Збурення навколоземного космічного простору, викликані наземними джерелами енергії

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут радіофізики та електроніки імені О.Я. Усикова

УДК 550.388.2; 551.511.8; 551.513

Збурення навколоземного космічного простору, викликані наземними джерелами енергії

04.00.22 - Геофізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Козак Людмила Володимирівна

Харків 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Київському національному університеті імені Тараса Шевченка, м. Київ

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук, професор Дзюбенко Микола Іванович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри астрономії та фізики космосу

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Ямпольський Юрій Моїсійович, Радіоастрономічний інститут НАН України(м. Харків), завідувач відділу іоносферного поширення радіохвиль

кандидат фіз.-мат. наук, доцент Тирнов Олег Федорович, Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна Міносвіти і науки Українизавідувач кафедри космічної радіофізики

Провідна установа: Інститут іоносфери НАН і МОН України,відділ теоретичних досліджень, м. Харків

Захист відбудеться “ 28 ” жовтня 2003 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.157.01 в Інституті радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України (61085, м. Харків, вул. Академіка Проскури 12, у залі засідань).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України (61085, м. Харків, вул. Академіка Проскури 12).

Автореферат розісланий " 27 " вересня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.Я. Кириченко

іоносфера фотохімічний сейсмогенний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Дисертація присвячена дослідженню стану верхньої атмосфери та іоносфери Землі над осередками землетрусів за даними супутникових та наземних вимірювань.

Актуальність теми. Сонячний вітер, взаємодіючи з магнітним полем Землі, формує в навколишньому космосі складну сукупність фізичних процесів, які обумовлюють передачу частини сонячної енергії в земну атмосферу завдяки дисипації магнітосферних струмів, частинок та хвиль. Ця взаємодія між сонячним вітром, магнітосферою, іоносферою та нейтральною атмосферою викликає варіації іоносферних та магнітосферних параметрів, в яких проявляються - 11-річний сонячний цикл, 27-добові зміни, відгук на явища типу сонячних спалахів та ін. [1, 2].

Останнім часом дуже зріс інтерес до дослідження стану верхньої атмосфери Землі, оскільки вона є зв`язуючою ланкою між Землею і космічним простором. Цій меті було присвячено ряд супутникових експериментів “UARS”, “TIMED”.

Сонячна активність є основним, але не єдиним чинником, що збурює стан навколоземного середовища. Поряд із сонячною активністю, на стан іоносфери впливають потоки енергії, які проникають знизу - від Землі. На сьогоднішній день існують спостережні дані про те, що в іоносфері локально проявляються тропосферні явища, антропогенні впливи, а також тектонічні процеси.

Одним із потужних наземних джерел енергії є землетрус, і у зв`язку з необхідністю дослідження впливу землетрусів та вивержень вулканів на стан атмосфери, ідентифікація збурень в іоносфері та магнітосфері Землі, що викликані літосферними процесами, набула великого значення. Проблема ототожнення цих збурень на фоні іоносферних неоднорідностей іншого походження є актуальною і практично важливою. Зрозуміло, що для її розв`язання необхідно не лише дослідити іоносферні збурення, а й добре вивчити фонову ситуацію в іоносфері над зоною сейсмічної активності. Природа сейсмоіоносферних зв`язків ще недостатньо зрозуміла, тому вивчення конкретних відгуків в іоносфері на сейсмічну активність буде сприяти розробці адекватних механізмів передачі збурення з літосфери в верхню атмосферу Землі.

Останніми роками широко обговорюється можливість діагностики сейсмічної активності, природних та техногенних катастроф за збуреннями іоносфери. У найближчому майбутньому планується проведення відповідних супутникових експериментів (французький супутниковий проект “DEMETR”, американський “AURA”, російський “Вулкан” та ін.)

Зв`язок з науковими програмами, планами, темами. Дана робота виконувалася під час навчання в аспірантурі на кафедрі астрономії та фізики космосу Київського національного університету імені Тараса Шевченка в рамках науково-дослідних тем науково-дослідної лабораторії “Фізика космосу”: “Фізика Сонячної корони та збурень міжпланетного і навколоземного простору” (№97006), “Дослідження взаємозв`язків у плазмових оболонках системи Сонце-магнітосфера-іоносфера-Земля” (№97007), “Дослідження динамічних процесів у геліосфері, магнітосфері та атмосфері Землі за результатами наземних та супутникових вимірювань” (№01БФ051-14), в рамках гранту INTAS №99-0078 та гранту INTAS-CNES №97-1769.

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є визначення основних характеристик збурення верхньої атмосфери Землі над наземними джерелами енергії (землетрусами) для вдосконалення існуючих моделей сейсмоіоносферних зв`язків.

Задачі дослідження:

1. Статистичне та подійне вивчення вимірів температури та швидкості вітру, отриманих на супутнику UARS над осередками землетрусів.

2. Виявлення та аналіз варіацій яскравості дискретних форм полярних сяйв над осередками землетрусів.

3. Вивчення сейсмогенних ефектів в іоносфері за матеріалами іонозондових спостережень над осередками землетрусів.

4. Побудова чисельної моделі зміни турбулентності поблизу мезопаузи при проходженні внутрішніх гравітаційних хвиль (ВГХ).

Аналіз змін стану верхньої атмосфери Землі при інтенсифікації фотохімічних процесів над осередками землетрусів.

Об`єкт дослідження - навколоземний космічний простір, зокрема, верхня атмосфера та іоносфера Землі.

Предмет дослідження - температура, горизонтальні складові вітру верхньої атмосфери Землі, полярні сяйва і критичні частоти шару F2 іоносфери.

Методи дослідження. В роботі використовувались експериментальні та теоретичні методи дослідження, а також чисельне моделювання. Для обробки спостережних даних та дослідження особливостей верхньої атмосфери над землетрусами використовувався статистичний метод накладання епох та безпосередній аналіз окремих подій. Розроблено метод сепарації збурень, викликаних землетрусами. При чисельному моделюванні використовувався алгоритм зшивання по шарах та метод інтерполяції сплайнами.

Наукова новизна одержаних результатів.

Вперше виявлено вплив землетрусів на температуру верхньої атмосфери для різних регіонів Землі за супутниковими даними. Проведено відокремлення збурень, викликаних землетрусами від фонових особливостей іоносфери, з використанням як статистичного підходу, так і реакції верхньої атмосфери на конкретні сейсмічні події.

Вперше виявлено зміну термосферної циркуляції над осередками потужніх землетрусів в іоносфері за супутниковими вимірюваннями.

Вперше отримано відгук в критичній частоті шару F2 на землетрус при аналізі іонозондових спостережень над Якутськом.

На новому спостережному матеріалі вивчено сейсмічні ефекти у яскравості дискретних форм полярних сяйв.

Вперше запропонована концепція інтенсифікації турбулентності на висотах мезопаузи та нижньої термосфери при проходженні ВГХ від сейсмічних джерел, та пов`язана з нею реконструкція фотохімічного циклу. Розраховано, з використанням чисельного моделювання, значення феноменологічних коефіцієнтів турбулентності для конкретних супутникових вимірів температури та вітру.

Практичне значення одержаних результатів. Результати цієї роботи можуть бути використані для розробки адекватної моделі сейсмоіоносферних зв`язків та при підготовці нових супутникових проектів та наземних експериментів сейсмоіоносферного моніторингу. Вони послугують також розумінню впливу наземних природних та техногенних енергетичних процесів з великим енерговиділенням на навколоземний космічний простір. Області використання - фізика навколоземного середовища, фізика слабоіонізованої плазми, динаміка атмосфери та ін.

Особистий внесок здобувача. Всі результати викладені в дисертації, одержані автором самостійно, або при його безпосередній участі.

В роботах [13, 14, 16-31] автор брав участь в постановці задачі, відборі матеріалів спостережень, розробці методики аналізу, брав участь в інтерпретації одержаних результатів та підготовці публікацій.

В роботах [14, 16, 19, 21, 26-31] автором самостійно проведено статистичний розгляд іоносферних відгуків, розроблено метод відокремлення збурень викликаних землетрусами та досліджено реакцію верхньої атмосфери на конкретні сейсмічні події.

В роботах [13, 23] автором самостійно розглянуто відгук в критичній частоті шару F2 на землетрус при аналізі іонозондових спостережень над Якутськом.

В роботах [17, 20, 22, 24, 25] автором розглянуто сейсмічні ефекти в яскравості дискретних форм полярних сяйв. Враховано добовий хід яскравості полярних сяйв.

В роботі [15] автором з використанням алгоритму зшивання по шарам та методу інтерполяції сплайнами розраховано значення коефіцієнтів турбулентності для конкретних супутникових вимірів.

В роботах [18, 31] разом із співавторами запропонована інтерпретація отриманих результатів в рамках концепції інтенсифікації турбулентності на висотах мезопаузи та нижньої термосфери при проходженні ВГХ, а також при зміні швидкості фотохімічних реакцій.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідались на конференціях та наукових семінарах:

- 6, 7, 8, 9 Open Young Scientists' Conference on Astronomy and Space Physics, Kyiv, Ukraine, 1999, 2000, 2001, 2002;

- International Symposium From solar corona through interplanetary space, into Earth's magnetosphere and groundbased observations. Febr. 1-4, 2000, Kyiv, Ukraine;

- Inernational Workshop on Seismo Electromagnetics, September 19 -22, 2000, The University of Electro-Communications Chofu-City, Tokyo, Japan;

- The Second Odessa Astronomical Summer School for Young Scienists, 12-17 August, 2001, Odessa, Ukraine;

- Первая Украинская конференция по перспективным космическим исследованиям, Октябрь 8 -11, 2001, Киев;

- COSPAR Colloquium, Plasmas Processes In The Near-Earth Space: Interball And Beyond, 5-10 February, 2002, Sofia, Bulgaria;

- Вторая Украинская конференция по перспективным космическим исследованиям, Сентябрь 21 - 26, 2002, Кацивели, Крым;

- EGS - AGU - EUG Joint Assembly, April 2003, Nice, France.
Публікації. Результати дисертації, опубліковані впродовж 1999 - 2003 років: статті в наукових реферованих журналах - 7, матеріали конференцій - 2, тези конференцій - 10.

Структура та об`єм дисертації. Дисертація складається із вступу, трьох розділів, висновків та списку використаних джерел із 125 найменувань на 12 сторінках. Рисунків - 44, таблиць - 4. Повний обсяг дисертації складає 128 сторінок.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми досліджень, сформульовано мету дисертаційної роботи та засоби її досягнення, показано наукову новизну отриманих результатів, викладено основні результати, коротко описано зміст кожного з розділів дисертації.

Перший розділ має оглядовий характер. В ньому розглянуто основні характеристики верхньої атмосфери Землі, іоносфери, полярних сяйв, а також основні характеристики землетрусів. Розглянуто спостережні дані сейсмоіоносферних зв`язків та приведено гіпотези механізмів таких зв`язків.

Верхня атмосфера формується під впливом сонячного короткохвильового випромінювання та корпускулярних висипань із магнітосфери. Вона представляє собою дуже складну динамічну і фотохімічну систему, що працює в умовах жорсткого сонячного контролю. Виявлення аномалій в поведінці параметрів верхньої атмосфери, пов`язаних із наземними джерелами енергії, неможливо без врахування фонових варіацій, які обумовлені головним чином динамічними процесами в ближньому космосі. Для того, щоб мати уявлення про велику кількість формуючих факторів, які впливають на стан верхньої атмосфери Землі, коротко розглянуто основні характеристики верхньої атмосфери, її температурний режим та динаміку (підрозділ 1.1.).

Поряд із сонячною активністю на стан іоносфери впливають потоки енергії, які проникають в іоносферу знизу - від наземних джерел енергії. В іоносфері проявляються відгуки на тектонічні явища - землетруси. Внесок енергії, що виділяється при землетрусах в енергетику іоносферних процесів показано в підрозділі 1.2.

В підрозділі 1.3.1 відмічено, що на сьогоднішній час існує велика сукупність фрагментарних свідчень експериментального і теоретичного характеру про існування сейсмо-іоносферних зв`язків [3]. Спостереження збурень в іоносфері і верхній атмосфері проводяться всіма доступними засобами. Але кожен з них має обмежені можливості і власні похибки. З цієї причини співставлення результатів, отриманих не тільки різними методами, але й в граничних областях простору, які доступні для кожного із методів окремо, має велике значення. Супутникові дані (діапазон висот починаючи із шару F2 іоносфери) про сейсмічні ефекти отримані як додаткові результати експериментів, що були спрямовані на вивчення зовсім інших явищ і орієнтовані, в основному, на вивчення процесів в авроральних областях магнітосфери (в високих широтах), де найбільш яскраво проявляється сонячно-земна взаємодія. Більша ж частина землетрусів, навпаки, відбувається на низьких і середніх широтах, де наукова апаратура включалася епізодично. З врахуванням того, що і землетруси відбуваються порівняно рідко, ймовірність знаходження супутника із включеним комплексом наукової апаратури над епіцентральною зоною в відповідний час виявилася дуже малою.

Сучасні модельні уявлення про сейсмо-іоносферні зв`язки носять сьогодні в багатьох випадках гіпотетичний, дискусійний характер. Можливі канали передачі збурень від осередку землетрусу в верхню атмосферу приведено в підрозділі 1.3.2.:

1) електромагнітний - сейсмоактивна область є своєрідною антеною, що випромінює електромагнітні хвилі завдяки тому, що деформація літосферних порід і утворення тріщин супроводжується електричною поляризацією і генерацією низькочастотних електричних струмів [4];

2) електростатичний - утворення аномального атмосферного електричного поля в епіцентральній зоні, що пов`язане з великомасштабним розділенням зарядів в земній корі [5], або зі збільшенням концентрації радону в приземній атмосфері [6];

3) за допомогою внутрішніх гравітаційних хвиль - в сейсмічно активних регіонах перед землетрусами та під час них можуть відбуватися інтенсивні викиди літосферних газів [7], або коливання земної кори, що приводять до генерації внутрішніх гравітаційних хвиль;

4) інфразвуковий - інфразвукові хвилі, викликані сейсмічними джерелами, розповсюджуються до верхніх шарів атмосфери і там викликають модифікацію іоносферних параметрів [8].

В другому розділі викладено оригінальні методи та результати досліджень змін стану верхньої атмосфери над осередками землетрусів за супутниковими вимірами.

Проаналізовано:

-варіації температури верхньої атмосфери за вимірюваннями супутника UARS (Upper Atmospheric Research Satellite);

-варіації горизонтальної швидкості вітру за вимірюваннями супутника UARS;

-варіації критичної частоти шару F2 за іонозондовими вимірюваннями;

-зміни інтенсивності полярних сяйв (аскаплоти).

Розроблено програмне забезпечення для обробки даних.

Підрозділ 2.1 Розглянуто зміну температури верхньої атмосфери над осередками землетрусів. Для дослідження було використано виміри приладу WINDII (Wind Imaging Interferometer), встановленого на супутнику UARS [9], за період з грудня 1991 по квітень 1994 року. Висотний профіль температури та горизонтальних складових швидкості вітру (діапазон висот 80 - 300 км) отримувався із вимірів ширин та доплерівських зсувів емісійних ліній верхньої атмосфери в режимі лімбових спостережень. Нами аналізувалися спостереження над осередками землетрусів з магнітудою, що перевищує 6.0 балів за шкалою Ріхтера. Опрацювання матеріалів спостережень проводилося як з використанням статистичної методики накладання епох (нульовий часовий репер суміщувався з моментом головного удару землетрусу), так і шляхом дослідження окремих подій.

Для статистичного розгляду було використано 215 землетрусів. Аналізувалися вертикальні профілі температури на епіцентральних відстаннях, що не перевищували 600 км. Для кожного землетрусу за вимірами на інтервалі часу 15 5 діб до моменту головного удару в межах указаної зони визначався середній (фоновий) профіль температури (T_ф(h)). В статистичній процедурі накладання епох використовувалися відносні відхилення температури Т/Т_ф. В ході дослідження виявлено: зменшення температури після землетрусу в діапазоні висот 111 - 270 км і підвищення температури на висотах 81 - 96 км, яке починається за декілька годин до землетрусу і триває після нього - рис. 1. (підвищення на цих висотах краще проявляється в нічних умовах). При аналізі просторового розподілу найбільш характерних змін температури над осередками землетрусів виявилося, що підвищення температури спостерігається здебільшого на епіцентральних відстанях біля 150 км (рис.2.), а пониження температури відносяться до епіцентральних відстаней 240 км - 500 км.

Аналіз температурного ходу відносно “уявних” землетрусів (контрольна вибірка) не показав особливостей.

Показано, що для даної вибірки відсутні суттєві систематичні аномалії чисел Вольфа і Кр-індексів (принаймі, на інтервалі 10 діб відносно початку землетрусу), які могли б вплинути на одержані висновки.

Для дослідження особливостей температурних змін над конкретними землетрусами відбиралися події, що характеризувалися одним головним потужним поштовхом, або були першими в серії потужних поштовхів. Профілі трьох із розглянутих землетрусів приведено на рис.3.

Спостерігається зміна температурного профілю в межах інтервалу часу від -3 год до +3 доби відносно початку землетрусу. Як і в випадку статистичних досліджень, для конкретних подій перевірявся вплив сонячної і геомагнітної активності, що дозволило ствержувати, що отримані зміни температурних профілів не викликані цими факторами.

Результати цього підрозділу опубліковані в статтях: [14, 19].

Підрозділ 2.2. Проведено дослідження можливого впливу землетрусу на термосферну циркуляцію (область вище 80 км). Використано виміри горизонтальних складових швидкостей вітру, окремо зональної і меридіональної ( за вимірами супутника UARS).

Дослідження проводились двома шляхами. В першому - проведено усереднений розгляд змін горизонтального вітру над осередками землетрусів, в іншому - аналіз вітру для конкретних землетрусів на певній висоті.

В першому випадку з використанням методу накладання епох розглянуто ситуацію під час 234 землетрусів, для яких були супутникові спостереження вітру. Розглядалися зміни швидкості вітру на часовому інтервалі плюс-мінус 5 діб відносно початку землетрусу в радіальній зоні до 600 км. Щоб виключити вплив добової і сезонної варіації, аналізувалися відхилення компонент швидкості вітру V від їх фонового значення, яке визначалось для відповідних висот на часовому інтервалі від -10 до -5 діб відносно початку землетрусу і при близьких зенітних кутах Сонця (допускалися відхилення z 5).

Виявлено: підсилення зональної компоненти швидкості вітру в напрямку на схід на висотах 84 - 102 км після землетрусу, а на висотах 135 - 180 км - за декілька годин перед землетрусом; для меридіональної складової швидкості вітру підсилення на південь на висотах 135 - 270 км після землетрусу.

Розгляд змін швидкості вітру по 120 контрольних точках не показав подібних змін відносно “уявних” землетрусів.

При розгляді карт дискретних вимірів швидкості вітру на висоті 90 км для конкретних землетрусів виявлено, що має місце зростання швидкості вітру після землетрусу і зміна напрямку вектора швидкості вітру: вектор швидкості наближається до радіального напрямку відносно епіцентру землетрусу.

Щоб більш детально виявити природу впливу землетрусу на динаміку верхньої атмосфери було розглянуто зміну радіальної і тангенціальної складової швидкості вітру відносно епіцентру. На висотах 125 - 260 км спостерігається підсилення радіального збурення V, яке виражається в підсиленні вітру, якщо він до сейсмічного поштовху був направлений від епіцентру і в послаблені, якщо попередньо вітер був направлений до епіцентру. Тривалість збурення 4 - 5 діб із максимумом за 1 добу до землетрусу. Можна констатувати, що на квазістаціонарну систему вітрів накладається вітер в радіальному напрямку від епіцентру землетрусу. Для тангенціальної компоненти на даних висотах суттєвих змін не спостерігається рис. 4.

Результати даного підрозділу опубліковані в статті [16].

Підрозділ 2.3 Проаналізовано зміну середньої амплітуди відхилення критичної частоти шару F2 в околі землетрусу.

Використано іоносферні спостережен-ня над Якутськом за 1957-1969 роки. Методом накладання епох опрацьовано 165 сейсмічних з енерговиділенням lgE(ерг) (13 23). Розглядалися особливості ходу частоти появи позитивних та негативних іоносферних збурень в часовому інтервалі плюс-мінус три доби відносно землетрусу в межах епіцентральних відстаней 800 км.

Статистично значимим результатом цього аналізу можна вважати зростання частоти появи негативних іоносферних збурень після землетрусу протягом доби з наступною більш повільною релаксацією (рис. 5).

Результати даного підрозділу опубліковані в статті [13].

Підрозділ 2.4. Проведено дослідження зміни яскравості полярних сяйв над областями землетрусів. Використано каталог 123 землетрусів, що відбулися на Алясці з 1957 по 1959 роки та результати спостережень полярних сяйв на станціях “College” (Col., 64.7, 103.1 E), “Farewell” (Faw., 61.4, 106.6 W), “Kotsebu” (Kot., 63.7, 118.0 W), “Barroy” (Bar, 68.5, 118.8 W), у тому ж інтервалі часу. Результати спостережень на згаданих станціях були представлені у вигляді аскаплотів. При аналізі було враховано добову варіацію інтенсивності полярних сяйв. Спостерігається статистично значиме відхилення спостережуваної середньої інтенсивності полярних сяйв від середньої добової, як за спільними даними всіх чотирьох станцій, так за даними вимірювань на станції “Barroy”.

Особливо помітно зниження інтенсивності полярних сяйв на протязі доби після землетрусу (рис. 6).

Результати даного підрозділу опубліковані в статті [17].

В третьому розділі для пояснення отриманих результатів запропоновано концепцію інтенсифікації турбулентності на висотах мезопаузи над осередками землетрусів та пов'язану з нею реконструкцію вертикальних температурних профілів та фотохімічного циклу.

Розглянуто модель впливу внутрішніх гравітаційних хвиль, що розповсюджуються вгору від сейсмічного джерела, на виникнення та інтенсифікацію турбулентності на висотах мезопаузи та нижньої термосфери. Для чисельних розрахунків турбулентності використані стаціонарні рівняння для спектральних функцій ізотропних турбулентних полів в термічно стратифікованій атмосфері при наявності сили тяжіння і напівемпіричні положення Ламли-Шура [10]. Розглядалося поширення ВГХ в горизонтально стратифікрованій неізотермічній атмосфері. Порівнювалися коефіцієнти турбулентної в`язкості та температуропровідності при фонових значеннях температури та вітру з тими, що мають місце при збуреннях ВГХ. Фонові значення параметрів приймалися згідно спостереженням супутника UARS в спокійні періоди. Для визначення параметрів атмосфери при проходженні ВГХ розглядалися двовимірні рівняння гідродинаміки для неізотермічної атмосфери без врахування в`язкості і теплопровідності. Вважаючи, що в незбуреному стані нейтральна атмосфера горизонтально стратифікована, розбивали її на ряд тонких ізотермічних щарів. Для шару з номером шукали вертикальну швидкість частинок в хвилі в вигляді

де - комплексна стала. Розв`язки в сусідніх шарах зшивалися умовою рівності вертикальних зміщень на границі між шарами. Задаючи значення вертикальної швидкості частинок на нижній границі, та для заданих і було розраховано значення вертикальної швидкості в усіх шарах.

Одержано зміну (зростання) коефіцієнтів турбулентного переносу при проходженні ВГХ через мезопаузу та нижню термосферу.

Цей результат дозволяє з єдиної точки зору інтерпретувати спостережувані сейсмоіоносферні ефекти.

А саме. ВГХ, що генеруються в епіцентральній області землетрусу, розповсюджуючись вгору через земну атмосферу, підсилюють турбулентність (і турбулентний перенос) на висотах мезопаузи та нижньої термосфери. Модельні розрахунки [11] показали, що в таких умовах за рахунок процесів турбулентного переносу тепла та турбулентного нагрівання вертикальний профіль температури трансформується: на атмосфера охолоджується, а на , дещо нагрівається. Супутникові спостереження над осередками землетрусів (розділ 2) дають саме такий результат відносно змін вертикального температурного профіля, що підтверджує концепцію турбулентної інтенсифікації в верхній атмосфері в сейсмоактивних регіонах.

Зростання температури на висотах мезопаузи обумовлює зменшення темпу рекомбінаційних процесів та відповідного збільшення електронної концентрації. Зростає також частота електронних зіткнень . Це обумовлює збільшення іоносферного поглинання радіохвиль. Іонозондові та ріометричні спостереження над осередками землетрусів підтверджують такий висновок.

На висотах іоносферного шару E (нижня термосфера) зниження температури обумовлює зростання ефективного коефіцієнта рекомбінації (дисоціативна рекомбінація основних молекулярних іонів та) і відповідне зменшення N_e та електропровідності. Разом з тим в умовах інтенсивної турбулентності відбувається збагачення нижньої термосфери атомарним киснем, що переноситься зверху. Зменшення електропровідності в шарі E, де замикаються авроральні струми, приводить до зменшення яскравості дискретних форм полярних сяйв (розділ 2). Знаходить природне пояснення і зростання емісії, атомарного кисню в лінії світіння нічного неба на середніх широтах [12]: , де [O] - концентрація атомів кисню, [M] - повна концентрація атмосфери.

Проведені якісні оцінки можливих наслідків вертикального переносу аерозолів та окису азоту (NO) в зоні інтенсифікації турбулентних рухів над осередками землетрусів, а також динаміки кластерних та негативних іонів в цих умовах. Показано, що такі процеси також добре узгоджуються з спостережними даними, приведеними в розділі 2.

Результати даного розділу опубліковані в статтях: [15, 18].

Висновки містять основні результати роботи.

ВИСНОВКИ

В даній дисертаційній роботі було вивчено зміни верхньої атмосфери Землі над потужними наземними джерелами енергії - землетрусами. Проведено аналіз, як супутникових, так і наземних вимірювань.

Оскільки іоносферні відгуки на землетрус маскуються варіаціями іоносфери, пов`язаними із добовими, сезонними процесами в середовищі та ін., то при дослідженнях було проведено ототожнення збурень сейсмічного походження від фонових особливостей іоносфери. При аналізі використовувався статистичний розгляд і дослідження реакції верхньої атмосфери на конкретні сейсмічні події.

В результаті виконання роботи виявлено відгук в іоносфері та верхній атмосфері Землі на близький землетрус. Зокрема:

При аналізі вимірів температури отриманих на супутнику UARS за період з грудня 1991 р. по квітень 1994 р. над 215 землетрусами, розміщеними по всій земній кулі, вперше виявлено:

- підвищення температури на висотах мезопаузи (81 - 96 км), яке починається за декілька годин до землетрусу і триває протягом кількох діб, в радіальній зоні відносно епіцентру, що не перевищує 150 км. Даний ефект спостерігається в основному для нічних вимірів;

- зниження температури після моменту головного удару на висотах 110 - 270 км, яке спостерігається як при статистичному розгляді, так і при аналізі конкретних подій. Зниження температури спостерігається, в основному, на епіцентральних відстанях ~ 240 - 500 км.

При аналізі вимірів горизонтальних складових швидкості вітру отриманих приладом WINDII на супутнику UARS над осередками 234 землетрусів, вперше виявлено особливості зміни в термосферній циркуляції Спостерігається підсилення радіального (відносно епіцентру) вітру на висотах 125 - 260 км.

Аналіз змін середньої амплітуди критичної частоти шару F2, отриманих методом вертикального зондування над Якутськом, та вибірки 65 землетрусів в радіусі 800 км показав, що в шарі F іоносфери (h 200-250 км) щойно після головного удару землетрусу спостерігається зростання неоднорідності в розподілі електронної концентрації з переважанням негативних збурень, або іоносферних каверн.

Опрацювання спостережень полярних сяйв, проведених на чотирьох станціях Аляски, над 123 землетрусами, за період з 1957 по 1959 рр., показало депресію середньої яскравості сяйв, що вказує на зменшення електронної концентрації (і електропровідності) на висотах Е-шару іоносфери після головного удару землетрусу.

Шляхом чисельного моделювання отримано зміну коефіцієнтів турбулентної в`язкості та температуропровідності при проходженні внутрішньої гравітаційної хвилі, що може генеруватися літосферним джерелом енергії. Проаналізовано зміну температурних профілів та циклу фотохімічних реакцій у верхній атмосфері в умовах турбулентної інтенсифікації.

Запропоновано концепцію підсилення турбулентних рухів на висотах мезопаузи та нижньої термосфери над епіцентрами землетрусів, яка добре узгоджується зі спостережуваними ефектами.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Дзюбенко М.І., Козак Л.В. Збудження іоносфери під час близького землетрусу // Вісник Київського університету. Астрономія. - 2000. - № 36. - С. 63-66.

2. Дзюбенко Н.И., Ивченко В.Н., Козак Л.В. Вариации температуры над очагами землетрясений по измерениям спутника UARS // Космічна наука і технологія. - 2001. - Т.7, №5/6. - С. 94-99.

3. Козак Л.В. Зміна турбулентних процесів у нижній термосфері при проходженні внутрішніх гравітаційних хвиль // Космічна наука і технологія. - 2002. Т.8, №5/6. - С. 86-90.

4. Козак Л.В., Ивченко В.Н. Изменения ветра в верхней атмосфере над землетрясениями по спутниковым измерениям // Космічна наука і технологія. - 2002. - Т.8, №4. - С. 54-63.

5. Dzubenko M.I., Kozak L.V. A search of correlation between aurora activity and near earthquakes/ Seismo Electromagnetics Lithosphere-Atmosphere-Ionosphere Coupling/ edited by M. Hayakawa, O.A. Molchanov. - Tokyo: TERRAPUB, 2002. -P. 333-334.

6. Дзюбенко М.І., Козак Л.В. Вплив землетрусів на стан іоносфери // Космічна наука і технологія. - 2003. Т.9, №1. - C. 71-80.

7. Дзюбенко Н.И., Ивченко В.Н., Козак Л.В. Изменения температуры в термосфере над очагами землетрясений по спутниковым измерениям // Геомагнетизм и Аэрономия. - 2003. - Т. 43, №1. - С.118-123.

8. Dzubenko M.I., Kozak L.V. Aurora activity depresion after near seismic shocks // Proc. International Symposium from solar corona through interplanetary space, into Earth's magnetosphere and groundbased observations. - Kyiv (Ukraine). - 2000. - P. 129-131.

9. Kozak L.V., Ivchenko V.M., Dzubenko M.I. The wind change in upper atmosphere over seismic activity regions // Proc. WDS`02 (11^th Annual Student Conference Week of doctoral students 2002, June 11 - 14, 2002). - PartII. - Prague (Czech). - 2002. - P. 361-366.

10. Dzubenko M.I., Kozak L.V. A search of correlation between aurora activity and near earthquakes // International Workshop on Seismo Electromagnetics, 2000 of NASDA. - Tokyo (Japan). - 2000. - C. 161.

11. Kozak L.V. A search of response in upper ionosphere on near earthquake // Abstracts YSC6, 6th Open Young Scientists' Conference on Astronomy and Space Physics. April 27-30. -Kyiv (Ukraine). - 1999. - P. 57.

12. Kozak L.V. Aurorae and near earthquake: a statistical approach // Abstracts YSC6, 6th Open Young Scientists' Conference on Astronomy and Space Physics. April 27-30. -Kyiv (Ukraine). - 1999. - P. 58.

13. Kozak L.V. Peculiarities of aurora activity variation after earthquake // Abstracts YSC7, 7th Open Young Scientists' Conference on Astronomy and Space Physics. April 25-28. -Kyiv (Ukraine). - 2000. - P. 52.

14. Kozak L.V. Influence of an earthquake onto upper atmosphere temperature // Abstracts YSC8, 8th Open Young Scientists' Conference on Astronomy and Space Physics. April 24-28. - Kyiv (Ukraine). - 2001. - P. 36.

15. Kozak L.V. The earthquakes influence on the thermospherical circulation // Abstracts YSC9, 9th Open Young Scientists' Conference on Astronomy and Space Physics. April 23-27. - Kyiv (Ukraine). - 2002. - P. 66.

16. Kozak L.V., Dzubenko M.I., Ivchenko V.M. The variations of temperature and wind components over earthquakes from observations obtained by satellite UARS // Abstracts of COSPAR Colloquium "Plasma Processes in the Near- Earth Space: INTERBALL and Beyond". -Sofia (Bulgaria). - 2002, Feb. 5-10. - P. 66.

17. Дзюбенко Н.И., Ивченко В.Н., Козак Л.В. Исследование температурных изменений над очагами землетрясений // Сборник тезисов Первой украинской конференции по перспективным космическим исследованиям. - Киев, Украина. - 8-11 October 2001, - P. 61-62.

18. Козак Л.В., Дзюбенко Н.И., Ивченко В.Н. Изменения скорости ветра над очагами землетрясений на высотах 80 - 300 км // Сборник тезисов Второй Украинской конференции по перспективным космическим исследованиям. - Кацивели, Крым. - 21-26.09.2002. - С. 38.

19. Kozak L.V., Dzubenko M.I., Ivchenko V.M. Temperature and thermosphere dynamics behavior analysis over earthquake epicenters from satellite measurements // Geophysical Research Abstracts. EGS-AGU-EUG Joint Assembly. - Nice (France). -2003. Vol. 5. - 00294.

АНОТАЦІЇ

Козак Л.В. Збурення навколоземного космічного простору викликані наземними джерелами енергії. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 04.00.22 - Геофізика. - Інститут радіофізики і електроніки імені О.Я. Усикова НАН України, Харків, 2003.

На основі супутникових та наземних вимірювань параметрів верхньої атмосфери Землі проведено дослідження варіацій температури, вітру, електронної концентрації та яскравості полярних сяйв над локальними наземними джерелами енергії (землетрусами). Були оброблені дані супутника UARS (Upper Atmospheric Research Sattelite) за період з грудня 1991 по квітень 1994 р., авроральні спостереження чотирьох станцій над сейсмічно активною Аляскою та іоносферні дані Якутської станції. Проведені дослідження свідчать про наявність відгуку в верхній атмосфері Землі на землетрус, який проявляється не тільки після головного удару, але і в період його підготовки. Всі зареєстровані ефекти з єдиної точки пояснені виходячи з концепції зміни турбулентності на висотах мезопаузи та нижньої термосфери при проходженні внутрішніх гравітаційних хвиль сейсмічного походження, а також при зміні швидкості фотохімічних реакцій.

Отримані результати послугують розумінню впливу наземних природних та техногенних енергетичних процесів на навколоземний космічний простір, та при підготовці нових супутникових проектів по дослідженню стану верхньої атмосфери Землі.

Ключові слова: іоносфера, температура верхньої атмосфери, термосферна циркуляція, полярні сяйва, критична частота шару F2 іоносфери.



Козак Л.В. Возмущения околоземного космического пространства, вызванные наземными источниками энергии. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук, по специальности 04.00.22 - Геофизика - Институт радиофизики и электроники имени О.Я. Усикова НАН Украины, Харьков, 2003.

На основе спутниковых та наземных измерений параметров верхней атмосферы Земли проведены оригинальные исследования вариаций температуры, ветра, электронной концентрации и яркости полярных сияний над локальными источниками энергии (землетрясениями). Для анализа ветра и температуры были использованы измерения проведенные на спутнике UARS (Upper Atmospheric Research Satellite), прибором WINDII (Wind Imaging Interferometer) за период с декабря 1991 по апрель 1994 г. Висотный профиль температуры и горизонтальных составляющих скорости ветра (диапазон высот 80 - 300 км) получали из анализа допплеровского уширения и сдвига эмисионных линий верхней атмосферы в режиме лимбовых наблюдений.

При иследовании было использовано два подхода непосредственный анализ конкретных событий и статистический метод наложения эпох.

Было проанализировано вариации температуры над очагами 215 землетрясений с магнитудой более 6 балов. Получено повышение температуры атмосферы на высотах 81- 96 км в периоды высокой сейсмической активности, которое в основном соответствует ночным измерениям и локализовано преимущественно на расстоянии около 150 км относительно эпицентра. На высотах 110 - 270 км, наоборот, наблюдается понижение температуры над очагами землетрясений на эпицентральных расстояниях 240 - 500 км. Понижение температуры на этих высотах наблюдается и при рассмотрении состояния ионосферы над конкретными землетрясениями.

Проанализировано также изменения горизонтальной составляющей скорости ветра над очагами 234 землетрясений с магнитудой М 6. Для конкретных землетрясений были построены карты ветров на высоте 90 км. Отмечено возмущение радиальной относительно епицентра составляющей скорости ветра землетрясения на высотах 125 - 260 км с максимумом за сутки до землетрясения.

При исследовании возмущений критической частоты области F2 ионосферы над Якутском были использованы ионозондовые наблюдения с 1957 - 1969 год. Установлено, что после главного толчка землетрясения наблюдается увеличение неоднородностей в распределении электронной концентрации с преимущественным образованием ионосферных каверн.

Проведено исследование изменения яркости полярных сияний над сейсмично активными областями. Использован каталог землетрясений, которые имели место на Аляске с 1957 по 1959 год, и результаты наблюдений полярных сияний, представленных в виде аскаплотов, на станциях “College”, “Farewell”, “Kotsebu”, “Barroy”. В яркости полярных сияний в течении суток после землетрясения наблюдается депресия, которая указывает на уменьшение электронной концентрации на высотах Е-области ионосферы.

Проведено моделирование воздействия внутренних гравитационных волн (ВГВ) на развитие и интенсификацию турбулентности на высотах мезопаузы и нижней термосферы. Рассмотрено распространение ВГВ в горизонтально стратифицированной неизотермической атмосфере без учета вязкости и теплопроводности. Сравнены коефициенты турбулентности при фоновых значениях температуры и ветра и с учетом возмущений параметров атмосферы при наличии волны. Отмечено изменение коефициентов турбулентной вязкости и температуропроводности в тонких слоях атмосферы при прохождении волны.

Исходя из концепции интенсификации вертикального турбулентного переноса в верхней атмосфере над областями землетрясений и связаной с ней реконструкцией температурного профиля и фотохимического цикла были объяснены полученные в диссертации результаты и результаты других исследователей.

Результаты диссертации будут полезны для понимания влияния наземных естественных и техногенных энергетических процесов на околоземное космическое пространство, а также при подготовке новых спутниковых проектов по исследованию состояния верхней атмосферы Земли.

Ключевые слова: ионосфера, температура верхней атмосферы, термосферная циркуляция, полярные сияния, критическая частота слоя F2 ионосферы.

Kozak L.V. Disturbances of near-Earth space caused by ground based sources of energy. - Manuscript

Thesis for a candidate's degree by speciality 04.00.22. - Geophysics.- Usikov's Institute for Radiophysics and Electronics NAS of Ukraine, Kharkiv, 2003.

Basing on satellite and ground based measurements of Earth upper atmosphere parameters the investigations of variations of the temperature, wind, electron concentration and polar auroras above local ground sources of energy (earthquakes) have been carried out. Data from the satellite UARS (Upper Atmospheric Research Satellite), specially by device WINDII, for the period from December 1991 till April 1994; aurora observations above seismic active Alaska from four stations; ionosphere data of station in Yakutsk were processed. The investigations point out the response in Earth upper atmosphere on an earthquake, which manifests itself not only after the main shock but also on the stage of the earthquake preparation. All registered phenomena are explained basing on the conception of a turbulence change on the heights of mesopause and lower thermosphere at going through the inner gravity waves and also at a change of a speed of photo-chemical reactions.

The obtained results may be used for understanding of the influence of ground natural and artificial energetic processes onto near-Earth space and at the preparation of new satellite projects for the exploration of upper atmosphere state.

Key words: ionosphere, temperature of upper atmosphere, thermosphere circulation, aurora, critical frequency of F2 layer.

Размещено на Allbest.ru

...