Air Current Circulation as a Possible Cause of Preseismic Anomalies in the Surface Electric Field
- Authors: Surkov V.V.1,2
-
Affiliations:
- Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences
- Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation, Russian Academy of Sciences
- Issue: No 2 (2024)
- Pages: 42-58
- Section: Articles
- URL: https://journals.rcsi.science/0002-3337/article/view/255557
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0002333724020046
- EDN: https://elibrary.ru/BSJFRJ
- ID: 255557
Cite item
Abstract
Ground-based measurements of the vertical atmospheric electric field of the Earth sometimes show bay-like anomalies that precede certain earthquakes. In some cases, these anomalies have even been accompanied by a change in the sign of the field under fair weather conditions. Possible causes of this phenomenon are typically attributed to anomalous changes in electrical conductivity in the surface air and increased radon emission from the soil. This paper proposes another mechanism of atmospheric electrical anomalies that involves the entrainment of charged aerosols and light and heavy ions by air flows. Such flows can be produced by small temperature anomalies observed before some seismic events. Theoretical analysis shows that anomalously strong electrical variations may occur even in the presence weak air flows provided that they persist for a long time and there is a specific structure of the velocity field with vertical air circulation and particle exchange between different atmospheric layers. For this type of flows, an analytical solution is derived and spatial distributions of atmospheric electric perturbations are obtained. The results of calculations and estimates confirm that the proposed mechanism can explain the observational data.
Full Text
About the authors
V. V. Surkov
Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences; Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation, Russian Academy of Sciences
Author for correspondence.
Email: surkovvadim@yandex.ru
Russian Federation, Moscow; Troitsk, Moscow
References
- Бузевич А.В., Дружин Г.И., Фирстов П.П., Вершинин Е.Ф., Смирнов С.Э., Филимонов В.И. Геофизические эффекты, предваряющие Кроноцкое землетрясение 5 декабря 1997 г. М = 7.7. Кроноцкое землетрясение на Камчатке 5 декабря 1997 г. Предвестники, особенности, последствия. Петропавловск-Камчатский: изд-во Камчатской Госакадемии рыбопромыслового флота. 1998. С. 177–188.
- Голицын Г.С. Методические основы теории турбулентности и морского волнения // Изв. РАН. ФАО. 2001. Т. 37. № 4. С. 438–445.
- Гохберг М.Б., Некрасов А.К., Шалимов С.Л. О влиянии нестабильного выхода парниковых газов в сейсмически активном регионе на ионосферу // Физика Земли. 1996. № 8. С. 52–55.
- Кожухов С.А., Соловьев С.П. Определение коэффициента турбулентной диффузии продуктов взрыва и пыли перед фронтальной границей всплывающего термика. Физические процессы в геосферах при сильных возмущениях: геофизика сильных возмущений. М.: ИДГ РАН. 1996. С. 314–320.
- Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. Теоретическая физика. Т. 6. 3-е изд., перераб. М.: Наука. Гл. ред. физ-мат лит. 1986.
- Макаров Е.О., Фирстов П.П. Модель некоторых предвестников аномалий в поле подпочвенного радона землетрясений с M ≥ 5.5 на полуострове Камчатка // Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. 2018. № 4(24). С. 133–147. doi: 10.1854/2079-6641-2018-24-4-133-147
- Монин А.С. Атмосферная диффузия // УФН. 1959. Вып. 1. С. 119–130.
- Михайлов Ю.М., Михайлова Г.А., Капустина О.В., Депуева А.Х., Бузевич А.В., Дружин Г.И., Смирнов С.Э., Фирстов П.П. Вариации различных атмосферно-ионосферных параметров в периоды подготовки землетрясений на Камчатке: предварительные результаты // Геомагнетизм и аэрономия. 2002. Т. 42. № 6. С. 805–813.
- Михайлов Ю.М., Михайлова Г.А., Капустина О.В., Дружин Г.И., Смирнов С.Э. Электрические и электромагнитные процессы в приземной атмосфере перед землетрясениями на Камчатке // Геомагнетизм и аэрономия. 2006. Т. 46. № 6. С. 839–852.
- Перцев Н.Н., Шалимов С.Л. Генерация атмосферных гравитационных волн в сейсмически активном регионе и их влияние на ионосферу // Геомагнетизм и аэрономия. 1996. Т. 36. № 2. С. 111–118.
- Руленко О.П., Иванов А.В., Шумейко А.В. Краткосрочный атмосферно-электрический предвестник камчатского землетрясения 6 III 1992, М = 6.1 // Докл. РАН. 1992. Т. 326. № 6. С. 980–982.
- Руленко О.П. Оперативные предвестники землетрясений в электричестве приземной атмосферы // Вулканология и сейсмология. 2000. № 4. С. 57–68.
- Руленко О.П., Марапулец Ю.В., Кузьмин Ю.Д., Солодчук А.А. Совместное возмущение геоакустической эмиссии, радона, торона и атмосферного электрического поля по данным наблюдений на Камчатке // Физика Земли. 2019. № 5. С. 76–81. https://doi.org/10.31857/S0002-33372019576-86
- Соловьёв С.П., Сурков В.В. Электрические возмущения в приземном слое атмосферы, обусловленные воздушной ударной волной // Физика горения и взрыва. 1994. Т. 30. № 1. С. 117–121.
- Сурков В.В. Электромагнитные эффекты при землетрясениях и взрывах. М.: МИФИ. 2000. 448 с.
- Сурков В.В., Пилипенко В.А., Силина А.С. Могут ли радиоактивные эманации в сейсмоактивном районе воздействовать на атмосферное электричество и ионосферу? // Физика Земли. 2022. № 3. С. 3–11. doi: 10.31857/S0002333722030097
- Тверской П.Н. Курс метеорологии (физика атмосферы). Л.: Гидрометеоиздат. 1962. 700 с.
- Astafyeva E. Ionospheric detection of natural hazards // Reviews of Geophysics. 2019. V. 57. P. 1265–1288. https://doi.org/10.1029/2019RG000668
- Choudhury A., Guha A., Kumar De B., Roy R. A statistical study on precursory effects of earthquakes observed through the atmospheric vertical electric field in northeast India // Annals of Geophysics. 2013. V. 56. № 3. P. 331–340.
- Cigolini C., Laiolo M., Coppola D. The LVD signals during the early-mid stages of the L’Aquila seismic sequence and the radon signature of some aftershocks of moderate magnitude // J. Environ. Radioactivity. 2015. V. 139. P. 56–65. https://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2014.09.017
- Genzano N., Aliano C., Corrado R., Filizzola C., Lisi M., Mazzeo G., Paciello R., Pergola N., Tramutoli V. RST analysis of MSG-SEVIRI TIR radiances at the time of the Abruzzo 6 April 2009 earthquake // Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 2009. V. 9. P. 2073–2084.
- Giuliani G., Fiorani A. L’Aquila 2009 la mia verità sul terremoto, Castelvecchi Editore. Rome. 2009.
- Gokhberg M.B., Nekrasov A.K., Shalimov S.L. A new approach to the problem of the lithosphere-ionosphere coupling before the earthquakes / Hayakawa M., Fujinawa Y. (eds.) Electromagnetic phenomena related to earthquake prediction. Terra Sci. Publ. Co. Tokyo. 1994. P. 619–625.
- Hao J., Tang T., Li D. Progress in the research on atmospheric electric field anomaly as an index for short-impending prediction of earthquakes // J. Earthq. Predict. Res. 2000. V. 8. P. 241–255.
- Harrison R.G., Aplin K.L., Rycroft M.J. Atmospheric electricity coupling between earthquake regions and the ionosphere // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2010. V. 72. P. 376–381.
- Harrison R.G., Aplin K.L., Rycroft M.J. Earthquake-cloud coupling through the global atmospheric electric circuit // Nat. Hazards Earth Syst. Sci. Discuss. 2013. V. 1. P. 7271–7283. doi: 10.5194/nhessd-1-7271-2013
- Heki K., Enomoto Y. Preseismic ionospheric electron enhancements revisited // J. Geophys. Res. 2013. V. 118. P. 6618–6626. doi: 10.1002/jgra.50578
- Inan S., Akgül T., Seyis C., Saatçılar R., Baykut S., Ergintav S., Bas M. Geochemical monitoring in the Marmara region (NW Turkey): a search for precursors of seismic activity // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. B03401. doi: 10.1029/2007JB005206
- Jin S., Occhipinti G., Jin R. GNSS ionospheric seismology: Recent observation evidences and characteristics // Earth-Sci. Rev. V. 2015. V. 147. P. 54–64.
- https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2015.05.003
- Kachakhidze N., Kachakhidze M., Kereselidze Z., Ramishvili G. Specific variations of the atmospheric electric field potential gradient as a possible precursor of Caucasus earthquakes // Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 2009. V. 9. P. 1221–1226.
- Klimenko M.V., Klimenko V.V., Zakharenkova I.E., Pulinets S.A., Zhao B., Tsidilina M.N. Formation mechanism of great positive TEC disturbances prior to Wenchuan earthquake on May 12, 2008 // J. Adv. Space Res. 2011. V. 48. № 3. P. 488–499. https://doi.org/10.1016/j.asr.2011.03.040
- Marapulets Y., Rulenko O. Joint anomalies of high-frequency geoacoustic emission and atmospheric electric field by the ground – atmosphere boundary in a seismically active region (Kamchatka) // Atmosphere. 2019. V. 10. P. 267. doi: 10.3390/atmos10050267
- Mareev E.A., Iudin D.I., Molchanov O.A. Mosaic source of internal gravity waves associated with seismic activity / Hayakawa M. (ed.). Seismo-Electromagnetics (Lithosphere-Atmosphere-Ionosphere Coupling). Tokyo: TERRAPUB. 2002. P. 335–342.
- Reist P.C. Aerosol science and technology. McGraw-Hill. New York. 1993.
- Rulenko O.P. Immediate earthquake precursors in near-ground atmospheric electricity // J. Volcanol. Seismol. 2001. V. 22. P. 435–451.
- Silva H.G., Bezzeghoud M., Reis A.H., Rosa R.N., Tlemçani M., Araújo A.A., Serrano C., Borges J.F., Caldeira B., Biagi P.F. Atmospheric electrical field decrease during the M = 4.1 Sousel earthquake (Portugal) // Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 2011. V. 11 P. 987–991.
- Surkov V.V., Pokhotelov O.A., Parrot M., Hayakawa M. On the origin of stable IR anomalies detected by satellite above seismo-active regions // Physics and Chemistry of the Earth. 2006. V. 31. № 4–9. P. 164–171.
- Surkov V., Hayakawa M. Ultra and Extremely Low Frequency Electromagnetic Fields. Springer Geophysics Series. V. XVI. Springer. 2014. 486 pp. doi: 10.1007/978-4-431-54367-1
- Surkov V.V. Pre-seismic variations of atmospheric radon activity as a possible reason for abnormal atmospheric effects // Ann. Geophys. 2015. V. 58. № 5. A0554. doi: 10.4401/ag-6808
- Tramutoli V., Bello D., Pergola G.N., Piscitelli S. Robust satellite technique for remote sensing of seismically active areas // Ann. Di Geofisica. 2001. V. 44. P. 295–312.
- Tronin A.A. Satellite thermal survey application for earthquake prediction / Hayakawa M. (ed.). Atmospheric and ionospheric Electromagnetic Phenomena associated with Earthquakes. TERRAPUB. Tokyo. 1999. P. 357–370.
- Virk H.S., Singh B. Radon recording of Uttarkashi earthquake // Geophys. Res. Lett. 1994. V. 21. P. 737–742.
- Yasuoka Y., Kawada Y., Nagahama H., Omori Y., Ishikawa T., Tokonami S., Shinogi M. Pre-seismic changes in atmospheric radon concentration and crustal strain // Phys. Chem. Earth. 2009. V. 34. P. 431–434.