APPLICATION OF THE EARTH’S UPPER ATMOSPHERE MODEL TO RESEARCH OF LITHOSPHERE-IONOSPHERE INTERACTION
Authors:
1.
Murmanskiy arkticheskiy gosudarstvennyy universitet
Russian Federation
Russian Federation
2.
Murmanskiy arkticheskiy gosudarstvennyy universitet
Russian Federation
Russian Federation
3.
Murmanskiy arkticheskiy gosudarstvennyy universitet
Russian Federation
Russian Federation
4.
Murmanskiy arkticheskiy gosudarstvennyy universitet
Russian Federation
Russian Federation
Type:
Сonference article
Published:
06.01.2019
Subject area:
UDK 551.510.535
BBK 26 Науки о Земле
BISAC NAT010000 Ecology
BISAC NAT045050 Ecosystems & Habitats / Coastal Regions & Shorelines
BISAC NAT025000 Ecosystems & Habitats / Oceans & Seas
BISAC NAT045030 Ecosystems & Habitats / Polar Regions
BISAC SCI081000 Earth Sciences / Hydrology
BISAC SCI092000 Global Warming & Climate Change
BISAC SCI020000 Life Sciences / Ecology
BISAC SCI039000 Life Sciences / Marine Biology
BISAC SOC053000 Regional Studies
BISAC TEC060000 Marine & Naval
BBK 26 Науки о Земле
BISAC NAT010000 Ecology
BISAC NAT045050 Ecosystems & Habitats / Coastal Regions & Shorelines
BISAC NAT025000 Ecosystems & Habitats / Oceans & Seas
BISAC NAT045030 Ecosystems & Habitats / Polar Regions
BISAC SCI081000 Earth Sciences / Hydrology
BISAC SCI092000 Global Warming & Climate Change
BISAC SCI020000 Life Sciences / Ecology
BISAC SCI039000 Life Sciences / Marine Biology
BISAC SOC053000 Regional Studies
BISAC TEC060000 Marine & Naval
Language:
Russian
Keywords:
upper earth atmosphere, ionosphere, earthquakes, simulation
Abstract (English):
V rabote rassmatrivaetsya vopros o primenimosti fiziko-matematicheskogo modelirovaniya k zadacham izucheniya osobennostey litosferno-ionosfernogo vzaimodeystviya. Predstavleno opisanie global'noy trehmernoy nestacionarnoy modeli verhney atmosfery Zemli UAM (Upper Atmosphere Model), opisyvayuschey mezosferu, termosferu, ionosferu i vnutrennyuyu magnitosferu Zemli kak edinuyu sistemu. Privedeny poluchennye s ispol'zovaniem UAM osnovnye rezul'taty issledovaniy mehanizma formirovaniya ionosfernyh predvestnikov krupnyh zemletryaseniy, neodnokratno registriruemyh sredstvami nazemnyh i sputnikovyh nablyudeniy.
V rabote rassmatrivaetsya vopros o primenimosti fiziko-matematicheskogo modelirovaniya k zadacham izucheniya osobennostey litosferno-ionosfernogo vzaimodeystviya. Predstavleno opisanie global'noy trehmernoy nestacionarnoy modeli verhney atmosfery Zemli UAM (Upper Atmosphere Model), opisyvayuschey mezosferu, termosferu, ionosferu i vnutrennyuyu magnitosferu Zemli kak edinuyu sistemu. Privedeny poluchennye s ispol'zovaniem UAM osnovnye rezul'taty issledovaniy mehanizma formirovaniya ionosfernyh predvestnikov krupnyh zemletryaseniy, neodnokratno registriruemyh sredstvami nazemnyh i sputnikovyh nablyudeniy.
Keywords:
upper earth atmosphere, ionosphere, earthquakes, simulation
upper earth atmosphere, ionosphere, earthquakes, simulation
Актуальность изучения процессов и явлений в литосфере, гидросфере и атмосфере Земли, а также особенностей их взаимодействия обусловлена необходимостью прогнозирования опасных явлений природного и техногенного происхождения и их возможных по следствий для инфраструктуры и жизнедеятельности человека. Это требует решения задач непрерывного мониторинга состояния указанных природных оболочек Земли. Частично задача мониторинга с достаточным пространственно-временным разрешением решена для низких и средних широт северного географического полушария за счет развитости сети наземных наблюдательных комплексов и систем дистанционного зондирования Земли. Для областей, где невозможно обеспечить мониторинг с необходимым разрешением для заполнения имеющихся «пробелов» в данных наблюдений альтернативой натурным экспериментам является применение физико-математического моделирования. К таким областям относятся, например, Арктический и Антарктический регионы, поверхность Мирового океана и т.п. Метод физико-математического моделирования основан на численном решении уравнений, описывающих физические законы, действующие в конкретной геосфере. При таком подходе заполнение «пробелов» в данных наблюдений становится физически обоснованным. Исторически применение физико-математического моделирования к задачам геофизики развивалось по пути построения моделей отдельных оболочек Земли или их областей. В природе между геосферами нет жестких границ - они постоянно взаимодействуют друг с другом. Поэтому дальнейшее развитие метода моделирования стало идти по пути численного «сшивания» моделей различных геосфер и/или их частей. Этому способствовало развитие компьютерных технологий и, в первую очередь, наращивание их вычислительных мощностей. Таким образом, физико-математическое моделирование стало инструментом интерпретации и прогнозирования различных данных наземных и спутниковых наблюдений для изучения процессов и явлений, происходящих не только в отдельных геосферах, но и с учетом их взаимодействия. Одной из таких перспективных моделей является глобальная модель верхней атмосферы Земли UAM (Upper Atmosphere Model), которая в настоящее время развивается в Мурманском Арктическом Государственном Университете (МАГУ) [1-4]. Изначально модель разрабатывалась в Западном Отделении (Калининградской обсерватории) ИЗМИРАН на базе предшествующих ей моделей среднеширотной и экваториальной ионосферы, плазмосферы и термосферы. В Полярном Геофизическом Институте и Мурманском Государственном Техническом Университете (МГТУ) модель была модифицирована для моделирования высокоширотной ионосферы. В МГТУ и далее в (МАГУ) были созданы специальные версии модели, позволяющие исследовать особенности литосферно-ионосферного взаимодействия: ионосферные предвестники крупных землетрясений с магнитудой M>6. В настоящее время ведутся работы по переносу программного кода модели с операционных систем семей- ства Windows на современные unix-подобные операционные системы, обновлению используемых в модели эмпирически полученных аппроксимаций, подключению современных эмпирических моделей и т.д. UAM является глобальной (охватывает все долготные секторы и широты) трехмерной нестационарной моделью, охватывающей диапазон высот от 60-80 км (переменная высота нижней границы) и до геоцентрического расстояния 15R E (R E - средний радиус Земли), что составляет около 100 000 км над поверхностью Земли. Модель самосогласованно описывает мезосферу, термосферу, ионосферу и внутреннюю магнитосферу Земли как единую систему путем численного решения нестационарных трехмерных уравнений непрерывности, движения и теплового баланса для основных нейтральных и заряженных компонент атмосферы совместно с уравнением для электрического потенциала. UAM рассчитывает состав, скорости движения и температуры нейтрального, ионного и электронного газов, а также напряженность и потенциал электрического поля. Входными параметрами модели являются: 1) дата и момент времени UT (UT - Universal Time); 2) спектры солнечного ультрафиолетового и крайнего ультрафиолетового излучения и солнечная активность; 3) потоки высыпающихся из магнитосферы энергичных электронов; 4) продольные электрические токи, связывающие ионосферу с магнитосферой и/или распределение потенциала электрического поля на границе полярной шапки; 5) индексы геомагнитной активности. Для исследования возможного ионосферного отклика на протекающие в литосфере процессы подготовки сильных сейсмических событий в модели UAM был добавлен учет электрических токов сейсмогенного происхождения, текущие между поверхностью Земли и ионосферой. Такой подход был обусловлен предположением об электромагнитном механизме осуществления этой связи. Гипотеза была выработана на основе анализа возмущений полного электронного содержания (TEC - Total Electron Content) по данным навигационных спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС [5] и формированию локальных электрических полей 5-10 мВ/м по данным спутников Intercosmos Bulgaria и DEMETER [6]). Указанные эффекты наблюдались за несколько дней до землетрясений. Возмущения TEC представляли собой стабильные, малоперемещающиеся области повышенной или пониженной электронной концентрации относительно фоновых значений. Амплитуда относительных возмущений составляет более 50%, характерные времена жизни - более 4 часов. Наблюдаются они преимущественно вблизи проекции эпицентра землетрясения на высотах ионосферы в ночное время и часто в магнитоспоряженной точке. Численные расчеты глобального распределения электронной концентрации с использованием модифицированной версии UAM показали, что сейсмогенные электрические поля создают возмущения TEC посредством электромагнитного дрейфа плазмы F2-слоя ионосферы. Вертикальный дрейф под действием восточной компоненты электрического поля движет плазму вверх, в области пониженной концентрации нейтралов и, соответственно, с меньшими скоростями потерь ионов O + , доминирующих в этой области, в ионно-молекулярных реакциях. Это приводит к увеличению концентрации электронов в максимуме F2-слоя и, соответственно, к положительным возмущениям TEC. Западное поле движет плазму вниз, в области с большей концентрацией нейтралов, и, соответственно, с большими скоростями потерь ионов, т.е. к противоположному эффекту - уменьшению TEC. На низких широтах электрическое поле сейсмического происхождения приводит к модификациям экваториальной аномалия в виде углубления или заполнения провала. Вдоль идеально проводящих силовых линий поле передается вверх и далее в противоположное полушарие, создавая аналогичные эффекты в магнитосопряженной точке. С наступлением светлого времени суток электрическое поле «снимается» из-за повышенной электрической проводимости ионосферы днем, что приводит к ослаблению и даже полному исчезновению возмущений TEC. Также расчеты показали, что для генерации таких электрических полей и соответствующих им возмущений TEC достаточно возникновения токов сейсмогенного происхождения на нижней границе ионосферы (80 км над поверхностью Земли) амплитудой 1-40 нА/м 2 . Таким образом, модель UAM может использоваться как инструмент для исследований не только структуры и динамики самой верхней атмосферы с учетом взаимодействия между ее областями, но и особенностей литосферно-ионосферного взаимодействия.
1. Namgaladze A.A., Knyazeva M.A., Karpov M.I., Zolotov O.V., Martynenko O.V., Yurik R.Yu., Förster M., Prokhorov B.E. The Global Numerical Model of the Earth’s Upper Atmosphere, in: Srinivasa Rao (eds.). Numerical Simulations in Engineering and Science. 2018. doi:https://doi.org/10.5772/intechopen.71139.
2. Zolotov O.V., Namgaladze A.A., Zakharenkova I.E., Martynenko O.V., Shagimuratov I.I. Physical interpretation and mathematical simulation of ionospheric precursors of earthquakes at midlatitudes. Geomagnetism and Aeronomy. 2012. V. 52(3). P. 390-97. doi: 10.1134/ S0016793212030152.
3. Zolotov O.V. Ionosphere quasistatic electric fields disturbances over seismically active regions as inferred from satellite-based observations: A review. Russian Journal of Physical Chemistry B. 2015. V. 9(5). P. 785-788. doi:https://doi.org/10.1134/S1990793115050255.
