Экспериментальные исследования процессов ионизации в атмосферном приземном слое

Кудринская, Татьяна Владимировна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Экспериментальные исследования процессов ионизации в атмосферном приземном слое
ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Экспериментальные исследования процессов ионизации в атмосферном приземном слое"

На правах рукописи

Кудринская Татьяна Владимировна

ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ИОНИЗАЦИИ В АТМОСФЕРНОМ ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ

Специальность 25.00.30 - Метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 7 ОКТ 2013

005535039

Нальчик 2013

005535039

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

В.Н. Морозов

доктор физико-математических наук, профессор Закинян Роберт Гургенович Северо-Кавказский федеральный университет (г.Ставрополь)

доктор физико-математических наук, профессор Хоконов Азамат Хазреталиевич Кабардино-Балкарский государственный

университет (г.Нальчик)

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный гидрометеорологический университет» (г.Санкт-Петербург)

Защита состоится 25.10.2013г. в 14— на заседании Диссертационного совета Д 327.001.01 при федеральном государственном бюджетном учреждении «Высокогорный геофизический институт» Росгидромета по адресу: 360030, КБР, г. Нальчик, пр. Ленина, 2, электронная почта: vgikbr@yandex.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУ Высокогорного геофизического института.

Автореферат разослан сентября 2013г.,

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат географических наук, доцент

Официальные оппоненты:

Кондратьева Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

Для развития существующих моделей глобальной цепи актуальным является поиск дополнительных источников электрического поля, в том числе и вблизи поверхности земли, в так называемом «электродном слое». Необходимо дальнейшее уточнение и развитие моделей электрических процессов в атмосферном приземном слое, являющимся участком глобальной электрической цепи. Электрическая структура приземного слоя формируется под действием многих факторов, определяющих распределение по высоте атмосферно-электрических характеристик (концентраций аэроионов, удельной электрической проводимости, напряженности электрического поля, плотности электрического тока и заряда и т.д.). К таким факторам относят: электродный эффект, метеорологические условия, наличие аэрозольной компоненты, интенсивность ионообразования и т.п.

Наибольший вклад в процесс ионообразования в приземном атмосферном слое наряду с космическим излучением вносит радиоактивность воздуха, обусловленная переносом радиоактивных эманаций из почвы, которая определяет не только пространственную изменчивость, но и суточный, и сезонный ход общей ионизации электродного слоя. Исследование вариаций объемной активности радона в приземном слое атмосферы важно для учета его влияния на электродинамику приземного слоя атмосферы, а также в вопросах рассмотрения использования радона в качестве индикатора при изучении многих процессов переноса примесей.

Цель работы: Экспериментальные исследования воздействия радона на процесс ионизации и электрические характеристики приземного слоя атмосферы.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие научные задачи:

1. Провести экспериментальное исследование содержания радона в приземном слое атмосферы и установить закономерности пространственно-временных вариаций объемной активности радона в различных физико-географических условиях.

2. На основе статистического анализа выявить роль радона в формировании вариаций атмосферно-электрических характеристик (концентрации ионов и градиента потенциала электрического поля).

3. Исследовать взаимосвязь электрических параметров приземного слоя с объемной активностью радона.

4. Провести численное моделирование электродного слоя на основе данных наблюдений (с учетом влияния радона) и выполнить сравнительный анализ теоретических и экспериментальных результатов. Научная новизна работы:

1. Выявлены особенности пространственно-временных вариаций объемной активности радона в пунктах наблюдений с разными физико-географическими условиями (степная и высокогорная зоны).

2. Впервые построены функции распределения объемной активности радона в равнинных и высокогорных условиях. Установлены статистические зависимости содержания и распределения радона вблизи земной поверхности от метеорологических факторов.

3. Получены аналитические выражения для функции интенсивности новообразования (зависимости интенсивности ионообразования от высоты) приземного слоя атмосферы в степной и высокогорной зонах при различных метеорологических условиях.

4. Выявлены эмпирические взаимосвязи объемной активности радона с концентрацией легких ионов и градиентом потенциала электрического поля атмосферы.

5. Построена и реализована численная модель электродного слоя, отличающаяся учетом экспериментальных данных по распределению радона вблизи поверхности земли. Получено качественное и количественное согласие натурного эксперимента с модельными расчетами для высокогорных и равнинных условий.

Практическая значимость результатов работы

Полученные в диссертации результаты могут быть использованы:

- для интерпретации экспериментальных данных наземных атмосферно-электрических наблюдений в различных физико-географических условиях;

- для исследования влияния аэрозольного и радиоактивного загрязнений на электродинамические процессы вблизи поверхности земли;

- для разработки методов мониторинга и контроля антропогенных воздействий на атмосферу;

- для выделения влияния глобальных и локальных факторов, влияющих . на электрические параметры атмосферного приземного слоя;

- для развития моделей электродного эффекта в приземном слое атмосферы и глобальной электрической цепи.

В рамках сформулированной в работе проблемы на защиту выносятся следующие результаты и положения:

1. Результаты экспериментальных исследований атмосферно-электрических характеристик в приземном слое атмосферы, полученные на территории Ростовской области и в высокогорном районе Приэльбрусья за период 1995-2011гг.

2. Закономерности пространственно-временных изменений объемной активности радона вблизи поверхности земли в степных и высокогорных условиях.

3. Эмпирические взаимосвязи объемной активности радона с концентрацией легких ионов и градиентом потенциала электрического поля в приземном слое атмосферы для степной и высокогорной зон в различных метеорологических условиях.

4. Эмпирическая функция интенсивности ионообразования, полученная на основании изменения объемной активности радона по высоте в приземном слое атмосферы для равнинных и высокогорных условий.

5. Результаты численного моделирования электрической структуры приземного слоя в приближениях классического И турбулентного электродного эффекта с учетом эмпирической функции интенсивности ионообразования для различных физико-географических и метеорологических условий.

Степень достоверности и обоснованность научных положений, и выводов подтверждается согласованностью полученных результатов и следствий из них с известными в литературе. Результаты диссертационной работы докладывались на международных и российских научных конференциях и получили одобрение специалистов. Все выводы физически обоснованы и не противоречат современным представлениям науки и практики. Получено хорошее согласие между теоретическими модельными расчетами и экспериментальными данными. Публикации результатов и личный вклад автора

По результатам исследований опубликована 21 научная работа, включая 6 работ в изданиях из перечня ВАК. Основные результаты диссертации получены лично автором. Постановки задач исследований и обсуждение их результатов осуществлялись совместно с научным руководителем д.ф.-м.н., В.Н. Морозовым и д.ф.-м.н., проф. Г.В. Куповых. Автор принимал непосредственное участие в подготовке и проведении полевого эксперимента в составе многолетних ежегодных геофизических экспедиций факультета математики, информатики и физики ЮФУ под руководством доц. А.И.Петрова и к.ф.-м.н., доц. Г.Г.Петровой, а также в обработке, анализе данных наблюдений и их интерпретации.

Автор выражает признательность доц. Петрову А.И., к.ф.-м.н„ доц. Петровой Г.Г., к.ф.-м.н„ доц. Панчишкиной И.Н., к.ф.-м.н„ доц. Редину А.А. за ценную консультативную помощь при подготовке диссертации. Апробация работы

Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на XIII и XIV Международных конференциях по атмосферному электричеству (Пекин, 2007; Рио-де-Жанейро, 2011), V и VII Российских конференциях по атмосферному электричеству (Владимир, 2003; Санкт-Петербург, 2012), Всероссийских конференциях молодых ученых (МАПАТЭ-2003, Нижний Новгород; САТЭП-2005, Борок; САТЭП-2008, Борок; САТЭП-2009, Звенигород; САТЭП-2010, Нижний Новгород; САТЭП-2011, Борок), научных семинарах кафедры физики факультета математики, информатики и физики ЮФУ (Ростов-на-Дону, 2009, 2010),

научных семинарах кафедры физики факультета естественнонаучного и гуманитарного образования ЮФУ (Таганрог, 2013). Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы, насчитывающего 140 наименований. Работа содержит 147 листов, включая 36 рисунков и 26 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обосновывается актуальность темы исследования, формулируются цели и задачи диссертационной работы, раскрывается научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В главе 1 приведено теоретическое и экспериментальное рассмотрение процессов ионизации и ионного состава атмосферы.

В разделе 1.1 описано преимущественное влияние различных источников на процесс ионизации различных слоев атмосферы: в ионосфере - рентгеновское, ультрафиолетовое и корпускулярное излучения Солнца, а также солнечный ветер; в тропосфере и стратосфере - только космические лучи; в приземном слое - радиоактивное излучение газов, поступающих в атмосферу из почвы, а также космическое излучение. Показано, что в ионизации приземного слоя атмосферы главную роль играет выход радиоактивных эманации, то есть газообразных продуктов превращения изотопов радия (радон - Яп, торон - Тп, актинон - Ап), наиболее весомым из которых является радон (222Яп). Основными процессами, определяющими выход радона в атмосферу, являются диффузия и конвекция. Скорость радоновыделения (эксхаляции) определяется коэффициентом диффузии и градиентом объемной активности радона в почве. Вместе с тем, величина плотности потока радона из грунтов в атмосферу определяется совместным воздействием следующих факторов:

- величиной концентрации радия в почвах и породах;

- макропористостью и влажностью почв и пород;

- колебаниями метеорологических параметров (температуры воздуха и почвы, влажность и т.п.);

- наличием естественных и искусственных покровов (лед, асфальт, и т.п.).

Раздел 1.2 посвящен рассмотрению основных принятых подходов к изучению характеристик атмосферных ионов: подвижности ионов, коэффициентов диффузии (молекулярной и турбулентной), коэффициентов присоединения к аэрозольным частицам.

В разделе 1.3 приведен анализ основных направлений современных атмосферно-электрических исследований. Отмечены их экологические аспекты, в частности связь атмосферно-электрических параметров с аэрозольной компонентой атмосферного воздуха и радиоактивностью.

На основании рассмотрения ионизирующего действия радиоактивного излучения сделан вывод о недостаточной изученности особенностей пространственно-временного поведения объемной активности радона.

являющейся основным ионизирующим фактором приземного слоя атмосферы, как в теоретическом, так и в экспериментальном планах.

В главе 2 представлены результаты экспериментального исследования пространственно-временных вариаций радона и его роли в формировании электрической структуры приземного слоя атмосферы.

^ В разделе 2.1 описана экспериментальная база исследования: методы и приборы, используемые в натурном эксперименте, проводимом в летние месяцы (август); характеристика пунктов измерений, расположенных в степной зоне Ростовской области (с.Михайловка, х.Платов, х.Талловеров Кашарского района) и высокогорной зоне Приэльбрусья (Пик Чегет).

В разделе 2.2 приведен статистический анализ пространственно-временных вариаций объемной активности радона. Показано, что функция распределения вероятности значений объемной активности радона характеризуется положительной асимметрией (Л5= 1—1,54) для степного и высокогорного пунктов. Для степных пунктов характерна двухмодальная структура распределений; при этом распределение ночных значений близко к нормальному (А*=0,56—0,76; £х=0,07—0,24), это связано с тем, что ночью создаются условия более благоприятные для выхода радона и накапливания его вблизи поверхности земли. Для высокогорного пункта можно отметить, что значения характеристик распределения (коэффициенты асимметрии и эксцесса) довольно близки для ночных и дневных условий.

На рисунке 1 показан график функции распределения вероятности значений объемной активности радона на примере одного степного пункта наблюдений (х.Талловеров) и высокогорного пункта (Пик Чегет).

вероятность

0,4

0,3

30 Кп, Бк/м1

Рисунок 1 - Распределения вероятности значений объемной активности радона а) Ростовская обл., х.Талловеров (1-23 августа 2011г.); б) Приэльбрусье, Пик Чегет (1-12 августа 2010г.)

вероятность

0,4

ЖТГГ.Л Экспериментальное распределение

-Нормальное распределение (весь массив)

------Нормальное распределение (дневные)

- • - • Нормальное распределение (ночные)

Временной ряд объемной активности радона для степного пункта наблюдений имеет явно выраженную периодическую компоненту в виде суточного хода (период 24 часа), подтверждаемую гармоническим анализом. Суточный ход объемной активности радона в приземном слое атмосферы для степного пункта имеет максимум в ночные и ранние утренние часы и минимум в дневное время, что связано с особенностями радиоактивного дыхания почвы и метеорологическим режимом приземного слоя (стратификацией приземного слоя, определяемой температурным градиентом и скоростью ветра). В вариациях объемной активности радона в высокогорном пункте суточная 24-часовая компонента не выявлена. На рисунках 2а и 26 приведены суточный ход объемной активности радона, изменения температуры в слое 0,5-2 м и скорости ветра на уровне 2 м для степного и высокогорного пунктов соответственно.

V _5- -3"

0 12 3 4 5 6 7-|■ ^ 10Л Ц^в-Ф-И^ Г7 18 19 20 21 22 23

Рисунок 2 - Суточные вариации объемной активности радона на уровне 1м (1), изменения температуры (2) и скорости ветра (3) а) Ростовская обл., х.Талловеров, 2009г. (14В среднесуточных значений); б) Приэльбрусье, Пик Чегет, 2010г. (98 среднесуточных значений)

Экспериментально исследованы вертикальные профили объемной активности радона в различных пунктах наблюдений. На рисунке 3 показаны вертикальные профили объемной активности радона в слое атмосферы до 2 м для всего массива данных и отдельно для условий устойчивой стратификации (ночные значения) в степных, высокогорном пунктах и для сравнения в г.Ростов-на- Дону.

А, м

2,5

2 1 9 Т £ 1

1,5 : ! 1

/ ; ; 2

1 ) ►а ири

* \

0,5 •

0 ____________________________............

30 60 Кп, Бк/м3

А, м

2,5

1,5

0,5

! I I I > I

I I

к?«* 2 < .

к^ р-^н

к» V-©—!

30 60 Кп, Бк/м3

10 20 Кп, Бк/м3

Рисунок 3 - Вертикальное распределение объемной активности радона для всего массива значений (1) и ночных условий, соответствующих устойчивой стратификации приземного слоя атмосферы (2) а) Ростовская обл., х.Платов, 2002-05гг. (251 среднечасовых значений), б) Ростовская обл., х.Талловеров, 2006-08гг. (252 среднечасовых значений), в) г.Ростов-на-Дону, 2000г. (52 среднечасовых значений), г) Пик Чегет, Приэльбрусье, 2010г. (74 среднечасовых значений)

Вертикальное распределение объемной активности радона для всех пунктов измерений на высоком уровне достоверности (коэффициент детерминации /?"=0.9-.-0.98) описывается экспоненциальной зависимостью вида:

Яп(г)=А+С-ехр(-Ьъ), (1)

где показатель экспоненты Ь, характеризующий скорость убывания функции с высотой, определяется характером перемешивания в приземном слое атмосферы (независимо от пункта наблюдений), коэффициенты А и С зависят от выхода радона из почвы и его распространения в атмосфере.

С учетом экспериментального распределения объемной активности радона по высоте определено выражение для зависимости интенсивности новообразования от высоты для приземного слоя:

ч{г) = дс + Чкп (г) = 7 • Ю6 + (а'+С' • ), (2)

где qc - интенсивность ионообразования, обусловленная космическими лучами; дп„(г) - интенсивность ионообразования, обусловленная радоном; А', С' - эмпирические коэффициенты вертикального распределения объемной активности радона, переведенные в п.и./(м3 с).

Значения коэффициентов уравнения (2) в нетурбулентном и турбулентном случае для степных и высокогорных условий представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Коэффициенты уравнения функции вертикального

распределения интенсивности ионообразования

I А , 1 п. и./м3 с п.и./м3 с Ъ, м'

степная зона (Ростовская область)

Нетурбулентный случай (устойчивая стратификация) 15+16 5+6 1.8+2

Турбулентный случай (неустойчивая стратификация) 10+12 1+2 1.7+0.5

высокогорная зона (Приэльбрусье)

Нетурбулентный случай (устойчивая стратификация) 2+3 1+2 1.9+2

Турбулентный случай (неустойчивая стратификация) 2+3 1+2 1.7+0.5

В разделе 2.3 исследовано влияние радона на атмосферно-электрические характеристики приземного слоя. На рисунке 4 представлена взаимосвязь объемной активности радона с концентрацией легких ионов на высоте 1 м для различных пунктов наблюдений.

На основании результатов измерений в степном и высокогорном районах можно представить выражение, отражающее связь концентрации аэроионов (п) и объемной активности радона (/?")> в виде:

п1=к-Яп+Ь, (3)

где коэффициент к (Бк1 м'3) определяется содержанием аэрозолей и может служить параметром чистоты атмосферы, а коэффициент Ь ((10 м" ) ) определяет концентрацию ионов, обусловленную действием других источников ионизации в приземном слое. Так, для степных пунктов:

к=0.7-т1.5 (меньшие значения свидетельствуют о большем содержании аэрозольной компоненты в атмосфере) и Ь=80+100\ для высокогорного пункта: к=16 и Ь-200, что свидетельствует о чистоте атмосферы и влиянии других источников ионизации (космическое и у-и-1 лучение).

п+2 (108 м'3)2

450

400

350 • Jf

300 f 4

250 I

200

150

100 ;

<5 °

0 J

100

150

Rn, Бк/м•'

Рисунок 4 - Регрессионные кривые квадрата концентрации положительные ионов по объемной активности радона в приземном слое атмосферы 1. Ростовская обл., с.Михайловка, 1995-98гг. (267 среднечасовых значений),

2. Ростовская обл., х.Платов, 2002-05гг. (251 среднечасовых значений), 3. Ростовская обл., х.Талловеров, 2006-11гг. (250 среднечасовых значений), 4. Пик Чегет, Приэльбрусье, 2010г. (83 среднечасовых значений)

Влияние радона на значения градиента потенциала электрического поля атмосферы вблизи земной поверхности определяется процессам! ионизации и градиентом электрической проводимости. Экспериментально обнаружена обратная зависимость градиента потенциала электрического поля от объемной активности радона в приземном слое; коэффициенты корреляции имеют значения порядка 0,4-0,6, а их значимость подтверждается критерием Стьюдента.

На рисунке 5 представлены графики регрессии градиента потенциала электрического поля по значениям объемной активности радона для указанных пунктов наблюдений (значения градиента потенциала для высокогорного пункта приведены в дВ/м).

Рисунок 5 - Регрессионные кривые градиента потенциала электрического поля атмосферы по объемной активности радона а) на уровне 0,5м, б) на уровне 1 м 1. Ростовская обл., с.Михайловка, 1995-98гг. (265 среднечасовых значений);

2. Ростовская обл., х.Платов; 2002-05гг. (230 среднечасовых значений); 3. Ростовская обл., х.Талловеров, 2008-11гг. (397 среднечасовых значений);

4. Приэльбрусье, Пик Чегет, 2010г. (98 среднечасовых значений)

Выражение, отражающее зависимость градиента потенциала электрического поля приземного слоя от объемной активности радона, можно представить в виде:

V'=A-Rn\ (4)

где показатель степени b определяется влиянием аэрозоля, а значения коэффициента А определяется содержанием радона у земной поверхности. Значения параметра b варьируют в достаточно широких пределах 0,8-0,1 для разных пунктов и условий; причем, при малом содержании аэрозоля в атмосфере значения параметра ближе к 0,1, а при повышенном содержании аэрозольной компоненты - ближе к 0,8.

Таким образом, на основании связи радона (как основного ионообразутощего фактора в приземном слое атмосферы) с атмосферно-электрическими характеристиками (концентрацией легких ионов и градиента потенциала электрического поля) можно определить параметры, определяющие влияние аэрозольной компонента атмосферы.

В главе 3 описаны процессы формирования электрической структуры приземного слоя атмосферы в результате действия электродного эффекта.

Раздел 3.1 посвящен рассмотрению действия электродного эффекта в различных физико-географических условиях, его проявлений в степной (Ростовская область) и высокогорной (Приэльбрусье) зонах. Обозначены основные факторы оказывающие воздействие на приэлектродные процессы, выявлены условия действия классического и турбулентного электродного эффекта (рисунок 6).

Электродный эффект

Классический электродный эффект Турбулентный электродный эффект

Поверхностью

ИСТОЧНИКИ

ионизации Вертикальное : распределение интенсивности ценообразования

Напряженность электрического поля атмосферы

Аэрозольные частицы в атмосфере

Турбулентные процессы •температурная стратификация •наличие горизонтального ветра

Рисунок б - Схема условий электродного эффекта

При сильном электрическом поле структура электродного слоя в основном определяется градиентом потенциала электрическом поля атмосферы, который обуславливает поведение полярных проводимостей, тогда как влияние метеорологических условий минимально, что соответствует действию классического электродного эффекта вблизи поверхности земли.

Показано, что в приземном слое в условиях «хорошей погоды» и невысокой ионизации воздуха в результате действия электродного эффекта формируется положительный объемный заряд. Коэффициенты

к/

униполярности ( у — Уд ) в среднем больше 1; для высокогорного пункта в 1,3 раза больше, чем для степного.

4.5

4,0 ■

3,5

3,0

в*

V, В/м ' о

1000 1500

у, В/м 1000

Рисунок 7 - Зависимость коэффициента униполярности от градиента потенциала электрического поля атмосферы на уровне 1 м:

а) Ростовская обл., х.Талловеров, 2011г. (174 среднечасовых значений); б) Приэльбрусье, ПикЧегет, 2010г. (85 среднечасовых значений)

В сильном электрическом поле (более 500 В/м) его значения увеличиваются и становятся больше 2 (рисунок 7). Турбулентное перемешивание влияет на распределение объемного заряда: условия устойчивой стратификации особенно при малых скоростях ветра (близких к 0 м/с) способствуют образованию объемного заряда, а при увеличении турбулентной диффузии плотность объемного заряда уменьшается.

В разделе 3.2 представлено сравнение результатов теоретического модельного расчета электродного эффекта с экспериментальными данными. Система уравнений, примененная для моделирования электрического состояния приземного слоя, учитывает наличие аэрозольных частиц (что важно для описания структуры электродного слоя атмосферы в степных пунктах), изменение интенсивности новообразования по высоте.

Параметры модели электродного эффекта уточнены на основании данных натурного эксперимента в степном и высокогорном пунктах наблюдений: при моделировании электрической структуры приземного слоя использована эмпирическая функция интенсивности новообразования с учетом особенностей вертикального распределения радона в приземном слое, коэффициенты турбулентности рассчитаны на основании метеорологических данных.

Представлены результаты сравнения результатов численного моделирования и данных натурного эксперимента на примере изменения отношения V'г/V'«, на высотах 1м и 2 м по величине У0 (рисунок 8). Показано, что электродный эффект (отношение У/У^) увеличивается с увеличением электрического поля на уровне земной поверхности и уменьшается с ростом концентрации аэрозольных частиц.

0 20 40 60 80 | О 20 40 60 80

Рисунок 7 - Регрессионный ряд распределения У/У х на высоте 1 м с ростом градиента потенциала электрического поля у земной поверхности (У0) а) Ростовская обл., с.Михайловка; б) Ростовская обл., х.Талловеров

На рисунке 8 изменение электродного эффекта с ростом электрического поля представлено на примере двух пунктов Ростовской области; при этом угол наклона линии характеризует степень влияния

аэрозольной компоненты (больший угол наклона свидетельствует о меньшем содержании аэрозоля).

Результаты сравнения численного моделирования и данных натурного эксперимента также представлены на примере вертикального распределения концентрации легких положительных ионов. Отмечается не только качественное, но и количественное согласие теоретической кривой и экспериментальных значений (рисунок 9).

Рисунок 9 - Вер тикальное распределение концентрации положительных легких ионов расчетные (линии) и экспериментальные (точки) а) Ростовская обл., х.Талловеров, 2006-2008гг.; б) Приэльбрусье, Пик Чегет, 2010г.

Следует отметить, что для степного пункта использовалась «аэрозольная» модель, а для высокогорного — модель, не учитывающая аэрозольную компоненту. На основании сравнения выполнена оценка концентрации аэрозольных частиц в атмосфере для степных пунктов Ростовской области (которые экспериментально не измерялись): для пункта

1010м~

с.Михайловка - N = 1.1 для пункта х.Талловеров

, для пункта х.Платов N =0.82-1010 лГ3,

N = 0.85 • 10

что подтверждает предыдущие результата.

В случае турбулентного электродного эффекта согласно модельным расчетам (для нейтральной стратификации) толщина электродного слоя растет с увеличением значений скорости ветра, что подтверждается данными эксперимента (таблица 2).

При увеличении скорости горизонтального ветра концентрации легких ионов (как положительных, так и отрицательных) снижаются в среднем на 40-50% при низких значениях скорости ветра (У<2 м/с), в то время как при больших значениях скорости ветра (У>3 м/с) этот эффект незначителен (рисунок 10). Турбулентное перемешивание влияет на распределение объемных зарядов: при нейтральной стратификации и увеличении

турбулентной диффузии легких ионов плотность объемного заряда уменьшается, что также подтверждает результаты теоретических расчетов.

Таблица 2 - Значения электрических характеристик вблизи поверхности земли в зависимости от скорости ветра при нейтральной _стратификации_____

и, (м/с) 1 2 3 4

и, / гс„ модель 0,95 0,87 0,84 0,82

эксперимент 0,87 0,82 0,77 0,76

пг / модель 0,89 0,80 0,78 0,77

эксперимент 0,59 0,55 0,53 0,53

к /у:, модель 1,19 0,84 0,80 0,77

эксперимент 0,63 0,54 0,45 0,44

п 10'', м-'

1,2 :

1,0

0,8 і

0,6 | § •

0,4 0 0

0,2

0,0 1

0 1 2

Рисунок 10 - Зависимость концентраций легких ионов положительных (/), отрицательных (2) от скорости горизонтального ветра (Ц) Ростовская обл., х.Платов, 2002-2005гг.

В заключении приводятся основные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе.

1. Рассмотрены основные источники ионизации приземного слоя атмосферы, в частности, радиоактивное излучение, обусловленное содержанием радона в почве и воздухе. Описаны механизмы, определяющие содержание радона в почве и приземном слое атмосферы.

2. Проведен анализ экспериментальных данных об ионизации приземного слоя и его электрическом состоянии: удельной электрической проводимости и градиента потенциала электрического поля, влияния на атмосферно-электрические характеристики метеорологических условий, естественной радиоактивности и аэрозольного загрязнения.

3. Выполнены экспериментальные исследования атмосфер но-электрических характеристик в приземном слое атмосферы на территории Ростовской области и в высокогорном районе Приэльбрусья за 1995-2011гг.

4. Установлены статистические закономерности пространственно-временных вариаций объемной активности радона в различных физико-географических условиях. Выявлены на основе экспериментальных данных и теоретических оценок условия действия классического и турбулентного электродного эффекта в приземном слое атмосферы.

5. Получены эмпирические взаимосвязи объемной активности радона с концентрацией легких ионов и градиентом потенциала электрического поля в приземном слое атмосферы для степной и высокогорной зон в различных метеорологических условиях.

6. Построена эмпирическая функция интенсивности новообразования, описывающая вертикальное изменение объемной активности радона в приземном слое атмосферы в равнинных и высокогорных условиях.

7. Проведено численное моделирование электрической структуры приземного слоя в приближении турбулентного электродного эффекта с учетом . эмпирической функции интенсивности ионообразования для различных физико-географических и метеорологических условий.

8. Проведен сравнительный анализ результатов модельных расчетов электродинамической структуры приземного электродного слоя атмосферы и экспериментальных данных с учетом влияния радона и аэрозольной компоненты.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах: В изданиях из перечня ВАК:

1. Panehishkina, I.N. Space charge generation in the atmosphere and the density of mechanical transfer current to the ground / I.N. Panehishkina, G.G. Petrova, A.I. Petrov, T.V. Kudrinskaja // Atmospheric Research. - 2009. - 91 - p.238-243.

2. Алипатов, M.B. Информационно-измерительный комплекс для мониторинга электрического состояния приземного слоя атмосферы / М.В. Алипатов, Т.В. Кудринская, Д.А. Пестов, И.Б. Попов // Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск «Экология 2009 - море и человек». -2009. -№6(95). -С.249-254.

3. Петров, А.И. Результаты многолетних экспедиционных атмосферно-электрических исследований в приземном слое / А.И. Петров, Г.Г. Петрова, И.Н. Панчишкина, Т.В. Кудринская // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Физика атмосферы.-2010. (спец.вып.) -С.73-76.

4. Петров А.И. Измерительный комплекс для исследования электричества приземного слоя атмосферы / А.И. Петров, Г.Г. Петрова, И.Н. Панчишкина, Т.В. Кудринская // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Физика атмосферы. - 2010. №3 (спец.вып.), С.47-52.

5. Кудринская, Т.В. Исследование вариаций атмосферного электрического поля на разных уровнях у земли / Т.В. Кудринская, К.С. Болдырева, О.В. Новикова и др. // Научная мысль Кавказа. Проблемы физики и электродинамики. - 2012. - №4. - С.95-98

6. Кудринская, Т.В. Сравнение результатов математического моделирования электродного эффекта с экспериментальными данными / Т.В. Кудринская, Г.В. Куповых, А.А. Редин // Известия ЮФУ. Технические науки. Актуальные проблемы математического моделирования. - 2013. - №4. - С.72-81

В сборниках материалов всероссийских и международных конференций

по атмосферному электричеству:

7. Морозов, В.Н. Влияние аэрозольных частиц на электрическое состояние приземного слоя атмосферы / В.Н. Морозов, Т.В. Кудринская // Труды V Российской конференции по атмосферному электричеству. - Владимир, ВГУ, 2003. - С.84-86.

8. Петров, А.И. Электропроводность воздуха и концентрация радона в приземном слое / А.И. Петров, Г.Г. Петрова, И.Н. Панчишкина, Т.В. Кудринская, Г.В. Куповых, А.Г. Клово // Труды V Российской конференции по атмосферному электричеству. - Владимир, ВГУ, 2003. -

C. 124-127.

9. Panchishkina, I.N. Space charge generation in the atmosphere and the density of mechanical transfer current to the ground / I.N. Panchishkina, G.G. Petrova, A.I. Petrov, T.V. Kudrinskaja / Proc.l3th Int. Conf. Atm. Electricity. -Beijing, China, - 2007.

10. Adzhiev, A.H. Alpine Atmospheric Electricity Monitoring and Radon-222 Measurement near Elbrus / A.H. Adzhiev, A.S. Boldyreff, A.N. Dorina, T.V. Kudrinskaya, G.V. Kupovykh, O.V. Novikova, I.N. Panchishkina,

D.A. Pestov, A.I. Petrov, G.G. Petrova, A.A. Redin // Proc.l4th Int. Conf. Atm. Electricity. - Rio de Janeiro, Brazil, - 2011.

11. Petrova, G.G. The Expedition Research of Processes of the Atmospheric Electrode Layer Formation / G.G. Petrova, A.I. Petrov, I.N. Panchishkina, T.V. Kudrinskaja // Proc.l4th Int. Conf. Atm. Electricity. - Rio de Janeiro, Brazil,-2011.

12. Panchishkina, I.N. The Research of the Vertical Charge Transfer in the Atmosphere on the Basis of the Experimental Data / I.N. Panchishkina, G.G: Petrova, A.I. Petrov, T.V. Kudrinskaja // Proc.l4th Int. Conf. Atm. Electricity. - Rio de Janeiro, Brazil, - 2011.

13. Петров, А.И. Возможность использования атмосферно-электрических характеристик для оценки аэрозольного и радиоактивного загрязнения приземного слоя / А.И. Петров, Г.Г. Петрова, И.Н. Панчишкина, Т.В. Кудринская // Труды VII Российской конференции по атмосферному электричеству. - С.-Пб., - 2012.

В других изданиях:

14. Петров, А.И. Физико-статистический анализ атмосферно-электрических характеристик приземного слоя / А.И. Петров, Г.Г. Петрова,

И.Н. Панчишкина, T.B. Кудринская // Труды НИЦ ДЗА. - 2006. вып.7. -С. 182-190.

15. Кудринская, Т.В. Электрическое поле атмосферы и аэрозоль / Т.В. Кудринская, А.И. Петров, Г.Г. Петрова // Тезисы докладов. VII Всероссийская конференция молодых ученых «Малые примеси, атмосферное электричество и динамические процессы в атмосфере». -Н.Новгород, 2003. - С.30.

16. Кудринская, Т.В. К вопросу о разделении объемного заряда легких ионов и заряженных аэрозолей / Т.В. Кудринская, В.Н.Морозов, Г.Г. Петрова // Тезисы докладов. IX Всероссийская конференция молодых ученых «Состав атмосферы и электрические процессы». - Борок, 2003. -С.61.

17. Кудринская, Т.В. Сравнение теоретических расчетов электродного эффекта с экспериментальными данными / Т.В.Кудринская,

A.П. Кривошеев, H.A. Петров // Тезисы докладов. XII Международная конференция молодых ученых «Состав атмосферы. Атмосферное электричество. Климатические процессы». - Борок, 2008. - С.47.

18. Кудринская, Т.В. Вариации электрических характеристик приземного слоя атмосферы при различной стратификации / Т.В. Кудринская,

B.Ф. Билалова // Тезисы докладов. XIII Международная конференция молодых ученых «Состав атмосферы. Атмосферное электричество. Климатические процессы». • Звенигород, 2009.

19. Кудринская, Т.В. Роль радона-222 в формировании электрической структуры приземного электродного слоя атмосферы / Т.В. Кудринская // Тезисы докладов. XIV Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Состав атмосферы. Атмосферное электричество. Климатические процессы». - Н.Новгород, 2010. - С.58.

20. Кудринская, Т.В. Атмосферно-электрические измерения в степной и высокогорных зонах Северного Кавказа / Т.В.Кудринская // Тезисы докладов. XV Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Состав атмосферы. Атмосферное электричество. Климатические процессы». - Борок, 2011. - С.81-82.

21. Березинский, H.A. Влияние процессов подготовки землетрясений на концентрацию радона и электропроводность приземной атмосферы / H.A. Березинский, Т.В. Кудринская, Г.В. Куповых, И.Н. Панчишкина, М.Ю. Пашкевич, А.И. Петров, Г.Г. Петрова, JIM. Федченко // Геология и геофизика Юга России. - 2011. - №2. - С. 14-22.

Личный вклад соискателя по перечисленным . работам может быть

охарактеризован следующим образом:

- работы 1-4, 8-14, 21 выполнены на паритетной основе;

-работы 19, 20 - выполнены без соавторов;

- в работах 5-6, 15-18 -экспериментальная часть выполнена совместно,

анализ результатов принадлежит соискателю.

Формат 60x841/16. Бумага офсетная. Печать ризография. Усл. П.л. - 1,25 Уч.-изд. - 1,5 Заказ №236 Тираж 100 экз.

Типография Южного федерального университета 347928, ГСП-17А, Таганрог, 28, Энгельса, 1

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Кудринская, Татьяна Владимировна, Б. м.

ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201362984

Кудринская Татьяна Владимировна

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ИОНИЗАЦИИ В

АТМОСФЕРНОМ ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ

Специальность 25.00.30 — Метеорология, климатология, агрометеорология

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, В.Н. Морозов

2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ПРОЦЕССЫ ИОНИЗАЦИИ АТМОСФЕРЫ: ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ РАССМОТРЕНИЕ.......................................................9

1.1. ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ИОНИЗАЦИИ АТМОСФЕРЫ........................9

1.1.1. КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ..........................................................................11

1.1.2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ................................................12

1.1.3. РАДИОАКТИВНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ........................................................14

1.1.4. ДРУГИЕ ИСТОЧНИКИ ИОНИЗАЦИИ.................................................25

1.2. ИОННЫЙ СОСТАВ АТМОСФЕРЫ.............................................................26

1.2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ИОНОВ.................................................................26

1.2.2. АЭРОЗОЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ В АТМОСФЕРЕ....................................28

1.2.3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИОНОВ........................................32

1.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИОНИЗАЦИИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ.............43

1.3.1. ИССЛЕДОВАНИЯ ИОНИЗАЦИОННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ.............................................................43

1.3.2. ИССЛЕДОВАНИЯ ГРАДИЕНТА ПОТЕНЦИАЛА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ АТМОСФЕРЫ...................................................49

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ГЛАВЫ 1:..............................................................54

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РОЛИ РАДОНА В ФОРМИРОВАНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ...........................................................................................................55

2.1. АТМОСФЕРНО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ...............................55

2.1.1. ПУНКТЫ ИЗМЕРЕНИЙ..........................................................................55

2.1.2. ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ..................................................58

2.2. СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ ВАРИАЦИЙ ОБЪЕМНОЙ АКТИВНОСТИ РАДОНА В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ.........................................................................................................64

2.2.1. СОДЕРЖАНИЕ РАДОНА В ПОЧВЕ.....................................................64

2.2.2. ФУНКЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМНОЙ АКТИВНОСТИ РАДОНА..............................................................................................................67

2.2.3. СУТОЧНЫЕ ВАРИАЦИИ ОБЪЕМНОЙ АКТИВНОСТИ РАДОНА В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ..............................................................72

2.2.4. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ ИЗМЕНЕНИЕ ОБЪЕМНОЙ АКТИВНОСТИ

РАДОНА И ИНТЕНСИВНОСТЬ ИОНООБРАЗОВАНИЯ............................76

2.3. ВЛИЯНИЕ РАДОНА НА АТМОСФЕРНО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.............................................................................................83

2.3.1. ОБЪЕМНАЯ АКТИВНОСТЬ РАДОНА И КОНЦЕНТРАЦИЯ ЛЕГКИХ ИОНОВ...............................................................................................83

2.3.2. РОЛЬ РАДОНА В ФОРМИРОВАНИИ ВАРИАЦИЙ ГРАДИЕНТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА АТМОСФЕРЫ..................................88

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ГЛАВЫ 2:..............................................................97

ГЛАВА 3. ФОРМИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРОДНОГО ЭФФЕКТА.................................................................................................................99

3.1. ПРОЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДНОГО ЭФФЕКТА В РАЗЛИЧНЫХ ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ....................................................99

3.2. ЭЛЕКТРОДНЫЙ ЭФФЕКТ: СРАВНЕНИЕ ТЕОРИИ И ЭКСПЕРИМЕНТА................................................................................................118

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ГЛАВЫ 3:............................................................131

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................133

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................................................135

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

В атмосферно-электрических исследованиях (как теоретических, так и экспериментальных) последних десятилетий значительное внимание уделяется изучению взаимодействия электрических и климатических процессов, механизмов и энергетики атмосферного электричества, грозовых явлений и активного воздействия на грозовые процессы, построению моделей глобальной электрической цепи. Для развития существующих моделей глобальной цепи актуальным является поиск дополнительных источников электрического поля, в том числе и вблизи поверхности земли, в так называемом «электродном слое».

Для этого необходимо дальнейшее уточнение и развитие моделей электрических процессов в атмосферном приземном слое, являющимся участком глобальной электрической цепи. Электрическая структура приземного слоя формируется под действием многих факторов, определяющих распределение по высоте атмосферно-электрических характеристик (концентраций аэроионов, удельной электрической проводимости, напряженности электрического поля, плотности электрического тока и заряда и т.д.). К таким факторам относят: электродный эффект [30], метеорологические условия, наличие аэрозольной компоненты, интенсивность ионообразования и т.п.

Наибольший вклад в процесс ионообразования наряду с космическим излучением вносит радиоактивность воздуха, обусловленная переносом радиоактивных эманаций из почвы, которая определяет не только пространственную изменчивость, но и суточный, и сезонный ход общей ионизации электродного слоя. Исследование вариаций объемной активности радона в приземном слое атмосферы важно для учета его влияния на электродинамику приземного слоя атмосферы, а также в вопросах

рассмотрения использования радона в качестве индикатора при изучении многих процессов переноса примесей.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие научные задачи:

3. Исследовать взаимосвязь электрических параметров приземного слоя с объемной активностью радона.

Научная новизна работы

3. Получены аналитические выражения для функции интенсивности ионообразования (зависимости интенсивности ионообразования от высоты)

приземного слоя атмосферы в степной и высокогорной зонах при различных метеорологических условиях.

Практическая значимость результатов работы

Полученные в диссертации результаты могут быть использованы:

- для разработки методов мониторинга и контроля антропогенных воздействий на атмосферу;

- для выделения влияния глобальных и локальных факторов, влияющих на электрические параметры атмосферного приземного слоя;

- для развития моделей электродного эффекта в приземном слое атмосферы и глобальной электрической цепи.

На защиту выносятся следующие положения и научные результаты^

5. Результаты численного моделирования электрической структуры приземного слоя в приближениях классического и турбулентного электродного эффекта с учетом эмпирической функции интенсивности ионообразования для различных физико-географических и метеорологических условий. Апробация результатов работы

По теме диссертации опубликована 21 работа, из них 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК.

Личный вклад автора

Основные результаты диссертации получены лично автором. Постановки задач исследований и обсуждение их результатов осуществлялись совместно с научным руководителем д.ф.-м.н. В.Н. Морозовым и д.ф.-м.н., проф. Г.В. Куповых. Автор принимал непосредственное участие в подготовке и проведении экспериментальных исследований в составе многолетних ежегодных геофизических экспедиций факультета математики, информатики и физики ЮФУ под руководством доц. А.И. Петрова и к.ф.-м.н., доц. Г.Г. Петровой, а также в обработке, анализе данных наблюдений и их интерпретации.

Автор выражает признательность доц. А.И. Петрову, к.ф.-м.н., доц. Г.Г. Петровой, к.ф.-м.н., доц. И.Н. Панчишкиной, и к.ф.-м.н., доц. A.A. Редину за ценную консультативную помощь при подготовке диссертации. Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 149 страниц, включая 36 рисунков, 26 таблиц. Список литературы включает 140 наименований.

ГЛАВА 1. ПРОЦЕССЫ ИОНИЗАЦИИ АТМОСФЕРЫ: ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ РАССМОТРЕНИЕ

1.1. ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ИОНИЗАЦИИ АТМОСФЕРЫ

Как известно, электрические свойства атмосферного воздуха обусловливают присутствующие в нем ионы, счетная концентрация которых чрезвычайно мала по сравнению с концентрацией нейтральных частиц (на несколько порядков меньше). Таким образом, атмосферу можно рассматривать как слабо ионизированную плазму [7].

Ионы в газах могут возникать под действием различных процессов, приводящих к вырыванию из электронной оболочки атома или молекулы одного или нескольких электронов и образованию положительных ионов; в свою очередь, освободившиеся электроны, присоединяясь к нейтральным молекулам и атомам, превращают их в отрицательные ионы. Отрыв электрона от атома (ионизация атома) требует определенной энергии — энергии ионизации ¡V, . Величина определяется через разность потенциалов (ионизационный потенциал), пройдя которую электрон приобретает данную энергию. Энергия, необходимая для образования однозарядного положительного иона из нейтрального атома (молекулы) называется первой энергией ионизации (или первым потенциалом ионизации), для образования двухзарядного иона из однозарядного иона — второй энергией ионизации и т.д. Выделяющаяся при присоединении электрона к нейтральной частице энергия называется энергией сродства к электрону, или просто сродством к электрону [33].

Энергия ионизации зависит от строения атома и поэтому различна для разных веществ. Легче выбиваются электроны из молекул с низким потенциалом ионизации, а при образовании отрицательного иона электрон присоединяется к молекулам с высоким потенциалом ионизации. Таким образом, физико-химический состав аэроионов (атмосферных ионов)

определяется содержанием ион-активных газовых примесей в атмосфере, молекулы которых имеют низкий уровень энергии ионизации или высокий уровень энергии сродства к электрону. В таблице 1.1 приведены значения потенциалов ионизации некоторых газовых компонент атмосферного воздуха [83].

Таблица 1.1.

Потенциалы ионизации различных атмосферных газов [83]

Газ Потенциал ионизации (В) Газ Потенциал ионизации (В)

Аг 15,8 802 13,1

N2 15,6 н2о 12,6

н2 15,4 о2 12,5

со2 14,4 Ж)2 11,0

со 14,1 N0 9,5

Положительные атмосферные ионы, как правило, образуются из молекул Не, Аг, N2, Н2, СО2, 02, а отрицательные ионы — из молекул N0, N02, Оз, 02, Н20, Н28. Эти образовавшиеся в атмосферном воздухе первичные мономолекулярные ионы представляют собой ионизированные молекулы атмосферных газовых ионов.

Среди всех ионизаторов, участвующих в образовании ионов в атмосфере, можно выделить следующие группы [115]:

- космические лучи;

- электромагнитная радиация (коротковолновое ультрафиолетовое излучение, у-излучение);

- радиоактивное излучение (а- и |3-излучение);

- действие сильного электрического поля.

Рассмотрим действие указанных ионизаторов и их роль в ионизации приземного слоя.

1.1.1. КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ

Космические лучи представляют собой заряженные частицы высоких энергий, попадающие в земную атмосферу. Их интенсивность определяется генерацией высокоэнергичных частиц внутри Галактики, выбросами частиц Солнцем и поглощением за счет неупругого взаимодействия с веществом межзвездной среды [20].

Космические лучи, не искаженные взаимодействием с атмосферой Земли, называют первичными. Они подразделяются на галактические космические лучи, солнечные космические лучи и высыпания заряженных частиц, захваченных магнитным полем Земли и образующих радиационные пояса, которые простираются на расстоянии 2—8 земных радиусов от экватора. Внутренний пояс (лежит между 30° и 60° к северу и к югу от экватора) состоит в основном из протонов с энергиями от нескольких МэВ до нескольких сотен МэВ, а внешний (занимает область более низких широт) состоит из протонов и электронов с небольшим содержанием а-частиц [10].

Состав первичных галактических космических лучей представлен следующими компонентами: ядерная (состоит из протонов высоких энергий (ок.95%), ядер гелия (ок.4—5%) и более тяжелых ядер (ок.1%)); электроны (ок.1% от числа ядер); позитроны (ок. 10% от числа электронов); антиадроны-(менее 1%). Основным источником космических лучей внутри Галактики являются взрывы сверхновых звезд. Средняя длительность прохождения галактических космических лучей до достижения ими Солнечной системы составляет 2,5—33 миллионов лет [37].

Первичные солнечные космические лучи состоят из протонов (98—99%) и ядер гелия (ок. 1,5%), ускоряемых до высоких энергий в верхней части атмосферы Солнца [1].

При взаимодействии первичных космических лучей с ядрами атомов земной атмосферы возникают вторичные частицы и вторичные космические лучи, состоящие из протонов, нейтронов, мюонов, электронов, позитронов и

фотонов. При этом одна первичная частица дает большое количество вторичных частиц, в результате рождается каскад этих частиц (широкий атмосферный ливень — ШАЛ) [79].

Космические лучи действуют во всей толще атмосферы. Интенсивность ионизации атмосферы космическими лучами увеличивается с высотой до 12— 15 км, где достигает максимума, и после начинает уменьшаться из-за изменения плотности атмосферы с высотой. Это связано с тем, что окружающая Землю атмосфера содержит вещества, поглощающие почти все космические лучи (чем длиннее путь космических лучей в атмосфере, тем больше они поглощаются). Плотность ионизации космическими лучами в атмосфере меняется в зависимости от высоты над уровнем моря и геомагнитной широты, а также солнечной активнос�

Информация о работе

Кудринская, Татьяна Владимировна
кандидата физико-математических наук
Б. м., 2013
ВАК 25.00.30

Диссертация

Экспериментальные исследования процессов ионизации в атмосферном приземном слое - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы