Моделирование влияния загрязнений на электрические характеристики приземного слоя атмосферы Текст научной статьи по специальности «Физика»

Секция математического моделирования экосистемы

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ

Г.В. Куповых

Электрическое состояние приземного слоя атмосферы определяется действием электродного эффекта вблизи земной поверхности [1], который обусловлен ионизацией воздуха и зависит от метеорологических условий. Присутствие аэрозольных частиц в атмосфере, являющихся стоком для аэроионов, оказывает влияние на элек-

,

приземного слоя может определяться только тяжелыми ионами, образовавшимися за счет взаимодействия аэрозоля с аэроионами.

Предполагая выполненными условия равновесия между аэроионами и аэрозольными частицами, заряженными двукратно и более, и пренебрегая током заряженных тяжелых ионов, образовавшихся при соединении аэрозоля с аэроионами, для турбулентного приземного слоя система уравнений имеет вид

где п12 - концентрации положительных и отрицательных аэроионов, Ь12 - их подвижности, Е - напряженность электрического поля, q - интенсивность ионообра-зования, а - коэффициент рекомбинации аэроионов, Ы1, Ы2 - концентрации положительных, отрицательных тяжелых ионов, N - концентрация нейтральных аэрозольных частиц; г - высота, /Зк - коэффициенты взаимодействия легких ионов с аэрозольными частицами, к - число элементарных зарядов на аэрозольной частице, От (ъ) = А • ъ - коэффициент турбулентной диффузии аэроионов.

Предположим, что в диапазоне размеров аэрозольных частиц до г = 0,02 мкм максимальное значение к = 2 [1].

Для равновесного состояния имеем:

- ап1п2 - п12Ф12 ’

(1)

N = N + ^(1) + ы2] + ы(2) + N22) +...,

= N

N?) = N

<?(0) /?(1) ^22 Рп

(2)

1

та?

Учитывая, что при развитом турбулентном перемешивании профили п1 и п2 сближаются, как это показано выше, положим в (2) п1 « п2. Тогда получим:

/ \

в0

<0)

в21)

(0)

<2) = N0

2

0(0) в(1) п1 I Рп Рп

(3)

Используя результаты расчетов Ф1 и Ф1 из работы [1], получаем:

• N ,

• N,

• N,

в = 0,584 10-= 0,119 10-1 Д(20) = 1,89•Ю-12 • N ,

Д(22) = 4,0 -10-12 • N ,

(3), :

Ф2 = 0,872 • 10-12 • N, N = 1,672 • N, в2('2) = 0,773 •Ю-12 • N , в22 = 0,156 •10-12 • N , в21)= 2,46 -10-12 • N , в2(?) = 5,00 •10-12 • N .

^ = -0,17^,, N((2) - ^22) = -0,0Ш0.

(4)

(5)

Применяя аналогичную методику расчетов для случая г = 0,01 мкм и предельного заряда на аэрозольных частицах 5е, можно получить:

Ф1 = 4,72 -10-

Ф2 = 4,7 •Ю-

N = 3,52 • N .

Плотность электрического заряда в уравнении Пуассона будет равна

р = 4пе[ (п1 - п2) + (к® - Я®)+ 2(ы((2) - N22)) +

+ з((3) - #2(3))+ 4((4) - N24))+ 5((5) - #25)) ]

(6)

(7)

где

N((() - N=-0,239 • N0,

N((3) - N2(3) =-0,095 • N0, N((4) -N2(4) =-0,0288• N0, N((5) - N=-0,0026 • N0.

(8)

Из полученных результатов видно, что вклад в величину р аэрозольных частиц с зарядом от 3 до 5 е почти на порядок меньше, чем одно- и двукратно заряженного аэрозоля.

На рис. 1 и 2 приведены результаты численных расчетов случая турбулентного электродного эффекта при наличии в нижней атмосфере тонких слоев аэрозольных частиц.

При концентрации аэрозольных частиц до 109 м ъ в слое от 5 до 10 м у поверхности земли влияние аэрозоля, как и в нетурбулентном случае, мало.

При концентрации N ~1010;и“3 в слое толщиной 5 м наблюдается реверс электродного эффекта, что свидетельствует о преобладании отрицательного объем-

2

п

п

п

кп2)

\П2)

п

-12

01 = 0,868 -10

12

N1' - N2 =-0,225 • N0

ного заряда, создаваемого тяжелыми ионами, над положительным объемным зарядом, обусловленным легкими ионами.

0 20 40 60 80 100 -Е (Б/м)

Рис.1. Турбулентный электродный эффект (д = 0,1 м/с) при наличии аэрозольных частиц г = 0,02 мкм концентрацией N = 109ехр(-г/10) .«-3 (сплошные линии) и

N = 109ехр(-г/5) м“3 (обозначенные крестиком)

Рис. 2. Турбулентный электродный эффект (д = 0,1м/с) при наличии аэрозольных частиц г = 0,02 мкм концентрацией N = 1010 ехр(-г/5) лТ3

Дальнейшее увеличение концентрации аэрозольных частиц приводит к тому, что электрический режим приземного слоя начинает определяться распределением тяжелых ионов, концентрациями легких ионов можно пренебрегать. В этом случае

сделанные в начале работы допущения не выполняются и необходимо перейти от модели электродного эффекта к модели, описывающей перенос тяжелых ионов в приземном слое.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Куповых Г.В.,Морозов В.Н.,Шварц ЯМ. Теория электродного эффекта в атмосфере. - Таганрог. Изд-во ТРТУ, 1998. - 123 с.

ИНФОРМАЦИОННЫЙ БАЗИС БИФУРКАЦИЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

..

Бытует расхожее утверждение, что лимит революционных изменений исчерпан и современное сообщество живых организмов в дальнейшем обречено на ламинарное развитие. Однако, если учесть, что под определение революции подпадают все

,

современного геологического периода нашей планеты. Такая активность побуждает повышенный интерес к синергетическим методам исследований причин и последствий

.

Существует три основных идеи относительно причин бифуркационных процессов в материальном мире: энергетическая, биосистемная, или экосистемная и информационная. Первая идея, хорошо развитая ИР. Пригожиным [1] и Г. Хакеном [2], исходит из принципа накопления энтропии в процессе диссипации энергии, поглощаемой некоторой системой из окружающей среды, с последующей реструктуризацией такой системы в направлении минимизации накопления необратимых изменений. Эта идея соответствует динамически равновесному взаимодействию живых организмов между собой и окружающей средой с постоянными параметрами

, , -

,

характером развития или неустойчивой с появлением новых видов, поглощающих избыток генерируемых биомассы и энергии.

,

развития катастрофических процессов основана на трудах А.Лотки, В.Вольтерра, . . , . . [3],

взаимодействия живых организмов между собой и окружающей средой таких, например, как "конкуренция", "хищник-жертва", "паразитизм", "симбиоз", "аменсализм", "комменсализм" и так далее, со сложным характером взаимозависимости параметров нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих динамику экосистемы. Моделирование и целочисленное решение этих эволюционных уравнений свидетельствует, что само по себе увеличение сложности понижает устойчивость экосистемы, к бифуркациям которых (существенным или несущественным, глобальным или локальным) могут привести не только увеличение темпов преобразования энергии, биомассы, других ресурсов экосистемы и окружающей среды, накопления энтропии и необрати-, , -

метров. Причём оказалось, что с ростом сложности экосистемы, а следовательно, и размерности вектора фазового состояния резко усложняется бифуркационная картина -растёт число точек бифуркации, и в каждой такой точке ветвления рождается всё большее и большее количество рядов возможных состояний.

, , -никновения катастрофических процессов, предсказать последствия которой тем слож-, . -бифуркационного развития также резко возрастает, такие траектории разделены не-