ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ: МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТ
Аннотация
Представлен сравнительный анализ результатов численного и аналитического моде-
лирования электродного эффекта в атмосфере, а также экспериментальных исследований
электродинамических процессов, проходящих в приземном слое. Для анализа использованы
несколько электрических характеристик приземного слоя в атмосфере, а именно значения
параметров электродного эффекта, определяемых числом положительных и отрицатель-
ных аэроионов, на различных высотах от поверхности земли. Исследования проведены для
различных моделей при различных метеорологических условиях в приближениях классиче-
ского (нетурбулентного) и турбулентного электродного эффекта, как в чистой атмосфе-
ре, так и с учетом аэрозольного загрязнения воздуха. Выявлена закономерность независи-
мости значения электродного эффекта в целом (усиление электрического поля у поверхно-
сти по сравнению с верхней границей образующегося электродного слоя) от атмосферных
условий при различных методах математического и численного моделирования. Установ-
лено, что высота электродного слоя и, соответственно, масштаб распределения электри-
ческих характеристик меняются в значительной степени при действии на приповерхност-
ный слой атмосферы различных факторов, таких как ионизация и аэрозольное загрязнение
воздуха, наличие и интенсивность турбулентного и конвективного переносов. Проведена
верификация приближенных аналитических моделей путем установления соответствия
между результатами численного моделирования, теоретических расчетов и эксперимен-
тальных исследований, полученным ранее. Данные теоретических и численных расчетов
различными способами хорошо согласуются между собой и с результатами эксперимен-
тальных атмосферно-электрических наблюдений. Сделаны выводы о возможности ис-
пользования приближенных аналитических выражений, полученных методами математи-
ческого моделирования, для описания электродинамической структуры нижнего слоя ат-
мосферы.
Литература
geofiziki - atmosferno-elektricheskiy monitoring geologicheskikh neodnorodnostey i zon
geodinamicheskikh protsessov: monografiya [Development of methods and means of applied
geophysics - atmospheric-electric monitoring of geological heterogeneities and zones of geodynamic
processes: monograph]. Saint Petersburg: Izd-vo RGGMU, 2015, 206 p.
2. Kupovykh G.V., Timoshenko D.V., Klovo A.G., Kudrinskaya T.V. Vliyanie elektrodnogo effekta na
sutochnye variatsii elektricheskogo polya atmosfery v prizemnom sloe [Influence of the electrode
effect on daily variations of the atmospheric electric field in the surface layer], Optika atmosfery i
okeana [Optics of the atmosphere and ocean], 2023, Vol. 36, No. 10, pp. 834-838.
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., Klovo A.G., Grivtsov V.V., Belousova O.V. Modelirovanie elektrodinamicheskoy
struktury neturbulentnogo prizemnogo sloya [Modeling of the electrodynamic structure of a nonturbulent
surface layer], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences],
2022, No. 3 (227), pp. 234-243.
5. Belousova O.V., Kupovykh G.V., Klovo A.G., Grivtsov V.V. Rezul'taty modelirovaniya
elektrodinamicheskoy struktury turbulentnogo prizemnogo sloya [Results of modeling the
electrodynamic structure of the turbulent surface layer], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki
[Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2022, No. 4 (228), pp. 245-253.
6. Kupovykh G.V, Belousova O.V., Timoshenko D.V., Klovo A.G., Kudrinskaya T.V.
Elektrodinamicheskaya model' turbulentno-konvektivnogo prizemnogo sloya: priblizhennye
analiticheskie resheniya [Electrodynamic model of the turbulent-convective surface layer: approximate
analytical solutions], Mater. IX Vserossiyskoy nauchnoy konferentsii po
atmosfernomu elektrichestvu [Materials of the IX All-Russian Scientific Conference on Atmospheric
Electricity]. Saint Petersburg: VKA im. A.F. Mozhayskogo, 2023, pp. 488-496.
7. Kupovykh G.V., Belousova O.V., Klovo A.G. Priblizhennye analiticheskie resheniya uravneniy
elektrodnogo effekta v atmosfere [Approximate analytical solutions of the equations of the
electrode effect in the atmosphere], Sb. dokladov XXVIII Vserossiyskoy otkrytoy nauchnoy
konferentsii (Yoshkar-Ola, 16–19 maya 2023 goda) [Collection of reports of the XXVIII All-
Russian Open Scientific Conference (Yoshkar-Ola, May 16–19, 2023)]. Electronic edition.
Yoshkar-Ola: Povolzhskiy gosudarstvennyy tekhnologicheskiy universitet, 2023, pp. 544-548.
8. Belousova O.V., Timoshenko D.V., Kupovykh G.V. Matematicheskoe modelirovanie
elektricheskoy struktury turbulentno-konvektivnogo prizemnogo sloya [Mathematical modeling
of the electrical structure of the turbulent-convective surface layer], Radiotekhnicheskie i
telekommunikatsionnye sistemy [Radio engineering and telecommunication systems], 2023,
No. 3 (51), pp. 12-19.
9. Hoppel W.A. Theory of the electrode effect, Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics,
1967, Vol. 29, No. 6, pp. 709-721.
10. Crozier W.D. Atmospheric electrical profiles below three meters, Journal of Geophysical Research,
1965, Vol. 70, pp. 2785-2792.
11. Muhleisen R. Electrode effect measurements above the sea, Journal of Atmospheric and Terrestrial
Physics, 1961, Vol. 20, pp. 79-81.
12. Pluvinage P., Stahl P. La conductibilitie electrique de l’air sur l’inlandsis Groenlandais,
Annales de Géophysique, 1953, Vol. 9, pp. 34-43.
13. Ruhnke L.H. Electrical conductivity of air on the Greenland ice cap, Journal of Geophysical
Research, 1962, Vol. 67, pp. 2767-2772.
14. Boldyrev A.S., Redin A.A., Kupovykh G.V., Morozov V.N. Elektrodinamicheskaya model'
konvektivno-neustoychivogo atmosfernogo prizemnogo sloya [Electrodynamic model of a convective-
unstable atmospheric surface layer], Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Severo-
Kavkazskiy region. Estestvennye nauki. Spetsvypusk. Fizika atmosfery [News of higher educational
institutions. North Caucasus region. Natural Sciences. Special issue. Atmospheric physics], 2010,
pp. 23-28.
15. Hoppel W.A. Electrode effect: comparison of the theory and measurement, In: Planetary Electrodynamics,
2, S.C. Coroniti and J. Hughes; ed. Gordon and Breach Science Publishers, New
York, 1969, pp. 167-181.
16. Willet J.C. An analysis of the electrode effect in the limit of strong turbulent mixing, Journal
of Geophysical Research, 1978, Vol. 83, pp. 402-408.
17. Hoppel W.A., Gathman S.G. Experimental determination of the eddy diffusion coefficient over
the open ocean from atmospheric electrical measurements, Journal of Physical Oceanography,
1972, Vol. 2, pp. 248-254.
18. Adkins C.J. The small ion concentration and space charge near the ground, Quarterly Journal
of the Royal Meteorological Society, 1959, Vol. 85, pp. 237-252.
19. Law J. The ionization of the atmosphere near the ground in fair weather, Quarterly Journal of
the Royal Meteorological Society, 1963, Vol. 89, pp. 107-121.
20. Higazi K.A., Chalmers J.A. Measurements of atmospheric electrical conductivity near the
ground, Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, 1966, Vol. 28, pp. 327-330.
