Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 499, № 2, стр. 164-167

Экспериментальные исследования указывают на то, что развитие сейсмических событий часто сопровождается возмущениями электрического и магнитного полей в приземном слое атмосферы [1–4].

В частности, аномалии в электрическом поле в приземном слое атмосферы хорошо выделяются во временном ходе вертикальной компоненты напряженности электрического поля, зарегистрированном на Геофизической обсерватории Михнево ИДГ РАН в период достаточно сильных (М > 6.5) землетрясений [5]. Регистрация вариаций вертикальной компоненты напряженности электрического поля выполняется на обс. Михнево с помощью электростатических флюксметров ИНЭП. В ходе исследований рассматривались сейсмические события, произошедшие в периоды, характеризующиеся отсутствием возмущений электрического поля, вызванных техногенными источниками, а также природными источниками, не связанными с землетрясениями. При этом сейсмические события располагались на значительных расстояниях от пункта измерения.

Было обнаружено, что землетрясения сопровождаются как повышенными локальными вариациями электрического поля в период прихода сейсмических волн в пункт наблюдений, так и вариациями, приуроченными ко времени сейсмического события (иногда даже опережая его). В последнем случае эффект проявляется в виде знакопеременных вариаций вертикальной компоненты напряженности электрического поля, а также бухтообразного понижения или повышения, как правило, осложненного знакопеременными вариациями. Примеры вариаций электрического поля приведены на рис. 1.

Учитывая значительные расстояния до эпицентральной области (заведомо превышающие область подготовки событий), вопрос о механизме возникновения подобных вариаций требует дополнительного изучения, которое предпринято в настоящей работе.

Согласно современным представлениям (см., например, [6] и ссылки в этой работе), приземная атмосфера представляет собой слабоионизованную среду. Ионизация атмосферы под влиянием внешних факторов (радиоактивность, УФ-радиация) состоит в превращении молекул воздуха, а также нейтральных аэрозольных частиц в ионы. При этом электроны практически мгновенно прилипают к молекулам, образуя отрицательные ионы. Поскольку подвижность отрицательных ионов на 30–40% выше, чем положительных, нейтральные аэрозольные частицы при взаимодействии с ними приобретают в основном отрицательный заряд. В результате седиментации заряженных аэрозолей происходит смещение отрицательного заряда относительно положительного, что приводит к возникновению электрического поля в первоначально квазинейтральной атмосфере.

В квазигидродинамическом приближении, зависящие только от вертикальной координаты z (выберем направление оси z вдоль фонового электрического поля) и времени, уравнения непрерывности для ионов и аэрозольных частиц, уравнения движения и уравнение Пуассона рассматриваемой модели имеют вид:

Здесь n_±, n_a, V_±, V_a – концентрации ионов, частиц аэрозоля и их скорости, q, α, β_± – скорость ионообразования, коэффициенты рекомбинации и осаждения ионов на аэрозольную частицу соответственно, причем β_– = ${{\beta }_{ + }}\left( {1 + {{Z}_{a}}{{n}_{{0a}}}{\text{/}}{{n}_{{0 - }}}} \right)$ по условию квазинейтральности, μ_±, μ_a, E, D_± – подвижности и коэффициенты диффузии ионов (в дальнейшем диффузией ионов пренебрегаем), подвижность частиц аэрозоля и электрическое поле, Z_a – заряд аэрозольной частицы, нормированный на абсолютную величину заряда электрона e (далее заряд считаем неизменным), ν_a = = 9η/$2R_{a}^{2}{{\rho }_{a}}$ – эффективная частота соударений для аэрозольных частиц, η, R_a, ρ_a – вязкость воздуха, радиус и плотность аэрозольной частицы.

Из системы уравнений (1)–(5) при условии, что характерное время разделения заряда меньше, чем время осаждения ионов на аэрозольную частицу, а также, что μ_±$ \gg $ μ_a, можно получить уравнение, описывающее вариации электрического поля в приземном слое атмосферы:

где λ_± = en_±μ_± – проводимость воздуха. В дальнейшем для оценок полагаем λ₊ ≈ λ_– = λ.

Нетрудно получить аналитическое решение (6) и оценить амплитуду вариаций электрического поля:

Рассмотрим теперь вопрос о возможной причине вариаций электрического поля на примере наблюдений в обс. Михнево. Прежде всего отметим практически постоянное присутствие аэрозоля в приземной атмосфере [6]. Условно можно разделить частицы аэрозоля по величине радиуса на мелкие и крупные. В дальнейшем будем считать крупными присутствующие в приземной атмосфере частицы с радиусом R_a ≥ 1–2 мкм (частицы большего радиуса могут попасть в атмосферу в результате сальтации под действием ветра [6]). Кроме этого отметим, что основным естественным ионизатором воздуха приземной атмосферы является поступающий в атмосферу природный радон [6, 7], максимальная концентрация которого сосредоточена в основном в приземном слое высотой несколько метров. Учтем также, что радон является индикатором геодинамического состояния среды: изменение поля радоновых эманаций всегда (хотя и с некоторой задержкой порядка нескольких часов) сопровождает изменения геодинамического режима среды (в частности, изменение структуры исследуемого участка земной коры, проницаемости каналов миграции газа и т.д.) [7]. Поскольку обс. Михнево расположена в районе Нелидово-Рязанской тектонической структуры, можно ожидать высокую чувствительность земной коры в этом районе к изменениям геодинамического режима.

Изменения геодинамического режима могут быть обусловлены так называемыми сейсмогравитационными колебаниями Земли [8, 9]. Устойчивый спектр этих колебаний (приблизительно из 40 линий) в диапазоне 0.5–4 ч регистрируется (вертикальная и горизонтальная компоненты) при сейсмологических измерениях [10]. В указанный диапазон попадают наиболее длиннопериодные собственные колебания Земли – линии мультиплета сфероидального колебания ₀S₂, имеющие период около 54 мин. Совпадение выводов теории и эксперимента на высокочастотной границе служит основанием для предположения о том, что колебания более низких периодов также представляют собой собственные колебания Земли [11] (теория которых, однако, отсутствует из-за недостаточной изученности глубинных слоев Земли и особенно ее внутреннего ядра).

Особенностью сейсмогравитационных колебаний является их глобальность, о чем свидетельствует идентичность спектрального состава колебаний в удаленных на 2200 км пунктах – Санкт-Петербурге и Тбилиси при синхронных наблюдениях в этих городах [11]. Другая важная для нас особенность – установленная экспериментально глобальная интенсификация колебаний перед сильными землетрясениями [12] (при том, что сейсмогравитационные колебания наблюдаются и в отсутствие землетрясений).

Основываясь на этих представлениях, можно предложить следующий сценарий возникновения вариаций электрического поля, наблюдаемых на значительных (порядка 10 000 км) расстояниях от эпицентров сильных землетрясений и иногда предшествующих этим событиям. Глобальные сейсмогравитационные колебания, которые интенсифицируются перед сильными событиями, приводят к изменениям геодинамического режима, особенно заметным в тектонически сложно построенных регионах (к которым можно отнести район наблюдений в обс. Михнево). В результате растет интенсивность эманаций радона в приземный слой атмосферы, где радон, а также аэрозоль, подхватываются и выносятся в более высокие слои посредством внутренних атмосферных волн (ВГВ), которые присутствуют в атмосфере практически всегда. Периоды этих волн, согласно наблюдениям, проявляются в вариациях приземного электрического поля.

Сделаем некоторые оценки, полагая, что вязкость воздуха η = 1.8 × 10^–5 кг/м с, плотность вещества аэрозолей ρ_a = 2.5 × 10³ кг/м³, R_a = 1.2 мкм, λ = 10^–14 См/м, n_a = 10⁹ 1/м³. Для крупных аэрозолей примем Z_a = 10 [6]. Тогда из формулы (7) следует, что амплитуда вариаций поля E = 25–100 В/м (именно такие амплитуды вариаций поля и наблюдаются [5]). Сами вариации, как было отмечено, обусловлены модулирующим воздействием ВГВ на приземный слой, где в основном сконцентрированы радон и аэрозоль. В результате концентрация аэрозоля и проводимость воздуха в приземном слое будут квазипериодически меняться со временем, и генерация электрического поля будет поддерживаться.

Согласно экспериментальным наблюдениям за электрическим полем на обс. Михнево, выделяются два основных диапазона вариаций: около 10 мин и около 60 мин (бухты), что соответствует периодам ВГВ в атмосфере. Учитывая, что амплитуды этих волн могут быть сопоставимы или отличаться в несколько раз, а волны могут быть в фазе или противофазными, на рис. 2 приведены два примера решения уравнения (6) с начальным условием E(0) = 100 В/м для случаев, когда амплитуда высокочастотной волны в 3 раза больше амплитуды низкочастотной, причем на рис. 2а волны в противофазе (“бухтообразное повышение”, осложненное высокочастотными вариациями), а на рис. 2б – в фазе (“бухтообразное понижение”). Видно, что модель способна воспроизводить наблюдаемые амплитуды и формы вариаций поля.

Таким образом, предложенная в работе модель генерации вариаций вертикальной компоненты напряженности электрического поля в приземной атмосфере может описывать аномальное поведение напряженности поля, обусловленное развитием крупных удаленных сейсмических событий на примере наблюдений в Геофизической обсерватории Михнево.