Особенности электрических характеристик тропосферы полярных широт

Ахметов, Олег Иршатович

Автореферат диссертации по теме "Особенности электрических характеристик тропосферы полярных широт"

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

АХМЕТОВ Олег Иршатович

ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРОПОСФЕРЫ ПОЛЯРНЫХ ШИРОТ

Специальность 25.00.29 - «Физика атмосферы и гидросферы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

- з ДЕК 2009

Санкт-Петербург 2009

003486987

Работа выполнена в Полярном геофизическом институте Кольского научного центра Российской Академии наук.

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, доцент Федоренко Юрий Валентинович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

Морозов Владимир Николаевич

ГТО им. А.И.Воейкова (г. Санкт-Петербург)

кандидат физико-математических наук Власенко Сергей Сергеевич СПбГУ (г. Санкт-Петербург)

Ведущая организация: Российский государственный

гидрометеорологический университет (г. Санкт-Петербург)

Защита диссертации состоится г. в//? час.

на заседании Совета Д.212.232.33 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034 Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГОГУ.

Автореферат разослан " /У2009 г.

Ученый секретарь Совета Д.212.232.35 по защите докторских и кандидатских диссертаций, к.ф.-м.н.

(

Котиков А.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена экспериментальному исследованию основных электрических параметров полярной атмосферы на Кольском полуострове. В работе рассматривается широкий круг вопросов, связанных с методикой получения данных об атмосферном токе, поле и удельной проводимости, а также связи электрических, динамических и иных процессов, протекающих в полярной атмосфере.

Актуальность проблемы. Экспериментальное изучение нижней атмосферы играет важную роль в физике атмосферы, так как имсино этот слой является средой обитания живых существ на земле. Од1шм из перспективных направлений в атмосферной физике является изучение атмосферного электричества. В настоящее время предпринимаются попытки использовать измерения электрических параметров атмосферы в таких важных задачах, как предсказания землетрясений или при определении степени загрязненности атмосферы. Электрические параметры атмосферы оказываются очень чувствительны к состоянию окружающей среды, что, с одной стороны, может сделать их хорошим индикатором этого состояния, а с другой - значительно усложняет их анализ. В этой связи огромное значение для атмосферной физики представляют исследования связи электрических и динамических процессов, протекающих в атмосфере, чему и посвящена данная работа.

В отличие от ранее проводимых в условиях высоких широт наблюдений электрических характеристик атмосферы, представленные в работе измерения выполняются на постоянной основе, в комплексе с регистрацией нескольких геофизических параметров, с использованием методов разнесенного приема и методов численного моделирования, позволяющих учитывать влияние локальных особенностей места установки датчиков. Необходимо отметить, что, в отличие от средних широт, для атмосферы полярных широт характерен ряд особенностей, которые могут оказывать значительное влияние на такие параметры атмосферы, как скорость ионизации и удельная проводимость нижней атмосферы. К таким особенностям можно отнести малое значение геомагнитного порога обрезания, приводящее к более глубокому проникновению космических лучей в атмосферу. В этой связи значительный интерес представляет задача исследования влияния этих особенностей на процессы ионизации в области высоких широт. Цель и задачи работы: Целью работы являлось исследование пространственной структуры объемного заряда и атмосферного тока в приземном слое атмосферы при различных метеорологических условиях, изучение спектральных характеристик вариаций атмосферного давления и вариаций плотности атмосферного тока в условиях спокойной и возмущенной атмосферы, а также выявление влияния космических лучей на среднюю удельную проводимость в приземном слое тропосферы полярных широт.

Для достижения поставленных целей необходимо было выполнить ряд научных и инженерных задач:

• Создать системы измерения атмосферных токов и микропульсаций атмосферного давления. Провести калибровку вновь созданных систем и разработать метод коррекции данных плотности атмосферного тока и напряженности электрического поля для учета локальных особенностей места установки датчиков. Создать атмосферный измерительный комплекс, объединив созданные системы с уже существующей системой контроля метеопараметров, установленной на полигоне ПГИ КНЦ РАН.

• Оценить вклад токов различной природы в данные, регистрируемые системой измерения атмосферных токов при различных метеоусловиях. Для исследования пространственной структуры объемного заряда и атмосферного тока в приземном слое атмосферы провести статистическую обработку вариаций плотности атмосферного электрического тока в различных метеорологических условиях. Проверить согласие подученных экспериментальных результатов с теоретическими оценками.

• Провести сравнение методов спектрального оценивания и выбрать метод, наиболее подходящий для поиска и анализа сигналов, обладающих свойствами самоподобия. Провести исследование спектров вариаций атмосферного давления и плотности атмосферного тока в условиях спокойной и возмущенной атмосферы, сравнить полученные результаты с данными об условиях развития турбулентного режима в приземном слое атмосферы для г.Апатиты.

• Провести совместный анализ среднесуточных вариаций атмосферного электрического тока проводимости, вертикальной компоненты электрического поля, удельной проводимости приземного слоя и интенсивности космических лучей в различные времена года, чтобы определить временную зависимость влияния космических лучей на среднюю удельную проводимость в приземном слое тропосферы полярных широт. Оценить значение удельной проводимости, связанной с ионизацией атмосферы космическими лучами по данным баллонных наблюдений на полигоне ПГИ КНЦ РАН. Проверить, согласуется ли полученная оценка значения со значениями, рассчитанными по данным о плотности атмосферного тока и напряженности электрического поля.

Для выполнения этих задач использованы:

• Результаты постоянных наблюдений вариаций атмосферного электрического тока проводимости, вертикальной компоненты электрического поля, скорости и направления ветра, интенсивности метеоосадков на базе автоматизированного атмосферного измерительного комплекса на полигоне ПГИ КНЦ РАН в г.Апатиты.

• Результаты постоянных наблюдений вариаций интенсивности космических лучей при помощи нейтронного монитора, установленного в г. Апатиты. Данные баллонных измерений интенсивности космических лучей на полигоне ПГИ КНЦ РАН в г.Апатиты.

• Результаты исследований электрических и динамических характеристик атмосферы.

Достоверность полученных в диссертации результатов определялась следующими факторами:

• Устойчивостью работы измерительной аппаратуры.

• Согласием с результатами других исследователей.

• Соответствием полученных результатов существующим физическим представлениям.

Научная новизна.

1. Впервые установлена пространственная структура электрического тока дождя по данным о плотности атмосферного тока, полученным с помощью пространственно распределенной антенны. Показано, что функция распределения зарядов капель дождя постоянна для одного дождевого облака, но может изменяться от одного облака к другому.

2. Обнаружены аэроэлектрические неоднородности в приземном слое атмосферы по данным о плотности атмосферного тока. Показано, что в периоды ветреной погоды обнаруживается временной сдвиг между сигналами с разных плеч токового коллектора, обусловленный перемещением аэроэлектрических неоднородностей. Оценен характерный горизонтальный размер указанных неоднородностей.

3. Впервые показано, что вариации плотности атмосферного тока обладают свойствами самоподобия в условиях возмущенной атмосферы, а вариации атмосферного давления - в условиях спокойной атмосферы. Для случаев когда вариации атмосферного тока или атмосферного давления обладают свойствами самоподобия оценены значения спектральных индексов их степенных спектров.

4. Впервые по данным наземных наблюдений космических лучей, плотности атмосферного тока и напряженности электрического поля установлено влияние вариаций космических лучей на удельную проводимость приземного слоя высокоширотной тропосферы в зимний и весенний сезоны.

5. Выявлена сезонная зависимость влияния космических лучей на среднюю удельную проводимость приземного слоя атмосферы высоких широт. По данным шаров-зондов оценена величина удельной проводимости приземного слоя, обусловленная ионизацией воздуха под действием космических лучей.

Положения, выносимые иа защиту.

1. Структура, схемная реализация, программное обеспечение и методика обработки данных систем измерения атмосферных токов и атмосферного давления, входящих в состав атмосферного измерительного комплекса, предназначенного для экспериментального исследования атмосферного электричества в авроралыюй зоне.

2. Исследована пространственная структура атмосферного тока при разных метеоусловиях. Показано, что функция распределения зарядов капель дождя постоянна для одного дождевого облака, по может изменяться от одного облака к другому. Обнаружены аэроэлектрические неоднородности в приземном слое атмосферы по временному сдвигу между сигналами плотности атмосферного тока полученными разных плеч токового коллектора. Оценен характерный горизонтальный размер указанных неоднородностей, который составляет ~ 20+600м.

3. На основе вейвлет-спектров флуктуации атмосферного давления и плотности атмосферного тока в условиях спокойной и возмущенной атмосферы оценены спектральные индексы для случаев, когда вариации атмосферного тока или атмосферного давления обладают свойствами самоподобия. Показано, что источником самоподобия в вариациях атмосферного тока являются турбулентные аэродинамические процессы, характеризующиеся степенным спектром. В условиях спокойной атмосферы наибольший вклад дают вариации глобальной природы, имеющие отличный от степенного вид вейвлет-спектра. Вариации давления нелокальной природы, регистрируемые в невозмущенной атмосфере, обладают свойствами самоподобия о чем свидетельствует степенной характер вейвлет-спектра. Локальные турбулентные аэродинамические процессы, характерные для возмущенной атмосферы, вызывают отличные от степенного вейвлет-спектры пульсаций давления.

4. По данным наземных наблюдений космических лучей, плотности атмосферного тока и напряженности электрического поля установлено влияние космических лучей на удельную проводимость приземного слоя высокоширотной тропосферы в зимний и весенний сезоны. Выявлена сезонная зависимость влияния космических лучей на среднюю удельную проводимость приземного слоя атмосферы высоких широт. По данным шаров-зондов оценена величина удельной проводимости приземного слоя, обусловленная ионизацией воздуха под действием космических лучей.

Научная и практическая значимость.

Полученные в работе результаты по структуре объемного заряда и тока в приземном слое атмосферы, а также данные о природе флуктуаций атмосферного давления и плотности атмосферного тока и значениях спектральных индексов, соответствующих различным динамическим режимам атмосферы, могут

использоваться при построении теоретических моделей электрической структуры приземного слоя. Результаты исследования влияния космических лучей на скорость ионизации в нижней атмосфере будут полезны для понимания механизма взаимодействия земля-ионосфсра через токовый канал связи, который является неотъемлемой частью глобальной электрической цепи. Структурная и схемная реализации атмосферного измерительного комплекса могут представлять интерес для исследователей, занимающихся как изучением атмосферных электрических процессов, так и других направлений атмосферной физики. Предложенный метод коррекции данных о вертикальной компоненте электрического поля и плотности атмосферного тока проводимости с учетом локальных особенностей места установки датчиков может существенно повысить точность абсолютных измерений в условиях сложной топографии.

Диссертация выполнена при поддержке программы фундаментальных исследований ОФН РАН №11 «Электродинамика атмосферы, радиофизические методы исследований атмосферных процессов», проект №4.5 «Атмосферное электричество в нижней атмосфере полярных широт». Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на Всероссийской конференции по атмосферному электричеству (Н.Новгород, 2007г.), на Всероссийских конференциях молодых ученых "Состав атмосферы. Атмосферное электричество. Климатические эффекты" (Н.Новгород, 2007г.; Борок, 2008г.), на 29-м, 30-м, 31-ми 32-м Ежегодных международных семинарах «Физика авроральных явлений» (Апатиты, 2006,2007,2008 и 2009 гг.). Публикации

По теме диссертации опубликованы три статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК для опубликования основных результатов кандидатских диссертаций

Личный вклад автора. Ахметов О.И. лично принимал участие в разработке программного обеспечения, развертывании, калибровке и эксплуатации систем измерения атмосферных токов и атмосферного давления на Кольском полуострове. Автором лично предложен и применен метод учета особенностей топографии места установки антенны атмосферных токов и устройства регистрации вертикальной компоненты электрического поля «Поле-2»; выполнен сбор данных атмосферного измерительного комплекса и в полном объеме выполнена их обработка. Диссертанту принадлежит авторство в выборе методов решения поставленных задач научного исследования. Все результаты по теме диссертации получены лично автором или при его активном участии.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 108 наименований. Объем работы составляет 138 стр. включая 39 рисунков и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Данная работа посвящена исследованию электрических и динамических характеристик тропосферы высоких широт, выполненных в ПШ КНЦ РАН с целью установления взаимосвязи между ними.

Во введении сформулированы цели и задачи диссертационной работы, обоснована их актуальность, научная новизна и практическая значимость, указал личный вклад автора и сформулированы основные научные результаты, выносимые на защиту. Кратко описано содержание работы.

В первой главе представлено описание созданного при участии автора атмосферного измерительного комплекса и других измерительных систем, данные которых используются для описанных в работе исследований. Глава состоит из трех разделов.

В первом разделе представлен краткий критический обзор существующих средств регистрации плотности атмосферного тока и микропульсаций атмосферного давления, а также обоснована необходимость создания автором собственных систем регистрации. Здесь же представлены краткие сведения об устройстве и принципе действия другого экспериментального оборудования, данные которого использовались в работе.

Второй раздел посвящен подробному описанию созданной при участии автора системы измерения атмосферных токов. Датчик данной системы представляет собой пространственно распределенную антенну, каждая часть которой является проволочным токовым коллектором, подключенным к одному из каналов регистратора. Регистратор позволяет проводить непрерывные измерения плотности атмосферного тока в частотном диапазоне 0-584 Гц с динамическим диапазоном 105 децибел.

В третьем разделе представлено описание созданного автором жидкостного микробарографа, предназначенного для регистрации микропульсаций атмосферного давления в частотном диапазоне 0-6,5 Гц с динамическим диапазоном 96 децибел. Структура созданного автором атмосферного измерительного комплекса приведена на рис. 1. Он состоит из системы измерения атмосферного тока (верхняя правая панель), жидкостного микробарографа (верхняя левая панель), системы контроля метеорологических параметров и датчика напряженности электрического поля «Поле-2» (нижняя панель). Система измерения атмосферного тока снабжена устройством синхронизации, которое благодаря приемнику GPS осуществляет временную привязку данных о плотности атмосферного тока к мировому времени. Кроме того, приемник GPS подключен к серверу точного времени, благодаря которому поддерживается актуальное время на компьютерах атмосферного измерительного комплекса.

р

' атм

fRS-48 5

Жидкостный микробарограф

Ethernet

Система измерения атмосферных токов

«I

t I I Приемник GPS

RS-232

RS-4S5

igf^l

RS-232

Jjjt

Синхронизатор

сервер точного времени

Ethernet

RS-232

ггщ шгшшн

J: '7 Ann 16 каналов по 12 бит

Система мониторинга метеолараметрое и вертикального электрического поля

-ti

444 4 4 6 î 4 4

¿£±3

Internet

Сеть ПГИ

W"

Рис. 1. Блок - схема атмосферного измерительного комплекса.

Вторая глава диссертации посвящена описанию методов калибровки созданных автором измерительных систем, коррекции и обработки всех используемых в диссертации данных. Глава состоит из трех разделов.

В первом разделе представлена методика калибровки систем измерения атмосферных токов и микропульсаций атмосферного давления. Нахождение реального сигнала _/</() по его измеренным значениям ¡(1) в данной методике калибровки достигается путем приближенного решения интегрального уравнения первого рода тина свертки с учетом погрешности измерения импульсной характеристики системы регистрации: 1 "г к1(со)1(со)

'.«-i h

-dt

(i)

2к ^КА(<у)Л:;,(й>)-а(йГ +1) доставляющую минимум сглаживающему функционалу = +<Ф1Г-

Здесь К,,(т) и ¡(со) - Фурье образы импульсной характеристики и измеренных значений ¡(1) исследуемого сигнала, а - регуляризующий коэффициент, связанный с погрешностями определения А'/, и 1(1), А - оператор свертки.

Таким образом, можно скомпенсировать искажения, вносимые фильтрами, усилителями и АЦП в исследуемые сигналы, что имеет особо важное значение при анализе их спектральных свойств.

Второй раздел посвящен расчету влияния топографических особенностей в месте установки токовых коллекторов и датчика напряженности поля и электродного эффекта на результаты измерения плотности атмосферного тока проводимости и вертикальной компоненты электрического поля. Для коррекции искажения линий тока и поля автором производилось моделирование пространственной структуры атмосферного тока, напряженности электрического поля и объемного заряда вблизи земли в условиях, соответствующих реально существующим в области проведения наблюдений. Было разработано специальное программное обеспечение, позволяющее решать краевые задачи для системы уравнений классического электродного эффекта в трехмерной области:

где п'1 - объемная концентрация ионов / - ой группы, Ь\ - их подвижность, сД -интенсивность образования ионов, а'л - коэффициенты рекомбинации, Е~ напряженность электрического поля, р - объемная плотность заряда. Необходимость разработки такого программного обеспечения обусловлена отсутствием средств решения систем уравнений электродного эффекта в трехмерной области.

Для моделирования используется область, ограниченная условиями Дирихле сверху и снизу, а с боков условиями Неймана. Для нахождения решения внутри области вычислений (куб со стороной 200 метров) были применены методы градиентного спуска и итераций. Программное обеспечение осуществляющие моделирование разработано с применением алгоритмов параллельных вычислений для лучшего использования возможностей современных вычислительных систем. Использование представленной методики для моделирования пространственной структуры линий плотности атмосферного тока и напряженности электрического поля с учетом классического электродного эффекта позволило избежать значительной (более 50%) систематической ошибки при измерениях абсолютных значений плотности атмосферного тока и вертикальной компоненты электрического поля в сложных топографических условиях. Это имеет особую важность для представленных в третьей главе исследований временных изменений средней удельной проводимости в приземном слое атмосферы и интенсивности космических лучей.

В третьем разделе описаны разработанные автором алгоритмы обработки данных, используемые в третьей главе диссертационной работы для получения научных результатов.

(2)

Третья глава посвящена исследованию электрических характеристик тропосферы высоких широт на основе экспериментальных данных о плотности атмосферного тока и других параметров тропосферы в районе Кольского полуострова. Она состоит из четырех разделов, представляющих исследования атмосферного электричества разных направлений, объединенные общей целью - комплексным исследованием электрических и динамических характеристик тропосферы высоких широт. Здесь представлены исследования пространственной структуры объемного заряда и атмосферного тока в приземном слое атмосферы при различных метеорологических условиях, анализ спектральных характеристик вариаций атмосферного давления и плотности атмосферного тока в условиях спокойной и возмущенной атмосферы, изучение временной зависимости влияния космических лучей на среднюю удельную проводимость в приземном слое атмосферы полярных широт.

В первом разделе представлены теоретические оценки вклада токов различной природы в ток, измеряемый токовым коллектором при различных метеоусловиях. В таблице 1 нредставлепы оценки вклада токов различной природы в ток, собираемый коллектором в условиях спокойной и возмущенной атмосферы. Данные оценки необходимы для понимания механизмов связи электрических и динамических параметров приземного слоя атмосферы. Полученные оценки особенно важны при выработке критериев отбора данных плотности атмосферного тока для исследований удельной проводимости в приземном слое, выполненных в четвертом разделе данной главы.

Во втором разделе рассматривается зависимость статистических свойств токов в нижних слоях атмосферы Кольского полуострова от скорости и направления ветра.

Таблица 1. Вклад токов различной природы в ток, регистрируемый токовым

коллектором.

Возмущенные условия > 5 м*с1

Частота/изменения Е2, полоса Д/' Ток смещения Ток проводимости 1поп Конвективный ток 1ыг

/"=//>, А{=10 Гц 31% 20% | 49%

/•= Ш' Гц, Д/-= 1 Гц 18% 24% 58%

Гц, Д/= 0.1 Гц 12% 26% 62%

)= 10 * Гц, АГ=0.01 Гц 6% 28% 66%

Спокойные условия ою <0.5м*с'

Частота / изменения £2, полоса Д/' Ток смещения /а Ток проводимости 1с-оп Конвективный ток 1/нГ

/■= I Гц, Д/= 10 Гц 55% 36% I 9%

(= т' Гц, А/~= 1Гц 37% 51% 12%

Г= 10 ' Гц, Д/= 0.1 Гц 27% 59% 14%

/"= 1(Г' Гц, А/= 0.01 Гц 16% 68% | 16%

Оцениваются характерные горизонтальные масштабы аэроэлектрических неоднородностей. Исследуется пространственная структура токов осадков. Здесь пространственно распределенная система регистрации атмосферных токов позволила оценить характерные горизонтальные масштабы аэроэлектрических неоднородностей и исследовать пространственно-временные характеристики токов осадков. На основе совместного с метеоданными анализа спектров мощности Уэлча, спектров когерентности и кроссковариационных функций, рассчитанных но данным системы регистрации атмосферных токов, показано, что горизонтальные масштабы аэроэлектрических неоднородностей лежат в пределах от 20 до 600 м, а функция распределения зарядов капель дождя постоянна для одного дождевого облака, но может изменяться от одного облака к другому. Достоверность оценки горизонтальных масштабов аэроэлектрических неоднородностей, представленной в этом разделе, подтверждается хорошим согласием с результатами исследований среднеширотной обсерватории Борок, полученными по данным о напряженности электрического поля. Вывод по пространственной структуре тока дождя проверяется посредством численного моделирования. В модели численно рассчитывался отклик в данных токового коллектора на пуассоновский поток дождевых капель с изменяющейся функцией распределения заряда капель в потоке, падающих на его поверхность.

В третьем разделе представлены исследования шумовых характеристик флуктуаций атмосферного тока и атмосферного давления, интерес к которым, с одной стороны, обусловлен поисками пульсаций глобальной природы, а с другой -изучением свойств приземной атмосферы, как физической среды. В начале раздела, основываясь на работах Абри показано, что для анализа спектров сигналов, обладающих свойствами самоподобия, более подходят методы, основанные на вейвлет-преобразовании, чем методы, основанные на преобразовании Фурье. Далее в разделе описаны основанные на методе Абри исследования поведения спектров и спектральных индексов для флуктуаций атмосферного тока и атмосферного давления в спокойных и возмущенных условиях атмосферы. Привлекая статистические данные, полученные для г.Апатиты, по вероятности развития турбулентного режима атмосферы в приземном слое при разных горизонтальных составляющих скорости ветра удалось объяснить вид (степенной или нестепенной) полученных спектров. Результаты представленных в третьем разделе исследований вероятности получения сигналов со степенным или нестепенным спектром при различных условиях сведены в таблицу 2.

Основываясь на полученных закономерностях, сделан вывод, что источником самоподобия в вариациях атмосферного тока являются турбулентные аэродинамические процессы, характеризующиеся степенным спектром.

Таблица 2. Вид глобальных вейвлет-спектров вариаций плотности атмосферного тока и атмосферного давления.

Метеоусловия Спокойная атмосфера Ветер менее 1м/с Возмущенная атмосфера Ветер от I до 4,5 м/с

Коэффициент турбулентности [0-0,05] в 87% случаев [0,06-0.15] и 13% случаев [0-0,05] в 36% случаев [0,06-0,21 в 64% случаев

Вид глобального вейвлет-спектра вариаций плотности атмосферного тока Степенной спектр в 21% случаев Нестепенной спектр в 79% случаев Степенной спектр в 72% случаев Нестепенной спектр в 28% случаев

Вид глобального вейвлет-спектра вариаций атмосферного давления Степенной спектр в 44% случаев Нестепенной спектр в 56% случаев Степенной спектр в 14% случаев Нестепенной спектр в 86% случаев

В условиях спокойной атмосферы наибольший вклад дают вариации глобальной природы, имеющие отличный от степенного вид вейвлет-спекгра. Вариации давления нелокальной природы, регистрируемые в невозмущенной атмосфере, обладают свойствами самоподобия, о чем свидетельствует степенной характер вейвлет спектра. Локальные турбулентные аэродинамические процессы, характерные для возмущенной атмосферы, вызывают отличные от степенного вейвлет-спектры пульсаций давления.

Результаты исследований, проведенных в первом, втором и третьем разделах, оказались полезны при отборе таких данных плотности атмосферного тока, когда большая его часть являлась током проводимости атмосферы. Это имело большое значение при исследовании влияния космических лучей на удельную проводимость приземного слоя атмосферы полярных широт, выполненном в четвертом разделе данной главы.

В четвертом разделе диссертационной работы представлен совместный анализ вариаций плотности атмосферного тока, напряженности электрического поля, удельной проводимости приземного слоя атмосферы и интенсивности космических лучей. В качестве показателя, характеризующего интенсивность космических лучей, использовались данные нейтронного монитора, установленного в г. Апатиты. Удельная проводимость рассчитывалась по данным плотности атмосферного тока и напряженности электрического поля. Дополнительным подтверждением полученных в данном разделе результатов служит совпадение значений проводимости атмосферы, оцененных по данным о плотности атмосферного тока, напряженности электрического поля (X = 2,8-10"14 ± 0,6-10"14 См/м) и по данным шарозондовых измерений космических лучей (л = 2,27-Ю"14 ± 1,6-10"16 См/м). В таблице 3 показано, как изменяется влияние космических лучей на общую удельную проводимость приземного слоя атмосферы высоких широт в течение года.

Таблица 3. Коэффициенты корреляции между сезонными среднесуточными вариациями удельной проводимости атмосферы и интенсивности космических лучей.

Сезон Коэффициент I Доверительный интервал по уровню

корреляции | значимости 95%

Лето 2006г. | -0,48 | -0,68 т- -0,22

Осень 2006г. | 0,26 | 0,04 + 0,5

| Зима 2006-2007гг. 0,68 1 0,47 + 0,81 1

| Весна 2007г. || 0,72 I 0,54 + 0,84

Из таблицы видно, что максимум влияния интенсивности космических лучей приходится на весну и зиму, а минимум - на лето.

Этот факт объясняется снижением выхода из почвы радиоактивных газов, оказывающих значительное влияние на процессы ионизации в приземном слое атмлсферы. На основе исследований, представленных в данном разделе, показано существование связи вариаций космических лучей и средней удельной проводимости в приземном слое атмосферы высоких широт. Выявлена сезонная зависимость влияния космических лучей на среднюю удельную проводимость и оценена ее величина, которая согласуется со значением, полученным по шарозондовым измерениям потока космических лучей. В заключении приведены результаты, полученные в работе. Основные результаты, полученные в работе:

1. Разработан и на полигоне ПГИ КНЦ РАН в г.Апатиты внедрен в эксплуатацию автоматизированный атмосферный измерительный комплекс, который позволяет проводить непрерывные одновременные наблюдения плотности атмосферного тока, вертикальной компоненты электрического поля, микропульсаций атмосферного давления и метеорологических параметров. Создан пакет программ для сбора и первичной обработки данных.

2. На основе решения краевой задачи для системы уравнений классического электродного эффекта в трехмерной области с граничными условиями соответствующими реально существующим в месте установки датчиков, разработана методика расчета искажения пространственной структуры электрического поля и тока вследствие сложной топографии и электродного эффекта. Это позволило избежать значительной 1,6 раза систематической ошибки при измерениях абсолютных значений плотности тока ив 1,2 раза при измерениях напряженности атмосферного поля. Создан пакет программ, реализующий данную методику с применением алгоритма параллельных вычислений для рационального использования вычислительных ресурсов современных многопроцессорных (миогоядерных) систем.

Производительность 4-х ядерной системы составила 360%, а двух ядерной 190% (100% одноядерная система).

3. На основе анализа спектральных и статистических характеристик вариаций атмосферного электрического тока показано, что в периоды ветреной погоды обнаруживаются аэроэлектрические неоднородности в приземном слое атмосферы, о чем свидетельствует временной сдвиг между сигналами плотности атмосферного тока, полученными с разных плеч токового коллектора. Оценен характерный горизонтальный размер указанных неоднородностей, который составляет ~ 20-^600 м.

4. Исследована пространственная структура электрического тока дождя по данным о плотности атмосферного тока. Показано, что функция распределения зарядов капель дождя изменяется незначительно для одного дождевого облака, но может значительно изменяться от одного облака к другому.

5. Найдено, что источником самоподобия в вариациях атмосферного тока являются турбулентные аэродинамические процессы, характеризующиеся степенным вейвлет-спектром, а оцененные значения спектральных индексов таких спектров лежат в интервале от 2,0 до 3,7. В условиях спокойной атмосферы наибольший вклад дают вариации глобальной природы, имеющие отличный от степенного вид вейвлст-спектра.

6. Показано, что вариации давления нелокальной природы, регистрируемые в невозмущенной атмосфере, обладают свойствами самоподобия, о чем свидетельствует степенной характер вейвлет-спектра со значениями спектральных индексов ~ 2. Локальные турбулентные аэродинамические процессы, характерные для возмущенной атмосферы, вызывают отличные от степенного вейвлет-спектры пульсаций давления.

7. На основе анализа среднесуточных вариаций вертикальной компоненты электрического поля, плотности атмосферного электрического тока, удельной проводимости атмосферы и интенсивности космических лучей впервые показано существование связи вариаций космических лучей и удельной проводимости в приземном слое атмосферы высоких широт. Выявлена сезонная зависимость влияния космических лучей на удельную проводимость. Обнаруженные закономерности согласуются с картиной, получепной благодаря шарозондовым измерениям потока космических лучей.

Результаты, составляющие основу диссертационной работы, изложены в следующих публикациях

Рецензируемые научные журналы, рекомендуемые ПАК для опубликования основных результатов кандидатских диссертаций:

1. Ахметов О.И., Влияние космических лучей на ионизацию в тропосфере высоких широт в течении года // Геомагнетизм и аэрономия., том 49, № 5, 2009, с. 695.

2. Пильгаев С.В., Ахметов О.И., Филатов М.В., Федоренко Ю.В. Универсальное устройство синхронизации данных от GPS приемника// Приборы и техника эксперимента, 2008, №3, с.175.

3. Федоренко Ю.В., Пильгаев С.В., Филатов М.В., Ахметов О.И. Прецизионный четырехканальный 22-разрядный аналого-цифровой преобразователь на основе AD7716// Приборы и техника эксперимента. № 4, 2009, с. 179.

Статьи в материалах российских конференций:

1. Akhmetov А.1., Fedorenko Yu.V., Beloglazov М.1., Shishaev V.A. Some results of atmospheric currents and acoustic-gravitational waves measurements in Apatity // Abstracts of the 29th Annual Seminar "Physics of Auroral Phenomena" 27 February - 3 March 2006, Apatity, Polar Geophysical Institute, Kola Science Center, Russian Academy of Sciences, 2006, p.75.

2. Akhmetov O.l., Fedorenko Yu.V. Investigation of the aero-electrical characteristics of atmosphere surface layer in Arctic // Abstracts of the 30th Annual Seminar "Physics of Auroral Phenomena" 27 February - 2 March 2007, Apatity, Polar Geophysical Institute, Kola Science Center, Russian Academy of Sciences, 2007, p. 73.

Содержание диссертационной работы и полученные результаты соответствуют специальности 25.00.29. Физика атмосферы и гидросферы.

Благодарности

Автор глубоко признателен к.ф.-м.н. Федоренко Ю.В. за научное руководство и всестороннюю помощь. Выражаю искреннюю благодарность зав. лаборатории №501 Белоглазову М.И. за постоянный интерес к работе и поддержку. Автор также благодарен д.ф.-м.н. Вашенюку Э.В. и к.ф.-м.н. Головчанской И.В. за полезные консультации и неоценимую помощь в правке текста.

Тираж 100 экз.

Отпечатано типографией ООО «КаэМ» 184209, Мурманская область, г. Апатиты, ул. Ферсмана, 17а, тел./факс (81555) 7-73-29, www.km-print.ru Заказ № 5350

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Ахметов, Олег Иршатович

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.i.

ГЛАВА 1. ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА.

Раздел 1.1. Обзор используемых измерительных систем.

Измерение плотности атмосферного тока.

Измерение микропульсаций атмосферного давления.

Измерение напряженности электрического поля.

Измерение интенсивности вторичных космических лучей.

Мониторинг метеопараметров.

Раздел 1.2. Система измерения атмосферных токов.

Структура системы измерения атмосферных токов.

Коллектор атмосферных токов.

Система сбора,данных.

Синхронизатор.

Выводы.

Раздел 1.3. Жидкостный микробарограф.

Измерительная схема микробарографа.

Параметры измерительной схемы микробарографа.

Расчет параметров воздушно —масляной системы микробарографа. Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Особенности электрических характеристик тропосферы полярных широт"

Диссертация посвящена экспериментальному исследованию основных электрических параметров полярной атмосферы на Кольском полуострове. В работе рассматривается широкий круг вопросов, связанных с методикой получения данных об атмосферном токе, поле и удельной проводимости, а также связи электрических, динамических и иных процессов протекающих в полярной атмосфере.

Актуальность проблемы. Экспериментальное изучение нижней атмосферы играет важную роль в физике атмосферы, так как именно этот слой является средой обитания живых существ на земле. Одним из перспективных направлений в атмосферной физике является изучение атмосферного электричества. В настоящие время предпринимаются попытки использовать измерения электрических параметров атмосферы в таких важных задачах как предсказания землетрясений или при определении степени загрязненности атмосферы. Электрические параметры атмосферы оказываются очень чувствительными к состоянию окружающей среды, что с одной стороны может сделать их хорошим индикатором этого состояния, а с другой — j значительно усложняет их анализ. В этой связи огромное значение для атмосферной физики представляют исследования связи электрических и динамических процессов протекающих в атмосфере коим и посвящена данная работа.

В отличие от ранее проводимых в условиях высоких широт наблюдений электрических характеристик атмосферы, представленные в работе, выполняются на постоянной основе, в комплексе с регистрацией нескольких геофизических параметров, используя методы разнесенного приема и методы численного моделирования, позволяющего учитывать влияние локальных особенностей места установки датчиков. Необходимо отметить, что в атмосфере полярных широт имеется ряд особенностей, не встречающихся в средних широтах, которые могут оказывать значительное влияние на такие 4 параметры атмосферы как скорость ионизации и удельная проводимость нижней атмосферы. К таким особенностям можно отнести малое значение геомагнитного порога, приводящее к более глубокому проникновению космических лучей в атмосферу. В этой связи значительный интерес представляет задача исследования влияния этих особенностей на процессы ионизации в области высоких широт.

Цель и задачи работы: Целью работы являлось исследование пространственной структуры объемного заряда и атмосферного тока в приземном слое атмосферы при различных метеорологических условиях. Изучение спектральных характеристик вариаций атмосферного давления и вариаций плотности атмосферного тока в условиях спокойной и возмущенной атмосферы. Выявление влияния космических лучей на среднюю удельную проводимость в приземном слое тропосферы полярных широт.

Для достижения поставленных целей необходимо было выполнить ряд научных и инженерных задач:

• Создать системы измерения атмосферных токов и микропульсаций атмосферного давления. Провести калибровку вновь созданных систем и разработать метод коррекции данных плотности атмосферного тока и напряженности электрического поля для учета локальных особенностей места установки датчиков. Создать атмосферный измерительный комплекс, объединив созданные системы с уже существующей системой контроля метеопараметров, установленной на полигоне ПГИ КНЦ РАН.

• Оценить вклад токов различной природы.в данные, регистрируемые системой измерения атмосферных токов при различных метеоусловиях. Для исследования пространственной структуры объемного заряда и атмосферного тока в приземном слое атмосферы провести статистическую обработку вариаций плотности атмосферного 5 электрического тока в различных метеорологических условиях. Проверить согласие полученных экспериментальных результатов с теоретическими оценками.

• Провести сравнение методов спектрального оценивания и выбрать метод наиболее подходящий для поиска и анализа сигналов, обладающих свойствами самоподобия. Провести исследование спектров вариаций атмосферного давления и плотности атмосферного тока в условиях спокойной и возмущенной атмосферы; сравнить полученные результаты с данными об условиях развития турбулентного режима в приземном слое атмосферы в г. Апатиты.

• Провести совместный анализ среднесуточных вариаций атмосферного электрического тока проводимости, вертикальной компоненты электрического поля, удельной проводимости приземного слоя и интенсивности космических лучей в различные времена года, что - бы определить временную зависимость влияния космических лучей на среднюю удельную проводимость в приземном слое тропосферы полярных широт. Оценить значение удельной проводимости, связанной с ионизацией атмосферы космическими лучами по данным баллонных наблюдений на полигоне ПГИ КНЦ РАН. Проверить, согласуется ли полученная оценка значения со значениями, рассчитанными по данным о плотности атмосферного тока и напряженности электрического поля.

Для выполнения этих задач были использованы:

• Результаты постоянных наблюдений вариаций атмосферного электрического тока проводимости, вертикальной компоненты электрического поля, скорости и направления ветра, интенсивности осадков на базе автоматизированного атмосферного измерительного комплекса на полигоне ПГИ КНЦ РАН в г. Апатиты.

• Результаты постоянных наблюдений вариаций интенсивности космических лучей при помощи нейтронного монитора, 6 установленного в г. Апатиты. Данные баллонных измерений интенсивности космических лучей на полигоне ПГИ КНЦ РАН в г. Апатиты.

• Результаты исследований электрических и динамических характеристик атмосферы.

Достоверность полученных в диссертации результатов определялась следующими факторами:

• Устойчивостью работы измерительной аппаратуры;

• Согласием с результатами других исследователей;

• Соответствием полученных результатов существующим физическим представлениям.

Научная новизна.

1. Впервые установлена пространственная структура электрического тока дождя по данным о плотности атмосферного тока, полученным с помощью пространственно распределенной антенны. Показано, что функция распределения зарядов капель дождя постоянна для одного дождевого облака, но может изменяться от одного облака к другому.

2. Обнаружены аэроэлектрические неоднородности в приземном слое атмосферы по данным о плотности атмосферного тока. Показано, что в периоды ветреной погоды обнаруживается временной сдвиг между сигналами с разных плеч токового коллектора, обусловленный перемещением аэроэлектрических неоднородностей. Оценен характерный горизонтальный размер указанных неоднородностей.

3. Впервые показано, что вариации плотности атмосферного тока обладают свойствами самоподобия в условиях возмущенной атмосферы, а вариации атмосферного давления - в условиях спокойной атмосферы. Для случаев, когда вариации атмосферного тока или атмосферного давления обладают свойствами самоподобия, оценены значения спектральных индексов их степенных спектров.

4. Впервые по данным наземных наблюдений космических лучей, плотности атмосферного тока и напряженности электрического поля установлено влияние вариаций космических лучей на удельную проводимость приземного слоя высокоширотной тропосферы в зимний и весенний сезоны.

5. Выявлена сезонная зависимость влияния космических лучей на среднюю удельную проводимость приземного слоя атмосферы высоких широт. Оценена величина удельной проводимости приземного слоя, обусловленная ионизацией воздуха под действием космических лучей по данным шаров зондов.

Положения, выносимые на защиту.

1. Структура, схемная реализация, программное обеспечение и методика обработки данных систем измерения атмосферных токов и атмосферного давления, входящих в состав атмосферного измерительного комплекса, предназначенного для экспериментального исследования атмосферного электричества в авроральной зоне.

2. Исследована пространственная структура атмосферного тока при разных метеоусловиях. Показано, что функция распределения зарядов капель дождя постоянна для одного дождевого облака, но может изменяться от одного облака к другому. Обнаружены аэроэлектрические неоднородности в приземном слое атмосферы по временному сдвигу между сигналами плотности атмосферного тока полученными разных плеч токового коллектора. Оценен характерный горизонтальный размер указанных неоднородностей, который составляет ~ 20ч-600 м.

3. На основе вейвлет-спектров флуктуаций атмосферного давления и плотности атмосферного тока в условиях спокойной и возмущенной атмосферы оценены спектральные индексы для случаев, когда вариации атмосферного тока или атмосферного давления обладают свойствами самоподобия. Показано, что источником самоподобия в вариациях 8 атмосферного тока являются турбулентные аэродинамические процессы, характеризующиеся степенным спектром. В условиях спокойной атмосферы наибольший вклад дают вариации глобальной природы, имеющие отличный от степенного вид вейвлет-спектра. Вариации давления нелокальной природы, регистрируемые в невозмущенной атмосфере, обладают свойствами самоподобия о чем свидетельствует степенной характер вейвлет-спектра. Локальные турбулентные аэродинамические процессы, характерные для возмущенной атмосферы, вызывают отличные от степенного вейвлет-спектры пульсаций давления. 4. По данным наземных наблюдений космических лучей, плотности атмосферного тока и напряженности электрического поля установлено влияние космических лучей на удельную проводимость приземного слоя высокоширотной тропосферы в зимний и весенний сезоны. Выявлена сезонная зависимость влияния космических лучей на среднюю удельную проводимость приземного слоя атмосферы высоких широт. Оценена величина удельной проводимости приземного слоя, обусловленная ионизацией воздуха под действием космических лучей по данным шаров зондов.

Научная и практическая значимость.

Полученные в работе результаты по структуре объемного заряда и тока в приземном слое атмосферы, а также данные о природе флуктуаций атмосферного давления и плотности атмосферного тока и значениях спектральных индексов, соответствующих различным динамическим режимам атмосферы, имеют научное и прикладное значение при построении теоретических моделей электрической структуры приземного слоя. Результаты исследования влияния космических лучей на скорость ионизации в нижней атмосфере могут оказаться полезными для понимания механизма взаимодействия в системе Земля-ионосфера через токовый канал связи, который является неотъемлемой частью глобальной электрической цепи.

Структурная и схемная реализации атмосферного измерительного комплекса могут представлять интерес для исследователей, занимающихся как изучением атмосферных электрических процессов, так и других направлений атмосферной физики. Предложенный метод коррекции данных о вертикальной компоненте электрического поля и плотности атмосферного тока проводимости с учетом локальных особенностей места установки датчиков и электродного эффекта может существенно повысить точность абсолютных измерений в условиях сложной топографии.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на Всероссийской конференции по атмосферному электричеству. (Н.Новгород) в 2007г., на Всероссийских конференциях молодых ученых "Состав атмосферы. Атмосферное электричество. Климатические эффекты" (Н.Новгород 2007г.) и (Борок 2008г), на 29м - 31м ежегодных семинарах «Физика авроральных явлений» в г. Апатиты 2006, 2007, 2008 и 2009 гг.

Личный вклад автора. Ахметов О.И. лично принимал участие в разработке программного обеспечения, развертывании, калибровке и эксплуатации систем измерения атмосферных токов и атмосферного давления на Кольском полуострове. Автором лично предложен и применен метод учета особенностей топографии места установки антенны атмосферных токов и устройства регистрации вертикальной компоненты электрического поля «Поле-2»; выполнен сбор данных атмосферного измерительного комплекса и в полном объеме выполнена их обработка.

Диссертанту принадлежит лидирующие авторство в выборе методов решения поставленных задач научного исследования. Все результаты по теме диссертации получены лично автором или при его активном участии.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Данная работа посвящена исследованию электрических и динамических характеристик тропосферы высоких широт, выполненных в ПГИ КНЦ РАН с целью установления взаимосвязи между ними. Работа состоит из трех глав, введения и заключения.

Во введении сформулированы цели и задачи диссертационной работы, обоснована их актуальность, научная новизна и практическая значимость, указан личный вклад автора и сформулированы основные научные результаты, выносимые на защиту. Кратко описано содержание работы.

В первой главе представлено описание созданного при участии автора атмосферного измерительного комплекса и других измерительных систем, данные которых используются для описанных в работе исследований. Глава состоит из трех разделов. Атмосферный измерительный комплекс состоит из системы измерения атмосферного тока, жидкостного микробарографа, системы контроля метеорологических параметров и датчика напряженности электрического поля «Поле-2».

В первом разделе представлен краткий критический обзор существующих средств регистрации плотности атмосферного тока и микропульсаций атмосферного давления, а также обоснована необходимость создания автором собственных систем регистрации. Здесь же представлены краткие сведения об устройстве и принципе действия другого экспериментального оборудования, данные которого использовались в работе. Второй раздел посвящен подробному описанию созданной автором системы измерения атмосферных токов. Датчик данной системы представляет собой пространственно распределенную антенну, каждая часть которой является проволочным токовым коллектором, подключенным к одному из каналов регистратора. Регистратор позволяет проводить непрерывные измерения плотности атмосферного тока в частотном диапазоне 0-584 Гц с динамическим диапазоном 105 децибел.

В третьем разделе представлено описание созданного автором жидкостного микробарографа, предназначенного для регистрации микропульсаций атмосферного давления в частотном диапазоне 0-6,5 Гц с динамическим диапазоном 96 децибел.

Вторая глава диссертации посвящена описанию методов калибровки созданных автором измерительных систем, коррекции и обработки всех используемых в диссертации данных. Глава состоит из трех разделов. В первом разделе представлена методика калибровки систем измерения атмосферных токов и микропульсаций атмосферного давления. Нахождение реального сигнала ja(t) по его измеренным значениям i(t) в данной методике калибровки достигается путем приближенного решения интегрального уравнения первого рода типа свертки с учетом погрешности измерения импульсной характеристики системы регистрации: Г-КЦсоЖсо) 2тг д, Kh (a>)Kh (a) — а(со+\) доставляющую минимум сглаживающему функционалу: Ma[j]=\\Ahj-if +я|/||2.

Здесь К/г(со) и 1(со) - Фурье образы импульсной характеристики и измеренных значений i(t) исследуемого сигнала, а — регуляризующий коэффициент, связанный с погрешностями определения К/г и i(t), А — оператор свертки. Таким образом, можно скомпенсировать искажения, вносимые фильтрами, усилителями и АЦП в исследуемые сигналы, что имеет важное значение при анализе их спектральных свойств.

Второй раздел посвящен расчету влияния топографических особенностей в месте установки токовых коллекторов и датчика напряженности поля и электродного эффекта на результаты измерения плотности атмосферного тока проводимости и вертикальной компоненты электрического поля. Для коррекции искажения линий тока и поля автором проведено моделирование

12 пространственной структуры атмосферного тока и поля вблизи земли в условиях, соответствующих реально существующим в области проведения наблюдений. Было разработано специальное программное обеспечение, позволяющее решать краевые задачи для системы уравнений классического электродного эффекта:

• (0.2) c//v(i?)= 4- ж- р где п'± - объемная концентрация ионов i — ой группы, Ь'± - их подвижность, ql± - интенсивность образования ионов, а'± - коэффициенты рекомбинации, Е — напряженность электрического поля, р — объемная плотность заряда. Необходимость разработки такого программного обеспечения обусловлена отсутствием средств решения систем уравнений электродного эффекта в трехмерной области.

Для моделирования используется область, ограниченная условиями Дирихле сверху и снизу, а с боков условиями Неймана. Для нахождения решения внутри области вычислений (куб со стороной 200 метров) были применены методы градиентного спуска и итераций. Программное обеспечение осуществляющие моделирование разработано с применением алгоритмов параллельных вычислений для лучшего использования возможностей современных вычислительных систем.

Третья глава посвящена исследованию электрических характеристик тропосферы высоких широт на основе экспериментальных данных о плотности атмосферного тока и других параметров тропосферы в районе г.Апатиты. Она состоит из четырех разделов, представляющих исследования атмосферного электричества разных направлений, объединенных общей , целью — комплексным исследованием электрических и электродинамических характеристик тропосферы высоких широт. Здесь представлены исследования пространственной структуры объемного заряда и атмосферного тока в приземном слое атмосферы при различных метеорологических условиях, спектральных характеристик вариаций атмосферного давления и плотности атмосферного тока в условиях спокойной и возмущенной атмосферы и временной зависимости влияния космических лучей на среднюю удельную проводимость в приземном слое атмосферы полярных широт.

В первом разделе представлены теоретические оценки вклада токов различной природы в ток, измеряемый токовым коллектором при различных метеоусловиях. Данные оценки необходимы для понимания механизмов связи электрических и динамических параметров приземного слоя атмосферы. Полученные оценки особенно важны при выработке критериев отбора данных плотности атмосферного тока для исследований удельной проводимости в приземном слое в четвертом разделе данной главы. Во втором разделе рассматривается зависимость статистических свойств токов в нижних слоях атмосферы в районе г. Апатиты от скорости и направления ветра; оцениваются характерные горизонтальные масштабы аэроэлектрических неоднородностей; исследуется пространственная структура токов осадков. '

Пространственно распределенная система регистрации атмосферных токов позволила оценить характерные горизонтальные масштабы аэроэлектрических неоднородностей и исследовать пространственно-временные характеристики токов осадков. На основе совместного с метеоданными анализа спектров мощности Уэлча, спектров когерентности и кроссковариационных функций, рассчитанных по данным системы регистрации атмосферных токов, показано, что горизонтальные масштабы аэроэлектрических неоднородностей лежат в пределах от 20 до 600 м, а функция распределения зарядов капель дождя постоянна для одного дождевого облака, но может меняться от одного облака к другому. Достоверность представленной в этом разделе оценки горизонтальных масштабов аэроэлектрических неоднородностей подтверждается хорошим согласием с результатами исследований среднеширотной обсерватории Борок, полученными по данным о напряженности электрического поля. Вывод по пространственной структуре тока дождя проверяется посредством численного моделирования. В модели численно рассчитывался отклик в данных токового коллектора на пуассоновский поток дождевых капель с изменяющейся функцией распределения заряда капель в потоке, падающих на его поверхность.

В третьем разделе представлены исследования шумовых характеристик флуктуаций атмосферного тока и атмосферного давления. Интерес к которым, с одной стороны, обусловлен поисками пульсаций глобальной природы, а с другой - изучением свойств приземной атмосферы, как физической среды. В начале раздела, основываясь на работах Абри, показано, что для анализа спектров сигналов, обладающих свойствами самоподобия, более подходят методы, основанные на вейвлет-преобразовании, чем методы, основанные на преобразовании Фурье. Далее в разделе описаны основанные на методе Абри исследования поведения спектров и спектральных индексов для флуктуаций атмосферного тока и атмосферного давления в спокойных и возмущенных условиях атмосферы. Привлекая статистические данные, полученные для г. Апатиты, по вероятности развития турбулентного режима атмосферы в приземном слое при разных горизонтальных составляющих скорости ветра, удалось объяснить вид полученных спектров (степенной или нестепенной). Основываясь на полученных закономерностях, сделан вывод, что источником самоподобия в вариациях атмосферного тока являются турбулентные аэродинамические процессы, характеризующиеся степенным спектром. В условиях спокойной атмосферы наибольший вклад дают вариации глобальной природы, имеющие отличный от степенного вид вейвлет-спектра. Вариации давления нелокальной природы, регистрируемые в невозмущенной атмосфере, обладают свойствами самоподобия, о чем свидетельствует степенной характер вейвлет-спектра. Локальные турбулентные аэродинамические процессы, характерные для возмущенной атмосферы, вызывают отличные от степенного вейвлет-спектры пульсаций давления.

Результаты исследований, проведенных в первом, втором и третьем разделах, оказались полезны при отборе таких данных плотности атмосферного тока, когда большая его часть являлась током проводимости атмосферы. Это имеет большое значение при исследовании влияния космических лучей на удельную проводимость приземного слоя атмосферы полярных широт, которое представлено в четвертом разделе данной главы. В четвертом разделе диссертационной работы представлен совместный анализ вариаций плотности атмосферного тока, напряженности электрического поля, удельной проводимости приземного слоя атмосферы и интенсивности комических лучей. В качестве показателя, характеризующего интенсивность космических лучей, использовались данные нейтронного монитора, установленного в г. Апатиты. Удельная проводимость рассчитывалась по данным плотности атмосферного тока и напряженности электрического поля. Дополнительным подтверждением полученных в данном разделе результатов служит совпадение значений проводимости атмосферы, оцененных по данным о плотности атмосферного тока, напряженности электрического поля (X = 2,8*10"14 ± 0,6-10"14 См/м) и по данным шарозондовых измерений космических лучей (X = 2,27*10"14 ± 1,6-10" 16 См/м). В таблице 3 показано, как изменяется влияние космических лучей на общую удельную проводимость приземного слоя атмосферы высоких широт в течение года.

На основе исследований, представленных в данном разделе, показано существование связи вариаций космических лучей и средней удельной проводимости в приземном слое атмосферы высоких широт. Выявлена сезонная зависимость влияния космических лучей на среднюю удельную проводимость и оценена ее величина, которая согласуется со значением, полученным по шарозондовым измерениям потока космических лучей. В заключении приведены результаты, полученные в работе. Результаты, составляющие основу диссертационной работы, изложены в следующих публикациях

Рецензируемые научные журналы, рекомендуемые ВАК для опубликования основных результатов кандидатских диссертаций:

1. Ахметов О.И., Влияние космических лучей на ионизацию в тропосфере высоких широт в течении года // Геомагнетизм и аэрономия., том 49, № 5, 2009, с. 695.

2. Пильгаев С.В., Ахметов О.И., Филатов М.В., Федоренко Ю.В. Универсальное устройство синхронизации данных от GPS приемника// Приборы и техника эксперимента, 2008, №3, с. 175.

3. Федоренко Ю.В., Пильгаев С.В., Филатов М.В., Ахметов О.И. Прецизионный четырехканальный 22-разрядный аналого-цифровой преобразователь на основе AD7716// Приборы и техника эксперимента. № 4, 2009, с. 179.

Статьи в материалах российских конференций:

1. Akhmetov A.I., Fedorenko Yu.V., Beloglazov M.I., Shishaev V.A. Some results of atmospheric currents and acoustic-gravitational waves measurements in Apatity // Abstracts of the 29th Annual Seminar "Physics of Auroral Phenomena" 27 February - 3 March 2006, Apatity, Polar Geophysical Institute, Kola Science Center, Russian Academy of Sciences,

2006, p.75.

2. Akhmetov O.I., Fedorenko Yu.V. Investigation of the aero-electrical characteristics of atmosphere surface layer in Arctic // Abstracts of the 30th Annual Seminar "Physics of Auroral Phenomena" 27 February - 2 March

2007, Apatity, Polar Geophysical Institute, Kola Science Center, Russian Academy of Sciences, 2007, p.73.

Тезисы докладов на российских конференциях:

1. Akhmetov A.I., Fedorenko Yu.V., Beloglazov M.I., Shishaev V.A. Some results of atmospheric currents and acoustic-gravitational waves measurements in Apatity // 29th Annual Seminar "Physics of Auroral Phenomena" 27 February - 3 March 2006. - Apatity. - Polar Geophysical Institute.- Kola Science Center. - Russian Academy of Sciences.

2. Akhmetov O.I., Fedorenko Yu.V. Investigation of the aero-electrical characteristics of atmosphere surface layer in Arctic // 30th Annual Seminar "Physics of Auroral Phenomena" 27 February - 2 March 2007. - Apatity. -Polar Geophysical Institute.- Kola Science Center. - Russian Academy of Sciences.

3. M.I.Beloglazov, O.I.Akhmetov, and A.N.Vasiljev. Global thunderstorm activity in 2007 according to observations of the 1st Schumann resonance intensity on the Kola Peninsula // 31th Annual Seminar "Physics of Auroral Phenomena" 26 - 29 February 2008. - Apatity. - Polar Geophysical Institute.- Kola Science Center. - Russian Academy of Sciences.

4. Ахметов О.И. О связи вариаций атмосферного электрического тока и метеорологических параметров на Кольском полуострове. // 11 - я Всероссийская школа - конференция молодых ученых "Состав атмосферы. Атмосферное электричество. Климатические эффекты" -Нижний Новгород, 15-18 мая 2007.

5. Ахметов О.И., Федоренко Ю.В., Белоглазов М.И. О неоднородной структуре атмосферного электрического тока по наблюдениям на Кольском полуострове // 6-я Российская конференция по атмосферному электричеству. Н.Новгород, 01-07 октября 2007.

6. Ахметов О.И., Белоглазов М.И., Васильев А.Н. Вариации амплитуды электромагнитного поля на частоте 1-го Шумановского резонанаса: Кольский полуостров // 12-я Международная конференция молодых ученых. Борок, 19-23 мая 2008.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Ахметов, Олег Иршатович

Основные результаты, полученные в диссертации, можно сформулировать следующим образом:

1. Разработан и на полигоне ПГИ КНЦ РАН в г.Апатиты внедрен в эксплуатацию автоматизированный атмосферный измерительный комплекс, который позволяет проводить непрерывные одновременные наблюдения плотности атмосферного тока, вертикальной компоненты электрического поля, микропульсаций атмосферного давления и метеорологических параметров. Создан пакет программ для сбора и первичной обработки данных.

2. На основе решения краевой задачи для системы уравнений классического электродного эффекта в трехмерной области с граничными условиями соответствующими реально существующим в месте установки датчиков, разработана методика расчета искажения пространственной структуры электрического поля и тока вследствие сложной топографии и электродного эффекта. Это позволило избежать значительной 1,6 раза систематической ошибки при измерениях абсолютных значений плотности тока и в 1,2 раза при измерениях напряженности атмосферного поля. Создан пакет программ, реализующий данную методику с применением алгоритма параллельных вычислений для рационального использования вычислительных ресурсов современных многопроцессорных (многоядерных) систем. Производительность 4-х ядерной системы составила 360%, а двух ядерной 190% (100% одноядерная система).

3. На основе анализа спектральных и статистических характеристик вариаций атмосферного электрического тока показано, что в периоды ветреной погоды обнаруживаются аэроэлектрические неоднородности в приземном слое атмосферы, о чем свидетельствует временной сдвиг между сигналами плотности атмосферного тока, полученными с разных плеч токового коллектора. Оценен характерный горизонтальный размер указанных неоднородностей, который составляет ~ 20-^600 м.

4. Исследована пространственная структура электрического тока дождя по данным о плотности атмосферного тока. Показано, что функция распределения зарядов капель дождя изменяется незначительно для одного дождевого облака, но может значительно изменяться от одного облака к другому.

5. Найдено, что источником самоподобия в вариациях атмосферного тока являются турбулентные аэродинамические процессы, характеризующиеся степенным вейвлет-спектром, а оцененные значения спектральных индексов таких спектров лежат в интервале от 2,0 до 3,7. В условиях спокойной атмосферы наибольший вклад дают вариации глобальной природы, имеющие отличный от степенного вид вейвлет-спектра.

6. Показано, что вариации давления нелокальной природы, регистрируемые в невозмущенной атмосфере, обладают свойствами самоподобия, о чем свидетельствует степенной характер вейвлет-спектра со значениями спектральных индексов ~ 2. Локальные турбулентные аэродинамические процессы, характерные для возмущенной атмосферы, вызывают отличные от степенного вейвлет-спектры пульсаций давления.

7. На основе анализа среднесуточных вариаций вертикальной компоненты электрического поля, плотности атмосферного электрического тока, удельной проводимости атмосферы и

127 интенсивности космических лучей впервые показано существование связи вариаций космических лучей и удельной проводимости в приземном слое атмосферы высоких широт. Выявлена сезонная зависимость влияния космических лучей на удельную проводимость: Обнаруженные закономерности согласуются с картиной, полученной благодаря шарозондовым измерениям потока космических лучей. В заключение считаю своим приятным долгом выразить глубокую признательность к.ф.—м.н. Федоренко Ю.В. за научное руководство и всестороннюю помощь. Выражаю искреннюю благодарность зав. лаборатории №501 Белоглазову М.И. за постоянный интерес к работе и поддержку. Автор также благодарен д.ф.-м.н. Вашенюку Э.В. и к.ф.-м.н. Головчанской И.В. за полезные консультации и неоценимую помощь в правке текста.

Содержание диссертационной работы и полученные результаты соответствуют специальности 25.00.29. Физика атмосферы и гидросферы.

Диссертация выполнена при поддержке программы фундаментальных исследований ОФН РАН №11 «Электродинамика атмосферы, радиофизические методы исследований атмосферных процессов», проект №4.5 «Атмосферное электричество в нижней атмосфере полярных широт».

Заключение

В данной диссертационной работе представлены: высокоширотный измерительный комплекс, позволяющий проводить непрерывные наблюдения за состоянием нижней атмосферы, комплексные исследования динамических характеристик полярной атмосферы на основе данных о плотности атмосферного тока.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Ахметов, Олег Иршатович, Апатиты

1. Abry P., Goncalves P., Flandrin P. Wavelets, spectrum analysis and 1/f processes. Wavelets and Statistics. Edited by Antoniadis A. and Oppenheim G. Springer-Verlag. 1995. p. 15.

2. Abry P., Flandrin P., Taqqu M.S. and Veitch D. Self-similar network traffic and performance evaluation. Ch. 2. Wavelets for the analysis, estimation and synhesis of scaling data. Edited by Park K. and Willinger W., Wiley Interscience. 2000.

3. Ahluwalia H.S., Dorman L.I. Transverse cosmic ray gradients in the heliosphere and the solar diurnal anisotropy// J. Geophys. Res. 1997, vol.102, p. 17433.

4. Akhmetov A.I., Fedorenko Yu.V., Beloglazov M.I., Shishaev V.A. // Physics of auroral phenomena., Proc. of the XXIX Annular seminar, Apatitiy: Kola Science Center, Russian Academy of Science, 2006, p.273.

5. Alanko K., Usoskin I.G., Mursula K., Kovaltsov G.A. Heliospheric modulation strength: effective neutron monitor energy// Advances in Space Res. 2003, vol.32 No.4, p.615.

6. Anderson R.V., Atmospheric electricity in the real world, in Electrical Processes in Atmospheres, edited by Dolezalek H. and Reiter R., Steinkopff Darmstadt, 1977 p. 87.

7. Anderson R.V. The dependence of space charge spectra on Aitken nucleus concentrations // J. Geophys. Res. 1982, vol.87, p.1216.

8. Anisimov S. V., Mareev E. A., Trakhtengerts V.Yu. Characteristics of electric noises in the surface atmospheric layer// Res. Lett. Atmos. Electr., 1990, vol.10, p. 110.

9. Anisimov S.V., Bakastov S.S., Mareev E.A. Spatiotemporal structures of electric field and space charge in the surface atmospheric layer// J. Geophys. Res., 1994, vol.99, p. 10603.

10. Anisimov S.V., Mareev E.A., Bakastov S.S. On the generation and evolution of aeroelectric structures in the surface layer// J. Geophys. Res., 1999, vol.104, p. 14359.

11. Anisimov S.V., Mareev E.A., Shikhova N.M., Dmitriev E.M. Universal spectra of electric field pulsations in the atmosphere// Geophys. Res. Letters., 2002, vol.29, No.2 p.2217.

12. Anisimov S.V., E.A. Mareev, and N.M. Shikhoval Mechanisms of coupling of aeroelectric and temperature fields in the lower atmosphere// Radiophysics and Quantum Electronics, 2006, vol.49, No.l, p.31.

13. Aspinall W.P. Mechanical-Transfer Currents of Atmospheric Electricity// J. Geophys. Res., 1972, vol.77,No.18. p.3196.

14. Bazilevskaya G.A., Svirzhevskaya A.K. On the stratospheric measurements of cosmic rays// Space Science Review, 1998, vol.85, p.431.

15. Burke H.K., Few A.A. Direct measurements of the atmospheric conduction current// J. Geophys. Res., vol.83, 1978, p.3093.

16. Carmichael H. NM-64 neutron monitor specification, Deep river, 1962.

17. Carmichael H. IQSY Instruction Manuel, №7, London, 1964.

18. Cobb W.E., Philips B.B., Allee P.A. Note on mountain-top measurements of atmospheric electricity in northwestern United States// Monthly Weather Review, 19^7, vol.95, No. 12. p.912.

19. Crozier W.D. Electrode effect during nighttime low-wind periods// J. Geophys. Res., 1963, vol.68, p.3451.

20. Ermakov V.I., Stozhkov Y.I., Bazilevskaya G.A., Pokrcvsky P.E., Kokin G.A. On ion production in the atmosphere// Int. Conf At. Electr. Xth, 1996, 7, p.92.

21. Ermakov V.I., Bazilevskaya G.A., Pokrevsky P.E. and Stozhkov Y.I. Ion balance equation in the atmosphere// J. Geophys. Res., 1997, vol.102, No.19. p.23413.

22. Fedorenko Yu.V. Earthquake monitoring and seismic hazard mitigation in Balkan countries// Abstracts of NATO advanced research workshop, Borovetz Rila Mountain, Bulgaria: Kamea Ltd, 2005. p.30.

23. Gerdien H. Demonstration eines Apparates zur Absoluten messungen der electrischen leitfahigkeit der lufff/ Phys. Z., 1905, p.800.

24. Hoppel W.A., Kraakevik J.H. The Mobility of tropospheric ions above the exchange layer// J. of the Atm. Sci., 1965, vol.22, p.509.

25. Hoppel W.A. Theory of the electrode effect// J. Atmos. Terr. Phys., 1967, vol.29, p.709.

26. Hoppel W.A., Gathnian S.G. Determination of eddy diffusion coefficients from atmospheric electrical measurements// J. Geophys. Res., 1971, vol.76, p. 1467.

27. Hoppel W.A., Anderson R.V., Willett J.C. Atmospheric electricity in the planetary boundary layer, in The Earth's Electrical Environment, edited by Krider E.P. and Roble R.G., National Academy press, Washington, D. C., 1986, p. 149.

28. Israel H. Diurnal variation of atmospheric electricity as a meteorological — agrological phenomenon. J. of Meteorology, 1959, vol.9, p.328.

29. Israel H. Atmospheric Electricity, vol. 2, Israel Program for Sci. Transl., Jerusalem, 1973, p.408.

30. Israelsson S., Knudsen E., Anisimov S.V. Vertical profiles of electrical conductivity in the lowermost part of the turbulent boundary layer over flat ground//J. Atmos. Terr. Phys., 1994, vol.56, p. 1545.

31. Kasemir H.W. Measurement of the air-earth current density. Proc. Conf. Atmos. Electricity. Geophys. Res. Pap. 42, Air force Cambridge res. Cent. Bedford Mass. 1955, p.91.

32. Kasemir H.W. Ruhnke L.H. Antenna problems of measurement of the air-Earth current. Recent Advances in Atmospheric Electricity, edited by Smith L.G. Pergamon, New York, 1956, p. 137.

33. Kay S.M. Modern Spectral Estimation-Theory and Application. Prentice-Hall. 1988.

34. Knudsen E., Israelsson S., Hallberg B. Measurements of the electrode effect over flat, snow-covered ground// J. Atmos. Terr. Phys., 1989, vol.51, p.521.

35. Knudsen E. and Israelsson S. Mobility spectrum of ions in the electrode effect layer//J. Geophys. Res., 1994, vol.99, No.D5, p. 10709.

36. Large M.I. Some investigations in atmospheric electricity, Ph.D. thesis, Cambridge Univ., Cambridge, England, 1957.

37. Lashermes В., Roux S.G., Abry P., Jaffard S. Comprehensive multifractal analysis of turbulent velocity using the wavelet leaders// European Physical Journal B, 2008, vol.61, No.2, p.201.

38. McCauley J.L. Chaos Dynamics and Fractals An Algorithmic Approach to Deterministic Chaos. Cambridge Univ. Press. 1993.

39. Misaki M. Studies on the atmospheric ion spectrum// Pap. Meteor. And Geophys., 1961, 12, p.261.

40. Muhleisen R. The Global Circuit and Its Parameters, in Electrical Processes in Atmospheres, edited by Dolezalek H. and Reiter R., Steinkopff Darmstadt, 1977, p.467.

41. Murali Das S., Sampath S., Sasi Kumar V. Balloon-borne pumped Gerdien condenser measurements of ion densities, nobilities, and conductivities, Int. Conf. At. Electr. IXth, 1992, 2, p.524.

42. Neher H.V. Cosmic-Ray Particles that changed from 1954 to 1958 to 1965 // J. Geophys. Res., 1967, vol. 72, p.1527.

43. Neher H.V. Cosmic Rays at high latitudes and altitudes covering four solar maxima. Particles that changed from 1954 to 1958 to 1965 // J. Geophys. Res., 1971, vol.76, p.1637.

44. Paltridge, G. W. Experimental measurements of the small-ion density and electrical conductivity of the stratosphere// J. Geophys. Res., 1965, vol.70, p.2751.

45. Rabiner L.R. and Gold B. Theory and Application of Digital Signal Processing. Englewood Cliffs., NJ: Prentice-Hall, 1975, p.227.

46. Rosen, J.M., Hofmann D.J. Balloon-borne measurements of the small ion concentration//J. Geophys. Res., 1981, vol.86, p.7399.

47. Rosen J.M. Hofmann D.J. A search for large ions in the stratosphere// J. Geophys. Res., 1988, vol.93, p.8415.

48. Ruhnke L.H., Tammet H.F., Arold M. Atmospheric electric currents at widely spaced stations, in Proceedings on Atmospheric Electricity, edited by Ruhnke L.H. and Latham J., A. Deepak, Hampton, Va., 1983, p.76.

49. Ruhnke I.H. Area averaging of atmospheric electric currents// Geomagn. Geoelectr. 21, 1969, p.453.

50. Selvam M.A., Manohar G.K., Khemani L.T., Ramana Murty Bh.V. Characteristics of Raindrop Charge and Associated Electric Field in Different Types of Rain// J. of Atmos. Sci., 1977, vol.34, p.1791.

51. Tammet H., Israelsson S., Knudsen E., Tuomi T.J. Effective area of a horizontal long-wire antenna collecting the atmospheric electric vertical current. // J. Geophys. Res., 1996, vol.101, No D23, p.29671.

52. Tuomi T.J. The atmospheric electrode effect over snow// J. Atmos. Terr. Phys., 1982, vol.44, p.737.

53. Wahlin L. Atmosphere Electrostatics. Colutron Research Corporation Boulder. Colorado 1996.

54. Welch P.D. The Use of Fast Fourier Transform for the Estimation of Power Spectra: A Method Based on Time Averaging Over Short, Modified Periodograms. IEEE Trans. Audio Electroacoustics, 1967, vol.AU-15. p.70.

55. Willet J.C. The atmospheric electrode effect in the limit of strong turbulent mixing// J. Geophys. Res., 1978, vol.83, No.Cl, p.402.57.60