Содержание к диссертации
Введение
1. Исследования электричества приземного слоя атмосферы 15
1.1 Общая постановка задачи моделирования электрического состояния приземного слоя атмосферы 15
1.2 Анализ уравнений электродного эффекта применительно к атмосфере19
1.3 Экспериментальные методы исследования электричества приземного слоя атмосферы 23
1.4 Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных об электродном эффекте в приземном слое атмосферы 37
Основные результаты главы 1 43
2. Классический электродный эффект в атмосфере 45
2.1 Модели классического электродного эффекта 45
2.2 Исследование зависимости структуры классического электродного слоя от величины электрического поля 64
2.3 Классический электродный эффект при наличии аэрозольных частиц в атмосфере 72
2.4 Объемный электрический заряд в классическом электродном слое 80
Основные результаты главы 2 94
3. Турбулентный электродный эффект в атмосфере 96
3.1 Общая постановка задачи моделирования электрического состояния турбулентного приземного слоя атмосферы 96
3.2 Модели турбулентного электродного эффекта 101
3.3 Моделирование электрического состояния турбулентного приземного слоя атмосферы в различных метеорологических условиях 110
3.4 Объемный электрический заряд в турбулентном электродном слое .118
3.5 Турбулентный электродный эффект при наличии аэрозольных частиц в приземном слое атмосферы 125
Основные результаты главы 3 137
4. Приближение сильного турбулентного перемешивания в приземном слое атмосферы 139
4.1 Постановка задачи моделирования электрического состояния приземного слоя в приближении сильного турбулентного перемешивания 139
4.2 Моделирование электрического состояния турбулентного приземного слоя для различных типов стратификации атмосферы 149
4.3 Моделирование электрического состояния турбулентного приземного слоя при наличии аэрозольных частиц в атмосфере 169
Основные результаты главы 4 195
5. Нестационарные электрические процессы в приземном слое атмосферы 197
5.1. Вариации электрического поля в высокогорной и высокоширотной зонах 197
4 5.2 Нестационарная модель классического электродного эффекта в атмосфере 211
5.3. Нестационарная модель турбулентного электродного эффекта в атмосфере 225
5.4 Моделирование глобальных и локальных вариаций электрического поля приземном слое атмосферы 3
Основные результаты главы 5 250
6. Экспериментальные исследования атмосферного лектричества приземного слоя 252
6.1 Измерения интенсивности ионообразования в атмосфере 253
6.2 Исследования атмосферного электричества в высокогорной зоне Приэльбрусья 257
6.3 Объемный электрический заряд в приземном слое атмосферы 278
6.4 Коэффициент редукции при атмосферно-электрических наблюдениях в приземном слое 283
Основные результаты главы 6 297
Заключение 299
Литература 306
- Экспериментальные методы исследования электричества приземного слоя атмосферы
- Исследование зависимости структуры классического электродного слоя от величины электрического поля
- Общая постановка задачи моделирования электрического состояния турбулентного приземного слоя атмосферы
- Моделирование электрического состояния турбулентного приземного слоя для различных типов стратификации атмосферы
Введение к работе
Одним из направлений исследований физики атмосферы является атмосферное электричество. Важное место занимают исследования электрических характеристик нижней части тропосферы (приземного слоя), где протекает большая часть деятельности человека. Одной из наиболее трудных проблем, обуславливающей противоречивость результатов экспериментальных исследований в приземном слое, является наложение возмущений локального происхождения на глобальные вариации электрического поля. Атмосферно-электрические характеристики вблизи поверхности земли тесно связаны с метеорологическими явлениями, которые в свою очередь определяются процессами взаимодействия между атмосферой и деятельным слоем земной поверхности. Установление внутренних связей между метеорологическими и электрическими элементами в приземном слое необходимо, а в ряде случаев и достаточно, для решения многих прикладных проблем физики атмосферы. Для интерпретации атмосферно-электрических явлений, происходящих в приземном слое, необходимо проведение теоретического моделирования электрогидродинамических процессов, протекающих вблизи земной поверхности.
Электрическая структура приземного слоя определяется так называемым "электродным эффектом". Под электродным эффектом понимают процесс или совокупность процессов, происходящих вблизи электрода, помещенного в ионизированную среду и приводящих к появлению зависимости электрических характеристик от расстояния до поверхности электрода. В атмосфере электродом является поверхность земли, а процессы ионизации воздуха обуславливаются как естественными, так и искусственными причинами. Последние, как и загрязнения воздушной среды, могут быть связаны с антропогенным воздействием на атмосферу. Кроме того, существенное влияние на электрические характеристики приземного слоя оказывают метеорологические факторы. Таким образом, электродный эффект, с одной стороны, определяет естественную изменчивость электрических характеристик атмосферы вблизи поверхности земли, с другой, возмущения, происходящие вне электродного слоя, оказывают воздействие на электродный эффект. В условиях «хорошей погоды» толщина электродного слоя меняется от нескольких десятков сантиметров до десятков метров.
В экспериментальных исследованиях атмосферы важное место занимают наземные атмосферно-электрические наблюдения. Электрические характеристики приземного слоя атмосферы определяются степенью ионизации воздуха, турбулентным перемешиванием и наличием аэрозольных частиц в атмосфере. Вследствие этого интерпретация получаемых экспериментальных данных даже в условиях «хорошей погоды» является сложной задачей. В ряде случаев получаемые данные приводятся к значениям на равнине. При этом используется коэффициент редукции, который зависит, как от геометрии установки аппаратуры, так и от параметров электродного слоя. Выделение глобальных возмущений электрического поля требует детальной информации о причинах локальной изменчивости электрических характеристик приземного слоя, обусловленной в конечном итоге электродным эффектом.
Инициатива организации наземной сети атмосферно - электрических наблюдений на территории бывшего СССР принадлежит Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова, сотрудниками которой разработаны методы и средства наблюдений элементов атмосферного электричества. Ведущей организацией в этом направлении является Научно -исследовательский центр дистанционного зондирования атмосферы (НИЦ ДЗА) - филиал ГТО им. А.И. Воейкова, где проводятся многолетние наблюдения за атмосферным электричеством.
В теории проблема электродного эффекта формулируется в виде задачи о нахождении распределения концентрации положительных и отрицательных легких ионов (аэроионов), напряженности электрического поля и плотности электрического тока в приземном слое. В зависимости от метеорологического режима атмосферы рассматриваются два крайних случая: классический (нетурбулентный) электродный эффект и турбулентный электродный эффект. Первый имеет место при отсутствии турбулентного перемешивания в атмосфере. При этом предполагается, что пространственно-временное распределение аэроионов в приземном слое обусловлено только электрическими силами. Во втором случае предполагается, что перенос аэроионов в атмосфере осуществляется, наряду с электрическими силами, турбулентными потоками воздуха, причем турбулентность может играть основную роль. Присутствие аэрозольных частиц в атмосфере, являющихся стоком для аэроионов, оказывает влияние на электродный эффект, и при достаточно больших концентрациях электрическое состояние приземного слоя может определяться только тяжелыми ионами, образовавшимися за счет взаимодействия аэрозоля с аэроионами.
Важный вклад в развитие теоретических представлений об электродном эффекте в атмосфере внесли J.J. Thomson, W.F. G.Swan, E.R. Schweidler, F.I.W. Whipple , J. Scholz , J.A. Chalmers , M. Bechacker, W.A. Hoppel, D.G. Latham, T.J. Tuomi, D. Iordanov, J.C.Willet, П.Н. Тверской, M. П. Тимофеев, B.H. Морозов.
Несмотря на достаточно большое количество теоретических работ в данном направлении, остается не выясненным ряд вопросов о механизмах формирования электрической структуры приземного слоя. Недостаточно исследована связь электрических характеристик вблизи поверхности земли с метеорологическими факторами, ионизацией воздуха и наличием аэрозольных частиц в атмосфере. Сложность теоретических задач и применение только аналитических методов их решений требует физически упрощать постановки задач. В частности, в ряде работ используются предположения о постоянстве электрического поля или проводимости воздуха в приземном слое, линеаризация системы ионизационно-рекомбинационных уравнений, использование постоянной функции интенсивности ионообразования без учета процесса рекомбинации аэроионов и т.п. Использование совокупности аналитических и численных методов решений расширяет возможности исследований и позволяет отказаться от вышеуказанных допущений.
Цель работы состоит в теоретическом и экспериментальном исследовании электрических процессов в приземном слое атмосферы, обусловленных действием электродного эффекта. Для достижения поставленной цели решены следующие научные задачи. .- 1. Теоретически и экспериментально исследовано формирование электрической структуры приземного слоя атмосферы в результате действия классического или турбулентного электродного эффекта.
2. Исследованы зависимости электрических характеристик приземного слоя от метеорологических факторов, степени ионизации воздуха и концентраций аэрозольных частиц в атмосфере.
3. Разработана модель электрического состояния приземного слоя в приближении сильного турбулентного перемешивания и исследованы его if характеристики применительно к различным метеорологическим условиям в атмосфере, а также в зависимости от степени загрязнения воздуха аэрозольными частицами.
4. Исследованы нестационарные электрические процессы в атмосферном приземном слое и механизмы возникновения глобальных и локальных вариаций электрического поля вблизи поверхности земли.
щ - 5. Проведены экспериментальные исследования электричества приземного слоя атмосферы и изучены пространственно-временные закономерности распределения электрического поля, проводимости воздуха и объемной плотности электрического заряда в высокогорных условиях. Научная новизна работы
1. На основе численной модели классического электродного эффекта исследована структура электродного слоя в слабом и сильном электрических полях, а также в зависимости от степени ионизации воздуха и концентрации аэрозольных частиц в атмосфере. Рассчитаны профили концентраций положительных и отрицательных аэроионов, напряженности электрического поля, плотности объемного заряда в свободном от аэрозоля приземном слое и при наличии аэрозольных частиц в атмосфере. Исследован механизм образования объемного электрического заряда в классическом электродном слое.
2. На основе численной модели электродного эффекта исследована электрическая структура турбулентного приземного слоя. Получены распределения концентраций положительных и отрицательных аэроионов, напряженности электрического поля, плотности объемного заряда и плотности электрического тока в турбулентном электродном слое. Выявлена их связь с метеорологическими факторами. Исследовано влияние аэрозольных частиц на электрическую структуру турбулентного электродного слоя. Исследована эволюция электрического объемного заряда в турбулентном электродном слое.
3. Разработана модель и рассчитана электрическая структура приземного слоя в условиях сильного турбулентного перемешивания. Установлена зависимость характерных масштабов распределения электрического поля и плотности заряда для различных типов стратификации атмосферы от степени турбулентного перемешивания и концентраций аэрозольных частиц в атмосфере.
4. Разработаны нестационарные модели классического и турбулентного электродного эффекта в атмосфере. Исследованы нестационарные электрические процессы в приземном слое глобального и локального происхождений.
5. Впервые проведены комплексные экспериментальные исследования электрического состояния приземного слоя в горных условиях и получены новые экспериментальные данные о распределении электрического поля, проводимости воздуха, плотности тока и объемной плотности электрического заряда. Доказана возможность и целесообразность организации фоновых атмосферно-электрических наблюдений в высокогорной зоне Приэльбрусья. Экспериментально и теоретически установлена связь коэффициента редукции с электрическим полем в различных метеорологических условиях.
Научная и практическая значимость работы состоит в существенном расширении представлений о механизмах формирования электрической структуры приземного слоя, основанных на взаимодействии электрических и гидродинамических процессов, протекающих в нижнем слое атмосферы. Результаты работы использованы при выполнении НИР и ОКР учреждениями Росгидромета и Министерства образования РФ, что подтверждено актами внедрений.
Полученные на основе теоретических и экспериментальных исследований положения и результаты могут быть использованы:
• для расчетов электрических характеристик приземного слоя атмосферы;
• для исследования влияния загрязнений и радиоактивности воздуха на электрические процессы вблизи поверхности земли;
• при построении моделей глобальной токовой цепи, учитывающих вклад генераторов объемного заряда, действующих в приземном слое;
• для анализа данных наземных атмосферно-электрических наблюдений; »
• для организации атмосферно - электрических наблюдений в высокогорной зоне;
• при разработке методов контроля антропогенного воздействия на атмосферу;
• при прогнозировании опасных природных явлений (гроз, града, і землетрясений и т. п.)
• при создании системы глобального мониторинга атмосферы. Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссертации, подтверждаются: корректностью поставленных теоретических задач, примененными математическими методами их решений; принятыми физическими допущениями, использованными при их решении, которые основаны на реальных физических предпосылках; проведенным численным моделированием и проделанными оценками, а также хорошим совпадением теоретических результатов с полученными экспериментальными данными.
В рамках сформулированной в работе проблемы на защиту выносятся следующие результаты и положения:
1. Теоретическое исследование электрической структуры приземного слоя атмосферы, формирующейся за счет действия электродного эффекта вблизи земной поверхности. Критерии применимости моделей электродного эффекта для исследования электрического состояния приземного слоя в зависимости от физических условий в атмосфере.
2. Зависимости электрических характеристик приземного слоя от метеорологических условий, степени ионизации воздуха и концентрации аэрозольных частиц в атмосфере, полученные в результате теоретических и экспериментальных исследований.
3. Приближение сильного турбулентного перемешивания для моделирования электрического состояния приземного слоя. Результаты моделирования электрического состояния приземного слоя для различных типов стратификации приземного слоя и концентраций аэрозольных частиц в атмосфере.
4. Модель нестационарного электродного эффекта в атмосфере и исследования вариаций электрического поля в приземном слое глобального и локального происхождений.
5. Результаты экспериментальных исследований атмосферіного электричества (распределения и вариаций электрического поля, плотности тока, проводимости воздуха, плотности объемного заряда) приземного слоя в высокогорных условиях.
6. Механизм образования объемного электрического заряда в приземном слое и его эволюция в зависимости от метеорологических условий для различных типов перемешивания в атмосфере.
7. Рекомендации по организации пунктов наблюдений в высокогорных условиях с целью осуществления глобального мониторинга электрического поля атмосферы.
Публикации результатов и личный вклад автора. По результатам исследований опубликовано 49 научных работ, включая 2 монографии (в соавторстве) и 1 патент РФ.
Автор принимал непосредственное участие в проведении экспериментальных исследований, обработке получаемых данных, разработке аппаратуры и методики наблюдений. Автору принадлежит общая формулировка и постановки отдельных задач исследования электрических процессов в приземном слое, проведение численных расчетов и их интерпретация.
Ценная консультативная помощь оказана В.Н. Морозовым, Я.М. Шварцем.
Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы в двух монографиях, научных статьях и докладывались на IV Всесоюзном симпозиуме по атмосферному электричеству (Нальчик, 1990), Всесоюзной научно-технической конференции. «Методы и средства дистанционного зондирования атмосферы в интересах авиации» (Киев, 1991), 9 - 12th International Conferences on Atmospheric Electricity (St.Petersburg, 1992; Osaka, 1996; Alabama, 1999; Versailles, 2003), 8 - 10-й Международных конференциях «Математические модели физических процессов и их свойства» (Таганрог, 2002 - 2004), Всероссийской научной конференции «Математическое моделирование в научных исследованиях» (Ставрополь, 2000), Всероссийской, конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы (Нальчик, 2001), 5-й Российской конференции по атмосферному электричеству (Владимир, 2003), 3-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Экология 2004 - море и человек» (Таганрог, 2004), научных семинарах отдела атмосферного электричества Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова (Санкт-Петербург, 1989 - 1992), Высокогорного геофизического института (Нальчик, 1986 - 1994), кафедры физики Таганрогского государственного радиотехнического университета (Таганрог, 1994 - 2004)
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 332 страницы, включая 98 рисунков, 14 таблиц и 9 страниц приложений. Список литературы содержит186 наименований.
В главе 1 сформулирована общая постановка задачи теоретического моделирования электрических процессов в приземном слое атмосферы. Проведен анализ уравнений электродного эффекта применительно к атмосфере. Рассмотрены условия существования классического и турбулентного электродного эффекта, а также приближение сильного турбулентного перемешивания в атмосферном приземном слое. Обсуждаются экспериментальные методы и средства исследования электричества приземного слоя. Проведен сравнительный анализ имеющихся в литературе теоретических и экспериментальных данных об электрических характеристиках приземного слоя атмосферы.
В главе 2 приведен краткий обзор аналитических и численных моделей классического (нетурбулентного) электродного эффекта. Разработана численная модель классического электродного эффекта в приземном слое атмосферы. Исследованы влияние электрического поля, степени ионизации воздуха и аэрозольных частиц на электрическую структуру классического электродного слоя. Исследован механизм формирования объемного электрического заряда вблизи поверхности земли в различных условиях.
В главе 3 сформулирована постановка задачи моделирования электрического состояния турбулентного приземного слоя атмосферы. Сделан краткий обзор аналитических и численных моделей турбулентного электродного эффекта. Разработана численная модель турбулентного электродного эффекта в атмосфере. Исследованы влияние метеорологических условий, электрического поля, источников ионизации и аэрозольных частиц на электрическую структуру турбулентного электродного слоя. Исследована эволюция объемного электрического заряда в приземном слое в условиях турбулентного перемешивания.
Глава 4 посвящена решению задачи об электрическом состоянии приземного слоя в приближении сильного турбулентного перемешивания, когда основную роль в переносе аэроионов играет турбулентная диффузия. При этом исходная система расщепляется на систему линейных по электрическому полю уравнений и в нулевом приближении концентрация ионов не зависит от напряженности электрического поля, а определяется турбулентным обменом, а также процессами ионизации и рекомбинации. Исследована электрическая структура электродного слоя в приближении сильного турбулентного перемешивания для различных типов стратификации атмосферы, а также при наличии аэрозольных частиц.
В главе 5 исследованы нестационарные электрические процессы в атмосферном приземном слое. Приведены результаты экспериментальных исследований вариаций электрического поля в высокоширотных и высокогорных условиях. Разработаны нестационарные модели классического и турбулентного электродного эффекта в атмосфере. Исследованы вариации электрического поля, проводимости воздуха и плотности объемного электрического заряда глобального и локального происхождений.
В главе 6 приведены результаты экспериментальных исследований атмосферного электричества в высокогорной зоне. Приведены результаты экспериментальных исследований атмосферно-электрических элементов на, высокогорных станциях Приэльбрусья в периоды 1986 - 1992 и 2003 - 2004 гг. Исследованы закономерности вариаций градиента потенциала электрического поля, полярных проводимостей воздуха и плотности электрического тока в высокогорных условиях. Установлена взаимосвязь локальных возмущений электрического поля с вариациями объемного электрического заряда вблизи поверхности земли. Исследована связь коэффициента редукции с метеорологическими условиями и электрическим полем как следствие действия электродного эффекта в приземном слое атмосферы. Доказана возможность и целесообразность организации фоновых атмосферно-электрических наблюдений в высокогорной зоне Приэльбрусья.
В заключении приведены основные результаты работы, сформулированы выводы и практические рекомендации.
Экспериментальные методы исследования электричества приземного слоя атмосферы
Основными элементами атмосферного электричества приземного слоя являются градиент потенциала (напряженность) электрического поля V\ удельные полярные проводимости воздуха Х± и плотность вертикального электрического тока j0. Совокупность указанных величин определяет дифференциальную форму закона Ома для атмосферы. При этом каждый элемент в отдельности или их комбинация несет в себе информацию о процессах глобального или локального характера, протекающих в приземном слое. В частности, электропроводность воздуха является индикатором изменения содержания аэрозолей и радиоактивных субстанций в атмосфере, ток проводимости jnp = - V (k+ +Х-) является показателем интенсивности действия генераторов объемного заряда, величина w = j V определяет плотность энергии источника электрического поля.
Регулярные атмосферно-электрические наблюдения в приземном слое обычно включают в себя измерения основных элементов, однако наряду с ними проводятся специализированные измерения плотности объемного заряда атмосферы, интенсивности ионообразования, концентраций аэрозольных частиц, спектральных характеристик ионного состава и пр. Кроме упомянутых элементов, могут измеряться электрические токи осадков, токи с острий, заряды частиц тумана и осадков, раздельно конвективный электрический ток и ток проводимости и т. д. Дополнительные измерения носят эпизодический характер, но именно с их помощью возможна физически правильная интерпретация получаемых данных регулярных наблюдений.
Рассмотрим физические основы методов измерений основных элементов атмосферного электричества и пути их практической реализации.
С позиций классического электродного эффекта электрическое поле в приземном слое атмосферы обусловлено присутствием в ней объемных электрических зарядов и поверхностным зарядом Земли. Мерой интенсивности электрического поля является его напряженность, которая связана с градиентом потенциала соотношением: Е = - V. При условиях «хорошей погоды» и при отсутствии аэрозольных частиц в атмосфере находятся положительные и отрицательные аэроионы, при этом суммарный заряд обычно положителен, а на а поверхности земли присутствует только отрицательный заряд, что соответствует положительному значению V и отрицательному значению Е. Для измерения V традиционно используются два метода [9]. Первый метод основан на измерении потенциала U определенной области пространства относительно земли или разности потенциалов At/ между двумя точками пространства и последующем расчете V по результатам измерений. Второй метод основан на использовании соотношения V = - ст /SQ, где сг -поверхностная плотность заряда, индуцируемого электрическим полем атмосферы на чувствительном элементе измерителя; Єо - электрическая постоянная. Оба метода объединяет общая теория измерений. Рассмотрим физический принцип измерения U. Пусть поблизости от поверхности земли на расстоянии h от нее помещен чувствительный элемент V (антенна) в виде тонкого провода, протянутого параллельно земле. Поскольку воздушная среда имеет слабую электропроводность, на антенну потечет ток tfi положительных (/+) и отрицательных (I.) ионов, причем преобладающее значение будут иметь ионы одной полярности - в зависимости от знака разности потенциалов SU = U - U] между окружающим пространством (U) и антенной (Uj). Если антенна изолирована, то в конце концов потенциалы UVLUJ сравняются и ток прекратится. Отношение разности потенциалов 5U к току заряда называется сопротивлением антенны Ra: Ra = SU/I. Сопротивление Ra связано с емкостью антенны Са и проводимостью воздуха Я соотношением Ra . = (/СаЛ.
Задача сводится к измерению потенциала антенны U} (относительно земли) в состоянии равновесия или близком к нему (/ & 0; U] & U). Проблемой, как отмечено в работе [9], является то, что подключение измерительного прибора, имеющего конечное входное сопротивление Rex, нарушает изоляцию антенны и меняет ее потенциал. В установившемся состоянии во время измерения ток, притекающий к антенне из окружающего пространства, равен току, стекающему с нее через измерительный прибор (Rex):и-и, и,следовательно,U -U— —. (1.18)R„+R.sx а
Для того чтобы U] = U, необходимо, чтобы Rex»Ra- Для антенны длиной 10 м и радиусом 0,02 м, подвешенной на высоте несколько метров от поверхности земли имеем, Ra w 1013 Ом и Са « 100 пФ. При этом измерительный прибор должен иметь сопротивление 1015 Ом. Для того чтобы уменьшить SU, повышают Я вокруг антенны, используя ионизаторы (это ведет к уменьшению Ra), и уменьшают /, используя измерительные устройства с большим входным сопротивлением - электрометры.
В качестве ионизаторов применяются радиоактивные излучатели (коллекторы). Обычно на антенне монтируется один коллектор, создающий повышенную ионизацию в объеме примерно 100 см3. Антенна принимает потенциал U области пространства, окружающей этот объем, поскольку именно из него на антенну могут течь наибольшие выравнивающие токи. Обычно используются плутониевые коллекторы активностью 10 - 20 мкКи с ионизационным током (5 - 7)10"10 А. С помощью коллектора собственное сопротивление антенны понижается до 1011 Ом.
Значение V рассчитывается по формуле U/h, где h — высота подвеса коллектора, если измерения проводятся на равнинном участке в отсутствии строений и само антенное устройство не нарушает распределения электрического поля в месте измерения. Если же эти условия не выполняются, то V = UK/h, где К - коэффициент приведения результатов измерений к равнине, или коэффициент редукции.
Для крепления антенн используются фторопластовые изоляторы, защищенные от прямого попадания осадков, пыли и других загрязнений. Для сохранения высоких изолирующих свойств в условиях повышенной влажности применяется подогрев изоляторов.
Ранее в качестве устройств для измерения U применялись механические и ламповые электрометры. Сопротивления Rex механических электрометров обычно превышало 1015 Ом.
Ламповые и транзисторные электрометры являлись усилителями постоянного тока. В первом использовалась электрометрическая лампа, имевшая малые сеточные токи (10"13-10"14 А) и поэтому обладающая очень высоким сопротивлением. Во втором применялся полевой транзистор, с очень высокой изоляцией затвора - электрода, управляющего током транзистора. Входное сопротивление полевых транзисторов доходит до 1014 Ом.
Существенным недостатком, свойственным всем усилителям постоянного тока, является дрейф нуля. Эту проблему успешно решают динамические электрометры. В них измеряемое напряжение подается через сопротивление на динамический конденсатор, являющийся емкостным преобразователем постоянного напряжения в переменное. С динамического конденсатора UK поступает на усилитель переменного тока.
Исследование зависимости структуры классического электродного слоя от величины электрического поля
Для исследования электрических характеристик приземного слоя использовалась стационарная модель классического электродного эффекта [1341,58,64,157]. В предположении, что количество ядер конденсации (аэрозольных частиц) в атмосфере сравнимо с числом легких ионов система уравнений имеет вид: При этом предполагалось, что присутствие ядер конденсации в атмосфере приводит к образованию тяжелых ионов, подвижность которых на несколько порядков меньше, чем легких. Также предполагалось, что ядра стационарны и имеют постоянную концентрацию. Если моделировать электрическое состояние приземного слоя в "чистых" районах, то есть где аэрозольные частицы отсутствуют или их концентрации малы, то предложенная модель оказывается достаточной. В противном случае, когда число ядер намного $ превышает количество легких ионов, которые способны нейтрализовать тяжелые ионы, среднее время жизни и длина свободного пробега ядер увеличивается. В этом случае предположение о стационарности тяжелых ионов не выполняется. 67 n2(z = 0),N2(z = 0) = 0, nu2(co) = (q( )/a)l/2, E(Q) = E0, (2.26) Функция интенсивности новообразования задавалась в виде (2.14) при значении Qo =4,8-10 м с . В результате численных расчетов получены распределения nh п2 и Е при различных значениях E0(z = 0). Расчеты для значений Е0 равных -100, -200 и -500 В/м приведены на рис.2.7; 2.8; 2.9.
Анализ решений показывает, что толщина электродного слоя и, соответственно, масштаб распределения электрических характеристик увеличивается с ростом \Е0\. Значения ri](z=0) при этом уменьшаются. Электродный эффект (Ес/Есо )с ростом Ео от 100 до 500 В-м"1 увеличивается не более чем на 10%, то есть его можно считать практически неизменным.
В табл. 2.2 п Взаимодействие аэроионов с аэрозольными частицами рассматривалось в ряде работ [34,38,78,107,108]. В настоящей работе численное моделирование электрического состояния приземного слоя проведено при наличии в нем аэрозольных частиц с концентрациями N =107н"1010 м"3. Расчеты были проведены в соответствии с системой уравнений (2.21) и граничными условиями (2.22) для различных концентраций аэрозольных частиц. На рис.2.10;2.11;2.12 приведены распределения n}i2, Е, Nif2 для случаев TV = 108, 5-Ю и 10 м . В таблице 2.3 приведены соотношения и/Уи» N /rioo и Е/Е , на высоте 1 и 2 метра для этих случаев.риведены значения njj и Е на высотах 1 и 2 м, где обычно устанавливается измерительная аппаратура, для различных значений Е0. Изменения значений щ/п» при увеличении \Е0\ не превышает 5 % на этих высотах. Изменения щ/па, гораздо больше и достигают примерно 80% на высоте 1 м. Отношение Е/Еоо при z =1 - 2 м с ростом Е0 увеличивается примерно на 40%, то есть электродный эффект усиливается, но это усиление уменьшается с высотой.
Математическая постановка задачи для рассматриваемого случая нетурбулентного электродного эффекта позволяет обращать граничные условия для Е, то есть можно задавать Е - Еж на верхней границе электродного слоя и получать методом, аналогичным описанному в разделе 1.4 значения Е на границе z = 0.
Интерпретируя полученные результаты в этой постановке граничных условий и считая заданным электрическое поле на верхней границе электродного слоя (значение которого обуславливается величиной потенциала ионосферы [117]), можно сделать вывод, что электродный эффект вблизи поверхности усиливается при увеличении значений Е» вне электродного слоя, таким образом искажая измеряемые значения Е.
Отдельного внимания заслуживают случаи малых (менее 50 В/м) электрических полей в атмосфере, которые встречаются в экспериментальных исследованиях электричества приземного слоя [26,96,100,101]. Подробно этот вопрос будет обсуждаться в разделе 2.4 настоящей главы
Общая постановка задачи моделирования электрического состояния турбулентного приземного слоя атмосферы
Известно, что взаимодействие горизонтального ветра с подстилающей земной поверхностью приводит к формированию приземного слоя с высотой порядка 1-100 м и пограничного слоя с толщиной порядка 1 км [21,32,76,77,103,158]. Возникающие гидродинамические течения в атмосфере обычно характеризуются большими числами Рейнольдса и переходят в турбулентное состояние, поэтому говорят о турбулентном приземном и пограничном слоях. Аналогично нагрев земной поверхности солнечной радиацией приводит к возникновению конвекции, которая также имеет турбулентный характер.
Наличие турбулентного перемешивания приводит к изменению электрического состояния в нижних слоях атмосферы: меняются распределения электрической проводимости, электрического поля, плотности электрического тока и электрического заряда. В пограничном слое появляется "конвективный токовый генератор", определяемый членом \р и ) в выражении для плотности электрического тока (1.7), который был впервые определен в экспериментальной работе [153]. Его величина оказалась сравнимой с величиной плотности тока проводимости.
Теоретическое моделирование электрических процессов в приземном и пограничном слоях атмосферы необходимо для интерпретации данных измерений, получаемых на наземной сети атмосферно-электрических станций, поскольку эти станции находятся в пределах приземного слоя [91,92,94].
Для исследования влияния турбулентности на электрические процессы в приземном слое воспользуемся методом Рейнольдса [77]. Представим все известные и неизвестные величины и,Ё,п 12, входящие в исходную систему (1.1), в следующем виде: u = (v) + u ,nia=(nl2) + n ,E = (E) + E . (3.1)
Рассматривая только одну группу ионов-легких ионов \п\2=п12), отбрасывая пока члены к и, подставляя (3.1) в систему уравнений (1.8) и усредняя эту систему уравнений, получим: Щ + div (пи)- {{и) + Ь„(Ё))+ div (n„a:) + div bu(EWu) = = -а((и,)-(и2)+(«;«;)); div[E) = 4 к e((n,) - (n2)). (3.2) Угловые скобки в представлении (3.2) означают усреднение по времени: 1 т (/) = — \f dt, где Т, - масштаб времени, удовлетворяющий условию Т, о т«Т1 «Т, т- характерный временной масштаб флуктуации, Т - характерный временной масштаб изменения средних величин, причем (/ ) = 0. Систему уравнений (3.2) можно свести к системе уравнений для средней плотности электрического заряда (р), (р = е-(п1 -п2)) и средней электрической проводимости (Я), (Я = е - {bjHj + b2n2)), если провести аналогичное (3.1) разделение на среднюю и флуктуирующую части: р = (р) + р , Л = (Л) + Л . (3.3) Тогда для средней плотности электрического заряда (/?) и средней электрической проводимости (Я) получим уравнения: — + div(p) (v)dtv(A) (Ё) + divlp и \ + divU Е\ + + divD0V(p) = 0, д(Л) . . /-л +div(A) -(0) + divU u) + div(E ) [(b, - \b3\)- (A) +dt w \ I \ I \+ divD0 grad(X) = (б; + \b2 \)-eq- а[({Я) + (p) \b21) ,((Я}.(р). )+(яЧр .б2).(Я -р - )].[бу +\b2\-e]\cHv(E) = 4n{p). (3.4)
В полученные системы уравнений (3.2), (3.4) входят средние от произведения флуктуации электрических параметров (п 12),(Ё п12\,(ЁЛ ) и так далее, то есть корреляционные моменты второго порядка. Поэтому для корректного решения систем уравнений (3.2), (3.4) необходимо сделать определенные физические предположения о виде этих членов, то есть замкнуть данные системы уравнений.
Одним из таких предположений [43,61,65] является введение коэффициента турбулентного обмена (турбулентной диффузии), связывающего (п[2и \ и градиент средней концентрации ионов (п1 2): (n lw3 = -DT.(r)-grad(ntJ), (3.5)где DT=(u 2)- г, (1/2 J - средний квадрат флуктуации турбулентной скорости, г - характерное время жизни пульсаций. Представление (3.5) обосновывается с помощью квазилинейной теории [99], которая дает и непосредственное представление для коэффициента вертикального турбулентного обмена DT(z,t) [110,182].
При условии ш 2)»Ь22ІЕ 2) четвертый член в уравнении для (и/2) можно отбросить. Пренебрегая также (п {п2) и считая v = {px,0,6), а 0"u д{п12) d(n12)»,dz ду дхуравнений:получим вместо (3.2) следующую систему = q-a-(n,)-(n2), div(Ej = 4ne \{п,) - (п2)). dz (DT(z,t)+D0) dz (3.6)
В одномерном случае система уравнений (3.6) сводится к следующей системе уравнений:dt dz и х 2 х ul dz = q(z)-a-(n1)-(n2), dE dz = 4ле((п;)-(п2)), (DT(z,t) + D0) dz (3.7) где D0 - коэффициент молекулярной диффузии, Е2 - вертикальная компонента электрического поля
Моделирование электрического состояния турбулентного приземного слоя для различных типов стратификации атмосферы
Для моделирования электрического состояния турбулентного приземного слоя при условии отсутствия или малых концентраций аэрозольных частиц в атмосфере использовалась стационарная система уравнений турбулентного электродного эффекта [43,61,65]:-—\DT(z)- \±—(bI2nl2E)==q(z)-anIn2,az\ dz ) dz—- = 4яе(#!,-#і,). (3.21)dzГраничные условия задавались следующим образом:1/2Ш(z=z0) =n2(z=z0)=0, ni(oo) =n2(co)=(q(oo)/a) ,Д(оо)= A =Є.(іЛН+іЛ(оо)). (3.22) Введение параметра шероховатости zo, зависящего от числа Рейнольдса, эквивалентно определению характера динамического взаимодействия турбулентного потока с подстилающей поверхностью. Таким образом, учитывается молекулярная диффузия, действующая на расстоянии нескольких миллиметров от поверхности. В случае аэродинамически гладкой поверхности параметр z0= 0.
Для проведения численных расчетов система уравнений (3.21) преобразовывалась следующим образом. Вычитая из первого уравнения второе и интегрируя по z, получаем: Ill-DT(z)—(щ- ) + +Ь2п2Е) = с, (3.23) где с - постоянная интегрирования. Используя граничные условия (3.22), получаем приz- oo, c=E(oo)-(b1n1(co)+b2n2(oo)), (3.24)Z-Яо. C=-D { - \ С1 25)Из (3.24) и (3.25) получаем соотношение: -DM){ - f\ =Е{ ).п{ъ).{Ь1+Ъ!\ (3.26) V dz dz J dnl7 которое определяет связь между градиентами —— в точке z = z0 и dz ассимптотическими значениями njj и Е. ч Для численного решения система уравнений (3.21) путем введениядополнительных неизвестных функций —L = u(n1,z), —L = v(n2,z) сводилась кdz dzпяти дифференциальным уравнениям первого порядка, которые решались методом Рунге-Кутта четвертого порядка. При этом значения —— z=z, E(Z=ZQ) dz "подбирались таким образом, чтобы полученные решения удовлетворялиасимптотическим граничным условиям, с учетом соотношения (3.26). Метеорологические факторы могут существенно изменять электрическиехарактеристики приземного слоя, даже в условиях «хорошей погоды» этовлияние значительно [5-8,70,85,86]. Параметром, отражающим влияниеметеорологических факторов в рассматриваемой модели, является коэффициенттурбулентной диффузии DT (z). Для определения вертикального профиля DT (z)часто используются данные градиентных наблюденийгидротермодинамических величин в приземном слое [14,95].
В теории подобия для задания коэффициента турбулентного перемешивания используется универсальная функция (рт зависящая только от стратификации [95]. В данном случае для определения DT использовалось представление из работы:W = 4 -. (3-27)фи о Inzили, используя логарифмическую интерполяционную формулу [41], получаем:, N у2 Дм „DT(z) = - -z, (3.28)z,где zi и z2 высоты, на которых проводятся градиентные измерения скорости горизонтального ветра и, % — 0,43 постоянная Кармана, (ри- универсальная функция теории подобия. Для наиболее хорошо изученного случая нейтральной стратификации ((ри=1) получаем:DT{z) = Dx-z,D, =Х2- г (3-29)z0положив в формуле (3.31) Zi = zQ И воспользовавшись тем, что и =0. Какследует из (3.2), в случае нейтральной стратификации распределение D?(z) зависит только от скорости горизонтального ветра.
