Содержание к диссертации
Введение
1. Теоретические и экспериментальные исследования электрических процессов в приземном слое атмосферы .9
1.1. Основные сведения об электрических процессах в приземном слое
атмосферы 9
1.2. Концепция глобальной электрической токовой цепи: история развития представлений и современное состояние исследований 14
1.3. Моделирование электрических процессов в приземном слое атмосферы 25
1.4. Экспериментальные исследования электродного слоя атмосферы 31
2. Исследования метеорологических характеристик приземного слоя применительно к атмосферно-электрическим наблюдениям 45
2.1. Метеорологическая информация: методы измерения, расчета и статистической обработки метеорологических характеристик приземного слоя 45
2.2. Пространственно-временные вариации метеорологических характеристик 50
2.3. Физико-статистический анализ метеорологических характеристик... 60
3. Исследования вариаций атмосферно-электрических токов по результатам измерений в Ростовской Области и Прибайкалье 69
3.1. Методика измерений 69
3.2 Физико-статистический анализ вариаций вертикальных атмосферно-электрических токов 75
3.3 Временные вариации вертикальных электрических токов по данным измерений 83
3.4.Сравнение критериев «условий хорошей погоды» 89
4. Влияние процессов переноса электрического заряда вблизи земной поверхности на формирование электродинамической структуры приземного слоя 95
4.1 Роль вертикальных электрических токов в формировании и перераспределении объемного заряда вблизи земной поверхности 95
4.2. Влияние процессов вертикального движения воздуха на перенос заряда из атмосферы на земную поверхность 105
4.3. Сравнительный анализ экспериментальных данных о процессах переноса заряда в атмосфере и на границе атмосфера-земля с результатами теоретических расчетов параметров электродного слоя 109
Заключение
Литература 115
- Концепция глобальной электрической токовой цепи: история развития представлений и современное состояние исследований
- Пространственно-временные вариации метеорологических характеристик
- Физико-статистический анализ вариаций вертикальных атмосферно-электрических токов
- Влияние процессов вертикального движения воздуха на перенос заряда из атмосферы на земную поверхность
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Исследования вертикальных атмосферно-электрических токов различной природы вблизи земной поверхности представляют научный интерес, прежде всего, тем, что процессы переноса заряда в значительной степени влияют на электродинамическую структуру приземного слоя. Сложность теоретического изучения этого слоя обусловлена тесной взаимосвязью атмосферно-электрических и метеорологических явлений, наличием аэрозольных частиц и источников ионизации в атмосфере, а также близостью границы раздела двух сред «атмосфера-земля», обуславливающей действие «электродного эффекта». Одной из причин, затрудняющей интерпретацию экспериментальных данных, полученных при наземных атмосферно-электрических измерениях, является наложение локальных возмущений электрического поля атмосферы на его глобальную унитарную вариацию. Существующие в настоящие время методики выделения условий «хорошей погоды» при отборе данных, не позволяют полностью исключить явления, приводящие к появлению заметных локальных составляющих электрического поля.
Данные измерений вертикальных электрических токов в атмосфере вблизи земной поверхности и на границе атмосфера-земля дают основания полагать, что наряду с током проводимости важную роль в обмене зарядами между атмосферой и землей играют процессы механического переноса. Измерения тока механического переноса в разных условиях представляют особый интерес, поскольку его можно рассматривать как локальный генератор электрического поля, действующий повсеместно в приземном слое атмосферы. Исследования закономерностей работы такого генератора позволят оценить его влияние на формирование структуры электродного слоя. Для этого необходимо выявить связи тока механического переноса с другими физическими факторами, что является сложной многопараметрической задачей, решению которой способствует анализ
экспериментальных данных об электрических и метеорологических характеристиках приземного слоя атмосферы.
Идея развития исследований в этом направлении была сформулирована проф. Имянитовым И.М. (Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова) в начале 80-х годов прошлого века.
Цель работы. Исследование процессов переноса заряда в атмосфере вблизи земной поверхности и их роли в формировании электродинамической структуры приземного слоя.
Для достижения поставленной цели решались следующие научные задачи:
Физико-статистический анализ массивов атмосферно-электрических параметров, полученных в различных пунктах наблюдений.
Установление закономерностей пространственно-временных вариаций вертикальных атмосферно-электрических токов.
Оценка интенсивности различных процессов переноса заряда из атмосферы на землю.
Сравнение методик определения исключающих условий при выборке нормальных дней (условий «хорошей погоды») для отбора данных с целью выявления динамики глобальных атмосферно-электрических процессов.
Установление эмпирических зависимостей между электрическими и метеорологическими параметрами в ненарушенных условиях.
Сравнительный анализ накопленных экспериментальных данных о процессах переноса заряда в атмосфере и на границе атмосфера-земля с результатами наблюдений других исследователей и результатами теоретических расчетов параметров электродного слоя.
Научная новизна работы. 1. Впервые выполнены измерения составляющих вертикального электрического тока в приземном слое атмосферы в совокупности с
метеорологическими наблюдениями на территории Ростовской области и в районе озера Байкал.
Выявлены особенности процесса переноса электрического заряда из атмосферы на землю в пунктах с разными физико-географическими условиями.
На основе физико-статистического анализа экспериментальных данных установлено, что ток механического переноса на границе атмосфера-земля составляет 30-40% от тока проводимости, а для пунктов Ростовской области имеет в основном отрицательное значение.
Установлены механизмы образования и переноса объемного заряда вблизи поверхности земли и проведена типизация условий, определяющих интенсивность механического переноса заряда из атмосферы на землю.
Предложен новый физический критерий оценки условий «хорошей погоды» для атмосферно-электрических наблюдений, когда действием локальных генераторов электрического поля можно пренебречь.
Практическая значимость результатов работы.
Полученные в диссертации результаты могут быть использованы:
для уточнения параметров глобальной атмосферно-электрической токовой цепи;
для развития моделей «электродного эффекта» в приземном слое атмосферы;
при интерпретации экспериментальных данных об атмосферно-электрических параметрах приземного слоя атмосферы, в частности для выделения влияния глобальных и локальных факторов;
для разработки методов мониторинга и контроля антропогенных воздействий на атмосферу;
при оценке условий «хорошей погоды» для сравнения данных атмосферно-электрических измерений, полученных в разных пунктах наблюдений;
в системе образования разных уровней при разработке учебных программ дисциплин из цикла наук о Земле;
в экологическом воспитании при организации научно-исследовательской работы студентов и школьников.
На защиту выносятся следующие положения и научные результаты:
Результаты комплексных исследований электродинамических процессов в приземном слое атмосферы на основе атмосферно-электрических и метеорологических наблюдений на территории Ростовской области и в районе озера Байкал.
Механизмы образования и переноса объемного электрического заряда из атмосферы на землю для различных метеорологических и физико-географических условий.
Оценки значений токов проводимости и механического переноса в приземном слое атмосферы и зависимость их интенсивности от метеорологических факторов.
4. Новый критерий оценки условий «хорошей погоды» для
интерпретации атмосферно-электрических наблюдений.
Апробация результатов работы.
Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на III и IV Всесоюзных симпозиумах по атмосферному электричеству (Тарту, 1986; Нальчик, 1990), IX, X, XI, XII и XIII Международных конференциях по атмосферному электричеству (Санкт-Петербург, 1992; Осака, Япония, 1996; Алабама, США, 1999; Версаль, Франция, 2003; Китай, 2007), V и VI Российских конференциях по атмосферному электричеству (Владимир, 2003; Нижний Новгород, 2007), научных семинарах отдела атмосферного электричества ГГО им. А.И. Воейкова (Ленинград, 1985-1987), кафедры метеорологии ИГУ (Иркутск , 1990-1991), кафедры теоретической физики и кафедры общей и
экспериментальной физики ПИ ЮФУ (Ростов-на-Дону, 2007, 2008), кафедры физики ТТИ ЮФУ (Таганрог, 2008), НИЦ ДЗА (Санкт-Петербург, 2008)
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 18 работ, из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Личный вклад автора.
Автор принимал непосредственное участие в планировании, подготовке и проведении полевого эксперимента в составе многолетних ежегодных геофизических экспедиций факультета физики ПИ ЮФУ под руководством зав. лабораторией геофизических исследований доц. Петрова А.И.
Все основные результаты диссертации получены лично автором. Постановки задач исследований и обсуждение их результатов осуществлялись совместно с руководителем аспирантуры д. ф.-м. н., проф. А.Х. Филипповым и научным руководителем д. ф.-м. н., проф. Г.В. Куповых.
Автор выражает признательность д. ф.-м. н., проф. Щукину Г.Г., д. ф.-м. н., проф. Аджиеву А.Х., доц. Петрову А.И. и к. ф.-м. н., доц. Петровой Г.Г., д. ф.-м. н. В.Н. Морозову, к.т.н. ЯМ. Шварцу и Л.Г. Соколенко за ценную консультативную помощь при подготовке диссертации к защите.
Концепция глобальной электрической токовой цепи: история развития представлений и современное состояние исследований
Наблюдения, проведенные в начале 20 века в Арктике, Антарктике и над океанами, показали существование синхронных изменений электрического поля атмосферы, названные глобальной унитарной вариацией. Одну из первых моделей, объясняющую этот факт, предложил Wilson C.T.R. [132]. Согласно этой модели, электрическое поле создавалось отрицательным зарядом земной поверхности и положительным зарядом проводящих слоев верхней атмосферы (ионосферы), играющих роль обкладок сферического конденсатора. Благодаря наличию электрической проводимости воздуха, в атмосфере течет ток проводимости, стремящийся разрядить конденсатор. Плотность тока проводимости предполагалась неизменной по высоте и равной 1р=ЛнЕ„ (1.11) Для поддержания электрического заряда на обкладках конденсатора необходим источник тока, который бы компенсировал потерю заряда, вызванную электропроводностью атмосферы. Таким источником в модели Wilson предлагалось считать грозовые облака, благодаря которым, в областях, занятых грозами и в которых электрическое поле имеет обратное направление, возникает ток зарядки l3.
Экспериментальным подтверждением этой гипотезы явились данные о поляризации грозовых облаков, а также синхронности суточного хода числа гроз на земном шаре и суточной унитарной вариации напряженности электрического поля. Однако более поздние экспериментальные исследования показали отсутствие синхронности изменения потенциала электросферы (электросфера не изопотенциальна). Кроме того оказалось, что годовой ход унитарной вариации напряженности электрического поля находится в противофазе с годовым ходом среднего числа гроз на Земле [23].
В 1949 году Я.И.Френкелем была предложена теория происхождения электрического поля Земли [79]. Ссылаясь на эксперименты Симпсона, он предположил, что большая часть конвективных облаков поляризована. Поляризованные облака индуцируют на земной поверхности заряд таким образом, что под облаками напряженность электрического поля направлена противоположно напряженности электрического поля в областях, не покрытых облачностью. Полагая, что суммарный электрический ток, протекающий к земной поверхности в районах безоблачной погоды, компенсируется током в противоположном направлении под облаками, Я.И.Френкель приводит соотношение: л,ед=я2252, (1.12) где AX,EX,SX - соответственно электропроводность, напряженность электрического поля площадь земной поверхности, свободной от облаков, X2,E2,s2 - те же величины для земной поверхности, покрытой облаками. Таким образом, если лх=Л2, а соответственно и ,=. то есть индуцированный положительный и отрицательный заряды равны между собой и общий заряд земной поверхности равен нулю. Если же Лх л2, то E{SX E2S2, то есть поверхность земли в целом имеет отрицательный избыточный заряд, которому соответствует избыточный положительный заряд атмосферного воздуха. Отсутствие экспериментальных данных о распределении объемных зарядов в облаках и соотношении д, / А2 на момент создания теории делали невозможной ее проверку.
В теории Я.И.Френкеля главная роль в образовании электрического поля отводилась тропосферным процессам, и не принималось во внимание влияние ионосферы. Кроме того, полученные позднее данные [21] о величине напряженности электрического поля под облаками не подтвердили справедливости приведенных соотношений.
В пятидесятые годы было введено понятие «местных» или «локальных» генераторов электрического поля атмосферы, под которыми понимали активные процессы образования объемного заряда в нижней атмосфере [27].
Несмотря на то, что схема сферического конденсатора объясняла ряд наблюдаемых явлений, таких, как унитарная вариация, постоянство тока по высоте и другие, ощущался недостаток данных, подтверждающих основные положения теории, а результаты некоторых экспериментальных и теоретических исследований указывали на противоречия некоторых ее утверждений. Однако, важно, что в работе Wilson C.T.R.[132] были заложены основы представлений об атмосфере как о замкнутой токовой системе, и в последнее время получили наибольшее признание модели, в которых атмосфера земли, включающая все ее области, рассматривается как глобальный токовый контур, замыкающийся через земную поверхность. 1.2.2. Основные положения теории глобальной электрической цепи (ГЭЦ)
Глобальная электрическая токовая цепь охватывает нижнюю атмосферу, ионосферу и магнитосферу и представляет собой систему токов в контуре, образованном проводящими слоями ионосферы и земной коры, с грозовыми генераторами, действующими в экваториальной зоне земного шара и невозмущенными областями в качестве зон возвратных токов [3,44,50]. Среди проблем современной концепции ГЭЦ выделяют следующие: необходимость поддержания баланса токов в контуре ГЭЦ, оценка «эффективности» грозовых генераторов для поддержания наблюдаемой структуры электрического поля в атмосфере, изучение вклада других генераторов в процессы образования ГЭЦ и т.д.
Пространственно-временные вариации метеорологических характеристик
Близость неоднородной по своим физическим свойствам земной поверхности, наличие облачности, содержание в атмосфере твердых и жидких примесей и другие факторы обусловливают большое разнообразие профилей температуры воздуха, скорости ветра, характеристик влажности и турбулентного обмена в приземном слое. При этом имеет место взаимосвязь и взаимообусловленность полей различных метеорологических параметров атмосферы. Так, распределение температуры оказывает решающее влияние на распределение характеристик влажности и турбулентный обмен, в свою очередь, турбулентный обмен влияет на распределение температуры и скорости ветра по высоте. В таблице 2.1 приведены данные измерений температуры воздуха на различных высотах в Ростовской области (с. Михайловка, с. Первомайское, х.Платов) и на берегу озера Байкал, полученные во время экспедиций, в летние месяцы. Село Михайловка, село Первомайское и хутор Платов находятся на севере Ростовской области в одном и том же административном районе (Кашарский район).
Согласно этим данным, температура воздуха в приземном слое падает с высотой в дневное время и растет ночью. Можно отметить, что наименьший интервал между дневной и ночной температурой наблюдается в пункте измерений на берегу озера Байкал, это объясняется близостью крупного водоема определяющего в значительной степени термический режим в приземном слое атмосферы.
Следует обратить внимание на то, что в Михайловке и Первомайском, характер изменения температуры по высоте существенно отличается: в Михайловке днем градиенты температуры значительно меньше, чем в Первомайском, а ночью, наоборот, температура воздуха в Михайловке убывает гораздо быстрее, чем в Первомайском (таблица 2.2). Наибольшие по модулю значения- градиентов температуры наблюдаются вблизи земной поверхности: днем приземные градиенты бывают иногда в сотни раз больше адиабатических, поэтому создаются благоприятные условия для развития турбулентности.
Как видно на профилях, построенных по данным измерений в х. Платов иве. Первомайское, изменения ветра с высотой близки как по значениям скоростей ветра, так и по градиентам изменения скорости ветра на соответствующих уровнях. Одинаковым или близким по величине является и интервал между ночными и дневными значениями скоростей ветра на всех высотах в с.Михайловка и в х. Платов. В с. Михаиловка отмечаются самые тихие ночи.
Это можно объяснить, учитывая особенности ландшафта в районе измерительной площадки в с.Михайловка: лесные массивы, окружающие ее хоть и на значительном удалении препятствуют ночью перемещению воздушных масс. В дневное время поток ветра усиливается, проходя через своеобразный "коридор" между лесом и массивом деревьев, находящийся на северо-востоке относительно площадки измерений. Стоит так же отметить, что для Ростовской области в летнее время северо-восточное направление ветра является преимущественным. Два этих фактора, по-видимому, и определяют розу ветров в пункте наблюдений: наибольшее число часовых серий измерений приходится С, СВ, В направления ветра (рис.2.3).
Распределение скорости ветра и температуры в прилежащем к земной поверхности слое определяют интенсивность турбулентного перемешивания, которое в свою очередь влияет на тепловой режим атмосферы и земной поверхности, перенос примесей и распределение различных физических свойств атмосферного воздуха. Изменение метеорологических параметров в пространстве и во времени невозможно описать математически, не используя эмпирические зависимости и коэффициенты, поэтому особый интерес представляет статистическое описание экспериментальных данных. 2.2.2. Временные вариации рядов метеорологических величин
Метеорологические характеристики имеют четко выраженный суточный ход (рис.2.4), который может сильно отличаться в разных пунктах наблюдений, и даже в одном и том же месте ото дня ко дню не только среднесуточными значениями, но и размахом колебаний значений величин. Среднесуточные колебания температуры воздуха (данные осреднены за весь период измерений) синхронны во всех трех пунктах Ростовской области и имеют большую амплитуду (рис. 2.4а), чем на берегу озера Байкал, то же можно сказать и о скорости ветра (рис. 2.46).
Кроме того, необходимо отметить, что в Ростовской области средняя скорость ветра ночью находится в интервале 0-4,5 м/с, в то время как на Байкале средняя скорость для ночных условий порядка 2 м/с. Интенсивность турбулентного перемешивания на Байкале мало меняется в течение суток, в то же время в Ростовской области дневные и ночные часы различаются по интенсивности перемешивания: дневные значения коэффициента турбулентности существенно превышают его ночные значения (рис. 2.4в). Однако изменения коэффициента турбулентности в Ростовской области имеют некоторые особенности, связанные с расположением измерительных площадок в пунктах наблюдений. В Михайловке площадка расположена в низине и окружена лесными массивами, для этого пункта в среднем для периода измерений значение коэффициента турбулентности в два раза меньше, чем в Первомайском и в Платове.
Для физико-статистического анализа вариаций метеопараметров в качестве исходных выбраны массивы ежечасных значений температуры воздуха, скорости ветра и коэффициента турбулентности в различных пунктах измерений. Для указанных величин построены эмпирические вариационные ряды и рассчитана теоретическая кривая, соответствующая нормальному распределению каждого параметра.
Для Михайловки, Ростовской области экспериментальная кривая, построенная по всему массиву данных измерений температуры воздуха на высоте 0,15 м (рис. 2.5 а), обнаруживают левостороннюю (отрицательную) асимметрию и отрицательный эксцесс по сравнению с нормальной кривой. В распределении выделяются несколько максимумов, что заставляет предположить неоднородность выборки, когда в один сведены данные нескольких нормальных массивов, характеризующиеся своим набором параметров.
Физико-статистический анализ вариаций вертикальных атмосферно-электрических токов
Для анализа выбраны ряды среднечасовых значений плотности тока проводимости и плотности тока механического переноса из атмосферы на землю. Плотность тока проводимости в атмосфере вблизи земной поверхности рассчитывалась по одновременным измерениям напряженности электрического поля и электропроводности воздуха.
В таблице 3.1 для каждого периода измерений приведена описательная статистика массивов экспериментальных данных. Для пунктов Ростовской области ток механического переноса на землю в среднем имеет отрицательное значение, а в районе озера Байкал ілт положителен. Из соотношения /„„ и іх видно, что полный ток в среднем сообщает земле положительный заряд. В то же время, в отдельные часы измерений он может приносить на землю отрицательный заряд: если ілт, отрицателен и по абсолютный величине превосходит положительный ток проводимости.
Можно отметить, что ток механического переноса из атмосферы на землю в пунктах Ростовской области существенно не определял величину плотности полного тока лишь в 10% случаев.
Настоящий параграф посвящен изучению особенностей переноса заряда из атмосферы на землю в зависимости от физических условий в пункте наблюдений на основании статистического анализа массивов вертикальных атмосферно-электрических токов.
В качестве исходных массивов выбраны ряды среднечасовых значений плотности тока проводимости /д и плотности тока механического переноса ілт на границе атмосфера-земля и ряды соответствующих им значений метеорологических величин, определяющих динамический режим в прилегающем к земле слое атмосферы.
Для указанных компонент вертикального электрического тока из атмосферы на землю построены эмпирические вариационные ряды и рассчитана теоретическая кривая, соответствующая нормальному распределению каждого параметра. Графики представлены на рисунках 3.2 и 3.3.
В то же время, эмпирические распределения плотности тока проводимости и плотности тока механического переноса из атмосферы на землю, построенные по данным Байкальской экспедиции 1991 года, близки к нормальному (рис. 3.2в, З.Зв).
Размышляя над причинами, обусловливающими отклонение эмпирического распределения от нормального, следует иметь в виду, что наличие асимметрии и эксцесса может указывать на неоднородность выборки, если в одну совокупность сведены две или большее число нормальных подсовокупностей, каждая из которых характеризуется своим набором основных параметров.
Очевидно, неоднородность выборки плотности тока механического переноса в Ростовской области связана с тем, что в данном районе условия перемешивания в атмосфере сильно изменяются ото дня к ночи. Летом ночи здесь, как правило, тихие с низким коэффициентом турбулентности и инверсным распределением температуры, а в дневное время атмосфера интенсивно перемешивается (рис. 2.4в).
Обращает на себя внимание наличие двух вершин в распределении гмп , построенного по данным экспедиции 1997 года в Ростовской области (рис. 3.4а). Из этого массива были выделены две подсовокупности для различных условий перемешивания атмосферы. Экспериментальные и теоретические кривые распределения, приведенные на рисунке 3.46, получены при наиболее высоких значениях коэффициента турбулентности (DT 0,20 м2/с) из наблюдавшихся в этот период. Вершина распределения этого массива находится в интервале значений iMn , близких к нулю, так же, как и правый максимум экспериментального распределения, изображенного на рисунке 3.4а. На рисунке 3.4в приводятся кривые распределения, построенные для тех рядов измерений, когда коэффициент турбулентности был сравнительно небольшим (DT 0,03 м2/с). Заметно, что максимум этого экспериментального распределения совпадает с левой вершиной распределения, построенного для всего массива.
В таблице 3.3 приводится описательная статистика для каждого из трех анализируемых распределений.
Это указывает на большую близость выборочных распределений к нормальной кривой, то есть на однородность выборки. Вследствие того, что перенос заряда из атмосферы на землю, осуществляемый посредством тока механического переноса, имеет различный механизм в случае турбулентной атмосферы и при отсутствии турбулентного перемешивания, при анализе экспериментального материала каждый из этих случаев необходимо рассматривать отдельно. Косвенно это подтверждается приведенным здесь анализом.
Эмпирическое распределение плотности тока механического переноса для измерений в районе озера Байкал дает хорошее соответствие с нормальной кривой (рис. 3.3). По-видимому, этот массив данных является однородным, поскольку интенсивность перемешивания нижнего слоя атмосферы на берегу озера Байкал мало изменяется в течение суток, в связи с ночными бризами, что можно заметить и по суточному ходу коэффициента турбулентности для данного пункта наблюдений .
Физические условия в приземном слое, влияющие на перенос заряда под действием электрического поля, сходны для двух пунктов наблюдений в Ростовской области, однотипными оказались для них и асимметричные эмпирические распределения плотности тока проводимости.
Влияние процессов вертикального движения воздуха на перенос заряда из атмосферы на земную поверхность
Для выяснения условий, наиболее способствующих попаданию зарядов на земную поверхность под действием механических сил, необходимо наряду с измерениями плотности тока проводимости и плотности тока механического переноса отслеживать изменения термодинамического режима прилежащего к земле слоя атмосферы.
Традиционные градиентные измерения температуры воздуха и скорости ветра в экспедициях в х.Платов Ростовской области были дополнены измерениями скорости вертикального движения воздуха, для чего были использованы вертикально установленные крыльчатые анемометры на уровнях 0,5 м и 1,0 м. Их чувствительность позволяет отслеживать даже самые слабые движения воздуха вверх или вниз. При положительных значениях разности показаний анемометров наблюдаются восходящие потоки, отрицательным значениям — соответствует движение воздуха вниз. В результате был получен массив данных одновременных измерений скорости вертикальных потоков воздуха и плотности тока механического переноса.
При анализе данных весь массив был разбит на два по интервалам скорости вертикального потока на высоте 1 м: от -0,2 м/с до 0,2 м/с и от 0,2 м/с до 1,00 м/с. . При осреднении значений плотности тока для разных интервалов вертикальных скоростей замечено, что при интенсивном подъеме воздуха (рис 4.5а) наблюдаются малые значения плотности тока механического переноса /„„. В периоды, когда средняя скорость вертикального перемещения воздуха мала (рис. 4.56), значения плотности тока механического переноса существенно выше, чем в первом случае.
Если среднее значение скорости вертикального потока близко к нулю, то это может означать, либо отсутствие вертикального движения воздуха, либо равенство средних потоков вверх и вниз. Правомерно предположить, что вертикальные движения воздуха минимальны в периоды температурных инверсий.
Инверсия температуры, как известно, соответствует устойчивости атмосферы и отсутствию заметного турбулентного обмена, что способствует накоплению объемного заряда вблизи поверхности земли, который затем в результате диффузии попадает на земную поверхность. Наличие слабой турбулентности (интервал скорости вертикальных потоков (-0,2; 0,2 м/с), АТ 0) с одной стороны размывает объемный заряд по большему слою, с другой стороны повышает интенсивность процессов механического переноса заряда из атмосферы на землю. Поэтому значение плотности тока в этом случае значительно меньше (рис 4.5г), чем в случае температурной инверсии, но в 2 раза больше по сравнению с плотностью тока при больших значениях скорости вертикального потока воздуха (рис. 4.5а).
Экспериментальные распределения плотности тока механического переноса, построенные случаев виг, показывают статистическую структуру вариаций: для безразличной стратификации при слабой турбулентности выборку можно считать однородной (рис. 4.6а), тогда как в распределении для устойчивой стратификации имеется две вершины (рис. 4.66).
На рисунке 4.66 заметно, что массив разделился на две подсовокупности. Одна из них (вершина I) находится в области больших отрицательных значений плотности тока механического переноса (примерно 10% часовых серий измерений), другая (вершина II) - включает в себя и положительные и отрицательные значения. Сравнивая физические условия для этих подсовокупностей можно заметить, что более глубокая инверсия (ATiCp= 1,3) наблюдалась в случае I. Для подсовокупности II разность температур по вертикали оказалась значительно меньше: АТ11ср= 0,75.
В летние месяцы на территории Ростовской области условия температурной инверсии в атмосфере достигаются тихими ночами при отсутствии облачности, когда имеет место радиационное выхолаживание поверхности почвы. При наличии эманирования земной поверхности в нижнем метровом слое появляются значительные градиенты полярных электропроводностеи, что в условиях протекания тока через этот слой приводит к образованию отрицательного объемного заряда, который попадает на земную поверхность в результате диффузии.
Для сравнения экспериментальных данных о профилях тока проводимости в атмосфере вблизи земной поверхности с рассчитанными профилями по численным моделям нетурбулентного и турбулентного электродного эффекта, из каждого массива данных были выбраны данные, полученные в различных условиях перемешивания атмосферы. На рисунке 4.7 и 4.8 представлены экспериментальные данные о плотности тока проводимости в слое до 3 м в различных пунктах наблюдений и теоретические профили плотности тока проводимости, полученные по результатам численного эксперимента. Данные о плотности тока для сравнения приведены в относительных единицах, средние для слоя значения плотности тока проводимости приведены в таблице 4.4.
Можно отметить, что значения плотности тока проводимости на Байкале испытывают значительные изменения вблизи земной поверхности в обоих случаях (рис. 4.7а и 4.8 а), а начиная с метрового уровня, остаются практически неизменными.
При расчетах нетурбулентного случая полагается, что плотность тока проводимости с высотой не изменяется (рис 4.7), однако, по данным эксперимента обнаруживается значительное изменение плотности тока проводимости с высотой в отсутствии турбулентного перемешивания, особенно в нижнем метровом слое, что указывает на существование механического переноса зарядов.
Как уже отмечалось в разделе 3.2, если турбулентный обмен отсутствует, то перераспределение заряда будет происходить в результате молекулярной диффузии. Учитывая значительные градиенты объемного заряда, наблюдающиеся в этих условиях, плотность тока механического переноса может быть заметной.
