Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО

Российский Государственный Гидрометеорологический Университет

(РГГМУ)

Допущена к защите Кафедра экспериментальной физики

Зав. кафедрой д.ф.-м.н., профессор атмосферы

А.Д. Кузнецов

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

Природа глобальных вариаций приземного электрического поля атмосферы Выполнила Н.Н.Буркацкая гр. М-535 Руководитель канд. ф.-м. н., доцент В.В.Чукин Санкт-Петербург Содержание Cтр.

Сокращения Введение 1. Теория глобальной электрической цепи 1. Характеристики атмосферного электричества 1 1. Глобальная атмосферноэлектрическая токовая цепь 2 1. Модели глобальной атмосферно-электрической токовой цепи 3 2. Приземный электродный эффект 2. Электричество приземного слоя 1 2. Классический электродный эффект 2 2. Турбулентный электродный эффект 3 3. Избирательные свойства поверхности воды 3. Возникновение двойного электрического слоя 1 3. Избирательные свойства водной поверхности 2 4. Моделирование глобальных суточных вариаций электрического поля Земли 4. Исходные данные для анализа 1 4. Численная модель глобальных электрических токов 2 4. Результаты численного моделирования 3 Заключение Список использованных источников Приложение А Сокращения ДЭС – двойной электрический слой UTC – Coordinated Universal Time ПЭВМ – персональная электронно-вычислительная машина Введение Вблизи поверхности Земли существует область, описание электрических процессов в которой отличается от описания этих процессов в свободной атмосфере. Это область приземного слоя атмосферы, в которой существенное влияние на распределение электрических характеристик оказывают турбулентные процессы обмена, наличие поверхностных источников радиоактивных веществ, свойства подстилающей поверхности, наличие аэрозольных частиц. Поэтому исследования электрических процессов в приземном слое отличаются от аналогичных исследований в свободной изменчивость электрического поля Земли.

предназначено для выяснения причин суточных вариаций приземных значений электрического поля Земли.

Целью данной работы является проведение исследования влияния электрических процессов над сушей на суточные изменения параметров электрического поля. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

– проведение всестороннего анализа информации об электрическом поле и условиях его формирования;

– построение математической модели глобальных электрических токов над сушей;

– численная реализация модели электрических токов;

– сравнительный анализ данных математического моделирования с результатами натурных измерений.

В первой главе на основе литературных источников описываются характеристики атмосферного электричества, теория глобальной электрической токовой цепи и ее модели.

Вторая глава посвящена рассмотрению приземного электродного эффекта, причин турбулизации атмосферы и турбулентного электродного эффекта.

электрического слоя и избирательные свойства водной поверхности.

В четвертой главе приводится анализ математической модели глобальных суточных вариаций электрического поля Земли и результаты численного моделирования.

1 Теория глобальной электрической цепи 1.1 Характеристики атмосферного электричества Основными характеристиками, определяющими электрическое состояние атмосферы, являются напряженность электрического поля Е (измеряемая в В/м); нередко вместо этой величины используют градиент потенциала grad (grad потенциал электрического поля в атмосфере, размерность которого совпадает с Е, но отличается знаком), плотность электрического заряда (Кл/м3), плотность электрического тока j (А/м2), потенциал электрического поля атмосферы (В), электропроводность атмосферы (См/м).

Рассмотренные выше характеристики электрического поля атмосферы являются локальными и зависимыми.

Кроме рассмотренных величин, существуют величины, которые определяют глобальное электрическое состояние атмосферы. К этим величинам относятся электрический потенциал ионосферы, общее сопротивление атмосферы R (Ом), полный заряд атмосферы Q (Кл), полный электрический ток в атмосфере I (А). Кроме того, для каждого района земного шара часто рассматривают сопротивление стола атмосферы, рассчитанного на единичную площадь Re (Омм2). Все эти величины связаны с электрическими характеристиками атмосферы [1].

1.2 Глобальная атмосферноэлектрическая токовая цепь Глобальная атмосферноэлектрическая токовая цепь определяет в атмосфере баланс электрических токов, условия поддержания электрического поля, а также структуру электрических полей и токов. Данные многолетних измерений электрических характеристик атмосферы вблизи поверхности Земли указывают на существование электрического поля напряженностью порядка 102 В/м и электрического тока плотностью порядка 10-12 А/м2. Эти параметры определяются в так называемых условиях хорошей погоды, то есть при отсутствии в данном районе Земли облаков, ветров, метелей. Измерения электрического поля «хорошей погоды» вблизи земной поверхности позволяют оценить некоторый эффективный заряд Земли, который составляет 105 Кл. Поскольку атмосфера Земли обладает электропроводностью, то при отсутствии источников электрическое поле в атмосфере исчезает примерно за 10 мин [1].

Согласно современным представлениям, основным источником электрического поля в тропосфере и стратосфере являются грозовые облака, которые действуют как токовые генераторы. В областях существования грозовых облаков текут токи, заряжающие атмосферу, а в областях, свободных от грозовых облаков, текут токи разрядки. Суточный ход напряженности электрического поля во многом подобен суточному ходу интенсивности грозовой деятельности рассчитанной для всего земного шара, что отражено на рисунке 1.1 [2].

Рисунок 1.1 – Суточные вариации грозовой активности и относительные суточные вариации напряженности электрического поля над океанами:

кривая 1 – суточные вариации грозовой активности по Бруксу;

кривая 2 – суточные вариации грозовой активности по Крумму;

кривая 3 – относительные суточные вариации напряженности электрического поля по результатам измерений в полярных кривая 4 – относительные суточные вариации напряженности электрического поля над океанами по результатам измерений на Возможно, что грозовые облака не единственные генераторы, поддерживающие электрическое поле атмосферы, так как в июле месяце отмечается большее количество гроз, чем в январе, а напряженность электрического поля наоборот больше в январе и меньше в июле, что отражено на рисунке 1.2 [2].

Рисунок 1.2 – Годовой ход вариации напряженности электрического поля и среднего числа гроз:

кривая 1 – годовой ход вариации напряженности электрического поля;

кривая 2 – годовой ход вариации среднего числа гроз.

Основные уравнения, описывающие глобальную токовую цепь, имеют следующий вид [1]:

где E – напряженность электрического поля, В/м;

µ 0 – магнитная проницаемость вакуума, Гн/м;

– напряженность магнитного поля, А/м;

j – плотность электрического тока, А/м2;

– плотность электрического заряда, Кл/м3;

0 – диэлектрическая проницаемость вакуума, равная 8.8510 -12 Ф/м.

временной масштаб, L — характерный пространственный масштаб задачи) система уравнений (1.2.1)-(1.2.5) сводится к следующей системе:

Система (1.6)-(1.8) фактически описывает все электрические процессы в нижних слоях атмосферы, исключая только быстропеременные процессы, протекающие при молниевых разрядах. Последнее уравнение для плотности электрического заряда есть следствие уравнения для rotН, если от него взять операцию div. Выражение для плотности электрического тока записывается в следующем виде:

где V – гидродинамическая скорость движения среды, м/с;

К – коэффициент турбулентной диффузии, м2/с;

j S – плотность электрического тока, создаваемая i-м источником, А/м2.

Последний член, входящий в выражение (1.9), описывает источники тока в атмосфере, которыми, в частности, являются грозы. Второй и третий члены существенны в пограничном слое атмосферы.

Если выполнено условие Т>>0 /=, то в этом случае током смещения 0 можно пренебречь и система уравнений (1.6) – (1.8) превращается в стационарную:

Важную роль в исследовании электрических процессов в атмосфере играют ее электропроводящие свойства. Ионный состав атмосферы в нижнем слое довольно сложен. Имеется целый спектр ионов, которые представляют собой комплексы молекул, несущих заряд, равный элементарному заряду (заряд электрона е). Атмосферные ионы различаются химической природой входящих в них молекул, коэффициентом диффузии, подвижностью (b±).

Можно выделить примерно пять групп ионов в зависимости от их подвижности и радиуса [1]:

– легкие (малые) ионы (b± 10-4 м2/(сВ), r 6,6 10-16 м);

– легкие промежуточные ионы (10 -6 м2/(сВ) b± 10 -4 м2/(сВ), 6,6 10-16 м r 810-16 м);

8-10-16 м r 2,510 -12 м);

– ионы Ланжевена (2,510 -8) м2/(сВ) b± 107 м2/(сВ), 2,510 -12 м r 5,710-12 м);

– ультратяжелые ионы (b± < 2,510-8 м2/(сВ), r > 5,710 -14 м).

Электропроводность атмосферы при известном ионном составе определяется выражением:

где i – суммирование по группам ионов;

+, – полярные электропроводности.

Электропроводность в этой части земной атмосферы формируется под влиянием радиоактивного излучения поверхности Земли, радиоактивных примесей, содержащихся в воздухе, космического излучения. По мере удаления от земной поверхности она растет и ее зависимость от высоты может быть представлена в виде:

где 0 – электропроводность вблизи поверхности Земли;

r0 – радиус Земли, равный 6370000 м;

Представление (1.14) не единственно. В ряде случаев до высоты примерно 40 км электропроводность может быть представлена в следующем виде:

концентрации положительных и отрицательных ионов и электропроводность определяются выражениями:

В этом случае определяется источниками ионизации, а ее изменение с высотой z – интенсивностью ионообразования (z). Тогда распределение напряженности электрического поля с высотой имеет вид:

а распределение плотности электрического заряда представляется формулой:

где j0 – плотность электрического тока в атмосфере, А/м2.