Формирование мезомасштабного электрического поля в ионосфере в периоды подготовки землетрясений

УДК 551.594 М. И. Карпов

ФОРМИРОВАНИЕ МЕЗОМАСШТАБНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ИОНОСФЕРЕ В ПЕРИОДЫ ПОДГОТОВКИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

Аннотация

Рассмотрен физический механизм формирования в ионосфере мезомасштабных электрических полей над областями подготовки землетрясений в результате действия стороннего электрического тока, текущего над тектоническим разломом. В отличие от электрического тока проводимости, сторонний электрический ток создается неэлектрическими силами, в результате гравитационного оседания и конвективного переноса заряженных частиц разноименных знаков и, по сути, аналогичен грозовому электрическому току, заряжающему ионосферу положительно относительно Земли. Выполнены количественные оценки плотности сейсмогенного электрического тока, которая при условии накоплении крупных заряженных частиц с замедленной рекомбинацией превышает плотность электрических токов хорошей погоды на несколько порядков.

Ключевые слова:

сторонний электрический ток, атмосфера, ионосфера, аэрозоли, землетрясения, облака, электрическое поле.

M. I. Karpov

FORMATION OF THE MESOSCALE ELECTRIC FIELD

IN THE IONOSPHERE DURING PREPARATION OF EARTHQUAKES

Abstract

The physical mechanism of the mesoscale electric field generation in the ionosphere over the regions of seismic activity is considered. The mechanism is based on the generation of extraneous electric current flowing over the tectonic fault. As opposite to the conductivity electric current the extraneous current is created by the non-electric forces, as a result of gravitational sedimentation and convectional transport of oppositely charged particles. It has the same origin as thunderstorm current which charges the ionosphere positively in relation to the Earth. The quantitative estimations of the seismogenic electric current are performed. It has been shown that its density exceeds the density of the fair-weather current for several orders under conditions where large charged particles with the slow recombination rate accumulate.

Keywords

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

Введение

Мезомасштабные возмущения электрического поля в ионосфере, наблюдаемые спутниками над эпицентрами землетрясений на стадиях их подготовки [5, 17], воздействуют на ионосферу посредством электромагнитного дрейфа плазмы ^2-слоя [15] и создают характерные возмущения электронной концентрации [2]. Формирование сейсмогенного электрического поля связывают с возникновением дополнительного электрического тока, текущего над разломом [9, 16, 18], который, по расчетам [12, 13, 15], должен превышать обычные токи хорошей погоды на несколько порядков, чтобы создать наблюдаемые возмущения. В настоящей работе предлагается физический механизм генерации таких токов и даются их количественные оценки.

87

Механизм генерации стороннего электрического тока

Свободные электрические заряды в атмосфере образуются в результате ионизации воздуха, главным образом, галактическими космическими лучами, максимум ионизации которых приходится на высоту около 13-15 км [6], и вследствие естественной радиоактивности у поверхности Земли [11]. Свободные электроны быстро прилипают к тяжелым нейтральным молекулам, а также к аэрозолям - крупным частицам различного происхождения (континентального, океанического, антропогенного) - пыли, пепла, частиц металлов, капель воды, льдинок и т. д. - с размерами от нескольких сотен ангстрем до нескольких микрон. Скорость рекомбинации крупных заряженных частиц в зависимости от их размера может быть меньше скорости рекомбинации первичных зарядов на четыре порядка [8], что способствует увеличению концентрации зарядов.

Возникшие ионы выступают в роли ядер конденсации водяных паров. Далее рост капель до размеров 1-2 мкм осуществляется преимущественно посредством коагуляции - процесса слипания капелек воды в более крупные образования -и приводит к формированию облаков [1, 3]. При этом выделяется скрытая теплота, равная теплоте парообразования и способствующая усилению потоков восходящего воздуха. На отрицательно заряженных ядрах конденсация происходит эффективнее, поскольку для конденсации на положительно заряженных ядрах требуется большая насыщенность водяного пара. За счет большего размера отрицательных зарядов и большей массы они увлекаются вниз силой тяжести, а легкие положительно заряженные частицы - вверх вместе с восходящими потоками теплого воздуха. Таким образом, в поле силы тяжести и градиентами давления происходит разделение и вертикальный перенос противоположно заряженных частиц, т. е. возникает электрический ток, получивший название стороннего.

В отличие от тока хорошей погоды, определяемого электрической проводимостью воздуха и фоновым электрическим полем, направленного к Земле, сторонний ток создается неэлектрическими силами и направлен в противоположную сторону. Сторонний электрический ток присутствует всегда и наиболее интенсивен в областях грозовой активности, заряжая ионосферу положительно относительно Земли и создавая разность электрических потенциалов между ними. В зависимости от изменения атмосферных условий, температуры и влажности воздуха, состава и концентрации пылевых и водных аэрозолей, а также условий ионизации сторонний ток увеличивается или уменьшается, создавая локальные увеличения или уменьшения разности электрического потенциала между Землей и ионосферой.

При землетрясениях сторонний электрический ток значительно увеличивается в области их подготовки. Во-первых, за счет возникновения дополнительных источников ионизации воздуха по сравнению с обычными условиями. Ускоренному ионообразованию способствует повышенная концентрация радиоактивных частиц в приземном слое, выталкиваемых из тектонического разлома, превышающая фоновые значения в несколько раз [11]. Во-вторых, увеличение концентрации почвенных газов и аэрозолей, формирование ионных кластеров в ходе процессов нуклеации способствуют увеличению концентрации крупных заряженных частиц вследствие их замедленной рекомбинации по сравнению с первичными ионами и электронами. В-третьих, разделению и переносу электрических зарядов способствуют восходящие потоки тепла над активными разломами, которые представляют собой крупномасштабные области (от нескольких тысяч до десятков тысяч

88

квадратных километров) с повышенной на 2-4° температурой, образующиеся за 4-20 дней до землетрясения и регистрируемые спутниками в виде убегающего длинноволнового излучения в инфракрасном диапазоне[19].

Условия, способствующие усилению стороннего электрического тока и его изменению, появляются не только при землетрясениях, но и при извержении вулканов вследствие выбросов в атмосферу большого количества пепла, при тайфунах и штормах, при пылевых и снежных бурях, т. е. при тех природных явлениях, которые сопровождаются увеличением концентрации в воздухе тяжелых частиц (пылевых и водяных аэрозолей), и характеризуются наличием масс восходящего теплого и влажного воздуха. Механизм генерации электричества при данных процессах схож с механизмом возникновения тока зарядки глобальной электрической цепи при грозовой активности. Отличия заключаются лишь в интенсивности генерируемого стороннего электрического тока, продолжительности процесса и площади его проявления.

Связь землетрясений и формирования облачности обсуждалась в [10, 16], а данные наблюдений облачных формирований в преддверии землетрясений представлены в [7, 14], где были выявлены образования крупномасштабных линейнообразных облаков, которые, в отличие от "обычных" облаков, гонимых ветром и изменяющихся по форме, остаются "привязанными" к тектоническому разлому.

Те же процессы, способствующие усилению стороннего электрического тока в периоды сейсмической активности, оказывают существенное влияние на электрический ток проводимости. Дополнительная ионизации воздуха продуктами распада радона, с одной стороны, увеличивает концентрацию зарядов, что приводит к увеличению электрической проводимости воздуха. С другой стороны, повышенная концентрация крупных заряженных частиц приводит к увеличению частоты упругих и неупругих столкновений, и, соответственно, возрастает роль силы трения, уменьшающей проводимость. Итоговый результат -увеличение или уменьшение интенсивности тока проводимости - будет зависеть от того, какой из двух процессов станет доминирующим.

Результирующий вертикальный электрический ток, текущий между Землей и ионосферой, является суммой тока проводимости и стороннего электрического тока, создаваемого неэлектрическими силами, и его изменение проводит к изменению электрического потенциала между Землей и ионосферой.

Денисенко и др. [4] показали, что изменения электрической проводимости атмосферы даже при наличии дополнительных источников в виде радиоактивных газов, эманирующих из разлома, не могут изменять напряженность электрического поля в ионосфере более чем на несколько мкВ/м. Такие значения не согласуются с измерениями спутниками DEMETER и Intercosmos-Bulgaria 1300 напряженности электрического поля над областями подготовки землетрясений, которые составляют порядка 5-15 мВ/м [5, 17]. Несоответствие данных спутниковых измерений сейсмогенных электрических полей с оценками, сделанными в работе [4], означает, что для корректного физико-математического описания электрических токов, текущих над тектоническими разломами, и моделирования соответствующих эффектов в ионосфере, помимо изменений электрической проводимости атмосферы, необходимо учитывать сторонние электрические токи, создаваемые неэлектрическими силами.

89

Количественные оценки сейсмогенного электрического тока

Модель расчета результирующего электрического тока, текущего между Землей и ионосферой

j = 2 eniVl,

i

должна учитывать все процессы образования и потерь зарядов (ионизацию воздуха, рекомбинацию зарядов, их взаимодействие с нейтралами, конденсацию водяных паров и коаугляцию), а также все силы, действующие на них (силу тяжести, градиенты давления, а также действие фонового электрического поля и силу трения).

Уравнение движения для каждого сорта частиц в этом случае будет записано в виде:

ft ~г~ = -grad# - /г (Е + [v. х 5]) - £ щту {% - v.) + niirg .

dt Т

Очевидно, что в зависимости от преобладания тех или иных сил и процессов, которые существенно зависят от состава и сорта частиц, а также атмосферных условий, результирующий электрический ток может быть направлен как Земле, так и к ионосфере. Это будет соответствовать переносу в ионосферу преимущественно положительных либо отрицательных зарядов, т. е. формированию в ионосфере электрических полей противоположных знаков. Их воздействие на ионосферу будет заключаться в формировании как положительных, так и отрицательных возмущений полного электронного содержания (увеличений и уменьшений электронной концентрации F2 области) посредством электромагнитного дрейфа плазмы в скрещенных магнитном и электрическом полях.

Концентрации зарядов n, находятся из уравнений непрерывности, которые из-за высокой плотности частиц в нижней атмосфере записываются в фотохимическом приближении:

dnjdt = Qi - Li,

где Qi и Li - скорости образования и потерь частиц сорта i:

q,=J£r; d v,

-L< = d

V.

Здесь и - интегралы упругих столкновений, в которых частицы

рождаются и исчезают, соответственно: ионизация воздуха, рекомбинации, химические реакции. Q и L зависят от концентрации принимающих участие в реакции компонент и скорости протекания реакции.

Поскольку первичные заряды быстро рекомбинируют друг с другом, имеет смысл рассматривать только долгоживущие заряженные аэрозоли, такие как отрицательные ионные связки O-H2O, O2-(H2O)n, NO2-H2O, NO3 ~HNO3 и положительно заряженные кластеры типа H3O(H2O)n, H+H2O)n, NO(H2O)n, NO2+(H2O)n, NH4+(H2O)n.

Для заряженных аэрозолей, считая их для упрощения одинакового размера, уравнение непрерывности (2) принимает вид [8]:

dn, / dt = q, - ant2 - Pn,Z

90

с решением в виде:

Jp2Z2 + 4aq-pZ 1 - e-(P'Z 2+4aq)t

—------------—----------.

2a i - e—(P2z2+4aq) , (

где q - скорость ионообразования; a - коэффициент рекомбинации; в - коэффициент присоединения легких ионов к аэрозольным частицам; Z - концентрация аэрозольных частиц.

В стационарном случае и когда прилипание ионов к аэрозолям доминирует над процессами рекомбинации в процессах потерь ионов, выражение (3) записывается в виде:

n = q / PZ.

Скорость ионообразования q, даже при наличии дополнительных источников ионизации воздуха в виде продуктов распада эманирующего из разлома радона, изменяется незначительно по сравнению с обычными условиями и составляет порядка 10-7 м-3с-1. Однако коэффициент прилипания P существенно зависит от размеров аэрозолей и варьируется в пределах 10"10-10"14 м-3с-1 [8]. Считая, что концентрация аэрозолей составляет порядка 108-109 м-3, вертикальная скорость находится в пределах 0.1-10 м/с и, подставляя данные значения в уравнение (1), получим диапазон значений плотности электрического тока: 10-11-10-8 А/м2, т. е. на несколько порядков больше плотности электрического тока хорошей погоды (порядка 10-12 А/м2).

Заключение

Условия среды над активным тектоническим разломом способствуют возникновению стороннего электрического тока вследствие образования, гравитационного оседания и конвективного переноса зарядов противоположных знаков. По своей природе он аналогичен грозовому току и создает дополнительную разность потенциалов между Землей и ионосферой. Благодаря малой скорости рекомбинации крупных заряженных частиц его интенсивность достаточно высока для формирования в ионосфере мезомасштабных возмущений электрического поля порядка 5-15 мВ/м относительно фоновых значений, регистрируемых спутниками над сейсмически активными областями.

Литература

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

2. Золотов О. В. Эффекты землетрясений в вариациях полного электронного содержания ионосферы: дис. ... канд. физ.-мат. н. Мурманск: МГТУ, 2015. 146 с.

3. Ивлев Л. С., Довгалюк Ю. А. Физика атмосферных аэрозольных систем. СПб.: НИИХ СПбГУ, 1999. 94 с.

4. Denisenko V. V., Ampferer M., Pomozov E. V., Kitaev A. V., Hausleitner W., Stangl G., Biernat H. K. On electric field penetration from ground into the ionosphere // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2013. Vol. 102. P. 341-353, doi: 10.1016/jjastp.2013.05.019.

5. Gousheva M., Danov D., Hristov P., Matova M. Ionospheric quasi-static electric field anomalies during seismic activity in August-September 1981 // Natural Hazards and Earth System Sciences. 2009. Vol. 9. P. 3-15.

91

6. Gringel W., Rosen J. M., Hoffman D. J. Electrical structure from 0 up to 30 kilometers. The Earth’s electrical environment. Washington: National Academic Press, 1986. P. 166-182.

7. 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.

8. Harrison R. G., Carslaw K. S. Ion-aerosol-cloud processes in the lower atmosphere // Reviews of Geophysics. 2003. Vol. 41.

9. Harrison R. G., Aplin K. L., Rycroft M. J. Atmospheric electricity coupling between earthquake regions and the ionosphere // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2010. Vol. 72, N. 5-6. P. 376-381.

10. Harrison R. G., Aplin K. L., Rycroft M. J. Brief communication: Earthquake-cloud coupling through the global atmospheric electric circuit // Natural Hazards and Earth System Sciences. 2014. Vol. 14. P. 773-777.

11. Heincke J., Koch U., Martinelli G. CO2 and radon measurements in the Vogtland area (Germany) - a contribution to earthquake prediction research // Geophysical Research Letters. 1995. Vol. 22. P. 774-779.

12. 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 Journal of Physical Chemistry B. 2013. Vol. 7, № 5. P. 594-598.

13. Kuo C. L., Huba J. D., Joyce G., Lee L. C. Ionosphere plasma bubbles and density variations induced by pre-earthquake rock currents and associated surface charges // Journal of Geophysical Research. 2011. Vol. 116. P. A10317.

14. Morozova L. I. Crustal geodynamic activity: manifestations in cloud fields // Russian Geology and Geophysics. 2012. Vol. 53. P. 416-423.

15. Namgaladze A. A., Klimenko M. V., Klimenko V. V., Zakharenkova I. E. Physical mechanism and mathematical modeling of earthquake ionospheric precursors registered in total electron content // Geomagnetism and Aeronomy. 2009. Vol. 49, №. 2. P. 252-262.

16. Pulinets S. A., Ouzounov D. P., Karelin A. V., Davidenko D. V. 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 // Geomagnetism and Aeronomy. 2015. Vol. 55, № 4. P. 521-538.

17. Ryu K., Chae J. S., Lee E., Parrot M. Fluctuations in the ionosphere related to Honshu Twin large earthquakes of September 2004 observed by the DEMETER and CHAMP satellites // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2014. Vol. 121, P. A. P. 110-122.

18. Sorokin V. M., Yashchenko A. K., Hayakawa M. Electric field perturbation caused by an increase in conductivity related to seismicity-induced atmospheric radioactivity growth // Russian Journal of Physical Chemistry B. 2007. Vol. 1, № 6. P. 644-648.

19. Tronin A. A. Remote sensing and earthquakes: A review // Physics and Chemistry of the Earth. 2006. Vol. 31, N 4-9. P. 138-142.

Сведения об авторе

Карпов Михаил Иванович,

младший научный сотрудник кафедры общей и прикладной физики, Мурманский

государственный технический университет, г. Мурманск, mikhailkarpov@hotmail.com

92