Abstract and keywords
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.

Keywords:
upper earth atmosphere, ionosphere, earthquakes, simulation
Text
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.
References

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: 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: 10.1134/S1990793115050255.