УДК 533.951
ПЛАЗМЕННЫЕ ВИХРИ В ИОНОСФЕРЕ И АТМОСФЕРЕ
© 2014 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 18.11.2013 г.
Вихревые движения, наблюдаемые в ионизованной облачности грозовых фронтов, имеют природу плазменных вихрей. В работе показано, что в зарождении, усилении и затухании плазменных вихрей в атмосфере необходимо учитывать электростатическую неустойчивость плазмы. Для неоднородного пространственного распределения аэрозолей конденсация влаги приводит к фокусировке масс-энергетического переноса. При трансформации фазового объема свободных колебаний в пространстве частота — волновой вектор в неоднородной плазме затухание электростатических колебаний способствует усилению градиентов давления ортогонально геомагнитному полю. Возникают условия для генерации плазменных вихрей. В плазменных образованиях в атмосфере вероятно возбуждение градиентных неустойчивостей.
DOI: 10.7868/S0016794014050071
1.ВВЕДЕНИЕ
Неравномерный нагрев океана и атмосферы способствует формированию вихрей. Появление слабой дымки, изменение цвета неба предупреждали мореплавателей о приближении шторма. Изменение прозрачности атмосферы связано с накоплением смога естественного или антропогенного происхождения. Зарождение, усиление и распад вихревых структур в атмосфере Земли определяют погоду и климат. Неравномерное мозаичное распределение смога способствует неравномерному нагреву атмосферы и возбуждению на градиентах давления атмосферных вихрей, связанных с силой Кориолиса. На ионизованных компонентах возбуждаются плазменные вихри, связанные с силой Лоренца. Смог, образующийся при извержении вулканов, частички морской соли, пыль от естественного разрушения и выветривания природных объектов на поверхности Земли условно относят к естественным факторам, влияющим на погоду и климат. Нарастает антропогенное загрязнение атмосферы и всего околоземного пространства.
Природа вихревых структур, возникающих в ионизованных образованиях в атмосфере, может быть плазменной. Плазменные вихри, подобные вихрям в грозовых фронтах, могут генерироваться в ионизованных облаках смога различной природы. Электростатические неустойчивости ионизованных аэрозольных облаков играют важную роль в возбуждении и эволюции вихрей. При построении моделей электростатической неустойчивости плазмы в верхней ионосфере столкновениями заряженных частиц с компонентами среды
в первом приближении можно пренебречь. Для атмосферы при анализе электростатической неустойчивости плазменных слабоионизованных образований столкновения частиц важны.
Цель работы — показать, что в эволюции плазменных вихрей необходимо учитывать затухание электрических полей. При трансформации фазового объема свободных колебаний в пространстве частота — волновой вектор в неоднородной плазме затухание электростатических колебаний приводит к усилению градиентов давления ортогонально геомагнитному полю. При затухании электростатических колебаний легкого электронного компонента в плазме верхней ионосферы возможно возбуждение плазменных вихрей [Ижовкина, 2010].
Атмосферные вихри влияют и на ионосферу [Ерохин и Шалимов, 2004]. Электростатическая неустойчивость ионосферной плазмы — основная причина формирования неоднородных плазменных структур с размерами неоднородностей в широком пространственном диапазоне от нескольких метров до сотен километров [Ижовкина и др., 2000; Ижовкина, 2010; Гдалевич и др., 2003, 2006]. Верхний предел ограничен размерами самой природной системы. Процессы, связанные с электростатической неустойчивостью плазмы ионизованного смога, подобны процессам в неустойчивой ионосферной плазме. Различны характерные времена и пространственные масштабы этих процессов. Различие состоит и в том, что ионизованная аэрозольная плазма конденсирует атмосферную влагу. В плазменных образованиях в атмосфере вероятно возбуждение градиентных неустойчивостей.
817
7*
2. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ НЕУСТОЙЧИВОСТИ И ВИХРИ В ПЛАЗМЕ ИОНИЗОВАННОГО СМОГА
Вихревые структуры в плазме и нейтральной среде имеют признаки математического подобия [Абурджаниа, 2006; Незлин и Черников, 1995; Моисеев и др., 1982,1983; Ерохин и Шалимов, 2004; Ижовкина, 2010].
В зависимости от параметров среды в плазме смога, пылевой аэрозольной плазме могут возбуждаться электростатические колебания тяжелого ионного компонента на неустойчивостях градиентного типа. Классификация неустойчи-востей неоднородной плазмы представлена в работе [Михайловский, 1977]. Конденсация влаги на частицах ионизованного смога при формировании облачности может привести к развитию неустойчивости слоя тяжелых частиц, расположенного над слоем легких частиц. В ионизованной облачности может возбуждаться примесная неустойчивость, если градиент плотности примеси тяжелых холодных ионов направлен против градиента плотности "горячей" фоновой плазмы [Михайловский, 1977].
Смог, газ и взвешенные частицы — аэрозоли, изменяют оптические свойства атмосферы, усиливают поглощение атмосферой солнечного излучения. При этом аэрозоли влияют на динамику влажных воздушных масс. При понижении температуры аэрозоли конденсируют влагу и способствуют образованию облаков и выпадению осадков. Одна аэрозольная частица с размерами ~10-2 см и сечением ~10-4 см2 эквивалентна по оптическим характеристикам поглощения и рассеяния фотонного потока ~1012 атомов и молекул газа, если приблизительно принять сечение атомов и молекул газа ~10-16 см2. При содержании аэрозолей в толще атмосферы ~103 см-2 при эффективном поперечном сечении непрозрачной аэрозольной частицы ~10-4см2 коэффициент поглощения фотонного потока аэрозолями составляет ~10-1. Поглощение и рассеяние фотонов аэрозолями зависит от их размеров и химического состава, а также от длины волны фотонов. Химический состав и распределение аэрозолей по размерам весьма разнообразны, зависят от источников антропогенного и естественного загрязнения атмосферы. При столкновениях частиц газа с нагреваемыми аэрозолями температура загрязненной воздушной массы нарастает. Температура воздуха зависит и от нагрева наземных природных и искусственных объектов солнечным излучением и другими источниками. Устойчивость траекторий движения тяжелых частиц определяется величиной импульсов частиц, частотой столкновений с компонентами среды и эффективностью столкновений относительно изменений импульса и энергии частиц. Вихревые движения, наблюдае-
мые в ионизованной облачности грозовых фронтов, обладают устойчивостью, достаточной для простого визуального наблюдения.
Усиление плазменных вихревых структур в атмосфере зависит от ионизации аэрозолей солнечным излучением. В грозовых фронтах возможна ионизация при разрядах молнии, но этот процесс вторичен. Аэрозольное облако можно рассматривать как пылевую плазму. Циклотронная частота тяжелых многоатомных частиц ионизованной пыли существенно ниже, чем циклотронная частота газовых ионизованных компонентов атмосферы. При неоднородном нагреве мозаичного ионизованного пылевого облака и появлении градиентов давления, ортогональных геомагнитному полю, в облаке возникают медленно вращающиеся плазменные вихри в сравнении с циклотронной частотой ионов. Генерация вихревых структур в полях градиентов давления рассматривается в работах [Абурджаниа, 2006; Незлин и Черников, 1995; Моисеев и др., 1982, 1983; Ерохин и Шалимов, 2004; Ерохин и др., 2009; Ижовкина, 2010]. Энергия вихрей может перекачиваться по спектру от малых масштабов к более крупному [Моисеев и др., 1982, 1983; Ерохин и Шалимов, 2004; Ерохин и др., 2009]. Это приводит к усилению мощности разрушительных крупномасштабных вихрей и к усилению мощности блокирующих антициклонов. Оценить размеры вихревых структур в ионизованном пылевом облаке можно с учетом источника аэрозолей. Для регионов с высокой плотностью населения и мощными потоками транспорта одним из основных источником смога и аэрозолей является мелкодисперсная масса вещества, образующаяся при трении автомобильного транспорта о полотно шоссейных дорог, и при строительстве. В этом случае средняя скорость пылевых частиц сопоставима со скоростью движения транспорта ~103 см/с. Для ионизованных аэрозолей, содержащих ~105 атомов из середины таблицы Менделеева, циклотронная частота в геомагнитном поле при напряженности поля ~0.5 Гс составляет ~10-2 с-1. Асфальтовая пыль содержит примеси металлов, в том числе и тяжелых металлов, например, свинец, поэтому циклотронная частота аэрозолей ниже указанной. Частота может быть ниже при наличии в аэрозольном облаке более тяжелых частиц. Таким образом, ларморовский радиус ионизованных аэрозолей может составлять ~105 см. Медленно вращающиеся плазменные вихри при столкновениях частиц пылевой плазмы с нейтральными компонентами атмосферы вовлекают в вихревое движение и нейтральную атмосферную массу. Постоянно нарождающиеся слабые плазменные вихри на малых градиентах давления могут накачивать энергию в крупномасштабный
атмосферный вихрь. [Моисеев и др., 1982, 1983; Ерохин и Шалимов, 2004; Ерохин и др., 2009].
Масс-энергетический перенос при эволюции циклонических образований в атмосфере, в частности мощных торнадо, можно представить в виде
7 (г ^ + = -«
О 7
где: I — время; О — эффективный объем циклона, Q меняется в течение эволюции циклонического образования; р, V — плотность и скорость частиц, захваченных вихревой структурой; g, к — соответственно гравитационное ускорение и расстояние относительно центра гравитационной массы Земли. Влияние гравитационного поля Солнца, Луны и других космических тел проявляется в виде приливных возмущений в литосфере, мировом океане, атмосфере и ионосфере. Напряженность электрического поля Е в ионизованной плазме представляет: 1) поля электростатических колебаний; 2) индукционные поля при смещении плазменного облака ортогонально геомагнитному полю; 3) поля когерентных вихревых структур; 4) поля, связанные с разделением заряда при поляризационном дрейфе заряженных частиц в затухающих электрических полях, ортогональных геом
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.