Диссертация (1097516), страница 16

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 16)

На рис. 3.8 приведены данныеизмерений Ez, σ и вариаций атмосферного давления Р за 3-е декабря 2001 г. В этот деньтемпература воздуха была стабильной – около -5С; осадки отсутствовали, дул слабыйветер. Приблизительно с 06.00 UT начал образовываться сильный туман (дальностьвидимости менее 50 м), который сохранялся почти весь день. Заметные изменения вэлектрическом поле начали проявляться с момента образования тумана (06.00 UT),когда происходило плавное увеличение Ez, продолжавшееся до полудня.89Рис.

3.7. Динамический спектр вариаций атмосферных параметров во время грозы 29июня 2002 г. (разрешение 10 с): вариации вертикальной компоненты электрическогополя – вверху; вариации атмосферного давления – внизу. По оси Х отложено время в 10с. от 10.00 до 18.00 UT; по оси У – частота в 1/10 с.90Рис.

3.8. Вариации электрических параметров атмосферы и атмосферного давленияпри образовании тумана 3 декабря 2001 г.: а – вариации атмосферного давления; б –вертикальнаякомпонентаэлектрическогополя;в–положительная(1)иотрицательная (2) электропроводность.Максимальные значения Ez достигали величин 1 кВ/м и почти на порядокпревышали фоновое значение в соответствии с теорией и результатами другихизмерений [Анисимов и др., 2003].

К вечеру, когда туман рассеялся, величинанапряженности электрического поля снизилась, но по-прежнему превышала фоновоезначение в 2-3 раза. Электропроводность воздуха вблизи поверхности земли в этовремя уменьшилась (рис. 3.8в).91Падение проводимости во время тумана было отмечено в работе [Чалмерс,1974]. Увеличение Ez и понижение  при образовании тумана связаны с началоминтенсивного процесса роста концентрации аэрозольных частиц в воздухе и сприлипанием к ним легких ионов. Следует отметить, что с началом значительныхизменений в электрическом поле наблюдались изменения и в вариациях атмосферногодавления,аименно–уменьшениеамплитудыфлуктуацийипоявлениевысокочастотной компоненты (рис.

3.8а). В динамических спектрах вариаций Ez иатмосферного давления (рис. 3.9а,б) появляется шумовой всплеск в широком диапазонечастот в 08.00 UT, причем в вариациях Ez (рис. 3.9а) он не так ярко выражен.Шумовой всплеск прекращается после исчезновения тумана. Экспериментальныеисследования короткопериодных пульсаций электрического поля в диапазоне 10-2-1Гц), а также соответствующие теоретические оценки, указывают на их связь стурбулентным перемешиванием заряженных частиц и дрейфом объемных зарядов вприземном слое [Анисимов, Мареев, 2001]. Наблюдаемые флуктуации Ez связаны сформированием в условиях тумана протяженных аэроэлектрических структур,заполненных турбулентным газом [Анисимов, Мареев, 2001; Анисимов и др., 2003].В результате спектрально-временного анализа вариаций давления атмосферногоэлектрического поля при условиях нарушения погоды получены следующие выводы:1) В экстремальных погодных условиях (дождь, туман, гроза) спектральныехарактеристики вариаций давления и атмосферного электрического поля меняютсяпрактически синхронно.2) Полученные результаты указывают на необходимость исследования измененийатмосферных параметров в высокоширотной зоне при помощи интегрированныхметодов наблюдений.

Этот подход позволит приблизиться к пониманиюфизических процессов в атмосфере.92Рис. 3.9. Динамический спектр вариаций атмосферных параметров во время тумана 3декабря 2001 г. (разрешение 10 с): вариации вертикальной компоненты электрическогополя – вверху: вариации атмосферного давления – внизу. По оси Х отложено время в 10с. от 00.00 UT; по оси У – частота в 1/10 с.933.3 Происхождение электрического поля Земли.В настоящее время при рассмотрении атмосферного электрического полянаиболее простой и широко используемой моделью является модель сферическогоконденсатора, ынутренней обкладкой которого служит отрицательно заряженнаяземная поверхность, а внешней – ионосфера.

Разность потенциалов междуповерхностью Земли и верхними слоями атмосферы имеет значения порядка 250 кВ[Матвеев, 2000; Bering et al., 1998]. По мнению ряда исследователей, генератором,который непрерывно подзаряжает систему Земля-ионосфера, являются грозы.Подтверждением грозовой теории, принятой в 20-х годах прошлого столетия, считаетсянаблюдаемое подобие суточного хода градиента потенциала электрического поляатмосферы в ненарушенных условиях (над океанами и арктическими районами) –«кривая Carnegie» [Матвеев, 2000; Bering et al., 1998] (рис. 3.10б).Рис. 3.10. а) суточный ход градиента потенциала электрического поля атмосферынад океанами (кривая Carnegie); б) суточный ход суммарной площади, занятой грозами[Bering et al., 1998].Напряженность электрического поля связана с потенциалом U соотношением:E  gradU(3.1)94илиEx  UUU,Ey  ,Ez  xyz(3.2)Напряженность связана уравнением Пуассона с плотностью объемного заряда Q:div E  Q( 0 ),(3.3)илиE yQE xE zyzx 0(3.4)где 0 = 8,8510-12 Кл/(Вм) – электрическая постоянная,  1 – диэлектрическая проницаемость воздухаПоскольку при условии «хорошей погоды» эквипотенициальные поверхностиэлектрического поля практически совпадают с уровневыми поверхностями, тогоризонтальные составляющие Ex и Ey близки к нулю, а уравнение Пуассонаприобретает вид:E zQz  0(3.5)Интегрируя это уравнение от земной поверхности до произвольной высоты z,получаем:Ez (z)  Ez (0) 1z0 0Qdz(3.6),где Ez (0) – вертикальная составляющая напряженности электрического поля при z = 0Из уравнения (3.6) следует, что величина вертикальной составляющейнапряженности с увеличением высоты убывает.Гипотеза подзарядки конденсатора земля-ионосфера грозовой активностьюявлялась основной и доминировала вплоть до начала освоения космического95пространства.

Последующие исследования показали, что сама грозовая обстановкаможет зависеть от солнечной активности [Ермаков, 2000; Herman, Goldberg, 1978;Reiter, 1992; Bazilevskaya et al., 2000; Schlegel et al., 2001]. Например, вариации СКЛ иГКЛ могут оказывать существенное влияние на аэрозольный слой [Касаткина и др.,1999; Шумилов, Касаткина, 2005; Shumilov, Kasatkina et al., 1996; Yu, Turco, 2000;Kasatkina, Shumilov, 2005] и электрические параметры атмосферы [Markson, 1981;Tinsley, Deen, 1991; Zadorozhny et al., 1994], а также на процесс образования облаков[Svensmark, Friis-Christensen, 1997; Marsh, Svensmark, 2000; Palle, Butler, 2001; Carslawet al., 2002; Marsden, Lingenfelter, 2003].

С другой стороны, в высоких широтах, как этобыло показано по данным измерений [Жданов и др., 1984; Ptitsyna et al., 1995; Tinsley etal., 1998; Tinsley, 2000], на фоне унитарной кривой с максимумом вблизи 18-20 UTнаблюдаются вариации, вызванные солнечной и геомагнитной активностью.Рис. 3.11. Схематическое изображение действия различных агентов на электрическиепараметры атмосферы [Sheftel, 1994].96Ряд работ посвящен проблеме влияния на атмосферное электричество солнечномагнитосферных процессов, как, например, плотность потока солнечного ветра [Sao,1967], солнечные вспышки [Моисеев, 1993; Reiter, 1969; 1971], вариации космическихлучей [Markson, 1981; Tinsley, Deen, 1991; Zadorozhny et al., 1994; Marcz, 1997],магнитная активность [Шефтель и др., 1992; Клейменова и др., 1998; Rao, 1970],интенсивность полярных сияний [Olson, 1971] и высыпаний авроральных электронов[Никифорова и др., 2003].

На рис. 3.11 схематически изображены различные агенты,вызывающие изменения в атмосферном электричестве [Sheftel et al., 1994]. Однаконесмотря на то, что вклад солнечно-магнитносферной компоненты в атмосферноеэлектричество наиболее ярко выражен в высоких широтах, измерения электрическихпараметров атмосферы в авроральной зоне проводились лишь эпизодически. Вследующем разделе приведены результаты исследования взаимосвязи вариацийнапряженности электрического поля в приземном слое атмосферы с солнечномагнитосферными процессами в полярных широтах [Шумилов, Касаткина и др., 2005;Shumilov, Kasatkina et al., 2004].3.4 Суточные вариации атмосферного электрического поля имагнитосферные эффекты.На рис.3.12 приведены результаты измерений напряженности электрическогополя Еz (рис. 2.11а) и электропроводности (рис.

3.12б), полученные в обсерваторииАпатиты с 23 мая 2001 г. по 3 июля 2002 г. Для анализа выбирались дни, такназываемой, «хорошей погоды». «Хорошей погодой» называют по традиции условия,при которых: 1) отсутствуют грозы, осадки, иней, изморозь, туман, метель, поземка,сильная и умеренная мгла и дымка; 2) отсутствует пыльный ветер и скорость ветра непревышает 6 м/с; 3) отсутствует нижняя облачность, а общая облачность не превышаеттрех баллов; 4) величина градиента потенциала-напряженности лежит в пределах 1-500В/м; 5) в течение часа поле остается положительным (нет перехода через ноль). Вовсяком случае, именно так в работе [Семенов, 1974] определены условия «хорошейпогоды» для отбора данных по Еz.

Характеристики

Список файлов диссертации