ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2015, том 55, № 3, с. 350-360
УДК 533.951
ВОЗДЕЙСТВИЕ ЧАСТИЦ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН НА ВИХРЕВЫЕ СТРУКТУРЫ В АТМОСФЕРЕ И ИОНОСФЕРЕ
© 2015 г. Н. И. Ижовкина
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН), г. Москва, г. Троицк e-mail: izhovn@izmiran.ru Поступила в редакцию 02.07.2014 г.
После доработки 23.07.2014 г.
Возникновение вихревых структур стохастически детерминировано в неоднородной гиротропной атмосфере. Гиротропия атмосферы вызвана действием силы Кориолиса при вращении Земли и движением заряженных частиц в геомагнитном поле. В атмосфере наблюдаются вихри плазменной природы. Зарождение электрического поля плазменных вихрей возникает в полях градиентов давления мозаичной ячеистой топологии при ионизации частиц. В работе показано, что волны в нейтральной атмосфере, электрические поля и электромагнитные волны влияют на устойчивость вихревых структур. Волновые сигналы от антропогенных источников и смог при прохождении облачного фронта могут стимулировать локальные осадки и ослаблять или усиливать вихревые структуры. Возможен захват плазменным вихрем заряженных частиц, имеющих разную массу. Разделение заряда в плазменных вихревых структурах вызвано поляризационным дрейфом при затухании электрических полей. Самофокусировка плазменных вихрей при конденсации влаги в атмосферной облачности приводит к нарастанию энергии вихрей.
DOI: 10.7868/S0016794015020078
1. ВВЕДЕНИЕ
Наводнения, вызванные резким локальным увеличением количества осадков, сильные засухи наблюдаются в последние десятилетия регулярно. Наводнения связаны с продуктами сгорания топлива: нефть, газ, каменный уголь [Исламов, 2013]. Китай добывает каменного угля в 10 раз больше, чем Россия. Сжигание угля в промышленных северо-восточных провинциях Китая могло спровоцировать наводнение в 2013 г. в бассейне Амура. При сгорании топлива в атмосферу попадает дополнительное количество воды [Исламов, 2013].
В стохастически детерминированной системе погоды и климата необходимо учитывать влияние смога антропогенного происхождения на нагрев атмосферы. В понятие "смог" включают и водяной пар, в реальных условиях имеет место смесь газообразных и взвешенных частиц — аэрозолей. Неравномерное распределение смога в пространстве приводит к появлению дополнительного фактора в формировании полей градиентов давления и образовании мощных вихревых структур. Мощные циклоны захватывают и переносят пыль и частицы песка. Наблюдается такой перенос из пустынь Монголии и Казахстана на Дальний Восток.
Влияние аэрозолей естественного и антропогенного происхождения на климат проявляется в планетарном масштабе.
Взвешенные в воздухе частицы — аэрозоли влияют на атмосферные, физико-химические,
метеорологические, биологические процессы, а также имеют важное значение для оптики атмосферы [Дейрменджан, 1971]. Неравномерное распределение аэрозолей способствует неравномерному нагреву атмосферы, появлению локальных градиентов давления и зарождению слабых вихрей. Процесс зарождения вихрей стохастически детерминирован [Абурджаниа, 2006; Незлин и Черников, 1995; Моисеев и др., 1982,1983; Ерохин и др., 2009; Михайловская и др., 2009; Ижовкина, 2008].
Цель работы — показать, что: 1) в динамике вихревых структур в атмосфере важную роль играет смог; 2) на вихревые процессы влияют атмосферные и электромагнитные волны, а также усиливается воздействие антропогенных источников.
2. ВЛИЯНИЕ ПОТОКОВ ЧАСТИЦ И ВОЛНОВЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ПЛАЗМЕННЫХ ВИХРЕЙ
Появление аэрозолей в атмосфере связано с вертикальными градиентами давления. Плотность атмосферы меньше плотности аэрозольных частиц, поэтому в отсутствие вертикального градиента давления возможно только падение частиц со скоростью порядка скорости Стокса
V = 2 Г,2 g(рP -р/)
5 9 п '
V — установившаяся скорость частицы; га — радиус частиц; g — гравитационное ускорение; п — динамическая вязкость среды; рР, р^ — плотность частиц, плотность среды. При условии рР > р^ происходит движение вниз, при рР < р^ — движение вверх. Кинематическая вязкость для воздуха составляет V ~ 10-5 м2/с; V = п/р; р ~ 1 кг/м3 — плотность воздуха.
Вокруг крупных систем высоковольтных линий электропередач (ЛЭП) возникает магнитное поле, превышающее магнитное поле Земли. В ЛЭП Сибири, Северного Казахстана и Урала может подаваться напряжение и ~ 103 В, во избежание пробоев между проводами и поверхностью Земли высота опор составляет до 45 м. Потери мощности в линиях постоянного тока меньше в сравнении с линиями переменного тока. Переменный ток применяют в линиях с напряжением и < 110 кВ, постоянный — выше 110 кВ. В бытовых сетях сила тока обычно не превышает 6 А. Вокруг линий постоянного тока возникают постоянные возмущения геомагнитного поля, для линий переменного тока — электромагнитные поля. На частоте работы ЛЭП V ~ 50 Гц длина электромагнитных волн составляет X = с¡V ~ 6000 км, поэтому ЛЭП протяженностью несколько тысяч километров можно рассматривать как антенну. С ростом напряжения нарастают потери мощности на коронные разряды вокруг проводов, излучающие электромагнитные шумы.
Плазменный вихрь — вращающаяся в скрещенных электрическом и магнитном полях плазменная структура. Влияние факторов различной природы на плазменные вихри в атмосфере многообразно.
На генезис крупномасштабных мощных вихревых структур в гиротропной среде, например, в атмосфере, влияют условия генерации слабых вихрей малых масштабов. Возможна перекачка энергии этих вихрей по спектру в сторону более крупных масштабов [Моисеев и др., 1982, 1983; Ерохин и др., 2009].
Зарождение плазменных вихрей возможно при ячеистом мозаичном нагреве и ионизации частиц, в частности, крупных массивных взвешенных частиц, аэрозолей. При наличии градиентов давления аэрозоли вовлечены в воздушные потоки и могут переноситься на расстояния сотни и даже тысячи километров от источника. Аэрозоли наблюдаются в стратосфере на высотах >30 км [Дейрменджан, 1971].
При конденсации влаги аэрозолями самофокусировка вихрей нарастает, увеличивается скорость вращения плазменного вихря и его размеры. На генерацию и устойчивость плазменных вихрей влияют и другие факторы, например, аку-стико-гравитационные волны, постоянные электрическое и магнитное поля и электромагнитное излучение различных источников, в том числе
антропогенных, связанных с деятельностью человека. При накоплении массы движущимся плазменным вихрем может быть достигнуто состояние слабо устойчивого удержания вихрем облачной массы в поле силы тяжести. В таком состоянии даже слабые внешние воздействия на структуру плазменного вихря могут стимулировать выпадение осадков и угасание вихря или, наоборот, усиление вихря. Накопление смога способствует усилению антициклонов.
В регионах с высокой плотностью населения нагрев солнечным фотонным потоком поверхностей, лишенных растительного покрова, раскаленные потоки выхлопных газов автомобильного транспорта и иные источники теплового воздействия на атмосферу приводят к росту вертикальных градиентов давления и переносу смога в слои атмосферы на высотах к > 4 км на пути распространения облачных фронтов. Аэрозоли влияют на генезис плазменных вихревых структур, способствуют самофокусировке плазменных вихрей, локальному накоплению массы вихря и выпадению осадков. Наблюдается стимулированное выпадение ливневых осадков. Циклоническая структура вместе с осадками теряет массу и энергию. Усиление неравномерности выпадения осадков приводит к локальным наводнениям и засухам. Потерявший энергию циклон не распространяется далее. Под воздействием антропогенных факторов происходит блокировка распространения циклона. В связи с неравномерным выпадением осадков обширные континентальные регионы страдают от засушливого климата.
В грозовых фронтах наблюдаются мощные плазменные процессы.
Геострофические плазменные течения описываются уравнением
] = [Бе х УР]с/в2 - [Бс х (рс)/В2. (1)
Оно следует из уравнения движения
^ = -— + — и X Бо] + g - 2[^0 X V] + vДv (2)
ш р рс
при (V/а = 0, V = 0, = 0, где V — скорость;Р — давление; р — плотность плазмы; В0 — напряженность магнитного поля; ] — плотность тока; g — гравитационное ускорение; — угловая скорость вращения Земли; V — коэффициент вязкости.
Заряженные компоненты атмосферы находятся под воздействием гиротропии в геомагнитном поле и в поле вращения Земли. Плазменные вихри в атмосфере генерируются в полях градиентов давления. Градиенты давления нарастают при неоднородном нагреве ячеистого распределения аэрозолей солнечным фотонным потоком. В плазменном вихре (IVI& Ф 0, вихрь отличается от геострофического течения. Поскольку частота столкновений ионов атомов и молекул атмосферы с компонентами атмосферы при скорости ионов ~102 см/с, концентрации частиц N ~ 1019 см-3 и эффективном
сечении столкновений ст„ ~ 10 16 см2 составляет V¡„ ~ ~ 105 с-1, генерация плазменных вихрей в атмосфере связана преимущественно с ионами массивных крупных частиц — аэрозолей, что и наблюдается в грозовых фронтах и торнадо. Движение аэрозолей в поле столкновений с малыми частицами, атомами и молекулами, связано с градиентами давления. Размеры аэрозолей на несколько порядков величины превышают размеры малых частиц, атомов и молекул. Подобно кораблю под парусом аэрозольная частица увлекается воздушным потоком на градиентах давления и набирает импульс, на несколько порядков величины превышающий импульс малых частиц. При столкновениях необходимо учитывать соотношение скоростей, масс и сечений частиц. Планеты солнечной системы сохраняют траектории в течение длительного периода наблюдений, сталкиваясь с малыми космическими телами и частицами. Здесь есть некоторое сходство с динамикой крупных массивных взвешенных частиц в атмосфере. Поле столкновений аэрозолей с малыми частицами изотропно при градиентах давления, равных нулю, УР = 0, импульсы малых частиц, сталкивающихся с крупной частицей, в первом приближении взаимно скомпенсированы. При градиентах давления, неравных нулю, УР Ф 0, поле столкновений анизотропно, но завихренность [V х V] сохран
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.