Диссертация (1150499), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Механизмы изменения электронной концентрации в F2-области ионосферыподробно рассмотрены, например, в монографии [Брюнелли и Намгаладзе, 1988].Главными определяющими факторами в F2-области являются скорость рожденийионосферной плазмы (главным ионизуемым компонентом F2-области является атомарныйкислород О), а также скорость потерь ионосферной плазмы в ионно-молекулярныхреакциях с нейтральным газом (главным образом N2 и О2). Т.о., электронная концентрацияопределяется отношением концентраций между О и N2 (~n(О2)/n(N2)), и О и O2(~n(О)/n(O2)).
Изменить концентрации нейтральной компоненты, участвующей в ионномолекулярных реакциях, (а следовательно, и скорости потерь) можно двумя способами:1) переносом ионосферной плазмы вверх (вниз) в области меньших (больших)концентраций О2 и N2 и, соответственно, меньших (больших) скоростей потерь;2) приходом областей нейтральной атмосферы, богатых (бедных) содержанием О2 и N2.ПосколькуплазмаF2-областизамагничена,вертикальныйпереносможет осуществляться двумя способами: a) за счѐт увлечения плазмы нейтральныммеридиональным ветром вдоль силовых линий магнитного поля; b) за счѐт вертикального[E×B]-дрейфа ионосферной плазмы под действием зональной компоненты электрическогополя E в скрещенных электрическом (E) и магнитном (B) полях.Механизм (a) осуществляет как вертикальный перенос плазмы, так и изменениенейтрального состава, что может приводить к формированию областей как пониженных,такиповышенныхот доминирующегозначенийпроцесса).электроннойПриходбогатогоконцентрациимолекулами(вО2изависимостиN2воздухаосуществляется из областей разогрева, например, от высокоширотного источника,30как это имеет место в случае магнитной бури.
При этом наблюдаются два эффекта:рост электронной концентрации вследствие подъѐма плазмы (путѐм еѐ увлечениявдоль магнитосиловой трубки) и еѐ уничтожение из-за прихода областей с повышеннымсодержанием О2 и N2. Это подтверждается существованием как положительных,так и отрицательных магнитных бурь, хотя в основном доминируют отрицательныеэффекты.Внутренние гравитационные волны (ВГВ) характеризуются попеременнымподъѐмом и опусканием (вследствие попеременного разряжения и сжатия) «эталоннойединицыобъѐма»воздухаираспространениемотисточникасоскоростямипорядка 700 км/ч. Обнаруженные в ПЭС эффекты (которые будут более подробнообсуждаться в Главах 2 и 3), такие как отсутствие перемещений ПЭС-аномалий,отсутствиеволновойструктуры,наличиемагнитнойсопряжѐнностиэффектов,а также представленных в работе [Золотов и др., 2011] эффектов ночного доминированиявозмущенийПЭСиотизмененияпроводимостизаставляютнасотказатьсяот атмосферно-волнового канала.Т.о., в настоящей диссертационной работе в качестве основного рассматриваетсяэлектромагнитный механизм осуществления связи системы «литосфера-ионосфера»,а в качестве главного физического механизма формирования ионосферных областейаномально повышенных (пониженных) значений ПЭС рассматривается вертикальный[E × B] - дрейфионосфернойплазмыF2-областивскрещенныхмагнитномBи электрическом E полях (под действием зональной компоненты электрического поля Eсейсмического происхождения).
Для низких широт имеет место модификация аномалииЭпплтона (двух «горбов» относительно геомагнитного экватора и «провала» над нимв широтной вариации электронной концентрации) как единой системы. Более подробноэтот механизм представлен в Главе 3 настоящей диссертации.Ким и соавт. [Ким и др., 1993; Hegai et al., 1997; Kim et al., 2002] исследовалиионосферные эффекты такого поля, преимущественно на одномерных моделях, главнымобразом, применительно к нижней ионосфере. В работах [Намгаладзе и др., 2009; Zolotovet al., 2008a; Золотов и др., 2012] было показано, что для формирования ПЭС-аномалий,аналогичных наблюдавшимся, требуется появление на ионосферных высотах зональногоэлектрического поля порядка нескольких мВ/м.
Впоследствии аналогичные результатыбыли получены Liu et al. [2011] для конкретного землетрясения 12 января 2010 г.и с применением другой модели ионосферы – TIME IGGCAS (Theoretical IonosphericModel of the Earth in Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences).Для существования такого зонального поля на ионосферных высотах необходимо31обеспечить разделение положительных и отрицательных зарядов и их накоплениена западнойивосточнойграницахпроекцииоколоэпицентральнойобласти,соответственно. Сорокин и соавт. [Sorokin and Chmyrev, 1999; Sorokin et al., 2005a, 2005b,2006a, 2006b, 2007a, 2007b; Sorokin and Hayakawa, 2013] получили оценки вертикальногоэлектрического тока, текущего между Землѐй и ионосферой, необходимого для созданияуказанных возмущений электрического поля, но не рассчитывали ионосферные эффектытакого поля.
В работе [Kuo et al., 2011] с использованием модели SAMI3 (Sami3 is Alsoa Model of the Ionosphere) проведены численные эксперименты по исследованиювоздействияприземноговертикальногоэлектрическоготоканаионосферу,получены оценки таких приземных токов и показано формирование плазменныхнеоднородностей. Но в этой работе моделировалось воздействие только точечногоисточника вертикального тока и только на плазму нескольких магнитосиловых трубок(находящихся в одной плоскости), при этом не приведены соответствующие приземнымтокам величины плотности вертикального тока на ионосферных высотах (80 кмнад поверхностью Земли) и связанные с ними поля, не исследовались возмущенияв магнитосопряжѐнной области, полный ток и размер области, на которой требуетсязадать этот ток для генерации возмущений ПЭС, аналогичных наблюдавшимсяперед землетрясениями.
Более детально результаты моделирования сейсмогенныхвоздействий на ионосферу представлено в Главе 3.Для объяснения механизма формирования этого вертикального тока привлекаютследующую качественную модель: в периоды подготовки сильных землетрясенийнаблюдается ряд явлений, таких как увеличение уровня радиоактивности в приземномслое нейтральной атмосферы вследствие выброса в него радона, появление приземныхсейсмогенных электрических полей, что представляет собой источник дополнительнойионизациинейтральнойатмосферы.В результатепоявленияэтогоисточникау поверхности Земли в приземном слое увеличивается количество заряженных частиц.Совместное действие вертикального турбулентного переноса заряженных аэрозолейи их гравитационногооседанияприводиткформированиювертикальноготока,текущего над разломами между Землѐй и ионосферой [см., например, Pulinets, 1998;Sorokin and Chmyrev, 1999; Sorokin et al., 2005a, 2005b, 2006a, 2006b, 2006c, 2007a, 2007b].Т.о., этот ток не является током проводимости.
Эти токи являются важной частьюглобальной электрической цепи [Harrison et al., 2008, 2010; Pulinets and Boyarchuk, 2004и библиография в ней; Pulinets and Ouzounov, 2011; Sorokin and Chmyrev, 1999; Sorokin etal., 2007a, 2007b; Мареев, 2010; Freund, 2011, 2013; Sorokin and Hayakawa, 2013].32Freund [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) т.н. ―положительные дыры‖ (дефект-электроны). ―Положительныедыры‖ высокомобильны и могут покинуть сдавливаемый объѐм и накапливатьсяна границе раздела ―земля-воздух‖. По мере накопления ―положительных дыр‖у поверхности (границы раздела земля-воздух) при превышении порога ионизации можетпроизойти ионизация нейтральных молекул приземного слоя нейтральной атмосферы.Этот процесс будет эффективнее при наличии сильных градиентов электрическогопотенциала поля зарядов, т.е. при наличии ―острых пиков‖ и иных геометрическихнеоднородностей пограничного слоя породы.
Дальнейшее формирование вертикальногосейсмогенного электрического тока происходит, как уже было описано для случаяионизации радоном. F. Freund считает этот механизм значительно более эффективным,чем предложенный выше механизм ионизации радоном. Более подробно механизмформирования вертикального электрического тока сейсмического происхождениярассматривается в Главе 3.331.4.
Заключение к Главе 1Таким образом, на основе анализа данных наземных средств наблюденийбыл установлен ряд аномальных ионосферных эффектов передземлетрясениямикак их возможных предвестников. К таким аномалиям отнесли: 1) возмущения компонентмагнитного и электрического полей; 2) увеличение диффузности в E и F-слоях,формирование спорадических слоев в Е-слое над околоэпицентральной областьюбудущего землетрясения; 3) увеличение (в ряде случаев - уменьшение) критическихчастот, высоты максимума электронной концентрации и плотности на высотах максимумаF2-слоя; 4) локальность наблюдаемых возмущений; их времена жизни — от несколькихчасов до нескольких суток перед готовящимся сейсмическим событием; 5) возмущение«коэффициента полупрозрачности» Es-слоя в зависимости от магнитуды и глубинызалегания гипоцентра землетрясения; 6) изменение TT (terminator time)-характеристикза несколько дней до основного сейсмического события.Наземные средства наблюдений обладают рядом ограничений: 1) наблюденияпроизводятся локально, либо 2) только непосредственно над ионозондом и толькониже максимума электронной плотности в случае ВЗ, либо 3) только вдоль трассырадиозондирования.
4) Измерения производятся эпизодично и не могут обеспечитьпостроение глобальных по пространству и непрерывных по времени карт распределенияпараметра. Кроме того, сильные сейсмические события воздействуют на инфраструктуру,так что не всегда удаѐтся обеспечить работоспособность оборудования в наиболее важныедля исследования моменты.Использованиеспутниковиспециальныхмиссийпозволилоустранитьчасть указанных недостатков, например, проводить измерения in situ в ионосфереи в разных (а не фиксированных) точках пространства.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
