автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Моделирование электро- и термодинамических процессов в приземном слое атмосферы

{с

На правах рукопис и

003445464

Болдырев Антон Сергеевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРО- И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ

05 13 18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы

программ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

РГБ ОД

2 е-АВГ 200В

Таганрог 2008

003445464

Работа выполнена на кафедре физики Таганрогского технологического института Южного федерального университета в г Таганроге

Научный руководитель. доктор физико-математических наук, профессор

Куповых Геннадий Владимирович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Жорник Александр Иванович

доктор физико-математических наук Хучунаев Бузигит Муссаевич

Ведущая организация- Научно-исследовательский центр

дистанционного зондирования атмосферы -филиал Главной геофизической обсерватории им А И Воейкова, г Санкт-Петербург

Защита состоится 29 августа 2008г в 14-20 на заседании диссертационного совета Д212 208 22 в Технологическом институте Южного федерального университета в г Таганроге по адресу

347928, Ростовская обл , г Таганрог ГСП-17А, пер Некрасовский 44, ауд

Д-406

С диссертацией можно ознакомиться в зональной научной библиотеке ЮФУ по адресу г Ростов-на-Дону, ул Пушкинская, 148

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью организации, просим направлять по адресу

347928, Ростовская обл, г Таганрог ГСП-17А, пер Некрасовский 44

Автореферат разослан илсл-Я 2008г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212 208 22 доктор технических наук, профессор ' г АН Целых

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Ак1уллыюсть проблемы

Исследования процессов, протекающих в пограничном и приземном слоях атмосферы, снимают особое место в геофизике В приемном (приводном) CJIoe существенным образом проявляются эффекты взаимодействия атмосферы с подститающей поверхностью Это свойство опредемег влияние протекающих здесь процессов не только на весь пограничный спой, но и на всю атмосфер} в цепом Метеорологические факторы оказывают существенное тиянпе на электрические гидротермодинамичсские процессы приземного слоя Установление связей между этими процессами является необходимым и в ряде случаев достаточным условием для решения многочисленных вопросов физики атмосферы

Несмотря на многочисленные исслелования в этой области остаются нерешенными ряд вопросов и проблем, связанных с описанием гидротермодинамических и электродинамических процессов в приводном и приземном слоях атмосферы Математическое моделирование их электрического и термодинамического состояний является важным этапом сложного комплекса работ по проведению наблюдений сбору данных и их анализа, а применение численных методов расширяет возможности для исследований

Цель работы состоит в теоретическом и экспериментальном исследованиях электрических и гидротермодинамических процессов в приземном и приводном слоях атмосферы в различных метеорологических и физических условиях Для достижения постав ленной цели решены следующие нау чные задачи

1 Проведены экспериментальные исследования гидротермодинамических характеристик приводного слоя в акватории Азовского моря Выявлены условия возникновения температурной инверсии вблизи водной поверхности

2 Построена нестационарная модель гидротермодинамического состояния горизонтально-однородного приводного слоя с учетом турбулентного и конвективного переносов Теоретически исследован механизм образования инверсии в различных условиях

3 Построена нестационарная модель электрического состояния горизонтально-однородного турбулентного приземного слоя с учетом конвективного переноса в атмосфере

4 Исследована электрическая структура приземного слоя атмосферы в зависимости от метеорологических и физических условий

5 Проведены атмосферно-электрические наблюдения в приземном слое атмосферы в горных районах Северного Кавказа Получены новые данные об электрических характеристиках приземного слоя атмосферы в условиях горной местности

Научная повили работы

1 Разработана модель тдротермодинамическою состояния приводного стоя атмосферы с учетом турбулентного перемешивания 'и конвективного переноса

2 Изучены механизмы образования температурной инверсии в приводном слое Иссчедовано влияние турбулентного перемешивания и конвективного переноса на масштаб распределения температуры и в тжносги воздуха по высоте

3 Разрабогана модель эдектрического состояния нестационарного горизонтально-однородного приземною споя и исследовано влияние турбулентного перемешивания и конвективного переноса на этектрические характеристики атмосферы вбтизи поверхности земли

4 На основе градиентных измерении метеорологических параметров приводного слоя атмосферы в акватории Азовского моря исстедована гидротермодинамическая структура приводного слоя и составляющие теплового баланса

5 Экспериментально исстедованы эпектрические характеристики приземного споя в горной местности

Научная и практическая значимость работы состоит в теоретическом и экспериментальном исследованиях гидротермодинамического состояния приводного слоя, механизмов образования температурной инверсии в приводном стое, а также электрическою состояния приземного слоя атмосферы в условиях действия турбулентного перемешивания и конвективного переноса

Полученные в диссертационной работе попожения и рез\ аьтаты могут быть испотьзованы

- при построении моделей гидротермодинамического состояния приводного слоя, учитывающих турбулентное перемешивание и конвективный перенос,

- при построении моделей эпектрического состояния атмосферы, учитывающих турбутентное перемешивание и конвективный перенос в приземном слое,

- для решения задач дистанционного зондирования атмосферы и океана,

- для развития У1етодов погодного и климатического прогнозов,

- для анализа данных наземных атмосферно-электрических наблюдений,

- для создания системы глобального мониторинга атмосферы

Достоверность и обоснованность результатов диссертационного исследования подтверждается статистически надежными данными о термодинамической структуре приводного слоя и атмосферно-электрическими наблюдениями в горной местности, корректностью поставленных задач моделирования и У1етодов их решения, а также хорошим согласованием теоретических и экспериментальных результатов

В рамкач ^формулированной в работе проблемы на ¡ащилу выносятся слеау ющие результаты и положения

1 Модель гилрогермодинамичсского состояния приводною с юя с учетом турбулентного перемешивания и конвекпшмою переноса

2 Результаты экспериментальных исследований i идротермодинамическон структуры приводного с юя атмосферы в раз жчныч метеорологических у словиях

3 Мечами 5м образования гемперату рной инверсии вбшзи водной поверхности

4 Модель э 1екгрнческого состояния нестационарною приземного слоя с учетом турбулентного перемешивания и конвективного переноса

5 Результаты экспериментальных исследований электрических характеристик приземного слоя в горной местности

Публикации результатов и личный вклад автора

Основные результаты диссертационного исследования изложены в 13 работах (из них 2 статьи в реферируемых журналах)

Соискатель принимал непосредственное участие в проведении экспериментальных исследований, обработке результатов измерений, проведении анализа жепериментальных данных Постановки 5аз,ач выполнены совместно с научным руководителем Автору принадлежа1 реализация численных моделей, проведение расчетов и их ишерпретация

Ценная помощь в постановке задачи моделирования и выбора численного метода решения оказана доц А Г Клово

Обсуждение отдельных разделов работы проводилось с проф Г Г Щукиным и проф А И Сухиновым

Апробация работы Основные резу льтаты работы докладывались на Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-7, г Санкт-Петербург, 2001), 8, 9 и 12-й Международных конференциях «Математические модели физических процессов и их свойства» (Таганрог, 2002, 2006, 2007), Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы (Нальчик, 2001), 5 и 6-й Российских конференциях по атмосферному электричеству (Владимир, 2003, Нижний Новгород, 2007), Всероссийской конференции по селям (Нальчик 2005), International Conference on Atmospheric Electricity ICAE 2007 (Beijing, China), научных семинарах кафедры физики Таганрогского государственного радиотехнического университета (Таганрог, 2005 - 2008)

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы Общий объем работы составляет 129 страниц, включая 26 рисунков, 9 таблиц Список литературы содержит 116 наименований

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

' Во введении форму.шр) ются цель и задачи диссертационной работы, обосновываются научная новизна и практическая значимость темы исследования, приводятся данные о публикациях по теме диссертации и личный вклад соискателя

Глава I Моделирование гидротермодинамичесних процессов в приводном слое атмосферы

В главе рассматривается общая постановка задачи о моделировании гидротермодинамического состояния нестационарного приводного стоя атмосферы вдали от береговой пинии Динамика приводного стоя описывается уравнением движения, записанного дтя трех компонент скорости ветра Также используются законы сохранения закон сохранения массы (уравнение неразрывности) закон сохранения и превращения энергии, закон сохранения массы водяного пара (уравнение дтя удельной влажности воздуха) Д 1я описания состояния воздуха используется уравнение Менделеева-Клапейрона для идеального газа

Для определения характерных масштабов по высоте процессов протекающих в приводном слое, связывающем между собой слои атмосферы и моря, рассматривался стационарный, однородный по горизонтали поток, когда оба стоя находятся при нейтральной стратификации (в атмосфере потенциальная температура, а в море плотность постоянны по вертикали) Уравнения движения в форме напряжений, которыми описывается рассматриваемый процесс, имеют одинаковый вид для атмосферы и океана Для случая, когда выполняются условия стационарности и горизонтальной однородности, потучена оценка, которая при средней толщине приводного слоя порядка нескольких метров позволяет оценить масштаб взаимодействия водной среды с атмосферой от нескольких десятков сантиметров до метра

Для моделирования гидротермодинамического состояния нестационарного горизонтально-однородного приводного слоя рассматривалась система уравнений теплопроводности и переноса водяного пара в турбулентной атмосфере

(1)

<?/ с:) срс:\ С1

О I С & ) СХ

дг

Начальные и граничные условия задавались в виде

Т{х = 0)= Г0, Г(г = й)=7;, 9(г = 0) = д.(Г0,Р0), 9(* = А)=0 (2) где Т - температура, ц - удельная влажность воздуха, к - коэффициент турбулентного перемешивания, и - скорость конвективного переноса водяного пара, а(г) - внешний источник тепла, ц,„ - насыщенное значение удельной влажности при заданных значениях температуры Ти вблизи поверхности Л -

юзщина приводною сим (порядка 1 метра), г - высои Ч ich f(q) является функцией исючника примеси ропь которой играет во шюи пар Вид зависимостей <>(:) и flq) носят достаточно с южны и характер и зависят от Müieopo югическич \сювии Численные эксперимешы показали, что функция

f(q) может быть выбрана в виде f(q) = C (q-qxY где некоторая постоянная ветчина В качестве начальною устовия задаются профити Т(:) и q(z) в момент времени t- О, коюрые берутся из решения соответствующей стационарно» задачи

Поставтенная затача решалась методом конечно-разностной аппроксимации производных (модификация метода Гаусса) с предварительным исследованием уаойчивости за чанной схемы

Результаты чистенного моделирования представлены на рис 1 (кривая 1 к = 0,05 м7с и со— 0 м/с, кривая 2 ¿" = 0,15 м~/с и ft) = 0,l м/с, кривая 3 ¿ = 0,05 м:/с и со = 0,1 м/с) и рис 2 (кривая 1 к =0,05 м:-'с и ы~ 0 м/с, кривая 2 ¿ = 0,15 м:'с и ю = 0,1 м'с кривая 3 к-0,05 \г(с и го = 0,1 м-'с) \налич показал что при небольших значениях коэффициента турбутентною перемешивания и больших значениях конвективного переноса наблюдается ярко выраженная температурная инверсия до высоты одного метра При уветичении коэффициента турбулентного перемешивания и уменьшении конвективною переноса значения температурной инверсии уменьшаются Наличие конвективного переноса уветичивает температурную инверсию и масштаб ее распределения по высоте, а также уменьшает градиент втажности воздуха При »том профичь распределения втажности имеет экспоненциальный характер

Рис. 1 Расчетные профит q при Рис. 2. Расчетные профит Тпри раличных хсювиях разчичных усювиях

Резучьтаты теоретических расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными над морской поверхностью приведенными в паве 3

677, ,

а/

Гтавл 2 Монтирование ^чектродинамическич процессов в приземном слое атмосферы

В главе описывается постановка задачи о моделировании нестационарного горизонтально-отноротного турбулентною приземного слоя с у четом турбулентного перемешивания и конвективного переноса Система уравнений, записанная в обтасги {г„ <г <1,0 <1 < Г), имее! вио. ~\ { ^ \

С ( \ С -> | С I \

(А: "1: Е)~— -^Г "12) = с/-ап^

сх сг I сг)с1

(3)

сЕ е , ,

Л

где п/: - объемная концентрация легких ионов (аэроионов), Ьц - их подвижность, Е - напряженность электрического поля и - вертикальная составтяющая конвективного переноса аэроионов, Д,(г) = Д 2 коэффициент т\'рб\тентной диффузии аэроионов, д - интенсивность ценообразования о - коэффициент рекомбинации аэроионов Начальные условия задавались в виде

\ а

(4)

Граничные \стовия

И,{> Е(1

= ЕЛ

(5)

где Ей - значение напряженности электрического потя > поверхности земпи, - характерная топщина турбутентного этектродного стоя, = 2,5 10" -параметр шероховатости земной поверхности, / - верхняя граница электродного слоя

Система уравнений (3) посте обезразмеривания

г'=//Т, г'=г//,, и[,=н1;/иг, £'=£/£, приобретает вид

Т с/ сг гг \ сг ) с: д,

дЕ'

сг

7 = Л"[ - п\)>

Ее характеризуют следующие безразмерные параметры

Д , _ и ^ Т

-- / = —, / = —:—^

Д Д ь„Е,

Как бы ю показано ранее в работах проф Морозова ВЦ и Куповых ГВ, ее 1и ¡/|«1 - э 1ектрическиУ1 нолем создаваемым ) 1ектрическим объемным зарядом вблизи поверхности земли, можно пренебречь При с, > 1 - электрическое состояние приземного слоя определяется классическим электродным эффектом Другими словами, пространственно-временное распреде 1ение аэроионов в приземном спое обусювлено готько электрическими си тми Ее ш , < 1 - тогда имеет место турбулентный этектродныи эффект В этоу! случае предполагается, чю перенос аэроионов в агуюсфере осуществляется наряду с э 1екгрическими силами 1урбулентными потоками воздуха При с, «1 - имеет место приближение ситьного турбулентного перемешивания, то есть перенос ионов осу ществляется ютько т> рбу лентой диффу зией

В нашем стучае особый интерес представляет параметр / Если /<</ конвективным переносоУ! аэроионов уюжно пренебречь Ее ш значения ушожителя коэффициента ту рбу шнгной диффузии сопоставимо ити У1еньше и {й, <и) то конвективный перенос аэроионов начинает играть значительную роть

Дтя численного решения системы (3) с начальными и 1раничны\ш устовияУ1и (4), (5) произведен переход к дискретной задаче и исследована устойчивость использованного численною У1етода решения методоУ1 Куранта Задача решалась методом прогонки по симметричной схеме

Задавались следу ющие значения входных параметров модетирования для электрического поля и интенсивности образования Сп = -100 В/ и,

¿/ц=4,8 10' 1Г'с 1 Время моделирования при этох1 выбираюсь больше времени релаксации систеуш Предполагаюсь, что в моУ1ент моделирования приземный слой атугосферы находится в состоянии нейтральной стратификации Коэффициент т>рбу чентносги описывался профитеУ1 Д(г)=Дг Вертикальная составляющая конвективного переноса аэроионов описывалась профипеУ!

где и„ =0,01мс', и= 30м', - характерный масштаб, связанный с распределением скорости ветра

Профиль интенсивности ионообразования задавался в виде = <7 + ехр(—г//) Первое слагаемое = 7 см 'с1 постоянная ионизация, создаваемая космическими лучами и /^-излучением поверхности земли Второе слагаемое отражает ионизацию, создаваемую радоном и продуктами его распада с характерныУ1 масштабом распределения /

Полученные результаты расчетов представлены на рис 3 Проведены исследования электрической структуры приземного с юя в разные моменты

Ф) = о0 е'\

(8)

времени моделирования 20 с 100 с 300 с и 600 с Для всех случаев напряженность поля монотонно убывает с высотой по экспоненциальному закону Асимптотическою значения профили концешраций лослигаки довольно быстро уже в начальный момент времени С увеличением времени моде шрования (300 с, 600 с) наблюдаются различия в высотных распределениях профилен положительных и отрицательных аэроионов Концентрация положительных легких ионов растет быстрее отрицательных

-Е В/ч

а)

-Е В/ч

63 70 80 90

1 = 100 с \ 1

V /;

1 б) -Е, В/ ч 2

50 60 70 80 90

1 = 600 с

\ Е —' п,

в)

г)

Рис. 3 Эвочюция эчектродного эффекта с ) четом конвективного переноса а) I " 20 с, 6)1 = 100 с в) 1 = 300 с г) Г = 600 с

При этом растет толщина лемрошою с юя коюрая в начальный момент времени бьпа небольшой Подробные резу 1ьтаты моде шрования для каждою исследуемою момента времени приведены в табл 1

Рассмотрим профичп концешрацип положительных и отрицательных аэроионов (Табт 1) Концентрации аэроионов максимально раз жчны на высоте 0,5 м при времени 200 с и более с 1едовательно, плотность объемного заряда максимальна разница между ними составляет 40% При увеличении высош разница между концентрациями падает до 20% на высоте 2 м при 600 с При увеличении времени моделирования эта разница растет, соответственно дня 1 м с 20% на 20-й секу нде и до 30% на 600-й секунде, для 2 м с 10% на 20-й секу н к и до 20%> на 600-и секунде

Таблица 1

Эвоноция лектрическкх характеристик и эчектродного эффекта ь

ту рб\ тентно м э чектродно м twee 1 чето м коньективного переноса

/, с 0 i 20 100 200 300 600

EJE, 1,00 ; М8 1,72 2 03 2,11 2,16

nt (0,5)/л (х ) 0,17 0,42 0,69 0,75 0,76 0,77

Я, (1 )//!,(«) 0 29 , 0,50 0,76 0,82 0,84 0,84

п, (2)/», (к) 0,49 ' 0 62 0,82 0,88 0,89 0,90

п (0 5)/и,(=с) 0,17 : o,3i 0,44 0,47 0,47 0,48

Л=(1)/„ (х) 0,29 o,4i 0,56 0,59 0,60 0,60

/1,(2)'и («) 0,49 1 0,55 0,68 0,71 0,72 0,73

£0/£(О,5) 1,00 1 1,02 1,05 1,06 1,06 1,06

ЕМ О 1,00 1 1,04 1,10 1,11 1,12 1,12

EJE( 2) 1,00 1 1,07 1,19 1,21 1,22 1,22

Эти результаты объясняются взаимными действиями турбулентного перемешивания и конвективного переноса Конвективные процессы в приземном слое атмосферы перемешивают аэроионы, при этом с течением времени растет толщина электродного слоя Концентрации положительных и отрицательных аэроионов при этом сравниваются с течением времени и с высотой под влиянием конвективного переноса

Значения плотности тока проводимости и плотности заряда находились по формулам

Л;,1) = е(Ь1,ф,1) + Ь:,ф,!))Е(1), р(г,0 = е(Я,(г,г)-и:(.-,г)) (9) Результаты расчетов представлены на рис 4, откуда видно, что в момент времени / = 20 с для профиля плотности тока проводимости характерно монотонное возрастание, при этом на высоте около 15 м плотность тока ^(z,t) достигает своего асимптотического значения

Отличительная особенность плотности тока проявляется уже на 100-й секунде, когда нарушается монотонность хода профиля Профиль монотонно растет от поверхности Земли, достигая максимального значения уже на высоте около 2-3 метров Затем значения уменьшаются по экспоненциальному закону

то высоты око ю 20 м, копа гок достигает своего асимптотического значения В дальнейшем вит профитя плотности тока принципиально не меняется Величина максим}ма составляет примерно 30% от асимптотического значения Профиль плотности тока выравнивается уже на высоте 30 м на 300-й секунде и на 40 м на 600-и секунде Эют факт объясняется действием прбулентного и конвективного переносов При этом первый увеличивает максимальное значение плотности тока, второй в результате верт икалыюго переноса увеличивает высоту, на которой плотное!ь тока имеет непостоянные значения

а) б)

в) г)

Рис 4. Эволюция профипя тока проводимости в момент времени а) ¡ = 20 с б) 1 — 100 с в) 1 = 300 с г) / = 600 с

Значения плотности тока на верхней границе электродного слоя максимальны в начальный момент времени, затем монотонно падают и уже на 200-й секунде достигают своего минимального значения (рис. 5). На высотах 0.5, 1 и 2 м значения профилей плотности объемного заряда минимальны в начальный момент времени. Затем монотонно растут и в момент времени 200 с достигают своего максимального значения (рис. 6). При этом, в результате действия конвективного переноса, значения объемного заряда с высотой уменьшаются на 20% с 0.5 м до 1 м и на 40% с 0,5 до 2 м.

Рис. 5. Плотность тока на верхней Рис. 6. Плотность объемного заряда границе электродного слоя на различных высотах

Рассматривалась структура электродного эффекта при различных значениях коэффициента конвективного переноса и„ в момент времени 600 с, коэффициент турбулентности задавался равным = 0.01 л/с-'. На рис. 7 представлены результаты модельных расчетов профилей концентраций положительных и отрицательных аэроионов и напряженности электрического поля в турбулентном электродном слое. С ростом коэффициента конвективного переноса с и(1 = 0 мс"1 до и„ = 0,5 мс'1 величина электродного эффекта практически не меняется, однако его параметры на высоте до 2 метров меняются значительно. При отрицательных значениях коэффициента конвективного переноса распределение электрических характеристик меняется. Для всех значений конвективного переноса имеет место положительный электродный эффект. Таким образом, конвективная неустойчивость оказывает влияние на параметры электродного эффекта вблизи земной поверхности.

Проведено исследование структуры электродного эффекта в зависимости от различных физических параметров: коэффициента турбулентности, коэффициента конвективного переноса и интенсивности новообразования в условиях, так называемой, «хорошей погоды». Полученные профили

^ В/ м В/ м

60 80 ШС 40 60 80 юи

а) б)

-Е, В/ ч

40 60 80 100

В)

Рис. 7 Эчектрическая структура приземного сюя в момент времени при раличных значениях ии напряженности электрического поля, концентрации положительных и отрицательных аэроионов при значениях Е0=—40В/и и £■„ =-150.8/д( на нижней границе электродного слоя при значениях <70 =4,8см" с"1, П, =0,1 мс ', ц, =0,01мс' представлены на рис 8 Сравнение с рис 4 показывает, что вид профиля тока проводимости сохраняется, он также растет очень быстро и уже на высоте 2 метров достигает своего максимального значения, падая до 1,7 пА/м" на высоте порядка 30 м Затем плотность тока

-I , и/ м -Ь, В/ ч

20 25 30 35 60 ЮС ГО ' О

а) б)

Рис. 8 Структура т\ро\ чентного эчектродного сюя с учетом конвективного переноса при разчичных значениях Е»

^ В/ м

20 25 30 35 7, »1

б)

2 0 2 5^

.1», м\/м;

Рис. 9 Эчектрические характеристики приземного сюя при наличии сичьного

источника ионизации практически не меняется Величина характерного максимума составляет порядка 40% от асимптотического значения При этом значения плотности тока проводимости заметно снижаются

Профили концентраций аэроионов и напряженности электрического поля с учетом конвективного переноса и действия сильных источников ионизации представлены на рис 9 Здесь £„=-100В/м, 0,=0,1мс"', и = 0,01мс~', д0 = 50см" с"' .

Появление источников радиоактивности и вертикального конвективного переноса оказывает существенное влияние на параметры атмосферного электричества Результаты расчетов показали уменьшение величины электродного эффекта на 20% по сравнению со случаем, приведенным на рис 3 г в результате совместного действия конвективного переноса, турбулентного перемешивания и источников ионизации При этих же параметрах был рассчитан профиль плотности тока проводимости

(рис 96)

Глава 3 Экспериментальные исследования процессов в приземном (приводном) с тое атмосферы

В главе описываются экспериментальные исследования метеорологического режима приводного слоя проведенные в акватории Таганрогского залива Азовского моря в 2000-2001 гг и атмосферно-электрические наблюдения приземного слоя атмосферы на «Пике Терскол» (2004-2005), полигоне «Кызбурун» (2003) и в курортной зоне г Нальчика (2005)

Изложены меюды градиентных наблюдении за температурой воздуха над водной поверхностью, температурой морской поверхности, скоростью ветра влажности воздуха

Для интерпретации полученных данных в приводном слое использована методика проф Матвеева Л Т Виртуальная температура (измеренное значение) представляется как сумма истинной температуры и виртуального добавка

Ти = Т + &Ти ' (10)

Виртуальный добавок определяется тем что в состоянии насыщения и при фиксированном давлении он является функцией одной лишь температуры Виртуальный добавок определялся по формуле

ДГ =0 3781-, (11)

Р

где е - парциальное давление водяного пара, р - измеренное атмосферное давление, Т- истинная температура. Т„ - виртуальная температура

На рис 11-13 представлены профили полученных результатов Истинная температура характеризуется тем, что в ней исключено влияние виртуального добавка, а, следовательно, и влажности воздуха Сравнение рис 11-13 показывает большое значение виртуального добавка на высоте до 1 метра Профиль истинной температуры свидетельствует об уменьшении температуры над сушей и увеличении над водной поверхностью, он практически совпадает с профилем измеренной температуры, как в случае над земной, так и над водной поверхностью

Рассчитаны также значения параметров турбулентного потока тепла (Р) и затрат тепла на испарение (ЬЕ) по формулам

р = -крср— ЬЕ = -крЬ—, (12)

и Г ли ^ л/,' К '

Рис. 11. Профили температуры. полученные в 2000 и 2001 гг. нас) водой и в 2001 над ехгией

2000 г. 2001 г.

Ь, М (над водой) (над сушей)

1.5- I

I

V" 1«

2001 г (над водой)

Рис.12. Средний профиль виртуального добавка

Ь, м

2

I

2001 г. 2000 г.

(над водой) (над водой)

2001 г. (над сушей)

22 22,5 23 23.5 24 24.5 25 25.5 26

Рис. 13. Средний профиль истинной температуры

где к - коэффициент турбулентности; р - плотность воздуха; с,, - удельная теплоёмкость воздуха при постоянном давлении; —AT/A/i - вертикальный градиент температуры воздуха; -Ae/Ali -- вертикальный градиент упругости водяного пара; b = Q.622L!p (L - удельная теплота парообразования, р -атмосферное давление). Ни одна из величин, входящих в формулы (12) непосредственно не измерялась. Они получались путём расчета измеряемых на сети параметров.

Профили турбулентного потока тепла представлены на рис. 14. а профили затрат тепла на испарение - на рис. 15. Максимальное значение LE было получено на высоте 0,5 метра. Затем значения постепенно убывают с высотой до высоты 1 м и меняют знак на отрицательный. От высоты 0,5 м до 1 м для значений турбулентного потока тепла наблюдается рост. Затем значения резко уменьшаются для случаев над водой в 2001 г. и над сушей в 2001 г., а для значений, полученных над водой в 2000 г., турбулентный поток тепла продолжает расти.

h, м

Рис. 15. Профили затрат тепла на испарение

Ьапанс reina нат вочнои поверхностью достигается бигомря постутеншо тспта (ja счет сотнечнои радиации) сверху и uuisy nyie\i тйплопрово шости У станов чсно, чго потери гепла на испарение шачикщно больше поступчения радиации sa счет длинновочново!о обмена Вс1едспше чего наблюдается инверсное распреде гение темпсрат\ры нат поверхностью воды PeiVTbTaibi коррепяционною анализа и анализ временных ходов градиента температуры подтверждают еде шнные вывоты Затраш тента играют наиболее важную роль на Bbicoie до 1 м

В приземном слое влияние затрат тепла на испарение минимально Значения коэффициентов коррстяции турбулентною потока тепла над водой и зем iefi различны Существует значите тьная и весьма устойчивая по высоте корреляция истинной температуры и виртуального добавка дтя данных порученных на всех уровнях наб подения Хорошая корреляция температуры поверхности воды и воздуха показала что температура поверхности водоема и скорость ветра во многом определяют термическую и пчотностную струетурх приводно1 о слоя

В случае положительного градиента температуры на высотах 0,15 м ю 0,5 м наблюдаются либо отрицательные, либо незначите 1ьные положительные ветчины градиента 1емпературной инверсии на высоте от 0,5 м до 1 м В обратном стучае, когда градиент температуры на первом участке высоты отрицателен чнбо незначителен, то на втором участке наблюдается положительный градиент температуры Таким образом на различных уровнях причины образования температурной инверсии различны На первом уровне преобладает действие испарения, происходит рост турбу юнгного потока тепла и уменьшение значений затрат тепла на испарение Установлено что в приводном счое атмосферы формирование профиля температуры существенным образом обусловлено фазовым переходом водаопар На втором уровне преобладают процессы конденсации, затраты тепла на испарение растут и меняют знак, турбулентный поток ieruia падает

Над сушей влияние процессов испарения и конденсации на формирование профиля температуры значитечьно меньше, чем над водой, что во многом определяет неинверсное распределение температуры в приземном слое Сделан вывод о том, что процессы фазового перехода существенны в приводном слое Это объясняет инверсное распреде юние температуры с минимумом на поверхности во всем приводном слое

В разделе 3 2 главы 3 приводятся также результаты атмосферно-электрических наблюдений в приземном слое атмосферы на высокогорной станции «Пик Терскол» (3003 м над уровнем моря), полигоне «Кызбурун» Высокогорно1 о геофизического института (600 м ну м ) и в курортной зоне г Нальчика

Для суточного хода градиента потенциала электрического поля V , измеренного на станции «Пик Терскол», характерен континентальный тип с одним минимумом и одним максимумом Утренний минимум набпюдался в период времени (01 - 04 UT) и небольшой вечерний максимум в период

(19 - 20 1Л) Среднее значение V составило 280 В/м, ампптда колебании окочо 60%

Суточный ход электрических проводимое гей выражен довочьно четко явной зависимости суточного хот напряженности от суточного хода проводи мое I ей не иросчеживается Средние значения полярных проводимостеи Л. и /_сос1авили соответственно 25 фСм/м и 8 фСм/м Наблюдался небольшой минимум иопожитечьнои проводимости Я, равный примерно 23 фСм/м который был получен в период (15 - 21 иТ)

Среднее значение полною вертикальною тока /« составило 9,1 пА/м", среднее значение ¡„р составило 9,5 пА/м2 Суточный ход характеризуется наличием одного минимума в период времени (01 - 04иТ) и двух максим\мов (06 - 12 иТ) и (19 - 21 иТ) Ток проводимости не имеет вечерне! о максиму ма

Среднее значение \ на станции «Кызбхрун» составило 63 В/м Максимальный разброс составит от 40 до 100 В/м Суточный ход имеет утренний минимум (02 - 04 1!Т), дневной максимум (08 - 12 иТ) и вечерний максимум (19 - 21 иТ) Сречнее значение Я составило 19,6 фСм/м, с минимумом 15-16 фСм/м в период (07 - 14 иТ) Среднее значение_/„ составило 0,9 пА'м" и не имеет четко выраженных экстремумов

Дневные (120-150%) и вечерние максимумы (102 - 106%) па станциях «Кызбурун» и «Пик Терскоч» распочагаются практически в одинаковое

Таблица 2

Средние трехчасовые значения V' Я±,]„г у» на «Пике Терскот» _и апаниии «Кызбурун»_

ит 0-3 3-6 6-9 9-12 12-15 15-18 18-21 21-24

Кьибурчн ьт 20-23 23-02 02-05 05-08 08-И 11-14 14-17 17-20

август V' 41 55 82 90 73 55 57 49

2003 к 21 21 16 15 19 21 22 22

,10 1 0,9 I 1 0,9 1 0,8 0,9 1

Пик V' 180 260 340 340 350 290 280 240

Терсксл к 25 28 27 ~ 27 25 21 21 25

июль- X. 9 9 9 8 7 7 6 8

август ,!пр 6 10 13 12 11 8 7 8

2004 ,10 6 10 12 11 8 8 11 7

Пик V' 190 250 300 320 280 250 300 260

Тереке 1, Ач 11 13 11 9 10 12 11 10

иють- 1 8 "8 "б 5 6 ~ 4 2

авг\С1 ,1пр 15 12 13 16 16 14 19 21

2005 ,Ю 6 8 9 10 8 7 7 7

иТ - гринвичское время, ЬТ - местное время, V - В/м, фСм/м,]пр, и ]„ у,,,, - пА/м:

время (08 - 12 иТ) и (19 - 21 ЬТ) соответственно Коэффициеш коррекции межд\ часовыми значениями электрическою но 1я «Пик Терскол» «Кызбурун» следующие к,,,,, -0,85

Для сравнительною анализа аналогичные атмосферно-нскфическис наб подения проведены в курортной зоне г Нальчика (400 м н у м ) Получены характерные значения и вариации электрических величии

На основе проведенною анализа можно едешь вывод, чго в вариациях электрического поля и плотности тока в высокогорных ус ювиях проявляются элементы [ лобальной унитарной вариацией потенциала ионосферы Причиной локальных вариаций электрического поля является объемный заряд, создаваемый легкими ионами в приземном слое шмосферы

Таким образом, данные лтмосферно-элекгрических наблюдений, проведенных в горных районах и на равнине, свиде1ельствуют о существенном влиянии > гектродного эффекта в приземном с юс на его электрические характеристики Это влияние осложняется воздействием метеорологических факторов ионизацией воздуха и наличием загрязнений в атмосфере

В заключении приводятся результаты и выводы, попченные в диссертационной работе

Основные результаты диссертационной работы

1 Разработана модель гидротермодинамического состояния приводного слоя с учетом турбулентного перемешивания и конвективного переноса Рез\ тыаты численного эксперимента показали, что распределения температуры и влажности воздуха по высоте в значительной степени обусловлены турбулентностью и конвективной неустойчивостью Наличие водяного пара вблизи морской поверхности и как следствие этого фазового перехода пар-вода обуславливает возникновение инверсии температуры в приводном слое Конвективный перенос увеличивает температурную инверсию и масштаб ее распределения по высоте, а также уменьшает градиент влажности возду ха

2 Разработана модель электрического состояния нестационарного приземного слоя с учетом турбулентного перемешивания и конвективного переноса Проведено аналитическое исследование уравнений турбулентного электродного эффекта применительно к приземному слою с учетом конвективного переноса Выявлены условия, когца конвективный перенос аэроионов играет значительную роль, несмотря на турбулентное перемешивание, механизм которого конкурирует с конвекцией Установлено что при слабом турбулентном перемешивании и повышенной ионизации воздуха возможно появление отрицательного объемного заряда, когда напряженность электрического поля принимает высокие значения Усиление конвективного перемешивания увеличивает масштаб распределения объемного заряда по высоте При этом параметры электродного эффекта вблизи поверхности земли меняются незначительно Совместное действие конвективного переноса и повышенной интенсивности ценообразования приводят к увеличению электродного эффекта и толщины электродного слоя

3 Проведены градненгные измерения метеорологических характеристик в акватории Таганрогского залива Азовского моря в 2000 и 2001 и Выявлено наличие относительно \сгоичивого во времени ноложитетьного градиента температуры над водной поверхностью зависящего от числа Ричардсона (Ил) При положительном 1Ъ температурная инверсия имеет место на всех уровнях наблюдения (устойчивая стратификация) В случае отрицательного Ят высота слоя инверсии составляет не более 1 метра (неустойчивая стратификация), поскольку увеличение турбупентного перемешивания приводит к уменьшению инверсии температуры и ее масштаба по высоте Процессы фазового перехода существенны в приводном слое, что объясняет инверсное распределение температуры с минимумом на поверхности во всем приводном слое

4 Рассчитаны значения турбулентного потока тепла и затрат тепла на испарение На высоте 1 м поручены максимальные значения турбу тентного потока тепла и минимальные значения затрат тепла на испарение 11огери тепла на испарение значительно больше поступления радиации за счет длинноволнового обмена Баланс тепла над водной поверхностью достигается благодаря поступлению тепла (за счет солнечной радиации) сверху и снизу-путем теплопроводности Вследствие чего наблюдается инверсное распределение температуры над поверхностью воды

5 Установлено что на уровнях 0,15-0 5 и 0,5-1 м механизм образования температурной инверсии различен На первом уровне преобладает действие испарения, происходит рост турбулентного потока тепла и уменьшение значений затрат тепла на испарение Здесь формирование профиля температуры существенным образом обусловлено фазовым переходом вода<->пар На втором уровне преобладают процессы конденсации, затраты тепла на испарение растут и меняют знак, турбулентный поток тепла падает Проведенные исследования показали очевидное влияние температуры поверхности водоема и метеорологических параметров на термическую и плотностную структуру приводного слоя атмосферы

6 Проведены атмосферно-электрические наблюдения в приземном слое в горной местности Исследованы вариации градиента потенциала, полярных проводимостей, плотности тока и плотности заряда в приземном слое Уставлен вклад глобальных и локальных факторов на пространственно-временные распределения электрических характеристик приземного слоя атмосферы

Диссертационная работа выпотена при частичной финансовой поддержке Американского фонда гражданских исстедований и развития (СЯОР, проект ЯЕС- 004)

Основное содержание диссертации имо/нсно в следующих работах

1 Бо иырев АС Экспериментальные исс 1едования процессов в приводном с юе Тезисы докладов 7-и Всероссийской научной конференции студешов-физиков и молодых ученых Санкт-Петербург 2001 с 533-534

2 Болдырев А С , Клово А Г Куповых I В , Марченко А Г . Сухинов А И , Фатеева В А Гидротермодинамические процессы в приводном спое атмосферы Сборник научных трудов 8-и международной конференции «Матемашческие модет физических процессов и их свойства» Таганрог 2002, с 115-119

3 К юво А Г , Куповых Г В , Панчишкина ИИ, Петров А И , Петрова Г Г , Бо 1дырев АС, Марченко А Г Исследования шдро термодинамических процессов в приводном слое Материалы Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы, Нальчик 2001, М Гидрометеоиздат 2003 с 118-121

4 Бо иырев А С, Клово Л Г, Куповых Г В и др Особенности метеорологического режима приводного стоя атмосферы Известия ТРТУ, №1, 2003, с 176-180

5 Ботдырев АС, Куповых ГВ, Литвинова И С, Марченко А Г О связи электрического поля с объемным зарядом в приземном слое атмосферы // Известия высших учебных заведений Сев-Кав регион Естественные науки, Приложение №3, 2003, с 42-45

6 Болдырев АС, Куповых Г В Литвинова ПА, Марченко А Г Вариации электрического поля в приземном слое Сб научных трудов 5-й Российской конференции по атмосферному электричеству Т 1, Владимир, Изд-во ВлГУ 2003, с 104-106

7 Болдырев АС, Куповых ГВ, Литвинова ИС, Марченко А Г Электрическое поле и объемный заряд в нижнем слое атуюсферы Сб научных трудов 9-й утждународной конференции «Матеуттические модели физических процессов», Таганрог, Изд-во ТГПИ 2003, с 79-82

8 Болдырев А С , Куповых Г В , Литвинова И С Модель электрического состояния приземного слоя атмосферы с учетом конвективного переноса Сб научных трудов 9-й международной конференции «Математические модели физических процессов», Таганрог, Изд-во ТГПИ 2006, с 207-209

9 Аджиев А X, Куповых Г В , Болдырев А С , Марченко А Г , Литвинова И С Электрическое состояние атмосферы в районе Эльбруса // Материалы Всероссийской конференции по селям Нальчик 2005 Изд-во ЛКИ Москва 2007, с 161-166

10 Куповых ГВ, Морозов ВН, Клово А Г, Болдырев АС Формирование электродинамической структуры приземного слоя Сборник трудов VI Российской конференции по атмосферному электричеству, 2007, ИПФ РАН, г Нижний Новгород 2007, с 83-84

11 Аджиев А X , Куповых Г В , Болдырев А С Атмосферно-электрические наблюдения на пике Терскол Сборник трудов 6-й Российской конференции по атмосферному электричеству, 2007, ИПФ РАН, г Нижний Новгород, с 203-204

12 Kupo\\kh G Bold\rev A Alpine Atmospheric Electricity Monitoring on the Peak Ferskol in 2004-2005 International Conference on Atmospheric Electricity ICAE 2007 Bei)ing China p 108-111

13 Куповых ГВ, Клово А Г Болдырев AC, Редин А А Моделирование электрического состояния нестационарного приземного слоя с учетом турбулентного и конвективного переносов // Материалы 12-й международной конференции «Математические модели физических процессов» Т 1 Таганрог 2007, с 183-187

Личный вклад соискателя по перечисленным работам может быть определен следующим образом

- работы 3, 5, 6 - выполнены на паритетной основе,

- работы 2, 7, 8, 13 - постановки задач выполнены совместно, расчеты и анализ результатов принадлежат соискателю,

- работы 1, 4, 9, 10, 11, 12 - экспериментальная часть выполнена совместно, анализ результатов принадлежит соискателю

Подписано к печати 24 07 08г Формат 60x84 Ч

Бумага офсетная Печать офсетная

Уел и л - 1 1 Уст -изд л 1 2 Тираж 100 экз Заказ № 161

«С»

Издательство Таганрогского технологического института Южного федеральною университета, ГСП-17А, Таганрог-28, Некрасовский пер 44 Типография Таганрогского технологического института Южного федерального университета ГСП-17А, Таганрог-28, Энгельса, 1

ВВЕДЕНИЕ.

1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПРИВОДНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ.

1.1 Состояние проблемы исследования приводного слоя атмосферы.

1.2 Анализ основных гидро- и термодинамических уравнений применительно к приводному слою.

1.3 Постановка задачи о численном моделировании.

1.4 Численная схема решения и ее устойчивость.

1.5 Результаты численного моделирования.

Основные результаты главы 1.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ.

2.1 Постановка задачи о моделировании электрической структуры приземного слоя с учетом турбулентного и конвективного переносов.

2.2 Анализ уравнений электродного эффекта в атмосфере с учетом турбулентного и конвективного переносов.

2.3 Численная схема решения и ее устойчивость.

2.4 Анализ результатов численного моделирования.

2.4.1 Моделирование структуры электродного слоя в различных физических условиях.

Основные результаты главы 2.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ В ПРИЗЕМНОМ (ПРИВОДНОМ) СЛОЕ АТМОСФЕРЫ.

3.1 Исследования гидротермодинамического состояния приводного слоя атмосферы.

3.1.1 Приборы и методика градиентных измерений характеристик приводного слоя.'.

3.1.2 Распределение температуры в приводном слое.

3.1.3 Турбулентный поток тепла и затраты тепла на испарение.

3.1.4 Корреляционный анализ рядов метеорологических параметров.

3.2 Экспериментальные исследования электрических характеристик приземного слоя.

3.2.1 Описание пунктов наблюдений за атмосферным электричеством.

3.2.2 Аппаратура для проведения наблюдений.

3.3 Результаты экспериментальных наблюдений и их анализ.

Основные результаты главы 3.

Исследования процессов, протекающих в пограничном и приземном слоях атмосферы, занимают особое место в современной науке. В приземном (приводном) слое существенным образом проявляются эффекты взаимодействия атмосферы с подстилающей поверхностью. Это свойство определяет влияние протекающих здесь процессов не только на весь пограничный слой, но и на всю атмосферу в целом. Примеси, осаждающиеся в приземном (приводном) слое, с турбулентными вихрями вновь уносятся в атмосферу. Турбулентные течения вблизи поверхности во многом определяют турбулентность всей атмосферы. Кроме этого, через водную поверхность осуществляется газообмен между водной поверхностью и приводным слоем атмосферы, причем благодаря диффузии и перемешиванию газы равномерно распределяются в объёме воды. При нормальных условиях поверхностный слой воды насыщен газом в соответствии с его содержанием в атмосфере и давлением.

С другой стороны, метеорологические процессы оказывают существенное влияние на электрические процессы приземного слоя и гидротермодинамические процессы в приводном слое. Установление связей между этими процессами является необходимым и в ряде случаев достаточным условием для решения многочисленных вопросов геофизики.

Основные трудности изучения приземного (приводного) слоя заключаются в сложном взаимодействии атмосферы с поверхностью, поскольку само состояние поверхности зависит от движения воздушных масс над ней. В частности, в приводном слое происходит поступление водяного пара. В результате над морской поверхностью формируются устойчивые во времени структуры, такие например, как температурная инверсия. Наличие температурной инверсии в приводном слое определяет особенности распределения его гидротермодинамических характеристик - турбулентного потока тепла, затрат тепла на испарение, плотности водяного пара.

Совершенно очевидно, механизмы образования термодинамического состояния приземного и приводного слоев различны. Для более четкого понимания зависимости составляющих теплового баланса и метеорологических параметров приводного слоя атмосферы и положительного градиента температуры была построена математическая модель на основе численных методов.

Данные многолетних измерений показывают существование в невозмущенной атмосфере электрического поля напряженностью порядка 100 В/м и электрического тока плотностью порядка 10"12 А/м2, при этом электрические процессы в приземном слое определяется так называемым «электродным эффектом», под которым понимается совокупность процессов, происходящих вблизи электрода (поверхности земли), помещенного в ионизированную среду (атмосферу) и приводящих к появлению зависимости электрических характеристик от расстояния до его поверхности. Как показывают многочисленные исследования, присутствие аэрозоля, а также метеорологические факторы оказывают определенное влияние на параметры атмосферного электричества, толщину и характер электродного эффекта. Выделяют два предельных случая электродного эффекта в зависимости от метеорологических факторов: классический и турбулентный. Классический электродный эффект проявляется в условиях отсутствия или слабого турбулентного перемешивания воздуха. В реальных условиях вблизи поверхности Земли вследствие взаимодействия горизонтального ветра с подстилающей поверхностью и нагревания поверхности, приводящего к появлению конвективных движений, классический электродный эффект переходит в турбулентный электродный эффект.

Несмотря на многочисленные исследования в этой области, остаются нерешенными многочисленные вопросы и проблемы, связанные с описанием взаимосвязи аэроионов (аэрозолей) и электродного эффекта, метеорологических факторов и распределения электрических характеристик. Математическое моделирование электрического состояния приземного слоя и гидротермодинамических процессов в приводном слое является заключительным этапом сложного комплекса работ по проведению наблюдений, сбору данных и их анализа и обработки. Применение численных методов, построение теоретических моделей расширяет возможности исследователя, а их совершенствование позволяет уйти от целого ряда упрощений и стилизаций с целью получения теоретических результатов, наиболее согласованных с экспериментальными данными.

Цель работы состоит в теоретическом и экспериментальном исследовании электрических и гидротермодинамических процессов в приземном и приводном слоях атмосферы в различных метеорологических и физических условиях. Для достижения поставленной цели решены следующие научные задачи:

1. Проведены экспериментальные исследования гидротермодинамических характеристик приводного слоя в акватории Азовского моря. Установлено существование температурной инверсии вблизи водной поверхности.

2. Построена нестационарная модель гидротермодинамического состояния горизонтально-однородного приводного слоя с учетом турбулентного и конвективного переносов. Теоретически исследован механизм образования инверсии в различных условиях.

3. Построена нестационарная модель электрического состояния горизонтально-однородного турбулентного приземного слоя с учетом конвективного переноса в атмосфере.

4. Исследована электрическая структура приземного слоя атмосферы в зависимости от метеорологических и физических условий.

5. Проведены атмосферно-электрические наблюдения в приземном слое атмосферы в горных районах Северного Кавказа. Получены новые данные об электрических характеристиках приземного слоя атмосферы в условиях горной местности.

Научная новизна работы.

1. Разработана модель гидротермодинамического состояния приводного слоя атмосферы с учетом турбулентного перемешивания и конвективного переноса.

2. Изучены механизмы образования температурной инверсии в приводном слое. Исследовано влияние турбулентного перемешивания и конвективного переноса на масштаб распределения температуры и влажности воздуха по высоте.

3. Разработана модель электрического состояния нестационарного горизонтально-однородного приземного слоя и исследовано влияние турбулентного перемешивания и конвективного переноса на электрические характеристики атмосферы вблизи поверхности земли.

4. На основе градиентных измерений метеорологических параметров приводного слоя атмосферы в акватории Азовского моря исследована гидротермодинамическая структура приводного слоя и составляющие теплового баланса.

5. Экспериментально исследованы электрические характеристики приземного слоя в горной местности.

Научная н практическая значимость работы состоит в теоретическом и экспериментальном исследованиях гидротермодинамического состояния приводного слоя, механизмов образования температурной инверсии в приводном слое, а также электрического состояния приземного слоя атмосферы в условиях действия турбулентного перемешивания и конвективного переноса.

Полученные в диссертационной работе положения и результаты могут быть использованы:

- при построении моделей гидротермодинамического состояния приводного слоя, учитывающих турбулентное перемешивание и конвективный перенос;

- при построении моделей электрического состояния атмосферы, учитывающих турбулентное перемешивание и конвективный перенос в приземном слое;

- для решения задач дистанционного зондирования атмосферы и океана;

- для развития методов погодного и климатического прогнозов;

- для анализа данных наземных атмосферно-электрических наблюдений;

- для создания системы глобального мониторинга атмосферы.

Достоверность и обоснованность результатов диссертационного исследования подтверждается статистически надежными данными о термодинамической структуре приводного слоя и атмосферно-электрическими наблюдениями в горной местности, корректностью поставленных задач моделирования и методов их решения, а также хорошим согласованием теоретических и экспериментальных результатов.

В рамках сформулированной в работе проблемы на защиту выносятся следующие результаты и положения:

1. Модель гидротермодинамического состояния приводного слоя с учетом турбулентного перемешивания и конвективного переноса.

2. Результаты экспериментальных исследований гидротермодинамической структуры приводного слоя атмосферы в различных метеорологических условиях.

3. Механизм образования температурной инверсии вблизи водной поверхности.

4. Модель электрического состояния нестационарного приземного слоя с учетом турбулентного перемешивания и конвективного переноса.

5. Результаты экспериментальных исследований электрических характеристик приземного слоя в горной местности.

Публикации результатов и личный вклад автора.

Основные результаты диссертационного исследования изложены в 13 работах (из них 2 статьи в реферируемых журналах).

Соискатель принимал непосредственное участие в проведении экспериментальных исследований, обработке результатов измерений, проведении анализа экспериментальных данных. Постановки задач выполнены совместно с научным руководителем. Автору принадлежат реализация численных моделей, проведение расчетов и их интерпретация.

Ценная помощь в постановке задачи моделирования и выбора численного метода решения оказана доц. А.Г. Клово.

Обсуждение отдельных разделов работы проводилось с проф. Г.Г.Щукиным и проф. А.И. Сухиновым.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-7, г.Санкт-Петербург, 2001), 8, 9 и 12-й Международных конференциях «Математические модели физических процессов и их свойства» (Таганрог, 2002, 2006, 2007), Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы (Нальчик, 2001), 5 и 6-й Российских конференциях по атмосферному электричеству (Владимир, 2003; Нижний Новгород, 2007), Всероссийской конференции по селям (Нальчик 2005), International Conference on Atmospheric Electricity ICAE 2007 (Beijing, China), научных семинарах кафедры физики Таганрогского государственного радиотехнического университета (Таганрог, 2005 - 2008).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы. Общий объем работы составляет 129 страницы, включая 26 рисунков, 9 таблиц. Список литературы содержит 116 наименований.

Основные результаты главы 3

1. Проведены экспериментальные исследования метеорологических величин в акватории Таганрогского залива Азовского моря в 2000 и 2001 гг. Данные градиентных наблюдений показали наличие относительно устойчивой во времени температурной инверсии, зависящей от числа Ричардсона. При положительном /?,• температурная инверсия имеет место на всех уровнях наблюдения (устойчивая стратификация). В случае отрицательного Я,- высота слоя инверсии составляет не более 1 метра (неустойчивая стратификация), поскольку увеличение турбулентного перемешивания приводит к уменьшению инверсии температуры и её масштаба по высоте.

2. Рассчитаны средние значения виртуального добавка, которые составили 3,9°С; 2,3°С; 2,8°С соответственно в 2000 г. над водой, в 2001 г. над водой и в 2001 г. над сушей. В приземном слое атмосферы значения виртуального добавка намного меньше, чем над водой. Установлено, что процессы формирования профиля температуры в приводном и приземном слоях различны. Над сушей влияние процессов испарения и конденсации на формирование профиля температуры значительно меньше, чем над водой. Это во многом определяет неинверсное распределение температуры в приземном слое.

4. Проведен анализ профилей виртуальной температуры, виртуального добавка и истинной температуры. Показано, что виртуальный добавок имеет большое значение на высоте до 1 метра. Профиль истинной температуры практически совпадает с профилем измеренной температуры, как в случае над земной, так и над водной поверхностями. Сделан вывод о том, что процессы фазового перехода существенны в приводном слое, что объясняет инверсное распределение температуры с минимумом на поверхности во всём приводном слое.

5. Получены значения турбулентного потока тепла и затрат тепла на испарение. На высоте 1 м получены максимальные значения турбулентного потока тепла и минимальные значения затрат тепла на испарение. Проведен совместный анализ значений турбулентного потока тепла и затрат тепла на испарение с данными расчёта виртуального добавка и виртуальной температуры. Сделан вывод о том, что потери тепла на испарение значительно больше поступления радиации за счёт длинноволнового обмена. Баланс тепла над водной поверхностью достигается благодаря поступлению тепла (за счёт солнечной радиации) сверху и снизу путём теплопроводности. Вследствие чего наблюдается инверсное распределение температуры над поверхностью воды.

6. Сделан вывод о том, что на уровнях 0,15-0,5 и 0,5-1 м причины образования температурной инверсии различны. На первом уровне преобладает действие испарения, происходит рост турбулентного потока тепла и уменьшение значений затрат тепла на испарение. Здесь формирование профиля температуры существенным образом обусловлено фазовым переходом вода<->пар. На втором уровне преобладают процессы конденсации, затраты тепла на испарение растут и меняют знак, турбулентный поток тепла в свою очередь падает.

7. Проведены атмосферно-электрические наблюдения в приземном слое на пике Терскол (2004-2005гг.), полигоне Кызбурун (2003 г.), принадлежащем Высокогорному геофизическому институту и в г. Нальчике (2005г.). Исследованы вариации градиента потенциала, полярных проводимостей, плотности тока и заряда в приземном слое. Уставлен вклад локальных факторов на распределение электрических характеристик.

8. Исследовано влияние плотности объемного заряда на вариации градиента потенциала электрического поля. На основе корреляционного анализа и теоретических расчетов следует, что объемный заряд является вероятной причиной возникновения локального максимума в вариациях электрического поля и тока в дневные часы.

116

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итогом диссертационной работы являются следующие результаты и выводы:

1. Разработана модель гидротермодинамического состояния приводного слоя с учетом турбулентного перемешивания и конвективного переноса. Результаты численного эксперимента показали, что температурная инверсия и распределение влажности воздуха по высоте в значительной степени обусловлены турбулентностью и конвективной неустойчивостью. Наличие конвективного переноса увеличивает температурную инверсию и масштаб её распределения по высоте, а также уменьшает градиент влажности воздуха. При этом профиль распределения влажности имеет экспоненциальный характер.

2. Разработана модель электрического состояния нестационарного приземного слоя с учетом турбулентного перемешивания и конвективного переноса. Проведено аналитическое исследование уравнений турбулентного электродного эффекта с учетом конвективного переноса. Выявлены условия, когда конвективный перенос аэроионов играет значительную роль, несмотря на турбулентное перемешивание, механизм которого конкурирует с конвекцией. Установлено, что при слабом турбулентном перемешивании и повышенной ионизации воздуха возможно появление отрицательного объемного заряда, когда напряженность электрического поля принимает высокие значения. Усиление конвективного перемешивания увеличивает масштаб распределения объемного заряда по высоте. При этом значения электродного эффекта вблизи поверхности земли меняются незначительно. Совместное действие конвективного переноса и повышенной интенсивности ценообразования приводят к увеличению электродного эффекта и толщины электродного слоя.

3. Проведены градиентные измерения метеорологических характеристик в акватории Таганрогского залива Азовского моря в 2000,

2001 гг. На основе полученных данные проведены расчеты гидротермодинамических параметров приводного слоя на всех уровнях наблюдения, построены соответствующие профили. Выявлено наличие относительно устойчивого во времени положительного градиента температуры над водной поверхностью, зависящего от числа Ричардсона (Ш). При положительном Ш температурная инверсия имеет место на всех уровнях наблюдения (устойчивая стратификация). В случае отрицательного Ш высота слоя инверсии составляет не более 1 метра (неустойчивая стратификация), поскольку увеличение турбулентного перемешивания приводит к уменьшению инверсии температуры и её масштаба по высоте.

4. Осуществлен анализ полученных данных измерений и расчетов. Показано, что виртуальный добавок имеет большое значение на высоте до 1 метра. Процессы фазового перехода существенны в приводном слое, что объясняет инверсное распределение температуры с минимумом на поверхности во всём приводном слое. Полученные значения турбулентного потока тепла и затрат тепла на испарение хорошо согласуются с данными других авторов. На высоте 1 м получены максимальные значения турбулентного потока тепла и минимальные значения затрат тепла на испарение. Потери тепла на испарение значительно больше поступления радиации за счёт длинноволнового обмена. Баланс тепла над водной поверхностью достигается благодаря поступлению тепла (за счёт солнечной радиации) сверху и снизу путём теплопроводности. Вследствие чего наблюдается инверсное распределение температуры над поверхностью воды.

5. Установлено, что на уровнях 0,15-0,5 и 0,5-1 м образования температурной инверсии различен. На первом уровне преобладает действие испарения, происходит рост турбулентного потока тепла и уменьшение значений затрат тепла на испарение. Здесь формирование профиля температуры существенным образом обусловлено фазовым переходом водаопар. На втором уровне преобладают процессы конденсации, затраты тепла на испарение растут и меняют знак, турбулентный поток тепла в свою очередь падает. Проведенные исследования показали очевидное влияние температуры поверхности водоема и метеорологических параметров на термическую и плотностную структуру приводного слоя атмосферы.

6. Проведены атмосферно-электрические наблюдения в приземном слое в горной местности. Исследованы вариации градиента потенциала, полярных проводимостей, плотности тока и плотности заряда в приземном слое. Уставлен вклад глобальных и локальных факторов на пространственно-временные распределения электрических характеристик приземного слоя атмосферы.

119

1. Аджиев А.Х., Куповых Г.В. Атмосферио-электрические явления на Северном Кавказе. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2004. 137 с.

2. Аджиев А.Х., Куповых Г.В., Болдырев A.C. Атмосферно-электрические наблюдения на пике Терскол. Сборник трудов VI Российской конференции по атмосферному электричеству, 2007, ИПФ РАН, г. Нижний Новгород, с. 203-204.

3. Аджиев А.Х., Куповых Г.В., Болдырев A.C., Марченко А.Г., Литвинова И.С. Электрическое состояние атмосферы в районе Эльбруса // Материалы Всероссийской конференции по селям. Нальчик 2005. Изд-во: ЛКИ. Москва. 2007, с. 161-166.

4. Азизян Г.В., Волков Ю.А., Соловьев A.B. Экспериментальное исследование термической структуры тонких пограничных слоев океана и атмосферы. Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, т. 20, №6,1984, с. 511-519.

5. Аксенов В.Н., Андреев Е.Г., Кузьмин К.Е. Натурные наблюдения профилей температуры в тонком приводном слое атмосферы над морем. Вестник Московского университета, серия 3. Физика, астрономия, 1985, т. 26, №6, с. 79-81.

6. Анисимов C.B., Мареев Е.А. Аэроэлектрические структуры в атмосфере // Доклады РАН, 371, № 1, 2000. С. 101-104.

7. Анисимов C.B., Мареев Е.А., Шихова Н.М. Аэроэлектрические структуры // Сб. научных трудов 5-й Российской конференции по атмосферному электричеству. Т.1. Владимир: Изд-во ВлГУ, 2003. С. 14-17.

8. Анисимов C.B., Мареев Е.А., Шихова Н.М. Спектры турбулентных аэроэлектрических пульсаций // Сб.научных трудов 5-й Российской конференции по атмосферному электричеству.Т. 1. Владимир: Изд-во ВлГУ, 2003. С. 109-112.

9. Анисимов C.B., Мареев Е.А., Шихова Н.М., Дмитриев Э.М. Механизмы формирования спектра пульсаций электрического поля приземной атмосферы // Известия вузов. Радиофизика. T. XLIV, №7, 2001. С. 562-575.

10. Атмосфера: справочник (справочные данные, модели). -Ленинград: Гидрометеоиздат. 1991.

11. П.Афиногенов Л.П., Грушин С.И., Романов Е.В. Аппаратура для исследований пршемнош слоя атмосферы.- Ленинград: Гидрометеоиздат. 1977.

12. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. С. 17-78.

13. Болдырев A.C., Литвинова И.С. Исследование корреляционных зависимостей электрических характеристик приземного слоя. Тезисы студенческой конференции РГПУ 2004г., г. Ростов-на-Дону, часть 2, с. 41-42.

14. Болдырев A.C. Экспериментальные исследования процессов в приводном слое. Тезисы докладов 7-й Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых, Санкт-Петербург, 2001, с. 533-534.

15. Болдырев A.C., Клово А.Г., Куповых Г.В. О взаимодействии аэрозольных частиц с аэроионами в приземном слое атмосферы. Таганрог: Известия ТРТУ, №3,2005.

16. Болдырев A.C., Клово А.Г., Куповых Г.В. и др. Особенности метеорологического режима приводного слоя атмосферы . Известия ТРТУ, №1.2003.с. 176-180.

17. Болдырев A.C., Клово А.Г. Постановка задачи о построении нестационарной модели диффузии аэрозольных частиц в применении к задачам атмосферного электричества. Таганрог: Известия ТРТУ, №3, 2006.

18. Болдырев A.C., Куповых Г.В., Литвинова И.А., Марченко А.Г. Вариации электрического поля в приземном слое. Сб.научных трудов 5-й Российской конференции по атмосферному электричеству. Т.1, Владимир, Изд-во ВлГУ. 2003г., с. 104-106.

19. Болдырев A.C., Куповых Г.В., Литвинова И.С., Марченко А.Г. О связи электрического поля с объемным зарядом в приземном слое атмосферы. //Известия высших учебных заведений. Сев.-Кав. регион. Естественные науки, Приложение №3, 2003. С.42-45.

20. Болдырев A.C., Литвинова И.А. Изучение влияния аэрозоля на распределение электрических параметров в приземном слое атмосферы. Тезисы докладов 9-й Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых, Красноярск, 2003. с. 565-568.

21. Брикар Дж. Влияние радиоактивности и загрязнений на элементы атмосферного электричества // Проблемы электричества атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. С. 68 105.

22. Будников A.A. Механизм формирования упорядоченных структур в приводном слое атмосферы и их роль в процессах тепло- и массообмена океана и атмосферы, Диссертация на соискание ученой степени доктора физмат. Наук. 2004.

23. Будников A.A., Хунджуа Г.Г. Роль плотностной структуры приводного слоя атмосферы в тепло- и массообмене между атмосферой и океаном. Вестн. Моск. ун-та. Сер. 3, Физика. Астрономия. 2001 . N 2. С. 51-53.

24. Ваюшина Г.П., Куповых Г.В., Мартынов A.A., Соколенко Л.Г. и др. Результаты наблюдений за атмосферным электричеством на горной станции Пик Чегет в Приэльбрусье // Труды ГТО, Вып. 545, С.-Пб.: Гидрометеоиздат, 1995. С. 36-46.

25. Волков К. Н. Разработка и реализация алгоритмов численного решения задач механики жидкости и газа // Вычислительные методы и программирование. 2007. 8, № 1. 197-21.

26. Ерохин В.Н., Канаев A.C., Куповых Г.В. и пр. Анализ результатов синхронных измерений Е в Приэльбрусье и на Кольском полуострове // Результаты исследований по международным геофизическим проектам. Магнитосферные исследования.- М. 1990, № 15. С. 44 47.

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

28. Имянитов И. М., Чубарина Е. В. Электричество свободной атмосферы. JL: Гидрометеоиздат, 1965. 240 с.

29. Клово А.Г., Куповых Г.В. // Моделирование гидродинамических процессов в приводном слое атмосферы. Мат-лы всерос. научн. конф. «Математическое моделирование в научных исследованиях», ч.П, Ставрополь, 2000.

30. Колоколов В.П., Шварц Я.М. Методы наблюдений элементов атмосферного электричества (обзор). Обнинск, 1976. 64 с.

31. Красногорская Н. В. Электричество нижних слоев атмосферы и методы его измерения. Л.: Гидрометеоиздат, 1972. 323 с.

32. Куповых Г.В., Болдырев A.C., Литвинова И.С, Марченко А.Г. О связи электрического поля с объемным зарядом в приземном слое атмосферы. Известия высших учебных заведений. Сев.-Кав. регион. Естественные науки. Приложение №3, 2003, с. 42-45.

33. Куповых Г.В., Мартынов A.A. Наблюдения за атмосферным электричеством на высокогорной станции «пик Чегет» // Тезисы докладов IV Всесоюзного симпозиума по атм. эл-ву, Нальчик 1990. С.57.

34. Куповых Г.В., Морозов В.Н. К вопросу о моделировании электрического состояния атмосферы в горных районах // Тезисы докладов IV Всесоюзного симпозиума по атмосферному электричеству, Нальчик, 1990, С.46.

35. Куповых Г.В., Морозов В.Н. Нестационарные электрические процессы в приземном слое атмосферы // Известия высших учебных заведений. Сев.-Кав. Регион. Естественные науки, №4, 2001. С.82-85.

36. Куповых Г.В., Морозов В.Н. Классический (нетурбулентный) электродный эффект в приземном слое // Известия высших учебных заведений. Сев.-Кав. регион. Естественные науки, №2, 2003, с.43-46.

37. Куповых Г.В., Морозов В.Н., Клово А.Г., Болдырев A.C., Формирование электродинамической структуры приземного слоя. Сборник трудов VI Российской конференции по атмосферному электричеству, 2007, ИПФ РАН, г. Нижний Новгород, с. 83-85.

38. Куповых Г.В., Морозов В.Н., Шварц Я.М. Моделирование электрогидродинамических процессов в приземном слое // Сб. научных трудов 5-й Российской конференции по атмосферному электричеству. Т.1, Владимир: Изд-во ВлГУ, 2003г. С. 101-103.

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

40. Лайхтман Д. JT. Физика пограничного слоя атмосферы. JI.: Гидрометеоиздат, 1970. 342 с.

41. Мареев Е.А., Мареева O.B. Нелинейные структуры электрического поля и заряда в приземном слое атмосферы // Геомагнетизм и аэрономия, Т.39, №6, 1999.С. 74-79.

42. Матвеев JI.T. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы.-Ленинград: Гидрометеоиздат. 1984.

43. Милин В.В. Ионизация воздуха в приземном слое и свободной атмосфере // Ученые записки Кировского пединститута. Вып. 8, 1954. С. 310.

44. Милин В.В. Распределение электрического поля и плотности объемных зарядов в связи с турбулентным перемешиванием в атмосфере // Ученые записки Кировского пединститута. Вып. 8. 1954. С. 11 20.

45. Милин В.В., Малахов С.Г. Проводимость воздуха и турбулентные перемешивания в атмосфере // Известия АН СССР. Серия геофиз. № 3.1953. С. 264 -270.

46. Монин A.C., Обухов А.Н. Основные закономерности турбулентного перемешивания в приземном слое атмосферы. // Труды Геофизического института АН СССР. №24 (151), 1954.С.163 187.

47. Монин A.C., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. JI.: Изд-во «Наука», 1965. Т. 1. 639 с.

48. Морозов В.Н. Атмосферное электричество // Атмосфера. Справочник (справочные данные, модели). JL: Гидрометеоиздат, 1991. С. 394 408.

49. Морозов В.Н. Модели глобальной атмосферно-электрической цепи. Обзор. Обнинск, ВНИИГМИ МВД, 1981. 50 с.

50. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Выпуск 3. Часть I. Л.: Гидрометеоиздат, 1985.

51. Нездоров Д.Ф. Инспекция метеорологической сети. Л: Гидрометеоиздат, 1955.

52. Орленко Л. Р. Строение планетарного пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат. 1979. 270 с.

53. Парамонов H.A. Об унитарной вариации градиента атмосферно-электрического потенциала // ДАН СССР. Т.70. № 1.

54. Пудовкина И. Б. Исследование атмосферного электричества на Эльбрусе // Изв. АН СССР. Сер. Геофиз. 1954. № 3.

55. Руководящий документ. РД 52.04.168-2001. Методические указания. Наблюдения за атмосферным электричеством. СПб.: Гидрометеоиздат, 2002.58 С.

56. Самарский A.A., Гулин A.B. Численные методы математической физики. //2-е изд. М.: Научный мир, 2003. -316 с.

57. Селезнева Е.С., Юдин М.Ю. О закономерности вертикального распределения ядер конденсации в атмосфере. Тр. ГТО, вып. 105, 1960.

58. Смирнов A.C. Исследование влияния локальных неоднородностей морской поверхности на турбулентный обмен в атмосфере. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ-мат наук. 2007.

59. Стернзат М.С. Метеорологические приборы и измерения. Л.: Гидрометеоиздат, 1978.

60. Таммет Х.Ф. Труды по аэроионизации и электроаэрозолям II. //Ученые записки Тартуского государсгвеьшого университета. Вып. 195.Tapiy, 1967г. 243 с.

61. Таммет Х.Ф. Электрические параметры загрязненности воздуха. // Ученые записки ТГУ. Вып. 443. 1977. С. 48 51.

62. Таммет Х.Ф. Элементы атмосферного электричества как параметры загрязненности воздуха. // Труды ГГО. Вып. 418. 1979. С. 20-23.

63. Френкель ЯМ. Теория явлений атмосферного электричества Л.: ГИТА, 1949.155с.

64. Цыганкова А.П. Химия окружающей среды. М.: Химия. 1982, J.O'M. Bockris. Environmental chemistry. New York: Plenum Press. 1977.

65. Чалмерс Дж. А Атмосферное электричество. Jl: Гидрометеотдат, 1974.420 с.

66. Шварц Я. М. Электропроводность воздуха и аэрозоль //Труды ГГО Вып. 401. 1980. С. 136- 140.

67. Adkins C.J. The small ion concentration and space charge near the ground // Q.Journ.Roy.Met.Soc. V.85. 1959.P.237-252.

68. Anisimov S.V., Mareev E.A., Bakastov S.S. On the generation and evolution of the electric structures in the surface layer // J. Geoph. Res. V.104. 1999. P. 14359-14367.

69. Bechacker M. Zur Berechung des Erdfeldes unter der Voraussetzung homogener Ionisierung der Atmosphäre // Sits. Akad.der Wiss.,math.-nat. Klasse. Bd. 119,Abt. lia. 1910.S.675-684.

70. Chalmers J.A. The theory of the electrode effect I // J.Atm. and Terr.Phys. V.28. 1966a. P.565-572.

71. Chalmers J.A. The theory of the electrode effect II // J.Atm. and Terr. Phys. V.28. 1966a. P.573-579.

72. Chalmers J.A. The theory of the electrode effect III // J.Atm. and Terr.Phys. V.28. 1966a. P.1029-1033.

73. Chalmers J.A. The theory of the electrode effect IY // J.Atm. and Terr.Phys. V.29 . 1967a. P.217-219.

74. Crozier W.D. Atmospheric electrical profiles below three meters //J.Jeoph.Res. V.70. 1965. P.2785-2792.

75. Dolezalek H. Zur Methodik Luftelektrischer // Messungen Beitraege zur Geophysik. V.71-82, S.77, b3, S.161, b4, 1962. S.242.

76. Hess V.P., Kisselbach V.J., Miranda H.A. Determination of the alpharay emission of materials constituting the earth's surface. // J.Geop.Res.1956. V.56. P.265-271.

77. Hoppel W.A. ,Gathman S.G. Experimental determination of the eddy diffusion coefficient over the open ocean from atmospheric electrical measurements // J.Phys. Oceano V.2. 1972. P. 248-254.

78. Hoppel W.A. Electrode effect: comparison of the theory and measurement // In: Planetary Electrodynamics, 2, S.C.Coroniti and J.Hughes; editors: Gordon and Breach Science Publishers, New York. 1969. P. 167-181.

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

80. Hoppel W.A.,Gathman S.G. Determination of the eddy diffusion coefficients from atmospheric electrical measurements // J.GeophRes. V. 76, N 6.1971. P. 1467-1477.

81. Israel H. Atmospheric electrical and meteorological investigations in high mointain ranges // Contract AP61 Final Report. 1957. P. 514-640.

82. Israel H. Atmospheric electricity. // Ierysalem: Isr.prog. for sci.translat. V.2 1973.796 p.

83. Kupovykh G., Boldyrev A. Alpine Atmospheric Electricity Monitoring on the Peak Terskol in 2004-2005. International Conference on Atmospheric Electricity ICAE 2007. Beijing. China.

84. Kupovykh G., Morozov V, Shvartz Ya. Electrode Effect under Alpine Conditions // Proc. 11 th Int. Conf. on Atmosph. Electr.,Versailles, 2003. 4p.

85. Kupovykh G.V. Global variations of ionospheric potential in surface layer //Proc. 11 th Int. Conf. on Atmosph. Electr., Alabama, 1999. P. 555-558.

86. Kupovykh G.V. Negative space charge in surface layer // Proc. 10th Int. Conf. on Atmosph., Osaka, 1996, P. 164-167.

87. Kupovykh G.V., Morozov V.N. Modeling of the electrode effect in surface layer // Proc. 9 th Int. Conf. on Atm. El., St.Petersburg,V.2, 1992. P.615-618.

88. Latham D.G.,Poor H.W. A time dependent model of the electrode effect // J.Geoph.Res. V.77, N 15. 1972. P. 2669-2676.

89. Mareeva O.V., Mareev E.A.,Israelsson S.,Anisimov S.V. Synergetic model of space charge structures in the atmosphere // Proc. 11 th Int. Conf. on Atmosph. Electr., Alabama, 1999. P. 614-616.

90. Nichols E.H. Investigation of atmospheric electrical variations at sunrise and sunset//Proc.Roy.Soc. V.92. 1916. P. 401-408.

91. Nieuwstadt F., Driedonks E.A. The nocturnal boundary layer: a case study compared with model calculations. J. Appl. Met., v. 18, N 11, p. 1397-1405,

92. Nieuwstadt F., Van Dop H. (ed.) Atmospheric turbulence and air pollution modeling. D. Reidel. 358 p.

93. Scholz J. Theoretische Untersuchungen über die Feldund Ionenverteilung in einen ström durch flossenen Gas,dasauch schwer bevegliche Electrizitatstrager enthalt//Sitz.Akad.der Wiss., math.naturv. Klasse Bd.l40,Abt. Iia. 1931.S.49-66.

94. Schweidler E.R. Einfurinrung in die Geophysic //Sits. Akad. der Wiss., math, naturw. Klasse Bd. 140, Abt.IIa. 1931. S.49.

95. Schweidler E.R. Uber die Ionen Verteilung in den untersten Schichten der Atmosphäre //Sits.Akad. der Wiss.,math.naturw. Klasse Bd.117. Abt.Iia. 1908. S.653-664.

96. Thomson J.J. Conduction of electricity through gases Cambrige, 1903.566 p.

97. Tuomi T.J. The atmospheric electrode effect over snow //J.Atm. and Terr.Phys. V.44. 1982. P. 737-745.

98. Whipple F.I.W. On potential gradient and the air earth current //Terr.Magn. and Atm.Electr. V.7. 1935. P. 355.

99. Wigand A. Die vertikale Verteilung der Kondensationkerne in der freien Atmosphäre. Ann. Phys., 59, 1919.

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

101. Willet J.C. The Fairweather electric charge transfer by convection an unstable planetary layer//J.Geoph. Res. V.88. № 13. 1983. P. 8455-8469.

102. Willet J.C. The turbulent electrode effect as influenced by interfacial ion transfer//J.Geoph.Res. V.88. 1983. P. 8453-8469.