[
На правах рукописи
ЕВТУШЕНКО Андрей Александрович
ГЕНЕРАЦИЯ ВЫСОТНЫХ РАЗРЯДОВ В АТМОСФЕРЕ
И ИХ ВЛИЯНИЕ НА БАЛАНС
МАЛЫХ ГАЗОВЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ
25.00.29 – физика атмосферы и гидросферы
Ав то р е фер а т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Нижний Новгород – 2013
Работа выполнена в ФБГУН Институт прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород.
Научный руководитель: доктор физико-математических наук, чл.-корр. РАН Мареев Евгений Анатольевич
ФБГУН ИПФ РАН
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Смышляев Сергей Павлович
ФГБОУ ВПО РГГМУ
кандидат физико-математических наук Михаил Юрьевич КуликовФБГУН ИПФ РАН
Ведущая организация: ФБГУН Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН
Защита состоится 7 октября 2013 г. в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 002.069.01 в Институте прикладной физики РАН по адресу: г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Института прикладной физики РАН.
Автореферат разослан 7 августа 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат А. И. Малеханов физико-математических наук
Общая характеристика работы
Актуальность темы диссертации. Одним из наиболее значимых направлений геофизической электродинамики, сформировавшихся к началу ХХI века, является изучение высотных разрядов в атмосфере. Оказалось, что грозовая активность в тропосфере создает условия для возникновения целого семейства разрядных явлений на высотах средней атмосферы – эльфов, спрайтов, джетов [1], гигантских джетов [2] и гало [3]. Наибольшее количество работ в литературе посвящено спрайтам – объемным разрядам с горизонтальными размерами в несколько десятков километров, которые наблюдаются на высотах от 50 до 90 км. Это связано, с одной стороны, с чрезвычайно интересной и необычной физикой спрайтов, а с другой – с достаточно высокой частотой их генерации (до 10 тыс. вспышек в сутки по земному шару).
Возникновение спрайтов напрямую связано с образованием значительного нескомпенсированного заряда в облаке после мощных разрядов облако-земля, обычно положительной полярности. Однако условия и механизмы генерации спрайтов, а также эффекты их воздействия на среднюю атмосферу и глобальную электрическую цепь остаются недостаточно исследованными. Именно этим проблемам и посвящена настоящая диссертация.
В плане исследования условий генерации высотных разрядов основное внимание уделено вопросам электризации и накопления заряда в грозовых облаках. Как показывают наблюдения, для генерации высотных разрядов – спрайтов и гало – необходим разряд облако-земля в тропосфере, переносящий значительный электрический заряд, причем при развитии спрайта практически всегда положительной полярности. Особенно сильной молниевой активностью обладают мезомасштабные конвективные системы (ММКС), которые состоят из стратифицированной части с горизонтальными размерами в сотни километров и относительно небольшой конвективной области. Натурные измерения, проводимые в стратифицированной части ММКС, показывают наличие интенсивного слоя положительного заряда в окрестности нулевой изотермы, который может играть роль «резервуара» заряда для мощных положительных вспышек облако-земля. Предложена модель развития электрической структуры в стратифицированной области ММКС. Показано, что при учете индукционного и безындукционного механизмов зарядки тающих гидрометеоров в окрестности нулевой изотермы за несколько десятков минут, возможно формирование структуры электрического поля, наблюдаемой при натурных измерениях [4].
Оценить влияние высотных разрядов на химический состав мезосферы позволяет представленная в настоящей работе плазмохимическая модель.
Модель включает основные нейтральные атомы и молекулы, возбужденные состояния азота и кислорода, ионы, положительные ионы-связки и электроны. Созданный программно вычислительный комплекс позволяет автоматически генерировать систему дифференциальных уравнений для химических компонент по списку химических реакций, с контролем сохранения массы и зарядов в системе, автоматической проверкой на повторяемость реакций.
Предложена параметризация напряженности электрического поля и температуры электронов во время спрайта и проведено нульмерное моделирование для высоты 77 и 85 км. Показано, что в области спрайта происходит существенное возмущение концентраций положительных и отрицательных ионов, электронов, нейтральных компонент, возбужденных атомов и молекул, сопровождающееся излучением фотонов.
Разработана одномерная плазмохимическая самосогласованная модель воздействия спрайта на состав мезосферы для высот от 60 до 90 км. Предложена параметризация электрического поля на высотах мезосферы, создаваемого нескомпенсированным электрическим зарядом, возникающим в облаке после разряда облако-земля, с учетом изменения проводимости мезосферы во время спрайта, вследствие резкого увеличения концентрации электронов. Исследована динамика самосогласованного электрического поля, основных отрицательных и положительных ионов, возбужденных атомов и молекул, объемной плотности излучения фотонов в зависимости от времени и высоты.
Проанализирована зависимость величины области спрайта и максимального значения нормированного электрического поля в зависимости от величины дипольного момента нескомпенсированного заряда в тропосфере после молниевой вспышки облако-земля.
Заметим, что при электрических полях, недостаточных для развития спрайта, на высоте 78-80 км зажигается гало – светящийся диск в мезосфере непосредственно над областью тропосферного разряда при напряженности электрического поля меньше критического [5]. Применение одномерной модели для описания гало позволило изучить динамику возмущения возбужденных состояний атомов и молекул и связанного с ними излучения фотонов в зависимости от времени и высоты. Показано, что возмущения концентраций ионов и электронов во время гало не происходит.
Исследование возмущений состава мезосферы, обусловленных высотными разрядами, кроме фундаментального (поиск дополнительных источников поддержания ионизации нижней ионосферы в ночное время), представляет значительный практический интерес. Так, возмущение ионизации D-слоя влияет на условия распространения волн ОНЧ диапазона. Как показано в ряде работ, обусловленные спрайтами возмущения D-слоя приводят к существенным вариациям амплитуды и фазы сигнала на ОНЧ трассах [6]. Сильные возмущения, обусловленные наиболее мощными разрядами, в принципе, могут проявляться при радиопросвечивании ионосферы и влиять на точность геофизических и астрофизических измерений этим методом [7]. Наконец, исследование динамики основных и возбужденных состояний молекул, атомов и ионов в мезосфере и нижней термосфере очень важно для развития методов дистанционной диагностики состояния этой наиболее труднодоступной для прямых измерений области атмосферы [8].
Основной целью диссертации является исследование условий генерации высотных разрядов (спрайтов, гало) над грозовыми облаками и мезомасштабными конвективными системами, а также эффектов их воздействия на состав средней атмосферы. В соответствии с этой целью в настоящей работе решались следующие конкретные задачи:
1. Определение химических компонент, необходимых для описания химического состава мезосферы, и построение соответствующей системы химических реакций.
2. Создание программно-вычислительного комплекса для автоматического построения системы обыкновенных дифференциальных уравнений по системе химических реакций и моделирования влияния изменяющихся электрического поля и температуры электронов на химический состав.
3. Параметризация электрического поля и температуры электронов для характерных условий возникновения спрайтов, и исследование возмущения положительных и отрицательных ионов, электронов, нейтральных компонент, возбужденных атомов и молекул и связанных с ними излучений для нульмерной модели на высоте инициации спрайта (77 км) и диффузной области разряда (85 км).
4. Параметризация электрического поля на высотах мезосферы, создаваемого нескомпенсированными электрическими зарядами после разряда облако-земля в тропосфере.
5. Исследование влияния спрайта и гало на химический состав мезосферы в самосогласованной одномерной модели с учетом изменения проводимости, обусловленного высотным разрядом.
6. Исследование индукционных и безындукционных механизмов зарядки при образовании слоистой структуры электрического заряда в стратифицированной области мезомасштабной конвективной системы.
7. Создание модели для описания процессов разделения зарядов при таянии гидрометеоров в окрестности нулевой изотермы.
Научная обоснованность и достоверность результатов, полученных в диссертации, обеспечивается сравнением результатов моделирования с экспериментальными данными. Использование математических моделей обосновано соответствующими оценками, сравнением с моделями других авторов и адекватной физической интерпретацией. Основные положения диссертации опубликованы в ведущих российских журналах, докладывались на российских и международных конференциях.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту. Научная новизна диссертационной работы определяется полученными в ней оригинальными результатами. Основные положения, выносимые на защиту, заключаются в следующем:
1. При развитии высотного разряда (спрайта) в ночных условиях существенно возмущаются концентрации электронов (до 2,3·104 см–3), положительных и отрицательных ионов, включая ионы-связки, нейтральных компонент (в том числе в возбужденном состоянии). На высотах переходной и диффузионной областей спрайта объемная скорость эмиссии фотонов в первой положительной полосе азота достигает 2108 см–3·с–1, во второй положительной полосе 5107 см–3·с–1.
2. При формировании последовательности спрайтов, разделенных временным интервалом, ряд химических компонент не успевает релаксировать, что приводит к существенному изменению условий развития повторных разрядов и накоплению отдельных химических компонент (H5O2+, NO+).
3. Развитая одномерная самосогласованная модель влияния спрайтов/гало на химический состав средней атмосферы связывает процессы переноса заряда в молниевом разряде облако-земля в тропосфере и разрядные явления в мезосфере. Как показывают расчеты, изменение проводимости мезосферы существенно влияет на развитие высотного разряда: уменьшение проводимости на начальной стадии способствует инициации спрайта, а последующее увеличение приводит к релаксации электрического поля и гашению разряда.
4. Размер области диффузного разряда зависит от дипольного момента нескомпенсированного заряда в тропосфере. При значении дипольного момента менее 340 Клкм создаваемое электрическое поле недостаточно для развития спрайта, при этом формируется гало.
5. Учет индукционного и безындукционного механизмов зарядки тающих гидрометеоров и облачных частиц позволяет описать формирование интенсивного долгоживущего слоя положительного заряда в окрестности нулевой изотермы и слоистой структуры электрического заряда в стратифицированной области ММКС, параметры которых соответствуют натурным измерениям.
6. Важную роль в формировании электрической структуры грозовых облаков играют легкие аэроны воздуха, что связано с их влиянием на заряды, располагающиеся на облачных частицах и частицах осадков, а также с образованием дополнительных слоев электрических зарядов, экранирующих облако.
Практическая значимость. Результаты моделирования высотных разрядов могут использоваться при разработке дистанционных методов зондирования химического состава мезосферы по интенсивности излучения в различных диапазонах длин волн, а также могут быть использованы для оценки возмущения ионизации D слоя, влияющего на распространение волн ОНЧ диапазона. Результаты моделирования электрической структуры ММКС могут быть использованы для построения моделей краткосрочного прогноза молниевой активности.
Результаты работы использовались при выполнении проектов РФФИ (04а, 06-02-31021-к, 07-02-01342-а, 07-05-13584-офи_ц, 08-02-10016-к, 08-05-97018-р_поволжье_а, 09-02-10019-к, 10-05-01045-а, 11-05-12055-офи-мПубликации и апробация результатов. Основные результаты диссертации представлялись на Нижегородской сессии молодых ученых (Нижний Новгород, 2006, 2007), Нижегородской конференции по радиофизике (Нижний Новгород, 2005), на международной конференции “Topical problems of nonlinear wave physics” (Нижний Новгород, 2005, 2008), на ассамблее Международного союза геодезии и геофизики “IUGG - 2007” (Перуджа, 2007), на всероссийской научной школе “Нелинейные волны” (Нижний Новгород, 2006, 2008, 2010, 2012), на всероссийской конференции молодых ученых “Малые примеси, атмосферное электричество и динамические процессы в атмосфере” (Нижний Новгород, 2003), на всероссийской конференции молодых ученых “Состав атмосферы и электрические процессы” (Москва, 2004, Нижний Новгород, 2005), на всероссийской конференции молодых ученых “Состав атмосферы и электрические процессы” (Нижний Новгород, 2007), на всероссийской конференции молодых ученых “Состав атмосферы. Атмосферное электричество. Климатические процессы” (Звенигород, 2009, Борок, 2011), на международной конференции по атмосферному электричеству “ICAE - 2007” (Пекин, 2007), “ICAE - 2011” (Рио-де-Жанейро, 2011), на ассамблее союза геомагнетизма и аэрономии “IAGA - 2009” (Сопрон, 2009), на международной конференции динамические дни в Европе “Dynamics Days Europe - 2010” (Бристоль, 2010), на первой летней школе грозовые эффекты в атмосферно-ионосферной системе “TEA-IS 2012” (Малага, 2012), на всероссийской конференции по атмосферному электричеству (Санкт-Петербург, 2012), докладывались на семинарах ИПФ РАН и конкурсах молодых ученых ИПФ РАН и опубликованы в журналах «Известия РАН. Физика атмосферы и океана» (2 статьи), «Известия Вузов. Радиофизика»
(1 статья), Journal of Atmospheric research (1 статья), Journal of Atmospheric and Terrestrial physics (1 статья), в сборнике Sprites, Elves and Intensive Lightning Discharge (1 статья), 21 тезисах и трудах конференций. Результаты диссертации опубликованы в 27 печатных работах.
Личный вклад автора. Все приведенные в диссертации результаты получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем работы 148 страниц, включая 52 рисунка и список литературы из 70 наименований.
Во введении освещается современное состояние рассматриваемых в диссертации проблем, обосновывается актуальность темы работы и ее практическая значимость, кратко излагается ее содержание, формулируются положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлена нульмерная плазмохимическая модель влияния спрайта на состав мезосферы. Создан программно-вычислительный комплекс для изучения влияния внешних воздействий на химический состав мезосферы. Проведено моделирование для высот 77 и 85 км.
В § 1.1 даны общие сведения по спрайтам, приведены пространственновременные характеристики. Описаны современные модели учета влияния спрайтов на химический состав мезосферы.
В § 1.2 проводится постановка задачи моделирования и описание разработанного программно-вычислительного комплекса. Всего учитывается химических реакций для 61 химической компоненты: положительные и отрицательные ионы, электроны, нейтралы в основном и возбужденном состояниях. Спрайт моделируется в 3 стадии: доспрайтовая релаксация (104 с), вспышка спрайта (от 20 до 200 мкс), послеспрайтовая релаксация (10 4 с). Доспрайтовая релаксация приводит систему в квазистационарное состояние, спрайт создает возмущение химических компонент, послеспрайтовая релаксация позволяет оценить характерные времена релаксации химических компонент.
В § 1.3 проведен анализ возмущения концентраций заряженных частиц для высот 77 и 85 км (рис. 1). Возмущение электрического поля во время спрайта задается изменением параметра (напряженность электрического поля, нормированная на концентрацию нейтрального газа). Параметр за мкс достигает величины 250 Тд на 77 км и 300 Тд на 85 км, что соответствует 1,3 В/см и 0,6 В/см, а Те возрастает от 200 до 15000 К. После выхода на максимальное значение Тe и остаются постоянными в течение 100 мкс (стадия плато). Далее за 10 мкс Т e и возвращаются к доспрайтовым значениям. Общая продолжительность спрайта – 120 мкс – совпадает со временем возмущения поля и температуры электронов.
В § 1.4 рассмотрено возмущение концентраций возбужденных состояний атомарного и молекулярного азота и кислорода. N2(A), N2(В), N2(C) образуются при взаимодействии молекулярного азота с электронами в электрическом поле. N2(C) быстро переходит в N2(B) с излучением во второй положительной полосе молекулярного азота h(2PN2) и его возмущение невелико.
N2(B) переходит в N2(А) с излучением в первой положительной полосе молекулярного азота h(1PN2) (рис. 2). Концентрация N2(A) достигает 2,8·105 см–3, время релаксации 10 мс. Концентрация N2(В) достигает 6·104 см–3, время релаксации 100 мкс. Релаксация N2(A) связана с переходом в O2(a), O2(b) и тушением при столкновении с нейтральными молекулами. Релаксация O2(b) в основном происходит при реакции с молекулярным азотом и образованием O2(a). O2(b) излучает h(O2Atm), но гораздо быстрее происходит процесс перехода в O2(a). Основные стоки для O2(a) – это реакция с излучением в инфракрасном диапазоне h(O2IRAtm) и тушение на молекулах кислорода.
В §1.5 исследуется возмущение концентраций нейтральных невозбужденных химических компонент. Основное возмущение концентрации атомарного кислорода происходит после разряда, достигает максимального значения через 200 с и связано с тушением молекул и атомов в возбужденном состоянии при взаимодействии с нейтралами.
Рис. 1. Динамика возмущения основных ионов и электронов на высоте 77 км Рис. 2. Возмущение концентрации возбужденных атомов и молекул (слева) и объемная скорость эмиссии основных фотонов (справа) на 77 км На фоне начальной концентрации 2,7·107 см–3 возмущение от спрайта не превышает 10%, хотя по абсолютной величине сопоставимо с суммарным возмущением концентрации возбужденных компонент. Наработка NO практически не происходит во время разряда и начинается сразу после него. Основным источником для NO является тушение N(2D) на молекулярном кислороде. Возмущение концентрации составляет 4,5·10 4 см–3, достигается к 10 мс и составляет около 50% от квазистационарного доспрайтового значения. При взаимодействии электронной лавины с молекулярным азотом во время разряда образуется значительное возмущение концентрации атомарного азота, достигающее 2,3·105 см–3.
В §1.6 рассматривается зависимость величины возмущения концентраций химических компонент от внешних параметров. Продолжительность разряда и амплитуда электрического поля нелинейно влияют на амплитуду возмущения основных химических компонент: при увеличении длительности плато с 100 до 300 мкс возмущение концентрации электронов увеличивается на 3 порядка.
В §1.7 исследуется временная зависимость характерных для разрядов коэффициентов: частоты ионизации и прилипания, коэффициента (отношения суммарной концентрации отрицательных ионов к концентрации электронов). Показано существенное различие динамики разряда на высотах 77 и 85 км.
В §1.8 исследована последовательность из двух спрайтов, разделенных временным интервалом в 100 с, что соответствует экспериментальным данным для особо мощных ММКС [11,12]. Показано, что для части химических компонент возмущения концентрации не успевают полностью релаксировать (е, NO+, ионы связки), поэтому возмущение концентрации после второго спрайта больше и возможно накопление ряда химических компонент.
В §1.9 предлагается методика для сокращения списка химических реакций вследствие их малой значимости. Показано, что сокращение количества реакций с 267 до 145 приводит к незначительному изменению динамики всех химических компонент и может быть выполнено для ускорения расчетов при дальнейшем развитии модели.
В §1.10 обсуждаются основные особенности и ограничения нульмерного моделирования и приводятся основные результаты.
Во второй главе представлена одномерная самосогласованная модель влияния высотных разрядов – спрайтов и гало – на химический состав мезосферы. Данная модель является развитием нульмерной модели, представленной в первой главе.
В §2.1 проводится постановка задачи одномерного моделирования. Используется система химических реакций для описания состава мезосферы из нульмерной задачи. Электрическое поле вычисляется из уравнения (1) и связывает протекание тока в молниевом канале 1 (t / 1 ) 2 в дипольном приближении. E – напряженность электрического поля на высотах мезосферы. Проводимость мезосферы определяется из соотношения (2), где Ne – концентрация электронов, е(Те) – частота столкновения электронов. Для учета зависимости температуры электронов Te от напряженности электрического поля использовался свободно распространяемый программный пакет BOLSIG+, решающий уравнение Больцмана [9]. Зависимость силы тока в канале молнии от времени определяется из соотношения (3) с характерными времена 1=70 мкс и 2=500 мкс [10]. Нескомпенсированный заряд в облаке вычисляется интегрированием силы тока в молниевом канале. Для расчета взяты координаты 380 северной широты, 00 долготы. С увеличением высоты концентрация электронов и проводимость существенно возрастают. Учитывать только галактические космические лучи в качестве источника ионизации ночной мезосферы недостаточно для корректного моделирования высотных разрядов. Для получения в квазистационарном состоянии профиля проводимости, согласующегося с экспериментальными данными [11], добавляется источник ионизации, экспоненциально растущий с высотой. Задание начальных концентраций компонент производилось с использованием атмосферной климатической модели WACСМ, являющейся частью CESM версии 1.1 [12].
В §2.2 обсуждается динамика возмущения концентрации электронов, нормированного электрического поля и проводимости мезосферы при развитии спрайта. Амплитудная характеристика тока I0 = 180 кА, что соответствует максимальному протекающему току 110 кА и максимальному дипольному моменту 740 Кл·км. Показано, что инициация спрайта происходит с задержкой 300 мкс после начала протекания электрического тока в канале молнии.
На высотах 75-80 км резко растет и достигает максимальных значений от 180 до практически 200 Тд и остается на этом уровне несколько сотен микросекунд (рис. 3). После резкого роста концентрации электронов следует быстрое падение, связанное с возмущением проводимости. На высотах 70- км максимальные значения варьируются от 140 до 180 Тд.
В §2.3 приведены результаты моделирования для ионов. На высотах от до 81 км наблюдается значительное возмущение ионов О2+ и N2+ (рис. 4).
Максимальные возмущения наблюдаются на высотах от 74 до 77,5 км для О2+ и достигает 600 см–3 и более, на высотах от 76 до 78 км для N2+ с максимальной величиной около 270 см–3. Оба иона начинают возмущаться на высоте около 80 км, однако время начала различно: для N2+ значительный рост начинается после 550 мкс, для О2+ через 750 мкс. Различие в максимально наблюдаемых концентрациях определяется быстрыми процессами ионной конверсии, при которых N2+ переходит в О2+. С этим же связано время жизни возмущений. Для N2+ возмущение сохраняется не более 0,5 мс на всех высотах.
Для О2+ время релаксации возмущения зависит от высоты и составляет от 0, с на 70 км и порядка 60 с на высоте 80 км.
Рис. 3. Динамика возмущения нормированного электрического поля и концентрации электронов Рис. 4. Динамика возмущения положительных ионов О2+ и N2+ Рис. 5. Динамика возмущения концентрации N2(B) и объемная скорость излучения первой положительной полосы азота H5O2+ один из основных ионов на высоте от 70 до 80 км с максимальным возмущением на высотах от 74 до 77,5 км превышающим 500 см–3 через несколько десятков секунд после спрайта. H3O+ имеет сходную динамику, так как является предшественником H5O2+. Максимальные возмущения из-за быстрого превращения в следующий ион-связку невелики и составляют около 50 см–3.
Активное возмущение концентрации О2– проходит во всей области диффузного разряда. После начала разряда начинается интенсивная наработка О 2– на высотах от 70 до 75 км, с максимумом 350 см–3 на высоте 71 км. Релаксация возмущения происходит достаточно быстро: через 10 с концентрация возвращается к доспрайтовым значениям. Вторая область с большим возмущением концентрации находится на высотах 75-78 км и связана с ионной конверсией О– с молекулярным кислородом. Дольше всего возмущение концентрации О2– сохраняется в верхней части спрайта и продолжается около 800 с. О– образуется во время развития разряда. Основной источник – взаимодействие электронов с молекулами кислорода в электрическом поле. Несмотря на значительную скорость образования, заметного накопления О – не происходит. Основные стоки связаны с реакцией ионной конверсии с молекулярным кислородом. Релаксация после завершения спрайта происходит очень быстро. К 1 мс не остается возмущения в верхней части спрайта, а к мс в нижней.
В §2.4 приводятся результаты моделирования для возбужденных нейтралов и связанных с ними излучений. Показано, что основное излучение спрайта приходится на первую и вторую положительную полосу молекулярного азота (возбужденное состояние N2(C) и N2(B) соответственно), что совпадает с экспериментальными данными. Максимальное возмущение концентрации N2(B) на высоте 75,5 км составляет 1478 см–3, а объемная скорость эмиссии фотонов первой положительной полосы превышает 2·108 см–3·с–1 (рис. 5).
В §2.5 одномерная самосогласованная модель применена для моделирования гало. Частота генерации гало в мезосфере Земли достигает одного события в минуту [13]. Для их развития достаточно меньшей чем для спрайтов напряженности квазистатического электрического поля. Полярность разряда в тропосфере не играет существенной роли и гало возникает и после отрицательных разрядов, если переносится существенный заряд. Характерные значения напряженности нормированного электрического поля для гало 80–100 Тд [5].
Вследствие того, что лавина электронов не образуется, заметного возмущения концентрации ионных и нейтральных компонент не наблюдается. Показано что вертикальные размеры области гало составляют несколько километров, с центром на 79 км, что совпадает с экспериментальными данными [3, 14].
В §2.6 проведено исследование зависимости величины области спрайта занятой диффузным разрядом в зависимости от дипольного момента, создаваемого нескомпенсированным зарядом в тропосфере при протекании тока в молниевом разряде. Показано, что высота максимального значения нормированного электрического поля практически не зависит от дипольного момента и варьируется от 78,2 до 78,5 км. Рост максимального значения в зависимости от тока нелинейный, и при дипольном моменте 1200 Кл·км превышает критическое значение в 1,8 раза.
В §2.7 обсуждаются основные особенности и ограничения одномерного самосогласованного моделирования и приводятся основные результаты.
В третьей главе представлена одномерная модель для описания структуры электрического заряда в окрестности нулевой изотермы для стратифицированной области мезомасштабной конвективной системы. Проведено моделирование образования тонкого слоя положительного заряда около нулевой изотермы с учетом индукционного и безындукционного механизмов зарядки тающих гидрометеоров.
В §3.1 дается общая характеристика электрической структуры мезомасштабных конвективных систем. Характерной особенностью ММКС является высокая молниевая активность (как правило, в ночное время суток) в течение нескольких часов. Как показали измерения электрического поля непосредственно в грозовых облаках, проведенные на баллонах и самолетах, это связано с наличием долгоживущих (до 6–12 часов) слоев электрического заряда в стратифицированной области [15–19]. Несмотря на сложную аэродинамику и большой горизонтальный масштаб ММКС, на порядок превосходящий размеры обычной грозовой ячейки, распределение вертикальных слоев заряда сохраняет примерно постоянную структуру на протяжении всей стратифицированной области. При этом в большинстве экспериментов проявляется наличие интенсивного тонкого слоя положительного заряда в окрестности нулевой изотермы.
В §3.2 рассматриваются процессы электризации в грозовых облаках. Проблемы зарядки облачных частиц традиционно занимают важнейшее место в исследованиях грозового электричества. В литературе рассматривается множество механизмов разделения заряда, обладающих специфической микрофизикой в зависимости от температуры, фазового состава, размеров облачных частиц. Для динамики процесса электризации особенно важнейшую роль играет зависимость величины q (передаваемый заряд в единичном акте электризации) от напряженности электрического поля. Для индукционного механизма q зависит от величины и направления внешнего электрического поля и связана с поляризацией взаимодействующих частиц. Для безындукционного механизма величина заряда, разделяемого при столкновениях гидрометеоров, не зависит в явном виде от напряженности электрического поля.
Одной из наиболее характерных особенностей стратифицированной области ММКС является наличие интенсивного тонкого слоя положительного заряда в окрестности нулевой изотермы, а также более распределенного слоя отрицательного заряда ниже нулевой изотермы. Поэтому естественным является предположение, что при формировании этого слоя положительного заряда основную роль играет электризация при таянии частиц льда. Учитывая, что отрицательный заряд находится ниже нулевой изотермы и распределен в большем диапазоне высот, можно предположить, что крупные тающие гидрометеоры заряжены отрицательно, а мелкие капли воды – положительно [19]. Существующие лабораторные эксперименты не дают ясной и однозначной картины разделения зарядов при таянии ледяных кристаллов [20–23]. В опытах по измерению зарядов на мелких оторвавшихся от тающей частицы каплях воды обнаруживаются заряженные как положительно, так и отрицательно мелкие капли. Физические механизмы, приводящие к разделению зарядов, не вполне ясны. Очевидно, однако, что в реальных условиях на знак отрываемого заряда может существенно влиять электрическое поле, т.е. может реализоваться индукционный механизм вследствие сдувания поляризованного заряда на крупной частице. Возможно также, что определенную роль играет в рассматриваемых процессах и безындукционная зарядка, связанная с различиями в подвижностях ионов ОН– и Н+, существующих в гидратированном состоянии во льду и в воде [20, 21].
В §3.3 предлагается система уравнений для описания процесса зарядки в окрестности нулевой изотермы тающих гидрометеоров. Предлагаемая модель основана на системе уравнений квазигидродинамики для основных фракций, участвующих в процессах формирования зарядовых слоев, которая, благодаря большому горизонтальному масштабу описываемой системы, анализируется в одномерном приближении. Ключевую роль при написании этой системы играет параметризации процессов электризации облачных частиц, то есть определение величины q для индукционного и безындукционного механизмов разделения зарядов.
Рассматривается поток тающих гидрометеоров с постоянной концентрацией. При прохождении области таяния, лежащей в окрестности нулевой изотермы, от них отрываются и сносятся встречным по отношению к гидрометеору потоком воздуха мелкие капли воды, уносящие электрический заряд.
Область таяния определяется функцией таяния f(z), которая параметризует интенсивность процесса разделения зарядов в зависимости от высоты в окрестности нулевой изотермы. Предлагаемая модель включает в себя уравнения непрерывности для плотности заряда тающих гидрометеоров, капель воды, положительных и отрицательных аэроионов и уравнение Пуассона. Дополнительно учитывается зависимость скорости аэроионов от величины электрического поля, зависимость скорости образования аэроионов от высоты и приведены выражения для электрического заряда, отрываемого в единичном акте электризации тающего гидрометеора при учете индукционного и безындукционного механизма разделения заряда.
В §3.4 приводятся результаты моделирования для безындукционного механизма зарядки в окрестности нулевой изотермы. Слои электрического заряда, формирующиеся в окрестности точки реверса, считаются постоянными и задаются с помощью Add.Показано, что при отсутствии процессов генерации в окрестности нулевой изотермы примерно за 300 с электрическая структура приходит к квазистационарному состоянию, электрическое поле достигает значений 25 кВ/м, при этом напряженность электрического поля у земной поверхности составляет 1 кВ/м и направлена вверх, то есть имеет полярность, противоположную полю хорошей погоды.
Показано, что при учете безындукционной зарядки в окрестности нулевой изотермы формируется структура электрического поля и плотности заряда аналогичная наблюдаемой в экспериментах. Напряженность полей достигает значения 70 кВ/м за 2000 с с начала процессов электризации. Плотность электрического заряда достигает 3–4 нКл/м3 (рис. 6). При задании разнонаправленного профиля скорости у нулевой изотермы удается получить профиль электрического поля, совпадающий количественно с наблюдаемыми профилями в ММКС типа Б.
В §3.5 приводятся результаты моделирования для индукционного механизма зарядки в окрестности нулевой изотермы. Показано, что возможно формирование наблюдаемой в экспериментах структуры поля, при этом эффективность зарядки сильно зависит от величины и направления скорости движения воздуха.
Рис. 6. Профиль напряженности электрического поля и плотности электрического заряда для безындукционного механизма разделения зарядов В §3.6 проведена модернизация базовой системы уравнений для учета влияния поляризации частиц в электрическом поле на интенсивность прилипания аэроионов. Верхние слои зарядов в окрестности точки реверса начинают формироваться одновременно с электризацией у нулевой изотермы. При накоплении значительного электрического заряда на частицах прилипание аэроионов того же знака прекращается, зато частота прилипания аэроионов противоположного знака максимальна, что ведет к релаксации заряда на частицах. Показано, что учет поляризации тающих агрегатов и капель воды приводит к уменьшению интенсивности генерации слоев электрического заряда, однако не ведет к значительному изменению профиля электрического поля и позволяет промоделировать профиль поля, наблюдаемый в ММКС типа А.
В Заключении сформулированы основные результаты работы.
1. Разработана и проанализирована нульмерная плазмохимическая модель воздействия спрайта на химический баланс мезосферы. Показано, что во время и после вспышки на высотах переходной и диффузной области спрайта существенно возмущаются концентрации электронов (до 2,3·104 см–3), положительных и отрицательных ионов, нейтральных компонент (в том числе в возбужденном состоянии). Объемная скорость эмиссии фотонов в первой положительной полосе азота достигает 1010 см–3·с–1.
2. Показано, что при генерации последовательности спрайтов, разделенных временным интервалом 100 с, ряд химических компонент не успевает релаксировать после первого разряда, что приводит к изменению условий развития второго разряда и накоплению отдельных химических компонент (H5O2+, NO+).
3. Разработана одномерная плазмохимическая самосогласованная модель воздействия спрайта на состав мезосферы для высот от 60 до 90 км. Показано, что развитие лавинной ионизации начинается на высоте около 78 км, с последующим распространением вверх до 82 км и вниз до 70 км.
4. Установлено, что проводимость мезосферы на стадии инициации спрайта падает почти на два порядка из-за роста частоты столкновений электронов с нейтралами при увеличении температуры, что способствует развитию разряда. По мере формирования лавины электронов проводимость существенно возрастает, что приводит к вытеснению поля и прекращению разряда.
5. Проанализирована зависимость величины области диффузного разряда спрайта от дипольного момента нескомпенсированного заряда в тропосфере. Показано, что спрайт развивается при значениях дипольного момента, превышающих 340 Кл·км. При меньших значениях дипольного момента на высотах 78-80 км формируется гало, не сопровождающееся возмущением концентрации ионов и электронов. Объемная скорость эмиссии фотонов во время гало не превышает 2·105 см–3·с–1 для первой положительной полосы азота.
6. Разработана модель, описывающая генерацию слоев электрического поля и заряда в стратифицированной области мезомасштабной конвективной системы. Показано, что при учете индукционного и безындукционного механизмов зарядки тающих гидрометеоров в окрестности нулевой изотермы в течение 30 минут формируется структура электрического поля, наблюдаемая в натурных экспериментах для мезомасштабных конвективных систем А и Б типа.
7. Показано, что влияние поляризации ледяных агрегатов и капель воды на прилипание аэроионов приводит к замедлению процессов разделения заряда в грозовом облаке, не изменяя структуру формирующегося электрического поля.
8. Установлено, что максимальная плотность электрического заряда в окрестности нулевой изотермы достигает 4 нКл/м3. С учетом вертикального размера слоя положительного заряда (около 300 м) и горизонтальных размеров стратифицированной области ММКС (тысячи квадратных километров), накопленный заряд может достигать нескольких тысяч кулон, что достаточно для генерации спрайтов.
1. Mishin E. V., Milikh G.M. Blue Jets: Upward Lightning // Space Sci. Rev. 2008.
Vol. 137, № 1-4. P. 473-488.
2. Van der Velde O.A. et al. Analysis of the first gigantic jet recorded over continental North America // Journal of Geophysical Research. 2007. Vol. 112, № D20. P.
D20104.
3. Pasko V.P. Recent advances in theory of transient luminous events // J. Geophys.
Res. 2010. Vol. 115. P. A00E35.
Shepherd R.T., Rust W.. D., Marshall T.C. Electric Fields and Charges near 0°C in Stratiform Clouds // Mon. Weather Rev. 1996. Vol. 124, № 5. P. 919-938.
5. Adachi T. et al. Electric field transition between the diffuse and streamer regions of sprites estimated from ISUAL/array photometer measurements // Geophys. Res. Lett.
2006. Vol. 33, № 17. P. L17803.
6. Dowden R.L., Rodger C.J., Nunn D. Minimum sprite plasma density as determined by VLF scattering // IEEE Ant. Prop. Magazine. 2001. Vol. 34, № 2. P. 12–24.
Куницын В.Е. et al. Спутниковое радиозондирование и радиотомография ионосферы // УФН. 2010. Vol. 180, № 5. P. 548–553.
8. Liu N. et al. Assessment of sprite initiating electric fields and quenching altitude of a1g state of N2 using sprite streamer modeling and ISUAL spectrophotometric measurements // J. Geophys. Res. 2009. Vol. 114. P. A00E02.
9. Hagelaar G.J.M., Pitchford L.C. Solving the Boltzmann equation to obtain electron transport coefficients and rate coefficients for fluid models // Plasma Sources Sci. Technol.
2005. Vol. 14. P. 722-733.
10. Rakov V.A., Uman M.A. Lightning: physics and effects. Cambridge University Press, 2002. P. 687.
11. Pasko V.P., Inan U.S., Bell T.F. Sprites produced by quasi-electrostatic heating and ionization in the lower ionosphere // J. Geophys. Res. 1997. Vol. 102, № A3. P. 4529http://www.cesm.ucar.edu/models/cesm1.1/cam/ [Online].
13. Chen A.B. et al. Global distributions and occurrence rates of transient luminous events // J. Geophys. Res. 2008. Vol. 113. P. A08306.
14. Wescott E.M. et al. Triangulation of sprites, associated halos and their possible relation to causative lightning and micrometeors // Journal of Geophysical Research. 2001.
Vol. 106, № A6. P. 10467.
15. Marshall T.C., Rust W.D. Two types of vertical electrical structures in stratiform precipitation regions of mesoscale convective regions // Bull. Amer. Meteorol. Soc. 1993.
Vol. 74, № 12. P. 2159-2170.
16. Stolzenburg M. et al. Electrical structure in thunderstorm convective regions,1, Mesoscale convective systems // J. Geophys. Res. 1998. Vol. 103, № D12. P. 14,059-14,078.
17. Stolzenburg M., Marshall T. C. Charge structure and dynamics in thunderstorms // J. Space Sci. Rev. 2008. Vol. 137, P. 355-372.
18. Mo Q. et al. Horizontal structure of the electric field in the stratiform region of an Oklahoma mesoscale convective system // J. Geophys. Res. 2003. Vol. 108, № D7. P. 4225.
19. Bateman M.G. et al. Precipitation charge and size measurements inside a New Mexico mountain thunderstorm // J. Geophys. Res. 1999. Vol. 104, № D8. P. 9643-9653.
20. Мучник В.М. Физика грозы. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. P. 352.
21. Takahashi T. Electric potential of liquid water on an ice surface // J.Atmos.Sci.
1969. Vol. 26, № 6. P. 1253-1258.
22. Drake J.C. Electrification accompanying the melting the melting of ice particles // Quart. J. Roy. Meteor. Soc. 1968. Vol. 94, № 400. P. 176-191.
23. Knight C.A. Observations of the morphology of melting snow // J.Atmos.Sci.
1979. Vol. 36, № 6. P. 1123-1130.
1. Mareev E.A., Evtushenko A.A., Yashunin S.A. On the modeling of sprites and sprite producing clouds in the global electric circuit // Sprites, Elves and Intensive Lightning Discharges, NATO Science Series / под ред. M. Fullekrug, E. Mareev, M. Rycroft. Cluwer:
Springer, 2005. С. 313-340.
2. Evtushenko A.A., Mareev E.A. On the generation of charge layers in MCS stratiform regions // Atmospheric research. 2008. Т. 91. № 2-4. С. 272-280.
Евтушенко А.А., Мареев Е.А. О генерации слоев электрического заряда в мезомасштабных конвективных системах // Физика Атмосферы и Океана. 2009. Т. 45. № 2. С. 242-252.
Евтушенко А.А., Мареев Е.А. Моделирование возмущений состава мезосферы под действием высотных разрядов – спрайтов // Изв. ВУЗов – Радиофизика. 2011.
Т. 54. № 2. С. 123-140.
Евтушенко А.А., Кутерин Ф.А., Мареев Е.А. Об особенностях возмущения ионного состава, нейтральных компонент и оптических эмиссий в мезосфере под действием грозовых разрядов // Физика Атмосферы и Океана. 2013. Т. 49. № 5. С. 1-11.
6. Evtushenko A.A., Kuterin F.A., Mareev E.A. A model of sprite influence on the chemical balance of mesosphere // J. Atmos. Terr. Phys. 2013. Vol. 102. P. 298-310.
7. Evtushenko A.A. Modeling the influence of a high altitude discharge on the chemical balance of the mesosphere // Proceedings of International Union of Geodesy and Geophysics (IUGG). Perugia, 2007. P. 8. Evtushenko A. A., Mareev E. A., Marshall T. C., Stolzenburg M.. On the generation and stability of charge layers in MCS stratiform regions // Proceedings of XIII International Conference on Atmospheric Electricity. Beijing, 2007, http://www.icae2011.net.br/.
9. Evtushenko A.A. The altitude dependence of sprite influence on the chemical balance of the mesosphere //
Abstract
book of IAGA 11th Scientific Assembly. Sopron, 2009, 201-MON-O1100-0323.
10. Evtushenko A.A. About the sprite influence on the chemical composition of the mesosphere // Book of abstracts of XXX Dynamics Days Europe. Bristol, 2010, p. 74-75.
11. Evtushenko A.A., Kuterin F.A., Mareev E.A. A model of sprite influence on the chemical balance of mesosphere // XIV International Conference on Atmospheric Electricity. Rio de Janeiro, 2011, http://www.icae2011.net.br/.
12. Evtushenko A.A., Kuterin F.A., Mareev E.A. A self-consistent model of sprite influence on the chemical balance of mesosphere // First Summer School Thunderstorm Effects on the Atmosphere-Ionosphere System (TEA-IS). Malaga, 2012, http://teais.trappa.es/sites/all/files/webform/con.
13. Евтушенко А.А. О влиянии грозовой активности на химические процессы в атмосфере // Малые примеси, атмосферное электричество и динамические процессы в атмосфере, Труды VII всероссийской конференции молодых ученых. Н.Новгород, 2003. С. 141-145.
14. Евтушенко А.А., Мареев Е.А. Моделирование динамики электрического поля в конвективных облаках и мезомасштабных конвективных системах // VIII всероссийская конференция молодых ученых. Состав атмосферы и электрические процессы.
Москва, 2004. С. 46.
15. Евтушенко А.А., Мареев Е.А. Плазмохимическая модель влияния спрайта на состав мезосферы // IX Всероссийская конференция молодых ученых, Состав атмосферы и электрические процессы. Н.Новгород, 2005. С. 57.
16. Евтушенко А.А. Моделирование динамики слоев электрического заряда в атмосфере с учетом различных механизмов электризации // XI Всероссийская конференция молодых ученых, Состав атмосферы и электрические процессы. Н.Новгород, 2007. С. 45.
17. Евтушенко А.А. О высотной зависимости влияния спрайта на состав мезосферы // XIII международная конференция молодых ученых “Состав атмосферы. Атмосферное электричество. Климатические процессы”, САтЭП-2009. Звенигород, 2009.
С. 75.
18. Евтушенко А.А., Кутерин Ф.А. Трехмерная модель влияния спрайта на химический состав мезосферы // XV Всероссийская школа-конференция молодых ученых. Состав атмосферы. Атмосферное электричество. Климатические процессы. Борок, 2011. С. 78.
19. Евтушенко А.А. Моделирование влияния спрайтов на состав мезосферы // Труды конференции молодых ученых “Нелинейные волновые процессы”, XIII научная школа “Нелинейные волны - 2006”. Н.Новгород, 2006. С. 42-43.
20. Евтушенко А.А. О формировании профиля проводимости и электрического поля в облачной атмосфере // Труды конференции молодых ученых “Фундаментальные и прикладные задачи нелинейной физики”, XIV научная школа “Нелинейные волны - 2008”. Нижний Новгород, 2008. С. 43-44.
21. Евтушенко А.А. О нелинейных эффектах влияния спрайта на состав атмосферы // Труды конференции молодых ученых “Фундаментальные и прикладные задачи нелинейной физики”, XV научная школа “Нелинейные волны - 2010”. Н.Новгород, 2010. С. 33-34.
22. Евтушенко А.А., Кутерин Ф.А. Самосогласованная модель возмущений состава мезосферы под действием высотного разряда – спрайта // Труды XVI научной школы “Нелинейные волны – 2012”. Н.Новгород, 2012. С. 41-42.
23. Евтушенко А.А. О генерации слоев электрического заряда в мезомасштабных конвективных системах // XI Сессия молодых ученых. Н.Новгород, 2006. С. 81.
24. Евтушенко А.А. О роли легких ионов и облачных частиц в формировании электрической структуры грозового облака // XII Нижегородская сессия молодых ученых. Нижний Новгород, 2007. С. 89-90.
25. Evtushenko A.A. Modeling of the lower positive charge layer in the stratiform region // International Symposium, Topical problems of nonlinear wave physics. St. Petersburg – Nizhny Novgorod, 2005. С. 38-39.
26. Evtushenko A.A. Modeling the fast growth of electric field structure in thunderstorm clouds // International Symposium, Topical problems of nonlinear wave physics.
Nizhny Novgorod, 2008, P. 34-35.
27. Евтушенко А.А., Кутерин Ф.А., Мареев Е.А. Возмущение электрического поля и состава средней атмосферы под действием высотных разрядов // VII Всероссийская конференция по атмосферному электричеству. Санкт-Петербург, 2012. С. 71- 73.
«