научная статья по теме ВОЗМУЩЕНИЕ D-ОБЛАСТИ ИОНОСФЕРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ АТМОСФЕРНО-ИОНОСФЕРНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ВОЗМУЩЕНИЕ D-ОБЛАСТИ ИОНОСФЕРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ АТМОСФЕРНО-ИОНОСФЕРНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ»

ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2009, том 49, № 6, с. 805-811

УДК 550.388

ВОЗМУЩЕНИЕ ^-ОБЛАСТИ ИОНОСФЕРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ АТМОСФЕРНО-ИОНОСФЕРНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

© 2009 г. А. И. Лаптухов, В. М. Сорокин, А. К. Ященко

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН,

Троицк (Московская обл.) Россия

e- mail: sova@izmiran.ru Поступила в редакцию 27.02. 2009 г.

Исследован механизм возмущения концентрации электронов и ионов в D-области ионосферы, возникающего в результате протекания электрического тока в атмосферно-ионосферной электрической цепи. Возмущение тока в этой цепи существует над регионами усиления сейсмической, метеорологической и грозовой активности. В рамках модели рассмотрено влияние на формирование возмущения в D-слое переноса электронов и ионов под действием электрического поля и нагрев полем электронной компоненты плазмы. Результаты расчетов показывают, что при увеличении плотности тока до ~(10-9—10-8) А/м2 концентрация электронов и ионов может меняться на порядок величины, причем знак возмущения зависит от направления тока.

PACS: 94.20.de+94.20.wg

1. ВВЕДЕНИЕ

В ряде работ (см., например, [Б1а§1 й а1., 2004; ЯогЬпоу е! а1., 2005; ЯогЬпоу й а1., 2007; Hayakawa, 2007; ОокИЪе^ й a1., 1989; Гуфельд и др., 1992]) наблюдались вариации амплитуды и фазы очень низкочастотных (ОНЧ) радиоволн, трассы распространения которых проходили вблизи эпицентра готовящихся землетрясений. Передатчики и приемники этих волн, распространяющихся в волноводе Земля—ионосфера в спектральном интервале (20—50) кГц, располагались на поверхности Земли. Подобные аномалии характеристик радиоволн возникают перед землетрясениями с магнитудой М > 3 за 3—10 суток до землетрясения и продолжаются несколько дней после них. В качестве примера, на рис. 1 приведен график зависимости от времени амплитуды сигнала частоты 54 кГц, распространяющегося в волноводе на

трассе Сицилия — Бари (Италия), полученный в работе [Biagi е! a1., 2004]. Трасса распространения сигнала проходила вблизи зоны землетрясения с магнитудой 3.0—4.3, произошедшего в апреле 2002 г. в заливе Тарранто. Стрелкой отмечен момент землетрясения. Из графика следует, что явно выраженное уменьшение амплитуды сигнала продолжалось примерно неделю, а ее минимум приходится на момент землетрясения. Так как большая часть энергии волны при ее распространении в волноводе Земля-ионосфера отражается от Б-слоя на высотах 60—80 км, то наблюдаемые аномалии могут быть следствием возмущения электронной концентрации в этом слое. Другие данные, свидетельствующие о модификации Б-области ионосферы над эпицентрами готовящихся землетрясений, приводятся в работах [Hayaka-wa е! a1., 2005; ОШ е! a1., 2006; Мекокепко е! a1.,

Напряженность электрического поля, дБ

75 г 65 55 45 35

Март Апрель Май

Рис. 1. Временная зависимость относительной амплитуды ОНЧ-сигнала, полученная в работе [Biagi Р.Е е! э1., 2004]. Трасса распространения сигнала расположена в окрестности эпицентра землетрясения. Стрелкой отмечен момент землетрясения.

2006]. В этих работах обнаружены аномальные эффекты при наблюдении Шумановских резо-нансов вблизи сейсмоактивных районов. В основном аномалии характеризуются резким возрастанием амплитуды четвертого Шумановского резонанса и значительным сдвигом его частоты (~1Гц ). Так как параметры Шумановских резо-нансов определяются свойствами волновода Земля-ионосфера, то этот эффект интерпретировался как результат изменения степени ионизации в .О-слое и связанного с этим изменения высоты отражения и поглощения ОНЧ волн.

Существующие модели возмущения .О-слоя основаны на использовании уравнения фотохимического баланса концентраций заряженных и нейтральных частиц, составляющих плазму на этих высотах. Например, в работах [МаЛупепко й а1., 1996; ЯаророП е! а1., 2004; Ойтакку е! а1., 2003] рассмотрено возмущение электронной концентрации в ^-области ионосферы под действием электрического поля на основе процесса нагрева электронов и изменения зависящих от электронной температуры констант рекомбинации и прилипания. Связанный с этим сдвиг фотохимического баланса ведет к изменению частоты столкновения электронов, которое оказывает влияние на распространение радиоволн. Показано, что для объяснения наблюдаемого эффекта электрическое поле на высоте порядка 60 км должно достигать величины 1 В/м. Спутниковые данные, полученные над районами подготовки землетрясений и тайфунов, свидетельствуют о существовании в ионосфере квазистатических электрических полей амплитудой до десятков мВ/м [СИтугеу е! а1., 1989; Исаев и др., 2002а,б; Ьаеу е! а1., 2002; 8огокт е! а1., 2005а]. Расчеты, проведенные в рамках электродинамической модели атмосферно-ионосферных связей [8огокт е! а1., 2005Ь; 8огокт е! а1., 2007], показали, что поля такой амплитуды в ионосфере обеспечивают протекающие из атмосферы в ионосферу электрические токи величиной до 103—105 пА/м2. Источником этих токов является электродвижущая сила, формируемая в приземных слоях атмосферы в результате конвективного переноса заряженных аэрозолей в районе подготовки землетрясений и тайфунов [8огокт е! а1., 2001; Сорокин и Чмырев, 2002; Сорокин, 2007]. Электрическое поле протекающих токов приводит к переносу электронов, положительно и отрицательно заряженных ионов в .О-слое ионосферы. В верхней части слоя существуют свободные электроны, а в нижней его части — отрицательно заряженные ионы, которые возникают в результате быстрого прилипания электронов к нейтральным молекулам. При протекании электрического тока из-за переноса и смены типа носителей заряда возникает слой повышенной концентрации электронов. Ниже рассмотрена модель генерации возмущения .О-слоя

ионосферы в результате переноса зарядов при протекании электрического тока.

2. УРАВНЕНИЯ ПЕРЕНОСА ЧАСТИЦ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Рассмотрим 3-компонентную модель .О-слоя, состоящего из электронов с концентрацией Ме, положительно и отрицательно заряженных ионов одного вида с концентрациями Ы+, N_ соответственно. Концентрации заряженных частиц определяются из системы уравнений непрерывности (см., например, [МаЛупепко е! а1., 1996]). Рассматриваемые крупномасштабные катастрофические явления охватывают горизонтальные размеры на поверхности Земли масштабом в десятки — сотни километров и продолжаются в течение от десятка часов до десятка дней. Вертикальный масштаб возмущений определяется характерным масштабом изменения констант фотохимических реакций, который по порядку величины равен высоте однородной атмосферы. Характерное время релаксации можно оценить по формуле = 1/а^, где а — коэффициент рекомбинации, N — концентрация зарядов. Так как для рассматриваемых высот а ~ 10-6 см3/с, N~ (103—104) см-3, то характерное время ~ (102—103) с. Следовательно, в уравнениях непрерывности можно пренебречь производными по времени и горизонтальным координатам и считать все величины зависящими только от высоты над поверхностью Земли. В таком приближении система уравнений примет вид:

у (Ке¥е) = я - агМеМ+ - уаМе + , аг

а (М+ ¥+) = Я - агМеМ+ - аД+ К—, (1)

аг

а(К— V—) = уаМе - уаМ— - аД+ К—, аг

где г — высота над поверхностью Земли; Уе, У+, У— — вертикальные скорости электронов, положительно и отрицательно заряженных ионов соответственно; Я — скорость ионообразования; аг, а,- — коэффициенты электрон-ионной и ион-ионной рекомбинации; уа — частота прилипания электронов к молекулам 02 при тройных соударениях; — частота отлипания электронов от отрицательных ионов

О— . Уравнения (1) дополним условием квазинейтральности плазмы .О-слоя ионосферы

М+ = Ме + М—. (2)

Скорость дрейфа электронов и ионов под действием вертикального электрического поля Е определяется равенствами:

Ve = -ИеЕ, V+ = Е, V— = -и—Е, (3)

где ие, и± — подвижность электронов, положительно и отрицательно заряженных ионов.

Подвижность ие электронов и их частота столкновений Vеп определяются формулами, приведенными в работе [Ратклифф, 1975]:

Ие =

= Ие0 ( Т/ Те)1/2 = И

те ve

-1/2.

(4)

ve„ = 5.4 х 10-10МТУ2;

_ Те/Т,

где Те, Т — температуры электронов и нейтрального газа, те — масса электрона, N — концентрация нейтральных молекул, ие0 — подвижность электронов при условии Те = Т.

Плотность электрического тока определяется по формуле ] = У+ — NeVe — N-V—). Вычитая из второго уравнения системы (1) первое и третье, а также исключая скорости частиц с помощью равенств (3), получим уравнение непрерывности электрического тока:

/ _ д

I _ еош1,

(5)

I _ Ие[Ме/01/2 + е(М_ + М+)]Е.

N _

М+

М- _

У М+

У _ Vа/Vd.

(6)

1 + у 1 + у

Из равенств (5) и (6) получим:

I _ Ие0%М+Е; % = 0 1/2 + е( 1 + 2у). (7) 1 + у

Используя равенство (7), второе уравнение системы (1) преобразуем к виду:

е/I (1±1

_ я -

М+(аг + уд ) 1 + у

(8)

часть уравнения (8) обращается в нуль и, следовательно, влияние переноса зарядов на формирование возмущения исчезает. При этом концентрации заряженных частиц определяются из уравнений фотохимического баланса. В верхней части слоя Б в пределе у —► 0, ^ = 0 левая часть уравнения (8) не равна тождественно нулю. Это является следствием температурной зависимости подвижности электронов. Оценки показывают, что ее величина пренебрежимо мала. Следовательно, концентрации заряженных частиц в верхней части нижней ионосферы также определяются из уравнений фотохимического баланса. Таким образом, рассматриваемый механизм формирования возмущения Б-слоя ионосферы реализуется в диапазоне высот примерно от 40 до 70 км. Для того чтобы получить замкнутую систему, уравнение (8) следует дополнить зависимостью температуры электронов от электрического поля при их нагреве полем, которая приведена в работе [Гинзбург и Рухадзе, 1975]:

Те _ Т+

т„

еЕ

3 кв V т^е

(9)

В равенствах (5) обозначено / = Це; е = И±/Ие. Ниже полагаем одинаковыми подвижности положительных и отрицательных ионов И+ = И- = И. Оценки показывают, что в рассматриваемом диапазоне высот (40-90) км, в третьем уравнении системы (1) можно пренебречь левой частью и третьим слагаемым в правой части даже в предельно сильных электрических полях, близких к пробойным величинам

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.

Показать целиком