Геофизические исследования: статья

МОДЕЛЬ ПРИЗЕМНОГО ТУРБУЛЕНТНОГО ЭЛЕКТРОДНОГО ЭФФЕКТА, УЧИТЫВАЮЩАЯ ПРОЦЕССЫ НИЖЕ ПАРАМЕТРА ШЕРОХОВАТОСТИ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ
Э.М. ДМИТРИЕВ
Геофизическая обсерватория “Борок” Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН
Журнал: Геофизические исследования
Том: 21
Номер: 1
Год: 2020
Страницы: 50-60
УДК: 551.594
DOI: 10.21455/gr2020.1-4
Полный текст статьи
Ключевые слова: атмосферное электричество, математическое моделирование, электродный эффект
Аннотация: Электрическое состояние слабо ионизированной приземной атмосферы формируется электродным эффектом, приводящим к зависимости электрических характеристик от расстояния до электрода (земной поверхности) ввиду отталкивания от него одноименно заряженных аэроионов. Математически приземный электродный эффект описывается дифференциальной краевой задачей для электрического поля и концентраций положительных и отрицательных аэроионов как функций высоты с граничным условием равенства нулю концентрации отрицательных аэроионов на земной поверхности. На удалении от земной поверхности задается стремление искомых аэроэлектрических величин к их равновесному состоянию. В случае турбулентного электродного эффекта перенос аэроионов осуществляется не только электрическими силами, но и турбулентной диффузией, наличие которой приводит к поглощению на земной поверхности аэроионов обоих знаков и к дополнительному граничному условию. Граничные условия при этом обычно задаются на высоте параметра шероховатости земной поверхности, поскольку ниже турбулентная диффузия отсутствует. Рассматривается приземный турбулентный электродный эффект в предположении, что выше параметра шероховатости коэффициент турбулентной диффузии растет с высотой по степенному закону, а ниже имеет место молекулярная диффузия. При этом плотности потоков аэроионов на высоте параметра шероховатости непрерывны. Приводятся примеры численных решений соответствующей краевой задачи для характерных масштабов, типичных для приземной атмосферы средних широт. Решения сравниваются с решениями краевой задачи в области выше параметра шероховатости с граничными условиями, заданными на этой высоте. Показано, что в обеих постановках величины электродного эффекта оказываются достаточно близкими; в то же время высотные профили концентраций аэроинов в области выше параметра шероховатости, полученные из решения рассматриваемой задачи, отличаются от высотных профилей, полученных из решения задачи в традиционной постановке.
Список литературы: Анисимов С.В., Дмитриев Э.М. Численное моделирование электричества приземной атмосферы // Геофизические исследования. 2008. Т. 9, № 3. С.7-15.

Анисимов С.В., Галиченко С.В., Шихова Н.М., Афиногенов К.В. Электричество конвективного атмосферного пограничного слоя: натурные наблюдения и численное моделирование // Физика атмосферы и океана. 2014. Т. 50, № 4. С.445-454.

Дмитриев Э.М. Асимптотическое решение задачи приземного электродного эффекта при слабом турбулентном перемешивании // Геофизические исследования. 2011. Т. 12, № 4. С.71-78.

Дмитриев Э.М., Филиппов В.А. Аналитическое решение задачи классического электродного эффекта в приземной атмосфере // Геофизические исследования. 2010. Т. 11, № 4. С.53-59.

Зилитинкевич С.С. Динамика пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 290 с.

Калинин А.В., Григорьев Е.Е., Жидков А.А., Терентьев А.М. Классификация и свойства решений системы уравнений теории классического электродного эффекта // Известия вузов. Радиофизика. 2013. Т. 56, № 11-12. С.829-852.

Калиткин Н.Н., Альшин А.Б., Альшина Е.А., Рогов Б.В. Вычисления на квазиравномерных сетках. М.: Физматлит, 2005. 224 с.

Куповых Г.В., Морозов В.Н., Шварц Я.М. Теория электродного эффекта в атмосфере. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1998. 123 с.

Куповых Г.В., Марченко А.Г., Морозов В.Н. Электрическая структура нестационарного приземного слоя в приближении турбулентного электродного эффекта // Известия вузов. Северокавказский регион. Естественные науки. 2005. № 5. С.46-51.

Морозов В.Н. Математическое моделирование атмосферно-электрических процессов с учетом влияния аэрозольных частиц и радиоактивных веществ. СПб.: Изд-во РГГМУ, 2011. 253 с.

Anisimov S.V., Galichenko S.V., Aphinogenov K.V., Prokhorchuk A.A. Evaluation of the Atmospheric Boundary-Layer Electrical Variability // Boundary-Layer Meteorology. 2018. V. 167, N 2. P.327-348.

Anisimov S.V., Galichenko S.V., Aphinogenov KV., Guriev A.V., Kozmina A.S., Prokhorchuk A.A. Electricity of mid-latitude atmospheric boundary layer above land: results of observations and numerical modeling // IOP Conf. Ser.: Earth and Environmental Science. 2019. V. 231. P. 012007.

Chalmers J.A. Atmospheric Electricity. 2-nd ed. New-York: Pergamon Press, 1967. 450 p.

Israelsson S., Knudsen E., Anisimov S.V. Vertical profiles of electrical conductivity in the lowermost part of the turbulent boundary layer over flat ground // J. Atm. Terr. Phys. 1994. V. 56, N 12. P.1545-1550.

Hoppel W.A. Theory of the electrode effect // J. Atm. Terr. Phys. 1967. V. 29, N 6. P.709-721.

Hoppel W.A. Electrode effect: Comparison of theory and measurement // Planetary Electrodynamics. V. 2. Proceedings of the 4th International Conference on the Universal Aspects of Atmospheric Electricity / Eds. S.C. Coroniti, J. Hughes. New York: Gordon and Breach, 1969. P.167.

Hoppel W.A., Gathman S.G. Determination of Eddy Diffusion Coefficients from Atmospheric Electrical Measurements // J. Geophys. Res. 1971. V. 76. P.1467-1477.

Schweidler E.R. Über die Ionenverteilung in den untersten Schichten der Atmosphäre // Sitzungsberichte Akademie der Wissenschaften in Wien, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Klasse Abteilung I. 1908. Bd. 117. S.653-664.

Thomson J.J. Conduction of electricity through gases. Cambrige, 1903. 566 p.

Tuomi T.J. Atmospheric electrode effect: approximate theory and wintertime observations // Pure Appl. Geophys. 1980. V. 119. P.31-45.

Willett J.C. An analysis of the electrode effect in the limit of strong turbulent mixing // J. Geophys. Res. 1978. V. 83. P.402-408.