Химическая физика, 2020, T. 39, № 4, стр. 51-55

1. ВВЕДЕНИЕ

Всплеск широкомасштабных исследований физико-химических процессов в ионосфере в последние два десятилетия объясняется возросшим интересом к изучению связи отклика атмосферы на мощные природные возмущения с явлениями, протекающими вблизи поверхности Земли. Возмущения ионосферы разделяются на внешние и внутренние. Первые задаются потоками быстрых заряженных частиц из окружающего космического пространства, ближайшим источником которых является Солнце. Излучение Солнца и солнечный ветер оказывают значительное влияние на распространение электромагнитных сигналов со спутников и радиолокационных станций. Последнее обстоятельство является предметом исследования радиохимической физики атмосферы [1, 2]. Источником внутренних природных возмущений ионосферы являются процессы, протекающие в окрестности и внутри Земли. К ним относятся землетрясения, вулканы, грозовые воздействия и др. [3, 4].

В настоящей работе мы ограничимся рассмотрением особенностей проявления землетрясений в ионосфере. Известно, что они связаны с появлением тяжелых светящихся пылевых частиц и вихрей в атмосфере. Их эволюция обсуждалась ранее в работе [5], где было установлено, что за макроскопические проявления этих атмосферных событий могут быть ответственны ион-молекулярные реакции в приземном слое. Согласно изложенному в работах [6, 7], одним из основных индикаторов предвестников землетрясений служит радиоактивный радон ${}_{{86}}^{{222}}{\kern 1pt} {\text{Rn}}$ – основной источник α-частиц $\left( {{}_{2}^{4}{\text{He}}} \right).$ Его распад приводит к образованию нуклида ${}_{{84}}^{{218}}{\kern 1pt} {{P}_{0}}$ с выделением 5.59 МэВ энергии [8]:

В связи с проблемой прогноза землетрясений предложена модель, которая объясняет механизмы, приводящие к свечению тяжелых пылевых частиц в эпицентральных областях во время и после сейсмических событий [6, 7]. В ее основе лежит предположение о том, что именно ионизация воздуха α-частицами приводит к заряду пылевых частиц и капель до величины пробойного электрического поля вблизи их поверхности. Рекомбинация последних с ионами воздуха и ответственна за свечение. Для последующей физической формулировки модели остановимся на данных, связанных с появлением светящихся областей. Форма светящейся области по показаниям очевидцев, собранным в работе [9], представляет собой полусферу радиусом от 10 до 100 м, соприкасающуюся с поверхностью Земли. Продолжительность свечения в среднем составляет 10–100 с.

В середине 60-х годов 20-го столетия было подтверждено фотографически и документально свечение при землетрясениях [9]. Для объяснения этого явления рассматривались различные механизмы, такие как люминесценция деформируемых горных пород, хемилюминесценция воздуха, грозовые электрические разряды и многие другие [10, 11]. В дальнейшем в работе [12] для объяснения этого явления был предложен механизм неустойчивости капелек тумана или подтаявших льдинок в электрическом поле. Данные о размерах области пространства и длительности свечения в этой работе приведены не были. Не обсуждались также причины выбора в качестве объектов исследований достаточно крупных частиц. Более того, роль радона ${}_{{86}}^{{222}}{\kern 1pt} {\text{Rn}}$ здесь практически не затрагивалась. Эти обстоятельства требуют развить новый подход к решению проблемы прогноза землетрясений. Исследования, описанные в работах [5, 9, 10], позволяют по-новому взглянуть на проблему возникновения светящихся областей и попытаться объяснить ее ионизацией воздуха быстрыми частицами.

2. КРУПНЫЕ ПЫЛЕВЫЕ ЧАСТИЦЫ В ИОНОСФЕРЕ

Обратимся теперь к работам [13, 14] и рассмотрим следующую последовательность событий. Под действием быстрых α-частиц происходит ионизация молекул воздуха. Образовавшиеся ионы заряжают крупные пылевые частицы фона и капельки до величин напряженностей электрического поля, достаточных для ионизации воздуха. Эти процессы происходят на фоне нейтрализации заряженных пылевых частиц ионами воздуха. В дальнейшем для оценки размеров частиц используем данные о размерах области свечения воздуха и времени свечения.

Исходя из результатов работ [13, 14], запишем уравнение для определения величины положительного заряда пылевой частицы при движении на нее положительных и отрицательных ионов в следующем виде:

Здесь $e$ – заряд электрона; ${{\left( {\frac{{8kT}}{{\pi {{m}_{i}}}}} \right)}^{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 2}} \right. \kern-0em} 2}}}}$ – средняя тепловая скорость иона, падающего на поверхность первоначальной нейтральной пылевой частицы радиусом ${{r}_{d}};$ $N_{i}^{ + }$ и $N_{i}^{ - }$ – концентрации положительных и отрицательных ионов в воздухе; ${v}_{i}^{ - }$ – скорость дрейфа отрицательных ионов в поле заряжаемой положительно пылевой частицы; R – расстояние от отрицательного иона до пылевой частицы; ${{m}_{i}}$ – масса иона.

Правая часть уравнения (2) содержит два слагаемых. Первое слагаемое описывает заряжение пылевой частицы двигающимися в объеме положительными ионами. Второе слагаемое учитывает, что заряжаемая частица притягивает к себе ионы противоположного знака, которые двигаются к ней с дрейфовой скоростью в поле заряженной пылевой частицы. Она связана с подвижностью отрицательных ионов, зарядом пылевой частицы и ее полем следующим образом [13]:

где ${{\mu }^{ - }}$ – подвижность отрицательного иона, $E{{{\kern 1pt} }^{ + }}$ – напряженность электрического поля заряженной пылевой частицы, ${\kern 1pt} {{\varepsilon }_{0}}$ и $\varepsilon $ – соответствующие диэлектрические постоянные.

Вследствие быстрого прилипания электронов к молекулам кислорода образованная заряженная область содержит при комнатных условиях положительные ионы азота и отрицательные ионы кислорода. Как показано в работе [14], концентрации молекулярных ионов в воздухе можно определить для нейтральных условий соотношением

где ${{q}_{b}}$ – скорость ионизации в воздухе, ${{\alpha }_{{ii}}}$ – коэффициент ионно-ионной рекомбинации положительных и отрицательных ионов [15].

Уравнение, описывающее процесс образования отрицательного заряда пылевых частиц, записывается аналогично. Действительно, подставляя (3) и (4) в (2), получим

Решение уравнения (5) хорошо известно и имеет вид

где $\beta = \left( {{e \mathord{\left/ {\vphantom {e {\varepsilon {\kern 1pt} {{\varepsilon }_{0}}}}} \right. \kern-0em} {\varepsilon {\kern 1pt} {{\varepsilon }_{0}}}}} \right){{\mu }^{ - }}N_{i}^{ - }t$ – безразмерная величина.

3. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТЕОРИИ

Для определения величины полного заряда ${{Q}^{ + }}$ необходимо, согласно (6), найти значения параметров $r_{d}^{2}$ и $\beta .$ Так как конкретные значения величин $N_{i}^{ - }$ и $t$ неизвестны, то для их “восстановления” можно использовать значения времени жизни и размера светящейся области из диапазонов 10–100 с и 10–100 м соответственно. С этой целью воспользуемся данными из работы [6], согласно которым в области выхода на поверхность радиоактивного радона и образования α-частиц скорость ионизации может достигать величины ${{q}_{b}}$ ~ 7 ∙ · 10³ см^–3 ∙ с^–1, в то время как при нормальных условиях она составляет ${{q}_{b}}$ ~ 4 см^–3 ∙ с^–1. Полагая, что коэффициент ионно-ионной рекомбинации кислородных ионов в воздухе есть ${{\alpha }_{{ii}}}$ ≈ 2 · 10^–7 см³/с [6], можно получить диапазон изменения концентраций ионов в воздухе: 4.5 ∙ 10³–1.9 10⁵ см^–3. Учитывая далее, что, согласно данным работы [16], величина ${{\mu }^{ - }}$ ≈ 2 ∙ 10^–4 м²/(В ∙ с), область изменения параметра $\beta $ в (6) составляет 1.6 < $\beta $ < 69, т.е. экспонентой в (6) можно пренебречь. В результате расчетная формула для полного заряда ${{Q}^{ + }}$ принимает простой вид:

Таким образом, окончательно в формуле (7) остается только один параметр теории, $r_{d}^{2},$ который следует определить.

Выполним оценку величины τ_d, рассматривая для простоты, что падение сферической частицы пыли на Землю происходит под действием силы тяжести. Тогда уравнение движения для пылинки массой m_d примет вид ${{m}_{d}} = \frac{{4\pi }}{3}r_{d}^{3}\rho ,$ где $\rho $ – плотность материала пылинки. Кроме того, дополнительно учтем, что при падении наряду с силой тяжести на частицу действует сила Стокса, направленная противоположно направлению падения, т.е. [17]

где g – ускорение свободного падения, $\lambda $ – коэффициент физической вязкости воздуха. Решение этого уравнения имеет следующий вид:

Учтем также, что при комнатной температуре величина $\lambda $ ≈ 1.8 · 10^–5 нс/м² и характерное время падения пылинки сопоставимо со временем существования светящейся области, которое составляет от 10 до 100 с. Для определенности будем считать, что плотность пылинки ($\rho $) порядка плотности кремния (т.е. составляет ≈2.5 · 10³ кг/м³). Тогда нетрудно получить, что параметр $\delta = \left( {{{9\lambda } \mathord{\left/ {\vphantom {{9\lambda } {2r_{d}^{2}\rho }}} \right. \kern-0em} {2r_{d}^{2}\rho }}} \right)t$ в этом случае много больше единицы. При размере пылинки $r$ ~ 10^–4 м из выражения (8) следует, что частицы падают с постоянной скоростью

Так как по данным наблюдений средняя скорость падения ${{{v}}_{d}}$ ≈ 1 м/с [18], из выражения (9) нетрудно получить, что характерный размер частицы составляет ${{r}_{d}}$ ≈ 5.7 ∙ 10^–5 м.

Воспользовавшись далее формулой (7), выражение для напряженности электрического поля вблизи поверхности частицы можно записать в следующем виде:

Подставляя в (10) значения массы иона кислорода и подвижности ${{\mu }^{ - }}$ его отрицательного иона, получаем $E$ ≈ 5.0 ∙ 10⁵ В/м. Это почти на порядок величины меньше, чем пробойное значение напряженности электрического поля в воздухе. Если же частица несферическая (например, цилиндрическая), у которой длина стенки L много больше, чем радиус плоскости оснований l, то вблизи ее плоских концов должно реализоваться высокое электрическое поле порядка и выше пробойного. Как и следовало ожидать, последнее обстоятельство будет обеспечивать ионизацию и, следовательно, рекомбинационное свечение.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе рассмотрены процессы ионизации и рекомбинации с участием тяжелых пылевых частиц и атмосферных ионов, образованных быстрыми частицами в сейсмических условиях. Показано, что последовательность ионизационных и рекомбинационных процессов может приводить к заряжению частиц пыли. В случае сферических частиц электрическое поле в воздухе у их поверхности достигает величины, в ≈20 раз меньшей пробойного значения. Для цилиндрических частиц с такой же массой и увеличенной в 10 раз (по сравнению с диаметром сферической частицы) длиной электрическое поле оказывается в 1.4 раза больше пробойной величины. При этом усиление поля в сейсмическом внешнем электрическом поле не приводит к ионизации и пробою воздуха в случае цилиндрических частиц.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что в период сейсмической активности, сопровождающейся образованием светящихся предвестников в воздухе, формирование последних определяется в первую очередь ионизацией молекул под действием быстрых α-частиц, появляющихся при распаде радиоактивного радона (1) из области сейсмической активности и разломов земной коры.

Изучение частотного спектра светящихся предвестников землетрясения выходит за рамки настоящей работы и будет предметом дальнейшего исследования. Наиболее интенсивными здесь являются излучение Солнца в видимом диапазоне и инфракрасное излучение ридберговских комплексов D- и E-слоев ионосферы, расположенных на высоте 80–110 км [20, 21]. Поэтому при обработке результирующего спектра следует выделить их относительные вклады с использованием вейвлет-анализа [2, 22].

Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема 0082-2019-0017, регистрационный номер № АААА-А19-119010990034-5).