научная статья по теме РОССИЙСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА В 2003–2007 ГГ Геофизика

Текст научной статьи на тему «РОССИЙСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА В 2003–2007 ГГ»

ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 5, с. 709-720

УДК 551.594

РОССИИСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ АТМОСФЕРНОГО

ЭЛЕКТРИЧЕСТВА В 2003-2007 гг.

© 2009 г. Е. А. Мареев*, В. Н. Стасенко**

*Институт прикладной физики РАН 603600 Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46 E-mail: mareev@appl.sci-nnov.ru **Росгидромет 123995 Москва, Нововаганьковский пер., 12 Поступила в редакцию 25.05.2009 г.

Представлены результаты российских исследований в области атмосферного электричества для Национального отчета по метеорологии и атмосферным наукам к XXIV Генеральной ассамблее Международного союза геодезии и геофизики (г. Перуджа, 2-13 июля 2007 г.)1

ВВЕДЕНИЕ

В данной публикации сделан обзор результатов российских исследований в области атмосферного электричества в 2003-2006 гг. (частично и в 2007 г.), подготовленный Комиссией по атмосферному электричеству Национального геофизического комитета (НГК, см. http://ngc.gcras.ru/) для Национального отчета по метеорологии и атмосферным наукам к XXIV Генеральной ассамблее Международного союза геодезии и геофизики (International Union of Geodesy and Geophysics - IUGG, см. http:// www.iugg.org/), состоявшейся в г. Перуджа (Италия) 2-13 июля 2007 г. (Russian National Report, 2007).

Атмосферное электричество - одна из фундаментальных проблем атмосферной физики, привлекающая пристальное внимание в течение многих лет. В последнее время, благодаря широкому применению новых технических средств и современных вычислительных методов, многие аспекты физики грозового электричества и электричества хорошей погоды, формирования электрической структуры грозовых облаков, инициирования пробоя и распространения молнии, роли грозовых генераторов в глобальной электрической цепи получили существенное развитие [1-8]. Новые тенденции

1 Национальный отчет России по метеорологии и атмосферным наукам за 2003-2006 гг., представленный в Международную комиссию по метеорологии и атмосферным наукам во время проведения XXIV Генеральной ассамблеи Международного союза геодезии и геофизики, Перуджа, Италия, 2-13 июля 2007 г. / Ред. И.И. Мохов, A.A. Криволуцкий. М.: МАКС Пресс, 2007, 180 с. (на англ. яз.) (Russian National Report. Meteorology and Atmospheric Sciences, 2003-2006 / Eds: I.I. Mokhov and A.A. Krivolutsky. National Geophysical Committee RAS. Moscow: MAX Press, 2007, 180 p.). См. также: Мохов И.И. Российские исследования в области метеорологии и атмосферных наук в 2003-2006 гг. // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2009. Т. 45. №№ 2, 4.

обнаруживаются в оценке механизмов и энергетики атмосферного электричества в связи с появлением новых данных, полученных с помощью баллонного зондирования облаков, измерений на борту самолетов, наземных и спутниковых наблюдений, экспериментов по инициированию молний (triggering lightning), лабораторного моделирования процессов электризации облачных частиц. Выясняется важная роль тонкой структуры распределения поля и заряда грозовых облаков, электрогазодинамической турбулентности, высокоэнергичных процессов, приводящих, в частности, к вспышкам рентгеновского и гамма излучения во время грозы. Огромное внимание привлекло в последние годы новое геофизическое явление - разряды в средней атмосфере. Теоретический анализ всей этой новой информации, необходимой для понимания физических процессов формирования глобальной электрической цепи, электрической структуры грозовых облаков, инициирования пробоя и распространения молнии, потребовал новых подходов, основанных на современных методах геофизической электродинамики [1-7]. Вместе с тем все возрастающий интерес вызывают и вопросы оперативного мониторинга грозовых явлений и активного воздействия на грозовые процессы [8], поэтому специальный (четвертый) раздел статьи посвящен обзору работ в этом направлении.

1. ИОНЫ И АЭРОЗОЛИ. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО ХОРОШЕЙ ПОГОДЫ

Изучение ионов и заряженных аэрозолей - классический раздел атмосферного электричества, привлекающий в последние годы повышенное внимание в связи с изучением роли заряженных частиц в формировании мелкодисперсных аэрозолей, которые влияют на оптические свойства атмосферы, а

710

МАРЕЕВ, СТАСЕНКО

также могут служить ядрами конденсации воды и нуклеации льда. Большой интерес вызывает, в частности, явление интенсивной эмиссии сверхмалых (нанометровых) аэрозолей (ЭНА) в тропосфере, известного в зарубежной литературе под названием "нуклеационный всплеск" (nucleation burst). Факты вспышечной эмиссии аэрозольных частиц нанометро-вого интервала размеров (диаметр D = 3-100 нм) зафиксированы на всех континентах и во всей толще тропосферы. Обзор результатов экспериментальных и теоретических исследований этого малоизученного явления приведен в статье [9]. К настоящему моменту более или менее детально изучены интенсивные и продолжительные ЭНА в Северной Европе, причем 60-70% наблюдений выполнены в лесной местности при наличии снежного покрова и 10-20% - на морских побережьях. Чаще всего ЭНА происходят весной и осенью, в 95% случаев в дневное время и в условиях ясной и спокойной погоды, характерной для антициклонов. ЭНА характерны начальным быстрым увеличением концентрации наночастиц вплоть до значений 103-105 см3. По истечении 1-2 ч формируется так называемая ядерная фракция размеров с диаметрами D = 3-15 нм. В течение дальнейших 4-6 ч возможно появление фракции Айткена D = 20-80 нм и укрупнение аэрозольных частиц внутри аккумулятивной фракции D = 80-200 нм. В итоге за 6-8 ч воспроизводится цикл рождения и превращения частиц атмосферного аэрозоля с размерами от единиц до сотен нанометров. В периоды ЭНА скорость формирования ядер конденсации диаметром 100 нм возрастает в 10-100 раз. Существенными факторами генезиса ЭНА являются "эро-зольновое" и "электрическое" состояние атмосферы. Более интенсивные ЭНА проявляются при невысоком содержании фоновых аэрозолей при наличии атмосферных ионов средней подвижности D = 2-3 нм.

В ходе международного эксперимента ESUP (весна 2000 г., Финляндия) впервые выявлен статистически обоснованный факт, что каждому появлению наночастиц предшествуют эмиссии атмосферных средних ионов (СИ) подвижностью 0.8-0.25 см2/(В с) [10]. Следует отметить, что физическая природа и роль СИ в атмосферных электрических процессах пока не выяснены. На шкале подвижностей они занимают промежуточное положение между легкими (подвижность 1-3 см2/(В с)) и тяжелыми и (подвижность менее 4 х 10-2 см2/(В с)) атмосферными ионами. В отсутствие высоких пересыщений средние ионы являются продуктом неупругого соударения с предшественниками - нейтральными микрочастицами размерами порядка D = 1-2 нм, которые, в свою очередь, появляются благодаря ассоциации (рекомбинации) разнополярных легких ионов. В работе [11] выяснено, что рост концентрации СИ от фоновых значений порядка 10-100 см-3 до 103 см-3 происходит, когда удельная площадь частиц атмосферного аэрозоля не превышает S = 1-3 мкм2/см3. Интенсивное формирование СИ, как правило, предшествует генерации аэрозольных частиц нано-

метрового интервала размеров О = 3-10 нм. Если Б > 100 мкм2/см3, то средние ионы и наночастицы не формируются.

Обобщение экспериментальных данных позволило сформулировать следующие требования к характеристикам излучений, стимулирующих конверсию "газ-аэрозоль" в приземной атмосфере [12-15]:

1. Энергия квантов (частиц) должна превышать энергию ионизации основных компонентов воздуха (около 15 эВ) независимо от вида излучения (УФ, альфа, бета, гамма, нейтронное).

2. Для образования аэрозоля в ионизированном газе необходимо присутствие легких ионов обеих полярностей - и отрицательных, и положительных, так что рабочее излучение и состав газов должны стимулировать биполярную ионизацию воздуха.

3. Должно выполняться также условие на возраст легких ионов: первоначальные ионы при временах жизни порядка и менее 1-10 мс, во-первых, не успевают сформировать гидратную оболочку вокруг молекулярного иона, а во-вторых, свежие молекулярные

ионы имеют структуру типа О-, N и т.п., не "подходящую" для образования устойчивого кластера.

Результаты моделирования конверсии газ-аэрозоль в различных метеорологических условиях при действии УФ и биполярной ионизации указывают на значимость и целесообразность учета электрических взаимодействий и при формировании и эволюции стратосферного аэрозоля, прежде всего при наработке зародышевых ядер конденсации в слоях стратосферного аэрозоля.

Исследования динамики ионизации воздуха тесно связаны с изучением динамики электрического поля и тока в атмосфере, в первую очередь, в условиях хорошей погоды и в условиях тумана. В последние годы получен ряд принципиальных результатов в изучении так называемых копроткопериод-ных пульсаций электрического поля (в диапазоне частот 10-3-1 Гц) и аэроэлектрических структур [16-20]. Кратко эти результаты можно сформулировать следующим образом:

1. Копроткопериодные пульсации электрического поля приземной атмосферы имеют степенные спектры как в условиях хорошей погоды, так и в условиях тумана, в диапазоне частот 10-2-10-1 Гц. Измеренные показатели степени спектра меняются от -1.23 до -3.36 в зависимости от метеорологических и геофизических условий эксперимента. Спектр имеет более "жесткий" наклон для длительных (порядка нескольких часов) временны х интервалов.

2. Полученное для структурированных спектров распределение является бимодальным: оно имеет два максимума - в области -2.75...-3.0 и в области -2.25.-2.5. Распределение неструктурированных спектров (т.е. спектров пульсаций, наблюдаемых в отсутствие аэроэлектрических структур) является асимметричным с явно выраженным

максимумом, относящимся к интервалу показателей наклона от -2.5 до -3.

3. В условиях тумана интенсивность пульсаций электрического поля увеличивается более чем на порядок. При этом показатели спектра в большинстве наблюдаемых событий не отличаются радикально от соответствующих показателей в условиях хорошей погоды [19, 20].

4. На основе теоретической модели, учитывающей вклад турбулентного перемешивания заряженных частиц и наличие аэроэлектрических структур в пограничном слое атмосферы, пок

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком