Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Экспериментальное исследование пульсаций аэроэлектрического поля в приземном слое

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Экспериментальное исследование пульсаций аэроэлектрического поля в приземном слое"

I : I

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОБЪЕДИНЕННЫЙ*ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ЗЕМЛИ ИМ. О.Ю.ШМИДТА ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ "БОРОК"

На правах рукописи

БАКАСТОВ Сергей Сергеевич

УДК 550.3: 551.594

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПУЛЬСАЦИЙ АЭРОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ

04. 00. 22 - Физика твердой Земли

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА 1997 г.

Работа выполнена в Геофизической обсерватории "Борок" Объединенного института физики Земли им. О.Ю.Шмвдга РАН.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

С.В.Анисимов

Официальные оппоненты: доктор физико-матеметических наук

В.А.Липсровский,

доктор физико-матеметических наук В.Н.Морозов

Ведущая организация: Институт прикладной физики РАН.

Защита диссертации состоится 1998г. в / ^

часов на заседании Специализированного совета К 002.08.02 в Объединенном институте физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН по адресу: 123810, Москва, Б.Грузинская, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИФЗ РАН.

Автореферат разослан" 2V ¿^4)1 Л Я " 1998г.

Ученый секретарь Специализированного совета

кандидат технических наук Э. А.Боярский.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Диссертация посвящена экспериментальному исследованию короткопериодных пульсаций электрического поля в приземном слое" атмосферы.

Актуальность проблемы. Короткопериодные пульсации электрического поля приземной атмосферы в частотном диапазоне 0.001 -1 Гц являются неотъемлемой частью геоэлектромагнитных процессов. Источники их генерации и пространственно - временные характеристики остаются фундаментальным предметом исследования физики геоэлектромагнитного окружения в последние десятилетия.

Электрическое состояние приземной атмосферы характеризуется действием глобальных, региональных и локальных генераторов электрических полей и токов. Приземный слой, вследствие сил вязкого трения у поверхности земли, содержит газодинамические течения, для которых характерны скорости, превышающие критические и определяющие турбулентный режим среды. Непрерывное движение приземной атмосферы, обусловленное влиянием трения, нагрева и испарения с подстилающей поверхности, вызывает эффективное перемешивание аэрозолей, объемных зарядов и радиоактивных газов, что при наличии внешнего электрического поля приводит к локальным флуктуациям заряда и градиента потенциала в слабопроводящей среде.

Ряд крупномасштабных геофизических явлений сопровождается вариациями электрического поля в приземной атмосфере. Развитие метода дирекционного анализа, разработка основ гидродинамической диагностики состояния ионосфсрно - магнитосфсрной плазмы предопределили экспериментальный поиск вертикальной электрической составляющей

поля геомагнитных пульсаций на фоне локальных короткопериодных пульсаций электрического поля приземной атмосферы. Обнаружение аномальных изменений в ионосфере в периоды, предшествующие землетрясениям, обусловило актуальность анализа сейсмоионосферных связей. Одним из возможных факторов, способных осуществлять такие связи, является электрическое поле атмосферы. Имеются экспериментальные данные о возмущениях атмосферного электрического поля, сопутствующих землетрясениям. Интерес к электрическим эффектам в приземном слое связан с предполагаемой возможностью включения их в единый комплекс сейсмопрогностических явлений.

Таким образом, изучение короткопериодных пульсаций электрического поля в приземном слое представляет интерес в связи с целым рядом геофизических задач, таких, как доказательство той или иной гипотезы о природе электрического поля в атмосфере, изучение структуры поля геомагнитных пульсаций, развитие метода магнито-теллурического зондирования и гидромагнитной диагностики, поиск предвестников землетрясений, анализ солнечно-биологических связей, а также исследование физических характеристик приземного слоя и динамических процессов, протекающих в нижних слоях атмосферы. К настоящему времени не разработана самосогласованная, целостная модель генерации короткопериодных пульсаций аэроэлектрического поля, что обусловлено прежде всего отсутствием базы данных электрических параметров приземной атмосферы, измеренных с высоким временным и пространственным разрешением.

К диапазону короткопериодных пульсаций непосредственно примыкает диапазон глобальных (шумановских) резонансных колебаний в полости Земля - ионосфера. Эти колебания могут возбуждаться как

земными, так и космическими источниками. В последнее время обнаружена связь интенсивности шумановских резонансов с вариациями глобальной температуры приземной атмосферы. Исследование шумановских резонансов может быть полезным для получения информации об источниках их генерации и о состоянии глобальной электрической цепи.

Изложенное выше поясняет постановку основных задач диссертации, их экспериментальную направленность и актуальность.

Цель работы. Цель данной работы состояла в определении количественных характеристик и физических механизмов генерации короткопериодных пульсаций электрического поля в приземном слое, а также исследовании поляризационных характеристик первого и второго шумановских резонансов.

Задачи исследования. Реализация поставленной цели потребовала решения следующих основных задач:

1) разработка методики эксперимента для изучения турбулентной природы короткопериодных пульсаций электрического поля в приземном слое;

2) экспериментальное исследование характеристик короткопериодных пульсаций аэроэлектрического поля;

3) развитие теоретической модели генерации короткопериодных пульсаций электрического поля в приземном слое;

4) экспериментальное определение поляризации первого и второго мода шумановских резонансов.

Методика исследования. Проведенные исследования основаны на длительной серии инструментальных наблюдений короткопериодных пульсаций электрического поля в приземном слое, а также

электромагнитного шума в полосе частот, включающей шумановские резонансы. Эксперименты выполнены в лаборатории геоэлектромагнитного мониторинга Геофизической обсерватории "Борок". Метод структурных функций применен к анализу короткопериодных аэроэлектических пульсаций. Поляризация шумановских резонансов исследована с использованием преобразования Гильберта при обработке экспериментальных данных.

Научная новизна работы.

1.Предложена и апробирована методика структурного анализа в применении к короткопериодным пульсациям аэроэлектрического поля.

2. Создана установка для проведения специализированных экспериментов по исследованию атмосферного электрического поля в приземном слое.

3.Экспериментально показано, что короткопериодные пульсации электрического поля в приземной атмосфере имеют локальную турбулентную природу, впервые определены характерные пространственные масштабы пульсаций электрического поля.

4.Предложена теоретическая модель генерации короткопериодных пульсаций электрического поля в атмосфере турбулентностью, для мелкомасштабных флуктуаций внутри инерционного интервала получены аналитические выражения для структурной функции.

5.Экспериментально показано, что в средних широтах северного полушария поляризация колебаний на частоте первого шумановского резонанса преимущественно левая, на частоте второго - линейная днем и правая ночью. В качестве возможных причин обнаруженной асимметрии поляризации указаны гиротропия ионосферы и возбуждение шумановских резонансов космическими источниками.

Научная и практическая ценность работы. Полученные в диссертации результаты закладывают практические основы для применения методов структурного анализа в изучении атмосферных электрических явлений; могут быть использованы при построении модели глобальной электрической цепи, учитывающей электрическое состояние приземного слоя; а также при организации сети наблюдений за состоянием аэроэлектрического поля на сейсмопрогностических полигонах и проведении крупномасштабных геофизических экспериментов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на II Всесоюзной конференции "Прием и анализ СНЧ колебаний естественного происхождения" (Воронеж, 1987), IX Международной конференции по атмосферному электрическтву (Санкт-Петербург, 1992), Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости (Рим, 1994), X Международной конференции по атмосферному электрическтву (Осака, 1996), VIII Научной ассамблее Международной ассоциации геомагнетизма и аэрономии (Уппсала, 1997), а также на научных семинарах лаборатории геоэлектромагнитного мониторинга Геофизической обсерватории "Борок" ОИФЗ РАН.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ в отечественной и зарубежной печати.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Ее общий объем составляет 141 страницу, включая 29 рисунков. Библиография включает 123 наименвания.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследований, рассмотрена научная новизна и практическая ценность работы, кратко изложено содержание диссертации по главам.

В первой главе приведена современная модель и основные параметры глобальной электрической цепи, пранализированы физические свойства приземного слоя как среды, в которой ведутся наблюдения короткопериодных пульсаций электрического поля, и представлен обзор имеющихся в литературе экспериментальных и теоретических результатов подобных исследований.

В первом разделе первой главы рассмотрены общие характеристики приземного слоя и основные факторы, влияющие на ионный состав и электропроводность среды. Проанализированы свойства аэроионов - подвижность, концентрация, процессы новообразования и рекомбинации. Рассмотрены модели классического (нетурбулентного) и турбулентного электродного эффекта. Турбулентность отмечена как один из основных факторов, определяющих электрическое состояние приземного слоя.

Во втором разделе первой главы представлен обзор имеющихся в литературе экспериментальных и теоретических результатов исследований короткопериодных пульсаций электрического поля локальной и глобальной природы. Обсуждается возможность сейсмоэлектрических эффектов в атмосфере.

Во второй главе рассматривается метод структурных функций, дано описание установки и приводятся результаты экспериментов по

изучению локальной структуры короткопериодных пульсаций электрического поля Е.

В первом разделе второй главы приводится обоснование метода структурных функций для исследований короткопериодных пульсаций электрического поля. Показано, что применение структурной функции DE(r), определяемой как зависимость усредненного квадрата модуля разности флуктуаций электрического поля ДЕ в двух разнесенных точках от расстояния между ними г

Ddr) = <\M^r)-mof>,

целесообразно для описания поля электрических пульсаций приземной атмосферы как локально однородного изотропного поля.

Во втором разделе первой главы поставлена задача исследований и сформулированы основные требования к условиям проведения эксперимента. Обоснована структурная схема эксперимента, дается

описание установки. Основным элементом экспериментального комплекса

\

является система сбора данных в реальном времени на базе персонального компьютера и аналого-цифрового преобразователя, предназаначенного для автоматизированного ввода аналоговой информации в ЭВМ. В качестве датчиков напряженности электрического поля используются пять электростатических флюксметров типа "Field Mills", обеспечивающих непрерывное измерение напряженности поля в пяти точках. Измерительные датчики располагались в линию на относительно ровной подстилающей поверхности, расстояние между датчиками в различных опытах варьировалось от 5 до 25 м. Для реализации алгоритма сбора и обработки данных был разработан пакет программ, позволяющих задавать время начала и окончания измерений, коэффициент масштабирования

поступающих сигналов, шаг оцифровки и осуществлять графическое отображение измеряемых сигналов на экране монитора в режиме реального времени, а также вычислять структурную функцию для полученных временных рядов.

В третьем разделе второй главы приводятся результаты экспериментов по изучению локальной структуры короткопериодных пульсаций электрического поля в приземном слое, проведенных в обсерватории "Борок". Район измерений характеризовался отсутствием каких - либо локальных источников загрязнений и промышленных электромагнитных помех. Измерения велись в условиях хорошей погоды как днем, так и ночью. Общее время наблюдений составило более 800 ч.

При анализе экспериментальных данных использовался метод структурных функций в применении к исследованию пульсаций электрического поля. Экспериментально показано, что основным механизмом возникновения короткопериодных пульсаций в диапазоне 0.001 - 1 Гц является их генерация турбулентными вихрями. В результате анализа статистических характеристик структурных функций обнаружены два типичных пространственных масштаба пульсаций электрического поля. Меньший Ьо ~ 20+60 м соответствует внешней границе инерционного интервала турбулентности. Исследование суточного хода структурной функции показало, что ночью, как правило, отмечается уменьшение амплитуды пульсаций и величины структурной функции, что является следствием уменьшения интенсивности турбулентного перемешивания и также подтверждает турбулентную природу короткопериодных пульсаций электрического поля в приземном слое. Следует заметить, что в приземном слое внешний масштаб турбулентности Ьо определяет вертикальный размер зафиксированных структур. Таким образом, можно сделать вывод,

что высота приземного электрического слоя определяется характерным размером электрических ячеек Ь0 и имеет порядок нескольких десятков метров. Больший масштаб Ь1>60 м свидетельствует о существовании класса более крупных электрических структур, формируемых крупномасштабными конвективными ячейками. Наличие крупномасштабных ячеек, а также соотношение между Ь0 и Ь] зависит исключительно от условий эксперимента. Наличие крупномасштабных вихрей показывает возможность выноса объемных зарядов, генерируемых в приземном слое, до высот верхней границы атмосферного слоя обмена и участие их в формировании вертикального профиля напряженности электрического поля приземной атмосферы.

Экспериментально показано, что в большинстве случаев в условиях хорошей погоды структурная функция пульсаций атмосферного электрического поля в инерционном интервале подчиняется "закону 2/3" Колмогорова - Обухова, хотя в некоторых опытах показатель степени несколько отличался от 2/3.

В процессе измерений проводился также спектральный анализ пульсаций электрического поля с помощью многоканального спектроанализатора. Полученные результаты свидетельствуют, что зависимость спектра амплитуд от частоты в диапазоне короткопериодных пульсаций аппроксимируется степенной функцией с показателем -5/3.

В третьей главе предложена теоретическая модель генерации короткопериодных пульсаций электрического поля гидродинамическими турбулентными течениями в условиях хорошей погоды. В этой модели предполагается, что выражение для структурной функции состоит из двух частей. Первая описывает мелкомасштабные флуктуации в инерционном интервале, вызываемые разделением зарядов при турбулентном

перемешивании квазинейтрального газа, вторая - вклад крупномасштабных конвективных потоков.

В первом разделе третьей главы описывается модель генерации пульсаций в инерционном интервале. Для объяснения мелкомасштабных флуктуаций могут быть предложены два механизма. Согласно первому, флуктуации электрического поля обязаны своим происхождением наличию флуктуаций температуры, приводящих к возмущению частоты столкновений и подвижности заряженных частиц. С учетом внешнего электрического поля эти возмущения приводят к флуктуациям заряда и градиента потенциала в слабопроводящей среде. Интенсивность этого процесса, зависящая от напряженности поля и подвижности ионов, в основном определяется легкими ионами.

Другой механизм обусловлен флуктуациями скорости молекул воздуха и связан с формированием профиля проводимости и пространственного заряда вблизи земной поверхности. В результате турбулентного перемешивания заряженных частиц возникают флуктуации объемного заряда в инерционном интервале волновых чисел. Этот процесс имеет место как для легких, так и для тяжелых ионов. В данной модели учитываются только легкие ионы, вносящие основной вклад в проводимость приземного слоя воздуха в невозмущенных условиях. Кроме того, обсуждаемые здесь эксперименты проводились в незагрязненной среде при отсутствии промышленных выбросов.

Процедура вычисления структурной функции основана на анализе уравнений ионного баланса и Пуассона для легких ионов, которые образуют полную систему уравнений, связывающую возмущения электрического поля, концентрации и скорости ионов. Если преобладающими процессами, влияющими на флуктуации подвижности и

концентрации заряженных частиц, являются турбулентные пульсации температуры, получаем следующее выражение для структурной функции в инерционном интервале:

CVeVv2 Z)T(r) = 1.2 ° f г5/3,

4яге0<туЯГ0

где Ст2 = 10"3 град2/см2/3, у - число порядка нескольких десятых, е -элементарный заряд, По - концентрация легких ионов, v0 - скорость ветра, Vdi = цЕ0 - дрейфовые скорости, ц - подвижность ионов, crv - дисперсия скорости газа, X - среднее значение проводимости среды.

Если же основным источником возмущений объемных зарядов являются турбулентные флуктуации скорости, получаем для структурной функции следующее выражение:

4xe0vl<rvA kl

где где е = 10"2 м2/с3, к0 = 271/Ъ0 - волновое число, соответствующее внешнему масштабу турбулентности, V — среднее значение производной проводимости.

Во втором разделе третьей главы описывается механизм генерации крупномасштабных флуктуаций. Для оценки вклада в структурную функцию крупномасштабных пульсаций предложена модель, в которой ячейки объемного заряда движутся параллельно земной поверхности с постоянной скоростью \'0 и распределены в горизонтальной плоскости с одинаковой поверхностной плотностью 2. При этом ячейки изотропны и имеют характерный горизонтальный размер Ь1»Ь, где 1г -

расстояние от основания ячейки до земли, а среднее расстояние между ячейками Б"1/2 много больше, чем их размеры. Структурная функция, вычисленная на основе этих предположений, имеет вид

е>е(г) = ° 2 [гнь1 - г) + и 1 (г - и)),

ч

где р0 - средняя плотность объемного заряда внутри облака, -вертикальный размер облака, функция 1(1,1 - г) = 1 при г < и 0 при г> Ьь

В четвертой главе описывается эксперимент по измерению напряженности электрического поля и поляризации электромагнитного поля на частоте первых двух шумановских резонансов.

В первом разделе четвертой главы дано описание экспериментальной установки и представлены результаты измерений напряженности электрического поля. Для определения напряженности поля применялась Г - образная антенна, для исследования поляризации колебаний использовались индукционные датчики. При исследовании поляризации сигналы с магнитных датчиков обрабатывались в блоке, состоящем из электронного аналога преобразователя Гильберта, дополненного суммирующим и дифференциальным усилителями. С помощью анализаторов спектра выделялась спектральная плотность для двух компонент сигнала, поляризованных по кругу в различных направлениях. Направление вращения по часовой стрелке принималось за Л-волны, против часовой стрелки - за Ь-волны. Исходя из спектральной плотности для Б1- и Ь-волн, вычислялась эллиптичность регистрируемого сигнала.

Опыты по измерению напряженности вертикального электрического поля в атмосфере на частоте первого шумановского

резонанса проводились в обсерватории "Борок". Всего было отобрано около 100 спектров в диапазоне 4-20 Гц, на которых присутствовал ярко выраженный резонансный максимум. Типичные значения амплшуд напряженности электрического поля на частоте первого шумановского резонанса составило 0.2 -1 мВ/м.

Во втором разделе четвертой главы представлены результаты исследований поляризации электромагнитных колебаний на частотах первого и второго шумановского резонанса. В результате обработки полученных спектров сделан вывод, что на частоте первого шумановского резонанса наблюдается Ь-поляризация, причем ночью эллиптичность поляризации приблизительно на 20% меньше, чем днем. Уменьшение эллиптичности происходит спустя час после захода солнца. Для второго шумановского мода днем поляризация близка к линейной, в то время как ночью преобладает правая поляризация. В нескольких случаях на частоте первого шумановского резонанса наблюдалось расщепление частот для II-и Ь-волн. Измерения спектра шумов в исследуемом диапазоне частот при близких грозах показали, что поляризация колебаний на всех частотах близка к линейной.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что причиной обнаруженной асимметрии поляризации вероятнее всего является гиротропия ионосферы или магнитосферы. Изменение эллиптичности колебаний, спустя час после захода солнца, указывает на влияние локальных свойств импеданса волновода на поляризацию колебаний. Различие в направлении вращения эллипса поляризации первого и второго шумановского резонанса, возможно, свидетельствует о различных источниках возбуждения этих резонансов. Измерение шумановских

резонансов на разных широтах поможет ответить на вопрос о природе источников возбуждения этих колебаний.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

1. Предложен и апробирован метод структурных функций в качестве инструмента исследования короткопериодных пульсаций атмосферного электрического поля.

2. Спроектирована и смонтирована установка для специализированных экспериментов по исследованию аэроэлектрического поля в приземном слое. Разработан пакет программ для системы сбора и структурного анализа данных.

3. Экспериментально показано, что пульсации электрического поля в приземной атмосфере имеют преимущественно локальную турбулентную природу. Структурная функция в инерционном интервале подчиняется "закону 2/3" Колмогорова - Обухова. Обнаружены характерные пространственные масштабы возмущений электрического поля, один из которых соответствует внешнему масштабу турбулентности, другой свидетельствует о существовании крупномасштабных аэроэлектрических структур. Спектр амплитуд пульсаций аэроэлектрического поля аппроксимируется степенной функцией с показателем -5/3.

4. Развита теоретическая модель, связывающая генерацию пульсаций электрического поля в атмосфере с турбулентным перемешиванием заряженных частиц и температурной конвекцией в приземном слое. Для мелкомасштабных флуктуаций внутри инерционного интервала получены аналитические выражения для структурной функции и спектра, с учетом флуктуаций температуры и скорости молекул нейтрального газа.

5. Обнаружено, что на средних широтах северного полушария горизонтальная проекция вектора возмущения магнитного поля на частоте первого шумановского резонанса вращается преимущественно против часовой стрелки. Для второго шумановского мода поляризация линейная днем и эллиптическая ночью, с вращением эллипса поляризации по часовой стрелке. В качестве возможных причин обнаруженной асимметрии поляризации указаны гиротропия ионосферы и возбуждение шумановских резонансов магнитосферными источниками.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1.Русаков Н.Н., Бакастов С.С. Исследование поляризации естественных СНЧ колебаний в волноводе Земля - ионосфера. Тез. докл. II Всесоюзн. конф. "Прием и анализ СНЧ колебаний естественного происхождения". Воронеж, с. 8, 1987.

2.Русаков Н.Н., Бакастов С.С. Вращение горизонтальной проекции вектора возмущения магнитного поля на частотах шумановских резонансов. Геомагнетизм и аэрономия, 28, 919-922, 1988.

3.Anisimov S.V., Bakastov S.S., and Mareev E.A. Spatial receiving of electric field pulsation in the surfacb atmospheric layer. Proc. 9th Int. Conf. on Atm. Electricity, St.Petersburg, Russia, 620-624,1992.

4.Anisimov S.V., Bakastov S.S., and Mareev E.A. Spatio-temporal characteristics of electric field in the surface atmospheric layer. Proc. 9th Int. Conf. on Atm. Electricity, St.Petersburg, Russia, 625-628, 1992.

5.Anisimov S.V., Bakastov S.S., and Mareev E.A. Spatio-temporal structures of electrical field and space charge in the surface atmospheric layer. J. Geophis. Res., 99, № D5, 10603-10610, 1994.

ö.Anisimov S.V., Bakastov S.S., and Mareev E.A. Experimental investigation of ULF noise electric enviroment. Proc. Int. Symp. on Electromagnetic Compatibility. Rome, Italy, 2, 509-512, 1994.

7.Anisimov S.V., Bakastov S.S., Mareev E.A., Borovkov Yu.E. The evolution of electric field structures in the surface atmospheric layer. Proc. 10th Int. Conf. Atm. Electrisity. Osaka, Japan, 544-547, 1996.

8.Anisimov S.V., Bakastov S.S., Borovkov Yu.E., Dmitriev E.M., Anisimova E.B. Geomagnetic and aeroelectrical measurements at Geophisical observatory "Borok" on Russia. Abstracts 8th Scientific Assembly of IAGA with ICMA and STP Symposia. Uppsala, Sweden, p. 458, 1997.