Диссертация (1150499), страница 13
Текст из файла (страница 13)
вида O3X-O-YO3) связямивида O3-X-OO-YO3, где X и Y обозначают Si4+, Al3+ и т.п. В свою очередь, этот дефект83обусловлен наличием небольшого количества O3-X-OH (включений гидроксил-иона)в агидричной породе, которые получаются либо при кристаллизации насыщенной водой(паром) магмы, либо при рекристаллизации в метаморфной среде при большихтемпературах. Внедрение гидроксильных групп может рассматриваться как гидролизO3X-O-YO3:O3X-O-YO3 + H2O ↔ O3X-OH HO-YO3Вовремяохлаждения(притемпературахменее500○C)происходитпереупорядочивание электронов гидроксильных пар так, чтобы изменить валентностькислорода с O2- на O- , преобразуя протон H+ в H.
Атомы H комбинируются для созданиямолекулярного водорода H2, O- переупорядочиваются для формирования пероксиднойсвязи:O3X-OH HO-YO3 → O3X-OO-YO3 + H2(a)(b)Рисунок 38. Схема (a) активации ―спящей‖ пероксидной связи с переходомчерез промежуточное состояние (разрыва связи, например, при пластичнойдеформации). Атом кислорода из [SiO4] 4- выступает в качестве донора электрона;(b) перемещения ―положительных дыр‖ путѐм ―перепрыгивания‖ электрона с O2- на O(направление движения положительных дыр противоположно направлению движенияэлектронов). Из [Freund, 2011].При пластических деформациях породы происходят разрыв O- - O- связей(см. Рис. 38a-39).
При этом процессе O2- , которые находятся вне связи, служат доноромэлектрона, который захватывается нарушенной пероксидной связью. Донор O2-,таким образом, теряет один электрон и становится O-, т.е. «положительной дыркой».84Т.к. «положительнаядырка»представляетсобойсостояниеатомакислорода,то она «живѐт» на внешней электронной оболочке, которая преимущественно состоитиз O 2sp-симметричных энергетических уровней. Таким образом, положительные дырымогут перемещаться по валентным зонам различных атомов путѐм «перепрыгивания»электрона с оболочки на оболочку (см.
Рис. 38b-39). Т.к. в данных породах валентныезоны всех«зѐрен» образуютэнергетическийконтинуум,положительные дырымогут покидать границы отдельных «зѐрен» и распространяться через песок и грунт.Рисунок 39. Схема активации «положительных дыр» и их распространения в породахметаморфического происхождения: a) неактивированная (―спящая‖) ―положительнаядырка‖; b) активация двух ―положительных дыр‖ при нарушении пероксидной связипод действием сил сжатия c) ―выпрыгивание‖ электрона с O2- и высвобождениеположительной дырки; d) распространение ―положительных дыр‖ по границам―песчинок‖ (―зерен‖) и через толстый слой породы вулканического происхождения.Из [Takeuchi et al., 2006].Таким образом, предложенные гипотезы могут объяснить появление электрическихполей сейсмического происхождения на ионосферных высотах.
Далее мы рассмотримионосферные эффекты таких полей преимущественно в полном электронном содержании(ПЭС) ионосферы в качестве возможных предвестников землетрясений.Сильными аргументами в пользу гипотезы об электрических полях сейсмическогопроисхождения как главной причине формирования наблюдаемых перед землетрясениямивозмущений в ПЭС ионосферы являются: 1) геомагнитная сопряженность наблюдаемых85ионосферныхпредвестников;2) наличиеэффектов,связанныхсмодификациейэкваториальной аномалии Эпплтона (Appleton), которая контролируется зональнымэлектрическим полем; 3) наличие эффектов освещѐнности.3.3 Модель верхней атмосферы Земли UAM (Upper Atmosphere Model)Модель верхней атмосферы Земли UAM (Upper Atmosphere Model) – глобальная,трѐхмерная, нестационарная, численная модель, описывающая термосферу, ионосферу,плазмосферу и внутреннюю магнитосферу Земли как единую систему.
Изначальноразрабатывалась в Калининградской обсерватории ИЗМИРАН (КМИО ИЗМИРАН,теперь ЗО ИЗМИРАН) [Namgaladze et al., 1988, 1991] и затем была усовершенствованав Полярном Геофизическом Институте (ПГИ РАН) и Мурманском государственномтехнической университете (ФГБОУ ВПО «МГТУ») [Namgaladze et al., 1998a, 1998b].В модели UAM численно интегрируются уравнения непрерывности, движенияи теплового баланса для нейтрального и ионизованного газов совместно с уравнениемдля электрического потенциала, и рассчитываются концентрации, три компонента вектораскорости и температуры основных нейтральных (O2, N2, O) и заряженных (NO+, O2+, O+,H+, электроны) компонент атмосферы в диапазоне высот от 80 км (возможно опусканиенижней границы до 60 км) до 15 земных радиусов RE.
Модель учитывает несовпадениегеомагнитной и географической осей, логически исходный код модели разбит на четыреблока: 1) нейтральной атмосферы и нижней ионосферы; 2) F2-области ионосферыи плазмосферы; 3) расчѐта электрического поля; 4) магнитосферный блок.Приведѐм описание модели UAM согласно работе [Namgaladze et al., 1998b].Блок нейтральной атмосферы и плазмосферы.Нейтральная атмосфера.В подблоке нейтральной атмосферы рассчитываются температура нейтральногогаза Tn, концентрация, три компоненты вектора скорости термосферного ветра Vи концентрации основных нейтральных составляющих nn атмосферы N2 , O2 и Oдля диапазона высот 60-150 км с использованием сферической геомагнитной системыкоординат. Модель UAM предоставляет возможность выполнения в полностьюсамосогласованном режиме (с решением полной системы гидродинамических уравненийдля нейтрального газа), а также использование эмпирических термосферных моделейMSISE-90 [Hedin, 1991] и NRLMSISE-00 [Picone et al., 2002] для расчѐта температури концентрацийосновныхнейтральныхкомпонент.Трѐхмернаятермосфернаяциркуляция находится из решения уравнений движения и непрерывности во всех случаях.86В самосогласованном варианте решается следующая система уравнений:nn / t + [ nn(V +Vdn) ] = Qn - Ln ,[ V / t + (V, )V + 2V ]hor = - ( p)hor -i nnini(8)nn (V -Vi )hor +(2V )hor ,(9)g=- p/ r,(10)/ t+ ( V)=0,(11)= nn mn ,(12)p = nn kT ,(13)nncv [ T / t + (V, )T ] + p V = (nT ) + PnQUV + PnQJ + PnQC - PnL .(14)В уравнениях (8)-(14) nn обозначает концентрацию n-той нейтральной компоненты;V –вектор скорости нейтрального ветра; Vdn – вектор скорости диффузии; Qn, Lnскорости рождений и потерь n-той нейтральной компоненты с учѐтом реакцийдиссоциации молекулярного кислорода O2 и реакций рекомбинации O и O2; подстрочныйиндексhorобозначает взятие горизонтальной компоненты вектора;среднемассовая плотность и давление нейтрального газа;Земли;ni,ni, p–- вектор скорости вращения- приведѐнная масса и частота столкновений между нейтральнойи ионизованной компонентами атмосферы; Vi - вектор скорости ионов;- коэффициентвязкости; g – сумма гравитационного и центробежного ускорений; r – геоцентрическоерасстояние; mn - масса n-той нейтральной компоненты; k - постоянная Больцмана; T температура нейтрального газа; cv - удельная теплоѐмкость при постоянном объеме;n-коэффициент теплопроводности нейтрального газа; PnQUV , PnQJ , PnQC коэффициентынагреванейтральногогазасолнечнымультрафиолетовымUVикрайнимультрафиолетовым EUV излучением, Джоулев нагрев и нагрев высыпающимисяэнергичными частицами; PnL- коэффициент тепловых потерь нейтрального газавследствие излучения.
Детальное описание уравнений (8)-(14) представлено в работеNamgaladze et al. [1988] и монографии Брюнелли и Намгаладзе [1988].Уравнениеи молекулярного(8)используетсякислородаO2,длярасчетаполнаямассоваяконцентрацийатомарногоплотностьрассчитываетсяOиз уравнения гидростатического равновесия (10). Концентрации молекулярного азота N2выше положения турбопаузы рассчитываются по барометрическому закону.87Уравнение (9) используется для вычисления горизонтальных меридиональной (Vx)и зональной (Vy) компонент скоростей нейтрального ветра. Вертикальная составляющаяскорости ветра находится из уравнения (11), т.к.
исходное уравнение движениядля нейтралов сводится к виду (10), в котором отсутствуют вертикальные скоростинейтрального ветра. Из решения уравнения (14) находится температура T нейтралов.В качестве начальных и граничных условий для системы уравнений (8)-(14)полагают следующее.V/ r= T/ r=0на верхнейгранице(h =км),520анейтральныйгазрассматриваетсяв диффузионном равновесии.
На нижней границе скорости ветра вычисляютсяв геострофическоми концентрацииприближения(могутнейтральнойбытьсоставляющейзаданыприливы),рассчитываетсятемпературыпо эмпирическойтермосферной модели NRLMSISE-00 [Hedin, 1991; Picone et al., 2002]. Эта модельтакже используется нами для получения начального пространственного распределенияконцентраций нейтральных компонент и температуры. В качестве начальных условийможет приниматься нулевой ветер, или рассчитанный по модели горизонтальных ветровHWM-93[Hedinetal.,1991,1996].Для получениястационарногорешениямы осуществляем численное интегрирование уравнений до получения установившегосярешения, т.е. слабо отличающегося от итерации к итерации.Нижняя ионосфера (D, E и F1 области)Блок нижней ионосферы рассчитывает следующие параметры D, E и F1 области:полную концентрацию молекулярных ионов n(XY+) = n(NO+) + n(O2+) + n(N2+), ионную Tiи электронную Te температуры, скорость молекулярных ионов V(XY+) в диапазоне высотот 60-80 км до 175 км (для Ti и Te) или 520 км (для n(XY+) и V(XY+)).
В настоящем блокерешается следующая система уравнений:n(XY+) / t = Q(XY+) - L(XY+) ,(15)(3 ni k / 2 ) Ti / t = PiQJ + PiTe + PiTn ,(16)( 3 ne k / 2 ) Te / t = PeQp + PeQc + PeTi + PeTn ,(17)nimig - (nikTi ) -ninin n(Vi - V) + e ni (E +Vi B) = 0 ,( ne kTe ) + e ne (E +Ve B) = 0 ,ne = ni = n (XY+) .(18)(19)(20)88В этих уравнениях Q(XY+), L(XY+) обозначают скорости рождений и потерьмолекулярных ионов XY с учѐтом ионизации солнечным крайним ультрафиолетовымEUV прямым и рассеянным излучением, ионизации высыпающимися электронами, ионномолекулярных реакций и диссоциативной рекомбинации; PiQJобозначают Джоулевнагрев ионного газа; PiTe, PiTn описывают теплообмен между ионным, электронными нейтральным газами; ne – концентрация электронов; PeQp, PeQc нагрев электронного газафотоэлектронами и высыпающимися магнитосферными электронами; PeTi = - PiTe ; PeTnскорости упругого и неупругого теплообмена между электронным и нейтральным газами;mi – масса иона; g – вектор гравитационного ускорения;inni=ninn;e обозначает зарядэлектрона; E, B – векторы электрического и магнитного поля, соответственно.Более подробное описание членов уравнений (15)-(20) представлено в работе Namgaladzeet al.
[1988] и монографии Брюнелли и Намгаладзе [1988].В уравнениях (15)-(17) не учитываются процессы переноса тепла и частиц в D, Eи F1 слоях ионосферы, т.к. на этих высотах доминируют фотохимические процессыи локальный нагрев. Из уравнений (18)-(19) находятся компоненты вектора ионныхскоростей, которые требуются для расчѐта термосферных ветров и температуры с учѐтомионного увлечения и Джоулева нагрева.F2-область ионосферы и плазмосфераВ настоящем блоке рассчитываются следующие параметры ионосферной F2области и плазмосферы: концентрации ионов атомарного кислорода n(O+) и водородаn(H+), а также ионная Ti и электронная Te температуры, скорости ионов V(O+) и V(H+)для высот от 175 км до 15RE.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
