РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ТУРБУЛЕНТНОГО ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ

  • О.В. Белоусова Южный федеральный университет
  • Г.В. Куповых Южный федеральный университет
  • А.Г. Клово Южный федеральный университет
  • В.В. Гривцов Южный федеральный университет
Ключевые слова: Математическое моделирование, электродинамика, приземный слой, атмосфера, турбулентный электродный эффект, электрическое поле, аэроионы, объемный заряд

Аннотация

Представлены результаты математического моделирования электродинамической
структуры турбулентного приземного слоя атмосферы. Использована модель стационар-
ного турбулентного электродного эффекта, действующего вблизи поверхности земли.
Анализ уравнений методами теории подобия позволил сделать ряд обоснованных физиче-
ских допущений, позволивших получить аналитические решения. Получены аналитические
формулы для расчетов профилей концентраций легких ионов (аэроионов), плотности объ-
емного электрического заряда и напряженности электрического поля в турбулентном
электродном слое. В результате математического моделирования исследованы зависимо-
сти распределения электрических характеристик приземного слоя от значений электриче-
ского поля, степени турбулентного перемешивания и аэрозольного загрязнения атмосфе-
ры. Показано, что параметр электродного эффекта (отношение значений напряжённости
электрического поля на поверхности земли и на верхней границе электродного слоя) прак-
тически не зависит от атмосферных условий, тогда как высота электродного слоя и, со-
ответственно, масштаб распределения электрических характеристик приземного слоя
меняются в значительной степени. Усиление турбулентного перемешивания в приземном
слое приводит к увеличению высоты электродного слоя и, как следствие, масштабов рас-
пределения его параметров. Усиление электрического поля или загрязнение воздуха аэро-
зольными частицами достаточной концентрации приводит к уменьшению его высоты.
Увеличение концентрации аэрозольных частиц в атмосфере уменьшает значения плотно-
сти электрического заряда у поверхности земли. Теоретические расчеты хорошо согласу-
ются с экспериментальными данными и результатами численного моделирования элек-
трической структуры приземного слоя. Полученные в работе аналитические формулы для
расчетов электрических характеристик приземного слоя и результаты вычислений могут
быть полезны при решении ряда прикладных задач геофизики, в частности для мониторин-
га электрического состояния атмосферы.

Литература

1. Morozov V.N. Atmosfernoe elektrichestvo [Atmospheric electricity], Atmosfera. Spravochnik
(spravochnye dannye, modeli) [Atmosphere. Handbook (reference data, models)]. Leningrad:
Gidrometeoizdat, 1991, pp. 394-408.
2. Kupovykh G.V. Elektrichestvo prizemnogo sloya [Electricity of the surface layer], Izvestiya
vysshikh uchebnykh zavedeniy. Severo-Kavkazskiy region. Estestvennye nauki [News of higher
educational institutions. The North Caucasus region. Natural sciences], 1995, No. 4, pp. 32-34.
3. Kupovykh G.V., Morozov V.N., Shvarts Ya.M. Teoriya elektrodnogo effekta v atmosfere [Theory
of the electrode effect in the atmosphere]. Taganrog: Izd-vo TRTU, 1998, 123 p.
4. Kupovykh G.V. Elektrodinamicheskie protsessy v prizemnom sloe atmosfery [Electrodynamic
processes in the surface layer of the atmosphere]. Taganrog: Izd-vo TTI YuFU, 2009, 114 p.
5. Hoppel W.A. Electrode effect: comparison of the theory and measurement, In: Planetary Electrodynamics,
2. S.C. Coroniti and J. Hughes; editors. Gordon and Breach Science Publishers,
New York, 1969, pp. 167-181.
6. Kupovykh G.V., Morozov V.N. Turbulentnyy elektrodnyy effekt v prizemnom sloe [Turbulent
electrode effect in the surface layer], Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Severo-
Kavkazskiy region. Estestvennye nauki. Prilozhenie № 3 [Izvestia of higher educational institutions.
The North Caucasus region. Natural sciences. Appendix No. 3], 2003, pp. 55-62.
7. Redin A.A, Klovo A.G., Kupovykh G.V. Elektrodinamicheskaya model' atmosfernogo prizemnogo
sloya [Electrodynamic model of the atmospheric near-earth layer], Izvestiya YuFU.
Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2009, No. 8, pp. 93-106.
8. Svidel'skiy S.S., Litvinova V.S., Kupovykh G.V., Klovo A.G. Formirovanie struktury
atmosfernogo elektrodnogo sloya [Formation of the structure of the atmospheric electrode layer],
Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2020,
No. 5, pp. 130-141.
9. Kupovykh G.V., Klovo A.G., Kudrinskaya T.V., Timoshenko D.V. Matematicheskoe
modelirovanie v elektrodinamike prizemnogo sloya atmosfery [Mathematical modeling in the
electrodynamics of the surface layer of the atmosphere], Mater. XIV Mezhdunarodnoy
konferentsii «Fundamental'nye i prikladnye problemy matematiki i informatiki» [Proceedings
of the XIV International Conference "Fundamental and Applied problems of Mathematics and
Computer Science"]. Izd-vo DGU, 2021, pp. 141-144.
10. Kupovykh G.V., Klovo A.G., Kudrinskaya T.V., Timoshenko D.V. Elektrodinamicheskie modeli
prizemnogo sloya atmosfery [Electrodynamic models of the surface layer of the atmosphere],
X Vserossiyskaya nauchnaya konferentsiya «Sistemnyy sintez i prikladnaya
sinergetika»: Sb. nauchnykh trudov (p. Nizhniy Arkhyz, Rossiya 28 sentyabrya – 02 oktyabrya
2021 g.) [Collection of scientific papers (Nizhny Arkhyz, Russia September 28 – October 02,
2021)]. Rostov-on-Don; Taganrog: Izd-vo YuFU, 2021, pp. 190-195.
11. Kupovykh G.V., Klovo A.G., Grivtsov V.V., Belousova O.V. Modelirovanie
elektrodinamicheskoy struktury neturbulentnogo prizemnogo sloya [Modeling of the
electrodynamic structure of a non–turbulent surface layer], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie
nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2022, No. 3 (227). pp. 234-243.
12. Hoppel W.A., Frick G.M. Ion-Aerosol Attachment Coefficients and the Steady-State Charge
Distribution on Aerosols in a Bipolar Ion Environment, Aerosol Science and Technology,
1986, 5:1, pp. 1-21.
13. Hoppel W.A. Ionaerosol attachment,ion depletion and charge distribution on aerosols,
J. Geoph. Res., 1985, Vol. 90, No. D4, pp. 5917-5923.
14. Redin A.A., Klovo A.G., Kupovykh G.V. Matematicheskoe modelirovanie
elektrodinamicheskoy struktury prizemnogo sloya atmosfery v usloviyakh aerozol'nogo
zagryazneniya [Mathematical modeling of the electrodynamic structure of the surface layer of
the atmosphere under conditions of aerosol pollution], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki
[Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2009, No. 7 (96), pp. 192-200.
15. Redin A.A., Klovo A.G., Kupovykh G.V., Morozov V.N. Generatsiya ob"emnogo zaryada vblizi
poverkhnosti zemli s uchetom vzaimodeystviya aerozol'nykh chastits s aeroionami [Generation
of a volumetric charge near the Earth's surface, taking into account the interaction of aerosol
particles with aeroions], Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Severo-Kavkazskiy region.
Estestvennye nauki. Spetsvypusk. Fizika atmosfery [Izvestiya vyshevykh uchebnykh
uchebnykh iuzov. The North Caucasus region. Natural sciences. Special edition. Physics of the
atmosphere], 2010, pp. 81-85.
16. Kupovykh G., Redin A., Boldyreff A. Modeling of ionization-recombination processes in the
atmospheric surface layer, Journal of Electrostatics 71. – Elsevier B.V., 2013. – P. 305-311.
17. Kupovykh G.V., Klovo A.G., Timoshenko D.V. Otsenka vliyaniya aerozol'nogo zagryazneniya
na elektricheskie kharakteristiki prizemnoy atmosfery [Assessment of the effect of aerosol pollution
on the electrical characteristics of the surface atmosphere], Mater. V Vserossiyskoy
nauchnoy konferentsii «Problemy voennoprikladnoy geofiziki i kontrolya sostoyaniya
prirodnoy sredy» [Materials of the V All-Russian Scientific Conference "Problems of military
geophysics and control of the state of the natural environment"]. Saint Petersburg: VKA im.
A.F. Mozhayskogo, 2018, pp. 483-486.
18. Kupovykh G.V., Timoshenko D.V., Klovo A. G., Kudrinskaya T.V. Electrodynamic processes
models in atmospheric surface layer, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering,
2019, Vol. 698, 044034, 8 p.
19. Kupovykh G.V., Timoshenko D.V., Kudrinskaya T.V., Klovo A.G. Modeling of the atmospheric
electric field local variations in the turbulent surface layer, Journal of Physics: IOP Conference
Series. VIII All-Russian Conference on Atmospheric Electricity, 2020, 1604, 012003, 5 p.
20. Kudrinskaya T.V., Kupovykh G.V., Redin A.A. Issledovaniya ionizatsionnogo sostoyaniya
prizemnogo sloya atmosfery v raznykh geofizicheskikh usloviyakh [Studies of the ionization
state of the surface layer of the atmosphere in different geophysical conditions], Meteorologiya
i gidrologiya [Meteorology and hydrology], 2018, No. 4, pp. 77-85.
21. Shuleykin V.N., Shchukin G.G., Kupovykh G.V. Razvitie metodov i sredstv prikladnoy
geofiziki – atmosferno-elektricheskiy monitoring geologicheskikh neodnorodnostey i zon
geodinamicheskikh protsessov [Development of methods and means of applied geophysics –
atmospheric-electrical monitoring of geological inhomogeneities and zones of geodynamic
processes]. Saint Petersburg: RGGMU, 2015, 206 p.
22. Kupovykh G.V., Kudrinskaya T.V., Grivtsov V.V. The atmosphere electrical characteristics’
monitoring as an element of technosphere safety, IOP Conference Series: Materials Science
and Engineering, 2020, 913, 052041, 6 p.
Опубликован
2022-11-01
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ III. ЭЛЕКТРОНИКА, СВЯЗЬ И НАВИГАЦИЯ