Диссертация (1149487), страница 6

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

Текст из файла (страница 6)

Результирующее электрическое поле E1 вионосфере описывается выражением 29 0 E 0  j e   1 E1 ,где σ0 и σ1 – электрическая проводимость у поверхности Земли и в ионосфере,соответственно, E0 – электрическое поле у поверхности Земли. E1 оценивается ~10 мВ/м, ау поверхности Земли ограничено значением ~100 В/м, т.е. согласуется с даннымиспутниковых и наземных наблюдений. При этом на высотах до 10 км электрическое поле,по их расчетам, может достигать пробойных значений и инициировать электрическиеразряды и электромагнитные излучения в УКВ диапазоне (Sorokin et al., 2011, 2012).Такие высокие значения плотности электрического тока подвергаются критике(Denisenko et al., 2013), поскольку редко наблюдаются в природе (Krider and Musser, 1982;Blakeslee et al., 1989; Le Mouel et al., 2010). Справедливости ради, стоит отметить, чтопрямые измерения электрических токов над разломами отсутствуют, и экспериментальноподтвердить или опровергнуть оценки плотности электрических токов, полученныеСорокиным и др., на данный момент не представляется возможным.

Данные токиошибочно рассматривать с точки зрения изменения электрической проводимостиатмосферы, которая в таком случае должна достигать нереалистично высоких значений.Однако, электрический ток, генерируемый при разделении и переносе заряженных частиц,не является электрическим током проводимости и формируется под действиемнеэлектрических сил.1.8. Заключение к главе 1Представлен обзор основных данных наблюдений мезомасштабных возмущенийверхнего участка глобальной электрической цепи на примере процессов подготовкиземлетрясений. Основное внимание уделено возмущениям электрического поля и полногоэлектронногосодержанияионосферы(TEC),наблюдаемымнадтектоническимиразломами. Возмущения TEC имеют вид стабильных, долгоживущих областей сповышенным и/или пониженным электронным содержанием и магнитудой 30-90% иболее относительно фоновых значений.

В отличие от возмущений, связанных сгеомагнитной активностью, сейсмические аномалии "привязаны" к эпицентру, неперемещаются относительно него в течение всего времени существования. В дневноевремя суток наблюдается существенное уменьшение возмущений и даже их полноеисчезновение.Возмущенияврайонеэпицентраимагнитосопряженнойточкипреимущественно ассимметричны относительно магнитного экватора и магнитногомеридиана эпицентра.Показано, чтотакиехарактерныевозмущения30немогутбытьсозданыколебательными движениями воздуха, передающимися от подвижек земной коры черезатмосферу.Вкачествепричиныформированиявозмущенийрассматриваетсяэлектромагнитный дрейф плазмы F2-слоя ионосферы под действием сейсмогенногоэлектрического поля.

Такие поля формируются в ионосфере над областью эпицентра, и поданным спутниковых наблюдений их напряженность составляет порядка 10-15 мВ/м.Распространяясь вдоль силовых линий магнитного поля Земли в противоположноеполушарие, они создают возмущения ионосферной плазмы в магнитосопряженной кэпицентру точке.В качестве причины формирования сейсмогенного электрического поля вионосфере рассматривается вертикальный электрический ток, текущий над разломом исоздаваемый в результате появления в глобальной электрической цепи дополнительнойэлектродвижущей силы. Дополнительная ЭДС возникает в результате гравитационногооседания и конвективного переноса заряженных аэрозолей, инжектируемых из разломавместе с радиоактивными почвенными газами.

Генерируемый при этом электрическийток, получивший название стороннего, должен быть на несколько порядков интенсивнееобычного тока хорошей погоды (электрического тока проводимости), чтобы создать вионосфере мезомасштабные возмущения электрического поля, наблюдаемые спутникаминаподготовительныхстадияхземлетрясений.Вглаве5механизмсейсмогенного вертикального электрического тока будет рассмотрен подробнее. 31генерацииГлава 2. Модель UAM (Upper Atmosphere Model)В настоящей диссертации исследование мезомасштабных электрических полей,создаваемых вертикальными электрическими токами между Землей и ионосферой, и ихтермосферных и ионосферных эффектов осуществлялось с использованием моделиверхней атмосферы Земли UAM (Upper Atmosphere Model).МодельUAMявляетсяглобальной,трехмерной,самосогласованной,нестационарной численной моделью, описывающей мезосферу, термосферу, ионосферу иплазмосферу Земли как единую систему с высоты 60-80 км (нижняя граница задаетсяпользователем) до геоцентрического расстояния, равного 15 земным радиусам (100 000км).

Путем решения системы уравнений, описывающих основные законы сохранениячастиц,импульсаиэнергии,модельрассчитываеттрехмерныераспределенияконцентраций нейтральных (O, O2, N2, H) и заряженных (электроны и ионы O2+, NO+, O+,H+) частиц, температур нейтрального газа, ионов и электронов, скоростей движениячастиц, а также распределения электрического потенциала и компонент векторанапряженности электрического поля для любых гео- и гелиофизических условий.2.1. История создания моделиВ Советском Союзе (до 1991 г.) ионосферное моделирование развивалось внескольких научных школах: иркутская (СибИЗМИР, ИГУ – Поляков, Кринберг, Климов,Кошелев, Коен, Хазанов, Тащилин и др.); калининградская (КМИО ИЗМИРАН, КГУ –Намгаладзе, Латышев, Никитин, Захаров, Клименко, Суроткин, Смертин, Карпов,Саенко и др.), московская (ИЗМИРАН, ИПГ – Фаткуллин, Дёминов, Ситнов, Ким, Хегай,Осипов, Михайлов, Иванов-Холодный, Данилов, Павлов и др.), мурманск-апатитская(Мизун, Власков, Мингалёвы, Иванов и др.), томская (ТГУ – Колесник, Королёв и др.),якутская (ИКФиА – Голиков).Из современных отечественных моделей следует отметить математическую модельконвектирующей высокоширотной ионосферы (Mingaleva et al., 2009), которая позволяетрассчитыватьтрехмерныераспределенияэлектроннойплотности,скоростиположительных ионов и электронной и ионной температур на высотах F-области;численную модель средней и верхней атмосферы МСВА (Pogoreltsev et al., 2007);трехмерную нестационарную модель ионосферы Тащилина А.В.

(Тащилин, 2014);трехмерную ассимиляционную модель ионосферы (Титов и др., 2013); трехмернуюнестационарную модель концентраций и температур электронов и ионов области F 32ионосферы и плазмосферы низких и средних широт (Pavlov, 2006).За рубежом наиболее известными являются американская (Боулдер – Роббл, Ридли,Ричмонд и др.) и британская (Лондон, Шеффилд – Фуллер-Рауэлл, Мофетт и др.) школыионосферного и термосферного моделирования.Среди зарубежных глобальных моделей, объединяющих термосферу и ионосферу,следует отметить модели ионосферы USU-IFM (Utah State University-Ionosphere ForecastModel) и SAMI3 (Another Model of the Ionosphere). Модель SAMI3, основанная надвумерной модели ионосферы SAMI2 (Huba et al., 2000, 2008), рассчитывает ионныйсостав в диапазоне высот от 85 до 20000 км, однако не охватывает широты выше 50градусов, поскольку не учитывает высыпания и электрические поля магнитосферногопроисхождения.

Модель USU-IFM (Schunk et al., 1997), основанная на модели USU TimeDependent Ionosphere Model (Schunk, 1988; Sojka, 1989), охватывает высоты от 90 до 1600км и все широты, и долготы. Как и модель SAMI3 она использует эмпирические моделитермосферы NLRMSISE-00 и горизонтальный ветров HWM в качестве входныхпараметров.К самосогласованным трехмерным моделям ионосферы и термосферы относятсямодели CTIPe (Coupled Thermosphere Ionosphere Plasmasphere electrodynamics; FullerRowell et al., 1996; Codrescu et al., 2000; Millward et al., 1996, 2001), GITM (GlobalIonosphere Thermosphere Model; Ridley et al., 2006), и TIE-GCM (Thermosphere-IonosphereElectrodynamics General Circulation Model; Roble et al., 1988; Richmond et al., 1992).В 2000-е годы происходило расширение и объединение разработанных ранеемоделей атмосферы в двух направлениях: вверх, соединяя с численными моделямимагнитосферы, гелиосферы и солнечной короны, например, Space Weather ModelingFramework (SWMF) (Tóth et al., 2005) и вниз до высот стратосферы и тропосферы путемобъединения моделей верхней атмосферы с метеорологическими или климатическимимоделями нижней и средней атмосферы (Akmaev et al., 2008; Fuller-Rowell et al., 2008,2011; Pedatella et al., 2011; Wang et al., 2011; Martynenko et al., 2014).

Подробное описаниеосновных указанных моделей, а также других менее известных представлено вмонографии (Huba et al., 2014).Оба типа «объединённых» моделей являются, в сущности, конструкциями,составленнымиизразличныхчастейразныхмоделейбезучётафизическойвзаимосвязанности этих частей.Наиболее полно охватывающей околоземное пространство как единую систему,является модель UAM. Эта модель превосходила и по сей день превосходит всеимеющиеся зарубежные и отечественные аналоги по пространственному охвату (высоты 3360–100 000 км) и разрешению (до 1 градуса широты и долготы), что выгодно отличаетмодельотзарубежныхконкурентоввмоделированиимезомасштабных(сгоризонтальными масштабами до нескольких сот километров) возмущений.UAM создавалась на базе модели среднеширотной ионосферы для диапазона высот100-1000 км (Namgaladze et al., 1977), модели экваториальной ионосферы (Суроткин и др.,1979), а также модели системы ионосфера-протоносфера (Намгаладзе и др., 1980),последовательно разработанных в Западном отделении ИЗМИРАН коллективом подруководством профессора А.А.

Намгаладзе и затем объединенных в глобальнуюсамосогласованную модель термосферы, ионосферы и протоносферы (ГСМ ТИП)(Намгаладзе и др., 1988, 1990; Namgaladze et al., 1988, 1991). С помощью этих моделейбылиисследованысуточные,сезонныеивозмущённыевариацииэлектроннойконцентрации, ионного состава, электронной и ионной температур и скоростейнейтральных ветров в Е, F1 и F2 областях среднеширотной ионосферы (Намгаладзе, 1978и ссылки в ней); реакция F2-области среднеширотной и высокоширотной ионосферы надействие крупномасштабных зональных и меридиональных электрических полей(Клименко и Намгаладзе, 1977, 1980, 1983); ионосферные эффекты солнечных вспышек(Кореньков и Намгаладзе, 1977); эффекты возмущений нейтральной атмосферы(термосферных ветров, газового состава термосферы и внутренних гравитационных волн),связанных с магнитосферными суббурями и бурями (Намгаладзе и др., 1982 и ссылки вней); установлен механизм формирования расслоений экваториальной F2-областиионосферы (Суроткин и др., 1985); исследованы физические механизмы формированияглавного ионосферного провала и плазмопаузы как связанных образований (Намгаладзе идр., 1980); физические механизмы формирования разнообразных возмущений верхнейатмосферы Земли, связанных с солнечной и геомагнитной активностью, осуществленафизическаяинтерпретацияданныхоптическихирадиофизическихинститутеиМурманскомнаблюдений(Намгаладзе и др., 1990 и ссылки в ней).В Полярномгосударственномгосударственномтехническом университете модель была усовершенствована и модернизирована дляизучения высокоширотных ионосферных эффектов (Намгаладзе и др., 1996; Namgaladze etal., 1998a, 199b) и получила обозначение UAM.

Характеристики

Список файлов диссертации