Ionospheric total electron content variations observed before earthquakes: possible physical mechanism and modeling
Автор: Namgaladze A.A., Zolotov O.V., Zakharenkova I.E., Shagimuratov I.I., Martynenko O.V.
Журнал: Вестник Мурманского государственного технического университета @vestnik-mstu
Статья в выпуске: 2 т.12, 2009 года.
Бесплатный доступ
The GPS derived TEC disturbances before earthquakes were discovered in the last years using global and regional TEC maps, TEC measurements over individual stations as well as measurements along individual GPS satellite passes. For strong mid-latitudinal earthquakes the seismo-ionospheric anomalies look like local TEC enhancements or decreases located in the vicinity of the forthcoming earthquake epicenter. Such structures are generated in the ionosphere for several days prior to the main shock. The amplitude of plasma modification reaches the value of 30-90 % relative to the non-disturbed level. The zone of the anomaly maximum manifestation extends larger than 1500 km in latitude and 3500-4000 km in longitude. In case of strong low-latitudinal earthquakes there are effects related with the modification of the equatorial F2-region anomaly: deepening or filling of the ionospheric electron density trough over the magnetic equator. The possible physical mechanism which can cause such anomalies has been proposed. We consider that the most probable reason of the NmF2 and TEC disturbances observed before the earthquakes is the vertical drift of the F2-region ionospheric plasma under the influence of the zonal electric field of seismic origin. To check this hypothesis, the model calculations have been carried out with the use of the UAM (Upper Atmosphere Model) -the global numerical model of the Earth's upper atmosphere. The electric potential distribution at the near-epicenter region boundary required for the electric field maintenance has been proposed. The upper atmosphere state, presumably foregone a strong earthquake, has been modeled by means of switching-on of additional sources of the electric field in the UAM electric potential equation which was solved numerically jointly with all other UAM equations (continuity, momentum and heat balance) for neutral and ionized gases. The efficiency of the proposed mechanism has been investigated by means of model calculations of the ionosphere response to the action of zonal electric field produced by seismogenic sources located at the middle and low latitudes. The results of the corresponding numerical model calculations of the electric field and its effects in the ionospheric F2-layer and plasmasphere have been presented. They have revealed a fine agreement with TEC anomalies observed before strong earthquakes at the middle and low latitudes both in spatial scales and in amplitude characteristics.
Ionospheric earthquake precursors, epicenter, seismogenic electric field, total electron content
Короткий адрес: https://sciup.org/14294061
IDR: 14294061 | УДК: 550.347.2
Вариации полного электронного содержания в ионосфере, наблюдаемые перед землетрясениями: возможный физический механизм и моделирование
На основе GPS наблюдений полного электронного содержания (TEC) ионосферы с использованием глобальных и региональных карт TEC, а также отдельных спутниковых измерений, обнаружены возмущения TEC, предшествующие сильным землетрясениям. Для сильных среднеширотных землетрясений сейсмо-ионосферные аномалии выглядят как области локального увеличения или уменьшения TEC в окрестности эпицентра готовящегося землетрясения. Такие структуры формируются в ионосфере за несколько дней до основного сейсмического события. Величина наблюдаемых модификаций ионосферной плазмы достигает 30-90 % по сравнению с невозмущенными фоновыми значениями. Область максимального проявления аномалии имеет пространственные размеры более 1500 км по широте и 3500-4000 км по долготе. В случае сильных низкоширотных землетрясений обнаруживаются эффекты, связанные с модификацией экваториальной аномалии: углубление или "заполнение" ионосферного провала электронной концентрации на магнитном экваторе. Предложен физический механизм формирования указанных аномалий. Мы полагаем, что наиболее вероятной причиной наблюдавшихся перед землетрясениями возмущений NmF2 и TEC является вертикальный дрейф ионосферной плазмы в F2-области под воздействием зонального электрического поля сейсмического происхождения. Для проверки этой гипотезы проведен ряд модельных расчётов при помощи глобальной самосогласованной численной модели верхней атмосферы Земли UAM (Upper Atmosphere Model). Предложено пространственное распределение электрического потенциала на границе эпицентральной области, необходимое для существования указанного электрического поля. Параметры верхней атмосферы, предшествующие готовящемуся сильному землетрясению, моделировались путём включения дополнительных источников электрического поля в уравнение для электрического потенциала модели UAM, которое решалось численно совместно со всеми остальными уравнениями модели (непрерывности, движения и теплового баланса) для нейтрального и ионизованных газов. Эффективность предложенного механизма исследовалась путём численного моделирования отклика ионосферы на воздействие зонального электрического поля, порождённого сейсмогенными источниками для случаев средних и низких широт. Представлены результаты соответствующих модельных расчётов электрического поля и генерированных им эффектов в F2-области ионосферы и плазмосфере Земли. Результаты моделирования хорошо согласуются с данными наблюдений TEC перед сильными землетрясениями как в случае средних, так и низких широт, как по пространственному масштабу, так и по магнитуде наблюдаемых аномалий.
