Сопряженность электрических и оптических характеристик в аэрозольной атмосфере

Овчаренко, Евгений Викторович

Сопряженность электрических и оптических характеристик в аэрозольной атмосфере тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Овчаренко, Евгений Викторович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2000 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Сопряженность электрических и оптических характеристик в аэрозольной атмосфере»

Автореферат диссертации на тему "Сопряженность электрических и оптических характеристик в аэрозольной атмосфере"

РГб од

2 5 ДЕК 2000

на правах рукописи

Овчаренко Евгений Викторович

СОПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК В АЭРОЗОЛЬНОЙ АТМОСФЕРЕ

01.04.05 - Оптика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Томск - 2000

Работа выполнена в Сибирском физико-техническом институте при Томском государственном университете

Научный руководитель: д. ф.-м. н.,проф. ДонченкоВ.А.

Официальные оппоненты: д. ф.-м.н., Ипполитов И.И. д. ф.-м.н., профессор Задце Г.О.

Ведущая организация:

Институт оптики атмосферы СО РАН

Защита состоится " 1 & " деисЗц 2000г. вЖ^ас. на заседании Диссертационного совета К 063.53.03 по присуждению ученой степени кандидата физико-математических наук в Томском государственном университете (634050, г.Томск, пр. Ленина, 36).

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан " ¿-8 иса%их 2000г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Дейкова Г.М.

(02 Я/Г 1, О

$¿52. 2,Р

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность. Атмосфера Земли, как известно, является сложной системой с многоуровневой структурой протекающих в ней процессов. К таким процессам относятся метеорологические, оптические, магнитные, электрические и др., изучению которых уделяется большое внимание на протяжении уже многих лет. В настоящее время здесь определены основные их характеристики, динамика изменения на различных временных периодах и диапазоны изменчивости, построены математические модели. Во многих случаях свойства атмосферы обусловлены одними и теми лее процессами. Например, на оптические и электрические характеристики атмосферы влияют одинаковые факторы, такие как: состав и концентрация аэрозолей, испарение воды с поверхности Земли, образование облачных структур, свойства подстилающей поверхности и т.д. Поэтому актуальным является выявление естественных функциональных и корреляционных связей между подобными параметрами атмосферы, и дальнейшее их использование для решения ряда прикладных задач

Закономерности изменения характеристик атмосферного электричества описаны в монографиях П.П. Тверского, X. Израэля, А. Чалмерса и U.M. Имянитова. Главным итогом этих работ являются гипотезы о природе электрического поля атмосферы, о механизмах работы глобальной атмосферно-электрической токовой цепи, данные об унитарных (суточном и годовом) вариациях напряженности электрического поля и причинах ее флуктуации. Среднегодовая величина напряженности электрического поля у поверхности Земли колеблется от десятков до нескольких сотен вольт на метр. Электрическое поле атмосферы существенно зависит от широты: градиент потенциала электрического поля имеет минимальную величину на экваторе и монотонно увеличивается в сторону полюсов. Спектральные характеристики электрического шума приземной атмосферы, как

теоретически, так и экспериментально подробно изучены в диапазоне 2-Ю"3 -ь 1Гц.

К числу перспективных задач физики атмосферы относится определение параметров атмосферного электричества на основе оптических измерений. Оптические методы позволяют существенно расширить пространственную картину и увеличить скорость получения информации. В свою очередь, электрические характеристики очень чувствительны к возмущениям любого рода и в явном виде зависят от скорости ионизации, что позволяет судить об уровне возмущенности приземного слоя атмосферы. Одной из причин изменчивости электрических параметров атмосферы является аэрозоль. Приземная атмосфера содержит в среднем 102 - 103 см аэрозольных частиц, большинство из которых заряжены. Под действием электрического поля аэрозольные частицы могут коагулировать, приобретать или терять заряды и т.д., тем самым менять оптические свойства атмосферы. В ряду известных и хорошо изученных электрооптических явлений можно назвать двойное лучепреломление в электрическом поле, рассеяния света в дисперсных средах и дихроизм в электрическом поле. Кроме того, если частицы имеют неправильную форму, то при наличии электрического поля они могут ориентироваться, изменяя тем самым рассеивающие свойства среды. Сущность такого эффекта состоит в том, что при наложении или снятии электрического поля за счет постоянного или индуцированного дипольного момента изменяется ориентация несферических частиц. Другой элекгрооптический эффект связан с воздействием внешнего электрического поля на изомерические анизотропные частицы и проявляется при измерениях степени поляризации рассеянного оптического излучения. Данный эффект позволяет определить напряженность электрического поля по деполяризации оптического излучения. Недостаточно изученым остается класс задач, связанный с выявлением связей электрического и магнитного полей, связей между характеристиками магнитного поля и оптическими

величинами, связей между электрическими и оптическими характеристиками, в частности, корреляционной и детерминированной связи напряженности электрического поля с прозрачностью атмосферы. Последняя связь была получена теоретически в виде элеюрооптического соотношения Имянитовым и Шифриным. Экспериментальной проверки существования электрооптического соотношения и исследований его границ применимости до настоящего времени не проводилось. Электрооптическое соотношение Е=С (где Е - напряженность электрического поля, ¿>„, - горизонтальная дальность видимости, С - константа) получено в предположении, что вариации 5„, обусловлены только изменением концентрации частиц. На самом же деле указанные параметры зависят не только от числа частиц, но и от их размеров и вещественного состава, которые в зависимости от метеорологических условий могут значительно изменяться. Следовательно, появляется задача, как в условиях реальной атмосферы (например, для дымок) связаны между собой эти параметры, и какова роль частиц разных размеров в механизме стока легких ионов на аэрозоль. Для решения этих вопросов необходимо проведение специальных исследований статистических связей между вариациями напряженности атмосферного электрического поля и коэффициентами аэрозольного ослабления в широком диапазоне длин волн в различных погодных условиях. Одной из целей работы и являлось исследование статистических взаимосвязей между оптическими и электрическими характеристиками. Однако, прежде чем решать вопрос о такой взаимосвязи, необходимо иметь достоверную информацию о временных вариациях, региональных особенностях входящих в электрооптическое соотношение характеристик и механизмах, влияющих на электрические и оптические процессы. Если оптические свойства атмосферы в регионе г. Томска достаточно хорошо изучены Институтом оптики атмосферы СО РАН, то этого нельзя сказать об исследованиях ее электрических параметров. Поэтому в работе дополнительно исследовалось

поведение средних значений и флуктуаций напряженности электрического поля атмосферы.

Цель диссертационной работы. Диссертация имеет целью уточнение существующих представлений о взаимосвязях между оптическими и электрическими характеристиками атмосферы, степени влияния геофизических и метеорологических процессов на параметры атмосферного электричества, а также выявление общих механизмов изменчивости электрических и оптических процессов в аэрозольной атмосфере.

Основные задачи исследований состояли в следующем:

1. Создание аппаратурного комплекса, разработка методов, алгоритмов и программного обеспечения для мониторинга атмосферного электричества.

2. Проведение исследований электрооптического соотношения в дымках различной плотности и при различных метеорологических условиях.

3. Установление статистических связей оптических и метеорологических характеристик атмосферы с электрическими параметрами приземного слоя атмосферы.

4. Региональное исследование годового и суточного трендов, а также спектральной структуры напряженности электрического поля.

Методы исследований. Для достижения поставленной цели:

- при исследованиях атмосферного электричества использовался метод статических генераторов (для получения напряженности электрического поля) и метод рассеивающего поля - для определения проводимости атмосферы;

- для опреления параметра Ми и его изменений, при исследованиях взаимосвязи электрических и оптических характеристик в контролируемых условиях камеры искусственных сред, применялась методика, в которой использовалось рассеянное со стороны излучение от точечного источника;

На защиту выносятся следующие положения:

1. Основная спектральная плотность мощности спектра низкочастотных флуктуаций напряженности электрического поля, в условиях хорошей погоды распределена в диапазоне 0-10 Гц. При дожде и снегопадах спектр флуктуаций трансформируется из-за флуктуаций концентрации частиц и направления их движения, и основная спектральная плотность мощности спектра перераспределяется в диапазон 10-25 Гц.

2. В процессе стока легких ионов на атмосферный аэрозоль субмикронная фракция играет преобладающую роль.

3. Выражение, связывающее напряженность электрического поля с давлением, влажностью и температурой, построенное в виде трехмерного полинома второго порядка, позволяет аппроксимировать значения напряженности электрического поля с погрешностью 8 - 10% при доверительной вероятности 0.67.

4. Теоретические и экспериментальные исследования электрооптического соотношения в модельных и натурных условиях показали:

A) в контролируемых условиях для мелкодисперсной среды (древесные дымы) детерминированная связь между напряженностью электрического поля и метеорологической дальностью видимости устойчива (с коэффициентом корреляции ~ 1);

Б) в реальных атмосферных дымках в диапазоне изменения а(0.56) 0.1 - 0.2 км"1 коэффициент корреляции между вариациями аэрозольного ослабления и напряженности электрического поля изменяется в пределах 0.3 -0.47.

B) в плотных дымках (а(0.56) > 0.2 км"1) с повышением относительной влажности воздуха до 80% максимальное значение коэффициента корреляции между напряженностью электрического поля и коэффициентом аэрозольного ослабления составляет 0.5

Достоверность полученных результатов и выводов определяется физической обоснованностью моделирования процессов, использованием статистически больших рядов данных наблюдений, сравнением результатов численного моделирования с экспериментальными данными и совпадением полученных результатов с данными других авторов, в частности:

1. Анализ взаимной динамики изменения коэффициентов а(Х) на разных длинах волн и напряженности электрического поля Е в дымках разной плотности подтвердил, что предположение выдвинутое другими авторами1 о преобладающей роли субмикронной фракции в стоке легких ионов верно.

2. Усредненный годовой ход напряженности электрического поля совпадает с данными других авторов2, приведенных для различных регионов северного полушария.

3. Динамика суточной вариации совпадает с данными3, приведенными для пунктов наблюдения на близких широтах.

4. Функция, описывающая спектральное распределение флуктуации напряженности электрического поля в диапазоне 0 - 1 Гц где 5=0.5 при среднеквадратичном отклонении - 0.1, совпадает с опубликованными эксперементальными данными4. Разброс значений я объясняется геофизическими различиями в пунктах наблюдений и отличием условий "хорошей погоды" в этих пунктах.

5. Совпадение радиуса автокорреляции для всех параметров, включенных в аппроксимирующее выражение (температура, влажность и давление) - позволяет, в рамках линейной меры близости, восстанавливать

' Чубарина Е.В. Связь электрического поля атмосферы с ядрами конденсации.//Труды ГГО, 1964, вып. 157, С. 20 -24.

2 Колоколов В.П. К происхождению электрического поля земли. // Труды ГТО, 1972, вып. 225, С. 37-43.

1 Шварц Я.М., Огуряева JI.B. Многолетний ход величин атмосферного электричества в приземном слое. // Метеорология и гидрология, 1987, №7, С. 59-64.

4 Анисимов С.В., Маресв Е. А., Трах-тенгерц В.Ю. Спектральные характеристики свариаций атмосферного электрического поля и тока.//Геомагнетизм и аэрономия.-1991.-т. 31, № 4.-С.669-674.

значения напряженности из метеорологических измерений с остаточной дисперсией 8% при доверительной вероятности 0.67.

Научная новизна данной работы состоит в том, что в диссертации поставлена задача комплексного исследования сопряженности электрических, оптических и метеорологических параметров, сформулированы пути решения, разработаны методы исследования и намечены перспективы использования результатов. Впервые проведены целенапрвленные исследования электрооптического соотношения в контролируемых и натурных условиях, результаты которых позволили определить границы его применимости.

Научная ценность

В работе получены следующие новые результаты:

1. На основании трехлетнего цикла измерений характеристик электрического поля в международные геофизические дни выявлена годовая динамика поведения напряженности электрического поля для района г. Томска. Отмечена особенность поведения напряженности электрического поля в 1997 г., заключающаяся в уменьшении значений напряженность электрического поля от января к марту, в то время как по другим данным в этот же период на этих широтах наблюдается рост напряженности электрического поля.

2. Исследована спектральная структура флуктуаций напряженности электрического поля в диапазоне частот 0-40 Гц. Основная спектральная плотность мощности спектра находится в диапазоне 0-10 Гц, так же как и у процессов, ответственных за флуктуации напряженности электрического поля в условиях хорошей погоды (изменения ионной концентрации и флуктуации параметров магнитного поля). Вследствие нарушения условий хорошей погоды, при дожде и выпадении снега, спектр флуктуаций трансформируется. Амплитуды сигнала увеличиваются, и основная спектральная плотность

мощности перераспределяется в диапазон 10-25 Гц. В этом же диапазоне находится максимум частотного спектра флуктуации прозрачности атмосферы при осадках5, что указывает на общий механизм, приводящий к флуктуациям Е и прозрачности атмосферы.

3. Аппроксимирующая функция усредненного спектра флуктуации электрического шума в диапазоне 0-1 Гц, убывает по степенному закону

предложенному в [4], но с показателем 8=0.5, при среднеквадратичном отклонении - 0.1.

4. Экспериментально подтверждено, что в контролируемых условиях камеры искусственных сред связь между электрическими и оптическим параметрами, в виде электрооптического соотношения

существует и устойчива с коэффициентом корреляции близким к 1. Определены границы применимости этого соотношения в естественных атмосферных дымках.

5. Исследована взаимосвязь электрических и метеорологических характеристик атмосферы г. Томска. На основании синхронизованных измерений построено аппроксимирующее выражение, связывающее напряженность электрического поля атмосферы с метеорологическими параметрами (давлением, влажностью, температурой).

6. В районе г. Томска, в слабо возмущенных и спокойных условиях для магнитного поля и при "хорошей погоде" для электрического поля, обнаружена согласованность изменений электрических и магнитных составляющих на уровне коэффициента корреляции 0.5 - 0.7. На достаточно длинных временных рядах, охватывающих двое и более суток, коэффициент корреляции снижается и становится ниже порогового уровня.

s Кабанов М.В., Пхалагов Ю. А., и др. "О флуюуациях прозрачности атмосферы при осадках"// Труды Всесоюзного совещания по рассеянию света в атмосфере. 1969г., Алма - Ата.

Практическая ценность

Практическая ценность работы заключается в том, что:

1. Проведенные экспериментальные исследования электрооптического соотношения в модельных средах и реальной атмосфере позволяют разработать методы оптической диагностики напряженности электрического поля с учетом метеорологических параметров.

2. Синхронные исследования электрических и магнитных характеристик в районе г. Томска позволили оценить уровень их взаимосвязи на средних широтах.

3. Построена модель вертикального профиля напряженности электрического поля в чистой атмосфере, с помощью которой можно описать большинство имеющихся в литературе экспериментальных фактов.

Аппробация работы. Материалы диссертации докладывались на Международном симпозиуме по мониторингу окружающей среды и проблемам солнечно-земной физики (Томск, 1996г.), Четвертом Международном Пущинском симпозиуме "Корреляции биологических и физико-химических процессов с космическими и гелио-геофизическими факторами" (Пущино-1996г.), III Межреспубликанском симпозиуме "Оптика атмосферы и океана" (Томск-1996), V Международном симпозиуме "Оптика атмосферы и океана" (Томск-1998), Международной школе молодых ученых и специалистов "Физика окружающей среды" (Томск-1998), Третьем Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (ШШРИМ-98), посвященной памяти С.Л. Соболева (Новосибирск-1998), III Региональном симпозиуме по Климато-экологическому мониторингу (Томск -1998), II Сибирском совещании по климато-экологическому мониторингу. (Томск - 1997), Международной конференции "Физика атмосферного аэрозоля" (Москва 1999).

Взаимоотношения с соавторами. Основные результаты диссертации, опубликованные в 30 работах, являются оригинальными и получены в результате совместной работы с соавторами. Исследования временных характеристик электрических параметров атмосферы, создание методик проведения экспериментов, модернизация программного обеспечения для автоматизированного комплекса "ELEFIELD", исследование сопряженности магнитных и электрических параметров атмосферы, исследование влияния направления и скорости ветра на характеристики электрического поля были проведены автором лично. Исследования электрооптического соотношения проводились в тесном сотрудничестве с Пхалаговым Ю.А. и Ужеговым В.Н. Построение аппроксимационной модели суточного тренда напряженности электрического поля и регрессионной модели связи напряженности электрического поля с основными метеорологическими параметрами проводилось совместно с доцентом Калайдой В.Т. Исследование пространственного распределения напряженности электрического поля проводилось совместно с Соковцом И.Г.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, 42 рисунков, б таблиц и списка литературы из 144 наименований. Общий объем - 155 страниц.

Во введении определена актуальность и цель работы, отмечена новизна полученных результатов, их научная и практическая значимость.

В первой главе дается описание локальных и глобальных характеристик атмосферного электричества, обсуждаются механизмы возникновения заряженных частиц в атмосфере, вопрос происхождения атмосферного электричества и механизмы поддержания постоянного электростатического поля в пределах атмосферы. Представлены модели атмосферного электричества, рассмотрены достоинства и недостатки каждой модели. Показано, что в свете последних исследований невозможно построение адекватной модели атмосферного электричества, без учета всех

механизмов, влияющих на его характеристики (учет динамики аэрозоля, флуктуаций магнитосферы и проч.)

Во второй главе рассматриваются методические аспекты исследования электрических и оптических характеристик атмосферы. Представлено описание работы автоматизированного комплекса для измерения напряженности электростатического поля, который состоит из струнного динамического датчика, датчика проводимости, АЦП и персонального компьютера. Принцип работы струнного динамического датчика заключается в использовании метода статических генераторов. Чувствительность датчика -0.1 В/м. Работа датчика проводимости основана на использовании метода рассеивающего тела. Сущность метода состоит в том, что измеряется потеря заряда изолированным телом, которая в свою очередь зависит от проводимости окружающей среды. Измеряя изменение потенциала изолированного тела, можно определить величину проводимости с точностью до десятых долей См/и. Нефелометрическая установка позволяет измерять коэффициент рассеяния излучения для сред с прозрачностью до 0.1 км"1 под двумя углами (45 и 90 градусов), в трех интервалах длин волн видимой области спектра. Работа многоволнового измерителя спектральной прозрачности основана на использовании базового метода измерения спектральной прозрачности на протяженной трассе 700 м. Дано теоретическое обоснование используемых в автоматизированном комплексе методов измерения. Описана камера искусственных сред и методики проведеных в ней экспериментов.

В третьей главе проводится анализ годовой и суточной динамики изменения напряженности электрического поля в г.Томске. Данные о годовом распределении напряженности электрического поля хорошо согласуются с данными других авторов, полученными в различных районах северного полушария, и подтверждают их планетарное происхождение. Наибольшая напряженность наблюдается в зимние месяцы, а наименьшая - в

летнее время. Однако, в некоторых случаях, (например в 1997г.) явно прослеживается уменьшение значений напряженности электрического поля от января к марту, в то время как по другим данным в этот же период на этих широтах наблюдается рост напряженности электрического поля. Наши измерения в другие годы также указывают на рост значений напряженности электрического поля для этих месяцев. Анализ зависимости напряженности электрического поля от температуры, давления, влажности и микрофизических параметров показал, что наибольшее влияние на нее оказывает температура. Отмеченную особенность хода напряженности электрического поля в 1997 г. можно объяснить тем, что в период с 10.01.97. по 15.03.97., в регионе были оттепели, которые привели к повышению среднемесячной температуры, понижению давления, изменению свойств подстилающей поверхности, и как следствие к уменьшению напряженности электрического поля.

Представлен суточный ход напряженности электрического поля атмосферы, усредненный за летний и зимний периоды. Проведено сравнение с усредненным суточным ходом градиента потенциала для г. Иркутска, полученным в летние месяцы. Суточные вариации напряженности электрического поля имеют региональные особенности (смещение минимумов и максимумов на 2-4 часа). В то же время, совпадение динамики напряженности электрического поля в этих регионах отмечается во всех случаях, что указывает на общие физические процессы, происходящие в приземной атмосфере.

Флуктуации напряженности электрического поля являются результатом совокупных процессов, связанных с флуктуациями параметров магнитного поля, с поляризацией в подстилающей поверхности наведенной облаками, с изменениями прозрачности атмосферы и ионной концентрации приземного слоя воздуха (вследствие воздействия естественных и антропогенных процессов). Как следствие, спектральное представление

флуктуаций напряженности электрического поля должно содержать характерные частоты того или иного процесса, либо представлять собой их суперпозицию. На рис. 1.а представлен усредненный спектр флуктуаций напряженности электрического поля для условий хорошей погоды. Основная спектральная плотность мощности спектра флуктуаций находится в диапазоне 0 - 10 Гц. При нарушении хорошей погоды, (например при дожде и выпадении снега) спектр трансформируется (см. рис. 1.6). Амплитуда сигнала увеличивается, а основная спектральная плотность мощности сосредотачивается в диапазоне 10-25 Гц. В этом же диапазоне находится максимум частотного спектра флуктуаций прозрачности атмосферы при осадках5. Поэтому можно предположить, что в том и другом случае причина флуктуаций одна и та же. Из наиболее вероятных общих причин, приводящих к флуктуациям напряженности электрического поля и оптического поля, следует выделить хаотическое или направленное движение аэродисперсных частиц и флуктуации их числа в объеме.

Проведено сравнение мгновенных и усредненных спектров в диапазоне 0 -1 Гц с опубликованными в4 результатами. Для условий "хорошей погоды" полученный вид мгновенных спектров совпадает, с ранее опубликованными другми авторами. В то же время, константа аппроксимацион-ного закона усредненного спектра отлична от теоретически полученых, что можно объяснить

^'отн

1 О 0.8 0.6 0.4 0.2 О

1.0 0.8 0.6 0.4

0.2

О'

4 8 12 16 20 24 28 32 36 40

г.гц

Рис. 1.

наличием неучтенных в модели механизмов возмущения напряженности электрического поля. Представлена методика спектральной обработки результатов измерений напряженности электрического поля, а также результаты моделирования суточного тренда напряженность электрического поля (алгоритмы и сравнение аппроксимаций с реальными трендами). Далее рассматривается пространственная структура напряженности электрического поля. Получено выражение для вертикального профиля напряженности электрического поля (использовалось классическое представление физики плазмы для слабоионизированного газа), в приближении того, что объемные заряды незначительно влияют на формирование электрического поля атмосферы, то есть между Землей и элекгросферой изначально существует разность потенциалов. Полученное алгебраическое уравнение хорошо описывает известные экспериментальные данные. Рассмотрены вопросы, относящиеся к исследованию различных механизмов, влияющих на характеристики электрического поля. Приведены результаты совместных синхронных измерений электрических и магнитных параметров в среднеширотной зоне. В большинстве случаев, на достаточно коротких временных рядах (сутки) и при благоприятных метеорологических условиях (отсутствие низких слоев облачности, стабильная метеорологическая обстановка, отсутствие осадков) отмечено, что коэффициент корреляции находится выше порогового уровня. Исследована зависимость напряженности электрического поля от направления и средней скорости ветра (скорость ионизации и динамика распределения объемных зарядов непосредственно связана со скорость ветра). Наибольшее значение энергии флуктуации напряженности электрического поля Э(Е£) наблюдается, когда воздушные потоки направлены со стороны источников загрязнения. На основании серии синхронных измерений напряженности электрического поля и основных метеорологических параметров построено аппроксимирующее выражение связи напряженности электрического поля с

давлением, влажностью, температурой. Погрешность модели оценивалась как квадрат разности между экспериментальными значениями напряженности электрического поля и рассчитанными по модели, нормированный на количество измерений, то есть остаточная дисперсия. С целью повышения точности определения Е, зависимость от температуры, влажности и давления была выбрана в виде нелинейной (полиномиальной) регрессии. При таком представлении остаточная дисперсия стандартного отклонения составила 8%, при доверительной вероятности 0.67.

Четвертая глава посвящена исследованию электрооптического соотношения, связывающего электрические и оптические параметры атмосферы (метеорологическую дальность видимости или коэффициент аэрозольного ослабления и напряженность электрического поля). Обсуждены физические причины, приводящие к существованию электрооптического соотношения. Представлены результаты исследования электрооптического соотношения в контролируемых условиях (в камере искусственных сред). Приводятся объяснения происходящих в камере процессов. Результаты исследований подтверждают (см.рис.2), что связь между коэффициентом ослабления и напряженность электрического поля существует и устойчива по крайней мере до значений Е - 500 В/м и а - 0.4 км'1.

аДгт, 1

0.14

300

500 Е,Ч1ш

80 100 120 140 160 180 200 220 ЕУЛп

Рис.2

Рис.3

Теоретически электрооптическое соотношение было получено в предположении об изменении только концентрации аэрозольных частиц. В реальных условиях вещественный состав и функция распределения частиц по размерам в зависимости от метеорологической и электрической обстановки существенно изменяются. Поэтому возникает задача оценки границ применимости и установления сопряженности между прозрачностью среды и напряженностью электрического поля в натурных условиях. На рис. 3 приведена зависимость коэффициента аэрозольного ослабления среды от напряженности электрического поля для осенних дымок. Коэффициент ослабления в этом случае измерялся с помощью нефелометра. Диапазон изменения коэффициента корреляции между коэффициентами рассеяния и напряженностью электрического поля при усреднении только по времени (поскольку измерения проводились в одной точке), составляет 0.27 - 0.7.

Известно, что в нефелометрическом методе не полностью учитываются грубодисперсная фракция аэрозоля и тем более флуктуации ее концентрации и распределения по размерам. Поэтому необходимо использование методики, в которой предусмотрено усреднение оптических характеристик по большому объему, что обеспечивается применением базового метода при определении спектральной прозрачности. С помощью измерителя спектральной прозрачности в осенних дымках был получен массив оптических данных, синхронизированный с измерениями электрических и метеорологических параметров. Рассчитанные коэффициенты корреляции показали, что наблюдается значимая положительная корреляция напряженности электрического поля не только с прозрачностью на длинне волны Я.=0.56мкм (при пороговом уровне коэффициента корреляции 0.27). При этом, изменения Е и а(0.56) хорошо согласуются с изменениями относительной влажностью воздуха (ЯН). Сопряженность этих трех параметров проявляется и в их суточном ходе, что видно из рис.4.

В континентальных дымках субмикронный аэрозоль по сравнению с грубодисперсным является более гигроскопичным, поэтому сток легких ионов в основном должен идти на субмикронный аэрозоль. Для проверки этого утверждения анализируется взаимная динамика изменения коэффициентов а(Х) на разных длинах волн и напряженности поля Е в дымках разной плотности. Из экспериментальных данных следует, что увеличение замутнения воздуха, которое происходит с ростом относительной

Рис.4

0.5 1 2 4» 1» 121, им

Рис.5

влажности воздуха, приводит к возрастанию средней напряженности электрического поля.

Наиболее значительные изменения коэффициентов а(Х) происходят в диапазоне длин волн 0.44 - 2.0 мкм (см. рис.5), где основной вклад в аэрозольное ослабление вносят частицы субмикронной фракции, а в области 8-12 мкм, где главный вклад дает грубо дисперсный аэрозоль, они существенно меньше. Сопоставление значений коэффициентов о.(Х) на разных длинах волн и напряженности поля в дымках разной плотности также подтверждает предположение о преобладающей роли субмикронных частиц в процессе стока легких ионов на атмосферный аэрозоль.

В настоящее время известно, что вещественный состав приземного аэрозоля и распределение его частиц по размерам изменяется от сезона к

сезону. Следовательно, эти изменения должны отразиться на связи электрических и оптических процессов. Для выявления зависимости выполнимости электрооптического соотношения от вышеуказанных параметров в работе было проведено исследование сопряженности электрических и оптических характеристик в летних дымках. Коэффициент корреляции между напряженностью электрического поля и коэффициентом аэрозольного ослабления для общего массива оказался ниже уровня значимости. Проведенный анализ указывает на то, что даже для выделенной субмикронной фракции коэффициенты корреляции малы. Причиной этого является увеличение доли грубодисперсной фракции аэрозоля, появившееся вследствие сильного прогрева почвы и роста турбулентного выноса почвенного грубодисперсного аэрозоля.

Исследования электрооптического соотношения в прибрежных дымках показали, что электрические и оптические процессы в этих условиях связаны с коэффициентом корреляции 0.45.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы по диссертационной работе в целом.

а) электрооптическое соотношение достоверно выполняется лишь в монодисперсных аэрозольных средах камеры искусственных сред;

б) вследствие сложного и достаточно сильного влияния метеорологических, геофизических и антропогенных процессов электрооптическое соотношение выполняется в естественной атмосфере на уровне корреляционных связей;

в) коэффициенты аэрозольного ослабления а(к) имеют значимую положительную корреляцию с напряженностью электрического поля в области спектра 1=0.44 - 2 мкм;

г) полученные данные подтверждает гипотезу о существенном влиянии мелких частиц на напряженность атмосферного электрического поля.

2. Натурные эксперименты позволили выявить годовую и суточную динамику напряженности электрического поля и построить аппроксимационную модель суточного тренда НЭП, имеющую 3 - 5%-ное среднеквадратичное отклонение от экспериментальных данных;

3. Исследования спектров флуктуаций напряженности электрического поля в диапазоне 0 - 40 Гц позволили выявить расположение основной мощности спектров флуктуаций НЭП в условиях "хорошей погоды" и при метеорологических возмущениях

4. Основываясь на классических представлениях физики ионизованной плазмы получено аналитическое выражение зависимости Е(г) до высот 30 км.

5. Исследования сопряженности электрических и магнитных характеристик атмосферы показали, что на средних широтах напряженность электрического поля и Н - компонента магнитного поля, при спокойных геофизических условиях, связаны с коэффициентом корреляции 0.5 - 0.7.

6. На основании проведенного анализа синхронных измерений напряженности электрического поля, влажности, давления и температуры построено аппроксимирующая регрессия, позволяющая восстанавливать значения НЭП из метеоданных с погрешностью 3 - 5%, при доверительной вероятности 0.67.

Список цитируемой литературы приведен в конце работы.

Список основных работ автора 1. Донченко В.А., Кабанов М.В., Кулаков Ю.И., Калайда В.Т., Овчаренко Е.В., Соковец И.Г. Мониторинг электромагнитных полей.П. Флуктуации па-

раметров атмосферного электричества И Известия ВУЗов. Физика 1998, № 5. С. 88-98.

2. Пхалагов Ю.А., Донченко В.А., Овчареико Е.В., и др. Исследование корреляционных связей аэрозольного ослабления оптического излучения с напряженностью атмосферного электрического поля // Оптика атмосферы и океана, 1999, №2, С.122 - 132.

3. Донченко В.А., Кулаков Ю.И., Овчареико Е.В., Соковец И.Г. Измерительный комплекс параметров атмосферного электричества // Депани-рована в журнале Известия Вузов.Физика. Рег.номер 2880-JI98, 30.09.98.

4 Описание лабораторной работы "Автоматизированный комплекс для измерений характеристик атмосферного электростатического поля земли". Составители: Донченко В.А., Овчаренко Е.В. Томск-1998

5. Conference Proceedings 1998 Int.Conf. on MMET, Donchenko V.A., Kalaida V.T., Ovcharenko E.V. Calculation of atmospheric electricity day trend// Kharkov-1998.P. 292-294.

6. Донченко B.A., Овчаренко E.B., и др. Исследование корреляционых связей аэрозольного ослабления с напряженностью электростатического поля и метеопараметрами атмосферы в районе г.Томска. V Международный симпозиум "Оптика атмосферы и океана" Томск-1998.

7. Донченко В.А., Кулаков Ю.И., Овчаренко С.¿¡.Взаимосвязь элект-рических и оптических характеристик в дымах // Известия ВУЗов, Физика. 1999, № 4, С. 72-73

8. Донченко В.А., Колесник А.Г., Колесник С.А., Овчаренко Е.В., и др. К вопросу о сопряженности вариаций статических электрических и магнитных полей в антропогенных условиях Изв.Вузов. Физика №11 1999, С.90-93.

9. Соковец И.Г., Донченко В.А., Овчаренко Е.В. Вертикальный профиль напряженности электрического поля чистой атмосферы Деп.Изв.Вуз. Физика Рег.ном. 3182-В99 от 27.10.99.

10. Ovcharenko E.V., Donchenko V.A. etc "Electro-optical relationship in aerosol atmosphere. SPIE V.3940 P.36-42

11. Овчаренко E.B. Сопряженность электрических и метеороло-гических характеристик атмосферы Тез. докл. Школа.- семинар молодых ученых и специалистов СФТИ-2000.С 12-15.

13. Донченко В.А.,. Овчаренко Е.В. Физико-математические модели электрического поля земной атмосферы Ред. журнала Изв. вузов. Физика, 1998, Деп. в ВИНИТИ 30.09.98 № 2880 - В98

Размножено 100 экз. Копировальный центр «Южный», г.Томск, ул. 19-й Гвардейской дивизии, 75 тел. 41-34-47

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Овчаренко, Евгений Викторович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО В АТМОСФЕРЕ.

1.1. Возникновение электрического поля в атмосфере и основные закономерности его временной изменчивости

1.2. Временные изменения электрического поля.

1.3. Модельное представление электрических процессов в атмосфере.

ГЛАВА 2. АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ.

2.1. Автоматизированный комплекс для измерения характеристик атмосферного электричества.

2.1.1. Основные составляющие мониторинга атмосферного электричества.".

2.1.2 Аппаратура и методика измерения проводимости воздуха

2.1.3. Аппаратура и методика измерения напряженности электрического поля.

2.1.4. Методика учета искажений поля.

2.2. Аппаратурный комплекс и методика измерений электрических и оптических параметров в камере искусственных сред.

ГЛАВА 3. ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА

СТАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

3.1. Временная структура электростатического поля приземной атмосферы.

Региональные особенности годовой и суточной динамики изменения напряженности электрического поля

Методика спектральной обработки данных.

Выделение и моделирование суточного хода НЭП.

Исследование пространственной структуры электрического поля.

Основные причины изменчивости электрических характеристик атмосферы.

Сопряженность вариаций статических электрических и магнитных полей в антропогенных условиях.

Зависимость напряженности электрического поля от направления и средней скорости ветра.

Регрессионная модель взаимосвязи напряженности электрического поля и основных метеорологических характеристик.

ЭЛЕКТРО-ОПТИЧЕСКИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ

В АЭРОЗОЛЬНОЙ АТМОСФЕРЕ.

Связь коэффициента ослабления оптического излучения и напряженности электрического поля.

Особенности экспериментального исследования электрооптического соотношения

Экспериментальные исследования электрооптического соотношения в контролируемых условиях.

Экспериментальные исследования электрооптического соотношения в естественных условиях.

Фотоэлектрический нефелометр (принципы работы).

4.4.2. Зависимость коэффициента ослабления среды от напряженности электрического поля.

4.4.3. Измеритель спектральной прозрачности, (принципы работы).

4.4.4. Исследование корреляционных связей аэрозольного ослабления оптического излучения с напряженностью атмосферного электрического поля

Введение диссертация по физике, на тему "Сопряженность электрических и оптических характеристик в аэрозольной атмосфере"

Атмосфера Земли - сложная система с многоуровневой структурой процессов, протекающих в ней. К таким процессам относятся метеорологические, оптические, электрические, магнитные и др., которым уделяется большое внимание на протяжении уже многих лет. Здесь определены основные характеристики, динамика их изменения на различных временных периодах и диапазоны изменчивости, построены математические модели, etc. Исследования сопряженности процессов занимают особое место, так как на их основе должны появиться новые методы диагностики атмосферы и прогноза различных атмосферных явлений. К числу этих исследований можно отнести такие, в которых устанавливаются взаимосвязи оптических и электрических характеристик при различных метеорологических условиях [28]. При этом следует отметить, что в атмосферном электричестве в настоящее время существует наибольшее число спорных вопросов в основополагающих посылках.

Закономерности изменения характеристик атмосферного электричества описаны в монографиях П.П. Тверского [90], X. Израэля [117], А. Чалмерса [102] и И.М. Имянитова [28]. Главным итогом этих работ являются гипотезы о природе электрического поля атмосферы, о механизмах работы глобальной атмосферно-электрической токовой цепи, данные об унитарных (суточном и годовом) вариациях напряженности электрического поля (НЭП) и причинах флуктуаций НЭП. Основные виды суточных вариаций электрического поля изучены в работе [29]. Среднегодовая величина напряженности электрического поля у поверхности Земли колеблется от десятков до нескольких сотен В/м. Электрическое поле атмосферы существенно зависит от широты: градиент потенциала электрического поля имеб ет минимальную величину на экваторе и монотонно увеличивается в сторону полюсов. Автором [39] исследованы спектры мощности непериодических колебаний напряженности электрического поля и выявлены 2 - 5-дневные, б - 9-дневные циклы повторяемости НЭП. Эти циклы совпадают с естественно-синоптическими периодами, связанными со временем смены погодных условий. Комплексные исследования спектральных характеристик электрического шума приземной атмосферы в диапазоне 2 • Ю-3 -г 1Гц проведены авторами [3]. Ими исследованы спектры флуктуаций напряженности электрического поля д5£(/) и плотности вертикального тока Sj(f) и предложено описание огибающих и 5/(/) в виде степенной функции с показателями 5/3 и 2/3 соответственно.

Вопросу о влиянии метеорологических характеристик на проводимость воздуха и напряженность электрического поля посвящено много работ [134, 75, 54]. Однако, они носят в основном описательный характер. Систематизацию экспериментальных данных, касающихся влияния метеорологических процессов на электрическое поле атмосферы, провел Филиппов А.Х. [97]. Он составил таблицу основных закономерностей связей метеорологических и электрических параметров. При этом он выделил наиболее вероятные физические процессы, влияющие на электрическое поле (при различных метеорологических условиях).

Атмосферное электричество является составляющей фона, на котором развиваются метеорологические процессы. Многими исследованиями показано, что характеристики атмосферного электричества подвержены сильным флуктуациям при развитии различных метеорологических процессов. Однако, воздействие атмосферного электричества на метеорологические процессы изучено недостаточно, хотя авторы [26] утверждают.,, что оно может повлиять на процессы 7 образования аэрозольных частиц и в целом на осадкообразование. Для уточнения вопроса связности электрических и метеорологических характеристик необходимо получение функциональной или корреляционной зависимости. Говоря о метеорологических и геофизических процессах, необходимо отметить, что в настоящее время проведена их классификация с привязкой к регионам, в которых существует их однородность. В различных регионах значения основных параметров, характеризующих атмосферу, могут отличаться в несколько раз вследствие существенного влияния подстилающей поверхности на электрические характеристики атмосферы. Поэтому необходимо выявление региональных особенностей поведения электрических характеристик.

Изучение взаимного влияния электрических и оптических параметров является одним из перспективных направлений в комплексном климато-экологическом мониторинге атмосферы вследствие того, что оптические методы обладают преимуществом скорости получения информации об удаленном объекте, а электрические параметры являются очень чувствительными к возмущениям. Одним из факторов изменчивости электрических параметров атмосферы является аэрозоль. Приземная атмосфера содержит в среднем 102 — 103см~3 аэрозольных частиц, большинство из которых заряжено. Под действием электрического поля аэрозольные частицы могут коагулировать, приобретать или терять заряды и т.д., тем самым менять оптические свойства атмосферы. Эффекты, протекающие при изменении оптических свойств среды, находящейся под воздействием электрического поля, называются электрооптическими. К числу известных линейных электрооптических явлений относятся, например, двойное лучепреломление, дихроизм. Кроме того, если частицы имеют неправильную форму, то при наличии электрического поля 8 они могут приобрести ориентацию, изменяя тем самым рассеивающие свойства среды. Сущность такого эффекта состоит в том, что при наложении или снятии электрического поля за счет постоянного или индуцированного дипольного момента изменяется ориентация несферических частиц. Если на среду будет воздействовать импульсное электрическое поле, то за счет диффузии ориентации после снятия поля коэффициент направленного рассеяния изменится от К(¿) до К(оо), и для электрооптического коэффициента можно записать соотношение [37, 87]: аопт(£) = аопт(0) • е~ьв\ (1) где аопт(0) - значение аопт в момент снятия поля, И - коэффициент вращательной диффузии.

Применительно к атмосферному аэрозолю появляются качественно новые возможности использования этого электрооптического эффекта [37], а именно:

1) определение коэффициента вращательной диффузии, непосредственно связанного с формой и размерами несферических частиц;

2) определение спектра распределения частиц по коэффициентам вращательной диффузии, то есть по размерам и форме;

3) изучение процессов трансформации размеров частиц при изменении температуры, влажности и других физических или химических параметров воздуха.

Другой электрооптический эффект связан с воздействием внешнего электрического поля на изометрические анизотропные частицы и проявляется при измерениях степени поляризации рассеянного оптического излучения. Будем считать, что тензор поляризуемости частицы в переменном электрическом поле на оптической частоте /Зц подчиняется условиям (Зц = 022 — /3ь/3зз = которые соответ9 ствуют случаю одноосных частиц

Для перпендикулярно поляризованной компоненты электрического вектора монохроматической волны, рассеянной в направлении 180° можно записать [19]:

Е± = аЙ " Al) sin2 0 cos2 <рЕоеЪк~2К*г\ (2) где I - расстояние от рассеивающей частицы до точки наблюдения, К\ - волновое число, Э - угол между направлением вектора напряженности постоянного поля и оптической осью частицы, <р - азимутальный угол положения частицы. Данный эффект позволяет определить напряженность электрического поля по деполяризации оптического излучения.

Анизотропия и трансформация аэродисперсных сред в электрическом поле изучена в работах [11, 13]. Изменение оптических характеристик аэродисперсных сред и влияние их на параметры распространения излучения описаны в [20].

В условиях атмосферных дымок важным является изменчивость напряженности атмосферного электрического поля (Е) за счет изменения концентрации ионизированных молекул воздуха вследствие их стока на атмосферный аэрозоль. На ионизацию молекул воздуха в основном влияют естественная радиоактивность и космическое излучение. Уменьшение концентрации легких ионов при их стоке на частицы аэрозоля приводит к уменьшению электрической проводимости воздуха Л и, соответственно, к росту напряженности электрического поля.

В фундаментальной обзорной работе И.М. Имянитова и К.С. Ши-фрина, посвященной проблемам атмосферного электричества [28], впервые было высказано предположение о существовании детерминированной связи между напряженностью атмосферного электриче

10 ского поля и метеорологической дальностью видимости (5т) в виде электрооптического соотношения. Выражение Е — С5"1, связывающее электрические Е и оптические 5т характеристики атмосферы, получено в предположении, что вариации 5ТО обусловлены только изменением концентрации частиц. На самом же деле указанные параметры зависят не только от числа частиц, но и от их размеров и вещественного состава, которые в зависимости от метеорологических условий могут значительно изменяться. Поэтому необходимо выяснить, как же в действительности в условиях реальной атмосферы (например для дымок) связаны между собой эти параметры, и какова роль частиц разных размеров в механизме стока легких ионов на аэрозоль. Для решения этих вопросов необходимо проведение специальных исследований статистических связей между вариациями напряженности атмосферного электрического поля и коэффициентами аэрозольного ослабления в широком диапазоне длин волн в различных погодных условиях.

На электрические и оптические свойства атмосферы влияет множество факторов. Потоки солнечного излучения, доходя до верхней атмосферы, изменяют конфигурацию и энергетическую структуру магнитосферы. С помощью электромагнитного механизма эти изменения передаются в нижние слои атмосферы, что, в свою очередь, трансформирует электрические характеристики [124]. Часть потока проникает в среднюю и нижнюю части атмосферы, ионизируя воздух и тем самым изменяя проводимость среды. Существует совокупность экспериментальных данных, подтверждающих факт влияния приземного электричества на магнитосферу. Резкие изменения электрических характеристик приземного слоя вследствие природных катаклизмов [7, 124](землетрясения и проч.) или сильных антропогенных влияний [36] находят отражение в изменениях характеристик

11 ионосферы и магнитосферы. В передаче возмущений в пространстве Земля - магнитосфера должен участвовать и атмосферный аэрозоль, который является причиной изменений оптических характеристик и характеристик атмосферного электричества. Атмосферный аэрозоль является носителем объемного заряда природного и антропогенного происхождения. Кроме того, частицы аэрозоля являются центрами интенсивного стока зарядов, что, в свою очередь, изменяет динамику флуктуаций электрических характеристик.

Оптические и электрические свойства атмосферы формируются во многом одинаковыми факторами: составом и концентрацией аэрозолей, облачными образованиями, испарением воды с поверхности Земли и т.д. Нахождение функциональных или корреляционных связей между оптическими и электрическими параметрами атмосферы приведет к пониманию взаимосвязи соответствующих разделов физики атмосферы, что послужит основой для решения ряда прикладных задач. К числу наиболее важных относятся следующие: разделение зарядов под воздействием тех или иных факторов (природных или антропогенных) изменяет поле, если существуют корреляционные связи между вариациями электрического поля и каким - либо оптическим параметром атмосферы (например, прозрачностью), то по изменениям поля можно судить об изменениях оптического состояния приземного слоя. Восстановление значений атмосферного электричества из оптических параметров является весьма актуальной задачей. Оптические методы позволяют существенно расширить пространственную картину и увеличить скорость получения информации. В свою очередь, электрические характеристики очень чувствительны к возмущениям любого рода и явно зависят от скорости ионизации, что позволяет судить об уровне возмущенности приземного слоя атмосферы.

Неотъемлемой частью исследований атмосферы, как среды обитания человека, является изучение влияния оказываемого на человеческий организм. В результате индустриальной деятельности изменяются свойства подстилающей поверхности, быстрыми темпами наращивается строительство энергетических и и энергоемких установок, осваиваются новые диапазоны частот радиовещания и проч. Вследствие этой деятельности электромагнитный фон резко меняется, особенно в последние годы. Мнения относительно влияния этих изменений на биосферу разноречивы. Одни авторы [77] предупреждают о катастрофических последствиях столь резкого (на 2-5 порядков) изменения фона, другие [34] - относят влияние электрических и магнитных полей Земли на человека к разряду слабых. Тем не менее, авторы многочисленных статей признают существование этой проблемы. Об ее значимости свидетельствует большое количество работ. За последние десятилетия тематике воздействия электромагнитного фона на человека посвящено несколько тысяч публикаций. Необходимо отметить также, что число публикаций в области изучения воздействия магнитного поля превосходит в 2 раза количество публикаций в области исследования воздействия электрического поля. Доля же публикаций о воздействии переменных полей с частотами 1-1000 Гц колеблется от 3 до 9 процентов от общей массы. В то же время, признанным фактом считается существование в диапазоне частот 0 - 50 Гц резонансных частот человеческого организма [76], однако, этот диапазон в исследованиях флуктуаций электрического поля почти не исследовался (за исключением [129]). Все сказанное позволяет сделать вывод об актуальности исследований влияния электрических полей и их флуктуаций на живые объекты (в том числе и на человека). Эти исследования затруднены сложностью сопоставления ответных реакций организма на то или иное воздействие

13 и невысоким уровнем развития комплексного подхода к изучению пограничных задач.

Таким образом, исследования сопряженности электрических, оптических и метеорологических параметров является источником новых задач и обуславливают актуальность данной диссертационной работы.

Цель диссертационной работы заключалась в уточнении существующих представлений о взаимосвязях между оптическими и электрическими характеристиками атмосферы, степени влияния геофизических и метеорологических процессов на параметры атмосферного электричества, а также выявление общих механизмов изменчивости электрических и оптических процессов в аэрозольной атмосфере.

Основные задачи исследований состояли в следующем:

Методы исследований.

Для достижения поставленной цели:

14 проводимости атмосферы;

- для определения параметра Ми и его изменений, при исследованиях взаимосвязи электрических и оптических характеристик в контролируемых условиях камеры искусственных сред применялась методика, в которой использовалось рассеянное со стороны излучение от точечного источника;

- при построении модели взаимосвязи напряженности электрического поля и метеорологических параметров в качестве параметров модели выбирались не сами абсолютные значения температуры, влажности и давления, а их стандартные отклонения.

На защиту выносятся следующие положения:

2. В процессе стока легких ионов на атмосферный аэрозоль субмикронная фракция играет преобладающую роль.

3. Аппроксимирующее выражение, связывающее напряженность электрического поля с давлением, влажностью и температурой, построенное в виде трехмерного полинома второго порядка, позволяет восстанавливать значения напряженности электрического поля с погрешностью 8-10

4. Теоретические и экспериментальные исследования электро-опти-ческого соотношения в модельных и натурных условиях показали: а) в контролируемых условиях для мелкодисперсной среды (древесные дымы) детерминированная связь между напряженностью

15 электрического поля и метеорологической дальностью видимости устойчива (с коэффициентом корреляции близким к 1); б) в реальных атмосферных дымках в диапазоне изменения а(0.56) 0.1 - 0.2 км-1 коэффициент корреляции между вариациями аэрозольного ослабления и напряженности электрического поля изменяется в пределах 0.3 - 0.47. в) в плотных дымках (при се(0.56) большем 0.2) с повышением относительной влажности воздуха до 80% максимальное значение коэффициента корреляции между напряженностью электрического поля и коэффициентом аэрозольного ослабления составляет 0.5.

1. Анализ взаимной динамики изменения коэффициентов а(Х) на разных длинах волн и напряженности электрического поля Е в дымках разной плотности подтвердил, что предположение, выдвинутое другими авторами [103], о преобладающей роли субмикронной фракции в стоке легких ионов верно.

2. Усредненный годовой ход напряженности электрического поля совпадает с данными других авторов [42], приведенных для различных регионов северного полушария.

3. Динамика суточной вариации совпадает с данными [104], приведенными для пунктов наблюдения на близких широтах, совпадает с опубликованными эксперементальными данными.

4. Функция, описывающая спектральное распределение флукту-аций напряженности электрического поля в диапазоне 0-1 Гц

16 = где в = 0.5 при среднеквадратичном отклонении - 0.1, совпадает с опубликованными экспериментальными данными [3]. Разброс значений я объясняются геофизическими различиями в пунктах наблюдений и отличием условий "хорошей погоды" в этих пунктах.

5. Совпадение радиуса автокорреляции для всех параметров, включенных в модель (температура, влажность и давление) - позволяет, в рамках линейной меры близости, восстанавливать значения напряженности из метеорологических измерений с остаточной дисперсией 8% при доверительной вероятности 0.67.

Научная новизна данной работы состоит в том, что в диссертации поставлена задача комплексного исследования сопряженности электрических, оптических и метеорологических параметров, сформулированы пути решения, разработаны методы исследования и намечены перспективы использования результатов. Впервые проведены целенаправленные исследования электрооптического .соотношения в контролируемых и натурньгк условиях, результаты которых позволили определить границы его применимости.

Научная ценность

В работе получены следующие новые результаты:

1. На основании трехлетнего цикла измерений характеристик электрического поля в международные геофизические дни выявлена годовая динамика поведения напряженности электрического поля для района г. Томска. Отмечена особенность поведения напряженности » электрического поля в 1997 г., заключающаяся в уменьшении значений напряженность электрического поля от января к марту, в то время как по другим данным в этот же период на этих широтах наблюдается рост напряженности электрического поля.

2. Исследована спектральная структура флуктуаций напряжен

17 ности электрического поля в диапазоне частот 0-40 Гц. Основная спектральная плотность мощности спектра находится в диапазоне 0-10 Гц, так же как и у процессов, ответственных за флуктуации напряженности электрического поля в условиях хорошей погоды (изменения ионной концентрации и флуктуации параметров магнитного поля). Вследствие нарушения условий хорошей погоды, при дожде и выпадении снега, спектр флуктуаций трансформируется. Амплитуды сигнала увеличиваются, и основная мощность перераспределяется в диапазоне 10 - 25 Гц. В этом же диапазоне находится максимум частотного спектра флуктуаций прозрачности атмосферы при осадках, что указывает на общий механизм, приводящий к флуктуациям Е и прозрачности атмосферы.

3. Аппроксимирующая функция усредненного спектра флуктуаций электрического шума в диапазоне 0 - 1 Гц убывает по степенному закону 5(/) = f~s, предложенному в [3], но с показателем в = 0.5, при среднеквадратичном отклонении - 0.1.

4. Экспериментально подтверждено, что в контролируемых условиях камеры искусственных сред связь между электрическими и оптическим параметрами в виде электрооптического соотношения (.Е = СЗ^1) существует и устойчива с коэффициентом корреляции близким к 1. Определены границы применимости этого соотношения в естественных атмосферных дымках.

5. Исследована взаимосвязь электрических и метеорологических характеристик атмосферы г. Томска.

6. На основании синхронизованных измерений построено аппроксимирующее выражение, связывающее напряженность электрического поля атмосферы с метеорологическими параметрами (давлением, влажностью, температурой).

7. В районе г. Томска, в слабо возмущенных и спокойных уело

18 виях для магнитного поля и при "хорошей погоде" для электрического поля, обнаружена согласованность изменений электрических и магнитных составляющих на уровне коэффициента корреляции 0.5 -0.67. На достаточно длинных временных рядах, охватывающих двое и более суток, коэффициент корреляции снижается и становится незначимым.

Практическая ценность

Практическая ценность работы заключается в том, что:

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Международном симпозиуме по мониторингу окружающей среды и проблемам солнечно-земной физики (Томск, 1996г.), Четвертом Международном Пущинском симпозиуме "Корреляции биологических и физико-химических процессов с космическими и гелио-геофизическим] факторами" (Пущино-1996г.), III Межреспубликанском симпозиуме "Оптика атмосферы и океана" (Томск-1996), V Международном симпозиуме "Оптика атмосферы и океана" (Томск-1998), Международной школе молодых ученых и специалистов "Физика окружающей среды" (Томск-1998), Третьем Сибирском конгрессе по прикладной

19 и индустриальной математике (ИНПРИМ-98), посвященной памяти С.Л. Соболева (Новосибирск-1998), III Региональном симпозиуме по Климато-экологическому мониторингу (Томск -1998), II Сибирском совещании по климато-экологическому мониторингу. (Томск -1997), Международной конференции "Физика атмосферного аэрозоля" (Москва 1999).

Взаимоотношения с соавторами. Основные результаты диссертации, опубликованные в 30 работах, являются оригинальными и получены в результате совместной работы с соавторами. Исследования временных характеристик электрических параметров атмосферы, создание методик проведения экспериментов, модернизация программного обеспечения для автоматизированного комплекса "ЕЬЕ-ИЕЫЭ", исследование сопряженности магнитных и электрических параметров атмосферы, исследование влияния направления и скорости ветра на характеристики электрического поля были проведены автором лично. Исследования электрооптического соотношения проводились в тесном сотрудничестве с Пхалаговым Ю.А. и Ужеговым В.Н. Построение аппроксимационной модели сз'точного тренда напряженности электрического поля и регрессионной модели связи напряженности электрического поля с основными метеорологическими • параметрами проводилось совместно с доцентом Калайдой В.Т. Исследование пространственного распределения напряженности электрического поля проводилось совместно с Соковцом И.Г.

Структура работы .Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, 38 рисунков, б таблиц и списка литературы из 145 наименований. Общий объем - 155 страниц.

Заключение диссертации по теме "Оптика"

Основные результаты и выводы по диссертационной работе в целом можно сформулировать в следующем виде:

1. Экспериментально подтверждена выполнимость электрооптического соотношения, связывающего электрические и оптические характеристики приземного слоя атмосферы в контролируемой (в камере искусственных сред) и естественной атмосфере. Проведенный комплекс синхронных измерений позволил заключить: а) электрооптическое соотношение достоверно выполняется лишь в монодисперсных аэрозольных средах камеры искусственных сред; б) вследствие сложного и достаточно сильного влияния метеорологических, геофизических и антропогенных процессов электрооптическое соотношение выполняется в естественной атмосфере на уровне корреляционных связей; в) коэффициенты аэрозольного ослабления о;(Л) имеют значимую положительную корреляцию с напряженностью электрического поля в области спектра Л = 0.44 — 2 мкм; г) полученные данные подтверждают гипотезу о существенном влиянии мелких частиц на напряженность атмосферного электрического поля.

2. Натурные эксперименты позволили "выявить годовую и суточную динамику напряженности электрического поля и построить ап-проксимационную модель суточного тренда НЭП, имеющую 3 - 5%-ное среднеквадратичное отклонение от экспериментальных данных.

3. Исследования спектров флуктуаций напряженности электрического поля в диапазоне 0 - 40 Гц позволили выявить расположение основной мощности спектров флуктуаций НЭП в условиях " хорошей погоды" и при метеорологических возмущениях.

146

4. Основываясь на классических представлениях физики ионизованной плазмы, получено аналитическое выражение зависимости Е(г) до высот 30 км;

5. Исследования сопряженности электрических и магнитных характеристик атмосферы показали, что на средних широтах напряженность электрического поля и Н - компонента магнитного поля при спокойных геофизических условиях связаны с коэффициентом корреляции 0.5 - 0.7.

6. На основании проведенного анализа синхронных измерений напряженности электрического поля, влажности, давления и температуры построена аппроксимирующая регрессия, позволяющая восстанавливать значения НЭП из метеоданных с погрешностью 3 - 5%, при доверительной вероятности 0.67.

Автор благодарен коллективу кафедры оптико-электронных систем и дистанционного зондирования ТГУ, кафедры космической физики и экологии ТГУ, сотрудникам института "Оптики атмосферы и океана", сотрудникам института "Оптического мониторинга" за помощь в получении и обсуждении результатов, изложенных в диссертации, за полезные дискуссии и внимание, способствовавшие выполнению диссертационной работы.

147

Заключение