Нано- и микромасштабные частицы в волновых явлениях в системе тропосфера-стратосфера-ионосфера

Беседина, Юлия Николаевна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Нано- и микромасштабные частицы в волновых явлениях в системе тропосфера-стратосфера-ионосфера
ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Нано- и микромасштабные частицы в волновых явлениях в системе тропосфера-стратосфера-ионосфера"

00348180 1

На правах рукописи УДК 551.51

Беседина Юлия Николаевна

НАНО- И МИКРОМАСШТАБНЫЕ ЧАСТИЦЫ В ВОЛНОВЫХ ЯВЛЕНИЯХ В СИСТЕМЕ ТРОПОСФЕРА-СТРАТОСФЕРА-ИОНОСФЕРА

Специальность 25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2009

003481801

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте динамики геосфер РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Попель Сергей Игоревич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Горчаков Геннадий Ильич

кандидат физико-математических наук Лосева Татьяна Васильевна

Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования Казанский государственный энергетический институт

Защита состоится « » ноября 2009 г. в * I часов О 0 минут на заседании диссертационного совета Д002.050.01 при Институте динамики геосфер РАН по адресу: 119334, Москва, Ленинский проспект, д. 38, корп. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института динамики геосфер РАН.

Автореферат разослан «

д октября 2009 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д002.050.01 кандидат физико-математических наук

Рыбаков В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время проводятся многочисленные исследования, посвященные нано- и микромасштабным частицам в атмосфере. Источники и стоки частиц, их свойства, географическое и высотное распределение важны с точки зрения влияния на экологическую и климатическую обстановку, на электромагнитные процессы, протекающие в атмосфере, на её оптические свойства, а также на здоровье человека. Многочисленные работы посвящены изучению естественных и антропогенных источников нано- и микромасштабных частиц в атмосфере, механизмам подъема пылевых частиц от земной поверхности на высоты околоземного слоя (до 1,5 км), а также их глобальному транспорту.

Существенной проблемой геофизики является описание механизмов переноса нано- и микромасштабных пылевых частиц в системе тропосфера-стратосфера-ионосфера. В результате естественных процессов и деятельности человека основной объем поступающих в атмосферу пылевых частиц приходится на околоземный слой. Дальнейшая эволюция пылевых частиц зависит от множества факторов, таких как размер и форма частиц, их плотность, химический состав, а также метеорологические характеристики атмосферы в области локализации нано- и микромасштабных частиц. Вместе с воздушными массами частицы могут переноситься на расстояния, сравнимые с диаметром Земли, в результате конвективных процессов в тропосфере пылевые частицы из приземного слоя могут распределяться до высот 10-16 км. Перенос вещества и, в частности, пыли на стратосферные высоты иногда связывают с мощной конвекцией в тропических широтах. При этом следует иметь в виду, что в случае типичного для земной атмосферы протекания процесса конвекции перенос вещества за счет этого процесса на стратосферные высоты затруднен из-за малого градиента температуры в области тропопаузы. Вследствие положительного градиента температуры в стратосфере конвективные движения в обычных условиях отсутствуют, и перемещение воздушных масс происходит преимущественно горизонтально согласно картине глобальной циркуляции.

Имеется ряд фактов, свидетельствующих о возможности переноса нано- и микромасштабных частиц из тропосферы в стратосферу и ионосферу. Прежде всего, первые наблюдения серебристых облаков в 1885 г., представляющих собой пылевые структуры в нижней ионосфере на высотах 82-85 км, часто связывают с возникновением большого количества пыли в атмосфере Земли в результате чрезвычайно мощного извержения вулкана Кракатау в 1883 г. Считается, что в результате пожаров, вызванных региональным конфликтом с применением ядерного оружия (50 ядерных зарядов по 15 килотопп каждый), частицы сажи могут подниматься до стратосферных высот, приближаясь к верхней части стратосферы. Наличие выбросов дыма в стратосферу от лесных пожаров подтверждается данными наблюдений [С1].

В ряде климатических моделей, используемых для описания подъема пыли на стратосферные высоты в результате мощной конвекции, зачастую используется приближение, в котором горизонтальное разрешение в расчетах оказывается относительно грубым [С2]. При этом атмосферная конвекция происходит в пространственных масштабах, меньших, чем позволяет указанное приближение, и данное приближение может оказаться неадекватным для описания подъема пыли в стратосферу. Далее, в модели [С2], описывающей подъем частиц сажи, образовавшейся в результате пожаров, вызванных региональным конфликтом с применением ядерного оружия, существенным фактором, влияющим на интенсивное вертикальное перемещение частиц на большие высоты, является их нагрев коротковолновым электромагнитным излучением. Отметим, что и вулканический пепел (частицы материала

земной коры, называемые также «тефра»), и более мелкие сульфатные аэрозоли имеют намного больший индивидуальный параметр рассеивания (альбедо), чем дым от ядерных пожаров. Таким образом, они поглощают намного меньше радиации и, следовательно, проявляют слабую способность к подъему вверх.

Приведенные выше факты указывают на важность поиска других механизмов подъема пыли, которые могли бы объяснить ее появление в стратосфере и в случае не столь сильных воздействий на атмосферу, каковыми являются ядерные взрывы и мощные извержения вулканов. При этом должен учитываться тот факт, что конвективный перенос вещества может приводить к концентрации пыли в верхней тропосфере.

Наличие нано- и микромасштабных частиц на высотах более 50 км вносят существенные изменения в динамику ионосферной плазмы. В результате взаимодействия с окружающей ионосферной плазмой и солнечным излучением пылевые частицы заряжаются. Этот эффект сопровождается заметными вариациями концентраций ионов и электронов в областях локализации пылевых частиц. Все это приводит к изменению дисперсионных свойств плазмы, что влияет на распространение электромагнитных волн в атмосфере Земли. Помимо влияния на заряженную компоненту ионосферы пылевые частицы могут влиять и на ее химический состав, в частности, на содержание в ионосфере металлов. Твердые поверхности частиц могут играть роль катализатора в гетерогенной химии. Отметим, в частности, каталитическое образование молекул воды на поверхности наномасштабной частицы. Этот эффект может приводить к повышению концентрации воды в области локализации пылевых частиц, что в свою очередь обуславливает рост частиц, т.е. приводит к появлению отрицательной обратной связи. Таким образом, знание о процессах переноса пыли в ионосфере, влияющих на положение областей ее локализации имеет существенное значение.

В летней полярной мезосфере с конца мая по конец августа на высотах около 80-95 км образуются тонкие (порядка 1 км) пылевые слои, известные как серебристые облака и полярные мезосферные радиоотражения. Происхождение составляющих эти слои наномасштабных частиц связано с процессом конденсации водяных паров. Таким образом, согласно имеющимся представлениям (см. например [СЗ]), наномасштабные пылевые частицы природного происхождения присутствуют в нижней ионосфере на высотах 80-120 км. Частицы обычно группируются в облака. Характерная толщина пылевого облака составляет величину порядка I км, протяженность по горизонтали - порядка 10-100 км.

Наличие нано- и микромасштабных пылевых частиц на различных высотах в системе тропосфера-стратосфера-иопосфера имеет глобальное влияние. Одним из явлений, на которое могут оказывать влияние пылевые частицы, являются глобальные электромагнитные резонансы - шумановские резонансы. Электромагнитные колебания возбуждаются в концентрической сферической полости, образованной поверхностью Земли и нижней границей ионосферы. Шумановские резонансы - это стабильные, достаточно длительные, глобальные колебания, представляющие собой типичный естественный дневной фон биосферы. Возбуждаются колебания преимущественно грозовыми разрядами, которых происходит порядка сотни в секунду. Собственные частоты резонатора зависят от электромагнитных свойств его стенок, что дает возможность исследовать ионосферу на основе анализа спектра шумановских резонансов. Интерес к шумановскому резонатору возрос в 1990-х годах, после того как обнаружилась возможность использования шумановских резонансов в качестве глобального тропического термометра [С4]. Нано- микромасштабные пылевые частицы, присутствующие в тропосфере могут оказывать влияние на источники, возбуждающие колебания, а ионосферные пылевые частицы приводят к изменению дисперсионных свойств верхней стенки шумановского резонатора.

Цель работы

Целью диссертационной работы является выявление роли нано- и микромасштабных частиц в волновых процессах в системе тропосфера-стратосфера-ионосфера. Ставится целью построение классификации пылевых частиц в атмосфере; определение механизмов межгеосферного переноса нано- и микромасштабных частиц в атмосфере, в частности, вертикального переноса между тропосферой и стратосферой, а также вертикального перемешивания пылевых частиц с помощью вихревых движений на ионосферных высотах; кроме того, в качестве глобального проявления нано- и микромасштабпых частиц в атмосфере на разных высотах ставится целью определение механизмов их воздействия на шумановские резонансы.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Предложен механизм переноса нано- и микромасштабных частиц из тропосферы в нижнюю стратосферу посредством горизонтально перемещающихся вихрей синоптического масштаба, моделируемых солитонными решениями уравнения Чарни-Обухова (вихрями Россби).

2. Показано, что в реальной атмосфере, не являющейся адиабатической, возникает неустойчивость акустико-гравитационных (АГ) волн, связанная с ненулевым балансом потоков тепла за счет солнечного излучения, конденсации паров воды, инфракрасного излучения атмосферы и теплопроводности. Построены дисперсионные поверхности для АГ волн в диапазоне высот от 5 км до 130 км. Показано, что инкремент неустойчивости для структур с размерами порядка эффективной глубины атмосферы увеличивается с высотой до высоты 110 км.

3. Показано, что возбуждение АГ вихрей на высотах 110-130 км в результате развития конвективной неустойчивости АГ волн приводит к существенному переносу пылевых частиц и их перемешиванию на высотах 110-120 км. Слои пылевых частиц в ионосфере толщиной порядка километра, образующиеся на высотах, меньших 120 км, распределяются по области существования АГ вихревых структур. В результате на высотах 110-120 км могут образовываться пылевые вихри. Оказывается возможным перенос частиц на высоты до 130 км. Показано, что одним из механизмов переноса пылевых частиц в ионосфере являются вертикальные потоки (стримеры), генерируемые пылевыми вихрями в результате развития параметрической неустойчивости.

4. Показано, что имеется связь между запыленностью атмосферы и грозовыми разрядами, которые возбуждают шумановские резонансы. Показано также, что возникающее при резком увеличении концентрации нано- и микромасштабпых частиц в атмосфере (например, при извержениях вулканов) понижение средней температуры на поверхности Земли на несколько десятых долей градуса может привести к существенному уменьшению амплитуды шумановского резонанса и, соответственно, к уменьшению плотности энергии в полости резонатора. Кроме того, заряженные микромасштабные частицы в ионосферной плазме могут модифицировать дисперсионные свойства верхней границы шумановского резонатора, что приводит к уменьшению его добротности.

5. Построена классификация нано- и микромасшатбных частиц в атмосфере по их основным источникам.

Научная новизна

Впервые показано, что атмосферные вихри, перемещающиеся горизонтально со скоростью, имеющей северную компоненту, могут захватывать и переносить пылевые частицы. В результате указанного процесса наио- и микромасштабпые частицы из верхней тропосферы могут быть перенесены в нижнюю стратосферу при условии прохождения вихрем области, где тропопауза резко изменяет свою высоту.

Впервые показано, что в реальной атмосфере, не являющейся адиабатической и изотермической, возникает неустойчивость АГ волн, связанная с ненулевым балансом потоков тепла за счет солнечного излучения, конденсации паров воды, инфракрасного излучения атмосферы и теплопроводности. Показано, что инкремент неустойчивости для структур с размерами порядка эффективной глубины атмосферы возрастает до высоты 110 км.

Впервые показано, что в результате взаимодействия пылевых частиц с акустико-гравитационными вихрями, образующимися на ионосферных высотах, нано- и микромасштабные частицы, составляющие преимущественно слоистые структуры толщиной порядка километра, распределяются по области существования вихрей. Показано, что в результате нелннейного взаимодействия с дипольными вихрями, образованными пылевыми частицами, могут генерироваться потоки пыли в вертикальном направлении - стримеры.

Впервые показано, что присутствующие в ионосфере пылевые частицы приводят к уменьшению собственных частот и добротности шумановского резонатора, уменьшая плотность энергии в полости резонатора. Присутствующие в тропосфере нано- и микромасштабные частицы оказывают влияние на грозовую активность. При увеличении интенсивности грозовой активности происходит накачка энергии в полость шумановского резонатора. Присутствующие на стратосферных высотах сульфатные пылевые частицы приводят к уменьшению среднегодовой температуры поверхности Земли, что вызывает уменьшения плотности энерг ии в полости резонатора. Этот эффект обусловлен связью грозовой активности, возбуждающей колебания, с температурой поверхности Земли.

Практическая ценность

Результаты диссертации могут быть использованы широким кругом специалистов, занимающихся изучением свойств наио- и микромасштабных частиц в атмосфере Земли, проблемами глобального переноса пылевых частиц, влиянием на радиационный баланс и климат Земли, оптические свойства атмосферы, проблемой Атмосферных Коричневых Облаков и прочими экологическими проблемами. Кроме того, полученные результаты важны с точки зрения исследования нижней ионосферы, распространения радиоволи, источников электромагнитного излучения, резонансных явлений, для ученых, занимающихся процессами, происходящими в активных геофизических экспериментах (например, при инжекцни в околоземную плазму вещества со спутников или геофизических ракет). Результаты могут быть полезны при изучении развития неустойчивостей в ионосферной плазме и нейтральной атмосфере на более низких высотах, вихревых движений в тропосфере, стратосфере и ионосфере, а также при изучении состава и химических свойств нано- и микромасштабных частиц в ионосфере Земли. Некоторые результаты могут быть использованы при изучении явлений, происходящих на других планетах и их спутниках.

Апробация работы

Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на Международной конференции «Mode Conversion, Coherent Structures and Turbulence» (Москва, Россия, 2004), на XLVII научной конференции Московского физико-технического института (Москва-Долгопрудный, Россия, 2004), на XLVIII научной конференции Московского физико-технического института (Москва-Долгопрудный, Россия, 2005), на XXXIII Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, Россия, 2006), на Генеральной ассамблее геофизического научного сообщества (Вена, Австрия, 2006), на XLIX научной конференции Московского физико-технического института (Москва-Долгопрудный, Россия, 2006), на XXXIV Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, (Звенигород, Россия, 2007), на Генеральной ассамблее геофизического научного сообщества (Вена, Австрия, 2007), на Молодёжной научной конференции «Физика и прогресс», (Санкт-Петербург, 2007), на Европейском планетарном конгрессе (Мюнстер, Германия, 2008), на 50"" научной конференции Московского физико-технического института (Москва-Долгопрудный, Россия, 2007), на Генеральной ассамблее геофизического научного сообщества (Вена, Австрия, 2008), на XXXV Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, (Звенигород, Россия, 2008), на Генеральной ассамблее геофизического научного сообщества (Вена, Австрия, 2009), на Питерском воздушном конгрессе «Атмосфера - 2009» (Санкт-Петербург, 2009), на Европейском планетарном конгрессе (Потсдам, Германия, 2009). Также, основные результаты докладывались на научных семинарах в Казанском Государственном Университете, Московском физико-техническом институте (государственном университете) и Институте динамики геосфер Российской Академии наук.

Публикации

В основу диссертации положены работы автора [1-27], опубликованные в журналах Физика плазмы, Доклады академии наук, Труды МФТИ, в сборниках «Нано- и микромасштабные частицы в геофизических процессах», «Геофизика межгеосферных взаимодействий», «Физические поля и динамика взаимодействующих геосфер», а также в трудах международных и российских конференций.

Структура иобъём работы

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Она изложена на 126 стр. машинописного текста и иллюстрирована 43 рисунками. Библиография включает 122 наименования литературных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, изложена цель работы, дана её общая характеристика, показано её место среди других исследований по этой тематике, сформулирована научная новизна и практическая ценность работы, приведены структура и содержание диссертации и указаны работы, в которых отражены основные результаты.

В главе 1 представлен краткий обзор исследований по нано- и микромасштабным частицам в атмосфере, а также приводится их классификация по основным источникам. В настоящей работе наномасштабными называются частицы с размерами от 1 до 1000 нм, а микромасштабными - частицы с размерами от 1 до 1000 мкм. Такая классификация принята в науках о Земле, что обусловлено, в частности, давней историей наблюдения наномасштабных структур в природе, когда методы исследования и физические основы описания структур с размерами от 1 до 100 нм ещё не были развиты. В разделе 1.1 дается описание природы и свойств атмосферных нано- и микромасштбаных частиц, приведены основные естественные и антропогенные источники пылевых частиц. В разделе 1.2 описаны элементарные процессы, приводящие к образованию и дальнейшей эволюции нано- и микромасштабных частиц в атмосфере. Показано место данной работы среди других исследований по тематике. Основные проявления нано- и микромасштабных частиц в атмосфере, к которым относят ухудшение видимости в атмосфере, влияние на климат и на здоровье человека, приводятся в разделе 1.3. В разделе 1.4 приводится классификация антропогенных частиц по основным источникам. Раздел 1.4.1 посвящен продуктам сгорания, приводятся данные о выбросах различных отраслей ТЭК на территории РФ. В разделе 1.4.2 приводится сводка данных по вторичным техногенным частицам. Частицам промышленного происхождения, таким, как сажа, зола и органика, посвящен раздел 1.4.3. Транспорт как источник нано- и микромасштабных частиц рассматривается в разделе 1.4.4, а раздел 1.4.5. посвящен лесным пожарам. Сгорание авиационного топлива и ракетные запуски рассмотрены в разделах 1.4.6 и 1.4.7. Разделы 1.4.8 и 1.4.9 посвящены пыли от горнодобывающих предприятий и бытовым отходам. Отдельно в разделах 1.4.10 и 1.4.11 обсуждаются такие источники нано- и микромасштабных частиц, как сельскохозяйственная деятельность и мегаполис. Особое внимание уделяется вкладу в суммарный поток частиц антропогенного происхождения от различных источников. В разделе 1.5 приведена сводка основных результатов по антропогенным частицам в виде схемы, изображенной на рис. 1. Выводам посвящен раздел 1.6.

В главе 2 рассматривается взаимодействие нано- и микромасштабных частиц с вихревыми структурами на разных высотах в атмосфере. В разделе 2.1 изучается поведение пылевых частиц в медлснновращающихся вихрях синоптического масштаба, которые моделируются вихрями Россби. Вихри синоптического масштаба постоянно присутствуют в атмосфере и могут достигать стратосферных высот [С5]. Предлагаемое рассмотрение базируется на данных лабораторных экспериментов, свидетельствующих о том, что волны Россби большой амплитуды захватывают и переносят частицы среды [С6].

Рьттная техника

-1 Мтйад Окно» «тминка в » 0,1 • 10 мш >6пом«*дф Юсм ибопм

Техногенные частицы 600-1640 Мт/год

Прсмышгтню-иидустриальныя предприятия

-100 Мт/ГСА Углеводороды

• « 0.1 • 1 мш

/ /

Гсрнодобытающи в комплексы 0,2 -1,0 МПТэд Рязруи&ни* крных порой взрывами

0,6 - 2,6 МШед Частицы гор*«« порея

в < ю-го««м

Ашотрлнспорт, дизальны* д«имт*/и#

-10 Мт/год сажл

со«дии«ниядахасмс металле«

/--^римстый газХ

( ^ V-

0.01 - 3 мш. бол» 3 мм

I *

Топливно-аиерсетичесхи* коыпткы

В4Мг*гэд Сажа с«рчотслы» супьфвшаедветхцы

г-" Уи'еводородй^х

' «3, 1

МО

Л«смы* пожары

Сажа, пепел органика

• * 0,05 а»1 м*м

Вторичные частицы

Рис. 1. Сводка данных по техногенным частицам.

Для изучения поведения сферической частицы в поле скоростей двумерного циклопического вихря Россби с учетом стоксовского сопротивления и гидродинамического напора была проведена серия численных расчетов. В расчётах плотность материала частиц принималась равной плотности воды. Рассчитаны траектории частиц разных размеров в атмосферных вихрях Россби. На рис. 2 показана характерная траектория частицы. Оказалось, что время жизни частицы в вихре увеличивается с уменьшением ее размера, при этом частицы с размерами, не превышающими 10 мкм, могут находиться в вихре радиусом 103 км более десяти дней. Время жизни ещё более мелких частиц значительно возрастает. Расчеты, проведенные для вихрей разных размеров, показали, что при увеличении размера вихря время жизни одинаковых частиц увеличивается. Таким образом, частицы с размерами, не превышающими 10 мкм, остаются в вихре на протяжении всего времени его существования, что позволяет этим частицам распространяться с вихрем на расстояния до нескольких тысяч километров. На высотах верхней тропосферы длительное время жизни имеют частицы с размерами 0,02-10 мкм, отсутствие частиц меньших размеров обусловлено процессами коагуляции. Частицы именно этого диапазона размеров с наибольшей вероятностью могут переноситься из тропосферы в нижнюю стратосферу.

Предлагается механизм переноса нано- микромасштабных частиц из тропосферы на стратосферные высоты с помощью горизонтально перемещающихся вихрей Россби. Конвекция в тропосфере приводит к повышенной концентрации пылевых частиц под тропопаузой. В субтропической области высота тропопаузы резко изменяется, понижаясь к полюсам, таким образом нано- и микромасштабные частицы из тропической зоны находятся на высотах, соответствующих высотам нижней стратосферы более северных широт (в северном полушарии). При горизонтальном перемещении в северном направлении пылевые частицы, захваченные вихрем, преодолевают тропопаузу и оказываются в нижней стратосфере.

а)

б)

Рис. 2. Линии тока в системе отсчета, связанной с вихрем (а) и траектории пылевых частиц в вихре (б). Частицы движутся нз центра вихря. Пунктирные кривые па рисунке (б) соответствуют линиям тока вне области движения мелкодисперсных частиц. Траектории нано- и микромасштабных частиц представляют собой существенно более густые спирали, нарушающие наглядность рисунка. В связи с этим здесь приводится лишь схематическое изображение траекторий частиц.

Рассмотренный механизм доставки частиц из тропосферы в стратосферу представляется достаточно универсальным, поскольку высокие циклонические вихри синоптического масштаба регулярно возникают в атмосфере, пылевые частицы переносятся в верхние слои тропосферы в результате конвективных процессов и, кроме того, указанный механизм не налагает каких бы то ни было ограничений на мощность воздействия на атмосферу, приводящего к возникновению пыли. Пылевые частицы, попавшие в стратосферу, могут иметь очень большое время существования и воздействовать на климат у поверхности Земли в течение нескольких лет. Таким образом, учет предложенного механизма может оказаться весьма важным при моделировании климата.

В разделе 2.2 рассматривается взаимодействие акустико-гравитационных вихрей с наномасштабными пылевыми частицами на ионосферных высотах. Интерес к такого рода исследованиям обусловлен, прежде всего, тем, что АГ вихри на высотах около 110 км (т.е. на тех высотах, где в ионосфере присутствуют пылевые частицы) образуются и самоподдерживаются за счет диссипативных процессов, подобно автосолитонам [СУ]. Кроме того, вихревые структуры могут захватывать и переносить частицы среды [2].

Для описания движения воздуха и пылевых частиц вводится локальная система координат с осью х, направленной на восток, у - на север и г - по вертикали. Распространение возмущений в запыленной атмосфере Земли описывается следующими уравнениями:

— + V - (рУ) = о, 81 '

дР

— + (УУ)Р + >ЛПуУ =

£У

УР

—+ё> р

(1)

(2)

УЬ,

(3)

(4)

Здесь V (у(,) — скорость нейтралов (пыли), р (ри) - плотность нейтралов (пыли), g -ускорение свободного падения, у - показатель адиабаты, у<1 - частота столкновений нейтралов с пылью, 1;- кинематическая вязкость, су - удельная теплоемкость при постоянном объеме, Т - температура, Р - давление, Рх - возмущение равновесного давления плазмы, складывающееся из электронного, ионного и пылевого давлений. В правой части уравнения (3) •I,. описывает приток тепла в атмосферу за счет солнечной радиации, .1к характеризует приток тепла за счет конденсации паров воды, .1, описывает отток энергии за счет инфракрасного излучения атмосферы, Ь характеризует приток или отток тепла за счет теплопроводности. Уравнения (4)-(5) для пылевой компоненты выведены с учетом влияния зарядки пылевых частиц, а также динамики электронов и ионов ионосферной плазмы.

Зависимость невозмущенной температуры от высоты задается согласно стандартной атмосфере. Для вычисления величин, зависящих от температуры, используется послойное разбиение атмосферы.

После преобразования системы уравнений (1)-(3), дополненной уравнением состояния и уравнениями для тепловых потоков, и последующей ее линеаризации, получаем дисперсионное уравнение, решение которого для Ю-4 < кх < 10"' и Ю-4 <кг< Ю-1 было исследовано численно.

Область развития неустойчивости АГ волн для атмосферы с эффективной глубиной Н0 определяется условием: Яе(<У)>0, 1т(й>) > г)К~, К = 2л/Н0. На рис. 3 для точки с координатами ¿,=0,001, кг = 0,002, соответствующей структурам с характерным размером 3 км по вертикали и 6 км по горизонтали, приведены зависимости от высоты мнимой части

2, КМ

Рис. 3. Зависимость \т(СО(кг,к.)) I Ка(СО(к ^к^)) от высоты (кривая 1) и 1т(й)(кг,к.)) от высоты (кривая 2) Таким образом, построена послойная модель неадиабатической атмосферы, в которой, в отличие от изотермической модели [С8], учтено изменение температуры с высотой. Кроме того, учтен механизм турбулентной теплопроводности, так как на высотах менее 100 км он играет существенно большую роль, чем молекулярная теплопроводность. Дисперсионное уравнение

получено с учетом экспоненциального роста амплитудного множителя с высотой, что характерно для среды с экспоненциально убывающей плотностью и связано с сохранением плотности кинетической энергии частиц в волне. Созданная модель позволяет находить все ветви дисперсионного уравнения и строить дисперсионные поверхности в диапазоне волновых чисел от 10"4 до 10"' м"1, причем особое внимание уделяется участкам, соответствующим нарастанию возмущений. Было также получено, что основной вклад при нахождении дисперсии шрает поток тепла солнечного излучения и инфракрасное излучение атмосферы. Турбулентная теплопроводность вносит заметный вклад па высотах до 100 км, уменьшая область развития неустойчивости. Показано, что инкремент неустойчивости АГ волн с характерными размерами порядка глубины атмосферы увеличивается с ростом высоты до 110 км, причем значения действительной и мнимой части становятся сравнимыми уже на высоте 80 км.

Условия конвективной неустойчивости определяются условием мнимости частоты плавучести Ыг < 0, которое не выполняется в адиабатической атмосфере, однако, как показали расчеты, выполненные для неадиабатической атмосферы с учетом изменения температуры с высотой, на высотах 110-130 км развивается неустойчивость АГ волн, связанная с ненулевым балансом потоков тепла за счет солнечного излучения, инфракрасного излучения атмосферы и теплопроводности. В результате на этих высотах возможно формирование АГ вихрей. В приближении коротковолновых (по сравнению с характерным размером неоднородности), низкочастотных возмущений, относительной малости возмущений давления и сжимаемости, возможно сведение системы уравнений (1)-(3) к уравнению, совпадающему по виду с уравнением Чарни-Обухова, которое допускает решение в виде двумерных дипольных уединенных вихрей. Рассчитаны траектории и время жизни пылевых частиц в АГ вихре на высоте 110 км. Показано, что пылевые частицы размером 10 нм могут находиться в вихре около 10 минут, а более мелким частицам соответствуют большие времена. Для более медленного вихря время пребывания в нем пылевых частиц увеличивается. Область существования пылевых частиц метеорного происхождения простирается на высотах 80-120 км [СЗ]. Таким образом, взаимодействие пылевых частиц с АГ вихрем приводят к существенному их переносу и перемешиванию на высотах 110-120 км. Более того, оказывается возможным перенос частиц на высоты до 130 км, где могут формироваться и существовать АГ вихри.

Раздел 2.3 посвящен исследованию формирования пылевых вихрей в результате вовлечения в вихревые движения большого числа пылевых частиц и образования вертикальных пылевых потоков (стримеров). Движущиеся в вихре пылевые частицы сами представляют собой пылевой вихрь, при нелинейном взаимодействии с которым в результате параметрической неустойчивости возможна генерация пылевых потоков. Основными уравнениями для описания движения пылевых частиц при наличии градиента концентрации пыли являются уравнения (4)-(5), преобразованные с учетом /9, = р1Ю + и У(/ = УА + , где скорости пылевых вихрей и

пылевых поток выражены через соответствующие функции тока: ул = у1//л(х,г) и

+ + (6)

\с1 ) рм дх

Л + + = (8)

Здесь и далее индекс "ёу" ("(И") соответствует пылевым вихрям (потокам). Пренебрегая самовзаимодействием мод, положим

±/{ кц-г-гц./) '(к. -т-ок!)

±/( кп-г-лы) /(к,г-ш./)

.(чг-а)

где со и П- частоты поверхностных пылевых вихрей и пылевых потоков соответственно, со± =С1±а>0, к± =41±к0, а со„, ко (Л- характерные частота и волновой вектор в Фурье-разложении пылевого вихря (потока). После Фурье-преобразования системы уравнений (6)—(8), описывающей динамику поверхностных пылевых вихрей и пылевых потоков, получено нелинейное дисперсионное уравнение, которое при П « со0 и д « к0 имеет вид:

¿ох I. V V; )

где введено обозначение = ■

Развитие неустойчивости, приводящей к генерации пылевых потоков, характеризуется инкрементом у. Случай нарастающей неустойчивости П = ¡у, у > + возможен при c^L■ka^qL■WaJ^ + Cl\klJ(йJlklJ)-{cl\|шl\jíkax)<0. Пренебрегая диссипацией в линейном дисперсионном соотношении, получаем условие к„>2к01. В случае рассматриваемой нами вихревой структуры характерный размер по оси х в два раза превышает характерный размер по оси г, что приводит к соотношению к0 = -/бках. Тогда для вертикального потока (стримера), когда должно выполняться условие « , имеем/ = Ю|Уо|? А> •

На рассматриваемых высотах эффектами кинематической вязкости можно пренебречь по сравнению с эффектами столкновений нейтралов с пылевыми частицами, приводящими к возникновению пылевого вихря, поэтому достаточно выполнение у >У,/ ■ Численные оценки для разных высот показали, что на стратосферных высотах возмущения будут затухать из-за большой частоты столкновений с нейтралами. Однако на высотах более 90 км возможно возбуждение пылевых потоков с вертикальной компонентой скорости при условии наличия областей, где плотность пыли увеличивается с высотой. Используя условие у > \'(1, и оценивая |(//„| = 2т>1к„, где V - скорость вращения пылевого вихря, получаем > 1^/(20яу).

Отсюда следует, что при скорости вращения пылевого вихря 100 м/с и размерах порядка 100 м на высотах около 120 км возможно появление вертикальных потоков частиц пыли с размерами порядка 10 нм. При этом время пребывания пылевой частицы в вихре в несколько раз превосходит время развития неустойчивости.

В разделе 2.4 сформулированы краткие выводы по главе 2.

В главе 3 рассматривается влияние нано- микромасштабных частиц на различных высотах на характеристики электромагнитных колебаний в шумановском резонаторе. В разделе 3.1 вводится модель однородной ионосферы и приводится уравнение для нахождения собственных частот резонатора. Также рассматриваются вынужденные колебания в резонаторе, возбудителем которых являются грозовые разряды. Выводится связь между амплитудой электрического поля шумановских резонансов и моментом тока грозового разряда, которая оказывается прямой пропорциональностью. Раздел 3.2 посвящен возможным механизмам влияния нано- и микромастабных частиц на шумановские резонансы. В разделе 3.2.1 рассматривается изменение собственных частот и добротности резонатора в результате

присутствия пылевых частиц на высотах нижней ионосферы. С появлением заряженной пыли в ионосферной плазме появляются новые механизмы диссипации: зарядка пылевых частиц, поглощение электронов и ионов на пылевых частицах, передача импульса электронов и ионов пылевой частице в результате поглощения и кулоновского рассеяния плазменных частиц (электронов и ионов) на пылевой частице. Записывая уравнения гидродинамики для электронов, ионов и пылевых частиц, а также используя уравнения Максвелла, пренебрегая малыми величинами, получаем выражение для диэлектрической проницаемости однородной изотропной ионосферы

с I

g = '~ [ .-у

со\а> - ive]

где 0)pt-электронная плазменная частота. Эта формула имеет тот же вид, что и диэлектрическая проницаемость для незапылеиной ионосферы, только частота, определяющая диссипацию в случае запыленной ионосферы, представляет собой частоту ve, характеризующую передачу импульса между электронами и пылевыми частицами. Таким образом, для определения вклада нано- и микромаеттабных частиц представляет интерес сравнивать частоту столкновения

электронов с нейтралами и частоту vt. Эти частоты становятся сравнимыми при следующих

параметрах пыли: концентрация порядка 103 см"3, размер порядка 10 мкм. Зависимость v, от

параметров частиц такова, что частота vt возрастает с увеличением их концентрации и размера. Следовательно, для существенного вклада в диссипацию необходимо наличие пылевых частиц с параметрами больше критических. Такие высокие концентрации частиц могут наблюдаться в серебристых облаках [СЗ]. К тому же, какие-нибудь катастрофические события, такие как вулканические извержения, могут привести к появлению в нижней ионосфере микрочастиц, концентрация которых может значительно превышать критическую. Присутствие пыли с критическими параметрами в нижней ионосфере приводит к уменьшению на несколько процентов резонансных частот: для первой моды от 7,8 Гц до 7,0 Гц, для второй от 14,5 Гц до 13,3 Гц (для модели однородной ионосферы). Добротность резонатора уменьшается (из-за действия пыли) для первой моды от 1,1 до 0,8, для второй от 1,5 до 1,1.

Раздел 3.2.2 посвящен оценкам изменения амплитуды шумановских колебаний после вулканических извержений. В разделе обсуждаются электрические процессы в облаке вулканического извержения и проводится оценка частоты разрядов в нем. Проведенные оценки приводят к заключению, что нужно учитывать турбулентное перемешивание в вулканическом облаке, считая, что при увеличении количества пыли увеличивается число клубов, т.е. частота разрядов, а средний токовый момент остается прежним: и ос N, М « const.

Проводятся оценки вклада отдельного вулканического извержение, сопровождаемого грозовыми разрядами, в амплитуду шумановских резонансов. Измеряемые параметры шумановских резонансов зависят от взаимного расположения источников и приемника. Для приближенных оценок считаем, что имеется один грозовой центр и вулканическое облако находится непосредственно вблизи него. Частота молний в вулканическом облаке равна nt, а средний момент тока разряда - М,. Тогда энергия, излучаемая разрядами вулканического облака, добавляется к энергии, порождаемой мировой грозовой активностью: Е1 сс пМг +и,Л/,2, а относительное приращение энергии имеет порядок и,Л/,2/пМ1 ос N. Таким образом, амплитуда шумановских резонансов может возрастать в два раза при разовом выбросе пепловых частиц суммарной массой порядка 104 тонн (считаем, что масса выброса пропорциональна числу частиц).

В разделе 3.2.3 обсуждается влияние нано- и микромасштабных частиц на температуру земной поверхности и на амплитуду шумановских резонансов. Наличие дополнительного количества нано- и микромасштабных частиц в атмосфере изменяет оптические свойства облаков. Это, а также наличие сульфатных аэрозолей, увеличивает отражательную способность атмосферы, и поверхность хуже прогревается. В работе [С4] было отмечено, что существует корреляция между вариациями среднемесячной температуры и среднемесячным значением магнитного поля основной моды шумановского резонатора. Эта корреляция объясняется тем, что энергия конвективных процессов, обуславливающих разделение зарядов в атмосфере, зависит в первую очередь от температуры вблизи поверхности, а не от высотного распределения температуры. Таким образом температура околоземного слоя связана с грозовой активностью, причем отмечается [С4] почти экспоненциальный ход зависимости числа грозовых разрядов от температуры поверхности. При резком увеличении концентрации нано- и микромасштабных частиц в атмосфере, например, при извержениях вулканов, может наблюдаться понижение средней температуры на поверхности Земли в последующие годы на несколько десятых долей градуса. Поскольку существует корреляция между среднемесячной температурой и первой модой магнитного поля шумановского резонатора, то при уменьшении температуры из-за извержений вулканов амплитуда первой гармоники тоже должна уменьшиться, причем существенно (если температура уменьшилась на 0,5 градуса, то амплитуда изменится вдвое). Таким образом наличие нано- и микромасштабных частиц может привести к уменьшению плотности энергии в полости резонатора.

В разделе 3.3 обсуждаются основные результаты главы и проводится схема (Рис. 4), иллюстрирующая влияние нано- и микромасштабных частиц на шумановские резонансы.

Рис. 4. Влияние нано- и микромасштабных частиц в атмосфере на шумановские резонансы (пунктирная стрелка обозначает корреляцию между температурой и амплитудой ШР)

В разделе 3.4 приводятся основные выводы по главе 3.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы:

1. Построена классификация нано- и микромасшатбпых частиц в атмосфере по их основным источникам. Особое внимание уделено следующим техногенным источникам нано- и микромасштабных частиц: топливно-энергетические комплексы (ТЭЦ, котельные, работающие на угле), нефтегазовые предприятия, горнодобывающие и горнообрабатывающие комплексы, автотранспорт и дизельный транспорт, промышленно-индустриальные предприятия, лесные пожары, авиация и ракетная техника. Практически все источники поставляют частицы в околоземный слой, а при благоприятной стратификации - в тропосферу на высоты более 2 км. Авиация, ракетная техника и лесные пожары, вносят также вклад в загрязнение стратосферы на высотах более 10-15 км. Ракетные запуски приводят к загрязнению ближайшего геокосмоса.

Нано- и микромасштабные частицы

, Амплитуда ШР Добротность ШР

2. Предложен механизм переноса нано- и микромасштабных частиц из тропосферы в нижнюю стратосферу посредством вихрей синоптического масштаба, моделируемых солитонными решениями уравнения Чарни-Обухова (вихрями Россби). Показано, что частицы с размерами менее десяти микрометров находятся в циклоническом вихре Россби в течение времени порядка времени жизни вихря, что позволяет частицам переноситься на расстояния до нескольких тысяч километров в горизонтальном направлении. В субтропической области высота тропопаузы резко (на несколько километров) уменьшается при движении от экватора к полюсу Земли. Скорость циклонических вихрей имеет ненулевую составляющую в этом направлении. Таким образом, даже в случае горизонтального перемещения достаточно высокие циклонические вихри синоптического масштаба могут переносить захваченные ими в верхней тропосфере нано- и микромасштабные частицы в нижнюю стратосферу.

3. Показано, что в реальной атмосфере, не являющейся адиабатической, возникает неустойчивость АГ волн, связанная с ненулевым балансом потоков тепла за счет солнечного излучения, конденсации паров воды, инфракрасного излучения атмосферы и теплопроводности. Построены дисперсионные поверхности для 4 ветвей АГ волн в диапазоне высот от 5 км до 130 км. Показано, что инкремент неустойчивости для структур с размерами порядка эффективной глубины атмосферы увеличивается с высотой до высоты 110 км, причем значения действительной и мнимой части частот становятся сравнимыми на высоте порядка 80 км.

4. Показано, что возбуждение АГ вихрей на высотах 110-130 км в результате развития конвективной неустойчивости АГ волн приводит к существенному переносу пылевых частиц и их перемешиванию на высотах 110-120 км. Слои пылевых частиц в ионосфере толщиной порядка километра, образующиеся на высотах, меньших 120 км, распределяются по области существования АГ вихревых структур. В результате на высотах 110-120 км могут образовываться пылевые вихри. Оказывается возможным перенос частиц на высоты до 130 км. Показано, что одним из механизмов переноса пылевых частиц в ионосфере являются вертикальные потоки (стримеры), генерируемые пылевыми вихрями в результате развития параметрической неустойчивости.

5. Показано, что присутствующие в ионосфере пылевые частицы приводят к уменьшению собственных частот и добротности шумановского резонатора, уменьшая плотность энергии в полости резонатора. Присутствующие в тропосфере нано- и микромасштабные частицы оказывают влияние на грозовую активность. При увеличении интенсивности грозовой активности происходит накачка энергии в полость шумановского резонатора. Присутствующие на стратосферных высотах сульфатные пылевые частицы приводят к уменьшению среднегодовой температуры поверхности Земли, что вызывает уменьшение плотности энергии в полости резонатора. Этот эффект обусловлен связью грозовой активности, возбуждающей колебания, с температурой поверхности Земли.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Беседина 10.Н., Попель С.И. Нано- и микромасштабные частицы и глобальные электромагнитные резонаисы в полости Земля-ионосфера // Физика плазмы - 2007. - Т. 33. -С. 159-167.

2. Беседина Ю.Н., Попель С.И. Циклонические вихри синоптического масштаба и возможность переноса мелкодисперсных частиц из тропосферы в стратосферу // Доклады Академии наук - 2008. - Т. 423. - С. 680-684.

3. Беседина Ю.Н., Попель С.И. Вихревые движения и перенос мелкодисперсных частиц в ионосфере // Доклады Академии наук - 2009. - Т. 429, № 2. - С. 253-256.

4. Беседина Ю.Н., Попель С.И. Нано- и микромасштабные частицы в среде обитания. - В сб. Наио- и микромасштабные частицы в геофизических процессах / Под ред.: В.В. Адушкина и С.И. Попеля, М.: МФТИ, 2006. - С. 19-31.

5. Беседина Ю.Н., Попель С.И. Нано- и микромасштабные частицы и шумановские резонансы. - В сб. Нано- и микромасштабные частицы в геофизических процессах / Под ред.: В.В. Адушкина и С.И. Попеля, М.: МФТИ, 2006. - С. 62-73.

6. Беседина Ю.Н., Попель С.И. Вихревые движения и возможность переноса мелкодисперсных частиц. - В сб. Геофизика межгеосферных взаимодействий / Под ред.

B.В. Адушкина. - М.: Геос. 2008. - С. 247-254.

7. Беседина Ю.Н., Попель С.И. Антропогенные нано- и микромасштабные частицы в атмосфере. - В сб. Физические поля и динамика взаимодействующих геосфер / Под ред.

C.Б. Турунтаева-М.: Геос, 2007. - С. 321-329.

8. Беседина Ю.Н., Попель С.И. Эволюция пылевых частиц в вихрях Россби // Труды МФТИ. -2009.-Т. 1,№3.-С. 53-57.

9. Besedina J.N. and Popel S.I. Dust and Global Electromagnetic Resonances in Earth's Atmosphere // The International Conference MSS-04, Moscow, 2004. Mode Conversion, Coherent Structures and Turbulence. - P. 74-79.

10. Besedina Yu.N., Popel S.I. Nano- and Microsize Particles and Schumann Resonances // General Assembly of the European Geosciences Union, Vienna, Austria, 2006. - Geophysical Research Abstracts. - V. 8, - P. 00503.

11. Besedina Yu.N. and Popel S.I. Dust Grain Capture by Rossby Vortices in Earth's Atmosphere // General Assembly of the European Geosciences Union, Vienna, Austria, 2008. - Geophysical Research Abstracts. - V. 10, - P. 01258.

12. Besedina Yu.N., Popel S.I,, and Pukhov A Synoptic vortex passage through a city and baroclinical instability // General Assembly of the European Geosciences Union, Vienna, Austria, 2009. - Geophysical Research Abstracts. -V. 11,-P. 6708.

13. Besedina Yu.N. and Popel S.I. Cyclonic Rossby Vortices and a Possibility of Nano- and Microscale Dust Particle Transport from Troposphere into Stratosphere // European Planetary Science Congress, Münster, Germany, 2008. -Abstracts. - EPSC2008-A-00025.

14. Besedina Yu.N., Popel S.I., and Shukla P.K. Vortex motions and dust particle transport in the ionosphere // European Planetary Science Congress, Potsdam, Germany, 2009. -Abstracts. -EPSC2009-41.

15. Besedina Yu.N., Popel S.I., and Sharykin I.N. Dust and Schumann resonances on Earth and Titan // European Planetary Science Congress, Potsdam, Germany, 2009. - Geophysical Research Abstracts. - EPSC2009-206.

16.Бсссдина Ю.Н., Попель С.И. О влиянии пылевой компоненты на глобальные шумановские резонансы. // Тезисы докладов ХХХШ Международной Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, Звенигород, Россия. - М., 2006. - С. 247.

17. Беседина Ю.Н., Копнин С.И., Попель С.И. Возбуждение акустико-гравитационных вихрей пылевыми звуковыми возмущениями в ионосфере во время метеорных потоков. // Тезисы докладов XXXV Международной Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, Звенигород, Россия. - М., 2008. - С. 259.

18. Беседина Ю.Н., Попель С.И. Пыль и глобальные электромагнитные резонансы в полости Земля-ионосфера. // Труды XLVII Научной конференции МФТИ, Москва-Долгопрудный, Россия. - М., 2004. - Часть III. - С. 98.

19. Беседина Ю.Н., Попель С.И. Нано- и микромасштабные частицы в глобальных шумановских резонансах. // Труды XLVIII Научной конференции МФТИ, Москва-Долгопрудный, Россия. - М., 2005. - Часть III. - С. 66.

20. Беседина Ю.Н., Попель С.И. О возможности захвата пылевых частиц вихрями Россби. // Труды XLIX Научной конференции МФТИ, Москва-Долгопрудиый, Россия. - M., 2006. -Часть III.-С. 102-103.

21. Беседина Ю.Н., Попель С.И. О влиянии атмосферных нано- и микромасштабных частиц на шумановские резонансы. // Труды молодежной конференции «Физика и прогресс», Санкт-Петербург, Россия. -Спб., 2007. - С. 15-19.

22. Беседина Ю.Н., Попель С.И. Пылевые частицы в атмосферных вихрях Россби. // Труды молодежной конференции «Физика и прогресс», Санкт-Петербург, Россия. - Спб., 2007. -С. 20-24.

23. Беседина Ю.Н., Попель С.И. Нано- и микромасштабные частицы от антропогенных источников в атмосфере Земли. // Труды 50-й конференции МФТИ "Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук", Москва-Долгопрудный, Россия. - М., 2007. - Часть III.-T. 1,-С 53-55.

24. Беседина Ю.Н., Попель С.И. Эволюция пылевых частиц в вихрях Россби. // Труды 50-й конференции МФТИ "Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук", Москва-Долгопрудный, Россия. - М., 2007. - Часть III.—Т. 1, - С 55-57.

25. Беседина Ю.Н., Попель С.И. Пылевые частицы в атмосферных вихревых структурах синоптического масштаба. // Труды 51-й конференции МФТИ "Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук", Москва-Долгопрудный, Россия. - М., 2008. - Часть III.-С 41-44.

26. Беседина Ю.Н., Попель С.И. Вихревой перенос частиц пыли, находящихся в тропосфере, на стратосферные высоты. // Питерский воздушный конгресс. 12-я Всероссийская конференция «Нормативно-методическое, техническое и информационное обеспечение воздухоохранной деятельности «Атмосфера -2009». Сборник тезисов. - Спб., 2009. - С. 38.

27. Беседина Ю.Н., Попель С.И. О возможности расширения области существования пылевых частиц в ионосфере вихревыми движениями. // Питерский воздушный конгресс. 12-я Всероссийская конференция «Нормативно-методическое, техническое и информационное обеспечение воздухоохранной деятельности «Атмосфера -2009». Сборник тезисов. - Спб., 2009.-С. 39.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

[С1]. Fromm M. and Servranckx R. // Geophys. Res. Lett. - 2003- V. 30, doi: 10.1029/2002GL016820.

[С2]. Robock A., Oman L., Stenchikov G.L., Toon O.B., Bardeen C., and Turco R.P. // Atmos. Chem. Phys. - 2007. - V. 7. - P. 2003-2012.

[СЗ]. Amyx K., Stemovsky Z., Knappmiller S., Robertson S., Horanyi M., Gumbel J. // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. - 2008. - V. 70. - P. 61-70.

[С4]. Williams E.R. //Science.- 1992,- V. 256. -P. 1184.

[С5]. Петвиашвили В.И., Похотелов O.A. Уединенные волны в плазме и атмосфере. - М.: Энергоатомиздат, 1989.-200с.

[Сб]. Незлин М.В., Снежкин E.H. Вихри Россби и спиральные структуры. - М.: Наука, 1990. -240 с.

[С7]. Абурджаниа Г.Д. Самоорганизация нелинейных вихревых структур и вихревой турбулентности в диспергирующих средах. - М.: КомКнига, 2006. - 328 с.

[С8]. Ляхов В.В. // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. - 2007. - Т. 43, № 3. - С. 342350.

Отпечатано в типографии ООО «Гипрософт» г. Москва, Ленинский пр-т, Д.37А Тираж 100 экз.

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Беседина, Юлия Николаевна

Введение

Глава 1. Нано- и микромасштабные частицы в атмосфере.

1.1 Природа и свойства нано- и микромасштабных частиц.

1.2 Элементарные процессы.

1.3 Проявления нано- и микромасштабных частиц.

1.4 Классификация антропогенных нано- и микромаснггабных частиц.

1.4.1 Сжигание топлив.

1.4.2 Вторичные частицы.

1.4.3 Промышленные частицы.

1.4.4 Транспорт.

1.4.5 Лесные пожары.

1.4.6 Сгорание авиационного топлива.

1.4.7 Ракетные запуски.

1.4.8 Пыль от горнодобывающих предприятий.

1.4.9 Бытовые отходы.

1.4.10 Сельскохозяйственная деятельность.

1.4.11 Мегаполис.

1.5 Сводка основных результатов.

1.6 Выводы.

Глава 2. Вихревые сгруктуры и транспорт нано- и микромаснггабных частиц в атмосфере Земли.

2.1 Циклонические вихри синоптического масштаба и возможность переноса мелкодисперсных частиц из тропосферы в стратосферу.

2.2 Вихревые движения и перенос мелкодисперсных пылевых частиц в ионосфере.

2.3 Пылевые вихри и пылевые потоки.

2.4 Выводы.

Глава 3. Нано и микромасштабные частицы и глобальные электромагнитные резонансы в полости Земля-ионосфера.

3.1 Соотношения для шумановских резонансов.

3.2 Нано- и микромасштабные частицы и основные параметры шумановских резонансов.

3.2.1 Собственные частоты и добротность резонатора.

3.2.2 Изменение амплитуды шумановских резонансов при вулканических извержениях.

3.2.3 Влияние нано- и микромасштабных частиц на температуру земной поверхности и амплитуду шумановских резонансов.

3.3 Обсуждение результатов.

3.4 Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Нано- и микромасштабные частицы в волновых явлениях в системе тропосфера-стратосфера-ионосфера"

Актуальность темы. В настоящее время проводятся многочисленные исследования, посвященные нано- и микромасштабным частицам в атмосфере. Источники и стоки частиц, их свойства, географическое и высотное распределение важны с точки зрения влияния на экологическую и климатическую обстановку, на электромагнитные процессы, протекающие в атмосфере, на её оптические свойства, а также на здоровье человека. Многочисленные работы [1, 2, 3, 4] посвящены изучению естественных и антропогенных источников нано- и микромасштабных частиц в атмосфере, механизмам подъема пылевых частиц от земной поверхности на высоты околоземного слоя (до 1,5 км) [5, 6, 7, 8], а также их глобальному транспорту [10,11,12].

В настоящей работе наномасштабными будем называть частицы с размерами от 1 до 1000 нм, а микромасштабными - частицы с размерами от 1 до 1000 мкм. Такая классификация принята в науках о Земле, что обусловлено, в частности, давней историей наблюдения наномасштабных структур в природе, когда методы исследования и физические основы описания структур с размерами от 1 до 100 нм ещё не были развиты.

Среди исследований, возникающих при изучении нано- и микромасштабных частиц в среде обитания человека, можно выделить несколько направлений. Во-первых, это задачи, связанные с изучением элементарных процессов, к которым относятся образование зародышей (нуклеация) из малолетучих газов, дальнейшая конденсация, коагуляция или химические реакции, приводящие к росту частиц и образованию частиц разных диапазонов размеров, а также динамика частиц в атмосфере.

Важной задачей также является изучение изменения потока аэрозолей в атмосферу со временем. Из сравнительного анализа данных по количеству нано- и микрочастиц, поступающих в атмосферу в разные годы, можно делать выводы о том, какую тенденцию имеет наличие пылевых частиц в атмосфере. Необходимо накапливать статистику по атмосферным частицам, в частности, надо учитывать региональное и высотное распределение частиц. Имея такие данные, можно делать выводы о связи каких-либо локальных событий, способствующих изменению потока нано- и микромасштабных частиц (или их свойств), с глобальными характеристиками атмосферы.

Существенной проблемой геофизики является описание механизмов переноса нано- и микромасштабных пылевых частиц в системе тропосфера-стратосфера-ионосфера. В результате естественных процессов и деятельности человека основной объем поступающих в атмосферу пылевых частиц приходится на околоземный слой. Дальнейшая эволюция пылевых частиц зависит от множества факторов, таких, как размер и форма частиц, их плотность, химический состав, а также метеорологические характеристики атмосферы в области локализации нано- и микромасштабных частиц. Вместе с воздушными массами частицы могут переноситься на расстояния, сравнимые с диаметром Земли, в результате конвективных процессов в тропосфере пылевые частицы из приземного слоя могут распределяться до высот 10-16 км. Определенные сложности представляет преодоление тропопаузы, поскольку практически нулевой градиент температуры затрудняет конвекцию. Вопросу подъема тропосферных воздушных масс на стратосферные высоты посвящены работы [13, 14]. Эти исследования во многом связаны с изучением распределения озона и других газов, содержащихся в воздухе в небольшом процентном отношении, но играющих важную роль в радиационном и энергетическом балансе атмосферы. Перенос вещества и, в частности, пыли на стратосферные высоты иногда связывают с мощной конвекцией в тропических широтах [13]. При этом следует иметь в виду, что в случае типичного для земной атмосферы протекания процесса конвекции перенос вещества за счет этого процесса на стратосферные высоты затруднен из-за малого градиента температуры в области тропопаузы. Вследствие положительного градиента температуры в стратосфере конвективные движения в обычных условиях отсутствуют, и перемещение воздушных масс происходит преимущественно горизонтально согласно картине глобальной циркуляции.

Имеется ряд фактов, свидетельствующих о возможности переноса нано- и микромасштабных частиц из тропосферы в стратосферу и ионосферу. Прежде всего, первые наблюдения серебристых облаков в 1885 г., представляющих собой пылевые структуры в нижней ионосфере на высотах 82-85 км [15], часто связывают с возникновением большого количества пыли в атмосфере Земли в результате чрезвычайно мощного извержения вулкана Кракатау в 1883 г. [16]. Считается [17], что в результате пожаров, вызванных региональным конфликтом с применением ядерного оружия (50 ядерных зарядов по 15 килотонн каждый), частицы сажи могут подниматься до стратосферных высот, приближаясь к верхней части стратосферы. Наличие выбросов дыма в стратосферу от лесных пожаров подтверждается данными наблюдений [10, 18].

В ряде климатических моделей, используемых для описания подъема пыли на стратосферные высоты в результате мощной конвекции, зачастую используется приближение, в котором горизонтальное разрешение в расчетах оказывается относительно грубым [17]. При этом атмосферная конвекция происходит в пространственных масштабах, меньших, чем позволяет указанное приближение, и данное приближение может оказаться неадекватным для описания подъема пыли в стратосферу. Далее, в модели [17], описывающей подъем частиц сажи, образовавшейся в результате пожаров, вызванных региональным конфликтом с применением ядерного оружия, существенным фактором, влияющим на интенсивное вертикальное перемещение частиц на большие высоты, является их нагрев коротковолновым электромагнитным излучением. Отметим, что и вулканический пепел (частицы материала земной коры, называемые также «тефра»), и более мелкие сульфатные аэрозоли имеют намного больший индивидуальный параметр рассеивания (альбедо), чем дым от ядерных пожаров. Таким образом, они поглощают намного меньше радиации и, следовательно, проявляют слабую способность к подъему вверх [19].

Наличие нано- и микромасштабных частиц на высотах более 50 км вносят существенные изменения в динамику ионосферной плазмы [20, 21]. В результате взаимодействия с окружающей ионосферной плазмой и солнечным излучением пылевые частицы заряжаются. Этот эффект сопровождается заметными вариациями концентраций ионов и электронов в областях локализации пылевых частиц [15]. Все это приводит к изменению дисперсионных свойств плазмы, что влияет на распространение электромагнитных волн в атмосфере Земли. Помимо влияния на заряженную компоненту ионосферы пылевые частицы могут влиять и на ее химический состав, в частности, на содержание в ионосфере металлов [22]. Твердые поверхности частиц могут играть роль катализатора в гетерогенной химии [23]. Отметим, в частности, каталитическое образование молекул воды на поверхности наномасштабной частицы. Этот эффект может приводить к повышению концентрации воды в области локализации пылевых частиц, что в свою очередь обуславливает рост частиц, т.е. приводит к появлению отрицательной обратной связи. Таким образом, знание о процессах переноса пыли в ионосфере, влияющих на положение областей ее локализации имеет существенное значение.

Происхождение мелкодисперсных пылевых частиц в ионосфере связано прежде всего с метеорным веществом, поток которого на Землю составляет несколько десятков тонн в день [24]. Выпадают преимущественно сантиметровые тела, которые сгорают (испаряются) на высотах 70-120 км [25]. Пары метеорного вещества конденсируются, приводя к появлению в ионосфере мелкодисперсных (smoke) наномасштабных частиц с концентрациями, как о правило, превышающими 10 см" . Наибольшие концентрации таких частиц, большие или порядка 104 см"3, достигаются на высотах 80-90 км [26]. Наномасштабные частицы могут также попадать в ионосферу из нижней атмосферы вследствие конвективного переноса частиц сажи от лесных пожаров и частиц вулканического происхождения. В летней полярной мезосфере с конца мая по конец августа на высотах около 80-95 км образуются тонкие (порядка 1 км) пылевые слои, известные как серебристые облака и полярные мезосферные радиоотражения [27]. Происхождение составляющих эти слои наномасштабных частиц связано с процессом конденсации водяных паров. Таким образом, согласно имеющимся представлениям (см. также [28]), наномасштабные пылевые частицы природного происхождения присутствуют в нижней ионосфере на высотах 80-120 км. Частицы обычно группируются в облака. Характерная толщина пылевого облака составляет величину порядка 1 км, протяженность по горизонтали - порядка 10-100 км.

Экспериментальное исследование нижней ионосферы (80-120 км) затруднено, поскольку эти высоты уже недостижимы для стратостатов, и в то же время недосягаемы для искусственных спутников Земли (воздух ещё не достаточно разрежен), единственным источником экспериментальных данных являются пролетные ракетные эксперименты.

Наличие нано- и микромасштабных пылевых частиц на различных высотах в системе тропосфера-стратосфера-ионосфера имеет глобальное влияние. Одним из явлений, на которое могут оказывать влияние пылевые частицы, являются глобальные электромагнитные резонансы - шумановские резонансы [29]. Электромагнитные колебания возбуждаются в концентрической сферической полости, образованной поверхностью Земли и нижней границей ионосферы. На поверхности Земли наблюдается спектр волн, которые целое число раз укладываются вдоль окружности земного шара, что соответствует частотам около 8 Гц, 14 Гц, 20 Гц, 26 Гц, 32 Гц. Шумановские резонансы — это стабильные, достаточно длительные, глобальные колебания, представляющие собой типичный естественный дневной фон биосферы. Возбуждаются колебания преимущественно грозовыми разрядами, которых происходит порядка сотни в секунду. Собственные частоты резонатора зависят от электромагнитных свойств его стенок, что дает возможность исследовать ионосферу на основе анализа спектра шумановских резонансов.

Интерес к шумановскому резонатору возрос в 1990-х годах, после того как обнаружилась возможность использования шумановских резонансов в качестве глобального тропического термометра [30]. Интерес к этим колебаниям обусловлен также тем, что их частоты попадают в диапазон собственных колебаний биотоков мозга: альфа-ритма (8-13 Гц) и бета-ритма (13-30 Гц) и поэтому могут быть биологически значимыми [31]. Нано-микромасштабные пылевые частицы, присутствующие в тропосфере могут оказывать влияние на источники, возбуждающие колебания, а ионосферные пылевые частицы приводят к изменению дисперсионных свойств верхней стенки шумановского резонатора.

Цель работы. Целью диссертационной работы является выявление роли нано- и микромасштабных частиц в волновых процессах в системе тропосфера-стратосфера-ионосфера. Ставится целью построение классификации пылевых частиц в атмосфере; определение механизмов межгеосферного переноса нано-и микромасштабных частиц в атмосфере, в частности, вертикального переноса между тропосферой и стратосферой, а также вертикального перемешивания пылевых частиц с помощью вихревых движений на ионосферных высотах; кроме того, в качестве глобального проявления нано- и микромасштабных частиц в атмосфере на разных высотах ставится целью определение механизмов их воздействия на шумановские резонансы.

Научная новизна. Впервые развита теория, описывающая взаимодействие атмосферных нано- и микромасштабных частиц с крупномасштабными атмосферными вихрями, вращающимися со скоростью, меньшей скорости вращения Земли. Показано, что атмосферные вихри, перемещающиеся горизонтально со скоростью, имеющей северную компоненту, могут захватывать и переносить пылевые частицы. В результате указанного процесса нано- и микромасштабные частицы из верхней тропосферы могут быть перенесены в нижнюю стратосферу при условии прохождения вихрем области, где тропопауза резко изменяет свою высоту.

Впервые показано, что в результате взаимодействия пылевых частиц с акустико-гравитационными вихрями, образующимися на ионосферных высотах, нано- и микромасштабные частицы, составляющие преимущественно слоистые структуры толщиной порядка километра, распределяются по области существования вихрей, определяемой условиями развития неустойчивости. Показано, что в результате нелинейного взаимодействия с дипольными вихрями, образованными пылевыми частицами, могут генерироваться потоки пыли в вертикальном направлении - стримеры.

Впервые рассмотрено влияние нано- и микромасштабных частиц в атмосфере на глобальные электромагнитные колебания. Показано, что присутствующие в ионосфере пылевые частицы приводят к уменьшению собственных частот и добротности резонатора, уменьшая плотность энергии в полости резонатора. Присутствующие в тропосфере нано- и микромасштабные частицы оказывают влияние на грозовую активность. При увеличении интенсивности грозовой активности происходит накачка энергии в полость шумановского резонатора. Присутствующие на стратосферных высотах сульфатные пылевые частицы приводят к уменьшению среднегодовой температуры поверхности Земли, что вызывает уменьшения плотности энергии в полости резонатора. Этот эффект обусловлен связью грозовой активности, возбуждающей колебания, с температурой поверхности Земли.

Практическая ценность. Результаты диссертации могут быть использованы широким кругом специалистов, занимающихся изучением свойств нано- и микромасштабных частиц в атмосфере Земли, проблемами глобального переноса пылевых частиц, задачами, связанными с подъемом пыли от лесных пожаров и конфликтов с применением ядерного оружия, влиянием на радиационный баланс и климат Земли, оптические свойства атмосферы, проблемой Атмосферных Коричневых Облаков и прочими экологическими проблемами. Кроме того, полученные результаты важны с точки зрения исследования нижней ионосферы, распространения радиоволн, источников электромагнитного излучения, резонансных явлений, для ученых, занимающихся процессами, происходящими в активных геофизических экспериментах (например, при инжекции в околоземную плазму вещества со спутников или геофизических ракет). Результаты могут быть полезны при изучении развития неустойчивостей в ионосферной плазме и нейтральной атмосфере на более низких высотах, вихревых движений в тропосфере, стратосфере и ионосфере, а также при изучении состава и химических свойств нано- и микромасштабных частиц в ионосфере Земли. Некоторые результаты могут быть использованы при изучении явлений, происходящих на других планетах и их спутниках.

Апробация работы. Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на Международной конференции «Mode Conversion, Coherent Structures and Turbulence» (Москва, Россия, 2004), на XLVII научной конференции Московского физико-технического института (Москва-Долгопрудный, Россия, 2004), на XLVIII научной конференции Московского физико-технического института (Москва-Долгопрудный, Россия, 2005), на XXXIII Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, Россия, 2006), на Генеральной ассамблее геофизического научного сообщества (Вена, Австрия, 2006), на XLIX научной конференции Московского физико-технического института (Москва-Долгопрудный, Россия, 2006), на XXXIV Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, (Звенигород, Россия, 2007), на Генеральной ассамблее геофизического научного сообщества (Вена, Австрия, 2007), на Молодёжной научной конференции «Физика и прогресс», (Санкт-Петербург, 2007), на Европейском планетарном конгрессе (Мюнстер, Германия, 2008), на 50ой научной конференции Московского физико-технического института (Москва-Долгопрудный, Россия, 2007), на Генеральной ассамблее геофизического научного сообщества (Вена, Австрия, 2008), на XXXV Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, (Звенигород, Россия, 2008), на Генеральной ассамблее геофизического научного сообщества (Вена, Австрия, 2009), на Питерском воздушном конгрессе «Атмосфера - 2009» (Санкт-Петербург, 2009), на Европейском планетарном конгрессе (Потсдам, Германия, 2009). Также, основные результаты докладывались на научных семинарах в Казанском Государственном Университете, Московском физико-техническом институте и Институте динамики геосфер Российской Академии наук.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Она изложена на 126 стр. машинописного текста и иллюстрирована 43 рисунками. Библиография включает 122 наименование литературных источников.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Беседина, Юлия Николаевна

3.4 Выводы

Итак, изучено влияние нано- и микромасштабных частиц на характеристики шумановских резонансов. Показано, что наличие пылевых частиц в полости Земля-ионосфера существенно влияет на грозовую активность и может ее усиливать. Между грозовой активностью и амплитудой шумановских резонансов существует прямая зависимость, таким образом, увеличение концентрации нано- и микромасштабных частиц в атмосфере может привести к накачке энергии в резонатор. Например, при мощном вулканическом извержении амплитуда шумановских резонансов может возрасти в несколько раз. Кроме того, присутствие пылевых частиц в атмосфере отражается на среднегодовой температуре у поверхности Земли. Например, в случае сильного извержения вулкана может наблюдаться заметное понижение среднегодовой температуры. Поскольку наблюдается корреляция между амплитудой шумановских резонансов и температурой поверхности, то это может привести к уменьшению плотности энергии в резонаторе. Показано, что наличие микромасштабных частиц в нижней ионосфере меняет ее дисперсионные свойства, что приводит к уменьшению добротности и резонансных частот. Поскольку первые моды шумановского резонатора возможно имеют биологическое значение, то существенное их изменение может отразиться на здоровье человека.

Заключение

1. Построена классификация нано- и микромасшатбных частиц в атмосфере по их основным источникам. Особое внимание уделено следующим техногенным источникам нано- и микромасштабных частиц: топливно-энергетические комплексы (ТЭЦ, котельные, работающие на угле), нефтегазовые предприятия, горнодобывающие и горнообрабатывающие комплексы, автотранспорт и дизельный транспорт, промышленно-индустриальные предприятия, лесные пожары, авиация и ракетная техника. Практически все источники поставляют частицы в околоземный слой, а при благоприятной стратификации - в тропосферу на высоты более 2 км. Авиация, ракетная техника и лесные пожары, вносят также вклад в загрязнение стратосферы на высотах более 10-15 км. Ракетные запуски приводят к загрязнению ближайшего геокосмоса.

В заключение автор выражает благодарность доктору физико-математических наук С.И. Попелю за руководство работой.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Беседина, Юлия Николаевна, Москва

1. Anastasio С. and Martin S.T. Atmospheric Nanoparticles. in Nanoparticles and the Environment. / Banfield J. F., Navrotsky A. eds. — Washington, D.C.: Mineralogical Society of America, 2001. - V. 44. -P. 293-349.

2. Ивлев JI.C., Довгалюк JI.A. Физика атмосферных аэрозольных систем.- СПб, НИИХ СПбГУ, 1999. 194 с.

3. Дмитриев А.Н., Шитов А.В. Техногенное воздействие на природные процессы Земли. Проблемы глобальной экологии. — Новосибирск: Издательский дом "Манускрипт", 2003. 140 с.

4. Кондратьев К.Я. (ред.) Аэрозоль и климат. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1991.-541 с.

5. Адушкин В.В., Соловьев С.П., Будников В.А. Литосферные источники аэрозольного загрязнения атмосферы // Геология и геофизика. 1995. -Т 36, № 8. - С. 103-110.

6. Горчаков Г.И., Копров Б.М., Шукуров К.А. Вихревой вынос аридного субмикронного аэрозоля // Известия РАН. Физика атмосферы и океана.- 2003. -Т. 39, № 5. С. 596-608.

7. Гендугов В.М., Глазунов Г.П. Ветровая эрозия почвы и запыление воздуха. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. - 240 с.

8. Marsham J.H., Parker D.J., Grams С.М., Taylor C.M., and Haywood J.M. Uplift of Saharan dust south of the intertropical discontinuity // J. Geophys. Res.-2008.-V. 113.D21102.

9. Романов В.И. Прикладные аспекты аварийных выбросов в атмосферу. М: Физматкнига. 2006. - 368 с.

10. Fromm М. and Servranckx R. Transport of forest fire smoke above the tropopause by supercell convection // Geophys. Res. Lett. 2003.— V. 30, doi: 10.1029/2002GL016820.

11. Афонин C.B., Белов B.B. Региональный космомониторинг последствий лесных пожаров // Сборник научных статей "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса". — М.: ООО "Полиграф сервис". -2004. С.98-103.

12. Поповичева О.Б., Персианцева Н.М., Зубарева Н.А., Шония Н.К., Старик A.M., Савельев A.M. Сажевые аэрозоли в верхней тропосфере: свойства и последствия эмиссии авиации // НИИЯФ МГУ. 2005. — Т. 17.-С. 783.

13. Holton J.R., Haynes Р.Н., Douglass A.R., Rood R., and Pfister L. Stratosphere-troposphere exchange // Rev. Geophys. 1995. - V. 33, No 4. -P. 403-439.

14. Holton J.R. and Gettelman A. Horizontal transport and the dehydratation of the stratosphere // Geophys. Res. Let. 2001. - V. 28, No 14. - P. 27992802.

15. ЬСлумов Б.А., Морфилл Г.Е., Попель С.И. Формирование структур в запылённой ионосфере // ЖЭТФ. 2005. - Т. 127, № 1. - С. 171-185.

16. Бронштэн В.А., Гришин Н.И. Серебристые облака. М: Наука, 1970. — 360 с.

17. Robock A., Oman L., Stenchikov G.L., Toon O.B., Bardeen C., and Turco R.P. Climatic consequences of regional nuclear conflicts // Atmos. Chem. Phys. 2007. - V. 7. - P. 2003-2012.

18. Fromm M., Tupper A., Rosenfeld D., Servranckx R., and McRae R. Violent pyroconvective storm devastates Australias capital and pollutes the stratosphere // Geophys. Res. Lett. 2006. - V. 33. - P. L05815.

19. Stenchikov G.L., Kirchner I., Robock A., Graf H.-F., Antuna J.C., Grainger R.G., Lambert A., and Thomason L. Radiative forcing from the 1991 Mount Pinatubo volcanic eruption // J. Geophys. Res. 1998. - V. 103, No. D12. -P. 13837-13857.

20. Havnes O., de Angelis U., Bingham R., Goertz C.K., Morflll G.E., Tsytovich V.N. The Role of Dust in the Summer Mesopause // Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics. 1990. - V. 52. - P. 637-643.

21. Бронштэн В.А. Серебристые облака и их наблюдение. М: Наука, 1984.- 128 с.

22. Plane J.M.C. A time-resolved model of the mesospheric Na layer: constraints on the meteor input function // Atmos. Chem. Phys. 2004. -V. 4, No 3. - P. 627-638.

23. Summers M.E. and Siskind D.E. Surface recombination of О and H2 on meteoric dust as a source of mesospheric water vapor // Geophys. Res. Lett. 1999. - V. 26, No 13.-P. 1837-1840.

24. Попель С.И. Плазменная гелиогеофизика / Под ред. JI.M. Зеленого, И.С. Веселовского. -М.: Наука, 2008. Т. 2. - С. 368-390.

25. Ceplecha Z., Borovicka J., Elford W.G., ReVelle D.O., Hawkes R.L., Porubcan V., Simek M. Meteor phenomena and bodies // Space Sci. Rev. -1998. V. 84, No 3-4. - P. 327-471.

26. Hunten D.M., Turco R.P., Toon O.B. Smoke and dust particles of meteoric origin in the mesosphere and stratosphere // J. Atmos. Sci. 1980. — V. 37, №6.-P. 1342-1357.

27. Turco R.P., Toon O.B., Whitten R.C., Keesee R.G., Hollenbach D. Noctilucent clouds: simulation studies of their genesis, properties and global influences // Planetary and Space Science. 1982. - V.30. - P. 1147-1181.

28. Amyx K., Sternovsky Z., Knappmiller S., Robertson S., Horanyi M., Gumbel J. In-situ measurement of smoke particles in the wintertime polar mesosphere between 80 and 85 km altitude // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. -2008.-V. 70.-P. 61-70.

29. Schumann W.O. Uber die Stralungslosen Eigenschwingungen einer leitenden Kugel die von Luftschicht und einer Ionospharenhtille umgeben ist. // Z. Naturforsch. 1952. - V. 7A. - S. 149-154.

30. Williams E.R. The Schumann resonance a global tropical thermometer // Science.-1992.-V. 256.-P. 1184.

31. Cherry N. Schumann resonances, a plausible biophysical mechanism for the human health effects of solar/geomagnetic activity // Natural Hazards. — 2002.-V. 26.-P. 279-331.

32. Беседина Ю.Н., Попель С.И. Нано- и микромасштабные частицы и глобальные электромагнитные резонансы в полости Земля-ионосфера // Физика плазмы 2007. - Т. 33. - С. 159-167.

33. Беседина Ю.Н., Попель С.И. Циклонические вихри синоптического масштаба и возможность переноса мелкодисперсных частиц из тропосферы в стратосферу // Доклады Академии наук — 2008. — Т. 423. С. 680-684.

34. Беседина Ю.Н., Попель С.И. Вихревые движения и перенос мелкодисперсных частиц в ионосфере // Доклады Академии наук -2009. Т. 429, № 2. - С. 253-256.

35. Беседина Ю.Н., Попель С.И. Нано- и микромасштабные частицы в среде обитания. — В сб. Нано- и микромасштабные частицы в геофизических процессах / Под ред.: В.В. Адушкина и С.И. Попеля, -М.: МФТИ, 2006. С. 19-31.

36. Беседина Ю.Н., Попель С.И. Нано- и микромасштабные частицы и шумановские резонансы. В сб. Нано- и микромасштабные частицы в геофизических процессах / Под ред.: В.В. Адушкина и С.И. Попеля, -М.: МФТИ, 2006. - С. 62-73.

37. Беседина Ю.Н., Попель С.И. Вихревые движения и возможность переноса мелкодисперсных частиц. В сб. Геофизика межгеосферных взаимодействий / Под ред. В.В. Адушкина. - М.: Геос. 2008. - С. 247254.

38. Беседина Ю.Н., Попель С.И. Антропогенные нано- и микромасштабные частицы в атмосфере. В сб. Физические поля и динамика взаимодействующих геосфер / Под ред. С.Б. Турунтаева — М.: Геос, 2007. - С. 321-329.

39. Беседина Ю.Н., Попель С.И. Эволюция пылевых частиц в вихрях Россби // Труды МФТИ. 2009. - Т. 1, № 3. - С. 53-57.

40. Besedina J.N. and Popel S.I. Dust and Global Electromagnetic Resonances in Earth's Atmosphere // The International Conference MSS-04, Moscow, 2004. Mode Conversion, Coherent Structures and Turbulence. P. 74-79.

41. Besedina Yu.N., Popel S.I. Nano- and Microsize Particles and Schumann Resonances // General Assembly of the European Geosciences Union, Vienna, Austria, 2006. Geophysical Research Abstracts. — V. 8, — P. 00503.

42. Besedina Yu.N. and Popel S.I. Dust Grain Capture by Rossby Vortices in Earth's Atmosphere // General Assembly of the European Geosciences Union, Vienna, Austria, 2008. Geophysical Research Abstracts. - V. 10, -P. 01258.

43. Besedina Yu.N., Popel S.I,, and Pukhov A Synoptic vortex passage through a city and baroclinical instability // General Assembly of the European Geosciences Union, Vienna, Austria, 2009. — Geophysical Research Abstracts. V. 11, - P. 6708.

44. Besedina Yu.N. and Popel S.I. Cyclonic Rossby Vortices and a Possibility of Nano- and Microscale Dust Particle Transport from Troposphere into

45. Stratosphere // European Planetary Science Congress, Mtinster, Germany, 2008. -Abstracts. EPSC2008-A-00025.

46. Besedina Yu.N., Popel S.I., and Shukla P.K. Vortex motions and dust particle transport in the ionosphere // European Planetary Science Congress, Potsdam, Germany, 2009. -Abstracts. EPSC2009-41.

47. Besedina Yu.N., Popel S.I., and Sharykin I.N. Dust and Schumann resonances on Earth and Titan // European Planetary Science Congress, Potsdam, Germany, 2009. Geophysical Research Abstracts. - EPSC2009-206.

48. Беседина Ю.Н., Попель С.И. О влиянии пылевой компоненты на глобальные шумановские резонансы. // Тезисы докладов XXXIII Международной Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, Звенигород, Россия. М., 2006. - С. 247.

49. Беседина Ю.Н., Попель С.И. Пыль и глобальные электромагнитные резонансы в полости Земля-ионосфера. // Труды XLVII Научной конференции МФТИ, Москва-Долгопрудный, Россия. М., 2004. -ЧастьIII.-С. 98.

50. Беседина Ю.Н., Попель С.И. Нано- и микромасштабные частицы в глобальных шумановских резонансах. // Труды XLVIII Научной конференции МФТИ, Москва-Долгопрудный, Россия. М., 2005. -Часть III. - С. 66.

51. Беседина Ю.Н., Попель С.И. О возможности захвата пылевых частиц вихрями Россби. // Труды XLIX Научной конференции МФТИ, Москва-Долгопрудный, Россия. М., 2006. - Часть III. - С. 102-103.

52. Беседина Ю.Н., Попель С.И. О влиянии атмосферных нано- и микромасштабных частиц на шумановские резонансы. // Труды молодежной конференции «Физика и прогресс», Санкт-Петербург, Россия. Спб., 2007. - С. 15-19.

53. Беседина Ю.Н., Попель С.И. Пылевые частицы в атмосферных вихрях Россби. // Труды молодежной конференции «Физика и прогресс», Санкт-Петербург, Россия. Спб., 2007. - С. 20-24.

54. Беседина Ю.Н., Попель С.И. Эволюция пылевых частиц в вихрях Россби. // Труды 50-й конференции МФТИ "Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук", Москва-Долгопрудный, Россия. М., 2007. - Часть III.-T. 1, - С 55-57.

55. Беседина Ю.Н., Попель С.И. Пылевые частицы в атмосферных вихревых структурах синоптического масштаба. // Труды 51-й конференции МФТИ "Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук", Москва-Долгопрудный, Россия. М., 2008. -Часть III.-С 41-44.

56. Sem G.J., Boulaud D., Brimblecombe P., Ensor D.S., Gentry J.W., Marijnissen J.C.M, and Preining O. (eds.) History and reviews of aerosol science. American Association for Aerosol Research, 2005. - 464 p.

57. Kreidenweis S.M., Tyndall G.S., Barth M.C., Dentener F., Lelieveld J., and Mozurkewich M. Aerosols and Clouds. In: Atmospheric Chemistry and

58. Global Change / Brasseur G.P., Orlando J.J., and Tyndall G.S. eds. New York: Oxford University Press, 1999.-P. 117-155.

59. Пискунов B.H. Теоретические модели кинетики формирования аэрозолей. Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2000. - 209 с.

60. Coffman D.J. and Hegg D.A. A Preliminary Study of the Effect of Ammonia in Particle Nucleation in the Marine Boundary Layer // J. Geophys. Res. 1995. -V. 100. - P. 7147-7160.

61. Cass G.R., Hughes L.A., Bhave P., Allen J.O., and Salmon L.G. The Chemical Composition of Atmospheric Ultrafine Particles // Phil Trans Roy Soc Lond. A. 2000. - V. 385. - P. 2581-2592.

62. Pope C.A., Dockery D.W., Schwartz J. Review of Epidemiological Evidence of Health Effects of Particulate Air Pollution // Inhal Toxicol. A. -1995.-V. 7.-P. 1-18.

63. Чен Б.Б., Свердлик Г.Н. Микроструктура и коэффициенты ослабления азиатского коричневого облака // Вестник КРСУ. 2003. - Т. 3, №2. -С. 74-79.

64. Чен Б.Б., Лелевкин В.М. К динамике азиатского коричневого облака // Вестник КРСУ. Серия Физика. 2003. - Вып. 5. - С. 116-122.

65. Чен Б.Б., Свердлик Г.Н., Когай Г.А. Лидарные исследования Атмосферного Коричневого Облака в Центральной Азии // Вестник КРСУ. 2003. - Т. 3, №6. - С. 117-122.

66. Ramanathan V. and Crutzen P.J. New Directions: Atmospheric Brown "Clouds" // Atmospheric Environment. 2003. - V.37. - P. 4033-4035.

67. Ramanathan V. and Ramana M.V. Atmospheric Brown Clouds: Long Range Ttansport and Climate Impacts // Environment Management. 2003. -P. 28-33.

68. Ивашов П.В. Топливная энергетика и "парниковый эффект".// География и природные ресурсы. 2006. — № 3. - С. 22-25.

69. Ежегодник выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух городов и регионов Российской Федерации за 2007 год. Под. ред. Миляева В.Б. СПб, 2008. - 208 с.

70. Государственный доклад "О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1996 г." // Зеленый мир. Специальный выпуск. -1997. -№26. -С. 3-27.

71. Отчет по охране окружающей среды. РАО "Газпром", 1996. 33 с.

72. Robinson E.A., Robbins R.C. Gaseous atmospheric pollutants from urban and natural sources. in: Global effects of environmental pollution. / Singer S.F. ed. - Gettingen and New York: Springer-Verlag, 1970 - P. 50-64.

73. Романов В.И. Прикладные аспекты аварийных выбросов в атмосферу. М: Физматкнига. - 2006. - 368 с.

74. Онищенко О.Г., Похотелов О.А., Астафьева Н.М. Генерация крупномасштабных вихрей и зональных ветров в атмосферах планет // УФН. 2008. - Т. 178, № 6. - С. 605-618.

75. Петвиашвили В.И., Похотелов О.А. Уединенные волны в плазме и атмосфере. — М.: Энергоатомиздат, 1989. 200с.

76. Незлин М.В., Снежкин Е.Н. Вихри Россби и спиральные структуры. -М.: Наука, 1990.-240 с.

77. Незлин М.В. Солитоны Россби .// УФН. 1986. - Т. 150, Вып. 1. -С. 2-60.

78. Антипов С.В., Незлин М.В., Снежкин Е.Н., Трубников А.С. Солитон Россби в лабораттории.// ЖЭТФ. 1982. - Т. 82, Вып. 1. - С. 145-159.

79. Сутырин Г.Г. К теории уединенных антициклонов во вращающейся жидкости // ДАН СССР. 1985. - Т. 280, № 5. - С. 1101-1104.

80. Сутырин Г.Г., Юшина И.Г. Формирование вихревого солитона // ДАН СССР. 1988. - Т. 299, № 3. - С. 580-584.

81. Педлосски Дж. Геофизическая гидродинамика в 2-х томах. М.: Мир, 1984.-398 и 416с.

82. Физика океана. Том 2. Гидроднамика океана. Под ред. Каменкович В.М. и Монин А.С. М: Наука, 1978. - 456 с.

83. Антонова Р.А., Жвания Б.П., Ломинадзе Д.Г. Нанобашвили Дж.И., Чагелишвили Г.Д., Яньков В.В. Взаимодействие диполярных вихрей с твердой границей и их дальнейшая динамика // Физика плазмы. 1996. -Т.22, №9. С.857-864.

84. Пальмен Э., Ньютон Ч. Циркуляционные системы атмосферы. JL: Гидрометеоиздат, 1973. - 603 с.

85. Морозов А.И. Введение в плазмодинамику. М.: Физматлит, 2008. — 616 с.

86. Ларичев В.Д., Резник Г.М. О двумерных уединенных волнах Россби // ДАН СССР. 1976.-Т. 231,№5.-С. 1077-1079.

87. Oman L., Robock A., Stenchikov G.L., Thordarson Т., Koch D., Shindell D.T., and Gao C. Modeling the distribution of the volcanic aerosol cloud from the 1783-1784 Laki 376 eruption // J. Geophys. Res. 2006. - V. 111. — P. D12209.

88. Белашов В.Ю. Динамика нелинейных внутренних гравитационных волн на высотах F-области ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. — 1990. Т. 30, № 4. - С. 637-641.

89. Белашова А.А., Белашов В.Ю., Поддельский И.Н. Комплексные исследования динамики волновых ионосферных возмущений в Дальневосточном регионе СССР // Геомагнетизм и аэрономия. 1990. -Т. 30, № 4. - С. 647-650.

90. Belashova E.S., Belashov V.Yu., Vladimirov S.V. Structure and evolution of IGW and TID in regions with sharp gradients of the ionospheric parameters // Journal of Geophysical Research. 2007. - V. 122.-A07302.

91. Абурджаниа Г.Д. Самоорганизация акустико-гравитационных вихрей в ионосфере перед землетрясением // Физика плазмы. 1990. — Т. 22, № 10.-С. 954-959.

92. Абурджаниа Г.Д. Самоорганизация нелинейных вихревых структур и вихревой турбулентности в диспергирующих средах. — М.: КомКнига, 2006. 328 с.

93. Hasegawa A., Shukla Р.К. Dust vortex modes in a nonuniform dusty plasma // Phys. Let. A. 2004. - V. 332. - P. 82-85.

94. Атмосфера. Справочник. JT.: Гидрометеоиздат, 1991. - 510 с.

95. ГОСТ 4401-81. Атмосфера стандартная. Параметры. — М.: Издательство стандартов, 1981. 265 с.

96. Ляхов В.В. Акустико-гравитационные волны в неадиабатической атмосфере // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. — 2007. — Т. 43, №3.-С. 342-350.

97. Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988.-527 с.

98. Stenflo L. Acoustic solitary vortices // Phys. Fluids. 1987. - V. 30, No 10.-P. 3297-3299.

99. Stenflo L. and Stepanyants Yu.A. Acoustic-gravity modons in the atmosphere // Ann. Geophysicae. -1995. -V. 13. P. 973-975.

100. Stenflo L. Nonlinear equations for acoustic gravity waves // Phys. Let. A. -1996. V. 222. - P. 378-380.

101. Фортов B.E., Храпак А.Г., Якубов И.Т. Физика неидеальной плазмы.- М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. 528 с.

102. Попова О.П. Нано- и микромасштабные частицы в геофизических процессах. — В сб. Нано- и микромасштабные частицы в геофизических процессах / Под ред.: Адушкина В.В. и Попеля С.И., М.: МФТИ, 2006. -С. 95-103.

103. Shukla Р.К., Eliasson В., and Shaikh D. Nonlinear dusty plasma physics.- in New Vistas in Dusty Plasmas / Edited by Boufendi L., Mikkian M., and Shukla P.K. — Melville, New York: American Institute of Physics, 2005. P. 48-58.

104. Vladimirov S.V., Tsytovich V.N., Popel S.I., Khakimov F.Kh. Modulational interactions in plasmas. Dordrecht-Boston-London: Kluwer Academic Publishers, 1995.-544 p.

105. Molina-Cuberos G.J., Morente J.A., Besser B.P., Porti J., Lichtenegger H., Schwingenschuh K., Salinas A. and Margineda J. Schumann resonances as a tool to study the lower ionosphere structure of Mars // Radio Science. 2006. - V. 41. - P. RS1003.

106. Цытович B.H. Плазменно-пылевые кристаллы, капли, облака // УФН. 1997. - Т. 167, №1.- С. 57-99.

107. Фортов В.Е., Храпак А.Г., Храпак С.А., Молотков В.И., Петров О.Ф. Пылевая плазма // УФН. 2004. - Т. 174. - С. 495-544.

108. Блиох П.В., Николаенко А.П., Филиппов Ю.Ф. Глобальные электромагнитные резонансы в полости Земля-ионосфера. Киев: Наукова думка, 1977. - 200 с.

109. Вайнштейн JI.A. Электромагнитные волны. М.: Радио и связь, 1988.-571 с.

110. Chen F.F. Electric Probes. In: Plasma Diagnostic Techniques / Huddelstone R.H. and Leonard S.L. eds. - New York.: Academic, 1965. -Chap. 4.-P. 113-200.

111. Barnes M.S. Keller J.H., Forster J.C., O'Neill J.A., and Coultas D.K. Transport of dust particles in glow-discharge plasmas // Phys. Rev. Lett. — 1992.-V. 68.-P. 313-316.

112. Havnes O. Dusty Plasmas in the Ionosphere and its Environment. — In: Dusty Plasmas in the New Millenium / Bharuthram R., Hellberg M.A., Shukla P.K., and Verheest F. eds. Melville. New York: AIP, 2002. -P. 13-21.

113. Шувалов B.B., Трубецкая И.А. Извержение вулкана Тамборы (1815г.): обзор наблюдательных данных и численное моделирование. -В сб. Геофизика межгеосферных взаимодействий / Под ред. Ю.И. Зецера. М.: Геофизика среды обитания, 2004. - С. 336-345.

114. Руленко О.П., Климин Н.Н., Дьяконова И.Н. и Кирьянов В.Ю. Исследование электризации облаков, создаваемых распылением вулканического пепла // Вулканология и сейсмология. 1986. - № 2. -С. 17-29.

115. Руленко О.П. Электризация вулканических облаков // Вулканология и сейсмология. 1985. -№ 5. - С. 71-83.

116. Адамчук Ю.В., Титов В.В. Электрические процессы и образование молний в вулканическом аэрозоле. Препринт ИАЭ-4016/1, 1984.

117. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Физика молнии и молниезащиты. М.: Физматлит, 2001. - 180 с.

118. Мучник В.М. Физика грозы. М.: Гидрометеоиздат, 1974. - 352 с.

Информация о работе

Беседина, Юлия Николаевна
кандидата физико-математических наук
Москва, 2009
ВАК 25.00.29

Диссертация

Нано- и микромасштабные частицы в волновых явлениях в системе тропосфера-стратосфера-ионосфера - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы