Помощь студентам в учебе
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПРИЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЫ ВО ВРЕМЯ ГРОЗЫ
|
ВВЕДЕНИЕ 3
1 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА 5
1.1 Образование электрического поля 5
1.2 Электрическая структура приземного слоя атмосферы 6
1.3 Глобальная атмосферная электрическая цепь 7
1.4 Роль конвекции в образовании молнии 9
1.5 Структура грозового облака 10
1.6 Основные гипотезы появления в облаке объемных зарядов 12
2 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ
ВО ВРЕМЯ ГРОЗЫ И ИХ ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ 13
2.1 Экспериментальные исследования электрического состояния
приземной атмосферы во время грозы 13
2.2 Теоретическая основа эксперимента 17
3 МЕТОД РЕШЕНИЯ СИСТЕМЫ УРАВНЕНИЙ В ЧАСТНЫХ
ПРОИЗВОДНЫХ PDEPE В СРЕДЕ MATLAB 20
4 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПРИЗЕМНОЙ
АТМОСФЕРЫ ВО ВРЕМЯ ГРОЗЫ 23
4.1 Моделирование электрического состояния приземной атмосферы во
время грозы 23
4.2 Входные эмпирические данные и их обработка 27
4.3 Полученные результаты и их сравнение с натурными измерениями 31
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 39
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 41
1 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА 5
1.1 Образование электрического поля 5
1.2 Электрическая структура приземного слоя атмосферы 6
1.3 Глобальная атмосферная электрическая цепь 7
1.4 Роль конвекции в образовании молнии 9
1.5 Структура грозового облака 10
1.6 Основные гипотезы появления в облаке объемных зарядов 12
2 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ
ВО ВРЕМЯ ГРОЗЫ И ИХ ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ 13
2.1 Экспериментальные исследования электрического состояния
приземной атмосферы во время грозы 13
2.2 Теоретическая основа эксперимента 17
3 МЕТОД РЕШЕНИЯ СИСТЕМЫ УРАВНЕНИЙ В ЧАСТНЫХ
ПРОИЗВОДНЫХ PDEPE В СРЕДЕ MATLAB 20
4 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПРИЗЕМНОЙ
АТМОСФЕРЫ ВО ВРЕМЯ ГРОЗЫ 23
4.1 Моделирование электрического состояния приземной атмосферы во
время грозы 23
4.2 Входные эмпирические данные и их обработка 27
4.3 Полученные результаты и их сравнение с натурными измерениями 31
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 39
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 41
Атмосферное электричество на протяжении более 200 лет привлекает внимание ученых по ряду причин: результаты исследований востребованы в физике атмосферы, в метеорологии, сейсмологии, вулканологии, а необходимость эффективной защиты от статического электричества и грозовых разрядов требует лучшего понимания физических процессов формирования и развития разряда. Но существует и другая сторона проблемы. Функционирование систем радиосвязи, радиолокационных станций, выбросы промышленных предприятий, автотранспорта способны изменить электрические свойства атмосферы, а это может иметь непредсказуемые экологические последствия.
Атмосферное электричество - это совокупность электрических явлений и процессов, происходящих в атмосфере Земли. К электрическим явлениям в атмосфере относятся: ионизация воздуха, электрическое поле атмосферы, электрические заряды облаков и осадков, электрические токи и разряды в атмосфере и т.д.
Атмосферное электричество является одним из постоянно присутствующих факторов воздействия на состояние и изменение окружающей среды. Важное место занимают исследования электрических характеристик нижней части тропосферы (приземного слоя), где протекает большая часть деятельности человека. Для интерпретации атмосферно-электрических явлений, происходящих в приземном слое, необходимо проведение теоретического моделирования электрогидродинамических процессов, протекающих вблизи земной поверхности. Интерпретация получаемых данных связана в ряде случаев с выделением глобальных изменений электрического поля на фоне его локальных вариаций.
На практике регулярные наблюдения за атмосферным электричеством проводятся в области действия электродного эффекта (вблизи поверхности Земли). Наблюдения обычно проводятся с помощью аппаратуры, устанавливаемой на высоте нескольких метров от поверхности земли. Электрическая структура приземного слоя определяется так называемым “электродным эффектом” . В атмосферном электричестве электродом считают поверхность земли. С одной стороны электродный эффект определяет естественную изменчивость электрических характеристик атмосферы вблизи поверхности земли, с другой, возмущения, происходящие вне электродного слоя . Вблизи поверхности земли зависимость электропроводности от напряженности электрического поля отличается от зависимости в свободной атмосфере.
Одним из важнейших аспектов экспериментальных исследований электричества атмосферы являются исследования электрических характеристик приземной атмосферы. Но в литературе до сих пор отсутствуют детальное рассмотрение процессов электризации и изменчивости атмосферно-электрических величин в приземном слое во время мощной конвективной облачности и связанной с ней атмосферных явлений (грозы, осадки, шквалы и т.п.).
Цель работы - сформулировать систему уравнений, описывающую состояние и динамику электродного слоя приземной атмосферы во время грозовых явлений и выполнить моделирование электрических характеристик приземного слоя атмосферы во время грозы.
Решаемые задачи:
• обзор вопросов мониторинга атмосферного электричества;
• формулировка системы уравнений, описывающей состояние и динамику среды во время грозовых явлений;
• написание программы для решения сформулированной системы дифференциальных уравнений в частных производных в среде MATLAB;
• численное моделирование электрических характеристик во время грозовых явлений;
• проведение сравнительного анализа данных наблюдений и численного эксперимента.
Атмосферное электричество - это совокупность электрических явлений и процессов, происходящих в атмосфере Земли. К электрическим явлениям в атмосфере относятся: ионизация воздуха, электрическое поле атмосферы, электрические заряды облаков и осадков, электрические токи и разряды в атмосфере и т.д.
Атмосферное электричество является одним из постоянно присутствующих факторов воздействия на состояние и изменение окружающей среды. Важное место занимают исследования электрических характеристик нижней части тропосферы (приземного слоя), где протекает большая часть деятельности человека. Для интерпретации атмосферно-электрических явлений, происходящих в приземном слое, необходимо проведение теоретического моделирования электрогидродинамических процессов, протекающих вблизи земной поверхности. Интерпретация получаемых данных связана в ряде случаев с выделением глобальных изменений электрического поля на фоне его локальных вариаций.
На практике регулярные наблюдения за атмосферным электричеством проводятся в области действия электродного эффекта (вблизи поверхности Земли). Наблюдения обычно проводятся с помощью аппаратуры, устанавливаемой на высоте нескольких метров от поверхности земли. Электрическая структура приземного слоя определяется так называемым “электродным эффектом” . В атмосферном электричестве электродом считают поверхность земли. С одной стороны электродный эффект определяет естественную изменчивость электрических характеристик атмосферы вблизи поверхности земли, с другой, возмущения, происходящие вне электродного слоя . Вблизи поверхности земли зависимость электропроводности от напряженности электрического поля отличается от зависимости в свободной атмосфере.
Одним из важнейших аспектов экспериментальных исследований электричества атмосферы являются исследования электрических характеристик приземной атмосферы. Но в литературе до сих пор отсутствуют детальное рассмотрение процессов электризации и изменчивости атмосферно-электрических величин в приземном слое во время мощной конвективной облачности и связанной с ней атмосферных явлений (грозы, осадки, шквалы и т.п.).
Цель работы - сформулировать систему уравнений, описывающую состояние и динамику электродного слоя приземной атмосферы во время грозовых явлений и выполнить моделирование электрических характеристик приземного слоя атмосферы во время грозы.
Решаемые задачи:
• обзор вопросов мониторинга атмосферного электричества;
• формулировка системы уравнений, описывающей состояние и динамику среды во время грозовых явлений;
• написание программы для решения сформулированной системы дифференциальных уравнений в частных производных в среде MATLAB;
• численное моделирование электрических характеристик во время грозовых явлений;
• проведение сравнительного анализа данных наблюдений и численного эксперимента.
В ходе бакалаврской работы был проведен обзор литературы по атмосферному
электричеству (электрическому полю, глобальной электрической цепи, электродному
эффекту, электричеству в облаках и др.). Рассмотрены вопросы мониторинга и методики
измерения электрических характеристик приземного слоя атмосферы (напряженности
электрического поля, полярных электрических проводимостей и др.).
Из данных мониторинга напряжённости электрического поля и полярных
электропроводностей за 2006–2015 гг., были выделены случаи вариаций этих
характеристик, обусловленные прохождением кучево-дождевой облачности.
Отобраны случаи прохождения над пунктом мониторинга мощной конвективной
облачности (включая случаи с грозой), проведена их обработка и получены временные и
количественные характеристики вариаций напряженности электрического поля отдельно
для тёплого и холодного периодов года.
Основные результаты обработки показали следующее.
1) Для теплого сезона года при прохождении Cb отмечались согласованные изменения
градиента потенциала электрического поля и полярных электрических проводимостей,
характерные для электродного эффекта во время мощной конвективной облачности.
Также время выпадения интенсивного ливневого дождя отмечался рост электрических
проводимостей, особенно выраженный в отрицательной полярности, предположительно
связанный с вымыванием осадками аэрозоля в подоблачном слое воздуха.
2) В холодный сезон года во время прохождения Cb градиент потенциала электрического
поля имел высокие абсолютные значения, а полярные электрические проводимости
испытывали изменения характерные для электродного эффекта.
Проведено моделирование электродного слоя под влиянием вариаций
электрического поля при прохождении одиночных изолированных кучево-дождевых
облаков, а также с учётом дополнительного влияния атмосферного аэрозоля.
Результаты моделирования позволили установить следующее.
1) Наблюдаются согласованные изменения градиента потенциала электрического поля
и полярных электрических проводимостей λ±.
2) Во время положительного возмущения напряженности электрического поля E
(отрицательного возмущения ) отмечается падение n+ и как следствие падение λ+, в то
время как в n− и λ− наблюдается некоторый рост. При отрицательном возмущении E,
наоборот, отмечается падение λ− и рост λ+. 3) Учет влияния твердого атмосферного аэрозоля (ядер конденсации) на электрические
параметры приземной атмосферы более точно показывает согласие результатов
численного расчёта с экспериментальными данными.
4) Наблюдается хорошее согласие формы временного изменения численно рассчитанных
и экспериментально наблюдаемых электрических проводимостей.
5) Изменение плотности объемного заряда (ρ) у поверхности земли во время 6 основных
типов изменения градиента потенциала ( ) при прохождении кучево-дождевой
облачности (Cb) качественно повторяет динамику .
Часть результатов получена совместно с К. Н. Пустоваловым .
Основные результаты бакалаврской работы доложены на 5 конференциях и
опубликованы в 4 научных работах
электричеству (электрическому полю, глобальной электрической цепи, электродному
эффекту, электричеству в облаках и др.). Рассмотрены вопросы мониторинга и методики
измерения электрических характеристик приземного слоя атмосферы (напряженности
электрического поля, полярных электрических проводимостей и др.).
Из данных мониторинга напряжённости электрического поля и полярных
электропроводностей за 2006–2015 гг., были выделены случаи вариаций этих
характеристик, обусловленные прохождением кучево-дождевой облачности.
Отобраны случаи прохождения над пунктом мониторинга мощной конвективной
облачности (включая случаи с грозой), проведена их обработка и получены временные и
количественные характеристики вариаций напряженности электрического поля отдельно
для тёплого и холодного периодов года.
Основные результаты обработки показали следующее.
1) Для теплого сезона года при прохождении Cb отмечались согласованные изменения
градиента потенциала электрического поля и полярных электрических проводимостей,
характерные для электродного эффекта во время мощной конвективной облачности.
Также время выпадения интенсивного ливневого дождя отмечался рост электрических
проводимостей, особенно выраженный в отрицательной полярности, предположительно
связанный с вымыванием осадками аэрозоля в подоблачном слое воздуха.
2) В холодный сезон года во время прохождения Cb градиент потенциала электрического
поля имел высокие абсолютные значения, а полярные электрические проводимости
испытывали изменения характерные для электродного эффекта.
Проведено моделирование электродного слоя под влиянием вариаций
электрического поля при прохождении одиночных изолированных кучево-дождевых
облаков, а также с учётом дополнительного влияния атмосферного аэрозоля.
Результаты моделирования позволили установить следующее.
1) Наблюдаются согласованные изменения градиента потенциала электрического поля
и полярных электрических проводимостей λ±.
2) Во время положительного возмущения напряженности электрического поля E
(отрицательного возмущения ) отмечается падение n+ и как следствие падение λ+, в то
время как в n− и λ− наблюдается некоторый рост. При отрицательном возмущении E,
наоборот, отмечается падение λ− и рост λ+. 3) Учет влияния твердого атмосферного аэрозоля (ядер конденсации) на электрические
параметры приземной атмосферы более точно показывает согласие результатов
численного расчёта с экспериментальными данными.
4) Наблюдается хорошее согласие формы временного изменения численно рассчитанных
и экспериментально наблюдаемых электрических проводимостей.
5) Изменение плотности объемного заряда (ρ) у поверхности земли во время 6 основных
типов изменения градиента потенциала ( ) при прохождении кучево-дождевой
облачности (Cb) качественно повторяет динамику .
Часть результатов получена совместно с К. Н. Пустоваловым .
Основные результаты бакалаврской работы доложены на 5 конференциях и
опубликованы в 4 научных работах
