Введение к работе
Актуальность исследований. Атмосферно-электрическое поле, наряду с магнитным, гравитационным и тепловым, играет важную роль в управлении всеми процессами в атмосфере и оказывает существенное влияние на биологические объекты. В связи с этим теоретические исследования электрического поля" атмосферы и моделирование электрических процессов представляют значительный научный и практический интерес и помогают решению целого ряда прикладных задач.
В последнее время чрезвычайно резко возросло антропогенное воздействие на окружающую среду, поэтому особого внимания заслуживает задача мониторинга загрязнения атмосферы. Повышается интерес к способам получения из атмосферно-электрических наблюдений информации о физико-химическом составе атмосферного воздуха, так как общеизвестно, что параметры атмосферного электричества хорошей погоды очень чувствительны к загрязнению воздуха. Однако эти параметры - напряженность электрического поля и электропроводность воздуха зависят от загрязненности воздуха сложным образом. Кроме того, электрическое поле атмосферы формируется под действием большого числа независимых факторов и явлений: метеорологических, геофизических, геомагнитных. Поэтому повышение информативности атмосферно-электрических параметров с целью мониторинга загрязнения атмосферы связано, во-первых, с организацией наблюдений за элементами атмосферного электричества, которые могут рассматриваться как непосредственные индикаторы загрязненности воздуха, а во-вторых - с разработкой математической модели, которая выражает зависимость напряженности атмосферно-электрического поля от физико-химических характеристик воздуха.
Электрическое поле атмосферы с большим количеством составляющих различной природы и динамикой безусловно является многомерным и
многосвязным объектом, для которого необходима разработка формализованной методики системного моделирования с машинной реализацией всего процесса моделирования, включая этапы разработки, решения и анализа.
Цель диссертационной работы. Математическое моделирование электрического поля в приземном слое атмосферы как многосвязного объекта в виде топологической структурно- функциональной модели для разработки концепции управления состоянием поля.
Методы исследования. При моделировании электрического поля атмосферы использовались статистические методы обработки результатов наблюдений за параметрами атмосферного электричества, методы теории систем управления, методы теории графов, теории множеств, матричного исчисления и регрессионного анализа. Разработанная методика реализована с помощью программы обработки электронных таблиц Microsoft Excel , языка технических вычислений Майав.
Научная новизна работы.
-
Электрическое поле атмосферы рассматривается как многосвязный объект управления.
-
Разработана математическая модель электрического поля атмосферы как многосвязного объекта.
-
Проведены комплексные синхронные измерения напряженности электрического поля, метеопараметров и концентрации аэрозоля, выполнена статистическая обработка этих измерений и получена математическая модель.
-
Проведены исследования свойств электрического поля при невозмущенных и возмущенных состояниях.
-
Разработана концепция управления состоянием электрического поля.
Практическая ценность работы. По теме диссертации автором выполнялись исследования в рамках целого ряда хоздоговорных и госбюджетных тематик в соответствии с планами важнейших научно-исследовательских работ: "Исследование влияния загрязняющих факторов предприятий г.Братска на атмосферное электричество" (1985г.), "Исследование влияния физических полей на окружающую среду г.Братска" (1987г.), "Исследование статистической структуры пространственно-временных вариаций естественного электрического поля атмосферы на полигонах" (1989г.), проводимых по комплексной программе Минвуза РСФСР "Человек и окружающая среда" и Всероссийской программе геофизического комитета "Глобальная электрическая цепь", а также по теме "Топологические методы идентификации и синтеза систем управления многосвязными объектами", выполняемой в Братском государственном техническом университете по направлению "Теория, методы и средства автоматизации систем переработки информации и управления".
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались:
на IV Всесоюзном симпозиуме по атмосферному электричеству (Нальчик, 1990г.);
на межрегиональной научно-практической конференции "Проблемы экспериментальной зоны чрезвычайной экологической ситуации, пути и способы их решения" (Братск, 1996 г.);
на 3-й региональной научно-практической конференции "Интеллектуальные и материальные ресурсы Сибири" (Иркутск, 1999г.);
на V Всероссийской научно-технической конференции "Энергетика: экология, надежность, безопасность" (Томск, 1999г.);
на XIV - XX научно-технических конференциях Братского государственного технического университета.
Результаты работы были представлены в составе экспозиции БрИИ и Иркутской области на международных выставках: "Разработка' методов
б управления воздушных бассейнов промышленных зон городов" (Англия, 1994г.), "Организация экологического мониторинга в зонах промышленных выбросов (система управления экологическим состоянием воздушного бассейна промышленных городов" (г. Сеул, Корея, 1994г.). Положения, выносимые на зашиту:
постановка задачи системного моделирования электрических процессов в приземном слое атмосферы;
обоснование возможности применения аппарата структурных графов для моделирования электрического поля атмосферы;
"-' топологическая модель электрического поля атмосферы как многосвязного объекта в условиях антропогенного загрязнения;
- ' вывод уравнений состояния электрического поля атмосферы в
невозмущенных условиях и в условиях антропогенной нагрузки;
- принципы разработки управляющих воздействий на электрическое поле
атмосферы.
Публикации, По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 5 статей и 10 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 118 страниц, включая 15 рисунков и 13 таблиц. Список литературы содержит 97 наименований.