в верхней атмосфере. Для выявления воздействиягенерируемых внутренних гравитационных волн на поведение ионосферы быливыполнены расчеты возмущений полного электронного содержания ионосферы спомощью самосогласованного варианта модели UAM, и результаты были сопоставлены срезультатамирасчетов,вкоторыхдлянахожденияпараметровтермосферыиспользовалась эмпирическая модель NRLMSISE-00, т.е.
отсутствовало взаимодействиезаряженных и нейтральных частиц.В обоих вариантах расчетов, представленных на рис. 4.5, основные характеристикиотносительных возмущений полного электронного содержания совпадали. Единственнымотличием стало формирование более локализованных и менее интенсивных возмущенийполного электронного содержания (порядка 40%) в самосогласованном варианте расчетов.Таким образом, результаты расчетов показали, что при внесении дополнительныхзарядов сейсмогенным током учет взаимодействия заряженных частиц с нейтральнымгазом нашел свое отражение в виде генерации в термосфере слабых внутреннихгравитационных волн, эффект от которых в возмущениях полного электронногосодержания незначителен по сравнению с эффектом электромагнитного дрейфа плазмыпод действием возмущенного электрического поля.4.1.
Заключение к главе 4Исследование термосферных эффектов вертикальных электрических токов исоздаваемых ими электрических полей выявило формирование возмущений нейтральногогаза в виде слабых внутренних гравитационных волн. Изменения температурынейтрального газа составили порядка 20-50 К относительно фоновых значений исоответствовали спутниковым наблюдениям над областями сейсмической активности.Изменения скорости нейтрального ветра составили порядка 40-60 м/с, возмущенияплотности порядка 10%. Воздействие формируемых внутренних гравитационных волн наионосферную плазму было незначительно по сравнению с электромагнитным дрейфомпод действием электрического поля, который является основным механизмом генерациивозмущений полного электронного содержания перед сильными землетрясениями. 79Глава 5.
Обсуждение физического механизма генерациимезомасштабных электрических полей в ионосфереРезультатычисленногомоделированиявозмущенийполногоэлектронногосодержания, выполненные в работах (Kuo et al., 2011; Намгаладзе и др., 2013; Золотов,2015), расчеты возмущений электрического поля и трехмерных возмущений плазмы инейтрального газа верхней атмосферы, представленные в предыдущей главе, а такжеоценки сейсмогенных электрических полей и токов в серии работ (Sorokin et al., 2001,2003, 2005a, 2005b, 2006a, 2006b, 2006c, 2007a, 2007b) сходятся в том, что длявозникновения наблюдаемых в периоды подготовки сильных землетрясений ионосферныхэффектов требуются интенсивные электрические токи, по плотности превышающиеобычные 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 причинымногочисленных эффектов в космической плазме в электродинамической моделипроцессов литосферно-атмосферно-ионосферной связи (Сорокин и Ружин, 2015).Генерация дополнительного электрического тока в глобальной электрической цепикачественно объясняется появлением в приземных слоях атмосферы дополнительнойэлектродвижущей силы, обусловленной инжекцией радиоактивных частиц и аэрозолейпочвенных газов из разлома или конденсацией пара над поверхностью океана иконвективным переносом и гравитационным оседанием заряженных аэрозолей. Внастоящей главе подробно рассмотрены процессы возникновения, накопления, разделенияи переноса электрических зарядов перед сейсмическими событиями, штормами итайфунами, а также для песчаных и снежных бурь и показана их связь с образованиямиоблаков и гроз и, соответственно, с локальными модификациями в глобальнойэлектрической цепи.5.1.
Генерация стороннего электрического токаСвободные электрические заряды в атмосфере образуются в результате ионизациивоздуха, главным образом, вследствие естественной радиоактивности у поверхностиЗемли и галактическими космическими лучами со скоростью ионизации порядка 2 см-3с-1у поверхности и ~20-30 см-3с-1 на высотах верхней тропосферы (Reiter, 1992). Приобычных условиях (в сухом воздухе или при отсутствии загрязнений) заряды быстрорекомбинируют друг с другом, но при наличии крупных тяжелых молекул – частиц 80континентального, океанического или антропогенного происхождения, таких какпочвенные газы, пыль, пепел, частицы металлов и прочие примеси с размерами отнескольких сотен ангстрем до нескольких микрон (Boucher, 2015), капель воды илильдинок – к ним быстро прилипают свободные электроны.
За счет замедленнойрекомбинации новообразованных крупных заряженных частиц (скорость рекомбинации взависимости от их размера может быть меньше скорости рекомбинации первичныхзарядов на четыре порядка; Harrison and Carslaw, 2003) происходит накопление иувеличение концентрации зарядов.Возникшие ионы выступают в роли ядер конденсации водяных паров. Далее росткапель осуществляется преимущественно посредством коагуляции – процесса слипаниякапелек воды в более крупные образования (Ивлев и Довгалюк, 1999; Ермаков и Стожков,2004). При этом в ходе конденсации выделяется скрытая теплота, равная теплотепарообразования 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 наположительно заряженных ядрах требуется значительно большая насыщенность водяногопара (Ермаков и Стожков, 2004).
За счет большего размера отрицательных зарядов и,соответственно, их большей массы они увлекаются вниз под действием силы тяжести, алегкие, положительно заряженные частицы переносятся вверх вместе с восходящимипотоками теплого воздуха. Таким образом, силой тяжести и градиентами давленияосуществляется разделение и вертикальный конвективный перенос противоположнозаряженных частиц, т.е. возникает электрический ток, получивший название стороннего.В отличие от тока хорошей погоды, определяемого электрической проводимостьювоздуха и фоновым электрическим полем между Землей и ионосферой, сторонний токсоздается неэлектрическими силами и направлен в противоположную сторону – от Землик ионосфере. Сторонний электрический ток присутствует всегда при наличии восходящихпотоков теплого и влажного воздуха и источников ионизации, и в зависимости отизменения атмосферных условий, температуры, давления и влажности воздуха, состава иконцентрации пылевых и водных аэрозолей, а также условий ионизации сторонний токувеличивается или уменьшается, создавая локальные изменения разности электрическогопотенциала между Землей и ионосферой.Перед землетрясениями вертикальный электрический ток между Землей иионосферой значительно увеличивается над областями их подготовки (Намгаладзе иКарпов, 2015; Namgaladze and Karpov, 2015).
Во-первых, за счет возникновениядополнительных источников ионизации воздуха по сравнению с обычными условиями. 81Ускоренному ионообразованию способствует повышенная концентрация радиоактивныхчастиц в приземном слое, выталкиваемых из тектонического разлома, превышающаяфоновые значения в несколько раз (King, 1986; Alekseev and Alekseeva, 1992; Virk andSingh, 1994; Heincke et al., 1995; Igarashi et al., 1995; Yasuoka et al., 2006).
Возможныйдополнительный источник ионизации, связанный с процессами в литосфере, былпредложен в серии экспериментальных работ (Freund et al., 2007, 2009; Freund andSornette, 2007; Freund, 2011). При сжатии породы происходит активация т.н.положительных дыр – дефектов кристаллической решетки, представляющих собойвысокоподвижные носители положительных зарядов. По мере сдавливания объемаположительные 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 источникэлектрического поля, а плотность соответствующего электрического тока по даннымизмерений составила 0,5-1,25 мкА/м2.Во-вторых, увеличение концентрации почвенных газов и аэрозолей, формированиеионных кластеров в ходе процессов нуклеации и присутствие других тяжелых частиц,способствуют увеличению концентрации крупных заряженных частиц вследствие ихзамедленной рекомбинации по сравнению с первичными ионами и электронами.В-третьих,разделениюипереносуэлектрическихзарядовспособствуютвосходящие потоки тепла над активными разломами.
Они представляют собойкрупномасштабные области (от нескольких тысяч до десятков тысяч квадратныхкилометров) с повышенной на 2–4° температурой,образующиеся за 4–20 дней доземлетрясения и регистрируемые спутниками в виде убегающего длинноволновогоизлучения 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). Примеробразования подобной тепловой аномалии по данным спутника NOAA (National Ocean andAtmospheric Administration) представлен на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
