Введение к работе
Актуальность проблемы
В атмосферно-электрических исследованиях (как теоретических, так и экспериментальных) последних десятилетий значительное внимание уделяется изучению взаимодействия электрических и климатических процессов, механизмов и энергетики атмосферного электричества, грозовых явлений и активного воздействия на грозовые процессы, построению моделей глобальной электрической цепи.
Для развития существующих моделей глобальной цепи актуальным является поиск дополнительных источников электрического ПОЛЯ, в том числе и вблизи поверхности земли, в так называемом «электродном слое». Необходимо дальнейшее уточнение и развитие моделей электрических процессов в атмосферном приземном слое, являющимся участком глобальной электрической цепи. Электрическая структура приземного слоя формируется под действием многих факторов, определяющих распределение по высоте атмосферно-электрических характеристик (концентраций аэроионов, удельной электрической проводимости, напряженности электрического поля, плотности электрического тока и заряда и т.д.). К таким факторам относят: электродный эффект, метеорологические условия, наличие аэрозольной компоненты, интенсивность ионообразования и т.п.
Наибольший вклад в процесс ионообразования в приземном атмосферном слое наряду с космическим излучением вносит радиоактивность воздуха, обусловленная переносом радиоактивных эманации из почвы, которая определяет не только пространственную изменчивость, но и суточный, и сезонный ход общей ионизации электродного слоя. Исследование вариаций объемной активности радона в приземном слое атмосферы важно для учета его влияния на электродинамику приземного слоя атмосферы, а также в вопросах рассмотрения использования радона в качестве индикатора при изучении многих процессов переноса примесей.
Цель работы: Экспериментальные исследования воздействия радона на процесс ионизации и электрические характеристики приземного слоя атмосферы.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие научные задачи:
-
Провести экспериментальное исследование содержания радона в приземном слое атмосферы и установить закономерности пространственно-временных вариаций объемной активности радона в различных физико-географических условиях.
-
На основе статистического анализа выявить роль радона в формировании вариаций атмосферно-электрических характеристик (концентрации ионов и градиента потенциала электрического поля).
-
Исследовать взаимосвязь электрических параметров приземного слоя с объемной активностью радона.
4. Провести численное моделирование электродного слоя на основе данных наблюдений (с учетом влияния радона) и выполнить сравнительный анализ теоретических и экспериментальных результатов. Научная новизна работы:
-
Выявлены особенности пространственно-временных вариаций объемной активности радона в пунктах наблюдений с разными физико-географическими условиями (степная и высокогорная зоны).
-
Впервые построены функции распределения объемной активности радона в равнинных и высокогорных условиях. Установлены статистические зависимости содержания и распределения радона вблизи земной поверхности от метеорологических факторов.
-
Получены аналитические выражения для функции интенсивности ионообразования (зависимости интенсивности ионообразования от высоты) приземного слоя атмосферы в степной и высокогорной зонах при различных метеорологических условиях.
-
Выявлены эмпирические взаимосвязи объемной активности радона с концентрацией легких ионов и градиентом потенциала электрического поля атмосферы.
-
Построена и реализована численная модель электродного слоя, отличающаяся учетом экспериментальных данных по распределению радона вблизи поверхности земли. Получено качественное и количественное согласие натурного эксперимента с модельными расчетами для высокогорных и равнинных условий.
Практическая значимость результатов работы
Полученные в диссертации результаты могут быть использованы:
для интерпретации экспериментальных данных наземных атмосферно-электрических наблюдений в различных физико-географических условиях;
для исследования влияния аэрозольного и радиоактивного загрязнений на электродинамические процессы вблизи поверхности земли;
для разработки методов мониторинга и контроля антропогенных воздействий на атмосферу;
для выделения влияния глобальных и локальных факторов, влияющих на электрические параметры атмосферного приземного слоя;
для развития моделей электродного эффекта в приземном слое атмосферы и глобальной электрической цепи.
В рамках сформулированной в работе проблемы на защиту выносятся следующие результаты и положения:
-
Результаты экспериментальных исследований атмосферно-электрических характеристик в приземном слое атмосферы, полученные на территории Ростовской области и в высокогорном районе Приэльбрусья за период 1995-2011гг.
-
Закономерности пространственно-временных изменений объемной активности радона вблизи поверхности земли в степных и высокогорных условиях.
-
Эмпирические взаимосвязи объемной активности радона с концентрацией легких ионов и градиентом потенциала электрического поля в приземном слое атмосферы для степной и высокогорной зон в различных метеорологических условиях.
-
Эмпирическая функция интенсивности ионообразования, полученная на основании изменения объемной активности радона по высоте в приземном слое атмосферы для равнинных и высокогорных условий.
-
Результаты численного моделирования электрической структуры приземного слоя в приближениях классического и турбулентного электродного эффекта с учетом эмпирической функции интенсивности ионообразования для различных физико-географических и метеорологических условий.
Степень достоверности и обоснованность научных положений, и выводов подтверждается согласованностью полученных результатов и следствий из них с известными в литературе. Результаты диссертационной работы докладывались на международных и российских научных конференциях и получили одобрение специалистов. Все выводы физически обоснованы и не противоречат современным представлениям науки и практики. Получено хорошее согласие между теоретическими модельными расчетами и экспериментальными данными. Публикации результатов и личный вклад автора
По результатам исследований опубликована 21 научная работа, включая 6 работ в изданиях из перечня ВАК. Основные результаты диссертации получены лично автором. Постановки задач исследований и обсуждение их результатов осуществлялись совместно с научным руководителем д.ф.-м.н., В.Н. Морозовым и д.ф.-м.н., проф. Г.В. Куповых. Автор принимал непосредственное участие в подготовке и проведении полевого эксперимента в составе многолетних ежегодных геофизических экспедиций факультета математики, информатики и физики ЮФУ под руководством доц. А.И. Петрова и к.ф.-м.н., доц. Г.Г. Петровой, а также в обработке, анализе данных наблюдений и их интерпретации.
Автор выражает признательность доц. Петрову А.И., к.ф.-м.н., доц. Петровой Г.Г., к.ф.-м.н., доц. Панчишкиной И.Н., к.ф.-м.н., доц. Редину А.А. за ценную консультативную помощь при подготовке диссертации. Апробация работы
Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на XIII и XIV Международных конференциях по атмосферному электричеству (Пекин, 2007; Рио-де-Жанейро, 2011), V и VII Российских конференциях по атмосферному электричеству (Владимир, 2003; Санкт-Петербург, 2012), Всероссийских конференциях молодых ученых (МАПАТЭ-2003, Нижний Новгород; САТЭП-2005, Борок; САТЭП-2008, Борок; САТЭП-2009, Звенигород; САТЭП-2010, Нижний Новгород; САТЭП-2011, Борок), научных семинарах кафедры физики факультета математики, информатики и физики ЮФУ (Ростов-на-Дону, 2009, 2010),
научных семинарах кафедры физики факультета естественнонаучного и гуманитарного образования ЮФУ (Таганрог, 2013). Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы, насчитывающего 140 наименований. Работа содержит 147 листов, включая 36 рисунков и 26 таблиц.
