Том 39, номер 05, статья № 4

Аннотация:

Особенностью исследования электрического поля в приземном слое атмосферы является согласованное проведение измерений и последующая интерпретация полученных данных с целью корректного выделения возмущений локального происхождения и глобальных вариаций электрического поля и оценки их влияния на характеристики приземного слоя. Для решения проблемы интерпретации результатов атмосферно-электрических измерений необходима математическая модель, позволяющая однозначно связать возмущения глобального и локального характера с измеряемой величиной. В настоящей работе рассматривается одна из возможных реализаций такой модели в виде уравнения полного тока, описывающего суточную динамику напряженности электрического поля в приземном слое. Исследована пространственно-временная структура турбулентного приземного слоя атмосферы, формирующаяся под действием глобальной унитарной вариации потенциала ионосферы и локального турбулентного генератора, обладающего независимой суточной динамикой. Работа обобщает исследования суточных вариаций напряженности электрического поля в приземном слое для случаев постоянного полного тока на верхней границе этого слоя. Рассчитаны вертикальные профили напряженности электрического поля, плотности тока проводимости и турбулентного тока в различные моменты времени в течение суток. Установлена их зависимость от степени турбулентного перемешивания в приземном слое атмосферы. Результаты расчетов будут полезны при анализе данных наземных атмосферно-электрических наблюдений.

Ключевые слова:

приземный электродный слой, атмосфера, турбулентная диффузия, грозовой генератор, электрическое поле

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Mauchly S.J. Studies in atmosphere electricity based on observations made on the Carnegie (1915–1921) // Res. Depart. Terr. Magn. 1926. N 175. P. 385–424.
2. Willet J.C. An analysis of the electrode effect in the limit of strong turbulent mixing // J. Geophys. Res. 1978. V. 83. P. 402–408.
3. Морозов В.Н. Атмосферное электричество // Атмосфера. Справочник (справочные данные, модели). Л.: Гидрометеоиздат, 1991. С. 394–408.
4. Морозов В.Н. Математическое моделирование атмосферно-электрических процессов с учетом влияния аэрозольных частиц и радиоактивных веществ. СПб.: РГГМУ, 2011. 253 с.
5. Морозов В.Н., Куповых Г.В. Математическое моделирование глобальной атмосферной электрической цепи и электричества приземного слоя. СПб.: Астерион, 2017. 307 с.
6. Морозов В.Н. Влияние генераторов электрического поля, действующих в верхних слоях атмосферы на электричество приземного слоя // Тр. Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова. 2022. № 605. С. 58–91.
7. Морозов В.Н. Распределение электрического поля, создаваемого ионосферным генератором, в нижних слоях атмосферы // Тр. Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова. 2012. № 565. С. 205–215.
8. Морозов В.Н. Проникновение ионосферных нестационарных электрических полей в нижние слои атмосферы // Тр. Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова. 2014. № 571. С. 162–171.
9. Калинин А.В., Слюняев Н.Н., Мареев Е.А., Жидков А.А. Стационарные и нестационарные модели глобальной электрической цепи: корректность, аналитические соотношения, численная реализация // Изв. РАН. Физ. атмосф. и океана. 2014. Т. 50, № 3. С. 355–364.
10. Mareev E.A., Volodin E.M. Variation of the global electric circuit and ionospheric potential in a general circulation model // Geophys. Res. Lett. 2014. V. 41, N 24. P. 9009–9016. DOI: 10.1002/2014GL062352.
11. Шаталина М.В., Мареев Е.А., Клименко В.В., Кутерин Ф.А., Николл К.А. Экспериментальное исследование суточных и сезонных вариаций атмосферного электрического поля // Изв. вузов. Радиофиз. 2019. Т. 62, № 3. С. 205–210.
12. Нагорский П.М., Пустовалов К.Н., Смирнов С.В. Cуточные и сезонные вариации невозмущенного электрического поля и их связь с изменчивостью геофизических величин на юге Западной Сибири // Тр. Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского. 2022. № S685. С. 213–222.
13. Оглезнева М.В., Пустовалов К.Н., Нагорский П.М., Сат А.А., Смирнов С.В. Влияние конвективных процессов на изменчивость содержания ионов по данным экспериментальных наблюдений // Материалы IX Всероссийской научной конференции по атмосферному электричеству. СПб., 2023. С. 121–125.
14. Pustovalov K., Nagorskiy P., Oglezneva M., Sat A., Smirnov S. The electric state of the surface atmosphere in the mountain–steppe landscapes of southern Siberia according to the measurement data in the Khakass–Tyva expedition in 2022 // Atmosphere. 2024. V. 15, N 1. P. 27. DOI: 10.3390/atmos15010027.
15. Монин А.С., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика. Л.: Наука, 1965. Т. 1. 639 с.
16. Зилитинкевич С.С. Динамика пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 290 с.
17. Орленко Л.Р. Строение планетарного пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 270 с.
18. Harrison R.G. The Carnegie curve // Surv. Geophys. 2013. V. 34, N 2. P. 209–232.
19. Тимошенко Д.В., Куповых Г.В., Белоусова О.В. Анализ электродинамической модели приземного слоя атмосферы // Изв. вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2024. № 4. С. 149–157.
20. Аджиев А.Х., Клово А.Г., Кудринская Т.В., Куповых Г.В., Тимошенко Д.В. Суточные вариации электрического поля в приземном слое атмосферы // Изв. РАН. Физ. атмосф. и океана. 2021. Т. 57, № 4. С. 452–461.
21. Клово А.Г., Куповых Г.В., Свидельский С.С., Тимошенко Д.В. Моделирование глобальных вариаций электрического поля в приземной атмосфере // Труды Военно-космической академии им А.Ф. Можайского. 2018. Вып. 662. «Проблемы военно-прикладной геофизики и контроля состояния природной среды». С. 37–41.
22. Kupovykh G., Klovo A., Timoshenko D. The atmospheric electric field variations in the surface layer // 2019 Russian Open Conference on Radio Wave Propagation (RWP). IEEE, 2019. P. 580–583.
23. Тимошенко Д.В., Куповых Г.В., Кудринская Т.В. Суточная динамика напряженности электрического поля в турбулентном приземном слое под действием локальных факторов // Оптика атмосф. и океана. 2024. Т. 37, № 11. С. 970–975. DOI: 10.15372/AOO20241110; Timoshenko D.V., Kupovykh G.V., Kudrinskaya T.V. Daily dynamics of the electric field in the turbulent surface air layer under the action of local factors // Atmos. Ocean. Opt. 2025. V. 38, N 1. P. 77–82.
24. Носов В.В., Лукин В.П., Ковадло П.Г., Носов Е.В., Торгаев А.В. Доказательство гипотезы Хопфа о структуре турбулентности (памяти Татарского) // Оптика атмосф. и океана. 2023. Т. 36, № 1. С. 12–18. DOI: 10.15372/AOO20230102; Nosov V.V., Lukin V.P., Kovadlo P.G., Nosov E.V., Torgaev A.V. Proof of Hopf’s conjecture on the structure of turbulence (in memory of Tatarsky) // Atmos. Ocean. Opt. 2023. V. 36, N 4. P. 300–305.
25. Агафонцев М.В., Герасимова Л.О., Рейно В.В., Шестернин А.Н. Исследование конвективной турбулентности над нагретой поверхностью методом скоростной термографии // Оптика атмосф. и океана. 2023. Т. 36, № 7. С. 584–590. DOI: 10.15372/AOO20230707; Agafontsev M.V., Gerasimova L.O., Reino V.V., Shesternin A.N. High-speed thermographic study of convective turbulence characteristics over a heated surface // Atmos. Ocean. Opt. 2023. V. 36, N 6. P. 798–804.
26. Горчаков Г.И., Карпов А.В., Гущин Р.А., Даценко О.И. Электрические процессы в ветропесчаном потоке на опустыненных территориях // Оптика атмосф. и океана. 2024. Т. 37, № 6. С. 461–467. DOI: 10.15372/AOO20240603; Gorchakov G.I., Karpov A.V., Gushchin R.A., Datsenko O.I. Electrical processes in a wind-sand flux on desertified areas // Atmos. Ocean. Opt. 2024. V. 37, N 5. P. 630–636.
27. Куповых Г.В., Тимошенко Д.В. Оценка мощности глобальных и локальных токовых генераторов по электродинамическим параметрам приземного слоя // Тр. Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова. 2024. № 612. С. 125–136.
28. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. 6-е изд. М.: Наука, 1999. 736 с.
29. Калинин А.В., Григорьев Е.Е., Жидков А.А., Терентьев А.М. Классификация и свойства решений системы уравнений теории классического электродного эффекта // Изв. вузов. Радиофиз. 2013. Т. 56, № 11–12. С. 829–852.
30. Pulinets S., Davidenko D. Ionospheric precursors of earthquakes and global electric circuit // Adv. Sp. Res. 2014. V. 53, N 5. P. 709–723. DOI: 10.1016/j.asr.2013.12.035.
31. Курант А., Гильберт Д. Методы математической физики. М.: Изд-во иностранной литературы, 1952. 476 с.