ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2007, том 26, № 4, с. 45-80
ХИМИЯ ^^^^^^^^^^^^^^^^ АТМОСФЕРЫ
УДК 550.388
ПЛАЗМЕННЫЕ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИОНОСФЕРЕ, СВЯЗАННЫЕ С ДИНАМИКОЙ ЗАРЯЖЕННЫХ АЭРОЗОЛЕЙ
В НИЖНЕЙ АТМОСФЕРЕ
© 2007 г. В. М. Сорокин
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской академии наук, Троицк, Московская обл.
Поступила в редакцию 08.06.2006
Представлена физическая модель электродинамического воздействия на ионосферу естественных и искусственных процессов, протекающих в приземных слоях атмосферы, которые сопровождаются переносом в ней заряженных аэрозолей. К таким процессам можно отнести подготовку землетрясений и тайфунов, пыльные бури и аварии на атомных станциях. Экспериментальной основой модели служат спутниковые и наземные данные регистрации плазменных и электромагнитных возмущений, результаты измерений инжекции почвенных газов в атмосферу и уровня ее радиоактивности. Воздействие на ионосферу осуществляется электрическим током проводимости, протекающим в атмосферно-ионосферной цепи. Его источником служит сторонний ток, формируемый в результате вертикального турбулентного переноса заряженных аэрозолей, их взаимодействия с атмосферными ионами в процессе инжекции радиоактивных веществ и модификации атмосферной проводимости. Изменение электрического поля в ионосфере сопровождается развитием в ней плазменных и электромагнитных явлений. Представленная модель связывает ионосферные и электромагнитные возмущения с динамикой заряженных аэрозолей в нижней атмосфере.
ВВЕДЕНИЕ
Многочисленные наблюдения аномальных плазменных и электромагнитных явлений в ионосфере над районами сейсмической и метеорологической активности [1-15] свидетельствуют о том, что интенсивные процессы в этих районах воздействуют на состояние околоземной плазмы в течение времени от нескольких часов до десятков суток. 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 [16-21]. Можно предположить, что ионосферные эффекты возникают в результате одновременного действия различных факторов, таких как акустические волны, электрические поля, электромагнитные излучения, химически активные вещества и т.п. Существенную роль в формировании этих факторов играют аэрозоли нижней атмосферы, которые влияют на ее проводимость и образуют сторонние электрические токи. Сейсмическая активность сопровождается выбросом почвенных аэрозолей в атмосферу. Метеорологические процессы связаны с динамикой существующих в атмосфере аэрозолей.
Анализ спутниковых данных показал наличие электромагнитных возмущений в широком спектральном интервале, локализованных в магнит-
ной силовой трубке, сопряженной с очагом готовящегося землетрясения. Приводятся данные регистрации всплесков электромагнитного излучения в крайне и очень низкочастотном (КНЧ/ОНЧ) диапазонах частот [4-6, 11, 22] и в ультранизкочастотном (УНЧ) диапазоне частот [3, 23], полученные в ионосфере. Кроме того, приведены результаты одновременной регистрации на спутнике и в сейсмоактивной зоне электромагнитных излучений в том же диапазоне частот [24], которые показывают их связь с ростом сейсмической активности. Достоверность результатов регистрации электромагнитных излучений в ионосфере подтверждена статистическими исследованиями на основе больших объемов спутниковых данных для десятков и сотен землетрясений [13, 25]. Обнаружено уменьшение амплитуды геомагнитных пульсаций магнитосферных источников в УНЧ-диапазоне, регистрируемых на поверхности Земли, за несколько дней до землетрясения [26]. Обнаружены также возмущения стационарного электрического поля в ионосфере и на поверхности Земли, которые связаны с сейсмической активностью [3, 16, 27-31], и флуктуации плотности электронов до 10% с периодами в 1 Гц в ионосфере над районом подготовки землетрясения [14]. Наличие возмущений плотности электронов в ионосфере над сейсмическими регионами подтверждено на основе большого объема спутниковых данных [32]. Зарегистрированы изменения ионного состава, температуры плазмы в верхней
ионосфере и возмущения высотного профиля Е-области ионосферы [33, 34]. Анализ спутниковых снимков земной поверхности в инфракрасном (ИК) диапазоне показал наличие стабильной и нестабильной компонент аномального потока ИК-излучения над активными разломами, соответствующего увеличению температуры приземного слоя на несколько градусов [35-38]. Кроме того, рост сейсмической активности вызывает аномальные свечения атмосферы, соответствующие линиям 557.7 и 630 нм [39]. Непосредственно перед землетрясениями в атмосфере сейсмоактивного района наблюдаются оптические явления в форме вспышек молний и свечений [40]. Одновременно с электромагнитными и плазменными явлениями в ионосфере, у поверхности Земли наблюдается возрастание на порядки величин концентрации некоторых газов (например, Н2, С02, СН4), увеличение уровня атмосферной радиоактивности (связанной с такими радиоактивными элементами, как радон, радий, уран, торий, актиний, и продуктами их распада) и усиление инжекции почвенных аэрозолей [41-45]. Влияние динамических процессов в нижней атмосфере на ионосферу подтверждено спутниковыми наблюдениями возмущения электрического поля и флуктуации плотности плазмы над районами развития тайфунов [46, 47].
Совокупный анализ результатов наблюдения позволяет сделать вывод о том, что сейсмическая и метеорологическая активность стимулирует развитие интенсивных процессов в нижней атмосфере. На нижнюю атмосферу одновременно воздействуют колебания земной поверхности, химически активные и радиоактивные вещества, электрически заряженные аэрозоли. Происходят нагрев нижней атмосферы, резкое изменение ее электрофизических параметров, генерация акустических волн и формирование сторонних электрических токов. Акустическое воздействие на ионосферу осуществляется в результате распространения вверх инфразвуковых волн [48]. Процессы в нижней атмосфере (колебания Земли, нагрев атмосферы и инжекция газов) приводят к генерации и распространению вверх внутренних гравитационных волн и возмущению ими ионосферы [49]. В работах [50, 51] рассмотрены формирование литосферными источниками УНЧ-излучения на поверхности Земли и возможность его проникновения в ионосферу [52]. Многочисленные исследования природы атмосферно-ионосферного взаимодействия направлены на поиск его механизмов. Например, в работах [52-54] рассматривались физические процессы формирования токов в литосфере и распространение их излучения в ионосферу. В других работах [55-57] обсуждалось акустическое воздействие, приводящее к ионосферным возмущениям и генерации геомагнитных пульсаций. Одна из актуальных задач исследований ат-мосферно-ионосферных связей - поиск цепочки
процессов, связанных с воздействующим фактором, и выделение совокупности наблюдаемых эффектов единой природы. Такой подход реализован при построении электродинамической модели воздействия на ионосферу. Электрическое поле у поверхности Земли претерпевает значительные изменения за дни и недели до землетрясения. В работе [28] обсуждалась возможность предсказания землетрясений на основе регистрации роста проводимости и уменьшения электрического поля в атмосфере у поверхности Земли, вызванных увеличением концентрации радона. Проведены оценки величин на основе простой модели изменения сопротивления столба атмосферы. Некоторые возможные механизмы усиления атмосферного электрического поля перед землетрясением обсуждались в работе [58]. В работе [59] отмечена связь модификации ионосферы с усилением инжекции радона и металлических аэрозолей в области очага землетрясения. Механизмы проникновения электрического поля в ионосферу и возмущение ее электрофизических параметров анализировались в работах [60-62].
Электродинамическая модель основана на предположении, что воздействие на ионосферу осуществляется в результате изменения электрического тока в замкнутой атмосферно-ионосфер-ной цепи. Электрический ток, протекающий из ионосферы к поверхности Земли, является участком замкнутой цепи с электродвижущей силой, расположенной в районах с грозовой активностью [63]. Ток в замкнутой цепи изменяется как в результате появления дополнительного стороннего тока, так и при изменении сопротивления нагрузки. Сторонние токи и основное сопротивление нагрузки (~80%) сосредоточены в приземном слое атмосферы высотой в единицы километров. Именно в этом слое протекают наиболее интенсивные гидродинамические, термодинамические, химические и другие процессы, которые изменяют электрофизические параметры атмосферы и приводят к формированию стороннего электрического тока. Поэтому величина тока в замкнутой цепи наиболее чувствительна к изменению характеристик нижней атмосферы [64-68]. Таким образом, при изменении тока осуществляется электродинамическая связь приземной атмосферы и ионосферы. В последней при этом стимулируются плазменные и электромагнитные процессы, наблюдаемые на спутниках [14, 68-72]. Локальные возмущения у поверхности Земли не изменят существенно величину тока в ионосфере. Значительные изменения возникают в том случае, когда происходит одновременное изменение уровня проводимости нижней атмосферы или образование вертикальных сторонних токов в областях с горизонтальным масштабом, сравнимым с высотой нижней границы ионосферы. Характерный период такого изменения должен быть по-
рядка или более времени установления этого уровня атмосферными процессами на таком горизонтальном масштабе.
Электродинамическое воздействие сейсмических и метеорологических процессов на ионосферу осуществляется в результате изменения величины электрического тока в глобальной атмо-сферно-ионосферной электрической цепи [47, 66, 73-75]. Его источником служит сторонний электрический ток, который формируется в результате конвективного переноса вверх заряженных аэрозолей в нижней атмосфере. В районах активизации тайфунов происходит перенос атмосферных водных и соляных а
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.