УДК 551.594:550.3
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО КОНВЕКТИВНОГО АТМОСФЕРНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ: НАТУРНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
© 2014 г. С. В. Анисимов*, **, С. В. Галиченко*, **, Н. М. Шихова*, К. В. Афиногенов*
*Геофизическая обсерватория "Борок"ИФЗРАН 152742 пос. Борок, Ярославская область **Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского 603950Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23 E-mail: anisimov@borok.yar.ru Поступила в редакцию 23.10.2013 г., после доработки 25.12.2013 г.
Исследовано электрическое состояние среднеширотного конвективного атмосферного пограничного слоя (АПС), невозмущенного облачностью, осадками, туманом, промышленными аэрозолями. Разработана численная модель, позволяющая оценивать электроаэродинамическое состояние конвективного АПС. Выполнена параметризация предлагаемой модели посредством результатов натурных наблюдений и лабораторных экспериментов. Согласно модели в горизонтально однородном приближении с высоким пространственно-временным разрешением рассчитаны высотные профили напряженности атмосферного электрического поля, плотности объемного заряда, удельной электрической проводимости и плотности атмосферного электрического тока.
Ключевые слова: атмосферное электричество, АПС, конвекция, турбулентный перенос, модель, высотные профили.
DOI: 10.7868/S0002351514040026
1. ВВЕДЕНИЕ
В рамках аэроэлектрической стратификации атмосферный пограничный слой (АПС) рассматривается как нижний участок глобальной электрической цепи (ГЭЦ), обладающий малой толщиной по сравнению с расстоянием между ионосферой и поверхностью Земли и характеризующийся широкой вариабельностью электродинамического состояния. При этом вследствие малой ионизации и значительного содержания аэрозольных частиц АПС вносит существенный вклад в полное электрическое сопротивление столба атмосферы, который достигает 70% в зависимости от состояния и высоты АПС [1, 2]. В условиях конвекции АПС представляет собой электродинамически активную среду, в которой наряду с диссипативным протеканием тока проводимости действует конвективная ЭДС, осуществляющая турбулентный перенос объемного электрического заряда и генерирующая электрический ток, не согласованный с направлением вектора напряженности глобального атмосферного электрического поля.
Динамическое состояние планетарного атмосферного пограничного слоя управляется враще-
нием Земли, атмосферной циркуляцией и балансом энергетических потоков, связанных с радиационными процессами, фазовыми превращениями воды и термической стратификацией воздуха. Турбулентный режим АПС и характеристики обмена с поверхностью субстанциями, импульсом и энергией зависят также от характера местности: рельефа и свойств подстилающей поверхности. Конвективный АПС характеризуется интенсивным турбулентным обменом, формированием когерентных структур, неградиентным переносом тепла и субстанций. Кроме этого, крупно- и мезомасштабная атмосферная циркуляция, взаимодействуя с термической неустойчивостью, определяет ветровой режим в пограничном слое и формирует сложную структуру турбулентной конвекции [3, 4].
Электрическая проводимость в пограничном слое, определяемая в основном легкими атмосферными ионами с подвижностью ц± > 0.1 см2/(В • с), существенно зависит от производительности природных и антропогенных источников ионизации, концентраций и кинетики спектра аэрозольных частиц, условий выхода на поверхность эманации радона и торона [1, 5]. Пространственно-вре-
5
445
менная динамика перечисленных составляющих определяется источниками, стоками и турбулентным переносом ионизирующих субстанций и взаимодействующих с атмосферными ионами аэрозольных частиц.
Расчеты вертикального электрического тока, который вызван турбулентным переносом объемного заряда, выполненные на основе вихреразре-шающего численного моделирования, а также в рамках осреднения уравнений Навье-Стокса по Рейнольдсу с использованием схемы замыкания второго порядка, показали, что конвективный АПС действует как локальный токовый генератор и оказывает значительное влияние на электрическую структуру атмосферы [6, 7].
Результаты наблюдений высотных профилей напряженности атмосферного электрического поля в утренние часы, выполненные при помощи привязного аэростата, поднимавшегося до высоты около 700 м над землей, показали увеличение вскоре после восхода толщины слоя положительного объемного заряда, сопровождаемое соответствующим уменьшением в нем плотности электрического заряда. При этом в некоторые дни наблюдался аномальный рост напряженности поля, которому предшествовало увеличение плотности объемного положительного заряда вблизи поверхности до установления режима развитой конвекции [8]. Рост напряженности приземного атмосферного электрического поля в утренние часы вследствие аккумуляции в АПС положительного объемного заряда, а также короткопериодные пульсации поля, вызванные переносом аэроэлектрических структур, обсуждались в [9]. В работе [10] исследовался вопрос о турбулентном переносе не-однородностей объемного заряда и аэроэлектрического поля в условиях зарождающейся конвекции. Методом лагранжевых траекторий для ансамбля пробных электрических зарядов были рассчитаны скорости распространения возмущений аэроэлектрического поля вдоль направления средней скорости ветра и проведено сравнение с результатами натурных наблюдений.
Ввиду фрагментарности знаний об электроаэродинамике конвективного слоя обмена представляет интерес построение модели электрического состояния АПС с целью исследования динамики аэроэлектрических величин. Заметим, что даже относительно простая электродинамическая модель АПС предполагает рассмотрение разномасштабных процессов от ионизации молекул и межчастичных взаимодействий в многокомпонентной слабоионизированной среде до формирования ионосферного потенциала ГЭЦ [11].
2. НАТУРНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ
Естественное невозмущенное электродинамическое состояние АПС исследовалось методом разнесенного синхронного приема вариаций аэроэлектрического поля. Натурные полевые наблюдения проводились в районе полевого измерительного полигона Геофизической обсерватории "Бо-рок" ИФЗ РАН (58°04' N; 38°14' E) в летние сезоны 2011—2012 гг. В качестве датчиков электрического поля использовались электростатические флюкс-метры ("field mill"). Плотность вертикального атмосферного электрического тока измерялась антенной типа "токовый коллектор". "Токовый коллектор" представляет собой антенну в форме разомкнутого кольца диаметром 300 м. Действующая высота антенны составляет 4 м, эффективная площадь — около 2500 кв. м. Один из флюксмет-ров располагался в центре кольца "токового коллектора". Измерения концентраций положительных и отрицательных атмосферных ионов с подвижностью большей 1 см2/(В • с) проводились модифицированными счетчиками "Борт-2" [1]. Датчик концентрации легких ионов располагался на высоте 1 м над поверхностью земли. Высотные профили направления и скорости ветра в диапазоне высот от 60 до 800 м с разрешением 5 м регистрировались при помощи акустического доплеровского локатора (содара) "ВОЛНА-3", работающего в непрерывном режиме в составе информационно-измерительного комплекса среднеширотной геофизической обсерватории. Метеорологические наблюдения осуществлялись двумя ультразвуковыми метеостанциями "Метео-2Н", расположенными на высотах 2 и 10 м, с тактовой частотой 10 Гц. Мониторинг объемной активности продуктов распада радона и торона проводился при помощи сейсмической радоновой станции "СРС-05". Тактовая частота многоканальной системы сбора составляет 10 Гц. Для измерения плотности потока солнечного излучения в интервале длин волн от 300 до 2800 нм использовался пиранометр CMP3. Основные характеристики наблюдательного полевого комплекса позволяют исследовать динамику электрического состояния с высоким временным разрешением [12]. Регистрограммы, характеризующие электрическое состояние приземной атмосферы в районе места наблюдений, приведены на рис. 1. Представленные на рис. 1 результаты получены в условиях "хорошей погоды". Под условиями "хорошей погоды" при проведении атмосферных электрических наблюдений понимают отсутствие осадков, в том числе и тумана в течение всех суток, скорость ветра не более 4 м/c, облачность не более 5 баллов.
Результаты наблюдений летних сезонов 2011— 2012 гг. использованы в качестве входных параметров развиваемой в работе численной модели электрического состояния конвективного атмо-
сферного пограничного слоя средних широт. Представленные в работе расчеты выполнены для величины средней объемной активности 222Ип от 10 до 70 Бк/м3, при скорости ионообразования космическими лучами от 106 до 2 х 106 м-3 с-1. Расчеты проведены для значений суммарной счетной концентрации аэрозольных частиц в диапазоне от 5 х 108 до 4 х 1010 м-3.
3. МОДЕЛЬ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОАЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН АПС
Уравнения баланса положительных и отрицательных легких атмосферных ионов
дп- + (vV)n_ = #(г, г) - п_ ап+ +
дг
+
X (МАЫ0а + Р-+(А )Ы)
+ ц_У(п_Е),
дп
—+ + (vV)n+ = #(г, г) - п+ ап_ +
дг
(1)
Х(Р+о(АЫ0а + Р+-(АЫ_а )
-ц^(п+Е)
содержат в левой части субстанциональную производную (v — скорость движения среды), в правой части — скорость ионообразования q(r, 1) — количество ионных пар, образующихся в единице объема в единицу времени под воздействием естественной радиоактивности грунта, радиоактивных газов (222Ип, 220Кп) и космических лучей высоких энергий. За убыль легких атмосферных ионов ответственна рекомбинация с коэффициентом а и захват нейтральными и заряженными аэрозольными частицами с соответствующими коэффициентами Р+0, Р+_, Р—0, Р_+. Счетные концентрации нейтральных и заряженных аэрозольных частиц диаметра Ба обозначены Ы0а, Ы+а, М-а. В атмосферном электрическом поле ионы разного знака заряда дрейфуют в противоположных направлениях со средней скоростью, равной произведению их подвижности ц и напряженности поля E.
Уравнения для заряженных аэрозольных частиц
дЫ+ дг
дЫ_ дг
- (vV)N_ =
п_
Т+0 Т_е
п_ -
т_о Т+е
(2)
содержат в правой части члены, отвечающие зарядке нейтральной частицы путем присоединения легкого ион
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.