Математическое моделирование вертикальной составляющей напряженности квазистационарного электрического поля приземного слоя атмосферы

• Автор: Гаранина, Инна Анатольевна
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Братск
• Количество страниц: 134 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ

1.1 Общая постановка задачи

1.2 Анализ уравнении модели электрического состояния приземного слоя атмосферы

1.3 Адекватность теоретических представлений экспериментальным данным

Выводы главы

2. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ НЕТУРБУЛЕНТНОГО ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ

2.1 Аналитические модели

2.2 Численные модели

2.3 Моделирование электрического состояния нетурбулентного приземного слоя
2.3.1 Оценка влияния величины электрического поля на электрические параметры приземного слоя
2.3.2 Оценка влияния аэрозольных частиц в атмосфере
2.3.3 Оценка влияния источников ионизации на электрические характеристики
приземного слоя атмосферы
Выводы главы
3. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ТУРБУЛЕНТНОГО ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ
3.1 Аналитические и численные модели в условиях турбулентного перемешивания
3.2 Моделирование электрического состояния турбулентного приземного слоя атмосферы в различных метеорологических условиях
3.3 Объемный электрический заряд в турбулентном электрическом слое
3.4 Влияние аэрозольных частиц на электрические характеристики турбулентного приземного слоя атмосферы
Выводы главы
4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЧИСЛЕННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
4.1 Обработка данных эксперимента но оценке влияния поверхностных источников ионизации
4.2 Обработка данных эксперимента по оценке влияния концентрации аэрозольных частиц
4.3 Моделирование суточной вариации напряженности электрического поля в приземном слое атмосферы
Выводы главы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
Приложение
Приложение
Приложение
Приложение

Введение
Актуальность работы. Одним из направлений исследований физики атмосферы является атмосферное электричество. Вблизи поверхности Земли существует область, описание электрических процессов которой отличается от описания этих процессов в свободной атмосфере — это область приземного слоя атмосферы. В приземном слое существенное влияние на распределение электрических характеристик оказывают турбулентные процессы обмена, наличие поверхностных источников радиоактивных веществ, свойства подстилающей поверхности, наличие аэрозольных частиц.
Важность явлений, происходящих в приземном слое, обусловлена в первую очередь тем, что в нижних слоях атмосферы сосредоточена значительная часть человеческой деятельности. Понимание протекающих в этих слоях процессов является основой для разработки методов контроля антропогенного воздействия на атмосферу в целом.
Закономерности электрических явлений в нижней атмосфере могут быть получены в результате совместных решений уравнений электродинамики и гидротермодинамики, в которых вводятся упрощения, основанные на свойствах приземного слоя. Однако даже после таких допущений аналитические решения задач оказываются довольно сложными из-за существенного влияния турбулентного перемешивания и нелинейности уравнений.
Определенный прогресс в решении атмосферно-электрических вопросов вносит применение численных методов их решения на базе современных вычислительных средств. Это принципиально расширяет возможности исследователей в части варьирования параметров уравнений и позволяет отказаться от ряда физических допущений, которые были необходимы при аналитических решениях.
Несмотря на достаточно большое количество теоретических работ в данном направлении, остается не выясненным ряд вопросов о механизмах формирования электрической структуры приземного слоя. Недостаточно

исследовано влияние турбулентного перемешивания в атмосфере, источников ионизации, концентрации аэрозольных частиц, являющихся стоком для аэроионов. Сложность теоретических задач и применение только аналитических методов их решений требует физически упрощать постановки задач. В ряде работ используются предположения о постоянстве электрического поля или проводимости воздуха в приземном слое, линеаризации системы ионизационно-рекомбинационных уравнений, использование постоянной функции интенсивности ионообразования без учета процесса рекомбинации аэроионов и т.п. Особенно актуальными является определение с помощью методов математического моделирования таких задач как: характер распределения легких и тяжелых ионов в приземном слое атмосферы, создание необходимых условий для мониторинга ионного состава воздуха в целях экологии, определения уровня ионизации.
Цель диссертационной работы состоит в разработке математической модели вертикальной составляющей напряженности электрического поля приземного слоя с учетом влияния аэрозольных частиц, поверхностных источников ионизации, для расчета основных электрических характеристик атмосферы, для совершенствования методов мониторинга окружающей среды и его автоматизации, для создания базы данных атмосферноэлектрических параметров. В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решались следующие задачи:
анализ существующих аналитических и численных моделей электрического состояния приземного слоя атмосферы;
- численное исследование электрических процессов в приземной атмосфере с различными значениями варьируемых параметров: напряженности электрического поля атмосферы, интенсивности источников ионизации а также концентрацией аэрозольных частиц (тяжелых ионов) при отсутствии турбулентного перемешивания в атмосфере и при наличии турбулентных потоков воздуха в ней;

<70) = 7 106 + а ехр(-2,362 г), (2.14)
При значениях б0 =4,8-106м3-с'' результаты мало отличаются от случая д = 107м3-с'1=сои, (рис. 2.3, а), но при увеличении 0О до значения 20-10бм3-с'1
уменьшается значение (рис. 2.3, в).
При значениях О0=80-Юбм3-с’1 в характерном слое появляется
отрицательный объемный заряд (рис. 2.3, в), а значение становиться
меньше единице. Рассмотренный выше профиль q при значении

20=4,8-10 м -с' отражает реальный профиль, построенный на основе
результатов работы [68], и соответствует ионизации, создаваемой космическими лучами, гамма-, бета- и альфа - излучениями вблизи земной поверхности. Источниками гамма- и бета - излучений являются радиоактивные вещества поверхностного слоя почвы, источниками альфа -излучения являются радон и торон. Используя данные работы [69] и полагая, что а-частицы диссипируют на высоте Зсм. Норре1 построил профиль ц{г)с учетом а-распада:
Г Я 1 о-8
д{2) = 7 + 4,8 ехр(-2,362 z) + 50гg- ~ -1 106 (2.15)
Решение для этого случая, приведенное на рис.2.3, г, свидетельствует о небольшом уменьшении значение Е*/е , то есть о незначительном влиянии
при поверхностной альфа - ионизации на распределение электрических характеристик. Толщина характерного слоя (под которой при таком способе задания граничного условия для Е, понимается высота, где и, = п, = и„) равна 4-5м.
При решении задач с учетом аэрозольных частиц Норре1 использовал систему уравнений, аналогичную работе [86], но при этом он отказался от условия N»щ 2 и не отбросил рекомбинационный член апхп2. Решения