Диссертация (1149487), страница 16

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 16)

Далее ионы частью рекомбинируют друг с другом, частью присоединяются каэрозольным частицам, образуя стабильные долгоживущие (вследствие медленнойрекомбинации) большие ионы.В случае, когда присоединение ионов к аэрозолям доминирует над процессамирекомбинации в реакциях потерь, выражение (4.4) примет видnq.Z(4.5)Из выражения (4.5) видно, что концентрация первичных ионов обратнопропорционально убывает с ростом концентрации аэрозолей Z, а также зависит откоэффициента прилипания к аэрозолям β, который, в свою очередь, в зависимости отразмеров аэрозолей и имеющегося на них заряда меняется на несколько порядков (см.

рис.4.4; Harrison and Carslaw, 2003): чем крупнее частицы, тем выше коэффициентприлипания.Рис. 4.4. Коэффициент прилипания ионов к аэрозолям (м3/с) в зависимости от размерааэрозолей (мкм) и заряда на них (Harrison and Carslaw, 2003). 88Оценимконцентрациюзарядов,необходимуюдлярасчетаплотностивертикального электрического тока, используя оценки и измерения, известные из научнойлитературы. Концентрация аэрозольных частиц n над поверхностью оценивается каквеличина порядка 108–1010 1/м3 (Makino and Ogawa, 1985; Ермаков и Стожков, 2004) иэкспоненциально убывает с высотой.

Концентрация крупных аэрозолей (радиусом более0,2 мкм) составляет порядка 106–108 1/м3 (Ивлев и Довгалюк, 1999). Если считать, что наних содержится от 1 до 1000 элементарных зарядов, то общая концентрация зарядов вэтом случае будет варьироваться в пределах от 106 до 1012 1/м3.С другой стороны, при водности воздуха порядка 1г/м3 концентрация капель водырадиуса 10-5 м составляет 109 1/м3, а каждой такой капле соответствует 2000 зарядов(Френкель, 2007). При таких значениях общая концентрация зарядов составит 2·1012 1/м3.Среднюю скорость восходящих потоков воздуха по облаку будем считать равной1–10 см/с (Ивлев и Довгавлюк, 1999). Тогда, подставляя полученные значенияконцентрации зарядов nZ = 106–1012 1/м3 и скорости v = 0,1–0,01 м/с в уравнение (4.1),получим диапазон значений вертикального электрического тока между Землей иионосферой в пределах от 10-15 до 10-8 А/м2.Похожий подход к оценке плотности вертикального электрического токапредставлен в работе (Сорокин и Ружин, 2015), в которой при условии, что аэрозоли сконцентрацией 8·109 1/м3 имеют заряд 300e и движутся со скоростью 0,3 м/с, плотностьтока будет равна ~10-8 А/м2.Таким образом, представленные грубые оценки показывают, что в условияхтеплого влажного ионизованного воздуха с повышенным содержанием аэрозолейвертикальный электрический ток может достигать значений, до четырех порядковпревосходящих значения плотность токов, текущих в областях хорошей погоды (вотсутствие облаков и гроз).Более точное моделирование вертикальных электрических токов требует высотноераспределение концентраций и скоростей частиц всех сортов, участвующих в генерациивертикальноготока.Расчетконцентрацийследуетвыполнятьизуравненийнепрерывности в общем виде (4.2), а скорости частиц могут быть найдены из системыуравнений движения, которые с учетом градиентов давления, действия электрическогополя, силы трения и силы тяжести будут, соответственно, записаны в виде   vi  gradpi  ni ( E  [vi  B])   ni mi ij (vi  v j )  ni mi g .itj(4.6)Из выражения (4.4) видно, что в зависимости от преобладания тех или иных сил ипроцессов, которые существенно зависят от состава и сорта частиц, а также атмосферных 89условий, результирующий электрический ток может быть направлен как Земле, так и кионосфере.

Это будет соответствовать переносу в ионосферу преимущественноположительных либо отрицательных зарядов, т.е. увеличению или уменьшению разностипотенциалов между ионосферой и Землей. Как показано в монографии (Морозов, 2011),присутствие аэрозольных частиц в атмосфере приводит к увеличению потенциалаионосферы на 8–10 % относительно исходной величины 300 кВ, т.е. на 24–30 кВ.Напомним,чтовнастоящемдиссертационномисследованиипричисленноммоделировании наблюдаемых спутниками возмущений электрического поля в ионосфереиспользовались вертикальные электрические токи плотностью 10-8 А/м2, а изменениеэлектрического потенциала составило ~10 кВ относительно спокойных условий (см.

рис.3.2), т.е. согласуется с указанными оценками.5.4. Заключение к главе 5В условиях теплого влажного воздуха с большой концентрацией аэрозолей и приналичииисточниковионизациивнижнейатмосферегенерируетсястороннийэлектрический ток. Отрицательные заряды, образованные в результате ионизации воздухаи прилипания электронов к тяжелым частицам, являются потенциальными ядрамиконденсации и коагулируют в крупные водяные капли. Под действием силы тяжести ихперенос вверх замедляется, а легкие положительные заряды уносятся вверх восходящимипотоками воздуха, т.е.

под действием сил тяжести и трения, а также градиентов давления– конвективным переносом и гравитационным оседанием зарядов противоположныхзнаков и разной массы – осуществляется разделение и перенос зарядов. Генерируемыйтаким образом сторонний ток, в отличие от электрического тока, определяемогоэлектрической проводимостью атмосферы и фоновым электрическим полем междуповерхностью Земли и ионосферой, создается неэлектрическими силами и течет вверх,против фонового электрического поля.Показано, что атмосферные условия над тектоническими разломами в преддвериисильных землетрясений, благодаря наличию дополнительных источников ионизации,крупных молекул и аэрозолей, а также градиентов температуры способствуютзначительному увеличению стороннего электрического тока и формированию облаков.Повышенная ионизация воздуха приводит к росту проводимости, однако из-заприлипания ионов к аэрозолям проводимость уменьшается.

Суммарный вертикальный токскладывается из стороннего тока и тока проводимости, который растет с высотой из-заувеличения проводимости.Сформулированы уравнения, учитывающие все процессы образования, потерь, 90разделения и переноса зарядов, для моделирования вертикальных электрических токов.Выполнены оценки плотности тока, которые объясняют высокие значения вертикальногоэлектрического тока, необходимого для генерации в ионосфере мезомасштабныхэлектрических полей напряженностью 10-15 мВ/м.

Показано, что использованные вмодельных расчетах значения плотности вертикальных сейсмогенных токов непротиворечат современным данным о скоростях вертикального переноса и концентрацияхзаряженных частиц в нижней атмосфере. 91ЗаключениеВ диссертационной работе получены следующие научные результаты:На примере процессов подготовки землетрясений проанализированы данныеспутниковых наблюдений мезомасштабных возмущений глобальной электрической цепи.Сейсмогенные электрические поля, возникающие над эпицентрами землетрясений занесколько дней до сейсмического события, имеют напряженности порядка 5-15 мВ/м игоризонтальные масштабы от нескольких сотен до тысячи километров. Возникающий поддействием электрического поля электромагнитный [E x B] дрейф плазмы F2-слояионосферысоздаетстабильныевозмущенияполногоэлектронногосодержанияионосферы обоих знаков магнитудой от 30 до 90% и более в области эпицентра имагнитосопряженнойточки.Показаноформированиепохожихвозмущенийэлектрического поля и полного электронного содержания при извержении вулканов,пылевых бурях, тайфунах и штормах, а также ядерных взрывах.С использованием численной глобальной самосогласованной модели верхнейатмосферыUAMвыполненычисленныерасчетымезомасштабныхвозмущенийэлектрического поля в ионосфере и создаваемых ими двумерных возмущений полногоэлектронного содержания ионосферы.

Возмущения создавались путем включениядополнительных источников вертикального электрического тока на нижней границеуравнения для электрического потенциала модели. Показано, что для формированияэлектрических полей в низких и средних широтах с напряженностью порядка 10-15 мВ/м,наблюдаемых спутниками DEMETER и Intercosmos Bulgaria 1300 над областямиподготовки землетрясений, необходим электрический ток плотностью порядка 10 нА/м2на площади порядка 250 на 4500 км вдоль широты и долготы, соответственно.Соответствующие модельные возмущения TEC относительно спокойных условийсоответствуют наблюдаемым возмущениям TEC в преддверии сильных землетрясений.Проанализирована зависимость возмущений электрического поля и TEC отнаправления вертикальных электрических токов, широтного расположения источников,их конфигурации и сезона события.Смена направления тока приводит к изменению направлений компонентэлектрического поля на противоположные и, соответственно, смене направлениявертикальногоперемещенияплазмы,чтовыражаетсявперераспределенииположительных и отрицательных возмущений полного электронного содержанияионосферы относительно меридиана эпицентра.

Возмущения TEC ассимметричныотносительно магнитного экватора и меридиана эпицентра, что объясняется влиянием 92искривленности линии терминатора относительно магнитного меридиана и различием ввысотных профилях фоновой электронной концентрации и электрической проводимостиионосферы по разным сторонам от меридиана эпицентра и линии терминатора.Наиболее интенсивные возмущения TEC получены для источников токов,расположенных на широте 30º. Низкоширотные электрические токи не могут течь поперекгеомагнитного поля и не создают заметных возмущений электронной концентрации.

Длясреднеширотных источников малая интенсивность возмущений обусловлена слабымдрейфом плазмы из-за большего наклонения магнитных силовых линий.Различия между возмущениями TEC в летнем и зимнем полушариях зависят отместного времени, т.е. от формы высотного профиля фоновой электронной концентрации,значений NmF2 и HmF2 и от расположения источников относительно терминатора.Учетобратныхэлектрическихтоков,компенсирующихсейсмогенныеэлектрические токи и сохраняющих полный ток в глобальной электрической цепи,оказывает влияние на форму и расположения возмущений полного электронногосодержания, а также их симметрию/асимметрию относительно магнитного экватора и/илимагнитного меридиана эпицентра. Подбором различных конфигураций токов быливоспроизведены индивидуальные особенности возмущений, наблюдавшихся передземлетрясениями на Сумматре (в марте 2005 г.) и у побережья Японии (в марте 2011 г.).Рассчитаны пространственно-временные характеристики трехмерных возмущенийэлектронной концентрации.

Характеристики

Список файлов диссертации