Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблема обнаружения и выявления свойств ионосферных предвестников землетрясений (обзор) 12
1.1. Волновые и плазменные эффекты 13
1.2. Ионосферные предвестники землетрясений в вариациях полного электронного содержания 25
1.3. Физические механизмы формирования предвестников землетрясений в полном электронном содержании ионосферы 29
1.4. Заключение к Главе 1 33
Глава 2. Поиски предвестников землетрясений в вариациях полного электронного содержания ионосферы 35
2.1. Получение невозмущённой фоновой вариации 35
2.2. Вариации ПЭС ионосферы перед землетрясением 8 января 2006 г., Mw6.8, Китира, Южная Греция 40
2.3. Вариации ПЭС ионосферы перед землетрясением 25 сентября 2005 г., Mw7.5, Перу 42
2.4. Вариации ПЭС ионосферы перед землетрясением 12 января 2010 г., Mw7.0, Гаити 45
2.5. Вариации ПЭС ионосферы перед землетрясениями 1 января 2011 г., Mw7.0, Аргентина и 2 января 2011 г., Mw7.1, Чили 49
2.6. Вариации ПЭС ионосферы перед землетрясением 11 марта 2011 г., Mw9.0, Япония 53
2.7. Вариации ПЭС ионосферы перед землетрясением 23 октября 2011 г., Mw7.1, Турция 57
2.8. Вариации ПЭС ионосферы перед землетрясением 15 января 2009 г., Mw7.4, Курильские острова 61
2.9. Вариации ПЭС ионосферы перед землетрясением 13 ноября 2006 г., Mw6.8, Аргентина 64
2.10. Вариации ПЭС ионосферы перед землетрясением 26 февраля 2005 г., Mw6.8, Индонезия 67
2.11 Исследование зависимости вычисленных относительных возмущений ПЭС ионосферы от ширины окна сглаживания 69
2.12. Заключение к Главе 2 з
Глава 3. Численное моделирование вариаций полного электронного содержания ионосферы, создаваемых сейсмогенными источниками (процессами подготовки землетрясений) 79
3.1 Физический механизм формирования предвестников землетрясений в полном электронном содержании ионосферы 79
3.2 Появление сейсмогенного электрического поля в ионосфере 81
3.3 Модель верхней атмосферы Земли UAM (Upper Atmosphere Model) 85
3.4 Моделирование возмущений ПЭС ионосферы методом возмущений электрического потенциала 90
3.4.1 «Синтетический» модельный случай 90
3.4.2 Моделирование вариаций ПЭС перед конкретными землетрясениями методом возмущений электрического потенциала 96
3.4.2.1 Землетрясение 8 января 2006 г., Китира (Южная Греция) 97
3.4.2.2 Землетрясение 26 сентября 2005 г., Перу 101
3.4.2.3 Заключение к п. 3.4 Главы 3 103
3.5 Моделирование сейсмогенных возмущений ПЭС ионосферы путём задания вертикальных электрических токов ,
текущих между Землёй и ионосферой над разломами 108
3.5.1 Моделирование сейсмогенных возмущений ПЭС ионосферы путём задания вертикальных электрических токов перед Mw7.0 землетрясением 12 января 2010 г., Гаити 113
3.5.2 Заключение к п. 3.5 Главы 3 118
3.6 Заключение к Главе 3 119
Заключение 123
Список литературы
- Ионосферные предвестники землетрясений в вариациях полного электронного содержания
- Вариации ПЭС ионосферы перед землетрясением 8 января 2006 г., Mw6.8, Китира, Южная Греция
- Появление сейсмогенного электрического поля в ионосфере
- Моделирование сейсмогенных возмущений ПЭС ионосферы путём задания вертикальных электрических токов
Ионосферные предвестники землетрясений в вариациях полного электронного содержания
В качестве возможных путей передачи сейсмогенных возмущений через нижележащую атмосферу в ионосферу исследователями обычно рассматриваются 1) электромагнитный и 2) атмосферно-волновой каналы, включая АГВ (акустико-гравитационные волны) и ВГВ (внутренние гравитационные волны). Обзоры существующих гипотез о механизмах осуществления связи системы «литосфера-атмосфера-ионосфера» представлены, например, в работах [Pulinets and Boyarchuk, 2004 и библиография в ней; Hayakawa and Molchanov, 2002; Hayakawa et al., 2004; Hayakawa and Hobara, 2010; Liperovsky et al., 2008; Ondoh, 2009; Uyeda et al., 2009; Sorokin and Hayakawa, 2013; Pulinets and Davidenko, 2014].
Полное электронное содержание (ПЭС) ионосферы определяется главным образом NmF2 - электронной концентрацией в максимуме ,Р2-области ионосферы, где доминирует ион О . Механизмы изменения электронной концентрации в ,Р2-области ионосферы подробно рассмотрены, например, в монографии [Брюнелли и Намгаладзе, 1988]. Главными определяющими факторами в ,Р2-области являются скорость рождений ионосферной плазмы (главным ионизуемым компонентом ,Р2-области является атомарный кислород О), а также скорость потерь ионосферной плазмы в ионно-молекулярных реакциях с нейтральным газом (главным образом N2 и Oi). Т.о., электронная концентрация определяется отношением концентраций между О и N2 ( n(02)/n(N2)), и О и О2 ( п(0)/п(02)). Изменить концентрации нейтральной компоненты, участвующей в ионно-молекулярных реакциях, (а следовательно, и скорости потерь) можно двумя способами: 1) переносом ионосферной плазмы вверх (вниз) в области меньших (больших) концентраций ( и N2 и, соответственно, меньших (больших) скоростей потерь; 2) приходом областей нейтральной атмосферы, богатых (бедных) содержанием ( и N2. Поскольку плазма ,Р2-области замагничена, вертикальный перенос может осуществляться двумя способами: а) за счёт увлечения плазмы нейтральным меридиональным ветром вдоль силовых линий магнитного поля; Ь) за счёт вертикального [ііхБ]-дрейфа ионосферной плазмы под действием зональной компоненты электрического поля Е в скрещенных электрическом (Е) и магнитном (В) полях.
Механизм (а) осуществляет как вертикальный перенос плазмы, так и изменение нейтрального состава, что может приводить к формированию областей как пониженных, так и повышенных значений электронной концентрации (в зависимости от доминирующего процесса). Приход богатого молекулами ( и N2 воздуха осуществляется из областей разогрева, например, от высокоширотного источника, как это имеет место в случае магнитной бури. При этом наблюдаются два эффекта: рост электронной концентрации вследствие подъёма плазмы (путём её увлечения вдоль магнитосиловой трубки) и её уничтожение из-за прихода областей с повышенным содержанием ( и N2. Это подтверждается существованием как положительных, так и отрицательных магнитных бурь, хотя в основном доминируют отрицательные эффекты.
Внутренние гравитационные волны (ВГВ) характеризуются попеременным подъёмом и опусканием (вследствие попеременного разряжения и сжатия) «эталонной единицы объёма» воздуха и распространением от источника со скоростями порядка 700 км/ч. Обнаруженные в ПЭС эффекты (которые будут более подробно обсуждаться в Главах 2 и 3), такие как отсутствие перемещений ПЭС-аномалий, отсутствие волновой структуры, наличие магнитной сопряжённости эффектов, а также представленных в работе [Золотов и др., 2011] эффектов ночного доминирования возмущений ПЭС и от изменения проводимости заставляют нас отказаться от атмосферно-волнового канала.
Т.о., в настоящей диссертационной работе в качестве основного рассматривается электромагнитный механизм осуществления связи системы «литосфера-ионосфера», а в качестве главного физического механизма формирования ионосферных областей аномально повышенных (пониженных) значений ПЭС рассматривается вертикальный [Е х В] - дрейф ионосферной плазмы ,Р2-области в скрещенных магнитном В и электрическом Е полях (под действием зональной компоненты электрического ПОЛЯ Е сейсмического происхождения). Для низких широт имеет место модификация аномалии Эпплтона (двух «горбов» относительно геомагнитного экватора и «провала» над ним в широтной вариации электронной концентрации) как единой системы. Более подробно этот механизм представлен в Главе 3 настоящей диссертации.
Ким и соавт. [Ким и др., 1993; Hegai et al., 1997; Kim et al., 2002] исследовали ионосферные эффекты такого поля, преимущественно на одномерных моделях, главным образом, применительно к нижней ионосфере. В работах [Намгаладзе и др., 2009; Zolotov et al., 2008а; Золотов и др., 2012] было показано, что для формирования ПЭС-аномалий, аналогичных наблюдавшимся, требуется появление на ионосферных высотах зонального электрического поля порядка нескольких мВ/м. Впоследствии аналогичные результаты были получены Liu et al. [2011] для конкретного землетрясения 12 января 2010 г. и с применением другой модели ионосферы - ТГМЕ IGGCAS (Theoretical Ionospheric Model of the Earth in Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences). Для существования такого зонального поля на ионосферных высотах необходимо обеспечить разделение положительных и отрицательных зарядов и их накопление на западной и восточной границах проекции околоэпицентральной области, соответственно. Сорокин и соавт. [Sorokin and Chmyrev, 1999; Sorokin et al., 2005a, 2005b, 2006a, 2006b, 2007a, 2007b; Sorokin and Hayakawa, 2013] получили оценки вертикального электрического тока, текущего между Землёй и ионосферой, необходимого для создания указанных возмущений электрического поля, но не рассчитывали ионосферные эффекты такого поля. В работе [Kuo et al., 2011] с использованием модели SAMI3 (Sami3 is Also a Model of the Ionosphere) проведены численные эксперименты по исследованию воздействия приземного вертикального электрического тока на ионосферу, получены оценки таких приземных токов и показано формирование плазменных неоднородностей. Но в этой работе моделировалось воздействие только точечного источника вертикального тока и только на плазму нескольких магнитосиловых трубок (находящихся в одной плоскости), при этом не приведены соответствующие приземным токам величины плотности вертикального тока на ионосферных высотах (80 км над поверхностью Земли) и связанные с ними поля, не исследовались возмущения в магнитосопряжённой области, полный ток и размер области, на которой требуется задать этот ток для генерации возмущений ПЭС, аналогичных наблюдавшимся перед землетрясениями. Более детально результаты моделирования сейсмогенных воздействий на ионосферу представлено в Главе 3.
Для объяснения механизма формирования этого вертикального тока привлекают следующую качественную модель: в периоды подготовки сильных землетрясений наблюдается ряд явлений, таких как увеличение уровня радиоактивности в приземном слое нейтральной атмосферы вследствие выброса в него радона, появление приземных сейсмогенных электрических полей, что представляет собой источник дополнительной ионизации нейтральной атмосферы. В результате появления этого источника у поверхности Земли в приземном слое увеличивается количество заряженных частиц. Совместное действие вертикального турбулентного переноса заряженных аэрозолей и их гравитационного оседания приводит к формированию вертикального тока, текущего над разломами между Землёй и ионосферой [см., например, Pulinets, 1998; Sorokin and Chmyrev, 1999; Sorokin et al., 2005a, 2005b, 2006a, 2006b, 2006c, 2007a, 2007b]. Т.о., этот ток не является током проводимости. Эти токи являются важной частью глобальной электрической цепи [Harrison et al., 2008, 2010; Pulinets and Boyarchuk, 2004 и библиография в ней; Pulinets and Ouzounov, 2011; Sorokin and Chmyrev, 1999; Sorokin et al., 2007a, 2007b; Мареев, 2010; Freund, 2011, 2013; Sorokin and Hayakawa, 2013]. Freund [2011, 2013] предложил альтернативный инжекции радона и радиоактивных почвенных газов механизм ионизации приземного слоя нейтральной атмосферы на основе механизма так называемых "положительных дыр". На основе экспериментов на прессах высокой нагрузки над образцами пород было установлено, что происходит активация носителей зарядов и генерация электрических токов. Этими носителями являются 1) электроны и 2) т.н. "положительные дыры" (дефект-электроны). "Положительные дыры" высокомобильны и могут покинуть сдавливаемый объём и накапливаться на границе раздела "земля-воздух". По мере накопления "положительных дыр" у поверхности (границы раздела земля-воздух) при превышении порога ионизации может произойти ионизация нейтральных молекул приземного слоя нейтральной атмосферы. Этот процесс будет эффективнее при наличии сильных градиентов электрического потенциала поля зарядов, т.е. при наличии "острых пиков" и иных геометрических неоднородностей пограничного слоя породы. Дальнейшее формирование вертикального сейсмогенного электрического тока происходит, как уже было описано для случая ионизации радоном. F. Freund считает этот механизм значительно более эффективным, чем предложенный выше механизм ионизации радоном. Более подробно механизм формирования вертикального электрического тока сейсмического происхождения рассматривается в Главе 3. 1.4. Заключение к Главе 1
Таким образом, на основе анализа данных наземных средств наблюдений был установлен ряд аномальных ионосферных эффектов перед землетрясениями как их возможных предвестников. К таким аномалиям отнесли: 1) возмущения компонент магнитного и электрического полей; 2) увеличение диффузности в Е и .F-слоях, формирование спорадических слоев в Е-слое над околоэпицентральной областью будущего землетрясения; 3) увеличение (в ряде случаев - уменьшение) критических частот, высоты максимума электронной концентрации и плотности на высотах максимума ,Р2-слоя; 4) локальность наблюдаемых возмущений; их времена жизни — от нескольких часов до нескольких суток перед готовящимся сейсмическим событием; 5) возмущение «коэффициента полупрозрачности» і -слоя в зависимости от магнитуды и глубины залегания гипоцентра землетрясения; 6) изменение ТТ (terminator ите)-характеристик за несколько дней до основного сейсмического события.
Вариации ПЭС ионосферы перед землетрясением 8 января 2006 г., Mw6.8, Китира, Южная Греция
Как следует из анализа карт относительных возмущений ПЭС ионосферы ([Золотов, 2014а] и Рис. 28), формирование локальных возмущённых областей ПЭС началось 9 января 2009 г. Они проявлялись в виде положительных возмущений величиной до 30-40% в околоэпицентральной и магнитосопряжённой к ней областях и сопровождались слабыми возмущениями противоположного знака. Приход восходного терминатора и подсолнечной точки сопровождался полным уничтожением возмущений ПЭС ионосферы как в эпицентральной, так и магнитосопряжённой области. Уход закатного терминатора сопровождался восстановлением и усилением аномалий: 10 января 2009 г. наблюдались локальные выраженные положительные структуры в околоэпицентральной и магнитосопряжённой к ней областях. Амплитуда увеличенных значений составляла более 40-60% в околоэпицентральной области, более 30-50% в магнитосопряжённой. Время жизни аномалий- с 19LT по 09LT пространственные размеры- 30-40 вдоль геомагнитного меридиана и 20-30 вдоль геомагнитной параллели. Максимальные по занимаемой площади и амплитуде возмущения наблюдались 05LT-07LT. Следует также отметить, что во всех случаях положительные возмущения сопровождались отрицательными структурами, меньшими по величине. При этом рост амплитуд положительных структур сопровождался ростом значений «окружающих» его отрицательных возмущений. 2.9. Вариации ПЭС ионосферы перед землетрясением 13 ноября 2006 г., Mw6.8, Аргентина
Анализ вариаций ПЭС ионосферы, предшествовавших землетрясению 13 ноября 2006 г., Mw6.8, Аргентина ), было осложнено магнитной бурей 9 ноября 2006 г. (см. Рис. 29). Д,гиндекс менялся от +20 нТл до -50 нТл, Ар-индекс возрастал до 6.
То же, что на Рис. 26, но для аргентинского землетрясения 13 ноября 2006 г. 01:26UT (22:26 LT), 02UT - 24UT (слева направо), 5-13 ноября (сверху вниз) 2006 г. Как следует из Рис. 30, возмущения ПЭС ионосферы наблюдались 10-12 ноября 2006 г. Возмущения 10 ноября были зашумлены эффектами магнитной бури, что выразилось в форме возмущений, распространяющихся от высоких широт к средним. Кроме этих перемещающихся возмущений, 10 ноября также наблюдались сильные положительные возмущения ПЭС 21LT-05LT, расположенные в околоэпицентральной и магнитосопряжённой к ней областях. Эти возмущения могут быть сейсмической природы, но их величина и форма изолиний аномалии искажены эффектами от магнитной бури. В отношении их выполняется «эффект терминатора и подсолнечной точки», выраженный в уменьшении аномально возмущённых областей, хотя говорить о полном уничтожений аномалий нельзя.
11 ноября 2006 г. имеют место стабильные возмущения ПЭС ионосферы, локализованные в околоэпицентральной и магнтитосопряжённой к ней областях, со временем жизни от 21LT до 07LT. Пространственные размеры аномалий составили более 40 вдоль магнитной параллели и более 15 вдоль магнитного меридиана при уровне возмущений более 50%. Следует отметить, что амплитуды и размеры указанных аномалий, вероятно, также были искажены за счёт эффектов геомагнитной бури. С 17LT 11 ноября по 01LT 12 ноября 2006 г. существовали аналогичные области повышенных значений ПЭС, достигавшие по величине более 40%. 2.10. Вариации ПЭС ионосферы перед землетрясением 26 февраля 2005 г., Mw6.8, Индонезия
В настоящем разделе на примере конкретных сильных сейсмических событий исследуются изменения карт относительных возмущений (%) ПЭС ионосферы в зависимости от выбранной ширины окна скользящего среднего (т.е. от количества дней, участвующих в вычислении фоновой вариации). Карты относительных возмущений рассчитывались по формулам (4)-(5), ширина окна скользящего среднего варьировалась. Карты относительных возмущений ПЭС ионосферы для ширины окна скользящего среднего, равной 3, 7 и 15 дней, представлены на Рис. 33 для случаев вычисления среднего по «предшествующим», «центральным» и «последующим» моментам времени.
Из анализа этих карт следует, что при увеличении окна скользящего среднего, основные свойства вариаций ПЭС ионосферы, наблюдавшихся перед землетрясениями, сохраняются, а именно: 1) дневная (в околополуденные часы) редукция аномалий вплоть до их полного исчезновения с приходом подсолнечной точки; 2) их восстановление с уходом закатного терминатора; 3) магнитная сопряжённость эффектов. Данные выводы верны как минимум для ширины окон сглаживания, не превосходящей 15 дней (и были проверены на примере трёх сейсмических событий - Гаити, 12 января 2010г., Япония, 11 марта 2011 г. и Турция, 23 октября 2011 г.).
Ряд авторов для определения аномальных значений использует критерий, выраженный не в процентах. В качестве аномальных трактуются значения, лежащие вне интервала х±к- т, где к - некоторое значение, часто 1.5, 2, 2.5 или 3, а - среднеквадратическое отклонение. Для анализа этого подхода, а именно чувствительности определения выбора параметра к в зависимости от ширины окна скользящего среднего, мы построили карты относительных возмущений ПЭС ионосферы, аналогичные представленным на Рис. 33, выраженные в количествах сигм (т.е. нормированные на величину СКО):
Такое представление позволяет избежать построения отдельных карт относительных возмущений для каждого к, а также наглядно визуализировать его изменение с ростом ширины окна скользящего среднего. Построенные карты возмущений ПЭС ионосферы, нормированные на а , представлены на Рис. 34.
Из него видно, что перечисленные выше особенности относительных возмущений ПЭС ионосферы, установленные на основе анализа карт возмущений, выраженных в процентах, сохраняются. Из этого же следует, что переход от процентов к а -критерию не имеет существенных преимуществ. Из Рис. 34 видно, что увеличение ширины окна скользящего среднего сопровождается ростом значений к. Т.о., для заданного фиксированного значения к большим окнам скользящего среднего будет соответствовать большая площадь возмущений. В качестве причин такого поведения можно рассматривать отклонения от гауссова закона распределения изучаемой вариации (т.е. как общее свойство рядов с растущей дисперсией).
Представленные выше выводы о поведении карт относительных возмущений ПЭС ионосферы в зависимости от используемой ширины окна скользящего среднего сделаны на основе анализа вариаций ПЭС перед конкретными сейсмическими событиями. Вероятно, полученные результаты можно экстраполировать (как общее свойство рядов с растущей дисперсией), хотя и следует провести аналогичные проверки для других гелиогеофизических условий. -45 -ЗО -15 О 15 ЗО 45
Появление сейсмогенного электрического поля в ионосфере
В данной главе приведены результаты исследований физического механизма (дрейфа плазмы ,Р2-слоя ионосферы в скрещенных электрическом Е и магнитном В полях) формирования ионосферных предвестников землетрясений (ИПЗ) в полном электронном содержании (ПЭС) ионосферы методом математического моделирования.
Целью исследований являлось: 1. рассчитать сейсмогенные электрические поля в ионосфере по заданным над околоэпицентральной областью возмущениям электрического потенциала и / или вертикального электрического тока и соответствующие им возмущения ПЭС ионосферы; 2. сравнить модельные возмущения ПЭС ионосферы с реально наблюдавшимися для средне- и низкоширотных землетрясений; 3. проверить принципиальную возможность создания возмущений в ПЭС ионосферы, аналогичных наблюдаемым перед сильными землетрясениями, локализованным ионосферным электрическим полем.
Для выполнения этих задач был проведён ряд численных экспериментов с использованием глобальной трёхмерной нестационарной самосогласованной модели верхней Физический механизм формирования предвестников землетрясений в полном электронном содержании ионосферы
В качестве возможных путей передачи сейсмогенных возмущений через нижележащую атмосферу в ионосферу исследователями обычно рассматриваются электромагнитный и атмосферно-волновой каналы, включая АГВ (акустико-гравитационные волны). Обзоры существующих гипотез о механизмах осуществления связи системы «литосфера-атмосфера-ионосфера» представлены, например, в работах [Pulinets and Boyarchuk, 2004 и библиография в ней; Pulinets and Davidenko, 2014; Hayakawa et al., 2004; Hayakawa and Hobara, 2010; Liperovsky et al., 2008; Ondoh, 2009; Uyeda et al., 2009; Sorokin and Hayakawa, 2013].
Поскольку вариации ПЭС определяются главным образом вариациями NmF2, -электронной концентрацией в максимуме ,Р2-слоя, - то причины исследуемых сейсмогенных возмущений ПЭС следует искать среди физических механизмов формирования увеличенных значений NmF2, рассмотренных, например, в монографии [Брюнелли и Намгаладзе, 1988]. К ним относятся: а) потоки плазмы из плазмосферы в ионосферу вдоль магнитных силовых трубок; б) изменения нейтрального состава; в) направленные к экватору термосферные ветры; г) вертикальный перенос вверх плазмы ,Р2-слоя направленным на восток электрическим полем; д) зональный перенос плазмы меридиональным электрическим полем. Анализ этих механизмов применительно к проблеме ионосферных предвестников землетрясений был дан в работе Намгаладзе [2007] и, позднее, Золотов и др.[2012]:
Плазмосферные потоки следует исключить, поскольку они не изменяют ПЭС и осуществляют только перераспределение плазмы; влад плазмосферной концентрации в вертикальное ПЭС мал по сравнению с вкладом F-области.
Изменения нейтрального состава могут быть связаны с изменениями режима турбулентной диффузии в нижней и средней атмосфере, однако этот механизм не объясняет наблюдаемой магнитной сопряженности предсейсмических ионосферных эффектов.
Для создания и поддержания направленных к экватору нейтральных ветров требуются соответствующие градиенты газового давления, локализованные на небольшой территории (вблизи эпицентра) в ,Р2-слое.
Электрические поля передаются из нижней ионосферы в верхнюю вдоль силовых геомагнитных линий и далее в противоположное полушарие, и рассматриваются в настоящей диссертации в качестве основной причины формирования ИПЗ в ПЭС ионосферы, поскольку обеспечивают геомагнитную сопряженность ионосферных эффектов. В ,Р2-слое плазма замагничена, движется в скрещенных электрическом Е и магнитном В полях со скоростью электромагнитного дрейфа, [іі хБ]-дрейф ионосферной плазмы ,Р2-слоя может порождать как положительные, так и отрицательные возмущения электронной концентрации в зависимости от направления зонального электрического поля. Вертикальный дрейф вверх плазмы на низких широтах формирует т.н. аномалию Эпплтона - провал в широтном ходе электронной концентрации над геомагнитным экватором и два «гребня» по обе стороны от него. Для среднеширотной ионосферы вертикальный дрейф вверх приводит к переносу плазмы в области меньших концентраций ( и N2, то есть меньших скоростей потерь доминирующих в ,Р2-слое ионов О в ионно-молекулярных реакциях: 0+ + 02 02+ + 0+1.1ОэВ (6) 0++N2 NO++N + 1.55 эВ (7) Константа скорости реакции (6) k(0+, О і) примерно на порядок выше, чем к(0 , N2), но, поскольку концентрация молекул N2 на высотах максимума ,Р2-слоя более чем на порядок превосходит концентрацию п(02), вклад реакции (7) является определяющим [Брюнелли иНамгаладзе, 1988].
Из проведенного качественного рассмотрения следует, что наиболее вероятным механизмом формирования наблюдаемых увеличений ПЭС является вертикальный перенос ионосферной плазмы ,Р2-области вверх под действием зонального электрического поля (предположительно сейсмического происхождения), направленного на восток. При этом эффекты в ионосфере порождаются в результате действия суммарного поля, состоящего из «обычных» ионосферных электрических полей и сейсмогенного возмущения (зональная компонента которого и приводит к наблюдающимся эффектам). На низких широтах (около геомагнитного экватора) увеличение направленной на восток компоненты электрического поля приводит к углублению экваториальной ионизационной аномалии вследствие интенсификации «фонтан-эффекта». На средних широтах направленный вверх электромагнитный дрейф, созданный направленным на восток электрическом полем, приводит к увеличению ПЭС вследствие переноса плазмы ,Р2-слоя в область меньших концентраций нейтралов и, соответственно, в область более низких скоростей потерь доминирующего на данных высотах иона О в ионно-молекулярных реакциях. Электрическое поле противоположного направления (направленное на запад) создаёт противоположные - отрицательные - эффекты в ПЭС ионосферы.
Для существования такого поля на ионосферных высотах в околоэпицентральной области необходимо обеспечить разделение зарядов и накопление на западной границе этой области носителей положительных электрических зарядов, а на восточной -отрицательных.
Моделирование сейсмогенных возмущений ПЭС ионосферы путём задания вертикальных электрических токов
Моделирование сейсмогенных воздействий на параметры ионосферной плазмы методом ручной установки источников электрического потенциала 1) не объясняет природу этих источников на границах околоэпицентральной области; 2) при задании таким образом действующих в постоянном режиме источников (т.е. граничных условий для соответствующей области) не воспроизводятся присутствующие в данных наблюдений ПЭС ионосферы эффекты изменения освещённости. Приближение восходного терминатора и связанные с этим изменения ионосферной проводимости должны приводить к депрессии возмущений электрических потенциалов (полей) и соответствующих им возмущений ПЭС вплоть до их полного исчезновения. Воспроизвести такое поведение в представленном ранее подходе (в модельном случае) можно путём задания соответствующих ограничений на режим действия вносимого сейсмогенного источника электрического потенциала.
В случае моделирования состояний верхней атмосферы Земли, предшествовавших сильным сейсмическим событиям, методом задания вертикальных электрических токов, сейсмогенные воздействия моделировались путём включения дополнительных источников вертикальных электрических токов (а не возмущений электрического потенциала, как в предыдущих случаях) на нижней границе (80 км над поверхностью Земли) в уравнение для электрического потенциала. При этом подходе соответствующие сейсмогенные электрические поля будут найдены из решения этого уравнения, то есть будут реагировать на изменения ионосферной проводимости.
Для предварительной оценки верхней границы величины этого сейсмогенного тока мы провели анализ существующих публикаций. Sorokin et al. [1999, 2001, 2005а, 2005b, 2006а, 2006b, 2007а, 2007b] рассчитали ионосферные электрические поля, связанные с вариациями вертикального электрического тока в нижней атмосфере. По их оценкам вертикальный ток плотностью 10" А/м , заданный на площадке радиусом 200 км (-130 000 км по площади) с экспоненциальным спаданием до нуля на ее границе, требуется для создания на ионосферных высотах электрических полей порядка нескольких мВ/м. Kuo et al. [2011] при помощи модели SAMI-3 с источником размерами 200 км на 30 км и распределённой по нормальному закону плотностью тока получили, что требуется у поверхности Земли ток плотностью 0.2-10 мкА/м для порождения возмущений в ПЭС 2-25% днём, и 0.01-1 мкА/м для возмущения ПЭС на 1-30% в ночное время.
Ряд исследователей обнаружили эффект генерации электрических токов в образцах породы при их сжатии (преимущественно) или нагреве (см. Таблицу 3 и [Золотов, 2014в]): F.Freund [Freund et al., 2007, 2009; Freund and Sornette, 2007; Freund, 2011] провёл ряд экспериментов по сжатию образцов пород на прессах высокой нагрузки, в ходе которых были зарегистрированы токи величиной 10-25 нА на коллекторе площадью 200 см , что соответствует плотности тока 500-1250 нА/м . Dologlou-Revelioti and Varotsos [1986] проводили эксперименты с образцами пород (Греция) методом постепенного изменения их температуры: в отсутствии внешнего электрического поля во всех образцах наблюдался переходный электрический ток порядка 0.01-1 нА. Warwick et al. [1982] в экспериментах по сжатию образцов гранита на основе измерений порождённого магнитного поля получили оценку тока пьезоэлектрического происхождения - в 0.25 мА (на расстоянии 1 см от сенсора). Все вышеприведённые величины токов значительно превосходят так называемые «токи хорошей погоды» (от 2-3 до 15 пА/м ), тем не менее, подобные токи наблюдаются. В измерениях токов в лесах Амазонки типичные зарегистрированные значения токов составили 2500 нА, текущие через ветвь сечением 0.5 м (соответствует плотности тока 500-1000 HA/MZ) [LeMouel et al., 2009]. Средняя плотность тока под небольшими грозами во Флориде изменялась от 1 до 4 нА/м на небольшие интервалы времени [Krider et al., 1982]. Токи до 20 нА/м , текущие над грозами, регистрировались по данным самолётных наблюдений [Blakeslee et al., 1989].
Таким образом, указанная величина плотности тока в 10" А/м была принята в качестве грубой оценки верхней границы величины требуемого сейсмогенного тока. Для её уточнения был проведён ряд численных экспериментов с использованием глобальной трёхмерной нестационарной самосогласованной модели верхней атмосферы Земли UAM.