CC BY
129
УДК 551.594
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ
© 2010 г. А.И. Петров1, Г.Г. Петрова1, И.Н. Панчишкина1, Т.В. Кудринская1, Н.А. Петров2
Педагогический институт Южного федерального университета, ул. Б. Садовая, 33, г. Ростов-на-Дону, 344082, georgpu@rambler. ги
2Таганрогский технологический институт
Южного федерального университета, пер. Некрасовский, 44, г. Таганрог, 347928, rector@tsure. ги
Pedagogical Institute of Southern Federal University, B. Sadovaya St. 33, Rostov-on-Don, 344082, georgpu@rambler.ru
2Taganrog Technological Institute of Southern Federal University, Nekrasovskiy lane, 44, Taganrog, 347928, rector@tsure. ru
Обсуждается опыт проведения экспедиционных исследований элементов атмосферного электричества, создания и развития измерительного комплекса, позволяющего получать экспериментальные данные, необходимые для изучения атмосферно-электрических процессов вблизи земной поверхности. Приводится описание измерительных площадок, используемых приборов и методов наблюдений за атмосфер-но-электрическими и метеорологическими характеристиками в приземном слое.
Ключевые слова: приземный слой атмосферы, атмосферно-электрические и метеорологические характеристики, измерительный комплекс, градиентные измерения, непрерывная регистрация.
The article deals with the experience of holding expedition researches of atmospheric electrical characteristics, creating and developing the measuring complex, which allows to receive the experimental data necessary for studying atmospheric electrical processes in the surface layer. Measuring sites, devices used instruments and observation methods of atmospheric electrical and meteorological characteristics in the surface layer are described.
Keywords: surface layer, atmospheric electrical and meteorological characteristics, measuring complex, gradient measurements, continuous registration.
Регулярные измерения атмосферно-электрических характеристик являются основой как экспериментального, так и теоретического изучения процессов в электродном слое атмосферы. Наблюдения на атмо-сферно-электрических станциях обычно включают в себя измерения основных элементов атмосферного электричества: градиента потенциала (напряженности) электрического поля V', удельных полярных проводимостей воздуха (1+ и Х_) и плотности полного вертикального электрического тока из атмосферы на землю ]о. При одновременном измерении всех этих параметров появляется возможность судить о процессах локального или глобального характера на данном участке атмосферно-электрической цепи.
При специализированных наблюдениях кроме названных основных элементов могут измеряться интенсивность ионообразования, концентрации полярных легких ионов, плотность объемных зарядов, составляющие вертикального электрического тока и т.д. В приземном слое атмосферы электрические характеристики тесно связаны с метеорологическими факторами, которые в свою очередь определяются географическим расположением пункта наблюдений, орографией местности и свойствами подстилающей поверхности. Поэтому для выяснения причин изменений электрического состояния приземного слоя необходимо отслеживать вариации метеорологических характеристик, определяющих термодинамический режим атмосферы.
Результаты комплексных измерений атмосферно-электрических и метеорологических характеристик позволяют выявить механизмы протекания электри-
ческих процессов в атмосфере, что дает возможность более точно интерпретировать данные регулярных наблюдений.
Экспериментальной базой атмосферно-электри-ческих исследований кафедры общей и экспериментальной физики Педагогического института Южного федерального университета (ПИ ЮФУ) служат данные полевых наблюдений, проводимых на протяжении нескольких десятилетий в условиях летних экспедиций. Исследования геофизической лаборатории тесно связаны с фундаментальными проблемами физики атмосферы, такими как изучение особенностей структуры электродного слоя в различных физико-географических условиях, построение теоретических моделей глобальной атмосферно-электрической цепи.
Существенной чертой используемых многолетних измерений является то, что все они выполнены посредством измерительного комплекса, где наряду с традиционными методами атмосферно-электрических наблюдений используется синхронная цифровая регистрация данных. Постоянство базовой части комплекса делает результаты измерений более надёжными с точки зрения сопоставимости данных, полученных в разные периоды и в разных пунктах наблюдений.
Пункты в соответствии с физико-географическими условиями можно систематизировать (с описанием особенностей площадок наблюдений) следующим образом:
ДЗНИИСХ. Опытные поля Донского зонального научно-исследовательского института сельского хозяйства - обширные сельскохозяйственные поля в 30 км северо-восточнее г. Ростова-на-Дону.
г. Ростов-на-Дону. Город с населением более миллиона человек, крупный индустриальный центр, расположен на правом берегу р. Дон вблизи устья. Степная зона, равнинный ландшафт. Площадка располагалась на агробиостанции ПИ ЮФУ на северо-восточной окраине города.
Берег оз. Байкал. Сопки, тайга Восточной Сибири, п. Б. Коты - маленький таежный поселок, где расположена научная и учебная база Иркутского госуниверситета, в 18 км к северо-востоку от пос. Лиственничное, расположенного в устье р. Ангары. Площадка находится в 100-150 м от береговой линии на север от Байкала. С юга на север тянется долина, окруженная сопками. Ширина долины порядка километра, высота сопок 70-100 м. И долина, и сопки покрыты преимущественно хвойным лесом. Слой почвы на площадке очень тонок, под ним расположен галечник вперемешку с осадочными породами и водой. Грунтовые воды из-за близости акватории близки к поверхности: присутствуют на глубине не более 0,5 м. Непосредственно на метеоплощадке высеяна трава, высота ее 1015 см.
Кашарский район. Район степной, сельский, всхолмленная равнина, балки, овраги. Расположен на севере области в 260 км северо-восточнее г. Ростова-на-Дону, на краю литосферной плиты Русской равнины. Кашарский район, будучи удаленным от зоны интенсивной промышленной деятельности, входит в число наиболее экологически чистых территорий области.
Орловский район. Район сельский, полупустынная зона, равнина. Расположен на юго-востоке области в Сальских степях, удален от индустриальных центров и связанных с ними источников загрязнений.
На измерительных площадках пунктов Ростовской области растительность под датчиками была срезана на уровне земли на площади не менее 20x20 м2. За-дернение почвы при этом сохранялось, чтобы поверхность не пылила.
В основе создания и развития измерительного комплекса для наблюдений за атмосферным электричеством соблюдались следующие принципы:
- ориентация исследований на определенные цели: изучение электрического режима атмосферы, процессов формирования электродинамической структуры приземного слоя, определение индексов загрязнения атмосферы и т.п.;
- комплексность наблюдений: одновременное наблюдение за многими атмосферно-электрическими и метеорологическими характеристиками;
- автоматизация измерений, обработки и хранения экспериментальных данных.
Современный измерительный комплекс включает:
- одновременные градиентные измерения атмо-сферно-электрических характеристик (удельной электрической проводимости атмосферы, электрического потенциала), концентрации радона-222 и метеорологических параметров (температуры воздуха и почвы, скорости ветра, влажности воздуха);
- измерение плотности полного тока и тока механического переноса из атмосферы на землю;
- одновременную непрерывную регистрацию напряженности атмосферного электрического поля, по-
лярных электрических проводимостей, концентраций полярных легких ионов, метеорологических характеристик.
Схема расположения датчиков на измерительной площадке приведена на рис. 1.
щадке: 1 - прибор Гердиена системы ГГО для измерения полярных удельных электропроводностей «Электропроводность 2»; 2 - прибор для измерения объемной активности радона-222 - радонометр «AlphaGUARD»; 3 - прибор для измерения полярных концентраций легких ионов - счетчик ионов «Сапфир-3К»; 4 - электростатический флюксметр системы ГГО «Поле-2»; 5 - пластина для измерения плотности полного тока; 6 - пластина для измерения плотности тока механического переноса; 7 - экранированный соединительный провод; 8 - цифровая метеостанция М49-М; 9 -площадка для измерения метеоэлементов (психрометры Ассмана на высоте 0,15, 0,5, 1, 2 м; чашечные анемометры на высоте 0,5, 1, 2 м; крыльчатые анемометры на высоте 0,5, 1 м); 10 - почвенные термометры Савинова на глубине 0,05, 0,10, 0,15, 0,20 м; 11 - коллекторная установка; 12 - радиоактивный коллектор; 13 - эбонитовый изолятор; 14- площадка для измерения вертикальных профилей полярных удельных электропроводностей прибором Гердиена системы Литвинова и объемной концентрации радона-222 радо-нометром «AlphaGUARD» на высоте 0,05, 0,3, 0,6, 1, 2, 3 м
Измерительный комплекс
Измерение полярных удельных электропроводно-стей. Для измерения полярных удельных электрических проводимостей воздуха обычно используется метод аспирационного конденсатора. Прибор Гердиена для измерения электропроводности относится к тем, в которых используется аспирационный конденсатор с заземленной внешней обкладкой. По оси наружного цилиндра расположен внутренний цилиндрический электрод, который закрепляется на входном изоляторе-электрометра или электростатического вольтметра. Аспирационный цилиндрический конденсатор, используемый в эксперименте, имеет следующие параметры: длина внутреннего электрода - 200 мм, его радиус -3,5 мм, радиус наружного электрода - 36 мм. Режим работы конденсатора рассчитан исходя из критической подвижности ионов 2 10-4 м2/Вс. Скорость аспирации воздуха в конденсаторе контролируется и регулируется таким образом, чтобы заметно превышать критическое значение [1]. Создаваемое между обкладками цилинд-
рического конденсатора электрическое поле отклоняет ионы к внутреннему электроду; попадая на поверхность электрода, ионы отдают свой заряд, изменяя потенциал электрода от начального значения ф0 до потенциала ф(; по окончании времени аспирации.
По данным измерений потенциала удельная электрическая проводимость определяется расчетным путем:
. £0 (С + С ) ф0 ~'
Л = —-, где Си N - емкости аспира-
г С ф{
ционного конденсатора и измерительного прибора соответственно; г - время аспирации; £0 - диэлектрическая проницаемость вакуума.
При измерении вертикальных профилей полярных удельных электропроводностей прибор последовательно помещается на уровнях 0,05; 0,3; 0,6; 1; 2; и 3 м. Продолжительность измерения полярных электропро-водностей на каждом уровне составляет около 10 мин, таким образом, на измерение одного профиля необходим 1 ч.
Помимо измерения положительной и отрицательной электропроводностей, серия измерений включает в себя определение поправки, связанной с утечкой заряда по изоляции, ионизирующим воздействием материалов измерительного конденсатора и т.п.
Для непрерывного одновременного измерения полярных удельных электропроводностей применяется датчик полярных электрических проводимостей воздуха «Электропроводность-2». В приборе реализуется метод, основанный на измерении тока ионов, осаждающихся из потока воздуха на одну из обкладок конденсатора, между которыми создано электрическое поле. Величина тока ионов пропорциональна значению электропроводности воздуха и приложенному напряжению [1]. Прибор позволяет получить непрерывную запись значений электропроводностей, стандартный предел диапазона измерений 25 фСмм-1. Поскольку величина электропроводности, получаемая в экспедиционных условиях, значительно превышает предельное значение, диапазон измерений прибора был увеличен в 2 раза.
Измерение полярных концентраций легких ионов. Для непрерывной регистрации концентраций положительных и отрицательных аэроионов используется счётчик ионов «Сапфир-ЗК», который предназначен для измерения концентраций ионов подвижности к > 0,4 10_4! 2/а-п . Датчиком счётчика аэроионов является аспирационная ионная камера, через которую с помощью двигателя прокачивается исследуемый воздух. С потоком воздуха в аспирационную камеру поступают ионы; в рабочем объёме камеры на них действует электростатическое поле, создаваемое источниками питания камеры. Под действием электростатического поля ионы отклоняются в сторону собирающего электрода и оседают на нем в течение времени накопления заряда. По окончании времени накопления (минимум 4 с) электрический заряд через ключ разряжается на входное сопротивление усилителя. Усиленный импульс преобразуется и измеряется.
Измерение концентрации радона-222. Одновременно с электропроводностью на тех же уровнях ра-донометром «А^авиАЯБ» измеряется объемная
радиоактивность радона-222 (Яп-222) в атмосфере, что позволяет судить о концентрации этого газа на соответствующей высоте. Радонометр работает по методу ионизационной камеры. Специальный фильтр прибора обеспечивает попадание внутрь камеры радиоактивного изотопа 8<Дп222, задерживая прочие изотопы, влагу и пыль.
При организации градиентных измерений концентрации радона на каждой высоте осуществляется интенсивная прокачка воздуха для быстрого забора воздушной пробы с нужного уровня в атмосфере. Затем исследуемый воздух диффундирует в ионизационную камеру, что позволяет измерять среднюю объемную активность радона за некоторый интервал времени. Для синхронизации измерений полярных электропроводностей и концентрации радона прибор настроен так, что осреднение объемной активности Ип-222 по времени осуществляется датчиком для 10-минутных интервалов.
Измерение вертикальной составляющей градиента потенциала электрического поля атмосферы. Методы измерения градиента потенциала (напряженности) электрического атмосферного поля делятся на прямые и косвенные. Прямые методы основаны на использовании соотношения: А = _а/во , где а - поверхностная плотность заряда в месте измерения; е0 -диэлектрическая проницаемость воздуха. Косвенные методы основаны на измерении потенциалов относительно земли в определенных точках пространства и последующем расчете градиента потенциала по результатам этих измерений. Измерение потенциала ф обычно производится с помощью коллекторов различных типов, а определение о и Е - динамическим методом с помощью различного рода измерителей потоков электростатической индукции - электростатических флюксметров [2].
В измерительном комплексе для определения напряженности атмосферного электрического поля на уровне земли используется электростатический флюкс-метр системы ГГО «Поле-2». Напряженность электрического поля преобразуется в электрический ток с помощью ротационного электростатического генератора, в основу которого положено явление электромагнитной индукции. Предел измерения градиента потенциала +500 В/м для первого канала, +5000 В/м - для второго.
Измерения электрического потенциала атмосферы в описываемом комплексе осуществляются методом радиоактивного коллектора, в качестве которого взят иониевый а-излучатель. Применявшаяся установка для измерения потенциала атмосферы на различных уровнях идентична описанной Имянитовым [3]. Деревянные мачты высотой 3 м разнесены на расстояние 10 м. Между ними горизонтально натянуты четыре проволочные антенны диаметром 0,6 мм, изолированные от реек эбонитовыми изоляторами, снабженными нагревательными элементами для поддержания поверхности изолятора сухой. К проволокам прикреплены радиоактивные коллекторы так, что расстояния их от земной поверхности равны 0,5, 1, 2 и 3 м.
Каждый коллектор создает область повышенной ионизации в объеме порядка 100 см3, из которой на антенну текут выравнивающие потенциал токи. Отсчеты потенциалов выполняются многократно, по-
очередно с разных коллекторов и затем осредняются, давая среднечасовые значения потенциала для каждого уровня. Время релаксации установки - порядка 40 с, что учитывается при снятии показаний электрометра после пересоединения коллекторов. Для измерения потенциала применяются механические электрометры или электростатические вольтметры. Наблюдатель с электрометром располагается в десятке метров от коллекторов, чтобы не искажать электрическое поле.
Значение градиента электрического потенциала можно рассчитать, зная значения потенциала для двух точек (А и В) и расстояние между точками:
gradpЛЛ = (рис. 2).
AB
Рис. 2. К определению градиента электрического потенциала и плотности объемного заряда атмосферы
На основании данных градиента потенциала атмосферного электрического поля возможно определение плотности объемного заряда в атмосфере. Связь между локальным объемным зарядом и потенциалом при условии эквипотенциальности горизонтальных уровней устанавливается уравнением Пуассона:
= -—. Средняя плотность объемного заряда для
dh2
любого слоя приземного воздуха рассчитывается по
следующей обобщенной формуле:
Р = Е0~
где
= gradфAC , &2 = gradpAд (рис. 2).
Измерения плотности вертикального тока. Измерение плотности полного тока (I) и плотности тока механического переноса (/й- ) из атмосферы на землю ведется методом пластины. В качестве датчиков используются две круглые дюралюминиевые пластины площадью « 0,2 м2, покрытые дерном без травостоя. Пластины устанавливаются в вырезе заземленных охранных колец, чтобы избежать значительного искажения напряженности электрического поля. Пластина для измерения плотности тока механического переноса экранируется от электрического поля атмосферы заземленной медной сеткой размером 1*1 м2 с ячейками 4^4 см2, установленной на высоте 20 см над поверхностью пластины. По медным струнам, закрепленным внутри заземленного экрана на фторопластовых изоляторах, сигнал передается от пластин к измерительным приборам (вольтметр-электрометр В7-30).
Поскольку непосредственно измеренная плотность полного тока (г) представляет собой в исследуемых условиях сумму плотности тока проводимости (г% ) и механического переноса (га ) из атмосферы на землю (г = + /й- ), плотность тока проводимости на земную поверхность можно подсчитать как = г - гй- .
Метеорологическая информация: методы измерения и расчета метеорологических характеристик приземного слоя. Регистрация метеорологических величин позволяет охарактеризовать физические условия, при которых получены данные атмосферно-электрических измерений. Учитывая многофакторность взаимосвязей между метеорологическими и атмосферно-электрическими процессами, важно выявить наиболее существенные метеорологические факторы, влияющие на процессы формирования электрического состояния атмосферы в приземном слое. Поэтому атмосферно-электрические наблюдения сопровождаются комплексом метеорологических измерений. При установке метеорологических датчиков учитываются рекомендации [4]:
1) измерение температуры воздуха и почвы. В экспедиционных условиях для измерения температуры воздуха, а также его влажности применяют портативный прибор - аспирационный психрометр Ассмана МВ-4М. Точность психрометра достаточно высока для использования полученных данных о температуре воздуха при подсчете коэффициента турбулентности.
Измерения температуры производятся на высотах 0,15, 0,50, 1,0, 2,0 м в начале каждого часа. Для измерения температуры почвы на глубине 0,05, 0,10, 0,15, 0,20 м используются почвенные термометры Савинова;
2) измерение скорости ветра. Для этого использовался чашечный механический анемометр МС-13. Анемометр дает осреднение скорости ветра за некоторый промежуток времени. В экспедиционных условиях используется 7-минутное осреднение.
Для оценки средней скорости и направления вертикальных потоков воздуха используется крыльчатый анемометр АСО-3, который включается на 7 мин одновременно с чашечным анемометром;
3) визуальная информация. Визуально определяются сила ветра по шкале Бофорта, порывистость и направление ветра. Наблюдения ведутся за видом и количеством облачности. Отмечается наличие факторов, помутняющих атмосферу (дымка, туман, пыль, дым и т.д.), и время выпадения росы;
4) расчет коэффициента турбулентности Бд рассчитывается по методу Орленко [5] на основании данных о температуре воздуха и скорости ветра на высотах 0,5 и 2 м.
Автоматизация измерительного комплекса. Проблема автоматизации рано или поздно встает практически в любой области сбора, обработки и анализа данных. Необходимость в автоматизации атмосферно-электрических измерений, обработке данных с применением ПК возникла с распространением вычислительной техники и увеличением комплекса измеряемых величин. Обеспечить ввод информации в аналоговом представлении данных в компьютер с после-
l
1-2
дующей обработкой позволяет устройство аналого-цифрового преобразования (АЦП).
Устройства АЦП характеризуются различными параметрами, среди которых основными являются скорость преобразования (частота АЦП), допустимые пределы измеряемых величин, точность преобразования, количество опрашиваемых каналов. Поэтому важно подобрать плату именно под свои нужды. С учетом поставленной задачи: длительный по времени опрос большого количества датчиков, выдающих сигналы от милливольт до нескольких вольт, выбор пал
на PCI плату АЦП L-Card L-761. Форм-фактор платы PCI обеспечивает высокую скорость приема данных, а встроенный сигнальный процессор при надлежащем программировании позволяет вести обработку результатов измерений в режиме реального времени.
Для приема данных была разработана управляющая и регистрирующая программа «L-Test 1.1», которая ведет запись данных с каждого из каналов в файл, отображает графики зависимости сигналов от времени, позволяет настраивать различные параметры приема каждого из сигналов (рис. 3а).
Щ L-Test 1.1
i^J^J
Value 1
а ООООО
^.00000
з 1 0.00000
4 Г -0.00000
5 0.000000
6 0.00000
7 0.00000
В Г 0.01000 ПРГ-20
9 0.00300 ПРГ-1 00
10 0.00000 ФЛ25-2
1 1 -0.00000
12 Г -2.37500 Токи
13 1 2.4В000 ФЛ27-2
14 Г 1 49.4000 ФЛ27-1
15 Г 23.9В200 LP
16 Г 14.71600 LO
Талловеров-ОЭ
1 r^Avif' -.-v.'1...-.-'V'.^v
¡аяА^,
язь Вид Cnpai
а » V |рш ü, =■-
C:\Program Files\l"MniMeteoSave4xt
^ Календарь | [¿-»Файлы |
« <i '
» »
Период с Дата
I7.08.2QQ9 по 18.08.2009 23:59:00
Направление ветра Скорость ветра i.
Влажность %
Температура ° С Точка росы ° С
Пн Вт Ср Чт Пт Со Вс
1 2
3 4 5 6 7 | 8 | 9
10 11 12 13 14 15 16
17 18 19 20 21 22 23
24 25 26 27 28 29 30
31
Период Начало 17.1 Конец 18J
17.08.09 00:00:00
17 .08 .09 00:01:00
17 .08 .09 00:02:00
9 I
Скорость ветра
_
;__
$.09 09:32:00 18.08.09
3.09 23:12:00 10.00
00:01:00 17.OS .09 06:47:00 17.OS .09 13:34:00 17.OS .09 20:24:00 17.03.09 03:14:00 1S.03.09 10:04:00 13.00.09 16:54:00 13.03.09 23:44:00 1
I I Направление ветра
0 Скорость ветра И Влажность
И Давление 3 Температура
1 I Точка росы
Все графики
2
5
6
Рис. 3. Примеры записи измеряемых величин: a - окно программы L-Test 1.1: 1 - окна вывода числовых значений измеряемых величин (1-16 каналы АЦП); 2 - окно графической развертки; 3 - управляющие кнопки режимов; 4 - переключатели режима записи нуля; 5 - окно записи технических комментариев; 6 - окно записи метеорологической обстановки; б - окно программы регистрации концентраций полярных легких ионов <^аррЫге3т06»; в - окно программы регистрации метеорологических элементов с помощью цифровой метеостанции М49-М «Просмотр метеоданных»
Максимальный размер файла за 1 ч работы при ежесекундной регистрации составляет порядка 3 Мб, что позволяет вести непрерывные наблюдения в течение многих дней. Таким образом, обеспечивается преобразование сигналов с выходов электростатического флюксметра «Поле-2», прибора для измерения полярных электрических проводимостей «Электро-проводность-2», грозорегистраторов типа ПРГ-20 и ПРГ-100, регистрирующих разряды в радиусе 20 и 100 км, прибора для измерения вертикальных токов.
В автоматизированном комплексе используются также датчики, которые выдают сигнал в цифровой форме и имеют возможность подключения к компьютеру напрямую, минуя устройство АЦП: цифровая метеорологическая станция М49-М и счетчик аэроионов «Сапфир-3К», каждый из которых имеет собственное программное обеспечение. На рис. 3б, в представлены окна программы регистрации концентраций полярных легких ионов (<^аррЫге3т06») и метеорологических величин («Просмотр метеоданных»).
В настоящее время разрабатывается соответствующая программа для автоматизации централизованной обработки регистрируемых величин.
Поступила в редакцию_
Из вышеизложенного следует, что дальнейшее развитие экспедиционных исследований может идти в направлении расширения измеряемых параметров (например, концентрации аэрозолей субмикронного диапазона, плотности объемного заряда, спектра ионов и т.д.) для более точного описания электрических свойств приземного слоя атмосферы.
Литература
1. Соколенко Л.Г., Шварц Я.М. Датчик электрической про-
водимости воздуха // Тр. ГГО. Л., 1990. Вып. 527. С. 33-36.
2. Колоколов В.П., Шварц Я.М. Методы наблюдений эле-
ментов атмосферного электричества: обзор. Обнинск, 1976. 64 с.
3. Имянитов И.М. Приборы и методы для изучения элек-
тричества атмосферы. М., 1957. 483 с.
4. Наставление гидрометеорологическим станциям и по-
стам. Л., 1958. Вып. 3, ч. 1. 40 с.
5. Орленко Л.Р. Строение планетарного пограничного слоя
атмосферы. Л., 1979. 270 с.
23 ноября 2009 г.
