Генерация высотных разрядов в атмосфере и их влияние на баланс малых газовых составляющих

• Автор: Евтушенко, Андрей Александрович
• Шифр специальности: 25.00.29
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 148 с. : ил.

Оглавление

Введение
1 Одноточечная модель влияния спрайта на химический состав мезосферы
1.1 О спрайтах в атмосфере
1.2 Постановка задачи моделирования спрайта
1.3 Возмущение ионного состава мезосферы
1.4 Излучение фотонов и возбужденные состояния азота и кислорода
1.5 Нейтральные компоненты мезосферы
1.6 Зависимости возмущения концентрации электронов от параметров
разряда
1.7 Исследование характерных коэффициентов разряда
1.8 Исследование последовательности спрайтов
1.9 Исследование вкладов реакций и критерий важности реакций
1.10 Особенности нульмерного моделирования и основные результаты59 2 Одномерная модель влияния спрайта/гало на химический состав мезосферы
2.1 Постановка задачи одномерного моделирования высотных разрядов
2.2 Исследование возмущения параметра в, концентрации электронов и проводимости мезосферы
2.3 Исследование возмущения концентраций ионов
2.4 Исследование возмущения возбужденных компонент и связанных с
ними излучений
2.5 Исследование влияния гало на химический состав мезосферы
2.6 Исследование зависимости области спрайта от величины
дипольного момента в тропосфере
2.7 Особенности самосогласованного моделирования и основные результаты

3 Одномерная модель электрической структуры стратифицированной области мезомасштабных конвективных систем
3.1 Мезомаштабные конвективные системы
3.2 Механизмы зарядки облачных частиц
3.3 Базовая модель генерации электрического поля
3.4 Результаты моделирования с учетом безындукционного механизма зарядки тающих гидрометеоров
3.5 Результаты моделирования с учетом индукционного механизма зарядки тающих гидрометеоров
3.6 Моделирование многослойной структуры заряда с учетом поляризации гидрометеоров и капель при прилипании аэроионов
3.7 Основные результаты и особенности моделирования электрической структуры ММКС
Заключение
Приложение А. Список химических реакций модели
Приложение Б. Значение концентраций химических компонент
Список цитированной литературы
Список работ по теме диссертации
Введение

Одним из наиболее значимых направлений геофизической электродинамики, сформировавшихся к началу XXI 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 километров. Это связано, с одной стороны, с чрезвычайно интересной и необычной физикой спрайтов, а с другой - с достаточно высокой частотой их генерации (порядка 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, переносящие 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

суммарная концентрация нейтралов экспоненциально падает с высотой, соответственно и процесс ионизации идет менее интенсивно. Структура возмущения концентраций электронов, О“, 02+, N2* такая же, как и на высоте 77 км (Рис. 1.1), но амплитуда возмущений уменьшается примерно в 2 раза и время полной релаксации возмущений концентраций увеличивается практически на порядок.
Основные положительные ионы на высоте 85 км - 1МО+ и 02+, а ионы-связки теряют свое значение. Ион ЫО+ во время вспышки практически не успевает возмутиться. Основной рост его концентрации происходит из-за реакции ионной конверсии 02+ + N0 —> 02 + 1Ч0+. Максимальное возмущение концентрация Ж)+ достигает к 80 с и составляет 8-10 см-3. Дальнейший рост ограничивается отсутствием исходного иона 02+. После нескольких сотен секунд после вспышки концентрации электронов и БЮ+ практически сравниваются, и проходит медленная релаксация возмущений. Для Ж)+ характерен переход в ЫО+-Ы2, однако время его жизни мало вследствие высокой скорости реакции распада иона-связки на исходные компоненты, и значительного возмущения концентрации не наблюдается.
Гидратированные ионы-связки не характерны для высоты 85 км. Из них только ионы-связки с малой молекулярной массой НзО+ и Н,02+ имеют заметные возмущения при вспышке спрайта (Рис. 1.4). Максимальное возмущение их концентраций совпадает по времени с возмущением N0* . Так же как и на 77 км возмущение Н502+ больше чем у Н30+ и составляет 500 см“3. Более тяжелые ионы-связки образуются в крайне низких количествах и на рисунках не отображены.