Содержание к диссертации
Введение
1 Глобальная электрическая цепь 29
1.1 Концепция глобальной электрической цепи 31
1.2 Источники формирования глобальной электрической цепи 38
1.3 Основные параметры атмосферного участка глобальной электрической цепи 48
1.4 Электрическое состояние приземного слоя атмосферы 51
1.4.1 Ионный состав и электропроводность 51
1.4.2 Процессы новообразования 55
1.4.3 Электродный эффект 58
1.4.4 Мелкомасштабные аэроэлектрические флуктуации приземного слоя 62
1.4.5 Крупномасштабные вариации атмосферного электрического поля 66
2 Экспериментальное исследование аэроэлектрических полей и токов в приземной атмосфере 72
2.1 Измерение атмосферных электрических полей и токов 73
2.2 Уравнение индукционного электростатического зонда 75
2.2.1 Уравнение нагруженного зонда 75
2.2.2 Уравнение индукционного электростатического датчика короткопериодных пульсаций аэроэлектрического поля 79
2.3 Электростатический флюксметр 83
2.3.1 Функциональная схема прибора 85
2.3.2 Основные технические характеристики прибора 88
2.4 Токовый коллектор 91
2.4.1 Эффективная площадь токового коллектора 93
2.4.2 Эффективная площадь токового коллектора для токов смещения и проводимости 97
2.5 Аэроэлектрические наблюдения в информационно- измерительном комплексе геофизической обсерватории 101
2.5.1 Среднеширотный информационно-измерительный комплекс 103
2.5.2 Локальная сеть сбора данных 107
2.5.3 Обработкам архивация данных 110
3 Аэроэлектрические структуры и спектры нижней атмосферы .. 113
3.1 Метод структурной функции в аэроэлектрических исследованиях 113
3.2 Структурная схема экспериментальной установки 125
3.3 Короткопериодные пульсации аэроэлектрического поля 130
3.3.1 Структурные функции короткопериодных аэроэлектрических пульсаций нижней атмосферы 133
3.3.2 Модель генерации короткопериодных пульсаций электрического поля в приземной атмосфере... 148
3.3.2.1 Генерация короткопериодных пульсаций в инерционном интервале 148
3.3.2.2 Генерация пульсаций электрического поля с масштабом, большим внешнего масштаба турбулентности 154
3.4 Аэроэлектрические структуры 155
3.5 Спектры пульсаций электрического поля приземной атмосферы 176
3.5.1 Методика и результаты эксперимента „ 178
3.5.2 Обсуждение результатов 189
3.5.3 Модели формирования спектров 192
3.5.3.1 Плотность заряда как пассивная примесь в однородной турбулентности. 192
3.5.3.2 Спектр флуктуации поля, порождаемых «структурированной» турбулентностью 194
3.6 Структуры и спектры турбулентных пульсаций аэроэлектрического поля 197
3.6.1 Методика наблюдений и предварительного анализа 201
3.6.2 Обсуждение результатов наблюдений 209
3.6.3 Модели генерации пульсаций аэроэлектрического поля 225
4. Вертикальные профили аэроэлектрических параметров нижней атмосферы 235
4.1 Вертикальные профили электрической проводимости в турбулентном приземном слое 236
4.1.1 Экспериментальная установка и метод измерения полярных проводимостей 238
4.1.2 Результаты эксперимента 243
4.1.3 Теоретические оценки параметров электродного эффекта над сушей 248
4.1.4 Обсуждение результатов 25 О
4.2 Формирование высотного профиля электрического поля слабоионизированной нижней атмосферы 253
4.2.1 Основные компоненты математической модели формирования высотных профилей 253
4.2.2 Результаты численного моделирования высотного профиля электрического поля нижней атмосферы 258
4.2.3 Восстановление высотного профиля аэроэлектрического поля нижней атмосферы , 263
4.3 Отклик атмосферного электрического поля на изменение проводимости в приземной атмосфере 266
4.3.1 Нестационарное электрическое поле атмосферы 267
4.3.2 Параметры модели и результаты численного моделирования 271
4.4 Выводы 277
5 Вариации атмосферного электрического поля и тока при естественных и антропогенных возмущениях 279
5.1 Вариации напряженности электрического поля атмосферы в области аврорального овала 279
5.1.1 Описание эксперимента 280
5.1.2 Суббури в градиенте потенциала атмосферного электрического поля 282
5.1.3 О связи вариаций электрического поля и тормозного рентгеновского излучения 288
5.1.4 Вариации электрического поля и видимые полярные сияния 290
5.2 Электрические поля и токи приземной атмосферы в условиях тумана 293
5.2.1 Вариации атмосферного электрического поля и тока в условиях тумана 295
5.2.2 Пространственно-временные структуры и спектры аэроэлектрических пульсаций в условиях тумана 301
5.2.3 Механизмы формирования аэроэлектрического состояния приземного слоя в условиях тумана 307
5.3 Вариации электрического состояния нижней атмосферы при мощных антропогенных воздействиях 313
5.3.1 Аэроэлектрические поля пылегазового облака промышленного взрыва 314
5.3.2 Вариации аэроэлектрического поля в окрестностях крупного пожара 321
5.4 Выводы 324
- Электрическое состояние приземного слоя атмосферы
- Уравнение индукционного электростатического зонда
- Короткопериодные пульсации аэроэлектрического поля
- Формирование высотного профиля электрического поля слабоионизированной нижней атмосферы
Введение к работе
Круг проблем, связанных с исследованием глобальной электрической цепи (ГЭЦ) и электричества нижней атмосферы, весьма широк. Краткий перечень задач включает, прежде всего, вопросы источников формирования квазистационарного состояния ГЭЦ, вклада негрозовых генераторов электрических полей и токов в токовый баланс ГЭЦ, оценки действия глобальных генераторов на электрическое состояние нижней атмосферы средних и высоких широт, динамики электрического состояния свободной и возмущенной нижней атмосферы, установления высотных аэроэлектрических профилей, «электрического загрязнения» атмосферы при антропогенных воздействиях [1, 20, 34, 62]. В последние годы возрос интерес к изучению короткопериодных изменений аэроэлектрических полей и токов, характеризующих динамику атмосферных процессов [95, 100, 195].
Повышенное внимание к исследованию аэроэлектрических процессов обусловлено, с одной стороны, тем, что нижняя атмосфера - это одна из наиболее подвижных и уязвимых оболочек Земли, формирующих среду обитания человека. По существу, нижняя атмосфера, включая в себя приземный слой и слой обмена, тропосферу и нижнюю стратосферу, является областью взаимодействия земной поверхности, биосферы и среды индустриальной деятельности человека, которые, в свою очередь, влияют на атмосферные электрические параметры. С другой стороны, атмосферное электричество относится к классической области фундаментальных знаний, основанной на исследованиях физических процессов от макромасштабных до глобальных и от микросекундных до вековых на пространственной и временной шкалах соответственно. Атмосферное электричество долгое время оставалось обособленным направлением физики атмосферы. Концепция глобальной электрической цепи как замкнутого токового контура, включающего совокупность газовых, газо-плазменных и твердотельных оболочек, позволяет рассматривать атмосферное электрическое поле как неотъемлемую часть электромагнитного поля Земли [4-9].
Данные надежных измерений электрических характеристик нижней атмосферы составляют необходимый экспериментальный базис для исследований электрического окружения Земли. Основные положения теории и методов измерений электрического поля приземной атмосферы разрабатывались для решения традиционных задач атмосферного электричества, к которым, прежде всего, следует отнести изучение годовых, сезонных и суточных вариаций [17-19, 124]. В последние десятилетия развиваются новые направления атмосферного электричества, такие как исследование ГЭЦ; изучение влияния магнитосферно-ионосферных источников на электричество нижней атмосферы; создание моделей генерации аэроэлектрических пульсаций, формирования их структур и спектров; оценка возмущений атмосферных электрических характеристик при антропогенных воздействиях; анализ структуры поля геомагнитных пульсаций и развитие магнитогидродинамических методов диагностики магнитосферной плазмы. Решение указанных проблем экспериментальными методами потребовало создания прецизионной измерительной аппаратуры с повышенной чувствительностью, широким частотным диапазоном и цифровой регистрацией, пригодной для работы в полевых и стационарных условиях разных широт [134]. Заметим, что большинство наземных аэроэлектрических наблюдений выполняются в приземном слое атмосферы.
Электрическое состояние приземного слоя атмосферы определяется действием глобальных, региональных и локальных генераторов электрических полей и токов. К локальным можно отнести электродный эффект вблизи отрицательно заряженной земной поверхности; ионизацию, порождаемую радиоактивными природными эманациями; эффект вертикального градиента проводимости. Кроме того, приземный слой, вследствие сил вязкого трения у поверхности земли, содержит газодинамические течения, для которых характерны скорости, превышающие критические и свидетельствующие о турбулентном режиме среды. Режим практически непрерывного движения атмосферы, обусловленный влиянием трения, нагрева и испарения с подстилающей поверхности, приводит к эффективному перемешиванию аэрозолей, объемных зарядов и радиоактивных газов. Все эти факторы определяют многопараметричность процесса формирования электрического состояния приземного слоя [80].
Исследование короткопериодных (4f= Ю"3-И Гц) пульсаций электрического поля стало к настоящему времени важным разделом электродинамики атмосферы. Интерес к короткопериодным пульсациям обусловлен, с одной стороны, изучением электрических свойств атмосферы как слабопроводящей среды при различных метеорологических, геофизических и антропогенных условиях, а с другой - поиском глобальных составляющих атмосферного электричества [105, 154]. Как показывают наблюдения, короткопериодные пульсации электрического поля нижней атмосферы непосредственно связаны с существованием турбулентного перемешивания и дрейфом объемных зарядов. Аэроэлектрические пульсации обладают свойствами масштабной инвариантности, конечного потока энергии от больших масштабах к малым, зависимостью потока энергии от масштаба вихря, что допускает применение колмогоровской теории к анализу аэроэлектрических пульсаций [156-162]. Развитие экспериментальных исследований турбулентных аэроэлектрических пульсаций, спектров и структур, а также теоретических моделей их формирования и эволюции с учетом электрогидродинамических и термодинамических условий нижней атмосферы занимает важное место в современных аэроэлектрических исследованиях свободной и возмущенной атмосферы. [165, 176, 178, 189, 190, 191,195]. Одна из центральных проблем атмосферных электрических исследований связана с процессами формирования высотных аэроэлектрических профилей. Электродный эффект, действующий вблизи земной поверхности, обуславливает образование положительного объемного заряда, а также соответствующих профилей полярных электрических проводимостей и напряженности электрического поля на масштабах приземного слоя [88, 90, 208]. На масштабах нижней атмосферы вертикальное зондирование электрического состояния выполняется, обычно, с применением подъемных средств, таких как баллоны, радиозонды и самолеты-лаборатории [212]. Создание современных цифровых баз данных по результатам натурных аэроэлектрических наблюдений, а также развитие методов математического компьютерного моделирования аэроэлектрических процессов дают возможность разработки численных моделей формирования высотных профилей [200, 203].
Электрическое поле нижней атмосферы относится к наиболее вариабельным полям земного окружения. Пространственно-временные изменения основных аэроэлектрических параметров обусловлены как совокупностью источников атмосферного электричества и разнообразием процессов ионообразования, так и вариациями собственно атмосферных параметров. Для корректных оценок возможного вклада различных источников и изучения электродинамических свойств приземной атмосферы представляет интерес выполнение натурных аэроэлектрических наблюдения при энергетически значимых геофизических, метеорологических или антропогенных явлениях. Аэроэлектрические наблюдения, выполненные в зоне аврорального овала при суббуревой активности [30], в средних широтах в условиях тумана различной интенсивности [172], а также при мощных антропогенных воздействиях, обусловленных пылегазовыми облаками промышленных взрывов [47, 223] и продуктами горения пожаров [221], показали наличие аномально высоких величин вариаций напряженности поля (авроральные эффекты и антропогенные воздействия) и образование гигантских аэроэлектрических структур (эффект тумана).
Приведенное описание актуальных проблем аэроэлектрических исследований позволяет сформулировать цели настоящей диссертационной работы:
• изучение физических процессов формирования ГЭЦ, оценка баланса токов атмосферного участка ГЭЦ;
• разработка и создание прецизионного высокочувствительного широкополосного измерительного оборудования с цифровой регистрацией, предназначенного для аэроэлектрических наблюдений в стационарных и полевых условиях разных широт; создание базы данных среднеширотных аэроэлектрических наблюдений;
• экспериментальное исследование короткопериодных пульсаций атмосферного электрического поля, определение их спектральных, структурных и энергетических характеристик; создание теоретических моделей генерации турбулентных аэроэлектрических пульсаций, спектров и структурных образований, анализ взаимосвязи структурных и спектральных характеристик турбулентных аэроэлектрических пульсаций;
• экспериментальное и численное изучение формирования высотных аэроэлектрических профилей приземного слоя и нижней атмосферы;
• анализ результатов натурных наблюдений и выполнение теоретических оценок генерации аэроэлектрических вариаций при естественных и антропогенных возмущениях приземной атмосферы в зоне аврорального овала, в условиях тумана, в окрестности пылегазового облака промышленного взрыва.
Проведенные исследования основаны на гармоничном сочетании техники и методов современного геофизического эксперимента, способов и средств математической обработки и численного моделирования, физических оценок и теории. Научную новизну проделанной работы характеризуют следующие основные достижения: • впервые предложена и практически реализована методика синхронного разнесенного приема корткопериодных аэроэлектрических пульсаций на малых базах, создан экспериментальный измерительный комплекс для проведения специализированных наземных наблюдений турбулентных аэроэлектрических пульсаций,
• впервые создана база цифровых данных среднеширотных непрерывных обсерваторских наблюдений напряженности аэроэлектрического поля и плотности вертикального электрического тока;
• предложена и инсталлирована методика спектрально-временного анализа турбулентных аэроэлектрических пульсаций, впервые экспериментально обнаружены аэроэлектрические структуры пульсаций атмосферного электрического поля, определены их основные пространственно-временные и энергетические характеристики;
• впервые получены количественные, достоверно значимые оценки показателей наклона спектров и показателей структурных функций аэроэлектрических пульсаций; сформулирована задача и разработана теоретическая модель генерации пульсаций, формирования структур и спектров, принципиально оценивающая нелокальность связи напряженности электрического поля и плотности объемного заряда;
• выполнены количественные оценки взаимосвязи структурных и спектральных показателей турбулентных аэроэлектрических пульсаций; впервые показано, что линейная аппроксимация соотношений между полученными экспериментально показателями структурных функций и наклона спектров классического вида as = aD + С даёт значения С10 = 1,85 для энергонесущей (базис - 10 м) и С = 1,79 для средней (базис - 3 м) части инерционного интервала, что существенно превышает единицу, характерную для колмогоровского соотношения as - aD + 1;
• поставлена и численно решена задача формирования высотных аэроэлектрических профилей в условиях регулярной конвекции, рассчитан нестационарный отклик высотных аэроэлектрических профилей на скачок проводимости в слое обмена;
• впервые, в результате натурных экспериментов и последующих теоретических оценок, доказано существование электродного эффекта над сушей в условиях сильного турбулентного перемешивания;
• впервые методами натурного эксперимента обнаружены самоорганизованные «гигантские» аэроэлектрические структуры и структурно-временной хаос, характеризующие электродинамическое состояние тумана в естественных условиях приземного слоя;
• показано прямыми натурными наблюдениями вариаций аэроэлектрического поля магнитосферно-ионосферной природы, метеорологического явления, антропогенных генераторов, а также турбулентных аэроэлектрических пульсаций, что состояние ГЭЦ формируется совокупностью источников глобальных, региональных и локальных пространственных масштабов, действия которых проявляются на глобальной, локальной и магнитолокальноЙ шкале времени.
Многие из рассматриваемых в диссертации проблем имеют как научное, так и практическое значение. К таким задачам относятся: анализ состояния ГЭЦ в целях комплексного изучения окружающей среды; обнаружение аэроэлектрических структур нижней атмосферы с использованием полученных экспериментальных и теоретических результатов в разработке механизмов электризации грозового облака; диагностика электродинамического состояния тумана в интересах разработки методов активных воздействий; моделирование высотных аэроэлектрических профилей в интересах проведения численных экспериментов по диагностике электрического состояния воздушной среды; обнаружение аномально высоких полей пылегазового облака в интересах экологической безопасности современных промышленных технологий; разработка измерительного оборудования и методик аэроэлектрических наблюдений, а также база данных атмосферных электрических параметров в интересах геоэлектромагнитного мониторинга среды и медико-биологических применений. Полученные результаты и предложенные методы аэроэлектрических наблюдений и численного моделирования позволяют давать надежные качественные и количественные оценки реальных процессов, происходящих в ГЭЦ и атмосферном электрическом поле.
Успешному проведению аэроэлектрических исследований способствовала поддержка Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 93-05-08705, № 97-05-65011, № 00-05-65246), Международного научного фонда (1994-1995гг, гранты № NZJ000 и № NZJ300), Фонда международной ассоциации содействия сотрудничеству с учеными независимых государств бывшего Советского Союза (INTAS-94-1054). Разработка и инсталляция информационно-измерительного комплекса среднеширотной обсерватории, а также работа по организации стационарных аэроэлектрических наблюдений выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 99-07-90106).
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 263 наименований. Общий объем диссертации 357 страниц, включая иллюстрации и таблицы.
Во введении к диссертации обосновывается актуальность, даются обзор современного состояния исследований ГЭЦ и электричества нижней атмосферы, формулируется цель работы, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, кратко излагается содержание.
В главе 1 проводится критический анализ грозовой гипотезы Вильсона и обосновывается концепция ГЭЦ как естественного токового контура, образованного совокупностью геосферных оболочек и источников электродвижущих сил, выполнены оценки вклада основных генераторов, формирующих квазистационарное состояние ГЭЦ, приведены основные параметры атмосферного участка цепи, особое внимание уделено описанию электрического состояния приземного слоя, отдельно рассмотрены короткопериодные аэроэлектрические пульсации как геофизический объект, характеризующий динамику состояния атмосферы.
В разделе 1.1 проанализированы экспериментальные факты проявления глобальных электрических процессов. Определяющим, концептуальным параметром наличия ГЭЦ служит вертикальный электрический ток проводимости плотностью 10" А/м2 . Известно, что результаты вычислений высотных профилей плотности вертикального электрического тока по данным прямых баллонных измерений напряженности поля и полярных проводимостей показывают постоянное значение величины плотности тока вплоть до высот в 30 км [20], результаты ракетных измерений свидетельствуют об устойчивых высотных профилях напряженности поля и проводимости вплоть до высот в 60 км [21, 22]. Унитарная вариация величины напряженности атмосферного электрического поля служит непосредственным экспериментальным доказательством наличия глобального генератора атмосферного электрического поля. По данным наземных полевых среднеширотных аэроэлектрических наблюдений и результатам анализа суточных файлов обнаружено проявление унитарной вариации атмосферного электрического поля с максимумом значения напряженности поля около 20ч UT и минимумом - 03ч UT, что подтверждает действие ГЭЦ.
Источники электрических полей и токов ГЭЦ проанализированы в разделе 1.2. Согласно классическим представлениям стационарное состояние ГЭЦ формируется одновременным действием 1500- 1800 грозовых генераторов с индивидуальным токовым выходом ї-0.5-ь1А и общим током, генерируемым грозами, /,о,=800-н1800А. Эта величина согласуется с плотностью тока хорошей погоды у =1-ь4пА/м2 и величиной общего тока Jw,=800- -1800A [1, 2]. Однако, грозовая гипотеза Вильсона, оставаясь концептуально самосогласованной, требует экспериментального количественного подтверждения числа грозовых генераторов, одновременно работающих в ГЭЦ и реального (с учетом величины и направления) токового выхода действующих грозовых ячеек.
Последние экспериментальные результаты и модельные оценки показывают, что в поддержание токового баланса и формирование аэроэлектрического окружения ГЭЦ существенный вклад вносят мезомасштабные конвективные системы, занимающие обширные электрически активные районы. Общий вклад стратифицированных зон мезомасштабных конвективных систем в ГЭЦ может достигать 25 А и производить как заряд, так и разряд сферического конденсатора ГЭЦ [27, 28]. Наряду с тропосферными в формирование ГЭЦ участвуют магнитосферно-ионосферные источники [1, 29, 30, 35]. Так по наблюдениям на среднеширотной обсерватории экспериментально, на статистически значимом материале при одновременном выполнении условий геомагнитной возмущенности и «хорошей погоды» показана связь вариаций геомагнитного и аэроэлектрического полей, что доказывает проникновение электрических полей ионосферно-магнитосферного источника в приземную атмосферу средних широт и их вклад в формирование глобальной электрической цепи. В развитие теории униполярного генератора квадрупольного электростатического поля, обусловленного вращением проводящей планеты с дипольным магнитным полем, предложен новый механизм формирования глобальной компоненты аэроэлектрического поля [37]. По модельным оценкам униполярный генератор может обеспечить разность потенциалов между земной поверхностью и нижней ионосферой .
В и плотность вертикального электрического тока проводимости 10" А/м , что соответствует известным параметрам ГЭЦ. Анализ действия основных генераторов ГЭЦ, оценки их пространственных масштабов и вклада в формирование квазистационарного электродинамического состояния отдельных областей и цепи в целом позволяют сделать заключение, что, наряду с грозовыми, ГЭЦ формируется совокупностью глобальных, региональных и локальных источников, являющихся результатом геофизических процессов разделения и накопления зарядов, сосредоточенных в атмосфере, магнитосфере, ионосфере и литосфере.
В разделе 1.3 приведены основные характеристики атмосферного участка ГЭЦ. Показано, что аэроэлектрические параметры взаимосвязаны с атмосферными процессами электризации облаков, сезонными вариациями концентрации аэрозольных частиц в слое обмена, температурой приземного слоя атмосферы. Основные факторы, влияющие на ионный состав и электропроводность приземного слоя, рассмотрены в разделе 1.4. Проанализированы свойства аэроионов - подвижность, концентрация, процессы ионообразования и рекомбинации, а также модели классического и турбулентного электродного эффекта. Отмечено, что турбулентный режим среды - один из основных факторов формирования электрического состояния приземного слоя.
В главе 2 проанализированы методы измерения напряженности аэроэлектрического поля и плотности атмосферного тока, рассмотрены вопросы проектирования измерительного оборудования и практической реализации аэроэлектрических наблюдений в полевых и стационарных условиях средних широт. В разделе 2.1 с учетом целей исследований приведены основные требования к измерению напряженности атмосферного электрического поля и плотности вертикального электрического тока нижней атмосферы, описана процедура калибровки измерительного канала в единицах измеряемой физической величины. В разделе 2.2 рассмотрены индукционный, проводимостный и генераторный методы измерения напряженности аэроэлектрического поля, предложено уравнение индукционного электростатического зонда, характеризующее ток и напряжение в нагрузке электростатического зонда как функцию величины измеряемого электрического поля при заданных параметрах среды, зонда и нагрузки. Получено выражение для выходного напряжения индукционного электростатического зонда короткопериодных пульсаций аэроэлектрического поля U(t) = є0ййзф RAE cos cot (где є0 -электрическая постоянная, S - площадь эффективной поверхности зонда, R -активное сопротивление цепи нагрузки), дающее возможность восстанавливать значение измеряемой величины ЛЕ. Одна из практических реализаций результатов проведенного анализа заключается в создании цилиндрического индукционного датчика аэроэлектрических пульсаций. В качестве базового датчика главной составляющей вертикального аэроэлектрического поля в разделе 2.3 обосновано применение электростатического флюксметра. Выполнен подробный анализ работы датчика, приведена подробная структурная схема прибора. Прибор разработан и создан для проведения как долгосрочных стационарных, так и полевых наблюдений с высокой чувствительностью в широком частотном и динамическом диапазонах.
В разделе 2.4 качественно проанализированы методы измерения плотности атмосферного тока и основные электрические процессы, происходящие в приземном слое в окрестности токового коллектора. Выполненные оценки характеризуют горизонтальный токовый коллектор, как измеритель плотности вертикального аэроэлектрического тока j. Любое изменение электрического состояния воздуха в окружении антенны, связанное с влиянием электродного эффекта, ветровой составляющей тока или конвективной компоненты, теоретически может быть учтено изменением эффективной площади, характеризующей «способность» антенны собирать ток. Показано, что, с допустимой для натурных наблюдений точностью, результаты измерений «собираемого» общего тока I, выполненные горизонтальной проволочной антенной, могут быть интерпретированы согласно пропорциональной модели I = - 8зф j посредством вычисления эффективной площади антенны S .
Непрерывные амплитудно-временные ряды, характеризующие изменения электрического окружения Земли, служат экспериментальной основой исследований ГЭЦ, квазистационарного состояния и динамики электричества нижней атмосферы, механизмов солнечно-земных связей. В разделе 2.5 приведены структурные схемы информационно-измерительного комплекса и локальной сети сбора данных среднеширотной геофизической обсерватории, включающие аэроэлектрические измерения напряженности поля и плотности вертикального тока нижней атмосферы. Разработанные в ходе аэроэлектрических исследований электростатический флюксметр и токовый коллектор инсталлированы в информационно-измерительный комплекс и обеспечивают наполнение базы данных среднеширотной обсерватории (http://geobrk.adm.yar.ru: 1352) результатами аэроэлектрических наблюдений плотности тока и напряженности поля с тактовой частотой 10 Гц.
Глава 3 посвящена исследованию короткопериодных пульсаций аэроэлектрического поля. Экспериментальные и теоретические исследования короткопериодных пульсаций электрического поля, плотности вертикального тока и заряда указывают на их связь с турбулентным перемешиванием заряженных частиц, конвективным переносом объемных зарядов, динамикой аэрозольной компоненты в нижней атмосфере. Представленные результаты объединяют цикл работ по диагностике турбулентных аэроэлектрических пульсаций, включая практическую реализацию структурной схемы полевых натурных наблюдений с использованием метода разнесенного приема, анализу структурных и спектральных характеристик, разработку метода структурно-временного анализа и обнаружение аэроэлектрических структур, исследование взаимосвязи структурных и спектральных характеристик в инерционном интервале.
В разделе 3.2 сформулированы основные требования к натурному эксперименту по исследованию амплитудно-временных, структурных и спектральных характеристик пульсаций аэроэлектрического поля нижней атмосферы. В результате анализа разработана и практически реализована оригинальная структурная схема полевых натурных аэроэлектрических наблюдений, реализующая алгоритм метода структурных функций. Экспериментальная установка содержит набор электростатических флюксметров, электростатических индукционных датчиков, прецизионных термодатчиков, метеостанцию, цифровую систему регистрации. С использованием разработанной установки выполнялись полевые натурные аэроэлектрические наблюдения в сезоны 1995 и 1999-2003гг. Район измерений характеризовался отсутствием каких-либо локальных антропогенных аэрозольных источников и промышленных электромагнитных помех.
Первые результаты анализа структурных функций, полученных экспериментально, приведены в разделе 3.3. Структурные функции построены для различных базовых расстояний между датчиками. Расстояния составляли 5м, 10м, 15м и 20м для различных схем опытов и полевых сезонов наблюдений. Проведенный анализ структурных функций, вычисленных по результатам пространственно разнесенного приема аэроэлектрических пульсаций, позволил заключить, что наиболее характерный внешний размер инерционного интервала L0 лежит в пределах /,0 20-ь40м. Полученные оценки, указывающие на связь короткопериодных аэроэлектрических пульсаций с турбулентным перемешиванием аэроионов, послужили экспериментальной базой разработки модели, описывающей I структурную функцию и спектр пульсаций электрического поля. По существу, отсутствие теоретических наработок, позволяющих однозначно интерпретировать данные натурных наблюдений, предопределило постановку задачи изучения генерации турбулентных аэроэлектрических пульсаций. Создание теоретической модели, связывающей пульсации электрического поля и тока с гидродинамическими турбулентными пульсациями температуры и скорости ветра в условиях невозмущенной атмосферы, проведено автором совместно с ведущим научным сотрудником ИПФ РАН Е.А. Мареевым. Разработанная модель в определенной области частот приводит к степенным функциям для спектра аэроэлектрического поля. При этом количественные модельные оценки величины наклона спектра близки к экспериментальным. Рассчитанные значения амплитуд пульсаций при умеренных значениях скорости ветра, электрического поля и плотности объемного заряда согласуй этся с результатами эксперимента.
В разделе 3.4 показано, что изучение динамики аэроэлектрического состояния приземного слоя привело к необходимости развития нового метода анализа амплитудно-временных рядов, дающего возможность выделения структурно-временных образований, получивших название аэроэлектрических структур (АэлС). Алгоритм структурно-временного анализа реализуется последовательностью п кривых DE(r,nT) = (jAEz(r0 + г) - AEz(r0) f) „ ,где n = 1,2, ... At/T - номер структурной функции, вычисленный усреднением за время Т в текущем временном интервале наблюдений At. Предложенный алгоритм реализуется в пространства: структурная функция - D, расстояние - г, время - L Выполненный анализ амплитудно-временных рядов позволил определить основные пространственнф-временные и энергетические характеристики АэлС. Характерные пространственные масштабы АэлС составляют Юме величиной энергии пульсаций поля порядка 100 (В/м) . Физические механизмы формирования АэлС рассмотрены на основе базовой модели раздела 3.3, теоретические оценки пространственных размеров удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными. В разделе 3.5 приведены результаты детальных, экспериментальных и теоретических исследований спектров структурированных и неструктурированных пульсаций аэроэлектрического поля. Короткопериодные пульсации электрического поля приземной атмосферы в условиях хорошей погоды имеют степенные спектры. Показатель степени наклона спектра изменяется в диапазоне значений (-1,23) -s- (-3,36) с наиболее вероятными значениями, принадлежащими интервалу (-2,25) -г- (-3,0) со средним значением (-2,67) ±0,03, что существенно отличается от наклона спектров флуктуации температуры и скорости ветра в турбулентной атмосфере. Полученное для структурированных спектров распределение показателей наклона спектра является бимодальным с максимумами в областях (-2,75)-ь(-3,0) и (-2,25) (-2,5). Соответствующее распределение для неструктурированных спектров -асимметрично с явно выраженным максимумом, относящимся к интервалу жестких спектров с показателями наклона (-2,5) 4- (-3,0). В теоретической части раздела поставлена и решена модельная задача о спектре флуктуации электрического поля, генерируемых однородной и «структурированной» турбулентностью при наличии флуктуации плотности заряда, рассматриваемых как пассивная примесь. Указана принципиальная роль нелокальности связи напряженности электрического поля и плотности объемного заряда в условиях пространственно неоднородной турбулентности в атмосфере.
В разделе 3.6 приведены распределения показателей структурных функций и наклона спектров для инерционного интервала турбулентных аэроэлектрических пульсаций и определены основные закономерности их взаимосвязи, подобные колмогоровским, но в ряде количественных соотношений существенно от них отличающиеся. Обнаруженный экспериментально факт наличия крупномасштабных когерентных структур электрического заряда и поля, сопровождающих периоды интенсивной атмосферной турбулентности, генерирующей, в свою очередь, короткопериодные пульсации электрического поля, ставит проблему изучения взаимосвязи спектральных и структурно-временных характеристик поля аэроэлектрических пульсаций. Разработанная и реализованная, оригинальная программа аэроэлектрических исследований включала разнесенный синхронный прием и цифровую регистрацию медленных вариаций и короткопериодных пульсаций аэроэлектрического поля, а также алгоритм обработки данных, основанный на последовательном применении структурно-временного, структурного и спектрального анализа временных рядов. Линейная аппроксимация соотношений между полученными экспериментально показателями структурных функций (otD) и наклона спектров (cts) вида as = ар + С выявила asio = «DIO + »85 для энергонесущей (базис - 10 м) и aS3 = otD3 + 1,79 для средней (базис - 3 м) части инерционного интервала соответственно. Таким образом, значения констант Сю« 1,85 и Сз« 1,79 для линейной аппроксимации анализируемых соотношений as и ао примерно равны и существенно превышают единицу. На представительном статистическом материале найдены распределения показателей наклона спектра asc и показателей структурной функции aDc во всем частотном диапазоне Afc = 10"2-И Гц, соответствующем интервалу самоподобия электрогазодинамической турбулентности в приземном слое, определены основные закономерности их взаимосвязи. Полученное распределение разности asc - a оказалось бимодальным с первым максимумом, принадлежащим интервалу [1,25; 1.5], и вторым в интервале [1,75; 2.0]. Полученное в результате статистически значимой выборки бимодальное распределение разности показателей asc - otDc может являться следствием наблюдения структурированных аэроэлектрических пульсаций, генерируемых в результате проявления нелокальности как ближними, так и удаленными аэроэлектрическими структурами. Таким образом, результаты проведенных экспериментов и выполненных теоретических оценок показывают, что взаимосвязь между показателями структурных функций и индексами соответствующих спектров пульсаций, формируемых ансамблями аэроэлектрических структур в точке наблюдения, носит «неклассический» характер.
В главе 4 рассмотрены задачи формирования высотных профилей электрических параметров нижней атмосферы. Раздел 4.1 посвящен исследованию электродного эффекта над сушей. Представлены результаты натурного эксперимента по прямым измерениям вертикальных профилей полярных проводимостей. Экспериментально показано увеличение величины полярных проводимостей с высотой и наличие положительного объемного заряда в приземном слое атмосферы. Полученные результаты впервые свидетельствуют о существовании устойчивого электродного эффекта над сушей. Приведенные теоретические оценки выполнены в рамках модели турбулентного электродного эффекта. Следует подчеркнуть хорошее соответствие экспериментальных и модельных профилей проводимости.
Численная модель формирования высотных профилей аэроэлектрического поля при наличии упорядоченной конвекции рассмотрена в разделе 4.2. Задача сформулирована и решена в квазистационарном приближении с целью оценки возможностей моделирования высотных аэроэлектрических профилей, полученных по данным самолетного аэроэлектрического зондирования. Выполнен анализ условий формирования возможных видов профилей и чувствительности модели к изменениям основных параметров. Модель позволяет проводить расчет напряженности электрического поля с учетом скорости конвекции при различных значениях базовых электрических параметров. Установлено, что вертикальные профили E(z), полученные в результате расчета по разработанной модели, соответствуют известной морфологической классификации, принятой по результатам вертикального самолетного аэроэлектрического зондирования. Предложенная модель дает возможность анализировать процесс транспортировки объемных зарядов и восстанавливать аэроэлектрические профили нижней атмосферы в едином комплексе атмосферных параметров. Численный расчет отклика электрических характеристик атмосферы на скачок проводимости в слое обмена выполнен в разделе 4.3. Поставлена и решена задача определения высотных профилей напряженности электрического поля и плотности вертикального тока атмосферы, возмущенной скачком проводимости пограничного слоя. Приведены результаты численных расчетов установления электрического состояния атмосферы с изотропным экспоненциальным законом изменения проводимости. Модель позволяет оценить трансформацию высотных аэроэлектрических профилей напряженности поля и плотности тока в результате действия региональных тропосферных генераторов естественных и антропогенных электрических возмущений.
В главе 5 проанализированы результаты натурных аэроэлектрических наблюдений, выполненных в спокойных метеорологических условиях, для энергетически значимых геофизических, метеорологических и антропогенных явлений. Результаты натурных аэроэлектрических наблюдений в зоне аврорального овала при суббуревой активности геомагнитного поля приведены в разделе 5.1. Подтвержден факт существования в авроральной зоне аномальных возмущений в поле градиента потенциала атмосферного электричества в условиях хорошей погоды. Это, прежде всего, свидетельствует о негрозовых источниках аэроэлектрического поля в области аврорального овала. Одновременные наблюдения аэроэлектрического и геомагнитного поля, риометрического поглощения, тормозного рентгеновского излучения, полярных сияний показывают, что вариации градиента потенциала атмосферного электричества связаны с высыпанием высокоэнергичных частиц. В результате прямых измерений показано, что всплески тормозного рентгеновского излучения в стратосфере с энергией квантов более 350 кэВ по времени совпадают с импульсными изменениями напряженности аэроэлектрического поля. Степень связи зависит от ширины энергетического спектра высыпающихся частиц и пространственного фактора наблюдаемых событий.
Раздел 5.2 посвящен электродинамическим свойствам тумана. Приведены результаты измерений электрического поля, структур и спектра пульсаций, а также одновременные амплитудно-временные записи вертикальной компоненты электрического поля и тока. Показано, что наличие тумана в окрестности пункта наблюдений приводит к уменьшению плотности тока, иногда, со сменой знака. Установлено, что в условиях тумана интенсивность пульсаций электрического поля увеличивается более чем на порядок. Показатели спектра в большинстве наблюдаемых событий не отличаются существенно от соответствующих показателей в условиях хорошей погоды. Результаты структурно-временного анализа позволяют выделить два вида электродинамического состояния тумана, первый из которых характеризуется наличием «гигантских» аэроэлектрических структур, второй - хаотическими структурно-временными вариациями. Предложенные физические механизмы формирования спектров пульсаций электрического поля и их связи со спектрами пульсаций плотности электрического заряда учитывают турбулентность нейтрального газа и наличие аэроэлектрических структур в условиях тумана.
В разделе 5.3 приведены результаты натурных наблюдений атмосферного электрического поля при мощных антропогенных воздействиях, обусловленных пылегазовыми облаками промышленных взрывов на выброс и продуктами горения крупных пожаров. Промышленные взрывы на выброс обуславливают аномально высокие возмущения атмосферного электрического поля, достигающие значений 10 кВ/м. В дипольном приближении выполнена оценка заряда пылегазового облака. Амплитуда, скорость нарастания и продолжительность вариаций аэроэлектрического поля зависит как от параметров самого взрыва, так и от характеристик среды, в которой взрыв происходит. Вариации Ez, обусловленные пожаром, достигают значения 1000 В/м и определяются колебаниями ионизированной компоненты тепловой газовой струи. Таким образом, экспериментально показано, что региональные антропогенные воздействия сопровождаются изменением электрического состояния нижней атмосферы - «электрическим загрязнением» среды.
В заключении приведены основные результаты диссертации.
Диссертация выполнена в Геофизической обсерватории «Борок» Объединенного института физики Земли им. О.Ю, Шмидта Российской академии наук. Результаты исследований докладывались на научных конференциях, симпозиумах и семинарах: пяти Международных конференциях по атмосферному электричеству (Уппсала, Швеция, 1988; Ленинград, 1992; Осака, Япония, 1996; Гунтерсвилл, США, 1999; Версаль, Франция, 2003), VII Генеральной ассамблее IAGA (Уппсала, Швеция, 1997), Генеральной ассамблее EGU (Ницца, Франция, 1998), трех Генеральных ассамблеях URSI (Киото, Япония 1993; Лиль, Франция 1996; Маастрикт, Нидерланды 2002), Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости (Рим, Италия, 1994), Международных рабочих группах по атмосферному электричеству (Мадралин, Польша 1989; Хельсинки, Финляндия 1995; Уппсала, Швеция, 1996, 1997), Международной рабочей группы «Электродинамика и состав мезосферы» (Нижний Новгород, 1992); Международной рабочей группы «Космические процессы и электрические изменения атмосферы - SPECIAL» (Франкфурт, Германия, 2003), Всесоюзных симпозиумах по атмосферному электричеству (Ленинград, 1982; Тарту 1986), Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Ленинград, 1984), Научных сессиях и совещаниях секций Совета «Солнце-Земля» (Тбилиси, 1986; Нижний Архыз, 1991), Всероссийских конференциях молодых ученых «Малые примеси, атмосферное электричество и динамические процессы в атмосфере» (Нижний Новгород, 2000, 2003), Всероссийской научной конференции «Геология, геохимия, геофизика на рубеже XX-XXI веков» (Москва, 2002), Всероссийской конференции по атмосферному электричеству (Владимир, 2003), научных семинарах ГО «Борок» РАН, ИФЗ РАН, ИПФ РАН, НИРФИ, ФИАН, Московского государственного университета, Уппсальского университета, Института метеорологии Финляндии.
По теме диссертации опубликовано 87 работ, в том числе: 27 статей в рецензируемых отечественных и зарубежных научных журналах, 49 - в трудах Международных, Всесоюзных и Всероссийских конференций, 7 - в научных сборниках, 1 — препринт ОИФЗ РАН, 1 - на правах рукописи. По результатам выполненных разработок получено два авторских свидетельства на изобретения.
Электрическое состояние приземного слоя атмосферы
Приземный слой атмосферы толщиной несколько десятков метров по своему состоянию сильно отличается от свободной атмосферы. В этом слое за счет трения о подстилающую поверхность возможно существование турбулентных течений, перемешивающих аэроионы, заряженные аэрозоли и радиоактивные газы. При этом турбулентный режим среды - один из основных факторов формирования электрического состояния приземного слоя. К основным электрическим характеристикам приземной атмосферы относят напряженность электрического поля, электропроводность воздуха, плотность электрического вертикального тока, плотность объемного заряда, концентрацию и спектр подвижностей аэроионов и др. [17-19, 60-62]. Плотность вертикального электрического тока, в свою очередь, состоит из тока проводимости, диффузионного, конвективного тока и тока смещения: j = ZE (D K) - + v!P + (1.1) az at где к - суммарная проводимость воздуха, Ez — вертикальная компонента напряженности электрического поля, К и D - коэффициенты турбулентной и молекулярной диффузии, р — плотность объемного заряда, vz - вертикальная составляющая скорости ветра. 1.4.1. Ионный состав и электропроводность
Ионы, содержащиеся в нижних слоях атмосферного воздуха, обладают всеми свойствами газовых молекул, в частности, подчиняются закону диффузии = -( + В) (1.2) at az где dNIdt - количество частиц, пересекающих в единицу времени площадку единичного сечения, перпендикулярную градиенту концентрации dn/dz. 52 Подвижность // и коэффициент молекулярной диффузии D связаны уравнением Эйнштейна-Таунсенда fikT=De, (1.3) где к - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура. Средние значения коэффициента молекулярной диффузии для положительных и отрицательных легких ионов в воздухе составляют Z)+-2,8-10 6M2/C, D-=4,3-\0 6M2/C [63]. Перенос аэроионов в результате механизма молекулярной диффузии не имеет особого значения в свободной атмосфере, так как движение аэроионов в больших масштабах и с большими скоростями определяется общими процессами массопереноса. Проводимость воздуха определяется характеристиками аэроионов разных знаков - зарядом е и спектром подвижностей //: о о где е - заряд электрона, п+(р), njjl) - спектры подвижностей положительных и отрицательных аэроионов. Фактическая величина подвижности зависит от разных факторов, таких, как давление, плотность, температура, влажность, наличие примесей и время жизни иона. При заданной температуре подвижность ионов обратно пропорциональна давлению газа [62]. Аэроионы по спектру подвижности разделяются на легкие, средние и тяжелые. Границы между ними достаточно условны. Есть несколько методов измерения спектра легких аэроионов и разработан ряд конструкций спектрометров. Для измерений в естественных условиях тропосферы наибольшее распространение к настоящему времени получил аспирационный метод [64, 65]. Величина подвижности легких ионов находится в интервале значений (0,1-ьЗ 10Лі2/(В-с) [62, 66-71]. Подвижность тяжелых ионов изменяется в интервале значений 3-10 -г-S-IOAI B-C) [62, 71]. В то время, как легкие ионы незначительно превосходят по своим размерам молекулу, тяжелые ионы значительно больше легких ионов и физически представляют собой заряженные аэрозоли. Как правило, это частицы таких веществ, как испарившаяся морская соль или растворимые вещества промышленного дыма. Тяжелые ионы содержатся в больших количествах в зонах промышленных выбросов. Ионы, подвижность которых занимает промежуточное положение между легкими и тяжелыми, определяют как средние.
Независимо от различия в величине подвижности, существует очень важное физическое различие между тяжелыми и легкими ионами, которое может быть сформулировано следующим образом: физической сущностью легкого иона является его заряд, в то время как для тяжелого иона заряд не является основной характеристикой. Легкий ион включает в себя группу молекул, но как только заряд исчезает, молекулы перестают быть связанными, так как именно заряд есть тот механизм, который собирает их вместе; когда легкий ион теряет заряд, не остается никаких следов существования иона. Когда тяжелый ион теряет свой заряд, он остается нейтральной аэрозольной частицей и его по-прежнему легко обнаружить; он может приобрести заряд любого знака. На основании этого свойства средние ионы могут быть отнесены к тяжелым ионам. Концентрация ионов в приземном слое сильно зависит от физических, метеорологических и природных факторов. Полученные в экспериментах усредненные для наземных станций значения концентрации легких ионов составляют 7,5-108м 3 и 6,8-108м 3 соответственно для положительных и отрицательных ионов. Количество тяжелых ионов может быть от 2-10 м над морем и вблизи него до 8-10 м в промышленных центрах. Концентрация средних ионов может варьироваться в пределах 5-107-ь5-108 м"3 [61, 62, 67, 68 71]. Преобладающий вклад в проводимость в реальной атмосфере вследствие значительно большей подвижности дают легкие аэроионы, поэтому на практике вместо формулы (1.4) используют более простую запись: Л = є (/2+/4 + п-{і-) (1.5) где /4, /JL - средние подвижности легких аэроионов (//+/-4,4-104, /л_ 2-104 м /(В-с) [61,62]). Среднее значение Я для приземного слоя атмосферы А 1,8-10 14См/м над сушей и 2,8-10 14См/м над морем [17]. Электропроводность воздуха в тропосфере и нижней атмосфере, как следует из (1.5), определяется концентрацией и подвижностью легких аэроионов. Они образуются в результате ионизации молекул воздуха и обычно представляют собой агрегаты, содержащие первичный молекулярный ион (ионизированную молекулу N30+, ЬҐ , ОЬГ, О", 02"\ 03 N , N2 , N03 и т.д.) и электрически связанные с ним молекулы водяного пара - примерно 2-J-6 штук в комплексе, а также образования типа N03 (HN03)n, HS04 (HN03)n, N03 (HN03)H20, NO2SO2 и т.д.; [70, 72-77]. Время жизни легких аэроионов в нижней тропосфере ориентировочно равно 10-И 00с и зависит от концентрации более крупных частиц (аэрозолей).
Знания о физических и химических свойствах аэроионов в тропосфере недостаточно полны, так как эти свойства сложны для теоретического изучения и труднодоступны для исследования экспериментальными методами. Единственной относительно легко измеримой характеристикой аэроионов является их подвижность. Основные физические свойства легких аэроионов основаны на следующих фактах, наблюдаемых в модельных и натурных условиях: - при одних и тех же условиях подвижность отрицательных ионов несколько больше, чем положительных; - подвижность легких атмосферных ионов зависит от размеров и природы мономолекулярных ионов, являющихся как бы ядром легкого иона, а также содержания водяного пара, обусловливающего в итоге общее количество присоединившихся молекул водяного пара; -при увеличении интенсивности новообразования, а также при наличии в среде пресыщения по водяному пару появляются ионы средней подвижности, при наличии аэрозолей - тяжелые ионы; -форма спектра подвижности отрицательных ионов заметно зависит от их возраста. При наличии примесей галогенов, окислов азота и других веществ спектр вырождается в одну узкую линию [60-62, 64, 67, 69].
Уравнение индукционного электростатического зонда
Задача измерения электрического поля атмосферы заключается в определении численного значения градиента потенциала квазистационарного поля в фиксированной точке слабо проводящей среды, которой является приземная атмосфера. Измерения проводятся посредством датчиков с переменными [110- 116] или постоянными [117-120] параметрами. 2.2.1.Уравнение нагруженного зонда Зонд произвольной формы можно охарактеризовать проводимостной hr и индукционной he эффективными высотами [121]: hc=—Эзф , (2.2.1) с v Ьг= 8Эф , (2.2.2) где с - собственная емкость уединенного зонда, г - активное сопротивление зонда, S3 ji - площадь эффективной поверхности зонда. Эффективные высоты определяют индукционную Фин = псЕ (2.2.3) и проводимостную Фпр = ЬгЕ (2.2.4) составляющие потенциала зонда. При этом электростатический зонд можно представить активным двухполюсником с внутренним сопротивлением, состоящим из емкости с и сопротивления г (рис. 2.1). Нагрузкой двухполюсника служит входное сопротивление измерительного усилителя, определяемое параллельным соединением активного сопротивления R и ёмкости С. Потенциал ненагруженного зонда Ф3 определяется как сумма проводимостного и индукционного Фин потенциалов. С учетом (2.2.1) и (2.2.2) потенциал Фз-ЕЗэфГ +.л) (2.2.5) пропорционален напряженности поля Е и зависит как от параметров зонда Зэф, с, г, так и от параметров среды Бо и X в точке наблюдения.
Методы измерения напряженности поля различаются способами приобретения зондом потенциала среды. Различают: а) проводимостный метод, одна из разновидностей которого заключается в искусственной ионизации газовой среды в окрестностях точки наблюдений; б) индукционный метод, при котором в случае измерения постоянной составляющей поля эффективная поверхность зонда циклически экранируется; при измерениях короткопериодных пульсаций поля циклического экранирования зонда не требуется; в) генераторный метод, основанный на применении зонда с переменными параметрами S3 , с или г, при строгом рассмотрении в рамках выбранной классификации, должен быть отнесен к индукционному методу. Выбор метода измерения определяется предельной чувствительностью датчика, реализующего тот или иной метод, и его инерционностью. С целью расширения частотного диапазона регистрации и получения высокой пороговой чувствительности наиболее эффективно применение двухканальной измерительной системы, состоящей из электростатического флюксметра для измерения постоянной составляющей поля и индукционного электростатического датчика для измерения короткопериодных пульсаций. Эквивалентная схема (рис.2.1) позволяет получить уравнение электростатического зонда, характеризующее ток и напряжение в нагрузке электростатического зонда как функцию величины электрического поля при заданных параметрах среды, зонда и нагрузки. Следуя первому закону Кирхгофа, можно записать для точки А (рис.2.1), которая физически является точкой соприкосновения датчика и среды (-+ fR = ic+ ir (2.2.6) Подставляя в (2.6) соответствующие значения, получаем RC - + / =dc(hcE-hR) KE hR (2.2.7) dt R dt г Преобразуя (2.2.7), можно записать f + —L А,- _М_+ dcKE 9 (2.2.8) dt rx +t2 r(r, + r2) г, + т2 dt где rt = RC — постоянная времени цепи нагрузки, т2= Re - постоянная времени цепи датчик-нагрузка. Полученной неоднородное линейное дифференциальное уравнение первого порядка определяет ток в нагрузке как функцию напряженности поля Е, параметров є0 и X приземной атмосферы, собственных характеристик зонда с и г , а также параметров нагрузки R и С. Общий вид решение уравнения (2.2.8) несложен [122, 123]. Перечисленные в разделе 2.2.1 методы измерений Е реализуют частные случаи решения уравнения (2.2.8) при определенных начальных условиях. Так, для случая постоянных параметров с и hc уравнение (2.2.8) преобразуется к виду dU Л R\ U с , dE R, E ґ л m — + 1 + — — - = ----- hc —- + — Ar —— (2.2.9)
# V. r )t\+T2 C + c dt r 1+ 2 Первое слагаемое правой части уравнения (2.2.9) определяет собственно индукционный метод измерений, второе - проводимостный. Генераторный метод следует непосредственно из (2.2.8) при условии изменяющихся во времени с или, соответственно, - he. Как следует из (2.2.9), параметрами нагрузки С и R можно регулировать индукционную и проводимостную составляющие электростатического зонда.
Рассмотрим некоторые конкретные применения электростатических датчиков для измерения атмосферного электричества. Для случая согласованной антенны R = r, С = с, т1=т2 = т (2.2.10)с постоянными параметрами уравнение имеет вид: dU U h, dE ht Е /о -» 11 ч
— + - = - — + - — (2.2.11)
dt т 2 dt 2 т Подробный анализ уравнения согласованного зонда приведен в [121]. Заметим только, что напряжение на нагрузке при условиях (2.2.10) определяется не только величиной Е, но и проводимостной высотой hr, которая зависит прежде всего от А,, претерпевающей значительные локальные изменения. Стабилизация проводимостной высоты осуществляется обычно радиоактивным коллектором, фиксирующим локальное значение г в точке измерений.
Короткопериодные пульсации аэроэлектрического поля
Натурные наблюдения корткопериодных пульсаций (Af = 10" -ИГц) атмосферного электрического поля с использованием установки, реализующей метод структурных функций, проводились в полевые сезоны 1995г. и 1999-2002гг. (Таблица 3.1.) на полевом среднеширотном геофизическом пункте (58N, 38Е). Район измерений характеризовался отсутствием каких-либо локальных антропогенных аэрозольных источников и промышленных 131 электромагнитных помех. Площадка для установки оборудования представляла собой плоскую равнинную поверхность с травяным покровом. Какой-либо лесной массив, одиноко стоящие деревья, естественные или искусственные возвышенности в окрестности площадки для аэроэлектрических наблюдений отсутствовали. Размер площадки составлял 1000м х 700м. В месте установки линейки датчиков электрического поля травяной покров тщательно выкашивался. В процессе измерений, наряду с короткопериодными аэроэлектрическими пульсациями, регистрировались постоянная составляющая и медленные
вариации напряженности вертикального электрического поля, плотности вертикального электрического тока, а также основные метеорологические параметры, такие, как облачность, влажность, температура, направление и скорость ветра. Обсуждаемые в дальнейшем результаты соответствуют критериям хорошей погоды, которые отбираются согласно Международной инструкции по подготовке материалов атмосферных электрических наблюдений [163]. Наблюдения выполнены при условиях хорошей погоды, если отсутствуют грозы, осадки всякого рода, иней, туман, изморось, сильная и умеренная мгла (видимость более 4км), нижняя облачность, особенно кучевая. При этом градиент потенциала электрического поля - положительный, не более 500В/м при верхней облачности не более 3/10 неба и скорости ветра не более 6м/с. Для обработки отбирались случаи, соответствующие по скорости ветра V 2M/C. Расстояние между датчиками фиксировалось в различных сериях опытов от Зм до 125м. Высота установки электростатических флюксметров в различных опытах изменялась от уровня поверхности земли до 1,5 м в зависимости от целей эксперимента. Высота установки датчика накладывает ограничения на минимальное расстояние между приборами, так как установка датчиков на расстояния, соизмеримые с их высотой, может привести к их взаимному влиянию и, вследствие этого, искажению электрического поля в окрестностях точки измерения. Следует заметить, что расположение датчиков на треноге на фиксированной высоте позволяет уменьшить влияние подстилающей поверхности на результаты измерений аэроэлектрических пульсаций. В процессе наблюдений менялось как расположение линии датчиков - от направления север-юг до направления восток-запад, так и содержание схем опытов. Всего за периоды полевых натурных наблюдений реализовано около десяти схем наблюдений. Продолжительность работы по каждой из схем опытов определялась результатами экспресс анализа данных и получением статистически значимых результатов обработки. Измерения велись в непрерывном режиме в дневное и ночное время сезонных полевых работ при любых погодных условиях. Частота дискретизации аналого-цифрового преобразования в большинстве опытов составляла 10Гц, что позволило исследовать пульсации с верхней граничной частотой /е 5 Гц. Общий объем полученного за время наблюдений материала составляет около 5 ГВ. Результаты наблюдений - цифровые временные ряды - содержат информацию об электрических свойствах как спокойной, так и возмущенной атмосферы. Структурные функции короткопериодных аэроэлектрических пульсаций нижней атмосферы Результаты исследований короткопериодных пульсаций атмосферного электрического поля методом структурных функций опубликованы в серии работ [165-169]. На рисунке 3.3 представлен пример синхронной 5-канальной регистрограммы пульсаций вертикального электрического поля. Датчики располагались в линию на расстоянии 5 м друг от друга, в качестве базового выбирался один из крайних датчиков. В течение времени наблюдения напряженность поля изменялась в интервале величин 320 + 500 В/м, плотность вертикального электрического тока - 3,0 -г- 6,0 пА/м2. На рис.3.4 показана структурная функция, соответствующая (3.1.18). Пунктирной линией, согласно (3.1.14), изображена функция Д С2 3. Как следует из графика, в интервале 5-г20м структурная функция DE (Г) С достаточной точностью аппроксимируется степенной функцией с показателем близким к 2/3. Методически внешний масштаб пульсаций электрического поля L0 можно определить как точку, где структурная функция начинает отклоняться от "закона 2/3" и выходит на постоянный уровень. Отсутствие в начале координат участка, пропорционального г, объясняется тем, что минимальный измеряемый масштаб существенно больше внутреннего масштаба турбулентности.
На рисунке 3.5.а показан пример записи флуктуации электрического поля при расстояниях между датчиками 10 м. Условия наблюдений удовлетворяют критериям хорошей погоды. Напряженность электрического поля и плотность тока (здесь и далее имеются в виду главные составляющие, усредненные за время измерений) составляли около 140 В/м и 3,8 пА/м2 соответственно, скорость ветра І-т-2 м/с. На рис.3.5.6 представлена соответствующая структурная функция. Анализ полученных экспериментальных материалов (более двадцати случаев наличия структурных образований при расстоянии между датчиками - 10 м) позволяет заключить, что начиная с расстояний 20+30 м заметно «выполаживание» структурных функций.
Формирование высотного профиля электрического поля слабоионизированной нижней атмосферы
Для оценки вклада в структурную функцию крупномасштабных пульсаций рассмотрим модель [165], в которой облака объемного заряда движутся вдоль земной поверхности с постоянной скоростью v0 и распределены в плоскости х, у с одинаковой поверхностной плотностью X При этом среднее расстояние между ними Z m много больше, чем размер облака. Предположим, что эти облака изотропны в плоскости х, у и имеют характерный горизонтальный размер L\»h, где h - высота основания облака над землей. Предположим также, что перенос облака через выбранную точку наблюдения дает в регистрации электрического поля временной сигнал прямоугольной формы с амплитудой E P L SQ, где І/, - вертикальный размер облака, / -средняя плотность объемного заряда внутри облака. Усреднение по ансамблю может быть произведено следующим образом. Функция ,(0,0) определяется величиной EL и вероятностью появления сигнала в данной точке Р\, функция ,( ,0) - величинами EL и Рп, где Ри -вероятность появления сигнала одновременно в двух точках, разделенных расстоянием х. Мы можем записать: P\=t\IT\ Pu=tnlT где Т - полное время наблюдения, t\ и t\2 - период сигналов в одной или двух точках соответственно. Легко сделать следующие оценки: 155 r1 = (L1/v0)LiVor2:=Li2ri; tn = (LJvoyvoTMLi -x)l(Li -x) = L}T2(Ll-x)l(L1 x), где функция l(L\-x)=\ при x Li и 0 при x L\. Подставив эти выражения в формулу (3.3.1), получим [165]: W = 4 Mi/- )+A -i,)]- (3-3.22) Если положим Д)»10 10Кл/м3, Lf Li x \02M, ІМСГ м"2, получим максимальное значение DEL, равное 2-Ю4 (В/м)2, т.е. DEm совпадает по порядку величины с напряженностью электрического поля хорошей погоды.
Появление относительно больших масштабов в наших экспериментах согласуется с многочисленными данными, свидетельствующими, что турбулентность в пограничном слое имеет сложную структуру. Наблюдения показывают, что характерные горизонтальные размеры конвективных ячеек в приземном слое атмосферы обычно лежат в пределах 30-г100м [175]. Частота образования ячеек зависит от орографии, скорости ветра, времени года и т.д. Воздух в ячейках более теплый и более влажный, чем в окружающей среде. Последнее замечание весьма существенно, т.к. проводимость внутри ячейки уменьшается из-за присоединения к каплям легких ионов [80]. Этот процесс может привести к возрастанию времени релаксации зарядов, вовлеченных в ячейку и переносимых вдоль земной поверхности. В результате, электрические заряды, образующиеся вблизи поверхности благодаря электродному эффекту, радиоактивности и другим процессам, могут существовать достаточно длительное время.
3.4. Аэроэлектрические структуры Одна из ключевых задач исследования электрического состояния атмосферы заключается в изучении общей динамики и физических механизмов генерации корткопериодных аэроэлектрических пульсаций. Применение метода структурной функции, заключающегося в реализации пространственно разнесенного приема и соответствующего алгоритма обработки полученных временных рядов, позволило сделать вывод о существовании структурных образований поля аэроэлектрических пульсаций, связанных с турбулентным переносом аэроионов. Изучение динамики аэроэлектрического состояния приземного слоя предопределило развитие нового метода анализа амплитудно-временных рядов, дающего возможность выделения структурно-временных образований, получивших название аэроэлектрических структур. Далее рассмотрены алгоритмы обнаружения аэроэлектрических структур, их основные временные и энергетические характеристики, а также физические механизмы генерации [ 176-179]. В параграфе 3.1. показано, что использование структурной функции имеет ряд преимуществ перед другими методами статистического анализа локально однородных случайных полей. Из определения структурной функции Ddr) = Дг(го+г)-Дг(г0)2 (3.4.1.)
очевидно, что на ее значение не влияют ошибки в определении среднего значения электрического поля (Я), а на поведение функции в области г L0 не влияют флуктуации поля с характерными масштабами г LQ. Поэтому, в частности, аппарат структурных функций является адекватным для анализа случайных процессов, имеющих особенность спектра в нуле, т.е. обладающих высокой энергией в области больших масштабов и низких частот. Следует отметить также, что в рассматриваемом случае структурная функция Ddf) имеет ясный физический смысл - она характеризует среднюю плотность электрической энергии пульсаций с характерными масштабами меньше г. Для исследования короткопериодных пульсаций атмосферного электрического поля аппарат структурных функций впервые был использован в работах [165, 166], где, в частности, экспериментально показано, что на малых масштабах функция Ddr) га и при определенных условиях наблюдений в ряде случаев а « 2/3. 157 Важно заметить, что обнаружение структурных образований аэроэлектрического поля предопределило разработку и использование метода структурно-временного анализа, как временной последовательности структур, каждая из которых вычисляется на выбранном временном интервале. Алгоритм структурно-временного анализа реализуется последовательностью п кривых Е Е(Г ПТ) = (JAEz(r0+ г) - AEz(r0) f)n ,где n = 1,2, ... At/T номер структурной функции, вычисленный усреднением за время Т в текущем временном интервале наблюдений At. Предложенный алгоритм реализуется в пространстве: структурная функция - Д расстояние - г, время - t. Вполне естественно, поэтому пользоваться термином "структурно-временной анализ" по отношению к предложенному методу [176]. Таким образом, структурно-временной анализ позволяет характеризовать аэроэлектрическое состояние среды функцией не только пространственного масштаба, но и времени. Для этого усреднение по ансамблю реализации в формуле (3.4.1.) заменялось усреднением по временному интервалу Т, большему по сравнению с характерным временем корреляции мелкомасштабных флуктуации поля, но малому по сравнению со временами изменения средних значений электрического поля и других параметров эксперимента. Исходя из анализа экспериментальных данных, в качестве такого интервала было выбрано время Т = 5 мин. На рисунке 3.14 представлены регистрограмма минутных средних напряженности аэроэлектрического поля по материалам наблюдений 08 августа 1999 г. Основные параметры схемы опыта по наблюдению аэроэлектрических структур сезона 1999 г. приведены в Таблице 3.1. Общее количество датчиков в измерительной линейке длиной 460 м составляло 9 штук.
