ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРОДНОГО СЛОЯ

  • С. С. Свидельский Южный федеральный университет
  • В.С. Литвинова Южный федеральный университет
  • Г.В. Куповых Южный федеральный университет
  • А. Г. Клово Южный федеральный университет
Ключевые слова: Атмосфера, приземный слой, электродный эффект, электродный слой, электрическое поле, проводимость, ток, турбулентность, конвекция, аэрозоль

Аннотация

Рассматривается проблема формирования электрического состояния нижнего слоя
атмосферы вблизи поверхности земли. Исследуется электродинамическая модель неста-
ционарного турбулентно-конвективного призменного слоя в приближении электродного
эффекта (ЭЭ). Исходная система состоит уравнений, описывающих ионизационные и ре-
комбинационные процессы для аэроионов, и уравнения Пуассона для электрического поля.
В зависимости от метеорологических условий в атмосфере отдельно рассмотрены модели
электродного слоя (ЭС) в приближениях классического и турбулентного ЭЭ, а также в
приближении сильного турбулентного перемешивания. В качестве факторов, влияющих напространственно-временную структуру ЭС, выступают турбулентный и конвективный
перенос аэроионов, уровень ионизации воздуха и присутствие в нем субмикронного аэрозо-
ля. Выявлены безразмерные параметры (критерии подобия) для электродинамических
уравнений, позволяющие осуществлять выбор соответствующего приближения для моде-
лирования структуры электродного слоя в зависимости от атмосферных условий. В сво-
бодной от аэрозоля атмосфере время установления стационарного состояния в электрод-
ном слое составляет примерно 5 мин., для классического слоя (характерная высота около
4-5 м), а в турбулентном - примерно 15 мин. (высота порядка 10 м). В случае сильного тур-
булентного перемешивания масштаб распределения электрических величин возрастает до
сотен метров. Соотношение характерных скоростей турбулентного и конвективного
процессов указывает на преобладающий физический механизм переноса ионов и формиро-
вания структуры ЭС. Увеличение скорости конвективного переноса, направленного вниз,
приводит к ослаблению механизма турбулентного перемешивания, а при переносе вверх,
имеет место обратный эффект. Присутствие в атмосфере субмикронного аэрозоля при-
водит к образованию тяжелых ионов, подвижность которых много меньше, чем у аэроио-
нов. Однократно заряженные аэрозольные частицы с концентрацией, не превышающей
число аэроионов, незначительно меняют пространственно-временные характеристик ЭС.
Тогда как наличие в приземном воздухе многократно заряженных аэрозольных частиц,
увеличивает время электрической релаксации и уменьшает высоту ЭС. При достаточно
больших концентрациях аэрозоля (больше числа аэроионов на порядок и более) необходимо
учитывать его перенос турбулентно-конвективными потоками, а структура ЭС опреде-
ляется только тяжелыми ионами.

Литература

1. Atmosfera. Spravochnik (spravochnye dannye, modeli) [Atmosphere. Handbook (reference
data, models)]. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1991, 506 p.
2. Anisimov S.V., Mareev E.A. Geofizicheskie issledovaniya global'noy elektricheskoy tsepi [Geophysical
studies of the global electric circuit], Fizika Zemli [Physics of the Earth], 2008, No.
10, pp. 8-18.
3. Williams E.R. The global electrical circuit: A Review, Atm. Res., 2009, Vol. 91, pp. 140-152.
4. Mareev E.A. Dostizheniya i perspektivy issledovaniy global'noy elektricheskoy tsepi
[Achievements and prospects of research of the global electric circuit], UFN [Advances in
Physical Sciences], 2010, Vol. 180, No. 5, pp. 527-534.
5. Morozov V. N., Kupovykh G.V. Matematicheskoe modelirovanie global'noy atmosfernoy
elektricheskoy tsepi i elektrichestva prizemnogo sloya: monografiya [Mathematical modeling
of the global atmospheric electric circuit and surface layer electricity: a monograph]. Saint Petersburg:
Asterion, 2017, 307 p.
6. Afinogenov L.P., Grushin S.I., Romanov E.V. Apparatura dlya issledovaniy prizemnogo sloya
atmosfery [Equipment for studies of the surface layer of the atmosphere]. Leningrad:
Gidrometeoizdat, 1977, 319 p.
7. Kupovykh G.V., Morozov V.N., Shvarts Ya.M. Teoriya elektrodnogo effekta v atmosphere
[Theory of the electrode effect in the atmosphere]. Taganrog. Izd-vo TRTU, 1998, 123 p.
8. 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.
9. Redin A.A., Kupovykh G.V., Boldyrev A.S. Elektrodinamicheskaya model' konvektivnoturbulentnogo
prizemnogo sloya atmosfery [Electrodynamic model of convective-turbulent
surface layer of the atmosphere], Izvestiya vuzov. Radiofizika [Izvestiya vuzov. Radio], 2013,
No. 11-12, Vol. 56, pp. 820-828.
10. Redin A.A., Kupovykh G.V., Klovo A.G., Boldyrev A.S. Matematicheskoe modelirovanie
elektrodinamicheskikh protsessov v prizemnom sloe v usloviyakh aerozol'nogo zagryazneniya
atmosfery [Mathematical modeling of electrodynamic processes in the surface layer under
conditions of aerosol pollution of the atmosphere], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki
[Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2011, No. 8 (121), pp. 111-121.
11. Boldyrev A.S., Redin A.A., Kupovykh G.V., Morozov V.N. Elektrodinamicheskaya model'
konvektivno-neustoychivogo atmosfernogo prizemnogo sloya [Electrodynamic model of convective-
unstable atmospheric surface layer], Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Sev.-Kav.
region. Estestvennye nauki. Spetsvypusk. Fizika atmosfery [News of higher educational institutions.
North Caucasus region. Natural sciences. Special issue. Physics of the atmosphere],
2010, pp. 23-28.
12. 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 [The generation
of space charge near the earth's surface, accounting for the interaction of aerosol particles
with air ions], Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Sev.-Kav. region. Estestvennye nauki.
Spetsvypusk. Fizika atmosfery [News of higher educational institutions. North Caucasus region.
Natural sciences. Special issue. Physics of the atmosphere], 2010, pp. 81-85.
13. Kupovykh G., Redin A., Boldyreff A. Modeling of ionization-recombination processes in the
atmospheric surface layer, Journal of Electrostatics, 71, Elsevier B.V., 2013, pp. 305-311.
14. Morozov V.N., Kupovykh G.V., Redin A.A., Kudrinskaya T.V. Nestatsionarnoe fizikomatematicheskoe
modelirovanie elektricheskikh protsessov v prizemnom sloe atmosfery s
uchetom submikronnykh aerozol'nykh chastits [Nonstationary physical and mathematical
modeling of electrical processes in the surface layer of the atmosphere taking into account
submicron aerosol particles], Tr. GGO im. A.I. Voeykova [Proceedings of the Voeikov State
Educational Institution]. Saint Petersburg, 2017, Issue 584, pp. 36-57.
15. Klovo A.G., Kupovykh G.V., Svidel'skiy S.S., Sklyarov N.E. Issledovaniya struktury
elektrodnogo sloya v prizemnoy atmosfere [Studies of the structure of the electrode layer in
the surface atmosphere ], Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Sev.-Kav. region.
Estestvennye nauki [News of higher educational institutions. North Caucasus region. Natural
sciences], 2018, No. 1, pp. 77-89.
16. Kupovykh G.V., Klovo A.G., Timoshenko D.V., Svidel'skiy S.S. Priblizhennoe analiticheskoe
reshenie zadachi ob elektrodinamicheskom sostoyanii prizemnoy atmosfery v usloviyakh
aerozol'nogo zagryazneniya [Approximate analytical solution of the problem of the
electrodynamic state of the surface atmosphere under conditions of aerosol pollution],
Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Sev.-Kav. region. Estestvennye nauki [News of higher
educational institutions. North Caucasus region. Natural sciences], 2018, No. 2, pp.84-89.
17. Klovo A.G., Kupovykh G.V., Timoshenko D.V., Svidel'skiy S.S. Modelirovanie struktury
turbulentnogo elektrodnogo sloya v usloviyakh aerozol'nogo zagryazneniya prizemnoy
atmosfery [Modeling of the structure of a turbulent electrode layer in the conditions of aerosol
pollution of the surface atmosphere], Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Sev.-Kav. region.
Estestvennye nauki [News of higher educational institutions. North Caucasus region.
Natural sciences], 2018, No. 3, pp. 82-88.
18. 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.
19. Kupovykh G.V., Timoshenko D.V., Klovo A. G., Kudrinskaya T.V. Electrodynamic processes
models in atmospheric surface layer, CATPID-2019. IOP Conf. Series: Materials Science and
Engineering, Vol. 698, 2019 044034, 8 p.
20. Kupovykh G.V., Kudrinskaya T.V., Timoshenko D.V., Klovo A.G., Svidel'skiy S.S., Litvinova
V.S. Matematicheskoe modelirovanie elektricheskikh protsessov v prizemnom sloe atmosfery
[Mathematical modeling of electrical processes in the surface layer of the atmosphere], VIII
Vserossiyskaya konferentsiya po atmosfernomu elektrichestvu s mezhdu-narodnym uchastiem
(Nal'chik, 23-27 sentyabrya 2019 g.) [VIII All-Russian Conference on Atmospheric Electricity
with international participation (Nalchik, September 23-27, 2019)]. Saint Petersburg: Izd-vo
VKA im. A.F. Mozhayskogo, 2019, pp. 191-193.
Опубликован
2021-01-19
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ II. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ