авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

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

На правах рукописи

ЕВТУШЕНКО Андрей Александрович

ГЕНЕРАЦИЯ ВЫСОТНЫХ РАЗРЯДОВ В АТМОСФЕРЕ

И ИХ ВЛИЯНИЕ НА БАЛАНС

МАЛЫХ ГАЗОВЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ

25.00.29 – физика атмосферы и гидросферы

Ав то р е фер а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород – 2013

Работа выполнена в ФБГУН Институт прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, чл.-корр. РАН Мареев Евгений Анатольевич ФБГУН ИПФ РАН

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Смышляев Сергей Павлович ФГБОУ ВПО РГГМУ кандидат физико-математических наук Михаил Юрьевич Куликов ФБГУН ИПФ РАН

Ведущая организация: ФБГУН Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН

Защита состоится 7 октября 2013 г. в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 002.069.01 в Институте прикладной физики РАН по адресу: г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Института при кладной физики РАН.

Автореферат разослан 7 августа 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат А. И. Малеханов физико-математических наук

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации. Одним из наиболее значимых на правлений геофизической электродинамики, сформировавшихся к началу ХХI 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 количест во работ в литературе посвящено спрайтам – объемным разрядам с горизон тальными размерами в несколько десятков километров, которые наблюдают ся на высотах от 50 до 90 км. Это связано, с одной стороны, с чрезвычайно интересной и необычной физикой спрайтов, а с другой – с достаточно высо кой частотой их генерации (до 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 глобаль ную 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, переносящий значительный электрический заряд, причем при развитии спрайта практиче ски всегда положительной полярности. Особенно сильной молниевой актив ностью обладают мезомасштабные конвективные системы (ММКС), которые состоят из стратифицированной части с горизонтальными размерами в сотни километров и относительно небольшой конвективной области. Натурные из мерения, проводимые в стратифицированной части ММКС, показывают на личие интенсивного слоя положительного заряда в окрестности нулевой изо термы, который может играть роль «резервуара» заряда для мощных положи тельных вспышек облако-земля. Предложена модель развития электрической структуры в стратифицированной области ММКС. Показано, что при учете индукционного и безындукционного механизмов зарядки тающих гидроме теоров в окрестности нулевой изотермы за несколько десятков минут, воз можно формирование структуры электрического поля, наблюдаемой при на турных измерениях [4].

Оценить влияние высотных разрядов на химический состав мезосферы позволяет представленная в настоящей работе плазмохимическая модель.

Модель включает основные нейтральные атомы и молекулы, возбужденные состояния азота и кислорода, ионы, положительные ионы-связки и электро ны. Созданный программно вычислительный комплекс позволяет автомати чески генерировать систему дифференциальных уравнений для химических компонент по списку химических реакций, с контролем сохранения массы и зарядов в системе, автоматической проверкой на повторяемость реакций.

Предложена параметризация напряженности электрического поля и тем пературы электронов во время спрайта и проведено нульмерное моделирова ние для высоты 77 и 85 км. Показано, что в области спрайта происходит суще ственное возмущение концентраций положительных и отрицательных ионов, электронов, нейтральных компонент, возбужденных атомов и молекул, со провождающееся излучением фотонов.

Разработана одномерная плазмохимическая самосогласованная модель воздействия спрайта на состав мезосферы для высот от 60 до 90 км. Предло жена параметризация электрического поля на высотах мезосферы, создавае мого нескомпенсированным электрическим зарядом, возникающим в облаке после разряда облако-земля, с учетом изменения проводимости мезосферы во время спрайта, вследствие резкого увеличения концентрации электронов. Ис следована динамика самосогласованного электрического поля, основных от рицательных и положительных ионов, возбужденных атомов и молекул, объ емной плотности излучения фотонов в зависимости от времени и высоты.

Проанализирована зависимость величины области спрайта и максимального значения нормированного электрического поля в зависимости от величины дипольного момента нескомпенсированного заряда в тропосфере после мол ниевой вспышки облако-земля.



Заметим, что при электрических полях, недостаточных для развития спрайта, на высоте 78-80 км зажигается гало – светящийся диск в мезосфере непосредственно над областью тропосферного разряда при напряженности электрического поля меньше критического [5]. Применение одномерной мо дели для описания гало позволило изучить динамику возмущения возбуж денных состояний атомов и молекул и связанного с ними излучения фотонов в зависимости от времени и высоты. Показано, что возмущения концентраций ионов и электронов во время гало не происходит.

Исследование возмущений состава мезосферы, обусловленных высотны ми разрядами, кроме фундаментального (поиск дополнительных источников поддержания ионизации нижней ионосферы в ночное время), представляет значительный практический интерес. Так, возмущение ионизации D-слоя влияет на условия распространения волн ОНЧ диапазона. Как показано в ряде работ, обусловленные спрайтами возмущения D-слоя приводят к существен ным вариациям амплитуды и фазы сигнала на ОНЧ трассах [6]. Сильные воз мущения, обусловленные наиболее мощными разрядами, в принципе, могут проявляться при радиопросвечивании ионосферы и влиять на точность гео физических и астрофизических измерений этим методом [7]. Наконец, иссле дование динамики основных и возбужденных состояний молекул, атомов и ионов в мезосфере и нижней термосфере очень важно для развития методов дистанционной диагностики состояния этой наиболее труднодоступной для прямых измерений области атмосферы [8].

Основной целью диссертации является исследование условий генера ции высотных разрядов (спрайтов, гало) над грозовыми облаками и мезомас штабными конвективными системами, а также эффектов их воздействия на состав средней атмосферы. В соответствии с этой целью в настоящей работе решались следующие конкретные задачи:

1. Определение химических компонент, необходимых для описания хими ческого состава мезосферы, и построение соответствующей системы химиче ских реакций.

2. Создание программно-вычислительного комплекса для автоматического построения системы обыкновенных дифференциальных уравнений по систе ме химических реакций и моделирования влияния изменяющихся электриче ского поля и температуры электронов на химический состав.

3. Параметризация электрического поля и температуры электронов для характерных условий возникновения спрайтов, и исследование возмущения положительных и отрицательных ионов, электронов, нейтральных компо нент, возбужденных атомов и молекул и связанных с ними излучений для нульмерной модели на высоте инициации спрайта (77 км) и диффузной об ласти разряда (85 км).

4. Параметризация электрического поля на высотах мезосферы, создавае мого нескомпенсированными электрическими зарядами после разряда обла ко-земля в тропосфере.

5. Исследование влияния спрайта и гало на химический состав мезосферы в самосогласованной одномерной модели с учетом изменения проводимости, обусловленного высотным разрядом.

6. Исследование индукционных и безындукционных механизмов зарядки при образовании слоистой структуры электрического заряда в стратифициро ванной области мезомасштабной конвективной системы.

7. Создание модели для описания процессов разделения зарядов при тая нии гидрометеоров в окрестности нулевой изотермы.

Научная обоснованность и достоверность результатов, полученных в диссертации, обеспечивается сравнением результатов моделирования с экс периментальными данными. Использование математических моделей обос новано соответствующими оценками, сравнением с моделями других авторов и адекватной физической интерпретацией. Основные положения диссертации опубликованы в ведущих российских журналах, докладывались на россий ских и международных конференциях.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту. Научная новиз на диссертационной работы определяется полученными в ней оригинальными результатами. Основные положения, выносимые на защиту, заключаются в следующем:

1. При развитии высотного разряда (спрайта) в ночных условиях сущест венно возмущаются концентрации электронов (до 2,3·104 см–3), положитель ных и отрицательных ионов, включая ионы-связки, нейтральных компонент (в том числе в возбужденном состоянии). На высотах переходной и диффузи онной областей спрайта объемная скорость эмиссии фотонов в первой поло жительной полосе азота достигает 2108 см–3·с–1, во второй положительной полосе 5107 см–3·с–1.

2. При формировании последовательности спрайтов, разделенных времен ным интервалом, ряд химических компонент не успевает релаксировать, что приводит к существенному изменению условий развития повторных разрядов и накоплению отдельных химических компонент (H5O2+, NO+).

3. Развитая одномерная самосогласованная модель влияния спрайтов/гало на химический состав средней атмосферы связывает процессы переноса заря да в молниевом разряде облако-земля в тропосфере и разрядные явления в мезосфере. Как показывают расчеты, изменение проводимости мезосферы существенно влияет на развитие высотного разряда: уменьшение проводимо сти на начальной стадии способствует инициации спрайта, а последующее увеличение приводит к релаксации электрического поля и гашению разряда.

4. Размер области диффузного разряда зависит от дипольного момента не скомпенсированного заряда в тропосфере. При значении дипольного момента менее 340 Клкм создаваемое электрическое поле недостаточно для развития спрайта, при этом формируется гало.

5. Учет индукционного и безындукционного механизмов зарядки тающих гидрометеоров и облачных частиц позволяет описать формирование интен сивного долгоживущего слоя положительного заряда в окрестности нулевой изотермы и слоистой структуры электрического заряда в стратифицирован ной области ММКС, параметры которых соответствуют натурным измерени ям.

6. Важную роль в формировании электрической структуры грозовых об лаков играют легкие аэроны воздуха, что связано с их влиянием на заряды, располагающиеся на облачных частицах и частицах осадков, а также с обра зованием дополнительных слоев электрических зарядов, экранирующих об лако.

Практическая значимость. Результаты моделирования высотных разря дов могут использоваться при разработке дистанционных методов зондиро вания химического состава мезосферы по интенсивности излучения в различ ных диапазонах длин волн, а также могут быть использованы для оценки возмущения ионизации D слоя, влияющего на распространение волн ОНЧ диапазона. Результаты моделирования электрической структуры ММКС мо гут быть использованы для построения моделей краткосрочного прогноза молниевой активности.





Результаты работы использовались при выполнении проектов РФФИ (04 02-16634-а, 06-02-31021-к, 07-02-01342-а, 07-05-13584-офи_ц, 08-02-10016-к, 08-05-97018-р_поволжье_а, 09-02-10019-к, 10-05-01045-а, 11-05-12055-офи-м 2011).

Публикации и апробация результатов. Основные результаты диссерта ции представлялись на Нижегородской сессии молодых ученых (Нижний Нов город, 2006, 2007), Нижегородской конференции по радиофизике (Нижний Новгород, 2005), на международной конференции “Topical problems of nonlinear wave physics” (Нижний Новгород, 2005, 2008), на ассамблее Международного союза геодезии и геофизики “IUGG - 2007” (Перуджа, 2007), на всероссийской научной школе “Нелинейные волны” (Нижний Новгород, 2006, 2008, 2010, 2012), на всероссийской конференции молодых ученых “Малые примеси, ат мосферное электричество и динамические процессы в атмосфере” (Нижний Новгород, 2003), на всероссийской конференции молодых ученых “Состав ат мосферы и электрические процессы” (Москва, 2004, Нижний Новгород, 2005), на всероссийской конференции молодых ученых “Состав атмосферы и элек трические процессы” (Нижний Новгород, 2007), на всероссийской конферен ции молодых ученых “Состав атмосферы. Атмосферное электричество. Клима тические процессы” (Звенигород, 2009, Борок, 2011), на международной кон ференции по атмосферному электричеству “ICAE - 2007” (Пекин, 2007), “ICAE - 2011” (Рио-де-Жанейро, 2011), на ассамблее союза геомагнетизма и аэроно мии “IAGA - 2009” (Сопрон, 2009), на международной конференции динамиче ские дни в Европе “Dynamics Days Europe - 2010” (Бристоль, 2010), на первой летней школе грозовые эффекты в атмосферно-ионосферной системе “TEA-IS 2012” (Малага, 2012), на всероссийской конференции по атмосферному элек тричеству (Санкт-Петербург, 2012), докладывались на семинарах ИПФ РАН и конкурсах молодых ученых ИПФ РАН и опубликованы в журналах «Известия РАН. Физика атмосферы и океана» (2 статьи), «Известия Вузов. Радиофизика»

(1 статья), Journal of Atmospheric research (1 статья), Journal of Atmospheric and Terrestrial physics (1 статья), в сборнике Sprites, Elves and Intensive Lightning Discharge (1 статья), 21 тезисах и трудах конференций. Результаты диссертации опубликованы в 27 печатных работах.

Личный вклад автора. Все приведенные в диссертации результаты по лучены либо лично автором, либо при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем работы 148 страниц, вклю чая 52 рисунка и список литературы из 70 наименований.

Краткое содержание диссертации Во введении освещается современное состояние рассматриваемых в дис сертации проблем, обосновывается актуальность темы работы и ее практиче ская значимость, кратко излагается ее содержание, формулируются положе ния, выносимые на защиту.

В первой главе представлена нульмерная плазмохимическая модель влияния спрайта на состав мезосферы. Создан программно-вычислительный комплекс для изучения влияния внешних воздействий на химический состав мезосферы. Проведено моделирование для высот 77 и 85 км.

В § 1.1 даны общие сведения по спрайтам, приведены пространственно временные характеристики. Описаны современные модели учета влияния спрайтов на химический состав мезосферы.

В § 1.2 проводится постановка задачи моделирования и описание разра ботанного программно-вычислительного комплекса. Всего учитывается химических реакций для 61 химической компоненты: положительные и отри цательные ионы, электроны, нейтралы в основном и возбужденном состояни ях. Спрайт моделируется в 3 стадии: доспрайтовая релаксация (104 с), вспыш ка спрайта (от 20 до 200 мкс), послеспрайтовая релаксация (10 4 с). Доспрай товая релаксация приводит систему в квазистационарное состояние, спрайт создает возмущение химических компонент, послеспрайтовая релаксация позволяет оценить характерные времена релаксации химических компонент.

В § 1.3 проведен анализ возмущения концентраций заряженных частиц для высот 77 и 85 км (рис. 1). Возмущение электрического поля во время спрайта задается изменением параметра (напряженность электрического поля, нормированная на концентрацию нейтрального газа). Параметр за мкс достигает величины 250 Тд на 77 км и 300 Тд на 85 км, что соответствует 1,3 В/см и 0,6 В/см, а Те возрастает от 200 до 15000 К. После выхода на мак симальное значение Тe и остаются постоянными в течение 100 мкс (стадия плато). Далее за 10 мкс Т e и возвращаются к доспрайтовым значениям. Об щая продолжительность спрайта – 120 мкс – совпадает со временем возмуще ния поля и температуры электронов.

В § 1.4 рассмотрено возмущение концентраций возбужденных состояний атомарного и молекулярного азота и кислорода. N2(A), N2(В), N2(C) образу ются при взаимодействии молекулярного азота с электронами в электриче ском поле. N2(C) быстро переходит в N2(B) с излучением во второй положи тельной полосе молекулярного азота h(2PN2) и его возмущение невелико.

N2(B) переходит в N2(А) с излучением в первой положительной полосе моле кулярного азота h(1PN2) (рис. 2). Концентрация N2(A) достигает 2,8·105 см–3, время релаксации 10 мс. Концентрация N2(В) достигает 6·104 см–3, время ре лаксации 100 мкс. Релаксация N2(A) связана с переходом в O2(a), O2(b) и ту шением при столкновении с нейтральными молекулами. Релаксация O2(b) в основном происходит при реакции с молекулярным азотом и образованием O2(a). O2(b) излучает h(O2Atm), но гораздо быстрее происходит процесс пе рехода в O2(a). Основные стоки для O2(a) – это реакция с излучением в ин фракрасном диапазоне h(O2IRAtm) и тушение на молекулах кислорода.

В §1.5 исследуется возмущение концентраций нейтральных невозбужденных химических компонент. Основное возмущение концентрации атомарного ки слорода происходит после разряда, достигает максимального значения через 200 с и связано с тушением молекул и атомов в возбужденном состоянии при взаимодействии с нейтралами.

Рис. 1. Динамика возмущения основных ионов и электронов на высоте 77 км Рис. 2. Возмущение концентрации возбужденных атомов и молекул (слева) и объем ная скорость эмиссии основных фотонов (справа) на 77 км На фоне начальной концентрации 2,7·107 см–3 возмущение от спрайта не превышает 10%, хотя по абсолютной величине сопоставимо с суммарным возмущением концентрации возбужденных компонент. Наработка NO прак тически не происходит во время разряда и начинается сразу после него. Ос новным источником для NO является тушение N(2D) на молекулярном кисло роде. Возмущение концентрации составляет 4,5·10 4 см–3, достигается к 10 мс и составляет около 50% от квазистационарного доспрайтового значения. При взаимодействии электронной лавины с молекулярным азотом во время разря да образуется значительное возмущение концентрации атомарного азота, дос тигающее 2,3·105 см–3.

В §1.6 рассматривается зависимость величины возмущения концентраций химических компонент от внешних параметров. Продолжительность разряда и амплитуда электрического поля нелинейно влияют на амплитуду возмущения основных химических компонент: при увеличении длительности плато с 100 до 300 мкс возмущение концентрации электронов увеличивается на 3 порядка.

В §1.7 исследуется временная зависимость характерных для разрядов коэф фициентов: частоты ионизации и прилипания, коэффициента (отношения сум марной концентрации отрицательных ионов к концентрации электронов). Пока зано существенное различие динамики разряда на высотах 77 и 85 км.

В §1.8 исследована последовательность из двух спрайтов, разделенных вре менным интервалом в 100 с, что соответствует экспериментальным данным для особо мощных ММКС [11,12]. Показано, что для части химических компо нент возмущения концентрации не успевают полностью релаксировать (е, NO+, ионы связки), поэтому возмущение концентрации после второго спрайта больше и возможно накопление ряда химических компонент.

В §1.9 предлагается методика для сокращения списка химических реакций вследствие их малой значимости. Показано, что сокращение количества реакций с 267 до 145 приводит к незначительному изменению динамики всех химических компонент и может быть выполнено для ускорения расчетов при дальнейшем развитии модели.

В §1.10 обсуждаются основные особенности и ограничения нульмерного мо делирования и приводятся основные результаты.

Во второй главе представлена одномерная самосогласованная модель влияния высотных разрядов – спрайтов и гало – на химический состав мезо сферы. Данная модель является развитием нульмерной модели, представлен ной в первой главе.

В §2.1 проводится постановка задачи одномерного моделирования. Ис пользуется система химических реакций для описания состава мезосферы из нульмерной задачи. Электрическое поле вычисляется из уравнения (1) и свя зывает протекание тока в молниевом канале E E Eext в тропосфере с электрическим полем на, (1) высотах мезосферы, с учетом изменяющей t 0 t ся во время разряда проводимости. Еext – e2 Ne внешнее электрическое поле, создаваемое, (2) нескомпенсированным электрическим за me e (Te ) рядом в облаке, находящимся над прово (t / 1 ) 2 e t /, (3) дящей поверхностью Земли, вычисляемое I (t ) I 1 (t / 1 ) 2 в дипольном приближении. E – напряжен ность электрического поля на высотах ме зосферы. Проводимость мезосферы определяется из соотношения (2), где Ne – концентрация электронов, е(Те) – частота столкновения электронов. Для учета зависимости температуры электронов Te от напряженности электриче ского поля использовался свободно распространяемый программный пакет BOLSIG+, решающий уравнение Больцмана [9]. Зависимость силы тока в ка нале молнии от времени определяется из соотношения (3) с характерными времена 1=70 мкс и 2=500 мкс [10]. Нескомпенсированный заряд в облаке вычисляется интегрированием силы тока в молниевом канале. Для расчета взяты координаты 380 северной широты, 00 долготы. С увеличением высоты концентрация электронов и проводимость существенно возрастают. Учиты вать только галактические космические лучи в качестве источника ионизации ночной мезосферы недостаточно для корректного моделирования высотных разрядов. Для получения в квазистационарном состоянии профиля проводи мости, согласующегося с экспериментальными данными [11], добавляется источник ионизации, экспоненциально растущий с высотой. Задание началь ных концентраций компонент производилось с использованием атмосферной климатической модели WACСМ, являющейся частью CESM версии 1.1 [12].

В §2.2 обсуждается динамика возмущения концентрации электронов, нор мированного электрического поля и проводимости мезосферы при развитии спрайта. Амплитудная характеристика тока I0 = 180 кА, что соответствует максимальному протекающему току 110 кА и максимальному дипольному моменту 740 Кл·км. Показано, что инициация спрайта происходит с задерж кой 300 мкс после начала протекания электрического тока в канале молнии.

На высотах 75-80 км резко растет и достигает максимальных значений от 180 до практически 200 Тд и остается на этом уровне несколько сотен микро секунд (рис. 3). После резкого роста концентрации электронов следует бы строе падение, связанное с возмущением проводимости. На высотах 70- км максимальные значения варьируются от 140 до 180 Тд.

В §2.3 приведены результаты моделирования для ионов. На высотах от до 81 км наблюдается значительное возмущение ионов О2+ и N2+ (рис. 4).

Максимальные возмущения наблюдаются на высотах от 74 до 77,5 км для О2+ и достигает 600 см–3 и более, на высотах от 76 до 78 км для N2+ с максималь ной величиной около 270 см–3. Оба иона начинают возмущаться на высоте около 80 км, однако время начала различно: для N2+ значительный рост начи нается после 550 мкс, для О2+ через 750 мкс. Различие в максимально наблю даемых концентрациях определяется быстрыми процессами ионной конвер сии, при которых N2+ переходит в О2+. С этим же связано время жизни воз мущений. Для N2+ возмущение сохраняется не более 0,5 мс на всех высотах.

Для О2+ время релаксации возмущения зависит от высоты и составляет от 0, с на 70 км и порядка 60 с на высоте 80 км.

Рис. 3. Динамика возмущения нормированного электрического поля и концен трации электронов Рис. 4. Динамика возмущения положительных ионов О2+ и N2+ Рис. 5. Динамика возмущения концентрации N2(B) и объемная скорость излуче ния первой положительной полосы азота H5O2+ один из основных ионов на высоте от 70 до 80 км с максимальным возмущением на высотах от 74 до 77,5 км превышающим 500 см–3 через несколько десятков секунд после спрайта. H3O+ имеет сходную динамику, так как является предшественником H5O2+. Максимальные возмущения из-за быстрого превращения в следующий ион-связку невелики и составляют около 50 см–3.

Активное возмущение концентрации О2– проходит во всей области диф фузного разряда. После начала разряда начинается интенсивная наработка О 2– на высотах от 70 до 75 км, с максимумом 350 см–3 на высоте 71 км. Релакса ция возмущения происходит достаточно быстро: через 10 с концентрация возвращается к доспрайтовым значениям. Вторая область с большим возму щением концентрации находится на высотах 75-78 км и связана с ионной конверсией О– с молекулярным кислородом. Дольше всего возмущение кон центрации О2– сохраняется в верхней части спрайта и продолжается около 800 с. О– образуется во время развития разряда. Основной источник – взаи модействие электронов с молекулами кислорода в электрическом поле. Не смотря на значительную скорость образования, заметного накопления О – не происходит. Основные стоки связаны с реакцией ионной конверсии с моле кулярным кислородом. Релаксация после завершения спрайта происходит очень быстро. К 1 мс не остается возмущения в верхней части спрайта, а к мс в нижней.

В §2.4 приводятся результаты моделирования для возбужденных нейтралов и связанных с ними излучений. Показано, что основное излучение спрайта приходится на первую и вторую положительную полосу молекулярного азота (возбужденное состояние N2(C) и N2(B) соответственно), что совпадает с экс периментальными данными. Максимальное возмущение концентрации N2(B) на высоте 75,5 км составляет 1478 см–3, а объемная скорость эмиссии фотонов первой положительной полосы превышает 2·108 см–3·с–1 (рис. 5).

В §2.5 одномерная самосогласованная модель применена для моделирова ния гало. Частота генерации гало в мезосфере Земли достигает одного события в минуту [13]. Для их развития достаточно меньшей чем для спрайтов напря женности квазистатического электрического поля. Полярность разряда в тро посфере не играет существенной роли и гало возникает и после отрицатель ных разрядов, если переносится существенный заряд. Характерные значения напряженности нормированного электрического поля для гало 80–100 Тд [5].

Вследствие того, что лавина электронов не образуется, заметного возмущения концентрации ионных и нейтральных компонент не наблюдается. Показано что вертикальные размеры области гало составляют несколько километров, с центром на 79 км, что совпадает с экспериментальными данными [3, 14].

В §2.6 проведено исследование зависимости величины области спрайта за нятой диффузным разрядом в зависимости от дипольного момента, создаваемо го нескомпенсированным зарядом в тропосфере при протекании тока в мол ниевом разряде. Показано, что высота максимального значения нормирован ного электрического поля практически не зависит от дипольного момента и варьируется от 78,2 до 78,5 км. Рост максимального значения в зависимости от тока нелинейный, и при дипольном моменте 1200 Кл·км превышает кри тическое значение в 1,8 раза.

В §2.7 обсуждаются основные особенности и ограничения одномерного са мосогласованного моделирования и приводятся основные результаты.

В третьей главе представлена одномерная модель для описания структуры электрического заряда в окрестности нулевой изотермы для стратифицирован ной области мезомасштабной конвективной системы. Проведено моделирова ние образования тонкого слоя положительного заряда около нулевой изотермы с учетом индукционного и безындукционного механизмов зарядки тающих гидрометеоров.

В §3.1 дается общая характеристика электрической структуры мезомас штабных конвективных систем. Характерной особенностью ММКС является высокая молниевая активность (как правило, в ночное время суток) в течение нескольких часов. Как показали измерения электрического поля непосредст венно в грозовых облаках, проведенные на баллонах и самолетах, это связано с наличием долгоживущих (до 6–12 часов) слоев электрического заряда в стратифицированной области [15–19]. Несмотря на сложную аэродинамику и большой горизонтальный масштаб ММКС, на порядок превосходящий раз меры обычной грозовой ячейки, распределение вертикальных слоев заряда сохраняет примерно постоянную структуру на протяжении всей стратифици рованной области. При этом в большинстве экспериментов проявляется на личие интенсивного тонкого слоя положительного заряда в окрестности ну левой изотермы.

В §3.2 рассматриваются процессы электризации в грозовых облаках. Про блемы зарядки облачных частиц традиционно занимают важнейшее место в исследованиях грозового электричества. В литературе рассматривается мно жество механизмов разделения заряда, обладающих специфической микро физикой в зависимости от температуры, фазового состава, размеров облачных частиц. Для динамики процесса электризации особенно важнейшую роль иг рает зависимость величины q (передаваемый заряд в единичном акте элек тризации) от напряженности электрического поля. Для индукционного меха низма q зависит от величины и направления внешнего электрического поля и связана с поляризацией взаимодействующих частиц. Для безындукционно го механизма величина заряда, разделяемого при столкновениях гидрометео ров, не зависит в явном виде от напряженности электрического поля.

Одной из наиболее характерных особенностей стратифицированной об ласти ММКС является наличие интенсивного тонкого слоя положительного заряда в окрестности нулевой изотермы, а также более распределенного слоя отрицательного заряда ниже нулевой изотермы. Поэтому естественным явля ется предположение, что при формировании этого слоя положительного заря да основную роль играет электризация при таянии частиц льда. Учитывая, что отрицательный заряд находится ниже нулевой изотермы и распределен в большем диапазоне высот, можно предположить, что крупные тающие гид рометеоры заряжены отрицательно, а мелкие капли воды – положительно [19]. Существующие лабораторные эксперименты не дают ясной и однознач ной картины разделения зарядов при таянии ледяных кристаллов [20–23]. В опытах по измерению зарядов на мелких оторвавшихся от тающей частицы каплях воды обнаруживаются заряженные как положительно, так и отрица тельно мелкие капли. Физические механизмы, приводящие к разделению за рядов, не вполне ясны. Очевидно, однако, что в реальных условиях на знак отрываемого заряда может существенно влиять электрическое поле, т.е. мо жет реализоваться индукционный механизм вследствие сдувания поляризо ванного заряда на крупной частице. Возможно также, что определенную роль играет в рассматриваемых процессах и безындукционная зарядка, связанная с различиями в подвижностях ионов ОН– и Н+, существующих в гидратирован ном состоянии во льду и в воде [20, 21].

В §3.3 предлагается система уравнений для описания процесса зарядки в окрестности нулевой изотермы тающих гидрометеоров. Предлагаемая модель основана на системе уравнений квазигидродинамики для основных фракций, участвующих в процессах формирования зарядовых слоев, которая, благода ря большому горизонтальному масштабу описываемой системы, анализиру ется в одномерном приближении. Ключевую роль при написании этой систе мы играет параметризации процессов электризации облачных частиц, то есть определение величины q для индукционного и безындукционного механиз мов разделения зарядов.

Рассматривается поток тающих гидрометеоров с постоянной концентра цией. При прохождении области таяния, лежащей в окрестности нулевой изо термы, от них отрываются и сносятся встречным по отношению к гидроме теору потоком воздуха мелкие капли воды, уносящие электрический заряд.

Область таяния определяется функцией таяния f(z), которая параметризует интенсивность процесса разделения зарядов в зависимости от высоты в окре стности нулевой изотермы. Предлагаемая модель включает в себя уравнения непрерывности для плотности заряда тающих гидрометеоров, капель воды, положительных и отрицательных аэроионов и уравнение Пуассона. Дополни тельно учитывается зависимость скорости аэроионов от величины электриче ского поля, зависимость скорости образования аэроионов от высоты и приве дены выражения для электрического заряда, отрываемого в единичном акте электризации тающего гидрометеора при учете индукционного и безындук ционного механизма разделения заряда.

В §3.4 приводятся результаты моделирования для безындукционного ме ханизма зарядки в окрестности нулевой изотермы. Слои электрического заря да, формирующиеся в окрестности точки реверса, считаются постоянными и задаются с помощью Add.Показано, что при отсутствии процессов генерации в окрестности нулевой изотермы примерно за 300 с электрическая структура приходит к квазистационарному состоянию, электрическое поле достигает зна чений 25 кВ/м, при этом напряженность электрического поля у земной по верхности составляет 1 кВ/м и направлена вверх, то есть имеет полярность, противоположную полю хорошей погоды.

Показано, что при учете безындукционной зарядки в окрестности нуле вой изотермы формируется структура электрического поля и плотности заря да аналогичная наблюдаемой в экспериментах. Напряженность полей дости гает значения 70 кВ/м за 2000 с с начала процессов электризации. Плотность электрического заряда достигает 3–4 нКл/м3 (рис. 6). При задании разнона правленного профиля скорости у нулевой изотермы удается получить про филь электрического поля, совпадающий количественно с наблюдаемыми профилями в ММКС типа Б.

В §3.5 приводятся результаты моделирования для индукционного меха низма зарядки в окрестности нулевой изотермы. Показано, что возможно фор мирование наблюдаемой в экспериментах структуры поля, при этом эффектив ность зарядки сильно зависит от величины и направления скорости движения воздуха.

Рис. 6. Профиль напряженности электрического поля и плотности электрического заряда для безындукционного механизма разделения зарядов В §3.6 проведена модернизация базовой системы уравнений для учета влияния поляризации частиц в электрическом поле на интенсивность прилипа ния аэроионов. Верхние слои зарядов в окрестности точки реверса начинают формироваться одновременно с электризацией у нулевой изотермы. При нако плении значительного электрического заряда на частицах прилипание аэроио нов того же знака прекращается, зато частота прилипания аэроионов противо положного знака максимальна, что ведет к релаксации заряда на частицах. По казано, что учет поляризации тающих агрегатов и капель воды приводит к уменьшению интенсивности генерации слоев электрического заряда, однако не ведет к значительному изменению профиля электрического поля и позво ляет промоделировать профиль поля, наблюдаемый в ММКС типа А.

В Заключении сформулированы основные результаты работы.

Основные результаты работы 1. Разработана и проанализирована нульмерная плазмохимическая мо дель воздействия спрайта на химический баланс мезосферы. Показано, что во время и после вспышки на высотах переходной и диффузной области спрайта существенно возмущаются концентрации электронов (до 2,3·104 см–3), поло жительных и отрицательных ионов, нейтральных компонент (в том числе в возбужденном состоянии). Объемная скорость эмиссии фотонов в первой положительной полосе азота достигает 1010 см–3·с–1.

2. Показано, что при генерации последовательности спрайтов, разде ленных временным интервалом 100 с, ряд химических компонент не успевает релаксировать после первого разряда, что приводит к изменению условий развития второго разряда и накоплению отдельных химических компонент (H5O2+, NO+).

3. Разработана одномерная плазмохимическая самосогласованная мо дель воздействия спрайта на состав мезосферы для высот от 60 до 90 км. По казано, что развитие лавинной ионизации начинается на высоте около 78 км, с последующим распространением вверх до 82 км и вниз до 70 км.

4. Установлено, что проводимость мезосферы на стадии инициации спрайта падает почти на два порядка из-за роста частоты столкновений элек тронов с нейтралами при увеличении температуры, что способствует разви тию разряда. По мере формирования лавины электронов проводимость суще ственно возрастает, что приводит к вытеснению поля и прекращению разряда.

5. Проанализирована зависимость величины области диффузного раз ряда спрайта от дипольного момента нескомпенсированного заряда в тропо сфере. Показано, что спрайт развивается при значениях дипольного момента, превышающих 340 Кл·км. При меньших значениях дипольного момента на высотах 78-80 км формируется гало, не сопровождающееся возмущением концентрации ионов и электронов. Объемная скорость эмиссии фотонов во время гало не превышает 2·105 см–3·с–1 для первой положительной полосы азота.

6. Разработана модель, описывающая генерацию слоев электрического поля и заряда в стратифицированной области мезомасштабной конвективной системы. Показано, что при учете индукционного и безындукционного меха низмов зарядки тающих гидрометеоров в окрестности нулевой изотермы в течение 30 минут формируется структура электрического поля, наблюдаемая в натурных экспериментах для мезомасштабных конвективных систем А и Б типа.

7. Показано, что влияние поляризации ледяных агрегатов и капель воды на прилипание аэроионов приводит к замедлению процессов разделения за ряда в грозовом облаке, не изменяя структуру формирующегося электриче ского поля.

8. Установлено, что максимальная плотность электрического заряда в окрестности нулевой изотермы достигает 4 нКл/м3. С учетом вертикального размера слоя положительного заряда (около 300 м) и горизонтальных разме ров стратифицированной области ММКС (тысячи квадратных километров), накопленный заряд может достигать нескольких тысяч кулон, что достаточно для генерации спрайтов.

Список цитированной литературы 1. Mishin E. V., Milikh G.M. Blue Jets: Upward Lightning // Space Sci. Rev. 2008.

Vol. 137, № 1-4. P. 473-488.

2. Van der Velde O.A. et al. Analysis of the first gigantic jet recorded over continental North America // Journal of Geophysical Research. 2007. Vol. 112, № D20. P.

D20104.

3. Pasko V.P. Recent advances in theory of transient luminous events // J. Geophys.

Res. 2010. Vol. 115. P. A00E35.

Shepherd R.T., Rust W.. D., Marshall T.C. Electric Fields and Charges near 0°C in 4.

Stratiform Clouds // Mon. Weather Rev. 1996. Vol. 124, № 5. P. 919-938.

5. Adachi T. et al. Electric field transition between the diffuse and streamer regions of sprites estimated from ISUAL/array photometer measurements // Geophys. Res. Lett.

2006. Vol. 33, № 17. P. L17803.

6. Dowden R.L., Rodger C.J., Nunn D. Minimum sprite plasma density as determined by VLF scattering // IEEE Ant. Prop. Magazine. 2001. Vol. 34, № 2. P. 12–24.

Куницын В.Е. et al. Спутниковое радиозондирование и радиотомография 7.

ионосферы // УФН. 2010. Vol. 180, № 5. P. 548–553.

8. Liu N. et al. Assessment of sprite initiating electric fields and quenching altitude of a1g state of N2 using sprite streamer modeling and ISUAL spectrophotometric measurements // J. Geophys. Res. 2009. Vol. 114. P. A00E02.

9. Hagelaar G.J.M., Pitchford L.C. Solving the Boltzmann equation to obtain electron transport coefficients and rate coefficients for fluid models // Plasma Sources Sci. Technol.

2005. Vol. 14. P. 722-733.

10. Rakov V.A., Uman M.A. Lightning: physics and effects. Cambridge University Press, 2002. P. 687.

11. Pasko V.P., Inan U.S., Bell T.F. Sprites produced by quasi-electrostatic heating and ionization in the lower ionosphere // J. Geophys. Res. 1997. Vol. 102, № A3. P. 4529 4561.

12. http://www.cesm.ucar.edu/models/cesm1.1/cam/ [Online].

13. Chen A.B. et al. Global distributions and occurrence rates of transient luminous events // J. Geophys. Res. 2008. Vol. 113. P. A08306.

14. Wescott E.M. et al. Triangulation of sprites, associated halos and their possible relation to causative lightning and micrometeors // Journal of Geophysical Research. 2001.

Vol. 106, № A6. P. 10467.

15. Marshall T.C., Rust W.D. Two types of vertical electrical structures in stratiform precipitation regions of mesoscale convective regions // Bull. Amer. Meteorol. Soc. 1993.

Vol. 74, № 12. P. 2159-2170.

16. Stolzenburg M. et al. Electrical structure in thunderstorm convective regions,1, Mesoscale convective systems // J. Geophys. Res. 1998. Vol. 103, № D12. P. 14,059-14,078.

17. Stolzenburg M., Marshall T. C. Charge structure and dynamics in thunderstorms // J. Space Sci. Rev. 2008. Vol. 137, P. 355-372.

18. Mo Q. et al. Horizontal structure of the electric field in the stratiform region of an Oklahoma mesoscale convective system // J. Geophys. Res. 2003. Vol. 108, № D7. P. 4225.

19. Bateman M.G. et al. Precipitation charge and size measurements inside a New Mexico mountain thunderstorm // J. Geophys. Res. 1999. Vol. 104, № D8. P. 9643-9653.

20. Мучник В.М. Физика грозы. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. P. 352.

21. Takahashi T. Electric potential of liquid water on an ice surface // J.Atmos.Sci.

1969. Vol. 26, № 6. P. 1253-1258.

22. Drake J.C. Electrification accompanying the melting the melting of ice particles // Quart. J. Roy. Meteor. Soc. 1968. Vol. 94, № 400. P. 176-191.

23. Knight C.A. Observations of the morphology of melting snow // J.Atmos.Sci.

1979. Vol. 36, № 6. P. 1123-1130.

Список публикаций по теме диссертации 1. Mareev E.A., Evtushenko A.A., Yashunin S.A. On the modeling of sprites and sprite producing clouds in the global electric circuit // Sprites, Elves and Intensive Lightning Discharges, NATO Science Series / под ред. M. Fullekrug, E. Mareev, M. Rycroft. Cluwer:

Springer, 2005. С. 313-340.

2. Evtushenko A.A., Mareev E.A. On the generation of charge layers in MCS stratiform regions // Atmospheric research. 2008. Т. 91. № 2-4. С. 272-280.

Евтушенко А.А., Мареев Е.А. О генерации слоев электрического заряда в ме 3.

зомасштабных конвективных системах // Физика Атмосферы и Океана. 2009. Т. 45. № 2. С. 242-252.

Евтушенко А.А., Мареев Е.А. Моделирование возмущений состава мезосфе 4.

ры под действием высотных разрядов – спрайтов // Изв. ВУЗов – Радиофизика. 2011.

Т. 54. № 2. С. 123-140.

Евтушенко А.А., Кутерин Ф.А., Мареев Е.А. Об особенностях возмущения 5.

ионного состава, нейтральных компонент и оптических эмиссий в мезосфере под дей ствием грозовых разрядов // Физика Атмосферы и Океана. 2013. Т. 49. № 5. С. 1-11.

6. Evtushenko A.A., Kuterin F.A., Mareev E.A. A model of sprite influence on the chemical balance of mesosphere // J. Atmos. Terr. Phys. 2013. Vol. 102. P. 298-310.

7. Evtushenko A.A. Modeling the influence of a high altitude discharge on the chem ical balance of the mesosphere // Proceedings of International Union of Geodesy and Geo physics (IUGG). Perugia, 2007. P. 8. Evtushenko A. A., Mareev E. A., Marshall T. C., Stolzenburg M.. On the genera tion and stability of charge layers in MCS stratiform regions // Proceedings of XIII Interna tional Conference on Atmospheric Electricity. Beijing, 2007, http://www.icae2011.net.br/.

9. Evtushenko A.A. The altitude dependence of sprite influence on the chemical bal ance of the mesosphere //

Abstract

book of IAGA 11th Scientific Assembly. Sopron, 2009, 201-MON-O1100-0323.

10. Evtushenko A.A. About the sprite influence on the chemical composition of the mesosphere // Book of abstracts of XXX Dynamics Days Europe. Bristol, 2010, p. 74-75.

11. Evtushenko A.A., Kuterin F.A., Mareev E.A. A model of sprite influence on the chemical balance of mesosphere // XIV International Conference on Atmospheric Electrici ty. Rio de Janeiro, 2011, http://www.icae2011.net.br/.

12. Evtushenko A.A., Kuterin F.A., Mareev E.A. A self-consistent model of sprite in fluence on the chemical balance of mesosphere // First Summer School Thunderstorm Ef fects on the Atmosphere-Ionosphere System (TEA-IS). Malaga, 2012, http://teais.trappa.es/sites/all/files/webform/con.

13. Евтушенко А.А. О влиянии грозовой активности на химические процессы в атмосфере // Малые примеси, атмосферное электричество и динамические процессы в атмосфере, Труды VII всероссийской конференции молодых ученых. Н.Новгород, 2003. С. 141-145.

14. Евтушенко А.А., Мареев Е.А. Моделирование динамики электрического поля в конвективных облаках и мезомасштабных конвективных системах // VIII всероссий ская конференция молодых ученых. Состав атмосферы и электрические процессы.

Москва, 2004. С. 46.

15. Евтушенко А.А., Мареев Е.А. Плазмохимическая модель влияния спрайта на состав мезосферы // IX Всероссийская конференция молодых ученых, Состав атмо сферы и электрические процессы. Н.Новгород, 2005. С. 57.

16. Евтушенко А.А. Моделирование динамики слоев электрического заряда в атмосфере с учетом различных механизмов электризации // XI Всероссийская конфе ренция молодых ученых, Состав атмосферы и электрические процессы. Н.Новгород, 2007. С. 45.

17. Евтушенко А.А. О высотной зависимости влияния спрайта на состав мезо сферы // XIII международная конференция молодых ученых “Состав атмосферы. Ат мосферное электричество. Климатические процессы”, САтЭП-2009. Звенигород, 2009.

С. 75.

18. Евтушенко А.А., Кутерин Ф.А. Трехмерная модель влияния спрайта на хи мический состав мезосферы // XV Всероссийская школа-конференция молодых уче ных. Состав атмосферы. Атмосферное электричество. Климатические процессы. Бо рок, 2011. С. 78.

19. Евтушенко А.А. Моделирование влияния спрайтов на состав мезосферы // Труды конференции молодых ученых “Нелинейные волновые процессы”, XIII научная школа “Нелинейные волны - 2006”. Н.Новгород, 2006. С. 42-43.

20. Евтушенко А.А. О формировании профиля проводимости и электрического поля в облачной атмосфере // Труды конференции молодых ученых “Фундаменталь ные и прикладные задачи нелинейной физики”, XIV научная школа “Нелинейные вол ны - 2008”. Нижний Новгород, 2008. С. 43-44.

21. Евтушенко А.А. О нелинейных эффектах влияния спрайта на состав атмо сферы // Труды конференции молодых ученых “Фундаментальные и прикладные зада чи нелинейной физики”, XV научная школа “Нелинейные волны - 2010”. Н.Новгород, 2010. С. 33-34.

22. Евтушенко А.А., Кутерин Ф.А. Самосогласованная модель возмущений со става мезосферы под действием высотного разряда – спрайта // Труды XVI научной школы “Нелинейные волны – 2012”. Н.Новгород, 2012. С. 41-42.

23. Евтушенко А.А. О генерации слоев электрического заряда в мезомасштабных конвективных системах // XI Сессия молодых ученых. Н.Новгород, 2006. С. 81.

24. Евтушенко А.А. О роли легких ионов и облачных частиц в формировании электрической структуры грозового облака // XII Нижегородская сессия молодых уче ных. Нижний Новгород, 2007. С. 89-90.

25. Evtushenko A.A. Modeling of the lower positive charge layer in the stratiform re gion // International Symposium, Topical problems of nonlinear wave physics. St. Peters burg – Nizhny Novgorod, 2005. С. 38-39.

26. Evtushenko A.A. Modeling the fast growth of electric field structure in thunder storm clouds // International Symposium, Topical problems of nonlinear wave physics.

Nizhny Novgorod, 2008, P. 34-35.

27. Евтушенко А.А., Кутерин Ф.А., Мареев Е.А. Возмущение электрического поля и состава средней атмосферы под действием высотных разрядов // VII Всерос сийская конференция по атмосферному электричеству. Санкт-Петербург, 2012. С. 71 73.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.