ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 3, с. 365-375
УДК 550.388
ФИЗИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ВОЗМУЩЕНИЙ ПОЛНОГО ЭЛЕКТРОННОГО СОДЕРЖАНИЯ ИОНОСФЕРЫ НАД СЕЙСМОАКТИВНЫМ РАЙОНОМ © 2014 г. Ю. Я. Ружин, В. М. Сорокин, А. К. Ященко
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН), г. Москва, г. Троицк e-mail: ruzhin@izmiran.ru Поступила в редакцию 25.02.2013 г. После доработки 15.03.2013 г.
Предложен механизм возмущения полного электронного содержания (ПЭС) ионосферы во время усиления сейсмической активности. Показано, что пространственное распределение возмущения ПЭС определяется совместным действием двух факторов: нагрева ионосферы электрическим током и дрейфа плазмы в электрическом поле этого тока. Его характер зависит от соотношения между этими процессами. Ток возникает в глобальной электрической цепи при появлении в приземных слоях атмосферы ЭДС, которая связана с динамикой инжектируемых в атмосферу заряженных аэрозолей. Развитая модель позволяет рассчитывать пространственное распределение ПЭС в ионосфере при заданном горизонтальном распределении концентрации заряженных аэрозолей на поверхности Земли.
DOI: 10.7868/S0016794014030134
1. ВВЕДЕНИЕ
В последнее время большое развитие получил метод измерения полного электронного содержания (ПЭС) ионосферы с использованием GPS приемников. Ведутся исследования, посвященные анализу пространственного распределения ПЭС накануне землетрясений (см., например, [Oraevsky et al., 2000; Liu et al., 2001; Ruzhin et al., 2002; Afraimovich et al., 2004; Zakharenkova et al., 2008; Devi et al., 2010; Klimenko et al., 2011]). В работе [Pulinets, 2009] сделана попытка объяснить возможную модификацию ионосферы ионизацией воздуха в результате инжекции радона в атмосферу в окрестности активных разломов. Обсуждается процесс локальной модификации глобальной электрической цепи и соответствующей изменчивости ионосферы во время тектонической активности. Автор полагает, что появление дополнительного источника ионизации оказывает двоякое влияние на проводимость ионосферы. Появление дополнительных ионов увеличивает проводимость атмосферы, и, в то же время, образование тяжелых кластерных ионов ведет к ее уменьшению. Расчета результирующей величины проводимости не приводится. Следует заметить, что существуют теоретические исследования модификации проводимости ионосферы под действием источника ионизации. В приложении к сейсмическим процессам в работе [Sorokin et al., 2007] подробно изучены процессы формирования проводимости под действием источников гамма и альфа распада на основе решения систе-
мы самосогласованных нелинейных уравнений для электрического поля, концентрации ионов и аэрозолей с учетом их взаимодействия и проводимости атмосферы. Далее, автор работы [РиНпе18, 2009] полагает, что аномалия проводимости атмосферы приводит к изменению тока на локальном участке цепи и, следовательно, к появлению горизонтального электрического поля в ионосфере. Расчет величины этого поля не приводится. Данную концепцию автор применяет для интерпретации возможного возмущения ПЭС в экваториальной области. Так как в области экваториальной аномалии ионосферное поле направлено на восток, то поле возмущенного тока усиливает его в восточном направлении от эпицентра, а в западном направлении соответственно уменьшает. Следовательно, ПЭС должна возрастать на восток от эпицентра и уменьшаться на запад от него. Как известно, величина тока хорошей погоды имеет значение ~10-12 А/м2, а величина проводимости атмосферы составляет ~10-14 См/м. Следовательно, электрическое поле на поверхности Земли имеет значение ~100 В/м. Электрическому току с той же плотностью в ионосфере, проводимость которой составляет ~10-6 См/м, соответствует поле величиной ~10-3 мВ/м. Изменение проводимости у поверхности Земли в результате ионизации в два раза приведет к изменению плотности тока на локальном участке цепи на величину того же порядка. Следовательно, дополнительное электрическое поле будет на три-четыре порядка меньше величины фонового ионо-
сферного поля ~(0.1—1) мВ/м, и его влияние на изменение состояния ионосферы и экваториальную аномалию пренебрежимо мало. Поэтому предлагаемая в работе [Pulinets, 2009] гипотеза является физически не состоятельной и не может служить основой для создания модели литосфер-но-ионосферных связей.
По этой же причине изложенное в упомянутой выше работе предположение находится в противоречии с результатами численного моделирования, проведенного в работах [Zolotov et al., 2008; Klimenko et al., 2011, 2012; Намгаладзе и др., 2009]. Авторы этих работ показали, что наблюдаемые возмущения ПЭС сопровождают рост электрического поля сейсмического происхождения в ионосфере до величин 3—9 мВ/м. Тем не менее, вопреки результатам численного моделирования авторы работы [Klimenko et al., 2012] привлекают гипотезу, изложенную в работе [Pulinets, 2009], которая дает электрическое поле в ионосфере величиной на три-четыре порядка меньше необходимого для интерпретации результатов численного моделирования. В работе [Pulinets, 2012] автор повторяет обсуждение возможного механизма формирования возмущения ПЭС в низкоширотной ионосфере, приведенного в работе [Klimenko et al., 2012]. Основой этого механизма является модель генерации электрического поля, которая противоречит экспериментальным данным. При обсуждении в работе [Pulinets, 2012] других возможных объяснений экспериментальных данных автор показывает свое непонимание различия между электрическим током проводимости и сторонним током ЭДС. Величина плотности тока хорошей погоды составляет ~10-12 А/м2, в то время как величина стороннего тока может значительно превышать это значение, так как сторонний ток связан с полем сил неэлектрической природы. Он выражается через хорошо известные измеряемые характеристики атмосферы. Кроме того, постоянным по высоте является не ток проводимости, а полный ток, равный сумме тока проводимости и стороннего тока. По-видимому, это непонимание и приводит автора к физически неадекватной модели проникновения поля в ионосферу. Таким образом, в приведенных выше работах остается без ответа вопрос, каким образом процессы в литосфере приводят к возмущению ПЭС.
Следует иметь в виду, что появление электрического поля в ионосфере сводится не только к дрейфу плазмы в /-области. Как показано в работе [Sorokin and Chmyrev, 1999], увеличение электрического поля и связанного с ним роста количества тепла, выделившегося в E-слое ионосферы в результате протекания в ней электрического тока, приводит к росту температуры /-области. Это оказывает влияние на процессы, формирующие область F. Тепловой поток q, излучаемый тонким проводящим слоем, обладающим интегральной
проводимостью 2 в горизонтальном электрическом поле напряженностью Е, по порядку величины равен q = 2Е2. Полагая значения 2 = 3—30 См/м, Е = = 6 мВ/м, получим q = (10-4—10—3) Вт/м2. Одним из основных источников нагрева ионосферы является коротковолновое излучение Солнца (X < < 0.1026) мкм. Приток тепла в результате поглощения этого излучения выше 100 км составляет ~q = 10-3 Вт/м2 и в зависимости от солнечного цикла может изменяться в несколько раз в ту или иную сторону. Из приведенных оценок следует, что тепло, выделенное электрическим током в ионосфере над зоной подготовки землетрясения, составляет значительную часть общего теплового баланса ионосферы. Следовательно, этот источник тепла решающим образом влияет на ее состояние. Нагрев токами ионосферы увеличивает масштабы высотного распределения ионосферных компонент и, следовательно, высотного профиля слоя Е2. Так как источник тепла локализован в нижних слоях ионосферы (120—150 км), то разогрев верхних слоев ионосферы, расположенных над токовым слоем, осуществляется движением нагретого газа в вертикальном направлении. Предварительные оценки показали, что нагрев ионосферы при появлении в ней электрического поля величиной Е = 6 мВ/м приводит к относительному изменению ПЭС на десятки процентов. Следовательно, нагрев ионосферы приводит к изменению ПЭС на такую же величину, что и дрейф плазмы в этом поле. Пространственное распределение ПЭС возникает в результате действия этих двух факторов, и его характер зависит от соотношения между ними.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЯ ВОЗМУЩЕНИЯ ПЭС НАД СЕЙСМОАКТИВНЫМ РАЙОНОМ
Динамика поведения ПЭС и его пространственное распределение являются отображением текущего состояния ионосферы и ее аномалий. Аномалии характеристик ионосферы сейсмической природы, активно обсуждаемые в последнее время, являются продуктом ряда процессов лито-сферно-атмосферно-ионосферного (ЛАИ) взаимодействия. Главным источником подобных аномалий ионосферы считается добавочное электрическое поле Е, которое появляется в ионосфере над зоной подготовки будущего землетрясения. Перенос плазмы в направлении Е х В дрейфа, вызванного этим дополнительным полем должен (может) создавать как области пониженного (вынос плазмы), так и повышенного (накопление плазмы) ПЭС.
Землетрясение 12.05.2008 г. в Китае — самое продуктивное по информации и количеству статей с анализом аномалий ПЭС сейсмической
20 ь
0 to*
50
30
10
-30
60 80 100' 120 140 160
Рис. 1. Дифференциальные ПЭС карты для землетрясения в Китае (12.05.2008 г.). а — аномалия ПЭС в абсолютных единицах (ТЕСи); б — аномалия ПЭС в относительных единицах. Штриховая линия — проекция магнитного меридиана. Положение эпицентра и его магнито-сопряженная точка в южном полушарии обозначены звездочками.
природы. В первую очередь, весьма полезной оказалась плотная собственная сеть GPS приемников и ионозондов Китая. Были получены карты распределения ПЭС с подробным пространственным и временным разрешением (1 ч), недостижимым для глобальных карт ПЭС сети IGS (формат IONEX), которые обычно используются авторами существующих публикаций (5° по долготе и 2.5° по широте). На последовательности китайских карт-изображений представлено детальное развитие положительной аномалии в ПЭС юго-восточнее эпицентра [Zhao et al., 2008, 2010]. Аномалия развивается после 15 ч местного времен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.