Диссертация (1150499), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Показано, что в их динамике имеются существенные различия:возмущениямагнитосферногопроисхожденияпоявляютсянавысокихширотахи движутся к низким широтам в процессе развития геомагнитной активности.Сейсмогненныежевозмущенияболеестабильныиприуроченыкобластямнад эпицентрами землетрясений, которые находятся, главным образом, в низкихи приэкваториальных широтах.Исследование зависимости сейсмогенных эффектов в вариациях ПЭС ионосферыот окна сглаживания при определении фоновых значений ПЭС показало, что основныесвойства сейсмогенных возмущений ПЭС ионосферы сохраняются при выбранных окнахусреднения 3, 7 и 15 дней. Таким образом, наиболее подходящее (оптимальное) окнодля определения фоновых значений ПЭС должно определяться конкретными условияминаблюдений сейсмогенных ПЭС ионосферы.76Рисунок 35. Относительные возмущения (%) ПЭС ионосферы, наблюдавшиесяперед рядом сильных сейсмических событий (сверху вниз): 1) Мw7.0, 12 января 2010 г.,Гаити; 2) Мw7.0, 1 января 2011 г., Аргентина и Мw7.1, 2 января 2011 г., Чили; 3) Мw6.8,13 ноября 2006 г., Аргентина; 4) Мw7.5, 26 сентября 2005 г., Перу.
Звездой обозначеныположения эпицентров землетрясений, ромб – соответствующая магнитосопряженнаяточка. Желтый круг – подсолнечная точка. Чѐрная кривая – линия терминатора.Метки дат (в белых прямоугольниках) приведены по универсальному времени (UT).Все карты выровнены по местному времени (в одном столбце одно и то жеместное время).77Рисунок 36. То же, что на Рис. 35, но для землетрясений 1) Мw7.4, 15 января 2009 г.,Курильские острова; 2) Мw9.0, 11 марта 2011 г., Япония; 3) Мw7.1, 23 октября 2011 г.,Турция; 4) Мw6.8, 26 февраля 2005 г, Индонезия.78Рисунок 37.
Относительные (%) возмущения ПЭС ионосферы в период 9-12 ноября2006 г., перед аргентинским землетрясением 13 ноября 2006 г., 02UT - 24UT (слеванаправо). Над каждым столбцом отмечено местное время (LT). Значения kp-индексаприведены в белых прямоугольниках.79Глава 3. Численное моделирование вариаций полного электронногосодержания ионосферы, создаваемых сейсмогенными источниками(процессами подготовки землетрясений)В данной главе приведены результаты исследований физического механизма(дрейфа плазмы F2-слоя ионосферы в скрещенных электрическом E и магнитном B полях)формирования ионосферных предвестников землетрясений (ИПЗ) в полном электронномсодержании (ПЭС) ионосферы методом математического моделирования.Целью исследований являлось:1.рассчитать сейсмогенные электрические поля в ионосфере по заданнымнад околоэпицентральной областью возмущениям электрического потенциалаи / иливертикальногоэлектрическоготокаисоответствующиеимвозмущения ПЭС ионосферы;2.сравнить модельные возмущения ПЭС ионосферы с реально наблюдавшимисядля средне- и низкоширотных землетрясений;3.проверить принципиальную возможность создания возмущений в ПЭСионосферы, аналогичных наблюдаемым перед сильными землетрясениями,локализованным ионосферным электрическим полем.Для выполнения этих задач был проведѐн ряд численных экспериментовс использованием глобальной трѐхмерной нестационарной самосогласованной моделиверхней атмосферы Земли UAM [Namgaladze et al., 1988, 1991, 1998a, 1998b].3.1Физическиймеханизмформированияпредвестниковземлетрясенийв полном электронном содержании ионосферыВкачествевозможныхпутейпередачисейсмогенныхвозмущенийчерез нижележащую атмосферу в ионосферу исследователями обычно рассматриваютсяэлектромагнитныйиатмосферно-волновойканалы,включаяАГВ(акустико-гравитационные волны).
Обзоры существующих гипотез о механизмах осуществлениясвязи системы «литосфера-атмосфера-ионосфера» представлены, например, в работах[Pulinets and Boyarchuk, 2004 и библиография в ней; Pulinets and Davidenko, 2014;Hayakawa et al., 2004; Hayakawa and Hobara, 2010; Liperovsky et al., 2008; Ondoh, 2009;Uyeda et al., 2009; Sorokin and Hayakawa, 2013].Поскольку вариации ПЭС определяются главным образом вариациями NmF2, –электроннойконцентрациейвмаксимумеF2-слоя, –топричиныисследуемыхсейсмогенных возмущений ПЭС следует искать среди физических механизмов80формирования увеличенных значений NmF2, рассмотренных, например, в монографии[Брюнелли и Намгаладзе, 1988]. К ним относятся: а) потоки плазмы из плазмосферыв ионосферу вдоль магнитных силовых трубок; б) изменения нейтрального состава;в) направленные к экватору термосферные ветры; г) вертикальный перенос вверх плазмыF2-слоя направленным на восток электрическим полем; д) зональный перенос плазмымеридиональным электрическим полем.
Анализ этих механизмов применительнок проблеме ионосферных предвестников землетрясений был дан в работе Намгаладзе[2007] и, позднее, Золотов и др.[2012]:Плазмосферные потоки следует исключить, поскольку они не изменяют ПЭСи осуществляют только перераспределение плазмы; влад плазмосферной концентрациив вертикальное ПЭС мал по сравнению с вкладом F-области.Изменения нейтрального состава могут быть связаны с изменениями режиматурбулентной диффузии в нижней и средней атмосфере, однако этот механизмне объясняет наблюдаемой магнитной сопряженности предсейсмических ионосферныхэффектов.Для создания и поддержания направленных к экватору нейтральных ветровтребуются соответствующие градиенты газового давления, локализованные на небольшойтерритории (вблизи эпицентра) в F2-слое.Электрические поля передаются из нижней ионосферы в верхнюю вдоль силовыхгеомагнитных линий и далее в противоположное полушарие, и рассматриваютсяв настоящей диссертации в качестве основной причины формирования ИПЗ в ПЭСионосферы,посколькуобеспечиваютгеомагнитнуюсопряженностьионосферныхэффектов.
В F2-слое плазма замагничена, движется в скрещенных электрическом Eи магнитном B полях со скоростью электромагнитного дрейфа. [E×B]-дрейф ионосфернойплазмы F2-слоя может порождать как положительные, так и отрицательные возмущенияэлектронной концентрации в зависимости от направления зонального электрическогополя. Вертикальный дрейф вверх плазмы на низких широтах формирует т.н. аномалиюЭпплтона – провал в широтном ходе электронной концентрации над геомагнитнымэкватором и два «гребня» по обе стороны от него. Для среднеширотной ионосферывертикальный дрейф вверх приводит к переносу плазмы в области меньших концентрацийО2 и N2, то есть меньших скоростей потерь доминирующих в F2-слое ионов О+ в ионномолекулярных реакциях:O+ + O2 → O2+ + O + 1.10 эВ++O + N2 → NO + N + 1.55 эВ(6)(7)81Константа скорости реакции (6) k(O+, O2) примерно на порядок выше,чем k(O+, N2), но, поскольку концентрация молекул N2 на высотах максимума F2-слояболее чем на порядок превосходит концентрацию n(O2), вклад реакции (7) являетсяопределяющим [Брюнелли и Намгаладзе, 1988].Из проведенного качественного рассмотрения следует, что наиболее вероятныммеханизмом формирования наблюдаемых увеличений ПЭС является вертикальныйперенос ионосферной плазмы F2-области вверх под действием зонального электрическогополя (предположительно сейсмического происхождения), направленного на восток.При этом эффекты в ионосфере порождаются в результате действия суммарного поля,состоящего из «обычных» ионосферных электрических полей и сейсмогенноговозмущения (зональная компонента которого и приводит к наблюдающимся эффектам).На низких широтах (около геомагнитного экватора) увеличение направленной на востоккомпоненты электрического поля приводит к углублению экваториальной ионизационнойаномалиивследствиеинтенсификации«фонтан-эффекта».Насреднихширотахнаправленный вверх электромагнитный дрейф, созданный направленным на востокэлектрическом полем, приводит к увеличению ПЭС вследствие переноса плазмы F2-слояв область меньших концентраций нейтралов и, соответственно, в область более низкихскоростей потерь доминирующего на данных высотах иона О+ в ионно-молекулярныхреакциях.
Электрическое поле противоположного направления (направленное на запад)создаѐт противоположные – отрицательные – эффекты в ПЭС ионосферы.Для существования такого поля на ионосферных высотах в околоэпицентральнойобласти необходимо обеспечить разделение зарядов и накопление на западной границеэтой области носителей положительных электрических зарядов, а на восточной –отрицательных.3.2 Появление сейсмогенного электрического поля в ионосфереСовременное состояние исследований проблемы осуществления связи системы«литосфера-атмосфера-ионосфера»непозволяетсчитатьмеханизмпоявленияэлектрического поля сейсмической природы окончательно установленным, и он остаѐтсяпредметом научной дискуссии.В периоды подготовки сильных землетрясений сообщается о ряде явлений,таких как появление приземных сейсмогенных электрических полей, увеличение уровнярадиоактивности в приземном слое нейтральной атмосферы вследствие выброса в негорадона.
В результате появления у поверхности Земли источника ионизации в приземномслое увеличивается количество заряженных частиц. Совместное действие вертикального82турбулентного переноса заряженных аэрозолей и их гравитационного оседания приводитк формированию вертикального тока, текущего над разломами между Землѐйи ионосферой [см., например, Pulinets, 1998; Sorokin and Chmyrev, 1999; Sorokin et al.,2001, 2005a, 2005b, 2006a, 2006b, 2006c, 2007a, 2007b]. Т.о., этот ток не являетсятоком проводимости. Приход на ионосферные высоты (80 км над поверхностью Земли)этого тока (т.е.
зарядов и связанных с этими зарядами электрических полей) приводитк изменению ионосферных электрических полей [Chmyrev et al., 1989; Gousheva et al.,2006a,2006b,2008a,2008b,2009].Этиполясейсмическогопроисхождения(и соответствующие им токи) являются важной частью глобальной электрической цепи[Harrison et al., 2008, 2010; Pulinets and Boyarchuk, 2004 и библиография в ней; Pulinets andOuzounov, 2011; Sorokin and Chmyrev, 1999; Sorokin et al., 2003, 2007a; Мареев, 2010;Freund, 2011, 2013; Sorokin and Hayakawa, 2013].Freund [2011, 2013] предложил альтернативный инжекции радона и радиоактивныхпочвенных газов механизм ионизации приземного слоя нейтральной атмосферы на основемеханизма так называемых ―положительных дыр‖.
На основе экспериментов на прессахвысокой нагрузки над образцами пород было установлено, что происходит активацияносителей зарядов и генерация электрических токов. Этими носителями являются1) электроны и 2) ―положительные дыры‖ (дефект-электроны). ―Положительные дыры‖высокомобильны и могут покинуть сдавливаемый объѐм и накапливаться на границераздела ―земля-воздух‖. По мере накопления ―положительных дыр‖ у поверхностипри превышении порога ионизации может произойти пробойная ионизация нейтральныхмолекул приземного слоя нейтральной атмосферы.
Этот процесс будет эффективнеепри наличиисильныхградиентовэлектрическогопотенциалаполязарядов,т.е. при наличии ―острых пиков‖ и иных геометрических неоднородностей пограничногослоя породы. Дальнейшее формирование вертикального сейсмогенного электрическоготока происходит аналогично тому, как уже было описано для случая ионизации радоном.F. Freund считает этот механизм значительно более эффективным, чем предложенныйвыше механизм ионизации радоном.Само формирование (в метаморфических породах или породах вулканическогопроисхождения)электрическихтоковподдействиеммеханическихдеформаций(сдавливания) объясняется следующим образом[Freund et al., 2009; Freund 2011, 2013;Takeuchi et al., 2006]: как электроны, так и положительные дыры появляютсяиз-за точечных нарушений в структуре кристаллической решѐтки данных пород.Это нарушение состоит в замещении обыкновенных связей (т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
