ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2011, том 51, № 3, с. 405-411
УДК 551.594
ФОРМИРОВАНИЕ ЛОКАЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
ПОЛЯ АТМОСФЕРЫ
© 2011 г. |Е. А. Понoмaрев|1, Н. В. Чернева2, П. П. Фирстов3
1 Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск 2 Институт Космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН,
п. Паратунка (Камчатская обл.) 3 Камчатский филиал Геофизической службы РАН, П-Камчатский e-mail: nina@ikir. ru Поступила в редакцию 24.06.2009 г. После доработки 25.10.2010 г.
В работе даны оценки изменения напряженности электростатического поля приземного слоя атмосферы (АЭП, Ед0)), обусловленные вариациями проводимости под воздействием радона, интенсивности космических лучей, изменения баланса легких и тяжелых ионов в моменты заката и восхода Солнца и в результате воздействия потенциала электрических токов ионосферы на потенциал АЭП. Показано, что проводимость атмосферы изменяется за счет ионизации под воздействием радоновых эманаций и определяется эксхаляцией радона и турбулентной диффузией приземного слоя, а интенсивность космических лучей влияет на проводимость приземного слоя через изменения условий рекомбинации ионов. Уменьшение проводимости атмосферы, обусловленное падением потока космических лучей (эффект Форбуша), снижает Ед0), в то время как ослабление стока радона приводит к увеличению Ед0) . Дана оценка влияния условий освещенности на величину АЭП за счет изменения относительной концентрации тяжелых и легких ионов под воздействием процессов фотоотлипания и фотоприлипания. Работа сделана на основании данных, полученных на обс. "Паратунка", Камчатка.
1. ВВЕДЕНИЕ
Электростатическое поле атмосферы является чутким индикатором многих геофизических процессов. Наблюдения его вариаций уже используются для мониторинга загрязнений воздушной среды, для прогноза землетрясений и еще для многих других практических целей. Исследуется также влияние отдельных факторов, таких как воздействие стока радона из литосферы в атмосферу, землетрясений и т.д. [Бузевич и др., 1998; Руленко и др., 1996; Фирстов, 1999], эффект вариации интенсивности космических лучей [Marcz, 1997; Шумилов и др., 2005; Чернева и Кузнецов, 2005; Анисимов и Шихо-ва, 2005], влияние условий в околоземном космическом пространстве на неэквипотенциальность электроносферы [Park, 1976].
В работе рассматривается эмпирическая модель поведения локального атмосферного электрического поля в зависимости от различных природных факторов, полученная на основании многолетних временных рядов наблюдения за динамикой напряженности электростатического поля приземного слоя атмосферы (АЭП, EZ{0)) на обс. Паратунка (Камчатка). Для интерпретации полученных закономерностей применяется другая модель, основанная на уравнениях физики.
Если рассматривать атмосферу, как горизонтально однородную среду с экспоненциально падаю-
щей плотностью нейтральной компоненты, а ионизованную составляющую — как малую примесь, то можно считать, что на некоторой высоте 1е нейтральная атмосфера быстро (на масштабе порядка высоты однородной атмосферы) переходит в достаточно хорошо проводящую среду.
Примем 1е за границу электроносферы, имеющую потенциал и, а потенциал земли за ноль. Тогда между электроносферой и землей возникнет ток, плотность которого у, будет постоянна по высоте:
jz = a(z)Ez(z) = -a(z) dUz) = anE
dz
0^ z (0) >
(1)
где Ед0) — напряженность вертикальной компоненты электрического поля, ст(г) — проводимость воздуха а 0 = а(0), и (¿) — потенциал электрического поля.
Согласно (1) получаем
Ez(0) — -
U
Р dz
J п
(2)
где интегрирование ведется от уровня земли до уровня электроносферы ze. Таким образом, напряженность электрического поля зависит от интегральной проводимости и значения потенциала электроносферы.
+
Потенциал ионосферы
Вариации ММП
Солнечная активность
Рис. 1. Схема процессов формирования электрического поля атмосферы в присутствии факторов, влияющих на его величину в приземном слое. Буквами и ^21 отмечены области ионизации атмосферы радоном (Л22) и космическими лучами (Л21).
Напряженность АЭП распределена по высоте весьма неравномерно. При полной разности потенциала земля—ионосфера около 300 кВ, в "нижнем" 20-километровом слое Бг падает примерно на 270 кВ, а на остальные 80 км приходится лишь 30 кВ, поэтому сопротивление "нижнего" слоя в значительной мере определяет вертикальный ток во всем столбе Земля—ионосфера [Казешк, 1977].
Обозначим сопротивление верхней части столба, зависящее только от внешних факторов, через Я1, а сопротивление нижней части — через Я2 = Я21 + Я22, где: Я21 — сопротивление слоя й21, величина которого определяется ионизацией космическими лучами; Я22 — сопротивление слоя переменной толщины к22, в котором к космическим лучам добавляется ионизация эксхаляции радона (рис. 1). Толщина нижнего, "радонового", слоя зависит от интенсивности турбулентного перемешивания воздуха, а падение напряжения в нем можно записать:
и22 =
ия
22
(Я1 + Я21 + Я22)
(3)
В статье уравнение (3) привлекается только для качественных оценок, а для расчетов Ег(1д) будет использоваться уравнение (2).
В работе проведен на качественном уровне комплексный анализ влияния наиболее существенных природных факторов на Б2{0) АЭП, к числу которых относятся:
— сток радона в атмосферу;
— вариации потока космических лучей;
— изменение баланса легких и тяжелых ионов в момент заката и восхода солнца;
— воздействие потенциала электрических токов ионосферы на потенциал АЭП.
Взаимодействия указанных выше факторов в их влиянии на АЭП представлены на схеме (рис. 1).
Следует внести определенность в понятия — региональное и локальное АЭП. Считается, что высота "выравнивающего слоя" — изопотенциальной поверхности, вдоль которой выравнивание потенциала происходит за достаточно короткое время, — имеет высоту около 60 км. Следовательно, неоднородность АЭП на поверхности земли, вызванная неоднородностью распределения потенциала на "выравнивающем слое" тоже должна иметь близкий размер, который и следует считать региональным масштабом. Локальных масштабов может быть несколько, но их размеры не выходят за пределы регионального. Одним из масштабов будет высота верхней границы слоя перемешивания радона, ко-
торая колеблется от сотен метров зимой в безветренную ночь до 6—12 и даже 12 км в жаркий и ветреный летний день. Следует принять во внимание, что зимой поступление радона в атмосферу может быть блокировано промерзанием верхнего слоя почвы и снежным покровом. Некий универсальный для данной местности масштаб, по-видимому, определяется особенностями геолого-тектонической структуры региона [Фирстов и др., 2006]. Проводимость приземного слоя, в первую очередь, определяется концентрацией легких ионов, зависящей не только от ионизации радоном, но еще от целого ряда факторов, за счет которых формируются локальное АЭП, маскирующее унитарную вариацию [Ло-бодин, 1980].
Отдельным вопросом является влияние аэрозолей на состояние АЭП приземного слоя, которое может проявляться за счет трех типов аэрозолей. Во-первых, частицы аэрозолей могут быть коллекторами для легких ионов и электронов, к которым последние могут прилипать (преимущественно ночью), а потом — отлипать (преимущественно днем), что может существенно влиять на проводимость приземного слоя [Краснопевцев, 1970]. Второй тип аэрозолей обладает естественной радиоактивностью, что часто наблюдалось в период интенсивного проведения ядерных испытаний. В настоящее время таким источником аэрозолей являются шлейфы электростанций, которые при определенных условиях (нарушение фильтров, аварийные выбросы) могут выбрасывать в воздух радиоактивные элементы. Наконец, аэрозоли третьего типа содержат частицы разной крупности, обладающие различными по знаку зарядами. В процессе гравитационного разделения зарядов в таких облаках образуются локальные электрические поля.
Особняком стоит прямое воздействие на показания электрометров дополнительной разности потенциалов земля—ионосфера, связанной с неэкви-потенциальностью самой ионосферы, с ионосферными токами.
2. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДАННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ
На Камчатке, в обс. "Паратунка", начиная с
1996 г., проводятся регулярные наблюдения за электрическим полем в приземном слое атмосферы. С
1997 г. выполнялись наблюдения объемной активности радона (ОА Ид) в подпочвенном воздухе [Фирстов и 1999; Фирстов и Рудаков, 2003; Фирстов и др., 2006]. Для измерения атмосферного электрического поля используется электростатический флюксметр "Поле-2м", в комплексе с анализатором ионного состава воздуха. Также на обсерватории работает метеостанция и магнитометрическая аппаратура.
Регистрация ОА Ип в подпочвенном воздухе проводилась на нескольких уровнях: в зоне аэрации на глубине один метр, и вблизи зоны полного влаго-насыщения на глубине 2.5 метра. Регистрация осуществлялась с помощью радиометров "РЕВАР" с дискретностью 2 цикл/ч. Для выделения эффекта влияния потенциала ионосферных токов использовались данные непрерывных наблюдений за метеорологическими величинами и магнитным полем, полученные на обс. "Паратунка". Для оценки влияния Форбуш-понижений на вариации АЭП привлекались данные об интенсивности космических лучей, полученные с помощью нейтронного монитора в Магадане [Чернева и Кузнецов, 2005].
3. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ РАДОНА В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ, И ВЫСОТНЫЙ ПРОФИЛЬ СКОРОСТИ ИОНИЗАЦИИ АТМОСФЕРЫ КОСМИЧЕСКИМИ ЛУЧАМИ
Главным фактором, определяющим величину локального атмосферного электрического поля, является сопротивление приземного слоя атмосферы, которое зависит от ионизующего воздействия космических лучей и радона. Суточные вариации стока радона в атмосферу определяются изменениями атмосферного давления, а сезонные — различной проницаемостью грунтов в зависимости от сезонного хода температуры воздуха.
Объемная плотность мощности источника ионизации д0я, связанного с условиями эксхаляции радона, дается уравнением [Баранов, 1955]:
д0Е = 22,/т/Нв, (4)
где 2, — ионизационная эффективность радона, 2 = 3 х 105 пар ионов на один распад [Физические величины, 1991]; д 0 к — плотность мо
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.