CC BY
102
УДК 551.594
Г. В. Куповых
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОБЪЕМНЫЙ ЗАРЯД В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ
Введение.
Электрическая структура приземного слоя определяется так называемым “электродным эффектом” вблизи земной поверхности. Вследствие действия классического электродного эффекта в атмосфере у земли формируется положительный объемный электрический заряд с масштабом распределения по высоте порядка нескольких метров, в результате чего в электродном слое электрическое поле уменьшается с высотой. В ряде экспериментальных работ, обобщенных в [1], приведены данные о появлении отрицательного объемного заряда вблизи поверхности земли, и как следствие этого реверсе электродного эффекта. В качестве возможных причин предполагается наличие в атмосфере аэрозольных частиц и повышенной радиоактивности воздуха.
Экспериментальные данные.
Анализ наблюдений за атмосферным электричеством в высокогорной зоне Приэльбрусья, проведенных при участии автора, показал в некоторых случаях появление отрицательного объемного заряда в утренние часы при условиях “хорошей погоды”[2]. При этом проводились одновременные измерения градиента потенциала электрического поля (V'), полярных проводимостей воздуха (А±), плотности электрического тока ^0), интенсивности ионообразования и концентрации аэрозольных частиц в атмосфере. Суточные вариации атмосферноэлектрических величин приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Суточные вариации атмосферно-электрических величин на пике Чегет (строки 1; 2;
3; 4 - август - сентябрь, строки 5; 6 - апрель); * - небольшое количество данных; V' -
1 2 В-м" , А± - фСм/м, J0 - пА/м ; UT(LT) - всемирное (местное) время.
N0 ОТ 00-03 03-06 06-09 09-12 12-15 15-18 18-21 21-24
LT 03-07 07-09 09-12 12-15 15-18 18-21 21-24 00-03
1 V' 400 500 620 550 550 550 580 510
2 А+ 22 22 22 23 22 22 22 23
3 А- 27 18 16 19 19 18 19 22
4 Jo 12 14 15 12 14 14 16 15
5 V' 340 420 510 490 490 690 650 470
6 А+ 20 19 19 20 19 14* 16* 20
Концентрация аэрозольных частиц в атмосфере, измеренная с помощью
8 3
счетчика ядер Шольца, составила в среднем 5-10 м" и мало изменялась со
временем. Интенсивность ионообразования, измеренная с помощью ионизационной
3 1
камеры, в дневные часы составила 20 и 25 (пар ионов)-см" -с на высоте 1 м и непосредственно на поверхности земли, соответственно. Эти данные позволяют сделать выводы об отсутствии сильных источников ионизации на станции и о малой загрязненности атмосферы. Большие значения положительной проводимости воздуха и ее малые вариации (таблица 1, строки 2; 6)подтверждают вывод, что радиоактивность воздуха и аэрозоль не являются причинами появления отрицательного объемного заряда, который наблюдался летом в утренние часы (0003) UT на высоте около 2 метров (таблица 1, строки 2;3). Во всех случаях скорость ветра не превышала 2 м/с, но штиль также не наблюдался.
Теоретические расчеты и обсуждение результатов.
Для теоретического исследования влияния ионизации воздуха на объемный электрический заряд в приземном слое с помощью моделей классического и турбулентного электродного эффекта использовалось следующее представление для функции ионообразования [3] :
q(z)=7 - 106+Q0 exp(-2,362-z) (1)
Первое слагаемое обусловлено постоянной ионизацией, создаваемой космическими лучами и гамма-излучением земной поверхности. Второй член отражает распределение ионизации, создаваемой радоном и продуктами его распада.
В соответствии с работой [4] большая интенсивность ионообразования ^0=80-106 м-3с-1) в слое не более 0,4 м при значениях электрического поля не более 120 В/м-1 приводит к появлению отрицательного объемного заряда вблизи поверхности земли в нетурбулентном случае. Расчеты, проделанные автором, показали, что при увеличении толщины слоя повышенной ионизации объемный заряд становится положительным. Дальнейшее увеличение напряженности электрического поля приводит к исчезновению отрицательного заряда, но при этом положительная компонента проводимости воздуха уменьшается с высотой, тогда как отрицательная компонента растет. Суммарная проводимость воздуха остается постоянной, и как следствие этого напряженность электрического поля практически не меняется на высоте до 2 метров от поверхности земли. Рассчитанные профили проводимости воздуха и электрического поля хорошо согласуется с известными экспериментальными данными [5,6] и результатами, полученными на пике Чегет. Следует отметить, что в работе [5] профили были получены при электрических полях порядка 400 В-м-1 в загрязненной атмосфере. В работе [6] значения напряженностей электрического поля были меньше 100 В-м-1. Причиной появления отрицательного объемного заряда в атмосфере авторы считали тяжелые ионы, образовавшиеся за счет аэрозольных частиц. Измерения на пике Чегет проводились в чистой атмосфере при средних значениях напряженности электрического поля порядка 500 В-м-1. Значения коэффициента униполярности, полученных на пике Чегет при слабом ветре, составляет в среднем 0,8, что совпадает с теоретическими расчетами в случае слабого турбулентного перемешивания. Отрицательный объемный заряд наблюдался в месяцы, когда на поверхности станции нет снега, и в утренние часы наблюдается значительная температурная разница между воздухом и подстилающей поверхностью.
Моделирование электрического состояния приземного слоя в нетурбулентном и турбулентном состояниях [3] показывает, что появление отрицательного объемного заряда может быть обусловлено особенностью распределения радиоактивных эманаций радона. В ночное время за счет резкой инверсии температуры вблизи поверхности земли формируется тонкий слой, где концентрация радона достаточна Qo=80•106м"3с"1 для того, чтобы появился отрицательный объемный заряд на высоте 0,5-1м, им обусловленный. Причем он сохраняется при скоростях ветра в приземном слое до 1 м/с, а масштаб его распределения увеличивается до 15 м. При усилении турбулентной диффузии или электрического поля объемный заряд становится положительным. Итак, в турбулентном случае распределение электрических характеристик в приземном слое определяется двумя факторами: электрическим полем и турбулентной диффузией аэроионов. Влияние турбулентности является многофакторным процессом и определяется сложным комплексом метеорологических величин. Модельные расчеты турбулентного электродного эффекта показывают, что сильное электрическое поле ослабляет влияние турбулентности и усиливает классический электродный эффект. В этом случае локальные вариации электрических характеристик в основном определяются значениями электрического поля, которые легко измеряются. Это подтверждается данными, полученными на пике Чегет, где глобальная унитарная вариация потенциала ионосферы хорошо наблюдалась даже в течение суток (таблица 1, стоки 1;5).
Заключение.
Таким образом на основании теории электродного эффекта в атмосфере можно объяснить появление отрицательного объемного заряда в свободном от аэрозоля приземном слое в условиях “хорошей погоды”, как следствие перераспределения радона вследствие метеорологических условий, что совпадает с экспериментальными данными. Следует отметить, что большие значения электрического поля, в частности такие, как на высокогорной станции, усиливают классический электродный эффект в приземном слое.
1. Willet J. C. Toward An Understanding of the Turbulent Electrode Effect Over Land, NRL Report 3519, Naval Res. Lab., Washington, D. C., 1981
2. Ваюшина Г. П., Куповых Г. В., Лапунова О. А. и др. Результаты наблюдений за атмосферным электричеством на горной станции пик Чегет в Приэльбрусье. // Труды ГГО им. А. И. Воейкова, вып. 545, Санкт-Петербург, Гидрометеоиздат, 1995.
3. Куповых Г. В. Электричество приземного слоя.// Известия высших учебных заведений, Северо-Кавказский регион, Естественные науки, 1995, № 4.
4. Hogg A. R. The conduction of electricity in the lowest levels of the atmosphere, Memoirs of the Commonwealth Solar Obserwatory, Canberra, 1 7, 1939.
5. Law J. The Ionization of the Atmosphere near the Ground in Fair Weather, Q. J. Roy. Met. Soc. 89, 1963.
