ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 462, № 2, с. 213-216
ГЕОФИЗИКА
УДК 551.515.4
ВАРИАЦИИ АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ВЫСОКОГОРНЫХ ПУНКТАХ НАБЛЮДЕНИЙ © 2015 г. А. Х. Аджиев, Г. В. Куповых
Представлено академиком РАН М.Ч. Залихановым 10.06.2014 г. Поступило 17.06.2014 г.
БО1: 10.7868/80869565215080174
Пространственно-временные закономерности электрического поля атмосферы проявляются в его широтных, годовых, сезонных и суточных вариациях [1].
В 20-х годах прошлого века обнаружена унитарная суточная вариация (кривая Карнеги) атмосферного электрического поля над океанами и полярными областями, которая носит глобальный характер [2]. Кривая Карнеги является следствием изменения ионосферного потенциала и считается прямым доказательством существования глобального генератора электрического поля, действующего в ионосфере.
Вариации электрического поля в приземном слое атмосферы в течение суток обусловлены как глобальными, так и локальными факторами [3]. Их вклад в суточные и сезонные вариации электрического поля атмосферы изучен недостаточно. Долговременные наземные наблюдения вариаций параметров атмосферного электричества являются важной экспериментальной основой современных исследований. Имеющаяся к настоящему времени в России сеть наземных станций мониторинга атмосферного электричества не решает задачи сбора режимных данных об электрическом состоянии атмосферы, и информации, позволяющей осуществлять контроль за изменением этого состояния, в том числе в результате антропогенного воздействия, недостаточно.
Континентальными станциями мониторинга могут служить пункты, расположенные в высокогорных районах, где практически исключена антропогенная составляющая в формировании электрического поля атмосферы, а уровень радиоактивности приземного слоя весьма низок [4, 5]. В сообщении обоснованы возможности регистрации глобальных вариаций напряженности
Высокогорный геофизический институт, Нальчик E-mail: adessa1@yandex.ru
Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону
электрического поля приземного слоя атмосферы на высокогорных станциях Приэльбрусья и обсуждаются результаты наблюдений.
Данный подход, отличный от всех существующих методов мониторинга атмосферного электричества, базируется на идее влияния антропогенных факторов на регистрируемые значения и требует размещения измерительной аппаратуры на высокогорной станции (3100 м над уровнем моря (н.у.м.)).
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ И СОСТАВ АППАРАТУРЫ
Методика измерений и состав аппаратуры позволили собрать за короткий период времени достаточное количество измерений. Программное обеспечение измерительного комплекса позволило проводить замеры, передачу и визуализацию значений напряженности электрического поля атмосферы в режиме реального времени. Кроме того, проводились непрерывные измерения метеорологических параметров в районе регистрации электрического поля.
Используемый измеритель напряженности EFM 550 фирмы "Vaisala" производит выборку значений со скоростью 10 раз в секунду. Затем он передает данные в виде двоичных или ASCII символов, используя протокол RS-232, со скоростью 1200 бод по 8 бит данных. Диапазон измерений прибора достаточно широк (от 1 до 10000 В/м), приборная точность измерений составляет 10%.
В период с июля 2012 г. по сентябрь 2013 г. был проведен эксперимент по синхронному измерению напряженности электрического поля атмосферы на высокогорных станциях Приэльбрусья, расположенных на северном склоне горы Чегет (3040 м н.у.м.) и на пике Терскол (3003 м н.у.м.) рядом с северным склоном горы Эльбрус, с синхронной регистрацией метеоусловий.
Е, В/м 2000
1600 1200 800 400
0 .......................................................................................................................
Часы
Рис. 1. Динамика напряженности электрического поля 14.08— ций на пике Чегет (1) и пике Терскол (2).
-20.08 (120 среднечасовых значений). Данные для стан-
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Построенные на основании синхронных измерений в указанных высокогорных пунктах (пик Чегет, пик Терскол) вариационные ряды напряженности электрического поля атмосферы "хорошей погоды" демонстрируют хорошую степень согласованности. Коэффициенты парной корреляции имеют достаточно высокие значения (0.67—0.86). На рис. 1 показаны ряды динамики среднечасовых значений напряженности электрического поля за период с 14 по 20 августа 2013 г. для станций на пике Чегет и пике Терскол.
Средние значения напряженности электрического поля, полученные на станциях за этот период, составили 550 и 570 В/м соответственно.
В сезонных вариациях напряженности поля атмосферы для высокогорных станций можно отметить, что для летнего сезона характерны более высокие значения, чем для зимнего. Кроме того, диапазон измеряемой величины напряженности поля для летнего сезона более широкий (табл. 1).
Для летних месяцев значения напряженности электрического поля атмосферы локализованы в области среднего модального значения 650—750 В/м, для зимних 350—450 В/м.
Суточный ход напряженности электрического поля на пике Чегет и пике Терскол в летние месяцы характеризуется ярко выраженными вечерним максимумом (16ь—19ь иТ) и утренним минимумом (09ь—12ь иТ), что согласуется с унитарной вариацией потенциала ионосферы.
На рис. 2 приведены среднесуточные данные для двух высокогорных станций (время указано по Гринвичу, отрезками показана статистическая ошибка).
На рис. 3 представлены суточные изменения напряженности электрического поля приземного слоя атмосферы на высокогорной станции на пике Чегет в относительных единицах (по отношению к среднему значению) в сравнении с кривой Карнеги для двух сезонов (летнего и зимнего).
Как видно, в летний сезон максимум суточного хода приходится на дневные часы (по местному времени), что связано с более развитой конвекцией и
Таблица 1. Средние значения напряженности электрического поля атмосферы за год по сезонам (пик Чегет, июль 2012 г.—август 2013 г.)
Напряженность, В/м
Сезон Среднее Стандартная ошибка Стандартное отклонение Минимум Максимум
Зима 569 13 141 329 973
Весна 552 13 181 188 1152
Лето 659 12 216 206 1410
Осень 628 9 176 183 1166
ВАРИАЦИИ АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
215
Е, В/м 1000 г
800
600
400
200
0_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
ит
Рис. 2. Среднесуточные значения напряженности электрического поля атмосферы на станциях Приэльбрусья пик Че-гет (1) и пик Терскол (2).
Е/Еср, % 150 г
130 110 90 70 50
_|_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
ит
Рис. 3. Суточные изменения электрического поля атмосферы (относительные значения) на станции пик Чегет в зимний (1) и летний (2) периоды; 3 - кривая Карнеги.
турбулентным обменом в атмосфере. В зимний сезон значения напряженности электрического поля атмосферы в течение суток мало меняются относительно среднего, кроме того, наблюдается широкий максимум (09ь-18ь ИТ) в дневные часы по местному времени.
Нужно отметить, что значения напряженности электрического поля в нарушенных условиях могут различаться на порядок. Во время снегопада и поземки часто наблюдаются высокие значения напряженности электрического поля.
Исследование зависимости поведения электрического поля от атмосферных явлений и связи с метеорологическими параметрами приземного слоя атмосферы требует более детального рассмотрения, что будет предметом дальнейшего исследования авторов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
По данным непрерывных наблюдений исследована динамика электрического поля в условиях высокогорной станции. Результаты атмосферно-электрических наблюдений показали, что общей закономерностью суточного хода электрического поля являются утренний минимум (01ь-04ь ИТ), дневной (08ь—12ь ИТ) и вечерний (19ь-21ь ИТ) максимумы. Величина минимума составляет 6080% от среднего и увеличивается в весенне-зим-ний период. Величина дневного максимума равна 120-150%, а вечернего — 102-130% относительно среднего. На пике Чегет утренний минимум наиболее глубокий (80%), а дневной максимум (125%) в летние месяцы проявляется раньше (06ь-09ь ИТ), чем на станции на пике Терскол.
Таким образом, по данным измерений суточный ход напряженности электрического поля в высокогорных пунктах в большей степени проявляет унитарную вариацию в летние месяцы. В суточных вариациях электрического поля атмосферы на высокогорных станциях можно выделить глобальную компоненту (согласующуюся с унитарной вариацией), на которую накладывается действие локальных генераторов. Для мониторинга электрического состояния атмосферы на глобальном и региональном уровнях могут быть рекомендованы пункты наблюдений, расположенные в высокогорной зоне.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, госконтракт № 14.518.11.7052 от 19 июля 2012 г.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Имянитов И.М., Шифрин К.С. // УФН. 1962. Т. 76.
B. 4. С. 593-642.
2. Аджиев А.Х., КуповыхГ.В. Атмосферно-электриче-ские явления на Северном Кавказе. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2004. 137 с.
3. Анисимов С.В., Галиченко С.В., Шихова Н.М. // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2012. Т. 48. № 4.
C. 442-452.
4. Герасимова М.Н. // Изв. АН СССР. Сер. геофиз. 1939. № 4/6.
5. Adzhiev A.H., Boldyreff A.S., Dorina A.N., Kudrin-skaya T.V., Kupovykh G.V., Novikova O.V., Panchishki-na I.N., Pestov D.A., Petrov A.I., Petrova G.G., Redin A.A. // Proc. XIV Intern. Conf. Atmos. Electricity. Rio de Janeiro, 2011.
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.