Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Естественные и антропогенные вариации электрического поля атмосферы

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Кобец, Владимир Петрович, Братск

' . 7 А ■

/ ■ '- • -

Министерство высшего и профессионального образования

Российской Федерации

Братский индустриальный институт

КОБЕЦ Владимир Петрович

УДК 550.388 551.594

ЕСТЕСТВЕННЫЕ И АНТРОПОГЕННЫЕ ВАРИАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ АТМОСФЕРЫ

Специальность 03.00.16 - "Экология"

диссертация н/Л/ил

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители: Доктор т.н., профессор, академик О.П.Мартыненко Доктор геогр. н., профессор А.Х.Филиппов

Братск -1998

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Е - напряженность электрического поля (градиент потенциал а), Вольт/м; X - электропроводность (суммарная) воздуха (вдоль электрического поля),

Ом-'м"1; А+_- полярные проводимости;

р - плотность объемного заряда в атмосфере, К л / м"5; ] - плотность тока в атмосфере, А / м2; I - суммарный ток в атмосфере, А ; V - скорость ветра, м / с;

\У - вертикальная составляющая скорости, м / с;

о

К2 - коэффициент турбулентности, м/с; N - концентрация тяжелых ядер в воздухе; п - концентрация легких ионов;

г -линейный коэффициент корреляции (в отдельных случаях - радиус-капель);

о - среднее арифметическое отклонение разных величин; А - асимметрия различных величин.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В АТМОСФЕРЕ

1.1. Средние величины напряженности электрического поля атмосферы. Параметры статистической изменчивости

1.2. Широтные изменения параметров атмосферного электричества

1.3. Годовой ход напряженности электрического поля атмосферы

1.4. Суточный ход напряженности электрического поля атмосферы

1.5. Региональные особенности суточных вариаций электрического поля атмосферы

1.6. Статистическая структура непериодических вариаций электрического поля атмосферы

1.7. Выводы 39

2. АТМОСФЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

2.1. Корреляция электрических параметров атмосферы с метеорологическими явлениями

2.2. Электрическое поле атмосферы, облачность и атмосферные фронты

2.3. Электрические параметры атмосферы при туманах 53

2.3.1. Монодисперсный туман с преобладанием капель одного знака заряда

2.3.2. Полидисперсный туман с преобладанием капель одного заряда

2.3.3. Монодисперсный туман с дипольным распределением 61

13

19

21

25

29

33

40

40

48

59

60

64

67

74

76

заряда

2.4. Электричество метелей 62

2.5. Электрические параметры атмосферы и ее оптические характеристики

2.6. Физическая интерпретация статистических закономерностей

3. СВЯЗЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ С СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТЬЮ И ГЕОМАГНИТНЫМИ ЯВЛЕНИЯМИ

3.1. Проявление солнечной активности в электрических параметрах у земной поверхности

3.2. Электрические параметры атмосферы, поглощение космического радиошума в полярной шапке, геомагнитные возмущения и полярные сияния

3.3. Электрические параметры свободной атмосферы и геомагнитная активность

4. ИНТЕГРАЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ И ЕЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

4.1. Краткая характеристика атмосферных выбросов 100

4.2. Средние значения и суточные вариации напряженности электрического поля атмосферы в условиях промышленного

106

загрязнения

4.2.1. Средние значения напряженности поля 107

4.2.2. Изменение суточной вариации напряженности

108

электрического поля

4.2.3. Электрическое поле и направление ветра 111

4.3. Электрическое поле атмосферы в зоне промышленных выбросов

4.4. Комплексный эксперимент измерения электрического поля 118

80

86

99

и характеристик аэрозольного загрязнения атмосферы

4.4.1. Спектр размеров и концентрации аэрозолей 119

4.4.2. Корреляция напряженности электрического поля атмосферы с концентрацией аэрозолей

4.4.3. Оценка вклада аэрозолей в электрическое поле атмосферы

4.5. Влияние линий электропередач на электрическое поле атмосферы

4.6. Электрическое поле атмосферы и радиоактивное загрязнение

4.7. Электрическое поле атмосферы и биологические объекты 136 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 141 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 144

119

123

127

129

ВВЕДЕНИЕ

Электрическое поле есть неотъемлемое, органическое свойство атмосферы, проявляющееся в естественных условиях в процессах самого различного масштаба: от движения ионов и активности ядер конденсации до электризации частиц в грозах, циклонах, пыльных бурях и метелях. В верхних слоях атмосферы вариации электрических параметров оказывают существенное влияние на перенос частиц и интенсивность взаимодействия корпускулярных потоков со средой, а также, вероятно, определяют связь процессов в стратосфере и тропосфере с солнечными и геомагнитными эффектами.

Поскольку в любой системе с неодинаковыми электрохимическими потенциалами ее компонентов, с полидисперсностью или с пространственной неоднородностью свойств неизбежно возникают электрические заряды, в крупных промышленных центрах создаются специфические вариации электрического поля атмосферы, имеющие антропогенную природу.

Вместе с тем широкое практическое использование данных атмосферного электричества в качестве индикатора техногенной нагрузки тормозится недостатком информации о взаимосвязях электрических явлений с отдельными метеорологическими и геофизическими процессами, а также трудностью физической теории, объясняющей механизмы генерации электрического поля атмосферы в условиях ее промышленного загрязнения.

Важной задачей в проблеме экологического мониторинга методами атмосферного электричества является разделение локальных, мезомасштабных и глобальных вариаций электрического поля естественной и антропогенной природы.

Естественно, что решить эту задачу можно различными путями. Один путь - физический. В этом случае исследуются сами физические механизмы электризации и процессы создания и эволюции объемных зарядов в атмосфере.

Однако, простые физические закономерности в реальных условиях проявляются в очень сложной совокупности, зачастую далеко выходящей за рамки теоретических схем. Весьма сложными являются также проблема начальных и граничных условий и проблема параметризации; обе эти проблемы требуют предварительного статистического анализа. Поэтому возможен и другой путь исследования, который по своему содержанию может быть назван "Физико-статистическим анализом параметров". В этом научном направлении, составляющем методическую основу настоящей работы, изучаются следствия физических механизмов электризации, то есть те реальные эффекты в атмосфере, которые проявляются через вариации электрических параметров. Так как проявление одних и тех же физических механизмов возникновения и разделения зарядов существенно зависит от внешних условий, то второй путь основывается как на экспериментальных данных Мировой сети пунктов наблюдений, так и на региональных экспериментах в зоне конкретных производств.

Актуальность проблемы состоит в том, что отсутствуют (или совершенно недостаточны) количественные данные о взаимосвязи и взаимной обусловленности электрических, метеорологических и геофизических процессов. Слабо изучена статистическая структура естественных и антропогенных вариаций электрического поля атмосферы. В то же время именно эти сведения необходимы как для экспериментального подтверждения любой гипотезы о природе электрического поля, так и при решении широкого круга практических вопросов: электризации летательных аппаратов, возникновения объемного заряда в аэродисперсионных системах, статического электричества в технологических операциях, прямых поражений молнией и воздействия наведенных потенциалов при грозах, медико-биологического воздействия аэроионов а заряженных аэрозолей.

Цель работы состоит в количественном описании пространственно-временной структуры вариаций электрического поля атмосферы в условиях ее промышленного загрязнения при воздействии метеорологических и гелио-геофизических факторов для использования в климато-экологическом мониторинге.

Задачи исследования:

1 .Систематизировать имеющиеся данные Мировой сети пунктов атмосферного электричества.

2.Изучить статистическую структуру естественных пространственно-временных вариаций электрических параметров атмосферы.

3. Исследовать количественными методами связь электрических параметров с метеорологическими величинами и процессами.

4.Исследовать связь электрического поля у земной поверхности с солнечной активностью, геомагнитными эффектами и явлениями в ионосфере и магнитосфере.

5.На примере крупного континентального района - Восточной Сибири -изучить условия промышленного загрязнения воздуха, организовать и провести измерения электрических полей и исследовать электрическое поле атмосферы в зоне производств энергетики, металлургической и деревообрабатывающей промышленности.

6.Наметить пути практического использования выявленных закономерностей и данных об электрических полях в климато-экологическом мониторинге.

Методика исследования.

Основным методом настоящего исследования является физико-статистический анализ результатов измерения напряженности электрического поля атмосферы, электропроводности воздуха и других метеорологических и геофизических параметров. При обработке материалов использовались современные методы математической статистики: дисперсионный анализ, корреляционный, автокорреляционный и спектральный анализы. Широко используется также метод физико-математической интерпретации наблюдаемых закономерностей.

В качестве исходного экспериментального материала использованы все данные Мировой сети пунктов атмосферного электричества, а также результаты экспедиционных исследований автора, проводившихся в течение последних 17 лет в различных пунктах Восточной Сибири.

Достоверность полученных результатов определяется большим объемом статистической выборки ( данные Мировой сети за 5-25 лет ежечасных наблюдений), использованием в экспериментах автора общепринятой методики и градуируемых приборов, непротиворечивостью выявленных закономерностей основным законам физики и уравнениям электродинамики.

Научная новизна работы. Выполненное исследование дало возможность получить следующие новые результаты по важнейшим вопросам атмосферного электричества:

1.В широком диапазоне изменений напряженности электрического поля атмосферы использованы статистические методы анализа.

2.Методами математической статистики исследованы количественно (частично известные ранее качественно) взаимосвязи электрических параметров атмосферы с ее метеорологическими характеристиками.

3.Впервые в достаточно полном объеме исследованы связи электрического поля атмосферы с солнечными и геомагнитными эффектами и показана реальность этих связей.

4.Выполнен ряд экспериментов по измерению электрического поля атмосферы вблизи крупных промышленных объектов Восточной Сибири и исследованы связи напряженности поля с характером и количеством загрязняющих веществ.

Практическая реализация результатов определяется использованием количественных данных об электрических полях вблизи промышленных объектов в качестве возможного индикатора антропогенной нагрузки на окружающую среду. Кроме того, сведения об электрическом поле могут использоваться в метеорологии при изучении облаков, загрязненности воздуха, турбулентного перемешивания, в медицине, в геофизике и в целом - ютимато-экологическом мониторинге.

По теме диссертации выполнялись договорные работы в соответствии с планами важнейших научно-исследовательских работ по Комплексной программе Минвуза РСФСР "Человек и окружающая среда", Всероссийской программе "Глобальная электрическая цепь", Республиканской программе "Экология и охрана природы в Российской Федерации", Государственной научно-технической программе "Сибирь", программе "Территориальная комплексная схема окружающей среды в Иркутской области на период до 2005 года", программе "Территориальная комплексная схема окружающей Среды в г. Братске Иркутской области на период до 2005 года".

Результаты диссертационной работы использованы при проведении 15 хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ, связанных с геофизическими и экологическими исследованиями.

Новизна и актуальность работы отмечены Дипломом за лучший научный доклад на Всероссийской научно-технической конференции "Экология и геофизика" (Дубна, 1995 г.).

На защиту выносятся следующие положения:

¡.Статистическое описание структуры естественных пространственно-временных вариаций электрических параметров атмосферы, имеющих как локальную, так и глобальную природу.

2.Метеорологические эффекты в электрическом поле значительны по своему вкладу и могут быть учтены в диагностической физической модели или отфильтрованы процедурами статистического анализа.

3.Результаты исследования связи электрического поля атмосферы с солнечной активностью и геомагнитными эффектами.

4.Результаты исследований антропогенного воздействия на электрическое поле атмосферы и их математическое описание.

5.Возможность использования электрических параметров атмосферы в климато-экологическом мониторинге.

Публикации.

По теме диссертации автором опубликовано 36 статей и тезисов докладов. Основные результаты работы докладывались на IV Всесоюзном симпозиуме по атмосферному электричеству (Нальчик, 1990 г.), на Международной конференции по природным ресурсам Монголии (Иркутск, 1985 г.), на Международном форуме "Север и дети" (Братск, 1995 г.), на Международной научной конференции по лесным пожарам (Томск, 1995 г.), на I, II Сибирском Совещании по климато-экологическому мониторингу (Томск, 1995, 1997 г.г.), на Всесоюзной Конференции по охране окружающей среды (Москва, 1986 г.),

на Всероссийской научно-технической конференции "Экология и геофизика" (Дубна, 1995 г.), на Международном симпозиуме "Мониторинг окружающей среды и проблемы солнечно-земной физики" (Томск, 1996 г.), на Международной конференции "Математическое и физическое моделирование лесных пожаров и их экологических последствий" (Томск - Иркутск, 1997 г.), на Международной конференции "Человек. Среда. Вселенная" (Иркутск, 1997 г.), на Межрегиональной конференции "Проблемы экспериментальной зоны чрезвычайной экологической ситуации, пути и способы их решения" (Братск, 1996 г.), на Научно-практической конференции "Основные направления оздоровления г. Братска на XII пятилетку" (Братск, 1986 г.), на Конференции молодых ученых Сибири и Дальнего Востока (Новосибирск, 1988 г.) и на ежегодных научно-практических конференциях Братского индустриального института.

Работы в соавторстве заключают основной вклад автора. Экспедиционные работы (организация, создание аппаратуры, производство экспериментов, обработка материалов) выполнены автором самостоятельно.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 4 глав текста и заключения, содержит 155 страниц основного текста, 18 рисунков и 27 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 122 наименования рабсп отечественных и зарубежных авторов.

1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ В АТМОСФЕРЕ

Важнейшие закономерности изменения характеристик атмосферного электричества описаны весьма подробно в монографии П.Н. Тверского [79], X. Израэля [97, 98], А. Чалмерса [85], И.М. Имянитова и его сотрудников [15-22], Н.В. Красногорской [61] и в многочисленных статьях [1, 7, 8, 9, 12, 14, 75, 80, 82, 102, 103, 106, 111]. Однако, подавляющее большинство этих исследований выполнено или по результатам эпизодических измерений или по длительным измерениям в отдельных пунктах. Более того, в исследованиях по атмосферному электричеству почти не использовались методы статистической обработки. С публикацией материалов мировой сети пунктов атмосферного электричества [68, 69] представляется возможным изучить основные закономерности электрического поля на однородном материале наблюдений. В настоящей главе мы рассмотрим структуру пространственно-временных изменений электрических параметров атмосферы, используя главным образом результаты собственного статистического анализа материалов наблюдений режимной цепи, материалы экспедиционных измерений автора, а также данные "Кадастра электрических параметров атмосферы", разрабатываемого кафедрой метеорологии Иркутского университета.

1.1. Средние величины напряженности электрического поля атмосферы.

Параметры статистической изменчивости

Наиболее полную информацию об электрическом поле атмосферы дает таблица 1.1, составленная нами по всем доступным современным материалам. Эта же таблица содержит координаты пунктов и период измерений.

Среднегодовая величина напряженности электрического поля у поверхности Земли, как показывает вся история измерений, колеблется от десятков (60-

Таблица 1.1

Средние многолетние значения напряженности электрического поля атмосферы для некоторых пунктов

Пункт Ши