ВВЕДЕНИЕ 3
1 АТМОСФЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО 5
1.1 Ионы в атмосфере 5
1.1.1 Природа возникновения ионов 5
1.1.2 Характеристики ионизационного состояния атмосферы 7
1.2 Электрическое поле в атмосфере 10
1.2.1 Характеристики электрического поля 11
1.2.2 Изменчивость электрического поля 12
1.3 Механизмы электризации облаков 13
1.3.1 Механизмы микроэлектризации 13
1.3.1.1 Ионная электризация 13
1.3.1.2 Контактная электризация 14
1.3.1.3 Коагуляционная электризация 16
1.3.1.4. Индукционная электризация 17
1.3.2 Механизм макроэлектризации 17
1.4 Электричество конвективных облаков 18
1.4.1 Эволюция грозовых облаков 18
1.4.2 Электрические заряды в грозовых облаках 20
2 ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КУЧЕВОГО ОБЛАКА 24
2.1 Уравнения, описывающие гидродинамические и термические процессы в кучевом облаке 25
2.2 Уравнения, описывающие микрофизические процессы в кучевом облаке 28
2.2.1 Фазовые переходы влаги и коагуляция частиц 29
2.2.2 Процессы электризации 36
2.3 Численное решение системы уравнений 37
2.3.1 Численная схема, используемая для решения уравнений 37
2.3.2 Начальные и граничные условия 40
3 ЧИСЛЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ 42
3.1 Исследуемый случай и описание синоптической обстановки 42
3.2 Входные данные 44
3.3 Результаты численных экспериментов и их анализ 45
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 57
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 58
ПРИЛОЖЕНИЕ 60
Облака представляют собой сложную систему, от которой зависят очень многие процессы, протекающие как в атмосфере, так и на подстилающей поверхности. Подверженность облачности к естественным и антропогенным воздействиям приводят к изменению теплового и радиационного режима верхней геосферы, как следствие и к изменению климата Земли.
До сих пор неизвестны все процессы, оказывающие влияния на образование облаков, что ставит вопрос о необходимости их тщательного изучения [5,6]. Однако при натурных и лабораторных экспериментах изучать облака очень трудно из-за сложности их материального воспроизведения. С появлением необходимых вычислительных мощностей и с развитием численного моделирование, изучение облаков стало проще и доступнее, проводя эксперименты численным путем [4].
Впрочем, и сегодня не существует такой модели облака, которая полноценно описывала бы все физические процессы. Это говорит об актуальности моей работы, в рамках которой я разрабатывал гидродинамическую модель конвективного облака.
Целью работы является создание гидродинамической модели кучевого облака с воспроизведением электрической структурой.
В задачи работы входят:
1. Изучить научную литературу по облакообразованию, конвективной деятельности и атмосферному электричеству;
2. Изучить существующие модели кучевых облаков;
3. Разработать модель кучевого облака;
4. Провести численные эксперименты;
5. Провести анализ результатов.
Выпускная квалификационная работа состоит из введения, трёх глав и заключения.
В первой главе описываются основные понятия об атмосферном электричестве. Приведены механизмы, которые приводят к процессу электризации облаков. Рассмотрена эволюция грозовых облаков и формирование их электрической структуры.
Во второй главе представлено описание гидродинамической модели кучевого облака. Приведены уравнения, описывающие гидродинамические, термические и микрофизические процессы, а также численное решение этих уравнений.
В третьей главе описывается постановка задачи и представлены результаты численных экспериментов. Кроме того, приведены анализы полученных результатов.
Список использованных источников содержит 14 наименований.
Целью бакалаврской работы являлось создание гидродинамической модели кучевого облака с электрической структурой. В целях достижения поставленной цели в рамках данной работы были выполнены следующие задачи:
1. Изучена научная литература, касающиеся физики облаков,
моделированию облаков, атмосферного электричества;
2. Изучены существующие к данному моменты модели кучевого облака;
3. Разработана собственная модель кучевого облака;
4. Проведены численных экспериментов с разными условиями;
5. Проанализированы получившиеся результаты в ходе численных экспериментов.
В результате проделанной работы удалось создать полутаромерную нестационарную модель кучевого облака, учитывающую гидродинамические, термические и микрофизические процессы, включающие в себя фазовые переходы влаги и электрические процессы. Однако пока в модели облака не включены в полном объеме микрофизические процессы, что требует в дальнейшем её уточнения.
Численные эксперименты показали, что модель кучевого облака способна описывать те физические процессы, которые в неё включены, но на очень небольшом интервале времени, поскольку возникает математическая неустойчивость, вносящая ошибки в дальнейшие расчеты. По этой причине необходима такая численная схема, с помощью которой удалось бы решить данную проблему.
