О физическом механизме генерации мезомасштабных электрических полей в ионосфере

УДК 551.594

М. И. Карпов

О ФИЗИЧЕСКОМ МЕХАНИЗМЕ ГЕНЕРАЦИИ МЕЗОМАСШТАБНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В ИОНОСФЕРЕ

Аннотация

Обсуждаются ключевые моменты физического механизма появления в ионосфере мезомасштабных электрических полей (с горизонтальными размерами 1001000 км), связанных с сейсмической, вулканической, грозовой активностью, тайфунами, штормами, пылевыми бурями и т. д. На примере сейсмогенного электрического поля перед Вэньчуаньским землетрясением 12 мая 2008 г. показано, что основной причиной появления зарядов в ионосфере является замедленная скорость рекомбинации поднимающихся заряженных аэрозолей, сопровождаемая конденсацией водяных паров и образованием облаков. Получены численные оценки плотности результирующего стороннего тока. Показано, что механизм появления мезомасштабных электрических полей одинаков как на стадиях подготовки землетрясений, так и при извержениях вулканов, а также штормах, тайфунах, пылевых бурях, сопровождающихся вертикальным переносом пепла, капель воды, льдинок, пылинок и других аэрозольных частиц, аккумулирующих заряды.

Ключевые слова:

электрическое поле, ионосфера, атмосфера, сторонний электрический ток, аэрозоли,

облака, грозы, землетрясения, тайфуны.

M. I. Karpov

ON THE PHYSICAL MECHANISM OF THE MESOSCALE ELECTRIC FIELD GENERATION IN THE IONOSPHERE

Abstract

Key moments of the physical mechanism of the mesoscale electric fields (with characteristic horizontal scales of 100-1000 km) formation in the ionosphere due to the seismic, volcanic, thunderstorm activity as well as typhoons, cyclones, dust storms, etc. are discussed. On the example of seismogenic electric field observed prior to Wenchuan earthquake on May 12, 2008 it is shown that the main cause of the charge appearance in the ionosphere is the slow recombination rate charged aerosols moving upwards and accompanied by condensation and clouds formation. The resulting extraneous electric current density is estimated. It is shown that physical mechanism of the mesoscale electric field generation is the same for the stages of earthquakes preparation as well as for volcano eruptions, storms, cyclones, typhoons, dust storms, i.e. processes and phenomena characterized by vertical transport of ash, water drops, ice, dust and other aerosol particles accumulating charges.

Keywords:

electric field, ionosphere, atmosphere, extraneous electric current, aerosols, clouds,

thunderstorms, earthquakes, typhoons.

Введение

Под мезомасштабными электрическими полями в ионосфере понимаются возмущения с горизонтальными размерами от нескольких сотен до тысячи километров. В отличие от возмущений, связанных с геомагнитной активностью и проявляющихся глобально, мезомасштабные электрические поля имеют локальный характер. В качестве одной причин их формирования указываются грозовая активность, тайфуны, штормы и т. д. По данным спутниковых измерений над областями развития тропических циклонов и штормов, магнитуда возмущений относительно фоновых условий достигает 20 мВ/м [1].

В последнее время особое внимание уделяется электрическим полям до 10-15 мВ/м, наблюдаемым над районами подготовки сильных землетрясений [2-4]. Посредством электромагнитного дрейфа плазмы F2-слоя ионосферы они создают возмущения электронной концентрации и полного электронного содержания, рассматриваемые в качестве ионосферных предвестников сейсмических событий [5-6].

Механизм появления этих полей в ионосфере до сих пор остается под вопросом. На этот счет существует две точки зрения, и обе основываются на генерации вертикального электрического тока над разломом. Первая заключается в значительном росте электрической проводимости воздуха вследствие повышенной ионизации [7], другая основывается на генерации в атмосфере стороннего электрического тока, обусловленного, в отличие от тока проводимости, разделением и вертикальным переносом заряженных частиц неэлектрическими силами [8-9].

В данной работе рассмотрены ключевые моменты каждого из предлагаемых механизмов на примере Вэньчуаньского землетрясения (М8 8.0), произошедшего 12 мая 2008 г. в 14:28 по местному времени в юго-западной части Китая (31°Ч 103 °Е).

Механизм

Радиоактивным почвенным газам, эманирующим из разлома на стадии подготовки землетрясений, часто отводится ключевая роль при обсуждении генерации сейсмогенного электричества [7]. Являясь усиленным источником ионизации воздуха по сравнению с естественной радиоактивностью, радон способствует повышенному ионообразованию и, следовательно, росту электрической проводимости воздуха. Существует множество работ, посвященных измерениям концентрации радона, свидетельствующих о ее росте в приземном слое в несколько раз относительно фоновых значений за несколько дней и недель до главных подземных толчков (см. например, работы [10-11]). Однако, как показывают расчеты, при росте концентрации радона в 2 раза электрическая проводимость увеличивается не более чем на 10-20 % [12-13], а рассчитанное электрическое поле в ионосфере в этом случае меньше наблюдаемых спутниками полей на три порядка [14-15]. Кроме того, статистически значимой корреляции между ростом концентрациеи радона и землетрясениями до сих пор не установлено [16-17].

Иначе обстоит дело в присутствии аэрозолей — металлических и органических частиц, к которым быстро прилипают свободные электроны. Образовавшиеся крупные заряженные частицы, в отличие от первичных зарядов, рекомбинируют на порядки медленнее, вследствие чего концентрация зарядов в воздухе растет [18].

Измерениям аэрозолей перед сильными землетрясениями в последнее время уделяется все больше внимания. Например, было обнаружено увеличение аэрозольной оптической плотности (AOD — aerosol optical depth) — параметра, характеризующего поглощение света на определенных длинах волн видимого спектра, — перед 14 из 16 исследованных землетрясений магнитудой более 6.4, а в двух оставшихся землетрясениях — после них [19]. Перед Вэньчуаньским землетрясениям рост плотности наблюдался 5 мая, за день до появления первых возмущений полного электронного содержания ионосферы [20]. При этом следует отметить, что повышенная радиоактивность воздуха совсем не обязательна, поскольку для образования зарядов достаточно естественной радиоактивности у поверхности Земли и галактических космических лучей, максимум ионизации которых приходится на большие высоты, куда аэрозоли выносятся потоками теплого воздуха. Тепловые аномалии в виде уходящего длинноволнового излучения регулярно наблюдаются над активными разломами [21-24], в частности, в районе Вэньчуана аномалии были зарегистрированы именно 5/6 мая [25-26].

Заряды действуют в роли ядер конденсации водяных паров и коагулируют в крупные водяные капли, в результате чего высвобождается энергия в виде скрытой теплоты парообразования, а также образуются облака. Линейнообразные облачные аномалии — неподвижные структуры облаков — наблюдаются над разломами регулярно [27-28], в т. ч. в связи с предшествующим появлением аэрозолей [29]. Вэньчуаньское землетрясение не является исключением: измерение аэрозольной оптической плотности в районе разлома после 5 мая и до момента землетрясения 12 мая было затруднено именно облачностью [20].

Образовавшиеся крупные водяные капли, заряженные преимущественно отрицательно, под действием силы тяжести тонут вниз или опускаются на землю в виде осадков. Процессы конденсации водяного пара на положительных зарядах происходят менее эффективно, чем на отрицательных, поскольку для конденсации на положительных или нейтральных ядрах требуется большая перенасыщенность водяного пара [30-31]. Будучи более легкими, они всплывают вверх вместе с восходящими потоками теплого воздуха. Таким образом, механические силы осуществляют разделение и вертикальный перенос разноименных зарядов, т. е. генерируется сторонний электрический ток.

Перенос зарядов через нижнюю границу ионосферы приводит к их перераспределению в E-области и формированию локально возмущенного электрического поля, которое посредством дрейфа плазмы F2-слоя создает возмущения электронной концентрации и полного электронного содержания (TEC) ионосферы, наблюдавшиеся перед Вэньчуаньским землетрясениям начиная с 6 мая [32-33], т. е. спустя сутки после начала роста концентрации аэрозолей и в те же сутки, что и термальные аномалии и облачные формирования.

Обсуждение

Попытки оценить плотность сейсмогенного тока, текущего в атмосфере над разломом, предпринимались в работах [8-9] исходя из предположения о том, что сторонний ток будет определяться суммарным произведением концентрации ni носителей зарядов сорта i, средним количеством зарядов Z на каждом из них и скоростью их движения vi:

] = Е еу-'

I

где е — элементарный заряд.

Однако для скорости V, в формуле (1) использовались завышенные и нереалистичные значения порядка 1-10 м/с, в то время как концентрации зарядов уделялось меньше внимания.

Оценим концентрацию зарядов, необходимую для расчета плотности вертикального электрического тока, используя оценки и измерения, известные из научной литературы. Концентрация аэрозольных частиц п над поверхностью оценивается как величина порядка 108-1010 1/м3 [34-35] и экспоненциально убывает с высотой. Концентрация крупных аэрозолей (радиусом более 0,2 мкм) составляет порядка 106-108 1/м3 [36]. Если считать, что на них содержится от 1 до 1000 элементарных зарядов, то общая концентрация зарядов в этом случае будет варьироваться в пределах от 106 до 1012 1/м3. С другой стороны, при водности воздуха порядка 1 г/м3 концентрация капель воды радиуса 10-5 м составляет 109 1/м3, а каждой такой капле соответствует 2000 зарядов [37]. При таких значениях общая концентрация зарядов составит 21012 1/м3.

Среднюю скорость восходящих потоков воздуха по облаку будем считать равной 0,01-0,1 м/с [36]. Тогда, подставляя полученные значения концентрации зарядов п^ = 106-1012 1/м3 и скорости V = 0,1-0,01 м/с в уравнение (1), получим диапазон значений вертикального электрического тока между Землей и ионосферой в пределах от 10-15 до 10-8 А/м2.

Полученные оценки показывают, что в предельных случаях, когда концентрация аэрозолей существенно возрастает, плотность тока превышает плотность так называемого тока хорошей погоды (10-12 А/м2) на несколько порядков. Далее, как показано в монографии [38], присутствие аэрозольных частиц в атмосфере приводит к увеличению потенциала ионосферы на 8-10 % относительно исходной величины 300 кВ, т. е. на 24-30 кВ.

Близкие значения были получены при моделировании мезомасштабных электрических полей. В численных расчетах [6] вертикальный электрический ток плотностью 10-8 А/м2 задавался на нижней границе (на высоте 80 км) уравнения для электрического потенциала в модели иАМ. Результирующее изменение потенциала составило порядка 10-15 кВ, а характеристики модельных возмущений электрического поля и ТЕС соответствовали наблюдаемым.

Заключение

На примере Вэньчуаньского землетрясения 12 мая 2008 г. рассмотрен физический механизм генерации мезомасштабного электрического поля в преддверии сильных землетрясений, основанный на возникновении над разломом стороннего электрического тока. Продемонстрированы атмосферные эффекты, сопровождающие его генерацию, в виде повышенной концентрации аэрозолей и появления термальных аномалий и облаков за один день или в тот же день, что и ионосферные предвестники землетрясения — возмущения электрического поля, электронной концентрации и полного электронного содержания.

Рассмотренный механизм сейсмогенного электрического поля применим также к другим мезомасштабным электрическим полям, связанным с грозовой активностью, штормами, тайфунами, тропическими циклонами, пылевыми и снежными бурями, где переносчиками зарядов становятся капли воды, льдинки,

пыль, пепел и другие крупные частицы. При общем принципиальном сходстве

между этими явлениями отличия их ионосферных эффектов выражаются

в разной интенсивности, продолжительности и горизонтальных масштабах.

Благодарности. Исследование выполнено при финансовой поддержке

РФФИ в рамках научного проекта № 16-35-00397 мол_а.

Литература

1. Disturbance of the Electric Field in the Ionosphere by Sea Storms and Typhoons / N. V. Isaev [et al.] // Cosmic Research. 2002. Уо1. 40, Ко. 6. P. 547-553. DOI: 10.1023/A: 1021549612290.

2. Observation by space-borne detectors of electric fields and hydromagnetic waves in the ionosphere over on earthquake center / V. M. Chmyrev [et al.] // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 1989. Vо1. 57. P. 110-114. DOI: 10.1016/0031-9201(89)90220-3.

3. Ionospheric quasi-static electric field anomalies during seismic activity in AugustSeptember 1981 / M. Gousheva [et al.] // Natural Hazards and Earth System Sciences. 2009. Vо1. 9. P. 3-15. DOI: 10.5194/nhess-9-3-2009.

4. The characteristics of quasistatic electric field perturbations observed by DEMETER satellite before large earthquakes / X. Zhang [et al.] // J. Asian Earth Sciences. 2014. Vо1. 79. P. 42-52. DOI: 10.1016/j.jseaes.2013.08.026.

5. Physical Mechanism and Mathematical Modeling of Earthquake Ionospheric Precursors Registered in Total Electron Content / A. A. Namgaladze [et al.] // Geomagnetism and Aeronomy. 2009. Vо1. 49. Ко. 2. P. 252-262. DOI: 10.1134/S0016793209020169.

6. Karpov M. I., Namgaladze A. A., Zolotov O. V. Modeling of Total Electron Content Disturbances Caused by Electric Currents between the Earth and the Ionosphere // Russian J. Physical Chemistry B. 2013. Vо1. 7. №. 5. P. 594-598. DOI: 10.1134/S1990793113050187.

7. Physical bases of the generation of short-term earthquake precursors: A complex model of ionization-induced geophysical processes in the lithosphere-atmosphere-ionosphere-magnetosphere system / S. A. Pulinets [et al.] // Geomagnetism and Aeronomy. 2015. W. 55. №. 4. P. 521-538. DOI: 10.1134/S0016793215040131.

8. Sorokin V. M., Hayakawa M. Generation of seismic-related DC electric fields and lithosphere-atmosphere-ionosphere coupling // Modern Applied Sci. 2013. Vо1. 7. №. 6. P. 1-25. DOI: 10.5539/mas.v7n6p1.

9. Namgaladze A. A., Karpov M. I. Conductivity and external electric currents in the global electric circuit // Russian J. Physical Chemistry В. 2015. Vо1. 9. №. 4. P. 754-757. DOI: 10.1134/S1990793115050231.

10.Virk H. S., Singh B. Radon recording of Uttarkashi earthquake // Geophysical Res. Let. 1994. W. 21. P. 737-741. DOI: 10.1029/94GL00310.

11. Evidence of precursor phenomena in the Kobe earthquake obtained from atmospheric radon concentration / Y. Yasuoka [et al.] // Applied Geochemistry. 2006. W. 21. P. 1064-1072. DOI: 10.1016/j.apgeochem.2006.02.019.

12. Harrison R. G., Aplin K. L., Rycroft M. J. Atmospheric electricity coupling between earthquake regions and the ionosphere // J. Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2010. W. 72, №. 5-6. P. 376-381. DOI: 10.1016/j.jastp.2009.12.004.

13. Surkov V. Pre-seismic variations of atmospheric radon activity as a possible reason for abnormal atmospheric effects // Annals of Geophysics. 2015. Vol. 58, No 5. A0554. DOI: 10.4401/ag-6808.

14. Preseismic alteration of atmospheric electrical conditions due to anomalous radon emanation / Y. Omori [et al.] // Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C.

2008. Vol. 33, No. 6-7. P. 276-284. DOI: 10.1016/j.pce.2008.08.001.

15. On electric field penetration from ground into the ionosphere / V. V. Denisenko [et al.] // J. Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2013. Vol. 102. P. 341-353. DOI: 10.1016/j.j astp.2013.05.019.

16. Geller R. J. Earthquake prediction: a critical review // Geophys. J. Intern. 1997. Vol. 131. P. 425-450. DOI: 10.1111/j.1365-246X.1997.tb06588.x

17. Geochemical monitoring in the Marmara region (NW Turkey): a search for precursors of seismic activity / S. Inan [et al.] // J. Geophys. Res. 2008. Vol. 113. B03401. DOI: 10.1029/2007JB005206.

18. Harrison R. G., Carslaw K. S. Ion-aerosol-cloud processes in the lower atmosphere // Reviews of Geophysics. 2003. Vol. 41. doi: 10.1029/2002RG000114.

19.Akhoondzadeh M., Chehrebargh F. Feasibility of anomaly occurrence in aerosols time series obtained from MODIS satellite images during hazardous earthquakes // Advances in Space Research. 2016. Vol. 58, No. 6. P. 890-896. DOI: 10.1016/j.asr.2016.05.046.

20. Is there an abnormal enhancement of atmospheric aerosol before the 2008 Wenchuan earthquake? / K. Qin [et al.] // Advances in Space Research. 2014. Vol. 54, No. 6. P. 1029-1034. DOI: 10.1016/j.asr.2014.04.025.

21. Temperature variations related to earthquakes from simultaneous observation at the ground stations and by satellites in Kamchatka area / A. A. Tronin [et al.] // Physics and Chemistry of the Earth. 2004. Vol. 29. No. 4-9. P. 501-506. DOI: 10.1016/j.pce.2003.09.024.

22. RST analysis of MSG-SEVIRI TIR radiances at the time of the Abruzzo 6 April 2009 earthquake / N. Genzano [et al.] // Natural Hazards and Earth System Sci.

2009. Vol. 9, No. 6. P. 2073-2084. DOI: 10.5194/nhess-9-2073-2009.

23. The atmospheric response to M7.0 Haiti and M8.3 Chilean earthquakes revealed by joined analysis of satellite and ground data / D. Ouzounov [et al.] // Geophys. Res. Abstracts. 2011. Vol. 13. P. 11932-11932.

24. On the possible origin of thermal infrared radiation (TIR) anomalies in earthquake-prone areas observed using robust satellite techniques (RST) / V. Tramutoli [et al.] // Chemical Geology. 2013. Vol. 339. P. 157-168. DOI: 10.1016/j.chemgeo.2012.10.042.

25. Verification of the concept of seismo-ionospheric relations under quiet heliogeomagnetic conditions, using the Wenchuan (China) earthquake of May 12, 2008, as an example / S. A. Pulinets [et al.] // Geomagnetism and Aeronomy. 2010. Vol. 50, No. 2. P. 231-242.

26. Variation characteristics of ORL for the Wenchuan earthquake / X. Guo [et al.] // Chinese J. Geophys. 2010. Vol. 53, No. 6. P. 980-988.

27. Morozova L. I. Crustal geodynamic activity: manifestations in cloud fields // Russian Geology and Geophysics. 2012. Vol. 53. P. 416-423. DOI: 10.1016/j.rgg.2012.02.014.

28.Guangmeng G., Jie Y. Three attempts of earthquake prediction with satellite cloud images // Natural Hazards and Earth System Sciences. 2013. Vol. 13. P. 91-95. DOI: 10.5194/nhess-13-91-2013.

29.Pulinets S. A., Morozova L. I., Yudin I. A. Synchronization of atmospheric indicators at the last stage of earthquake preparation cycle // Research in Geophysics. 2014. Vol. 4. I. 1. DOI: 10.4081/rg.2014.4898

30. Svensmark H., Friis-Christensen E. Variation of cosmic ray flux and global cloud coverage — A missing link in solar-climate relationships // J. Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 1997. Vol. 59. P. 1225-1232.

31. A molecular dynamics study of water vapor nucleation in the presence of ions / C. Zhang [et al.] // Chemical Engineering Sci. 2015. W. 137. P. 308-319. DOI: 10.1016/j.ces.2015.06.006.

32.Seismoionospheric GPS total electron content anomalies observed before the 12 May 2008 Mw7. 9 Wenchuan earthquake / J. Y. Liu [et al.] // J. Geophys. Res. 2009. W. 114. A04320. DOI: 10.1029/2008JA013698.

33.Changes of the electric and magnetic fields on the ground and in the ionosphere before and after several great earthquakes / J. Liu [et al.] // Chinese J. Geophys. 2011. W. 54, №. 6. P. 828-843.

34.Makino M., Ogawa T. Quantitative Estimation of Global Circuit // J. Geophys. Res. 1985. W. 90, №. D4. P. 5961-5966.

35.Ермаков В. И., Стожков Ю. И. Физика грозовых облаков: препринт № 2. М.: ФИАН, 2004.

36.Ивлев Л. С., Довгалюк Ю. А. Физика атмосферных аэрозольных систем. СПб.: НИИХ; СПбГУ, 1999. 94 c.

37.Френкель Я. И. Теория явлений грозового электричества. М.: КомКнига, 2007. 160 с.

38.Морозов В. Н. Математическое моделирование атмосферно-электрических процессов с учетом влияния аэрозольных частиц и радиоактивных веществ: монография. СПб.: Изд-во РГГМУ, 2011. 253 с.

Сведения об авторе:

Карпов Михаил Иванович

младший научный сотрудник, Мурманский арктический государственный университет, г. Мурманск

E-mail: mikhailkarpov@hotmail.com