УДК 550.388.2
ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССОВ В АТМОСФЕРЕ И ИОНОСФЕРЕ НАКАНУНЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ
© 2015 г. В. М. Сорокин, Ю. Я. Ружин
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 03.03.2015 г.
Процессы генерации электрического поля и сопровождающие явления в системе атмосфера-ионосфера активно исследуются в последнее время. В статье рассмотрены результаты таких исследований, послуживших физической основой модели литосферно-ионосферных связей. Согласно нашей модели интенсивные процессы в нижней атмосфере и литосфере оказывают электродинамическое воздействие на ионосферную плазму. В рамках модели проведены теоретические исследования плазменных и электромагнитных эффектов, сопровождающих генерацию тока проводимости в глобальной цепи. Показано, что электродинамическая модель воздействия сейсмических и метеорологических процессов на космическую плазму может служить физической основой спутниковой системы мониторинга предвестников землетрясений и катастрофической фазы развития тайфунов. Она позволяет связать между собой спутниковые данные электромагнитных и плазменных измерений с электрофизическими и метеорологическими характеристиками нижней атмосферы на стадии подготовки землетрясения и зарождения тайфуна. Модель сводит многочисленные эффекты в космической плазме к одной причине: изменению тока проводимости, протекающего в атмосферно-ионосферной цепи.
DOI: 10.7868/S001679401505017X
1. ВВЕДЕНИЕ
Результаты экспериментальных исследований, проведенных на спутниках, свидетельствуют о существовании связи между процессами в литосфере Земли и электромагнитными и плазменными возмущениями в ионосфере. Результаты наблюдений обсуждались в ряде обзоров [Гохберг и др., 1988; Липеровский и др., 1992; Molchanov, 1993; Ruzhin and Depueva, 1996; Бучаченко и др., 1996; Varotsos, 2001; Seismo electromagnetics, 2002]. Для понимания природы многочисленных ионосферных и электромагнитных предвестников землетрясений необходимо изучение физических процессов и построение модели воздействия сейсмических процессов на ионосферную плазму.
В настоящее время считается, что это воздействие осуществляется, в основном, внутренними гравитационными волнами (ВГВ) и электрическим полем. Результаты наблюдений пытаются интерпретировать эффектами распространения ВГВ или появления электрического поля. В работе [Гохберг и Шалимов, 2000] анализируются существующие экспериментальные данные, полученные на заключительной стадии подготовки землетрясений. Авторы полагают, что возникновение ионосферных неоднородностей за несколько дней перед сильными землетрясениями обусловлено распространением через ионосферу
ВГВ. Их источником могут служить длинноволновые колебания Земли, локальный парниковый эффект и нестационарный приток массы лито-сферных газов. В работе [Мо1сИапоу et а1., 2004] представлена концепция механизмов явлений в атмосфере и ионосфере. Авторы полагают, что миграция пузырей глубинного текучего вещества может вытеснять горячую воду и газ вверх к поверхности грунта и быть причиной землетрясений в области их подготовки. Моменты времени появления пузырей и их координаты имеют случайные значения, поэтому сами землетрясения, их геохимические аномалии и форшоки являются случайными событиями. Возмущения температуры и плотности атмосферы возникают в результате подъема горячей воды и газа накануне землетрясения. Это приводит к генерации атмосферных гравитационных волн в интервале периодов 6—60 мин.
При интерпретации результатов наблюдения предвестников землетрясений на основе модели распространения ВГВ возникает ряд трудностей. Эти волны распространяются под углом к поверхности Земли. Чем больше период, тем меньше этот угол. Высот ионосферы ВГВ достигают на расстоянии ~1000 км от эпицентра. Однако существуют плазменные и электромагнитные возмущения, локализованные в окрестности эпицентра. Определенные трудности возникают при
5
641
объяснении эффектом распространения ВГВ таких явлений как возникновениие квазистатического электрического поля в ионосфере, мелкомасштабных плазменных неоднородностей и продольных токов над эпицентром землетрясения, источников УКВ-радиоизлучения в тропосфере и др. Существующая теория ВГВ не объясняет колебания нижней ионосферы с периодами 10—12 и 20—25 мин, обнаруженные Яо2кпо1 й а1. [2005] с помощью анализа спектра регистрируемого возмущения амплитуды и фазы сигнала передатчика с частотой 40 кГц.
Альтернативным воздействующим на ионосферу фактором является электрическое поле. Процессы его генерации и сопровождающие его явления в системе атмосфера—ионосфера активно исследуются в последнее время. Цель работы — рассмотреть результаты таких исследований, служащих физической основой модели лито-сферно-ионосферных связей.
2. КВАЗИСТАТИЧЕСКОЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В СИСТЕМЕ АТМОСФЕРА-ИОНОСФЕРА
Впервые квазистатические электрические поля амплитудой ~10 мВ/м, связанные с подготовкой землетрясения, были обнаружены Сктугеу й а1. [1989]. В этой работе на основе анализа записей вертикальной компоненты электрического поля Е1, показано, что за 15 мин до землетрясения в возмущенной магнитной трубке рост электрического поля составил ~(7-8) мВ/м. Подробные исследования квазистатических полей на основе прямых спутниковых измерений над сейсмическими районами земного шара проведены в работах ^ошЬеуа е! а1., 2006, 2008, 2009]. Анализировались сотни сейсмических событий с целью выделения связанного с ними аномального усиления электрического поля в ионосфере. В этих работах рассмотрены сейсмические источники различной мощности, в различных тектонических структурах на различных широтах. Отбирались орбиты с расстоянием меньше 25° до эпицентра на пересекающие терминатор, а также периоды с индексом магнитной активности меньше 5. Статистический анализ спутниковых данных позволил авторам сделать вывод о существовании квазистатического электрического поля в ионосфере сейсмической природы. Длительность возмущения электрического поля в ионосфере с амплитудой ~10 мВ/м может составлять до 15 дней. Величина возмущения электрического поля для случаев наблюдения в ночные и дневные часы в ионосфере была одного порядка. Возмущения электрического поля в ионосфере над районами развития тайфунов обнаружены в работах [Гзаеу е! а1., 2002; 8огок1п е! а1., 2005а]. Таким образом, спутниковые данные позволяют заключить, что крупно-
масштабные сейсмические и метеорологические события сопровождаются формированием возмущения квазистатического электрического поля в ионосфере амплитудой ~10 мВ/м и длительностью от десятков часов до десятков дней.
С данными прямых наблюдений квазистатического электрического поля в ионосфере согласуются результаты численного моделирования ионосферного возмущения, возникающего накануне землетрясения. Анализируется пространственное распределение полного электронного содержания (ПЭС), полученного с помощью GPS-приемников в сейсмической области. К фоновому электрическому полю добавляется такое модельное возмущение электрического поля, которое приводит к возмущению ПЭС, совпадающему с наблюдаемым возмущением в районе подготовки землетрясения [Zolotov et al., 2008; Kli-menko et al., 2011; Namgaladze et al., 2009]. В работах предполагается, что возможной причиной возмущения ПЭС является вертикальный дрейф плазмы под действием зонального электрического поля. Численное моделирование показало, что его амплитуда составляет (3—9) мВ/м.
Наряду с вышеупомянутыми исследованиями, проводились наблюдения за поведением электрического поля на поверхности Земли в сейсмических районах [Nikiforova and Michnovski, 1995; Vershinin et al., 1999; Hao, 1988; Hao et al., 2000; Rulenko, 2000]. Анализ работ показал, что во время подготовки землетрясения возникают короткие, с длительностью единицы — десятки минут, локальные всплески электрического поля большой амплитуды до нескольких кВ/м. Однако, отсутствуют явные возмущения электрического поля, превышающие фоновые значения, с длительностью в несколько дней и наблюдаемые одновременно на горизонтальных расстояниях в десятки и сотни километров.
Косвенным подтверждением возникновения электрического поля в атмосфере служат результаты наблюдения распространения УКВ-радиоизлучения от источников, расположенных в тропосфере над районом подготовки землетрясений [Vallianatos and Nomicos, 1998; Ruzhin et al., 2000; Ruzhin and Nomicos, 2007]. Эпицентры землетрясений располагались за горизонтом. Длительные наблюдения показали, что источники излучения находились на высотах от 1 до 10 км. Этими источниками служат электрические разряды, которые возникают в результате формирования пробойного электрического поля на этих высотах в течение нескольких дней до землетрясения. Следовательно, прямые и косвенные данные наблюдения квазистатического электрического поля позволяют сформулировать его свойства.
1. Сейсмическая активность приводит к росту квазистатического электрического поля в ионосфере величиной ~10 мВ/м.
2. Поле локализовано в ионосфере над районом эпицентра и сопряженной областью с характерным горизонтальным масштабом 100-1000 км.
3. Длительность усиления поля в ионосфере перед землетрясением достигает 10-15 дней.
4. Квазистатические электрические поля с аналогичными характеристиками наблюдаются над районами тайфунов.
5. Величина вертикальной компоненты электрического поля с теми же пространственными и временными масштабами на поверхности Земли в сейсмическом районе не превышает фоновых значений ~100 В/м.
6. Величина поля в дневной и ночной ионосфере одного порядка.
Следует отметить то обстоятельство, что амплитуда поля достигает 10 мВ/м в ионосфере, пробойных значений в тропосфере и, в то же самое время, не превышает его фоновых значений на поверхности Земли. Любая модель формирования квазистатического электрического поля, связанного с сейсмической активностью, должна соответствовать перечисленным выше его свойствам.
3. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОНИКНОВЕНИЯ КВАЗИСТАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В
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.