Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Электродинамические процессы в конвективном атмосферном пограничном слое

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Электродинамические процессы в конвективном атмосферном пограничном слое"

На правах рукописи <^к^

Галиченко Сергей Вадимович

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КОНВЕКТИВНОМ АТМОСФЕРНОМ ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ

Специальность 25.00.10 — Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 АПР 2015

Борок 2015

005566746

Работа выполнена в Геофизической обсерватории «Борок» - филиале Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук.

Научный руководитель: Анисимов Сергей Васильевич, доктор физико-

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН)

Защита состоится « 23 » апреля 2015 г. в « 14 » часов на заседании Диссертационного совета Д 002.001.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук (ИФЗ РАН) по адресу: 123995, ГСП-5, Москва Д-242, Б.Грузинская ул., 10, стр. 1., конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФЗ РАН и на сайте www.ifz.ru. Автореферат размещен на официальном сайте Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации http://vak.ed.gov.ru/ и на сайте института www.ifz.ru.

математических наук, директор Геофизической обсерватории «Борок» - филиала ФГБУН Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН (ГО «Борок» ИФЗ РАН)

Официальные оппоненты:

Ерохин Николай Сергеевич, доктор физико-математических наук, зав. отделом ФГБУН Института космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН)

Морозов Владимир Николаевич, доктор физико-математических наук, зав. отделом ФГБУ Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова (ГГО)

Автореферат разослан »

Ученый секретарь Диссертационного совета, доктор физико-математических наук

2015 г.

О.Г. Онищенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Электродинамические процессы в атмосферном пограничном слое (АПС) занимают особое положение в исследованиях физики взаимодействия литосферы и атмосферы, одновременно представляя собой важное звено в моделях глобальной электрической цепи. Возросший в последние годы интерес к АПС и его внутренней динамике связан, прежде всего, с существенным влиянием процессов внутри АПС на формирование региональной погоды и распространение примесей, в том числе радиоактивных эманаций Земли. Совершенствование существующих прогностических моделей глобальной циркуляции и климата, широко использующих параметризацию подсеточных масштабов турбулентности и методы турбулентного замыкания [1,2], предполагает перспективное использование дополнительных средств диагностики текущего состояния среды, включающих электрические измерения. Внутри АПС сосредоточена сеть натурных наземных атмосферных электрических наблюдений. При этом задачи выбора оптимального множества измеряемых величин и интерпретации полученных данных остаются актуальными [3-5].

Электрическая структура АПС определяется многообразием физических процессов в широком диапазоне пространственно-временных масштабов от ионизации молекул и межчастичных взаимодействий в многокомпонентной слабоионизированной среде до формирования ионосферного потенциала грозовыми генераторами и квазистатическими токами электрифицированных облаков [6,7]. Невозмущенный грозовой активностью и электрифицированными облаками АПС, рассматриваемый в качестве нагрузочной области глобальной электрической цепи, вносит существенный вклад в электрическое сопротивление столба атмосферы. Электрические поля, создаваемые в АПС объемными зарядами, образующимися вследствие неоднородностей электрической проводимости и влияния проводящей земной поверхности, имеют тот же порядок величины, что и электрическое поле внешних по отношению к АПС источников. Вовлечение объемных электрических зарядов в перенос атмосферными турбулентными течениями является основным механизмом генерации короткопериодных вариаций аэроэлектрического поля и определяет динамические характеристики флуктуаций электродинамических величин, анализ которых, в принципе, позволяет делать заключения о турбулентном режиме АПС [8-10]. В процессе конвективной циркуляции объемных

электрических зарядов происходит генерация электрического тока, величина и вертикальное распределение которого представляют значительный интерес для количественной оценки глобального вклада конвективного генератора областей хорошей погоды в ионосферный потенциал [11, 12].

Электрическое состояние АПС может служить дополнительным эффективным индикатором как турбулентной активности и режима обмена с поверхностью, так и наличия аэрозольного или радиоактивного загрязнения. Одновременно с расширением сети наземных электрических наблюдений и неизбежным увеличением объема данных крайне важно развивать численные модели электродинамики нижней атмосферы, обладающие высоким разрешением и прогностическим потенциалом.

Цель работы состоит в теоретическом и численном исследовании электродинамических процессов в нестационарном конвективном атмосферном пограничном слое, количественном определении вертикальных электрических профилей в различных условиях новообразования и аэрозольного наполнения, модельной оценке конвективного переноса аэроэлектрических неоднородностей.

Основные научные задачи работы:

1. Разработка электродинамической модели горизонтально однородного конвективного АПС, учитывающей энергетические и термодинамические характеристики АПС, ионизационный вклад радиоактивных эманаций, процессы перезарядки аэрозольных частиц и мультидисперсность аэрозоля.

2. Исследование эволюции скорости ионообразования при развитии конвекции в АПС.

3. Получение оценок влияния электрически активных слоев на вариабельность электрических характеристик АПС.

4. Исследование динамики конвективного электрического тока, ЭДС конвекции и потенциала верхней границы АПС.

5. Анализ турбулентной и электрической активности АПС, оценка возмущения электрического поля вследствие переноса неоднородностей объемного заряда.

Научная новизна работы:

1. Разработана стохастическая модель электродинамических процессов в конвективном АПС, принципиально отличающаяся от применявшихся ранее электродинамических моделей.

2. Получены выражения для эффективных коэффициентов присоединения легких атмосферных ионов к аэрозольным частицам, учитывающие мультидисперсность атмосферного аэрозоля.

3. Рассчитаны высотные профили электродинамических величин в нестационарном конвективном АПС с высоким пространственно-временным разрешением.

4. Выполнены количественные оценки вертикального конвективного электрического тока, вклада электрического сопротивления конвективного АПС в электрическое сопротивление столба атмосферы, потенциала верхней границы АПС и ЭДС конвекции, вклада неоднородностей объемного электрического заряда в возмущения приземного электрического поля.

5. Приведены экспериментальные доказательства взаимосвязи турбулентной и электрической активности АПС.

Практическая значимость результатов работы заключается в исследовании механизмов электрической активности атмосферного пограничного слоя и их связи с конвективной турбулентностью. Полученные результаты могут быть использованы для совершенствования моделей глобальной электрической цепи и молниевой активности; для разработки методов диагностики состояния АПС по результатам оперативных аэроэлектрических наблюдений; для прогнозирования распространения радионуклидов в атмосфере при техногенных катастрофах. Предлагаемые методы могут применяться для решения электродинамических задач в слабопроводящих турбулентных средах.

На защиту выносятся следующие результаты и положения:

1. Модель электродинамических процессов в слабопроводящей турбулентной среде на основе стохастического подхода к переносу взаимодействующих субстанций.

2. Результаты численного моделирования ионизационного и электрического состояния конвективного атмосферного пограничного слоя, учитывающего мультидисперсность атмосферного аэрозоля, вертикальную неоднородность и нестационарность скорости ионообразования.

3. Аналитические и численные оценки конвективного электрического тока, ЭДС конвекции, связи электрической активности АПС с параметрами турбулентности и локализацией источника аэрозоля.

Научная достоверность и обоснованность результатов диссертации достигается корректностью постановок задач, аналитическими оценками и численными расчетами, а также сравнением результатов численных расчетов с данными натурных наблюдений. Обоснованность применения используемой стохастической модели показана в предшествующих диссертации работах.

Апробация работы

Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на Международной конференции МСС-09 «Трансформация волн, когерентные структуры и турбулентность» (Москва, 2009), XIV Международной конференции по атмосферному электричеству (Рио-де-Жанейро, 2011), XV Международной конференции по атмосферному электричеству (Норман, Оклахома, 2014), VII Российской конференции по атмосферному электричеству (Санкт-Петербург, 2012), Всероссийской конференции «Глобальная электрическая цепь» (Борок, 2013), Междисциплинарном научном форуме «Неделя науки в Москве» (Москва, 2014), Всероссийских конференциях молодых ученых (САТЭП-2010, САТЭП-2013, Нижний Новгород; МАПАТЭ-2012, Звенигород; САТЭП-2011, САТЭП-2014, Борок), конференциях молодых ученых и аспирантов ИФЗ РАН (Москва, 2012, 2013, 2014), научных геофизических семинарах Геофизической обсерватории «Борок» (Борок, 2010,2011,2012, 2013,2014).

Публикации

Основные результаты по теме диссертационного исследования опубликованы в 4 статьях в реферируемых российских и международных журналах, 12 статьях в сборниках трудов российских и международных конференций, отчетах по программе фундаментальных исследований ОНЗ РАН №7, отчетах по грантам РФФИ № 12-05-00820 и № 13-05-12060.

Личный вклад автора

Основные результаты диссертации получены лично автором. Автору принадлежат алгоритмическая разработка и реализация численных моделей, анализ, оценка и сопоставление результатов вычислений. Автор принимал непосредственное участие в подготовке и проведении экспериментальных исследований в ежегодных полевых сезонных геофизических наблюдениях лаборатории Геофизического мониторинга ГО «Борок» ИФЗ РАН, в обработке и анализе данных наблюдений, их интерпретации.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 128 страниц, включая 29 рисунков и 1 таблицу. Список литературы включает 212 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены предмет исследования и задачи диссертации. Обозначены научная новизна и практическая значимость работы. Перечислены положения, выносимые на защиту. Приведены данные по апробации результатов работы и их достоверности. Дана информация о публикациях, включенных в диссертацию материалов. Описаны структура и объем диссертации.

В первой главе представлен обзор современного состояния исследований электродинамических процессов в АПС, проанализированы физические механизмы, формирующие динамический режим и электрическое состояние АПС, приведены оценки влияния АПС на глобальную электрическую цепь.

В разделе 1.1 описываются классификация типов АПС, структура и элементы динамики конвективного АПС. Рассмотрены основные аэродинамические процессы и их характерные масштабы. Показана необходимость учета крупномасштабных организованных структур при описании турбулентного транспорта в конвективном АПС.

В разделе 1.2 проанализированы источники ионизации и механизмы ионообразования в АПС. Обсуждаются причины пространственно-временной вариабельности ионизаторов. Приведены характеристики тропосферных ионов и соотношения для подвижностей легкой фракции.

В разделе 1.3 рассмотрены основные электродинамические величины, характеризующие АПС как часть глобальной электрической цепи. Приведены результаты электрических измерений, динамические характеристики и скейлинг электродинамических процессов в АПС.

Во второй главе представлена разработанная стохастическая электродинамическая модель конвективного АПС.

В разделе 2.1 приведен сравнительный анализ современных методов моделирования динамики конвективного АПС и турбулентного транспорта.

В разделе 2.2 сформулированы уравнения баланса для легких атмосферных ионов (1) и однозарядных аэрозольных частиц (2), уравнения

для атмосферных электрического поля (3) и плотности тока проводимости (4). Определены граничные условия на верхней границе АПС (5), проанализированы варианты граничных условий у земной поверхности.

дп_

~э7

дп.

+ (у • V )п_ =д-п_

а«+ + 1(Р-о(А>оа + МА>+ а)

+ ЕСМАХя + МА>-а)

А,

+ ц_У(л_Е),

8( к ' +

чо

п_

е/ т_0

УЕ = -{п+-п_+И+-Ы_). j = стE.

О)

(2)

(3)

(4)

(5)

'г=г,-(0

Здесь V — скорость движения среды, <7(1% I) — скорость ценообразования, а — коэффициент рекомбинации легких ионов, р+о, р+_, |3-о, р_+ — коэффициенты присоединения легких ионов к нейтральным и заряженным аэрозольным частицам соответственно, т+о, т_о, т_+ — средние времена присоединения легких ионов к нейтральным и заряженным аэрозольным частицам соответственно, (1+, — средние подвижности легких ионов, Е — напряженность атмосферного электрического поля, ст — удельная проводимость воздуха, ] — плотность атмосферного электрического тока проводимости внутри АПС, — плотность вертикального атмосферного электрического тока над АПС, г,- — высота верхней границы конвективного АПС, е — элементарный заряд ео — электрическая постоянная. С учетом мультидисперсности атмосферного аэрозоля счетные концентрации нейтральных и заряженных аэрозольных частиц с эффективным диаметром Д, обозначены Ыоа, А^.

В разделе 2.3 рассмотрена стохастическая модель турбулентного транспорта субстанций в конвективном АПС, основанная на представлении о статистическом ансамбле элементов среды (лагранжевых частиц), движущихся внутри АПС по траекториям, которые рассчитываются из системы стохастических дифференциальных уравнений для вертикальных скорости IVи координаты 2 [13]:

= а(2, IV,+ Ъ{7., \У, , сИ = \Vcit.

(6)

Здесь а{2,Ж,() — детерминированная часть ускорения, определяемая вязким трением, Ь(2, IV,I) — случайное ускорение, приобретаемое вследствие пульсаций градиента давления вдоль траектории, с!с, — приращение винеровского процесса (компонента гауссова белого шума с нулевым средним и среднеквадратичным отклонением Ж).

Для параметризации стохастической модели конвективного турбулентного транспорта используются нестационарные высотные профили дисперсии и третьего центрального статистического момента пульсаций вертикальной скорости ветра, средней скорости диссипации кинетической турбулентной энергии в АПС. Для детерминированной части ускорения лагранжевой частицы предложена поправка, позволяющая учесть зависимость плотности воздуха от высоты, что повышает точность определения плотности субстанций в АПС с развитой конвекцией, когда высота АПС достигает ~103 м:

А = ^ ,

Ра & Аъ£ьЛ-Ааё<1

1 + sgn(^V +1 и^ | )erf

л/2

1

л/2

Ж

\\

/у

(7)

(8)

Здесь ра — плотность воздуха, \уь, аь, ъа — средние вертикальные скорости и среднеквадратичные отклонения вертикальных скоростей восходящих и нисходящих конвективных движений соответственно, Аьёь и А&ы — плотности вероятности для вертикальных скоростей восходящих и нисходящих конвективных движений соответственно:

ёь = ехр((-(Ж - 1(2а1))1^2ш1, 8с1 = ехр((-(Г - щ? /(2ст^))/д/2жт^ ,

(9)

(10)

В разделе 2.4 проанализированы подходы к определению высоты слоя конвективного перемешивания, которая определяет верхнюю границу АПС для стохастической модели турбулентного транспорта. Предложены параметризации для градиента потенциальной температуры над областью

конвекции, для динамическои скорости, характеризующей величину напряжений Рейнольдса у земной поверхности, и для турбулентного потока тепла с земной поверхности, входящие в уравнения для определения высоты конвективного АПС. В рамках рассмотренных моделей эволюции конвективного АПС с использованием предложенных параметризаций проведено вычисление зависимости высоты АПС г, от времени I. На примерах результатов натурных наблюдений показано, что начальный этап развития конвекции характеризуется зависимостью г,{() в виде степенной функции г,{0 = г,{0) + сГ, с показателем т > 1.

В разделе 2.5 предложен алгоритм для вычисления скорости ионообразования в АПС вследствие ионизирующего воздействия радионуклидов земной коры радиоактивных эманаций радона д(222Кп), торона д(22011п) и вторичных космических лучей

д(г,0 = д(222Еп)+д(220^п) + ^ +<?,. (11)

д(222Ип)~ + + ^ ?(220Ип)- Х^п5Е5+Кп6Е6 (12)

Е1 ' щ

Здесь Е\, ..., Ев — энергии частиц, образующихся при распаде соответствующих элементов, — средняя энергия образования ионной пары в воздухе при его ионизации а-частицами, равная 35,6 эВ. Неоднородный и нестационарный ионизирующий вклад 222Ял, 220Яп определен при помощи системы уравнений радиоактивного распада соответствующих элементов и их дочерних продуктов:

8щ дп2

—^- = -Х1П1, —^ = Х1п1-Х2п2,

я я (13)

дщ дп4

= Х2п2 -Хъщ, = Х3щ -ХАщ,

от ОТ

^- = -^«5. = (14)

Здесь п\, ..., п6 — концентрации 222Ып, 218Ро, 214РЬ, 2|4В1, 220Яп, 216Ро соответственно, А.], ..., Хв — постоянные распада соответствующих элементов.

Предложена параметризация коэффициента присоединения аэроионов к нейтральным аэрозольным частицам. На основе предложенных функций распределения аэрозольных частиц по размерам в интервале 0,01-10 мкм:

ж>=-

р-д/д-о^-^/д)2 1,5-Д/5- 0,5-(д/д)2

/) < £> = 0,1 мкм, (15)

\NI5\dID), £>>Д

вычислены средние времена жизни легких ионов в зависимости от суммарной счетной концентрации аэрозольных частиц N и средние коэффициенты присоединения легких аэроионов к заряженным и нейтральным аэрозольным частицам, выраженные через средние подвижности ионов: <р±> = 2,46-1<Р±0>= 1,68-10~бц± (р± должно быть подставлено в см2/(В-с)).

В третьей главе представлены результаты численного моделирования электрического состояния конвективного АПС.

В разделе 3.1 приведены результаты расчета временной эволюции высотных профилей скорости ионообразования в конвективном АПС. В результате моделирования установлено, что именно вертикальный транспорт радиоактивных эманаций преимущественно определяет эволюцию высотного профиля скорости ионообразования внутри АПС над сушей. В процессе развития конвекции максимальные изменения скорости ионообразования происходят в нижней части АПС (Рис.1).

Скорость понооорл ншанни. м V

15 16 Время (!.Т), ч

Высот», м 1400

1200

1000

800

600

Рис. 1. Эволюция скорости ионообразования в конвективном АПС. Расчет выполнен согласно стохастической модели.

При этом скорость ионообразования в нижней части АПС уменьшается, а верхней части увеличивается. Определена высота слоя, в котором следует учитывать ионизирующее действие изотопа 220Кп. В условиях развитой конвекции высота составляет несколько первых десятков метров.

В разделе 3.2 показаны результаты расчета вариаций приземного электрического поля (Рис. 2), высотных профилей напряженности атмосферного электрического поля и плотности вертикального электрического тока проводимости (Рис. 3).

Проанализированы механизмы возникновения электрически активных слоев и конвективного электрического тока. Установлено, что средние значения и дисперсия плотностей вертикальных электрических токов проводимости и механического переноса заряда сопоставимы по величине, при этом плотность вертикального тока проводимости внутри конвективного АПС может быть больше, чем в свободной атмосфере.

Ez, В/м

Время (LT), ч

| | | | | | | 1 | | I и | I I I | I I I | I I I | ЮО -8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00

I | м | | | | 1 | I I I

8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00

Рис. 2. Вариации напряженности приземного аэроэлектрического поля:

a) — регистрограмма (сплошная) и расчетная кривая по результатам

наблюдений обсерватории «Борок» 28.07.2012 (пунктир),

b) — регистрограмма (сплошная) и расчетная кривая по результатам

наблюдений обсерватории «Борок» 29.07.2012 (пунктир).

В разделе 3.3 рассмотрены результаты расчета временной зависимости разности потенциалов Vex между верхней границей нестационарного конвективного АПС и земной поверхностью (Рис. 4), а также вклада электрического сопротивления АПС в сопротивление столба всей атмосферы в зависимости от средней по высоте АПС скорости ионообразования для

различных значений средней счетной концентрации аэрозольных частиц с эффективным диаметром из интервала 0.01-10 мкм (Рис. 5).

п

160 180 200 220 Напряженность поля, В/м

Время (LT) - 8:00

О 9.00 □ 10:00 Л 11:00 X 12:00 V 13:00

I 1 I 1 I 1 I 1 I ' I ' I 1 I 23458789 Плотность тока проводимости, пА'м2

Рис. 3. Вертикальные профили напряженности аэроэлектрического поля и плотности вертикального электрического тока проводимости (5-минутное усреднение), рассчитанные по результатам наблюдений обсерватории «Борок» 29.07.2012.

V„,KB

Время (LT)

Рис. 4. Временная зависимость разности потенциалов Vex между верхней границей конвективного АПС и земной поверхностью. Расчет выполнен по результатам наблюдений обсерватории «Борок» 30.07.2012.

ЧдпА 1 п

0.8-

0.6-

Счетная концентрация

аэрозольных частиц

— МО» кг»

- 4 • ЧСм4

_ . - • 8-10»|Н

— ■ - 1.6-10" м-»

— ' • 3.2- Ю'9»^

-1-1-1-1-г

2 4 6 8 10 12

Скорость ионообразования, см-'с-1

Рис. 5. Вклад электрического сопротивления столба АПС (Капс) в электрическое сопротивление полного столба атмосферы (Лия) в зависимости от средней скорости ионообразования и средней концентрации аэрозольных частиц с размерами 0,01—10 мкм.

Показано, что развитие конвекции влечет рост электрического потенциала верхней границы АПС по отношению к поверхности земли, а его характерная величина составляет заметную долю от ионосферного потенциала. Эффект увеличения разности потенциалов Уех при развитии конвекции связан как с увеличением высоты конвективного АПС так и с увеличением высоты «центра тяжести» положительного объемного заряда вследствие падения в нижней части АПС удельной проводимости, аккумуляции положительного заряда и его вертикального конвективного транспорта.

В разделе 3.4 получены выражения для плотности конвективного электрического тока и электродвижущей силы (ЭДС) конвективного генератора через величины, определяемые стохастической электродинамической моделью АПС: высоту конвективного АПС, нестационарные высотные профили напряженности электрического поля и плотности тока проводимости. Выполнена оценка величины конвективной ЭДС.

В четвертой главе исследована связь электродинамических величин конвективного АПС с параметрами турбулентности и динамикой аэрозолей.

В разделе 4.1 исследован пространственно-временной отклик электрического поля на механический перенос в АПС неоднородностей

объемного заряда. Турбулентный транспорт объемного электрического заряда моделируется в рамках системы стохастических дифференциальных уравнений для трех пространственных измерений [14]:

где X, V — координата и скорость лагранжевой частицы, аи, ап а„ — компоненты детерминированной части ускорения, Со — постоянная Колмогорова, 8 — средняя скорость диссипации кинетической турбулентной энергии, (К, — инкремент винеровского процесса. Сравнением результатов численного моделирования и натурных наблюдений вариаций напряженности электрического поля в разнесенных точках у земной поверхности показано, что короткопериодная часть спектра флуктуаций атмосферного электрического поля формируется турбулентной динамикой объемного электрического заряда.

В разделе 4.2 на основе результатов натурных наблюдений и модельных расчетов анализируется связь турбулентной и электрической активности АПС. Масштаб времени аэроэлектрической турбулентности Те определен как интеграл по времени от нормированной автокорреляционной функции напряженности поля:

Величина Те, рассчитанная по результатам натурных наблюдений в конвективном АПС, оказывается порядка времени релаксации электрического заряда tr = е/ст и временного масштаба конвективных процессов t* = z,/w», где конвективный масштаб скорости м>* определяется через ускорение свободного падения g, потенциальную температуру 0 и турбулентный поток тепла у земной поверхности Hs:

Приведены доказательства положительной корреляционной связи между интенсивностью турбулентности и электрической активностью АПС, полученные в результате математической обработки и анализа результатов натурных наблюдений.

dX = Vdt, dV = [du,dv,dw),

(16)

(17)

(18)

В разделе 4.3 исследовано влияние источника аэрозольных частиц на вертикальное распределение электрических величин АПС. Рассмотрены случаи расположения источника вблизи нижней границы и вблизи верхней границы АПС. Выполнена оценка средней плотности тока аккумуляции заряда, которая составляет около 10~14— 10~13 А/м2 для конвективного АПС над сушей.

В Заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе:

1. Разработана и программно реализована электродинамическая стохастическая модель эволюционирующего горизонтально-однородного конвективного АПС, обладающая высоким пространственно-временным разрешением.

2. Рассчитаны вертикальные профили скорости ионообразования, напряженности атмосферного электрического поля, плотности объемного заряда, плотностей вертикальных электрических токов проводимости и механического переноса, временная зависимость потенциала верхней границы АПС.

3. Установлено, что в конвективном АПС средние значения и дисперсия плотностей вертикальных электрических токов проводимости и механического переноса заряда сопоставимы по величине, а типичная плотность тока аккумуляции заряда составляет около 10~14 — 10~13 А/м2.

4. Показано, что короткопериодная часть спектра флуктуаций атмосферного электрического поля формируется турбулентной динамикой объемного электрического заряда, перенос крупномасштабных неоднородностей объемного электрического заряда АПС вызывает возмущения аэроэлектрического поля с характерным временем порядка времени декорреляции компонент скорости ветра и времени релаксации электрического заряда.

5. Установлено, что скорость и направление распространения возмущений аэроэлектрического поля в приземном слое атмосферы определяются механизмами вовлечения объемных зарядов в турбулентный перенос.

6. Приведены экспериментальные доказательства положительной корреляционной связи между интенсивностью турбулентности и электрической активностью АПС. Электрическая активность дневного АПС увеличивается с развитием конвективной неустойчивости. В конвективных условиях расширяется диапазон вариабельности электрического поля, что

проявляется в когерентных возмущениях поля и формировании аэроэлектрических структур.

7. Исследовано влияние аэрозольных частиц на электрическую стратификацию конвективного АПС для источника вблизи нижней и верхней границы АПС.

Список цитированной литературы

1. Rycroft M.J., Israelsson S., Price С. The global atmospheric electric circuit, solar activity and climate change // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2000. V. 62. P. 1563-1576.

2. Дымников В.П., Лыкосов B.H., Володин E.M. Моделирование климата и его изменений // Вестник РАН. 2012. Т. 82. № 3. С. 227-236.

3. Bennet A. Measurement of atmospheric electricity during different meteorological conditions // Ph. D. Thes. University of Reading. - 2007.258 pp.

4. Дмитриев Э.М. Численное моделирование электродного эффекта по данным аэроэлектрических и метеорологических наблюдений // в сб. «Геофизика межгеосферных взаимодействий». М.:ГЕОС. 2008, С.354-361.

5. Анисимов С.В., Афиногенов К.В., Шихова Н.М. Динамика электричества невозмущенной атмосферы средних широт: от наблюдений к скейлингу // Радиофизика. 2013. Т. 56. № 11-12. С.787-802.

6. Hoppel W.A., Anderson R.V., Willet J.C. Atmospheric electricity in the planetary boundary layer // The Earth's electrical environment. Krider, E.P. and Roble, R.G., Eds. - Washington: Natl. Acad. Press. 1986. P. 149-165.

7. Williams E., Mareev E. Recent progress on the global electrical circuit // Atm. Res. 2014. V. 135-136. P. 208-227.

8. Анисимов C.B., Шихова H.M., Мареев E.A, Шаталина M.B. Структуры и спектры турбулентных пульсаций аэроэлектрического поля // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2003. Т. 39. №6. С. 765-780.

9. Анисимов, С.В., Шихова Н.М. Перенос электричества в атмосферном слое обмена// Геофизические исследования.2010. Т. 11. № 1. С. 55-62.

10. Anisimov S.V., Shikhova N.M. Intermittency of turbulent aeroelectric field // Atmospheric Research. 2014. V. 135-136. P. 255-262. http://dx.doi.Org/10.1016/j.atmosres.2012.12.018

11. Morozov V.N. The influence of convective current generator on the global current // Nonlin. Proc. Geophys. 2006. V. 13. P. 243-246.

12. Мареева О.В., Мареев Е.А., Калинин А.В., Жидков А.А. О роли конвективного генератора в глобальной электрической цепи // Солнечно-земная физика. 2012. Вып. 21. С. 115-118.

13. Thomson D.J. Criteria for the selection of stochastic models of particle trajectories in turbulent flows // J. Fluid Mech. 1987. V. 180. P. 529-556.

14. Kurbanmuradov O., Sabelfeld K. Lagrangian stochastic models for turbulent dispersion in the atmospheric boundary layer // Boundary-Layer Meteorol. 2000. V.97. P. 191-218.

Список публикаций автора по теме диссертации

Статьи в изданиях, входящих в список ВАК

1. Анисимов С.В., Галиченко С.В., Шихова Н.М. Формирование электрически активных слоев атмосферы с температурной инверсией // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2012. Т. 48. № 4. С. 442-452.

2. Анисимов С.В., Галиченко С.В., Шихова Н.М., Афиногенов К.В. Электричество конвективного атмосферного пограничного слоя: натурные наблюдения и численное моделирование // Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2014.Т. 50. № 4.С. 1-9.

3. Anisimov S.V., Galichenko S.V., Shikhova N.M. Space charge and aeroelectric flows in the exchange layer: An experimental and numerical study // Atm. Res. 2014. V.135-136. P. 244-254.

4. Anisimov S.V., Mareev E.A., Shikhova N.M., Shatalina M.V., Galichenko

5.V., and Zilitinkevich S.S. Aeroelectric structures and turbulence in the atmospheric boundary layer // Nonlin. Processes Geophys. 2013. V. 20. P. 819— 824.

Другие публикации

1. Анисимов C.B., Галиченко С.В., Гурьев А.В., Шихова Н.М. Численное моделирование электрически активных слоев приземной атмосферы. // Международная конференция МСС-09 «Трансформация волн, когерентные структуры и турбулентность», Москва, 23-25 ноября 2009 г. Сборник трудов. — М.: ЛЕНАНД, 2009, С. 358-363.

2. Анисимов С.В., Галиченко С.В., Шихова Н.М.. Расчёт плотности объёмного электрического заряда приземной атмосферы по разнесённым наблюдениям аэроэлектрического поля // Сборник трудов XIV Всероссийской школы-конференции молодых учёных «Состав атмосферы. Атмосферное электричество. Климатические эффекты», Н.Новгород, 18-21 мая 2010, С. 115-118.

3. Анисимов С.В., Галиченко С.В., Дмитриев Э.М., Шихова Н.М., Афиногенов К.В. Электрическое поле приземной атмосферы // Динамика физических полей Земли / Ред. М.И. Эпов, В.В. Адушкин, Г.А. Соболев. М.: Светоч Плюс, 2011. С. 268-296.

4. Anisimov S.V., Galichenko S.V., Guriev A.V., Shikhova N.M. Numerical modelling of electric active layers of a lower atmosphere // Proceedings of XIV International Conference on Atmospheric Electricity, August 07-12, Rio de Janeiro, Brazil, 2011, 4p (electronic publishing, flash ROM).

5. Анисимов C.B., Галиченко C.B., Шихова H.M, Афиногенов К.В. Электрическое состояние конвективного планетарного пограничного слоя: численное моделирование // Сборник трудов VII Всероссийской конференции по атмосферному электричеству. С-Пб, 2012 , С. 26-28.

6. Анисимов С.В., Афиногенов К.В., Галиченко С.В. Вариации электрической проводимости приземного слоя атмосферы // Сборник трудов VII Всероссийской конференции по атмосферному электричеству. С-Пб, 2012, С. 22-23.

7. Ильин Н.В., Евтушенко А.А., Кутерин Ф.А., Мареев Е.А., Шаталина М.В., Анисимов С.В., Шихова Н.М., Галиченко С.В. Конвективный перенос электрического заряда в пограничном слое атмосферы и его диагностика // Сборник трудов VII Всероссийской конференции по атмосферному электричеству. С-Пб, 2012 , С. 90-92.

8. Anisimov S., Aphinogenov К., Galichenko S. Dynamics of the atmospheric surface layer electricity // XV International Conference on Atmospheric Electricity. Norman, Oklahoma, USA, 15-20 June, 2014.

http://www.nssl.noaa.gov/users/mansell/icae2014/preprints/Anisimov_16.pdf.

Галиченко Сергей Вадимович

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КОНВЕКТИВНОМ АТМОСФЕРНОМ ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ

Автореферат

Подписано в печать 02.03.15. Формат 60x90 1/16. Усл. печ. л. 1. Тираж 110 экз. Заказ № 1532.

Отпечатано в типографии ООО "Филигрань", 150049, г. Ярославль, ул. Свободы, 91, тел. (4852) 982705, pechataet@bk.ru