Диссертация (1150727), страница 3
Текст из файла (страница 3)
1.2. Глобальная электрическая цепь согласно модели Робла-Хейса [30].Современные исследования глобальной электрической цепи, ориентированные на изучение и выявление совокупности генераторов атмосферного электричества, показывают, что грозовые облака и происходящие в них процессы разделения зарядов являются не единственными генераторами, поддерживающими электрическое поле атмосферы (рис.
1.3). Глобальная электрическая цепь формируется совокупностью источников электродвижущих сил, являющихся результатомцелого ряда процессов разделения и накопления зарядов, сосредоточенных в атмосфере, магнитосфере, ионосфере и литосфере. В глобальном масштабе токовыйконтур ГЭЦ, наряду с плавно стратифицированным по высоте атмосферным участком, включает плазменную ионосферно-магнитосферную и твердотельную литосферную оболочки. Функционирующий благодаря высокой проводимости всехоболочек этот контур также открыт внешним воздействиям через межпланетноемагнитное поле, которое влияет на изменение интенсивности потока галактических космических лучей, корпускулярные и волновые потоки.
В этих условияхособую роль в цепи играют высокоширотная область, полярная шапка, зоны про-13дольных токов и касп как районы повышенной активности ионосферномагнитосферных источников, способных оказать влияние на электрическое состояние нижней атмосферы. Область средней атмосферы также содержит электрически активные зоны генерации крупномасштабных электрических полей [5].Рис. 1.3. Глобальная электрическая цепь и ее основные генераторы [5].В региональном масштабе воздействие на глобальную электрическую цепьобусловлено метеорологическими явлениями, характерными для данного района:облаками, циклонами, осадками, туманами, пыльными и снежными бурями [75], атакже вулканическими извержениями [44, 58, 65, 66] и землетрясениями [62]. Ктому же, свой вклад вносит антропогенное воздействие, которое определяетсявыбросом аэрозольных и радиоактивных веществ в атмосферу [74].
Влияние антропогенных источников в районах крупных мегаполисов приводит к понижениюэлектрической проводимости воздуха и существенному искажению естественноготокового контура ГЭЦ [5].В настоящее время существует большое количество работ по генераторамэлектрического поля в магнитосфере и ионосфере, при этом, большая часть исследований посвящена изучению грозовых тропосферных источников. В значительно меньшей степени данный вопрос рассмотрен применительно к нижней атмосфере и тем более для ее приземного слоя.14Исходя из вышесказанного, представляется целесообразным более детальнорассмотреть поведение электрического поля и источники его возмущений у поверхности земли.
Здесь наиболее активно проявляется воздействие литосферы наатмосферу, которое определяется динамикой литосферных процессов и происходит интенсивно на границе соприкосновения этих геосфер.1.1.2. Электрическое поле в приземном слое атмосферы и его особенностиСуществующее в атмосфере Земли электрическое поле обусловлено результатом совокупного действия объемных зарядов в атмосфере и заряда, находящегося на земной поверхности.
При нормальной погоде в отсутствие грозовых облаков земная поверхность несет на себе значительный отрицательный заряд, в товремя как атмосфера заряжена положительно [31].Электрическое поле в атмосфере можно охарактеризовать в любой точкезначением его потенциала, который определяется сумой всех электрических зарядов на поверхности Земли и в атмосфере. Если V – потенциал в некоторой точке скоординатами x , y , z , тогда слагающие напряженности поля по координатнымосям равны [81]:∂V∂V∂V, Ey = −, Ez = −.∂y∂x∂zПолная напряженность поля будет равна:Ex = −E = E x2 + E y2 + E z2 .(1.1)(1.2)Все точки поля с одинаковым значением потенциала образуют непрерывныеуровневые или изопотенциальные поверхности, которые, в силу свойств, присущих потенциалу, не могут ни пересекаться, ни касаться друг друга.
Производнаяот потенциала по нормали n в любой точке уровневой поверхности дает полнуюнапряженность поля в этой точкеE=−∂V.∂nУ земной поверхности, считая ее проводником, напряженность поля равна:(1.3)15E0 = −∂V0= 4πσ ,∂n(1.4)где σ – поверхностная плотность заряда Земли в данной точке [81].Для каждой точки атмосферы при наличии объемных зарядов с плотностьюρ должно выполняться соотношение Пуассона:∂ 2V ∂ 2V ∂ 2V= −4πρ .++∂x 2 ∂y 2 ∂z 2(1.5)Если рассматривать электрическое поле над обширной плоской равниной, то∂ 2V ∂ 2V== 0 .
Тогда, используя только одну коордиможно предположить, что∂x 2 ∂y 2нату z и заменяя ее на h , градиент потенциала электрического поля будет равен:dV ∂ 2VE=−= −4πρ .,dh ∂h2(1.6)Результаты многолетних наблюдений электрических характеристик у поверхности Земли [29, 87] показали существование градиента потенциала со средним значением порядка 130 В / м и вертикального электрического тока проводимости плотностью порядка 2 × 10−12 A / м2 .
Эти значения соответствуют условиямтак называемой хорошей погоды, т.е. отсутствию в данном районе облаков, ветраи других возмущающих метеорологических факторов [4, 33, 73].Вертикальные токи в атмосфере существуют благодаря присутствию в нейположительных и отрицательных ионов, которые образуются в результате процесса ионизации газов, входящих в состав воздуха. Ионный состав атмосферы внижнем слое довольно сложен. Имеется целый спектр ионов, которые представляют собой комплексы молекул, несущих заряд, равный элементарному заряду.Атмосферные ионы различаются химической природой входящих в них молекул,коэффициентом диффузии, подвижностью.
Отличие ионов в атмосфере от остальных молекул воздуха и взвешенных частиц обусловлено только наличием уних электрических зарядов. Поэтому на ионы помимо обычно действующих в атмосфере сил оказывают влияние и электрические силы. Под их действием ионы,16находясь в электрическом поле, перемещаются вдоль силовых линий этого поля[33].Постоянно существующие в атмосфере Земли вертикальные электрическиетоки плотностью j можно описать уравнением:j=λгдеdVdρ+ kz+ν z ρ ,dzdz(1.7)dV= Ez – вертикальная компонента градиента потенциала атмосферногоdzэлектрического поля, λ – проводимость воздуха, k z – коэффициент турбулентного перемешивания, ρ – плотность объемного заряда или суммарный заряд единичного объема воздуха, vz – вертикальная компонента скорости конвективногопереноса [33].
Второй и третий члены в правой части уравнения (1.7) обусловлены соответственно турбулентным и конвективным переносом объемных зарядовпо высоте. В первом приближении, при слабом турбулентном перемешивании атмосферы и небольшой конвекции, этими членами можно пренебречь.
После этогозначимым в правой части уравнения (1.7) остается первый член, который характеризует плотность вертикального тока проводимости, обусловленного движениемионов под действием электрического поля. Поэтому в атмосфере вертикальныйток в квазистационарных условиях является током проводимости:j = λEz .(1.8)Так как ток проводимости не меняется с высотой, то напряженность электрического поля зависит от проводимости атмосферы [31]. По современным представлениям, электрическая проводимость атмосферы возрастает с высотой поэкспоненциальному закону. Согласно [97] в нижней атмосфере существует область аномального усиления проводимости, которая обусловлена обменным слоем вблизи поверхности Земли и характеризуется электродным эффектом.
Как известно, электродным эффектом называют совокупность процессов, происходящихвблизи электрода, помещенного в ионизированную среду, и приводящих к появлению зависимости электрических характеристик среды от расстояния до поверхности электрода вблизи него [34, 85, 87, 95].17Если предположить, что в результате длительной ионизации в объеме между заряженными пластинами конденсатора с поверхностной плотностью зарядовρ непрерывно с постоянной интенсивностью возникают ионы, то, в соответствиес уравнением (1.6), между обкладками такого конденсатора появится электриче- dV ское поле с напряженностью E = = 4πρ . Градиент потенциала электриче dh h =0ского поля приводит к появлению в объеме конденсатора электрического тока,который возникает в результате движения положительных и отрицательных ионов в противоположных направлениях.
Это приводит к обеднению области вблизи электродов носителями заряда одного знака, из-за чего возникает объемныйэлектрический заряд. В атмосферном электричестве электродом считают земнуюповерхность, вблизи которой в условиях хорошей погоды под действием электрических сил возникает избыток положительных ионов и формируется положительный объемный заряд (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
