Диссертация (1150499), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Все заряженные компоненты верхней атмосферы полагаютсяполностью замагниченными на высотах более 175 км, так как этих высотах ионнаягирочастотаiмного больше частот ион-нейтральных столкновенийinи, таким образом,геомагнитное поле определяет поведение ионного и электронного газов. По этой причинев настоящем блоке используется дипольная магнитная система координат:Dni /Dt +2 mi ni (par(niVi par) = Qi - Li - niVi )par = mi n gpar -in in niperparVper ,(ni k Ti ) - (ni / ne)(Vi par-V par) -nijij ni(21)par(ne k Te) -(Vi par-Vj par) ,(22)jVi per = Ve per = EB / B2 ,(23)89Ve per =ni Vi per / ne ,(24)i(3 ni k / 2 ) (DTi / Dt + Vi parparTi ) + ( ni k Ti ) Vi par -par(pariTi ) == PiQ J + PiT e + PiT j + PiT n ,(3 ne k / 2 ) (DTe / Dt + Ve par(25)parTe ) + ( ne k Te ) Ve par -par(eparTe ) == PeQ p + PeQ c + PeT i + PeT j + PeT n .(26)В уравнениях (21)-(26) индексы i, j и e обозначают ионы O+ и H+, и электроны,соответственно.Символыparиperобозначаютнаправления,параллельныеи перпендикулярные геомагнитному полю.
D/Dt = / t +(Vper, ) – производная Лагранжавдоль дрейфовой траектории, определяемой из уравнения (23). Qi, Li обозначают скоростирождений и потерь атомарных ионов O+ и H+ , в которых учитывается фотои корпускулярная ионизация, ионно-молекулярные реакции между O+ и O2 и N2, реакциизарядообмена между O+ и H, и между H+ и O; gpar проекция на геомагнитную силовуюлинию суммы гравитационного и центробежного ускорений; PiQJ - Джоулев нагревионного газа; PiTe, PiTj, PiTn - скорости теплообмена между ионами; PeQp, PeQc скоростилокальногоинелокальногонагреваэлектронногогазафотоэлектронамии высыпающимися магнитосферными электронами; PeTi, PeTj, PeTn - скорости теплообменамежду электронами.Длявычисленияплотностинейтральноговодородамыиспользуемгидростатическое приближение с заданием верхнего граничного условия на 500 кмнад поверхностьюЗемливсоответствиисмодельюнейтральнойатмосферыJacchia - 1977.
Более подробное описание уравнений (21)-(26) модели представленов работе Namgaladze et al. [1988] и монографии Брюнелли и Намгаладзе [1988].Интегрирование уравнений (21)-(26) осуществляется вдоль дипольных силовыхлиний геомагнитного поля. Силовые линии геомагнитного поля с L15 (L – параметрМкИлвейна) считаются открытыми и концентрации ионов и тепловые потоки полагаютсянулевыми на r = 15 RE.
Граничные условия задаются на основаниях силовых трубок(175 км над поверхностью Земли). Расчѐт концентраций атомарных ионов осуществляетсяиз условия фотохимического равновесия. Ионная Ti и электронная Te температурына этой границе рассчитываются из уравнений теплового баланса (16)-(17).90Блок расчѐта электрического поляЭтот блок модели рассчитывает электрическое поле.
Уравнение для потенциалаэлектрического поля E = -grad( ) численно решается в этом блоке с учѐтом динамодействия термосферных ветров:[(где- V B ) - jm ] = 0 ,(27)обозначает тензор проводимости, jm – плотность тока магнитосферногопроисхождения. Задача определения электрического потенциаласводится к двумернойпутѐм интегрирования уравнения (27) по высоте токонесущего слоя, полагая высотнуюизменчивость электрического поля внутри этого слоя пренебрежимо малой, и решаетсяитеративным методом в геомагнитной системе координат.3.4МоделированиевозмущенийПЭСионосферыметодомвозмущенийэлектрического потенциалаВ наших первых работах [Namgaladze et al., 2007, 2009; Намгаладзе и др., 2009]состояния верхней атмосферы, предшествующие сильным сейсмическим событиям,моделировалисьпутѐмвключениядополнительныхсейсмогенныхисточниковэлектрического потенциала в уравнение модели UAM для электрического потенциала,которое затем численно решалось совместно со всеми остальными уравнениями модели.3.4.1 «Синтетический» модельный случайВ модельном эксперименте дополнительные источники включались и постояннодействовалив течение24 часов,т.е.всехмодельныхсуток.Дополнительныеположительные и отрицательные возмущения электрического потенциала задавалисьна западной и восточной границах околоэпицентральной и магнитосопряжѐнной к нейобластях.
Исследовались воздействия от дополнительных источников электрическогопотенциала величиной в 2 кВ и 5 кВ (для случаев низкоширотных землетрясений) и 10 кВ(для среднеширотногослучая).Рассматривали2околоэпицентральныеобласти[Namgaladze et al., 2009] размерами 10° по широте и 30° по долготе; положенияэпицентров(см. Рис. 40)былисоответственнокоординатами: 1) (45N, 90); 2) (15S, 210).соследующимигеомагнитными91Рисунок 40. Численная сетка в геомагнитных координатах, использованная в модельныхрасчѐтах. Кружками отмечены узлы с внесѐнным сейсмогенным возмущением.Светлые кружки соответствуют отрицательному дополнительному потенциалу, черные –положительному, белый круг с чѐрной точкой – предполагаемый эпицентр землетрясения.Выбранные параметры (расстояния между источниками и эпицентром) примерносоответствуют горизонтальным размерам областей аномально возмущѐнных значенийПЭС, как, например, в работах [Pulinets et al., 2003; Zakharenkova et al., 2007b].Перваяобластьприэкваториальнойявляетсятипичнойионосферы,среднеширотной,в которойэффектывторая –областьэлектрическихполейболее существенны, чем на средних широтах.
Для моделирования мы выбралимагнитоспокойный день июньского солнцестояния.Рассчитанные распределения электрического потенциала и горизонтальныхкомпонентвектораэлектрическогополядляслучаеввнесѐнныхисточниковэлектрического потенциала в 5 и 10 кВ (на узел численной сетки) представлены на Рис. 41для модельных спокойных и сейсмовозмущѐнных условий. Показаны области, в которыхпоявляется направленное на восток электрическое поле над эпицентром будущегосейсмического события при наложении дополнительных сейсмогенных источниковэлектрическогопотенциала.в магнитосопряжѐннойТакжеобластипредставленысоответствующие(в противоположномполушарии).возмущенияСимметрияэлектрического потенциала и электрического поля относительно геомагнитного экватораявляетсяследствиемидеальнойпроводимостиплазмывдольсиловыхлинийгеомагнитного поля, и, следовательно, их эквипотенциальности. Амплитуды возмущений92направленного на восток электрического поля для случая низких широт составили2-4 мВ/м и 4-10 мВ/м в случае среднеширотного источника.
Они превосходят фоновуюспокойную вариацию электрических полей (~0.2 и 1 мВ/м, соответственно), но при этомзначительно меньше спокойных высокоширотных электрических полей магнитосферногопроисхождения (15-25 мВ/м), полученных в модельных расчѐтах.Рассчитанные ионосферные эффекты в ПЭС и foF2 (критическая частота F2-слоя),порождѐнные этими дополнительными источниками электрического поля представленына Рис. 42-43. Как из них следует, действие приэкваториального источника приводитк усилениюэкваториальнойаномалииF2-слоявоколоэпицентральнойобластиионосферы в форме углубления минимума в широтном ходе foF2 над геомагнитнымэкватором и смещения «гребней» аномалии Эпплтона от экватора на средние широты.Такое поведение экваториальной ионизационной аномалии согласуется с наблюдениямипо данным спутников Alouette-1 и 2 [Depueva and Ruzhin, 1995; Депуева и др., 2007;Ruzhin and Depueva, 1996].93Рисунок 41. Модельные возмущения электрического потенциала (сверху)и соответствующие им возмущения горизонтальной компоненты электрического поля(снизу), порождѐнные фоновыми (спокойным ходом) и дополнительными(сейсмогенными) источниками для двух расположений эпицентров землетрясений(отмечены белым кругом с чѐрной точкой внутри).94Рисунок 42.
Модельные возмущения (%) ПЭС ионосферы, порождѐнныедополнительными (сейсмогенными) источниками электрического потенциала для среднеи низкоширотного землетрясений (положение эпицентров отмечено белым кругомс чѐрной точкой).Рисунок 43. Модельные широтные вариации критической частоты F2-слоядля спокойных и сейсмо-возмущѐнных условий. Ромб – спокойная вариация;треугольник – возмущение (внесѐнный дополнительный сейсмогенный электрическийпотенциал) в 2 кВ; квадрат – 5 кВ. Белый круг с чѐрной точкой – широта эпицентраземлетрясения.95Действие среднеширотного источника приводит к увеличению foF2 и ПЭСв околоэпицентральнойи пространственныеимагнтосопряжѐннойразмерыобластейкнейаномальнообластях.Амплитудаувеличенныхзначенийхорошо согласуются с соответствующими характеристиками наблюдавшихся ранее ИПЗ.Хотя величины возмущений электрических потенциалов и соответствующих имэлектрических полей для случая среднеширотного источника в наших расчѐтах в 2-5 разбольше, чем в приэкваториальном случае, порождѐнные ими эффекты выражены слабее,чем в низкоширотной области.Таким образом, результаты «синтетического» моделирования [Намгаладзе и др.,2009; Namgaladze et al., 2009b] в первом приближении показали, что наблюдавшиесяперед землетрясениями возмущения NmF2 и ПЭС могут порождаться вертикальнымдрейфом плазмы F2-области ионосферы под воздействием зональной компонентыэлектрического поля предположительно сейсмического происхождения.
Для случаевгенерации положительных возмущений ПЭС на средних широтах и усиленияэкваториальной аномалии (углубления экваториального провала) это поле направленона восток и порождает электромагнитный дрейф плазмы поперѐк силовых линийгеомагнитного поля со скоростью, направленной прямо вверх над магнитным экватороми вверх и к полюсам на средних широтах. Предложена схема пространственногораспределенияпотенциалаДля существованиявэлектрическогооколоэпицентральнойполясейсмическогообластипроисхождения.направленногонавостокэлектрического поля необходимо обеспечить разделение зарядов и накопление носителейположительногоа отрицательных –электрическогонавосточной.заряданаВрамкахзападнойграницеэтойобласти,данногоподходамоделированияне обсуждается механизм генерации такого сейсмогенного электрического поля,оно задаѐтся в качестве граничных условий для электрического потенциала.963.4.2 Моделирование вариаций ПЭС перед конкретными землетрясениямиметодом возмущений электрического потенциалаСледующим логическим шагом является воспроизведение вариации ПЭСперед конкретными сейсмическими событиями, а не в общем модельном случае,и рассмотрениеи положительный)другихитипов(дипольный,пространственныхмонопольныеконфигурацийотрицательныйразмещенияисточниковсейсмогенного возмущения электрических полей.Рисунок 44.
Рассмотренные типы и пространственные конфигурации размещениядополнительных источников сейсмогенного электрического потенциала: 1) дипольные,с размещением положительных зарядов на западе и отрицательных на востоке – dip1и dip2; 2) монопольные – состоящие из зарядов одного (положительного) знака.Численные эксперименты были проведены для следующих землетрясений 1) Перу,26 сентября 2005 г., низкие широты; 2) Китира, 8 января 2006 г., Южная Греция, средниешироты [Zakharenkova et al., 2008a; Золотов и др., 2012].973.4.2.1 Землетрясение 8 января 2006 г., Китира (Южная Греция)Дополнительные электрические «сейсмогенные» поля рассчитывались путемрешения уравнения (27) с граничными условиями на границе околоэпицентральнойобласти в виде гипотетических источников электрического потенциала (в сущности,электрическихзарядовисоответствующихимпотенциалов)различныхтипови пространственных конфигураций в узлах численной сетки (на высоте 175 кмнад поверхностью Земли).
Эти источники ―включались‖ в 00UT и действовалив постоянном режиме в течение всех модельных суток. В численном экспериментерассматривались два типа (дипольный – состоящий из зарядов разных знаков;монопольный – состоящий из зарядов одного – положительного – знака) дополнительныхисточников сейсмического происхождения и 9 пространственных конфигурацийих размещения, показанных на Рис. 44.Расчеты велись для спокойных солнечных и геомагнитных условий и различныхзначений дополнительных электрических потенциалов: 1) 10 кВ для дипольныхисточников и 2) 10 кВ и 20 кВ для источников положительного типа. В результате этихэкспериментовполученыпространственныераспределенияэлектрическихполейи генерируемых ими возмущений полного электронного содержания ионосферы (Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
