Диссертация (1145308), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Кластерные ионыявляются основными носителями заряда на высотах менее 60 км. Выше 60 км более важныминосителями заряда становятся свободные электроны с высокой подвижностью, что приводит крезкому увеличению проводимости.Вертикальная плотность тока J z в областях с ясной погодой связана с потенциаломионосферы Vi и сопротивлением R столба атмосферы единичного сечения законом ОмаJ z = Vi / R . Сопротивление столба атмосферы, лежащего между земной поверхностью инижним уровнем ионосферы (~60 км), может быть рассчитано как60R=dz∫ σ (z )(1.9)0где σ (z ) − проводимость воздуха на высоте z (напр., [Tinsley, 2008]).
Проводимостьатмосферы в областях с ясной погодой возрастает с высотой примерно экспоненциально до51нижней границы ионосферы (~60 км) [Rycroft et al., 2000]. Большая часть сопротивлениязаключена в нижней части тропосферы (ниже 5 км), где проводимость воздуха уменьшаетсявследствиеприсоединениямалыхионовкаэрозольнымчастицамиобразованиямалоподвижных больших (аэрозольных) ионов. Плотность тока меняется в зависимости отлокальных условий в пределах (1−6)·10−12 А⋅м−2 [Tinsley, 2008]). Суммарный ток в областях сясной погодой составляет ~1000 А [Rycroft et al., 2000].Поскольку атмосфера обладает электропроводностью, при отсутствии генератора,поддерживающего разность потенциалов между земной поверхностью и ионосферой, времяразрядки конденсатора “Земля-ионосфера” составило бы порядка 10 минут.
Главнымгенератором атмосферного электричества, согласно теории Вильсона, считается планетарнаягрозовая активность. Одновременно на земном шаре происходит примерно 103 гроз, при этомплощадь, охваченная грозами, составляет ~0.1% земной поверхности (по большей степени,тропические районы). Как видно из рис.1.11, выше грозового облака происходит переносположительного заряда к ионосфере. Отрицательный заряд с нижней части облака переноситсяк Земле молниевыми разрядами и осадками. Теория Вильсона подтверждается значительнымподобием суточного хода градиента потенциала (напряженности вертикального электрическогополя) над океанами (унитарная вариация, или кривая Карнеги) и планетарной грозовойактивности [Chalmers, 1967].Таким образом, глобальную электрическую цепь можно разбить на отдельные участки,содержащие активные сопротивления, и генератор, включающий планетарную грозовуюактивность [Markson, 1978, 1980].
Поскольку площадь, охваченная грозами, невелика,направленный вверх зарядный ток течет через довольно большое атмосферное сопротивление~105−106 Ом. Далее это ток проходит через высокопроводящую ионосферу и возвращается кЗемле в областях с ясной погодой. Можно представить, что ток “нагрузки” в возвратной ветвиконтура течет через большое число соединенных параллельно сопротивлений между Землей иионосферой, поэтому полное сопротивление нагрузки невелико (~102 Ом). Сопротивлениеатмосферы ниже грозовых облаков оценивается как 104−105 Ом. Земля и ионосфера считаютсяпроводниками.
Как видно из рис.1.11, большая часть сопротивления планетарного контура (какзарядной ветви тока над грозовым облаком, так и возвратной ветви в областях с ясной погодой)находятся на высотах, доступных для приходящей ионизирующей радиации. Таким образом,изменения потока космических заряженных частиц могут влиять на сопротивление контура,что, возможно, наиболее существенно для зарядной ветви тока, так как сопротивление нагрузкив областях с ясной погодой сравнительно небольшое.Следует отметить, что ионосфера высоких широт (±30º относительно магнитного полюса)не является эквипотенциальной, так как взаимодействие солнечного ветра и магнитосферы52Земли приводит к возникновению разности потенциалов между утренней и вечерней сторонойпорядка 30−150 кВ [Roble, 1985, Tinsley, 2008] (рис.1.12).
При спокойных геомагнитныхусловиях (низкие значения Kp-индекса) потенциал на утренней стороне полярной шапки на20−30 кВ выше, чем на вечерней стороне. Во время магнитных бурь (при большойотрицательнойB z -компоненте ММП и/или высоких значениях Kp-индекса) разностьионосферного потенциала “утро-вечер” увеличивается до 150−200 кВ [Boyle et al., 1997].Изменение ионосферного потенциала в высоких широтах, обусловленного влияниемсолнечного ветра, также может оказывать влияние на электрические токи в атмосфере [Tinsley,2008].Рис.1.12.
Распределение потенциала ионосферы и направленных вверх токов, обусловленныхгрозовой активностью [Markson, 1983].Поскольку потоки заряженных частиц вызывают ионизацию атмосферы, их вариацииоказывают влияние на свойства глобальной электрической цепи. Обзор эспериментальныхданных о связи параметров ГЭЦ с вариациями различных видов заряженных частиц приведен вработе [Rycroft et al., 2012]. Зависимость ионизации атмосферы от потока ГКЛ приводит к 11летней модуляции характеристик ГЭЦ. В частности, Марксон и Мюир [Markson and Muir, 1980]обнаружили 30%-ную вариацию плотности тока J z , изменяющуюся в фазе с изменениямипотока ГКЛ. В работе [Harrison and Usoskin, 2010] показано, что ионосферный потенциалположительно коррелирует со скоростью счета нейтронного монитора в высоких широтах.Короткопериодные вариации электрических характеристик в связи со вспышками на Солнцеисследовались Коббом [Cobb, 1967] в Мауна-Лоа на Гавайских островах и Рейтером вГермании [Reiter, 1989].
В результате исследований Кобб обнаружил увеличение J z на 10% отневозмущенного уровня в дни, следующие за вспышкой. Аналогичные результаты (возрастание53J z на 20%) были получены Рейтером после больших солнечных вспышек. Эффекты солнечныхпротонных событий в электрических характеристиках атмосферы высоких широт будутобсужаться в главе 2.Возможныемеханизмысолнечно-атмосферныхсвязей,включающиеизмененияатмосферного электричества, были впервые предложены Германом и Гольдбергом [Herman andGoldberg, 1978] и Марксоном [Markson, 1978, Markson and Muir, 1980]. Согласно механизмуГермана и Гольдберга, усиление электрического поля под действием вариаций космическихлучей может способствовать усилению грозовой активности. Поскольку напряженностьэлектрического поля в грозовом облаке уже велика и составляет ~105 В·м−1, сравнительнонебольших изменений электрического поля, связанных с вариациями космических лучей, будетдостаточно чтобы ускорить разделение заряда и усилить электрическое поле до величины,необходимой для начала грозы.В механизме Марксона предполагается, что изменения проводимости в связи свариациями космических лучей оказывают существенное влияние на величину токов впланетарном электрическом контуре.
При уменьшении сопротивления над генератором грозына 50% сила тока должна возрасти на 45%. Если сопротивление нагрузки остается постоянным,то потенциал ионосферы и, соответственно, напряженность электрического поля в областях схорошей погодой также вырастет на 45% (фактически на 40% с учетом небольшогоуменьшения сопротивления нагрузки).
Увеличение электрического поля в областях с хорошейпогодой должно увеличить электризацию развивающихся кучевых облаков. Сильныеэлектрические поля в облаке, в свою очередь, способствуют более интенсивной конденсацииводяного пара и слиянию мелких капель в крупные дождевые капли, что приводит к выпадениюосадков и выделению скрытой теплоты, которая может стать энергетическим источникомвозмущений циркуляции.Вариации атмосферного электричества включены в т.н.
“электрические” механизмывлияния вариаций космических лучей на формирование облачности, разрабатываемые Тинслии соавторами [Tinsley et al. 1989; Tinsley and Deen, 1991; Tinsley and Heelis, 1993; Tinsley, 2008,2012; Lam and Tinsley, 2016]. В работах [Tinsley and Deen, 1991 Tinsley and Heelis, 1993] былпредложен механизм “электрозамерзания” (“electrofreezing”) переохлажденных капель воды воблаках верхнего яруса вследствие изменений электрических характеристик атмосферы.Согласно данному механизму, увеличение ионизации за счет вариаций ГКЛ увеличиваетпроводимость воздуха, что в совокупности с увеличением электрического потенциала междуионосферой и Землей, обусловленного изменениями межпланетного магнитного поля, приводитк усилению вертикальных атмосферных токов. Электрические токи, встречая препятствие ввиде низкопроводящего облака, способствуют разделению зарядов и усилению поля54поляризации внутри облака.
Поле поляризации влияет на величину заряда, который может бытьсобран облачной капелькой (например, согласно [Tinsley and Heelis, 1993], капелька радиусомr ~ 30 мкм в электрическом поле 100 В⋅м−1 может захватить до 180 элементарных зарядов).Увеличение заряда на капельках переохлажденной воды способствует более интенсивномуобразованию частиц льда (“электрозамерзанию”) вследствие увеличения частоты столкновенийи “коэффициента слипания” этих капелек, имеющих вследствие увеличения поля поляризацииболее высокий заряд, с незаряженными или противоположно заряженными аэрозолями,играющимирольльдообразующихядер.Предполагаетсятакже,чтоприсутствиемикроскопических, но достаточно сильных электрических полей, создаваемых заряженнымичастицами, увеличивает способность указанных ядер к образованию зародышей льда.
Такимобразом, процесс “электрозамерзания” способствует более высокой скорости образованияледовых зародышей (нуклеации) и начального роста ледовых частиц в облаках верхнего яруса.В дальнейшем рост ледовых кристаллов до миллиметровых размеров происходит за счетпереохлажденных капель (механизм Вегенера-Бержерона-Финдейзена), частицы указанныхразмеров могут оседать на более низкий уровень и вызывать обледенение облаков среднегояруса с выделением скрытой теплоты.Генерация пространственного заряда электрическими токами в областях с низкойпроводимостью (облака, аэрозольные слои) способствует росту заряда на каплях воды иаэрозольных частицах, что приводит к увеличению частоты их столкновений и “слипания”вследствие кулоновского взаимодействия.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
