научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ НА ПРОНИКНОВЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ОТ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ В ИОНОСФЕРУ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ НА ПРОНИКНОВЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ОТ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ В ИОНОСФЕРУ»

ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 1, с. 134-141

УДК 551.594

ВЛИЯНИЕ ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ НА ПРОНИКНОВЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ОТ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ В ИОНОСФЕРУ

© 2014 г. Е. В. Помозов

Институт вычислительного моделирования СО РАН, г. Красноярск e-mail: pomozov_egor@mail.ru Поступила в редакцию 03.06.2009 г. После доработки 15.01.2013 г.

Квазистационарное электрическое поле в атмосфере Земли в используемой модели получается как решение уравнения электропроводности. Характеристики проникновения электрического поля от поверхности Земли в ионосферу зависят как от проводимости атмосферы, так и от проводимости ионосферы. Учет ионосферы выполнен с помощью специального условия на верхней границе атмосферы. Рассмотрено влияние приземного слоя пониженной атмосферной проводимости на проникновение электрического поля с поверхности Земли в ионосферу.

DOI: 10.7868/S0016794013060126

1. ВВЕДЕНИЕ

Возмущения вертикальной компоненты электрического поля перед землетрясениями наблюдались [Kondo, 1968] в зоне эпицентров у поверхности Земли. В дальнейшем было проведено множество работ по обработке и выявлению зависимостей между классом землетрясения, расстоянием до его эпицентра и изменением электрического поля (см., например, [Смирнов, 2005]).

Флуктуации электрического потенциала были измерены спутником на высоте 400 км [Kelley and Mozer, 1972]. Систематические исследования стали развиваться в 80-х гг. прошлого столетия [Гох-берг и др., 1983]. Отклик атмосферы и ионосферы на интенсивные землетрясения был рассмотрен в работе [Parrot, 1995]. Объяснения наблюдаемых перед землетрясениями явлений связывали с возникновением в литосфере сильного электромагнитного генератора [Molchanov and Hayakawa, 2008]. Большая часть предложенных механизмов предполагает в качестве главного агента, изменяющего проводимость приземной атмосферы и, следовательно, электрическое поле, радон [Rapo-port et al., 2006; Sorokin et al., 2005]. Содержание радона в земной коре и его поступление в атмосферу тесно связано с состоянием деформационных процессов в поверхностных слоях Земли в период подготовки землетрясения. Другая модель [Моргунов и Мальцев, 2003] рассматривает образование поляризационных зарядов на стенках трещин в горных породах, порождающих квазистатическое поле в атмосфере в дополнение к фоновой величине. В работе [Алексеев и Аксенов, 2003] показано, что модуль вертикальной компоненты электрического поля зависит от разности электрических проводимостей воздуха и земли.

Последняя, в свою очередь, определяется проводимостью флюидов, заполняющих поры и трещины в горных породах. В работе [Freund et al., 2009] рассматривается возникновение токов в матрице минералов магматических и метаморфных пород под действием высокого давления, возникающего перед землетрясением. Приведенные примеры механизмов образования аномалий отражают сложность быстропротекающих тектонических процессов в земной коре непосредственно перед землетрясением, но не дают окончательного ответа на вопрос о природе этих аномалий.

В статье рассмотрен только один тип предвестников землетрясений — возмущение электрического поля у поверхности Земли. Амплитуда таких возмущений может достигать 1 кВ/м перед сильными землетрясениями [Kondo, 1968; Ver-shinyn et al., 1999]. Мониторинг был бы значительно проще, если бы этот предвестник можно было обнаруживать с помощью спутниковых измерений ионосферного электрического поля. В этой связи необходимо знать, как электрические поля от литосферных источников проникают на большие высоты. Проводимость атмосферы считается ключевым параметром в электрических процессах, которые происходят между Землей и ионосферой. Теоретические исследования были начаты в работах Park and Dejnakarintra, [1973]. Их подход был в основном использован для изучения проникновения грозовых электрических полей в ионосферу и магнитосферу. Проникновение электрического поля от сейсмического источника в ионосферу в рамках аналогичных моделей исследовано в работах [Гохберг и др., 1984; Ким и др., 1994; Pulinets et al., 1998], в которых показано, что электрическое поле может эффективно прони-

кать в ионосферу и оказывать влияние на ионосферную плазму перед и во время сейсмической активности.

Проникновение поля ночью более эффективно, и напряженность поля сильно зависит от размера источника, который может быть областью готовящегося землетрясения [Добровольский и др., 1980]. Pulinets et al. [2003] показали, что электрическое поле эффективно проникает в ионосферу, когда размеры исходной области ~ 100 км.

В работе [Denisenko et al., 2008] в рамках такой же, как и в работе [Pulinets et al., 2003], модели атмосферы со скалярной проводимостью, экспоненциально растущей с высотой, получена существенно меньшая оценка эффективности проникновения электрического поля от поверхности Земли в ионосферу. Принципиальным отличием этой модели является учет высокой ионосферной проводимости, тогда как в более ранних моделях (см., например, работу [Pulinets et al., 1998]) на верхней границе атмосферы было поставлено граничное условие, исключающее ионосферный проводник.

В настоящей работе рассмотрено более соответствующее экспериментальным данным высотное распределение проводимости с целью оценки влияния околоземного слоя с пониженной проводимостью на проникновение электрического поля в ионосферу.

2. ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ

Так как мы интересуемся стационарными процессами, основные уравнения для атмосферного электрического поля — это закон Фарадея, закон сохранения заряда и закон Ома:

V х E = 0, (1)

VJ = 0, (2)

j = aE (3)

где E — напряженность электрического поля; j — плотность тока; а — проводимость.

В атмосфере ниже 80 км тензор проводимости изотропен, поэтому а — скаляр. Значения атмосферной проводимости около земной поверхности лежат в пределах от 10-4 до 10-13 См/м [Molch-anov and Hayakawa, 1994].

Стационарная модель применима, если характерное время рассматриваемого процесса намного больше времени релаксации заряда т = е0/а. Поскольку проводимость минимальна в приземном слое атмосферы, и а > 10-14 См/м, можно рассматривать процессы, длящиеся намного более четверти часа.

Уравнение (1) позволяет ввести электрический потенциал Ф, такой что

E = ^Ф. (4)

Z Z"p 80 Z Ионосфера

60 -

40 -

20 -

z = z x = —''max i x = i —a i / x = amaXs l ">x i= a l

-300 -20<K-100 ,0 V 100 200 300 x

Земля

Рис. 1. Двухслойная модель атмосферы. Пунктирной кривой показано распределение вертикального электрического поля на поверхности Земли.

Тогда система уравнений (1—3) сводится к уравнению

-У(стУФ) = 0, (5)

или к уравнению Лапласа, если проводимость а однородна.

3. ДВУХСЛОЙНАЯ МОДЕЛЬ АТМОСФЕРЫ

Геометрия модели показана на рис. 1. Мы рассматриваем двумерную модель, которая приближенно справедлива для областей разлома, вытянутых в одном направлении. Поэтому полагаем все величины независимыми от координаты у декартовых координат. Такой подход представлен в ранних работах, например, [РиИпе18 е! а1., 1998]. Так как тектонический разлом очень протяжен и может достигать нескольких сотен километров в длину, можно также предположить протяженность распределения электрического поля на поверхности Земли. Ось г направим вверх, от Земли к ионосфере. В отличие от работы [Веш8епко е! а1., 2008], где на Земле в области разлома предполагалось возмущение электрического поля, которое компенсировалось токами из бесконечности, в данной работе мы предполагаем наличие под поверхностью Земли локального генератора. В этом случае на поверхности Земли должны быть области с разным знаком вертикальной компоненты электрического поля. Мы полагаем, что распределения Ег в них отличаются только знаком. Начало координат помещаем в эпицентре, в точке между этими двумя областями возмущенного электрического поля, где это поле равно нулю. Распределение электрического поля в такой

80 70 60 50 40 30 20 10 0

ст, см/м

10-14 10-13 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8

10-4 10-3 10-2 10-1 1 101 102

Е, В/м

Рис. 2. Высотные распределения проводимости (тонкая сплошная линия) и вертикальной компоненты электрического поля Е^—атах, £) (жирная сплошная линия). Пунктиром показаны распределения поля и проводимости для более простой модели проводимости, использованной в работе [Веш8епко е! а1., 2008].

модели зависит только от координаты х, перпендикулярной к тектоническому разлому, а вдоль разлома поле сохраняется неизменным. В такой модели уравнение (5) имеет вид

дх

ад Ф(х, z)

. дх

д_

dz

а д Ф( х, z)

. dz

лучены значения ст0 = 9 х 10-12 См/м, = 0.69 км и Н2 = 7.7 км для околоземной и основной части атмосферы. Такая детальная аппроксимация функциями (7) и (8) может быть использована для представления более реального распределения проводимости, чем было использовано в модели [Эетзепко е! а1., 2008]. График такой высотной зависимости ст(г) приведен на рис. 2. Для сравнения на этом же рисунке пунктиром показано распределение проводимости, использованное в работе [Эетзепко е! а1., 2008].

Аналогичные экспериментальные данные об атмосферной проводимости приведены в справочнике [Спр. по геофизике, 1965].

Поскольку в нашей модели атмосфера разделена на два горизонтальных слоя: околоземный ниже Zf и основной — между высотой Zf и высотой Zup, уравнение (6) принимает вид:

_ JL

дх

д_

дх

01(z)д_Ф1(х, z)

дх

02(zФ2(х, z)

дх

_ д_ dz

д_

dz

01( z )д_ Ф1( х, z)

dz

а 2 (z )д_ Ф2 (х, z)

dz

= 0,

= 0(9)

= 0. (6)

где Ф = Ф1 при 0 < z < Zf и Ф = Ф2 при zf < z < Zup.

Для решения системы дифференциальных уравнений (9) нам необходимы граничные условия на верхней и нижней границах, а также условие сшивки на внутренней границе z = Zf.

3.1. Проводимость

Из уравнения (5) видно, что пространственное распределение проводимости а является важной входной информацией для наших исследований. Согласно подходу, предложенному в работе [Mol-chanov and Hayakawa, 2008], атмосферу можно разделить на две области, в каждой из которых проводимость растет экспоненциально с высотой: 0 < z < zf и zf < z < zup, где zf = 3 км - граница между этими областями, а zup = 80 км —

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