автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Топологический метод моделирования атмосферно-электрического поля в приземном слое и локальное управление состоянием поля

ргб оа

] ц ":Г ■

На правах рукописи

Морковцев Николай Петрович

Топологический метод моделирования атмосферно-электрического поля в приземном слое и локальное управление состоянием поля

05.13.01 - управление в технических системах

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Братск-2000

Работа выполнена в Братском государственном техническом университете

Научные руководители:

- доктор технических наук, профессор Алпатов Юрий Никифорович;

- доктор географических наук, профессор Филиппов Адольф Хрисанфович

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Крюков Андрей Васильевич

- доктор физико-математических наук, профессор Пархомов Владимир Александрович

Ведущая организация:

Институт солнечно-земной физики СО АН РФ, г. Иркутск

Защита состоится 16 июня 2000 года в 10 часов на заседании диссертационного совета К 064.93.01 при Братском государственном техническом университете по адресу: г.Братск, Иркутской области, ул. Макаренко, 40, БрГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Братского государственного технического университета.

Автореферат разослан 15 мая 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного i

к-ф.-м.н., професор г-w- С.В.Белокобыльский

<02ее. з с /г, о

ОЗщзя характеристика диссертационной работы

Актуальность исследований. Атмосферно-электрическое поле, наряду с магнитным, гравитационным и тепловым, играет важную роль в управлении всеми процессами в атмосфере и оказывает существенное влияние на биологические объекты. В связи с этим теоретические исследования электрического поля" атмосферы и моделирование электрических процессов представляют значительный научный и практический интерес и помогают решению целого ряда прикладных задач.

В последнее время чрезвычайно резко возросло антропогенное воздействие на окружающую среду, поэтому особого внимания заслуживает задача мониторинга загрязнения атмосферы. Повышается интерес к способам получения из атмосферно-элекгрических наблюдений информации о физико-химическом составе атмосферного воздуха, так как общеизвестно, что параметры атмосферного электричества хорошей погоды очень чувствительны к загрязнению воздуха. Однако эти параметры - напряженность электрического поля и электропроводность воздуха зависят от загрязненности воздуха сложным образом. Кроме того, электрическое поле атмосферы формируется под действием большого числа независимых факторов и явлений: метеорологических, геофизических, геомагнитных. Поэтому повышение информативности атмосферно-элекгрических параметров с целью мониторинга загрязнения атмосферы связано, во-первых, с организацией наблюдений за элементами атмосферного электричества, которые могут рассматриваться как непосредственные индикаторы загрязненности воздуха, а во-вторых - с разработкой математической модели, которая выражает зависимость напряженности атмосферно-электрического поля от физико-химических характеристик воздуха.

Электрическое поле атмосферы с большим количеством составляющих различной природы и динамикой безусловно является многомерным и

многосвязным объектом, для которого необходима разработка формализованной методики системного моделирования с машинной реализацией всего процесса моделирования, включая этапы разработки, решения и анализа.

Цель диссертационной работы. Математическое моделирование электрического поля в приземном слое атмосферы как многосвязного объекта в виде топологической структурно- функциональной модели для разработки концепции управления состоянием поля.

Методы исследования. При моделировании электрического поля атмосферы использовались статистические методы обработки результатов наблюдений за параметрами атмосферного электричества, методы теории систем управления, методы теории графов, теории множеств, матричного исчисления и регрессионного анализа. Разработанная методика реализована с помощью программы обработки электронных таблиц Microsoft Excel , языка технических вычислений Майав.

Научная новизна работы.

1. Электрическое поле атмосферы рассматривается как многосвязный объект управления.

2. Разработана математическая модель электрического поля атмосферы как многосвязного объекта.

3. Проведены комплексные синхронные измерения напряженности электрического поля, метеопараметров и концентрации аэрозоля, выполнена статистическая обработка этих измерений и получена математическая модель.

4. Проведены исследования свойств электрического поля при невозмущенных й возмущенных состояниях.

5. Разработана концепция управления состоянием электрического поля.

Практическая ценность работы. По теме диссертации автором выполнялись исследования в рамках целого ряда хоздоговорных и госбюджетных тематик в соответствии с планами важнейших научно-исследовательских работ: "Исследование влияния загрязняющих факторов предприятий г.Братска на атмосферное электричество" (1985г.), "Исследование влияния физических полей на окружающую среду г.Братска" (1987г.), "Исследование статистической структуры пространственно-временных вариаций естественного электрического поля атмосферы на полигонах" (1989г.), проводимых по комплексной программе Минвуза РСФСР "Человек и окружающая среда" и Всероссийской программе геофизического комитета "Глобальная электрическая цепь", а также по теме "Топологические методы идентификации и синтеза систем управления многосвязными объектами", выполняемой в Братском государственном техническом университете по направлению "Теория, методы и средства автоматизации систем переработки информации и управления".

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались:

- на IV Всесоюзном симпозиуме по атмосферному электричеству (Нальчик, 1990г.);

- на межрегиональной научно-практической конференции "Проблемы экспериментальной зоны чрезвычайной экологической ситуации, пути и способы их решения" (Братск, 1996 г.);

- на 3-й региональной научно-практической конференции "Интеллектуальные и материальные ресурсы Сибири" (Иркутск, 1999г.);

- на V Всероссийской научно-технической конференции "Энергетика: экология, надежность, безопасность" (Томск, 1999г.);

- на XIV - XX научно-технических конференциях Братского государственного технического университета.

Результаты работы были представлены в составе экспозиции БрИИ и Иркутской области на международных выставках: "Разработка' методов

управления воздушных бассейнов промышленных зон городов" (Англия, 1994г.), "Организация экологического мониторинга в зонах промышленных выбросов (система управления экологическим состоянием воздушного бассейна промышленных городов" (г. Сеул, Корея, 1994г.). Положения, выносимые на защиту:

- постановка задачи системного моделирования электрических процессов в приземном слое атмосферы;

- обоснование возможности применения аппарата структурных графов для моделирования электрического поля атмосферы;

- топологическая модель электрического поля атмосферы как многосвязного объекта в условиях антропогенного загрязнения;

- ' вывод уравнений состояния электрического поля атмосферы в

невозмущенных условиях и в условиях антропогенной нагрузки;

- принципы разработки управляющих воздействий на электрическое поле атмосферы.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 5 статей и 10 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 118 страниц, включая 15 рисунков и 13 таблиц. Список литературы содержит 97 наименований.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, цель и содержание поставленных задач, сформулирован объект и предмет исследования, определены теоретическая значимость и прикладная ценность работы, ее новизна, а также отмечены положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе проведен анализ и исследование основных закономерностей пространственно- временных вариаций атмосферно-электрического поля в приземном слое с использованием статистической обработки результатов наземных наблюдений за атмосферным электричеством мировой сети станций, "Кадастра электрических параметров атмосферы", разработанного кафедрой метеорологии Иркутского университета и результатов многолетних измерений напряженности электрического поля атмосферы автором в г.Братске. Обширно представлены результаты исследования неопровержимо доказывающие связь параметров атмосферно-электрического поля с метеорологическими величинами, с солнечной активностью и геомагнитными явлениями, с антропогенным промышленным и радиоактивным загрязнением воздуха.

Статистическая обработка многолетних наблюдений за атмосферным электричеством мировой сети станций позволила определить среднегодовые и среднемесячные значения градиента потенциала (напряженности) электрического поля атмосферы, годовой и суточный ход этой величины для целого ряда наземных станций и подтвердить вывод о том, что напряженность электрического поля состоит из двух компонент - унитарной и локальной. Локальная компонента обусловлена местными причинами и факторами, унитарная - общими для всей Земли.

Связь атмосферно-электрических величин с метеопараметрами и явлениями представляется достаточно сложной и противоречивой, поскольку одно и то же метеорологическое явление в одних случаях увеличивает напряженность электрического поля, а в других - уменьшает.

В отличие от метеорологических факторов, солнечные и геомагнитные эффекты в атмосферном электричестве представляют собой вид естественных вариаций и характеризуются малой вероятностью появления и спецификой пространственно-временной структуры. Статистическая обработка результатов наземных и высотных наблюдений за параметрами атмосферного

электричества, анализ литературных данных подтверждает взаимосвязь атмосферно-электрического поля с солнечной и геомагнитной активностью.

Антропогенные воздействия на электрическое состояние атмосферы у поверхности земли определяются выбросом аэрозольных частиц в атмосферу промышленными предприятиями, а также вследствие возможного радиоактивного загрязнения воздуха атомными электростанциями. Влияние промышленных выбросов на электрическое поле атмосферы определяется, во-первых, адсорбцией легких ионов аэрозолями и, во-вторых, - формированием собственного объемного заряда, распространяющегося в пространстве.

Влияние антропогенного радиоактивного загрязнения на параметры атмосферно-электрического поля является, в отличие от промышленного загрязнения, однозначным и приводит к уменьшению напряженности и увеличению электрической проводимости. Статистический анализ данных режимной сети станций для периода аварии на Чернобыльской АЭС позволяет сделать вывод о том, что радиоактивные выбросы распространились на большие расстояния и вызвали существенные изменения ионизации воздуха. Так в Свидере, Одессе, Воейково, Хельсинки и Верхнее Дуброво через несколько дней после аварии напряженность электрического поля уменьшилась в 3-8 раз. Электрическая проводимость воздуха в этих пунктах увеличилась во столько же раз.

Таким образом, физико-статистический анализ экспериментальных данных атмосферно-электрического поля у земли позволяет сделать следующие выводы:

1. На электрическое поле в приземном слое атмосферы существенное влияние оказывает изменение метеопараметров (температуры, давления, влажности воздуха, скорости и направления ветра) и метеорологические явления (гроза, дождь, снег, облачность, туман, метель и др.) в сложной совокупности.

2. Напряженность электрического поля у земли связана с солнечной активностью и геомагнитной возмущенностью.

3. Антропогенное воздействие на параметры атмосфсрно-злектрического поля у земли велико, носит сложный характер и определяется* выбросом промышленных предприятий и радиоактивных веществ атомными электростанциями.

4. Электрическое поле атмосферы необходимо рассматривать как сложный многомерный и многосвязный объект.

Во второй главе представлен анализ методов моделирования многосвязных объектов и анализ существующих методов моделирования электрического поля атмосферы в приземном слое.

Математическое моделирование в настоящее время является одним из основных, а во многих случаях единственным методом глубокого и всестороннего изучения закономерностей развития процессов любого пространственно- временного масштаба и наиболее надежным способом прогнозирования и управления сложными системами, как в естественных условиях, так и под влиянием антропогенного воздействия. В области моделирования электрических процессов в атмосфера сейчас достигнуты значительные успехи. Однако, постоянно развивающиеся теоретические представления об этих процессах, накопление новых фактов и экспериментальных данных, а также, все более возрастающая потребность повышения информативности атмосферно-электрических наблюдений в целях мониторинга загрязнения атмосферы, диктуют необходимость совершенствования существующих моделей и методов и поисков новых подходов к моделированию атмосферно-электрического поля в приземном слое, как сложного многосвязного объекта.

Существенную роль в моделировании играет системный подход, нацеленный на целостный охват изучаемых явлений и в то же время на углубленный анализ структуры, на выявление максимального числа факторов взаимодействия, а также на обобщенное их представление. Необходимость системного подхода к изучению атмосферно-электрических процессов,

особенно в условиях антропогенных воздействий, наиболее успешно и полно может быть реализована с использованием методов системного анализа в моделировании динамических процессов.

В настоящее время математическое моделирование интенсивно применяется в исследованиях атмосферно-электрического поля. Наиболее часто встречающиеся типы моделей следующие:

1. Статистические модели строятся на допущении о том, что моделируемый процесс случаен и исследуется статистическими приемами, в частности так называемыми методами Монте-Карло.

2. Оптимизационные модели охватывают модели, математический аппарат которых позволяет решать задачу оптимального управления моделируемым объектом. Их построение основано на использовании методов линейного и динамического программирования при исследовании систем, описанных дифференциальными уравнениями.

3. Модели макрокинетики трансформации веществ - модели, математическим аппаратом построения которых являются уравнения диффузии.

4. Балансовые модели представляют моделируемый объект как совокупность неких потоков вещества и энергии, баланс которых рассчитывается на каждом шаге моделирования.

Основные недостатки применения перечисленных методов моделирования сложных многосвязных объектов связаны с неподготовленностью математического аппарата для исследования систем со множеством взаимосвязанных параметров.

Автором рассматривается математическая модель вертикального профиля напряженности электрического поля атмосферы как функция коэффициента турбулентности и проводимости воздуха с использованием в качестве граничных условий, численных значений суточного хода напряженности электрического поля в г.Братске, апроксимированных аналитически рядом Фурье. .

Традиционно исходными уравнениями для данной модели, учитывающей наличие турбулентного обмена в атмосфере являются уравнение Пуассона :

где

Ег - вертикальная составляющая вектора напряженности

электрического поля атмосферы; р - объемный электрический заряд и уравнение переноса

А. - проводимость воздуха;

и2- вертикальная составляющая скорости ветра;

кг- коэффициент турбулентности.

По результатам численных расчетов для данной задачи можно сделать выводы о том, что вертикальный профиль объемного заряда определяется интенсивностью турбулентного перемешивания и проводимостью воздуха, а суточные вариации электрического поля непосредственно связаны с изменениями объемного заряда у поверхности земли, коэффициента турбулентности и проводимости воздуха.

Модель электрического поля атмосферы с учетом влияния загрязнений и радиоактивности, разработанная Брикаром, позволяет оценить напряженность электрического поля в зависимости от величины объемного заряда, коэффициента турбулентности, интенсивности ионизации, концентрации ионов и удовлетворительно объясняет локальные аномалии электрического поля в случае ионного равновесия между легкими ионами и естественными аэрозолями на высотах не более нескольких километров. Выше интенсивность

др а

ог ¿л

дР

где

ионизации радиоактивного происхождения и атмосферные загрязнения очень малы по сравнению с ионизацией космическими лучами и рекомбинацией малых ионов.

Таким образом разработанные к настоящему времени математические модели электрического поля атмосферы в приземном слое удовлетворительно объясняют главные закономерности, однако строятся на целом ряде частных допущений и применимы только для некоторых конкретных случаев.

В третьей главе изложены основные этапы разработки математической модели атмосферно-электрического поля в приземном слое как многосвязного объекта на основании топологического метода.

На основании физико-статистического анализа атмосферно-электрического поля, проведенного в первой главе диссертации, абсолютно достоверно установлено, что основные электрические параметры атмосферы: напряженность, проводимость, плотность объемного заряда, плотность вертикального тока, сопротивление столба воздуха и концентрация положительных и отрицательных ионов взаимосвязаны друг с другом, а также с метеорологическими, геофизическими и антропогенными факторами весьма сложно и неоднозначно. В связи с этим, электрическое поле атмосферы, безусловно, является многомерным многосвязным объектом управления при моделировании которого требуется соответствующий метод, учитывающий высокую степень структурно-функциональной сложности объекта и ориентированный на машинную реализацию всего процесса моделирования, включая этапы построения, преобразования и исследования модели. В качестве такого метода предложен и разработан метод топологии, позволяющий формализовать в математическом виде взаимосвязь множества параметров.

Исследование сложных многосвязных систем большой размерности является чрезвычайно трудной задачей. В математических моделях сложных систем необходимо использовать информацию о структуре объекта, так как именно структура во многом определяет характер поведения и

функционирования исходного объекта. Структурные схемы можно рассматривать как топологические объекты, однако, в математическом отношении они менее совершенны, чем графы. В этой главе рассмотрен С-граф, так как он дает более полную картину структурной схемы системы, выделяя функционально основные структурные элементы. Это важное свойство функционального значения в структурной схеме закладывается в математическую модель системы. Данный сигнальный граф позволяет описать структуру системы без конкретизации характера операторов. Это свойство дает возможность использовать граф на первоначальном этапе моделирования в качестве графического представления структуры объекта.

В наглядном представлении граф представляет собой схему, состоящую из узлов (точек), соединенных ветвями. Узлы графа соответствуют переменным (параметрам), а ветви - коэффициентам или функциональным связям при этих переменных. В структурном графе (С-граф) различают два типа узлов: операторные узлы, соответствующие функциональным элементам на структурной схеме и единичные узлы - узлы с идентификатором 1. Единичные узлы в соответствии с геометрическими образами структурных схем разделяются: узлы первого рода - элементы суммирования структурной схемы, узлы второго рода - точки ветвления и узлы третьего рода - операторы с единичной передачей.

Данное разделение узлов на типы необходимо для реализации формализованной методики построения математической модели объекта по С-графу, который дает полную картину структурной схемы системы, выделяя основные элементы.

Модель системы может быть записана в матричной форме. Она состоит из матрицы компонент С-графа - матрицы [В], матрицы структуры - матрицы [А] и матрицы входных переменных [Хвх].

Матричное уравнение системы

[АВХвх] = 0 (1)

полностью отражает функциональную зависимость компонент в структуре и позволяет представить процесс получения уравнения (1) из отдельных детерминированных простых этапов анализа С-графа.

На основе функциональной цепи построена структурная схема связи параметров и С-граф (рис.1). Данному графу ставятся в соответствие матричные соотношения, отображающие передачу графа:

Х=В-Хвх, (2)

где

X - матрица-столбец сигналов графа;

Хвх - матрица-столбец входящих сигналов графа;

В - матрица операторов системы.

Второе матричное соотношение отражает структуру графа:

А' Х = 0. (3)

На основании (2) и (3) формируется основное матричное соотношение, полностью описывающее граф:

А' В' Хвх = 0 (4)

или

irx.r0, (5)

где'

Н = А' В. (6)

В результате преобразований (6) получено матричное уравнение системы Н '"'Хвх = 0, где. в качестве 'параметров представлены операторы -V/, отражающие парное взаимодействие параметров системы. Переменные X, имеют соответствующий физический смысл. Часть параметров системы

СО НР N С

Рис. 1. Граф связности параметров электрического поля атмосферы.

контролируемы с помощью измерительных устройств. Поскольку часть параметров является взаимозависимой, то их можно исключить, используя преобразования матриц. С этой целью в уравнении (5) произведем перестановку столбцов в матрице Н и строк в матрице Хвх,

Матричное уравнение (5) можно представить в виде блочных подматриц:

Н} н2 "ХГ

_н3 и4ц х2.

Формулы умножения позволяют считать подматрицы Н], Нг, Нз, Н», Хь Хз составными элементами и записать систему в виде:

Нг'1 - матрица обратная Н2.

Обратная матрица может быть найдена только тогда, когда с!еС Н^О.

Для выполнения условия с!е1 Нг^О и облегчения вычисления обратной матрицы предлагается перед разбиением матрицы Н произвести перестановку строк и столбцов таким образом, чтобы подматрица Н2 состояла из -1, расположенных по диагонали, начиная с верхнего правого угла матрицы Н.

В соответствии с предложенной методикой было получено матричное уравнение пониженного порядка (рис.2):

1"3 'Л1'ГП4'Л2-

Исключая из этой системы Х2, получим

НГХ,+Н2-Х2 =0 Н3-Х1+Н4-Х2=0,

(Нз-Н^Н^-НО-Х^О,

(8)

где

Х1 Х2 Х72 Х82 Х84 хеэ хю Х135 ХЗ Х17 Х34 Х41 Х4в Х130 Х129 Х16 Х13 Х10 Х7

№50 №£6 0 0 №57 0 0 №44 №10+№53*№11 №21 0 №34 0 0 0 0 №71 №68 -1

Л49 0 0 0 0 0 0 №42 тз №22 №30 0 №3« №39 О о 0 -1 0

0 №» №62 0 те №1 0 И« «14 11 №32 0 №36 №4« 0 0 -1 0 0

0 0 «тез в 0 0 0 №45 0 №23*№281«24»№29-№25 №31 0 0 0 №29*№27 .1 №70 №73 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 №24 0 0 0 0 -1 0 0 0 в

0 0 0 -1 0 0 0 0 «11 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

№51 -1 0 0 0 0 0 а №12 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

»746 то и 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

№47 0 0 ш. 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 а 0 0 0 0 0

№4« 0 0 0 -1 0 0 а Ибплт 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 И67Ч«4 0 №67*№59 0 •1 №67*№41 0 №67"№2в 0 тгтг 0 0 0 №74»№67*№$5 №72»№87*№64 №76 №6»»№67-№6в

0 0 а 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 №37 №31 0 0 0 0 0

Рис.2. Матричное уравнение Н' Х'вх = 0 для электрического поля атмосферы

XI Х2 Х72

хвг хм

Х89 Х105 Х135 ХЗ

Х17 « О

Х34

X«

Х46

Х130

Х129

Х16

Х13

Х105

Х7

Xi - температура воздуха;

X2 - влажность воздуха;

Хтг - коэффициент турбулентности;

х82 - атмосферное давление;

Х89- направление ветра;

х§4 - скорость ветра;

Xios- напряженность электрического поля;

Xus - концентрация аэрозоля;

Xi7- солнечная активность;

Х34 - интенсивность у-излучения почвы;

X4i - мощность антропогенного радиоактивного загрязнения воздуха;

Хцб - концентрация углекислого газа;

xi3o- концентрация фтористого водорода;

Х129-Ышдекс геомагнитной активности;

Х]б - сопротивление столба воздуха;

Х]з - плотность объемного заряда;

Хю-* концентрация положительных и отрицательных ионов;

X7- электрическая проводимость воздуха.

Таким образом, в данной главе, в качестве метода моделирования электрического поля атмосферы в приземном слое, предложен и разработан метод топологии, позволяющий формализовать в математическом виде взаимосвязь электрических параметров атмосферы с метеорологическими, геофизическими и антропогенными факторами и величинами, а также получено матричное уравнение С-графа пониженного порядка для электрического поля атмосферы с учетом метеорологических, геофизических и антропогенных воздействий.

В четвертой главе на основе разработанной топологической модели электрического поля атмосферы в приземном слое получена и

Ге>

проанализирована зависимость основного параметра - напряженности атмосферно-электрического поля от входных параметров.

Анализ полученного матричного уравнения пониженного порядка (рис.2) дает следующее соотношение для Хю5 - напряженности электрического поля атмосферы

ХЮ5 = Хш(^/67\У41) + Х17(\УЛб) + Х41(\^7'\Узз) +

+ х,6(\У74 + У/ыЩц) + ХпС^г + + х10\У75 + (1)

+ Х7(\У69 + \V67-W66) + Х84№67"\¥59) + х72^67^м),

где

Х]35 - концентрация аэрозоля; хи - солнечная активность; Х)б - сопротивление столба воздуха; XI з - плотность объемного заряда;

хю - концентрация положительных и отрицательных ионов;

х7 - электрическая проводимость воздуха;

Х84 - скорость ветра;

х72 - коэффициент турбулентности;

\Vfi7, W4Ь W26, Wзз, №б5> W72, Wм, W75, \*/69, ^66, W59 - операторы системы управления.

Уравнение (1) описывает поведение электрического поля в динамическом режиме. Представление в количественном виде коэффициентов модели вызывает значительные трудности, т.к. связано с организацией обширных и дорогих экспериментов. Для оценки свойств модели, разработки концепции управления состоянием поля возможно исследовать модель в стационарном режиме, т.е. коэффициенты при X; не рассматривать как функции времени. Тогда модель (1) можно записать:

Х105 = Ь1X135+ Ь2Хп+ Ь3Х41 +Ь4 Х16+ Ь5Х]3+Ь6 Хю +Ь7 Хт+ Ь8Х84+Ь9 х72- (2)

При связности параметров моделируемого объекта, используя матричное уравнение пониженного порядка, перейдем к другой совокупности параметров,

которые можно контролировать и прогнозировать. В результате модель атмосферно-электрического поля можно представить в виде регрессионной модели:

Y = SBrx;, (3)

' •' ' i=I

где

Y = Хю5 - выходная величина (напряженность электрического поля атмосферы);

X'i - Beicrop параметров: x'i = Х135 - концентрация аэрозоля; Х2 = Х72 - коэффициент турбулентности; х'з = Xi - температура воздуха; x*4 = Х82 - атмосферное давление; х'з = х2 - влажность воздуха; х'6 = X84 - скорость ветра; х'7 = X89 - направление ветра;

В; - вектор неизвестных коэффициентов регрессии, которые определяются из соотношения:

В = [ХТХ]''ХТ%

где

X - матрица результатов наблюдений за параметрами (x'j,..., X7); Хт - транспонированная матрица параметров (х'ь..., х'7);

Y - матрица-столбец значений выходной величины (хюз)-

Для вычисления вектора неизвестных коэффициентов регрессии на ЭВМ с помощью Microsoft Excel для Windows'98, языка технических вычислений Matlab были выполнены следующие операции: транспонирование матрицы X, произведение транспонированной матрицы Хт на исходную X, получение обратной матрицы от произведения ХТ'Х, умножение обратной матрицы (ХТ'Х)" 1 на транспонированную матрицу Хт и на столбец Y.

В таблице 1 приведены среднечасовые значения напряженности электрического поля У и синхронные значения факторов (х'ь..., х'?) за июнь для г.Братска, когда содержание метилмеркаптана в воздухе не превышает предельно допустимых концентраций.

Таблица 1

Таблица экспериментальных данных электрического поля атмосферы и метеопараметров в отсутствии загрязнений

У х\ х', х', х'„ х'< XV х'7

188 7067 7 44 16 957 80 1 330

200 6167 1.54 14.9 856.9 96 0.5 360

151 3550 1.23 15.1 956.9 83 2 240

137 2287 2.46 15.4 957 83 1 120

175 2758 2.67 17.6 957.8 76 1 240

152 3328 3.32 19.4 957.7 70 1 120

205 3811 3.66 19.3 958.3 75 1 260

181 7675 1 7 16 5 958 8 84 П 5 360

Модель электрического поля атмосферы после вычисления коэффициентов В; на основе экспериментальных данных, представленных в таблице 1, имеет вид:

у = - 0,0181х', + 21,85831x2 + 3,301422 х'з - 0,10834 х'4 +

+ 1,157278 х*5 + 8,963969 х'6 + 0,29322 х'7. Проверка, проведенная для дополнительного эксперимента (данные восьмой строки в таблице 1), дает следующий результат:

Умвдшя«- 0,01817675 + 21,85831 1,7 + 3,301422' 16,5 -0,10834'958,8 + + 1,157278 ' 84 + 8,963969' 0,5 + 0,29322 ' 360 = 181,1243.

В таблице 2 представлены экспериментальные значения напряженности электрического поля атмосферы и модельные расчеты этой величины на

основании экспериментальных значений факторов и полученных коэффициентов регрессии.

Таблица 2

Экспериментальные и модельные значения напряженности электрического поля в отсутствии загрязнений

| 188 200 151 137 175 152 205

Умолмм 1 188.102242 200.090135 151.069861 137.058196 175.062563 152.067764 205.072264

Относительная погрешность составляет 0.07%, дисперсия, характеризующая ошибку эксперимента Б2У = 526, дисперсия адекватности 8\д =0.04, Е-критерий Фишера = 7.7Ю"5.

Другая серия численных экспериментов была проведена в дни и часы, когда в районе измерений (гидрометобсерватория п.Падун) содержание метилмеркаптана превышала предельно-допустимую концентрацию. Данные этих измерений представлены в таблице 3.

Таблица 3

Таблица экспериментальных данных параметров электрического поля атмосферы в условиях промышленного загрязнения

У X)' х2' хз' Х41 х5' Хб' х7'

140 9062 2.09 15.8 958 63 1 280

250 4246 1.7 13.4 958 78 0.1 1

210 6604 1.97 14.2 958.1 76 1 130

148 3209 1.74 17.9 958.3 65 0.1 1

198 4873 3.47 20.7 957.6 50 3 20

188 5862 2.77 21.4 957.5 47 3 20

160 5529 1.63 19.7 957.9 60 3 330

143 5966 1.59 17 957.8 75 1 40

Модель элегического поля атмосферы в условиях промышленного загрязнения после вычисления коэффициентов регрессии имеет вид: у = -0.01327 х,'-29.0411 х2'-39.6782х3 +1.318801 тц--4.88917 х5' + 55.62848 х«' -0.22563 х7'. В таблице 4 представлены экспериментальные и модельные значения напряженности электрического поля в условиях промышленного загрязнения.

Таблица 4

Экспериментальные и модельные значения напряженности электрического поля в условиях промышленного загрязнения

| 140 250 210 148 198 188 160

У»»» 140.0000348 250.0000166 210.0000255 148.0000127 198.0000231 188.0000231 160.0000210

Проверка для дополнительного эксперимента (данные восьмой строки в таблице 3) дает следующий результат:

Умсдми = - 0.01327 -5966 -29.0411 1.59 -39.6782' 17.+ 1.318801 957.8 -- 4.88917 ' 75 + 55.62848 ' 1 - 0.22563 • 40 = 143.2021.

Относительная погрешность составляет 0,14%, дисперсия адекватности Б^ад =3,610*', дисперсия, характеризующая ошибку измерения Б2У = 1131, а Р-критерий Фишера Рр = 3.21847 '10"12.

Значения относительных погрешностей, дисперсии и Р-критерия Фишера свидетельствуют об адекватности разработанной модели, а изменение величины и знаков коэффициентов регрессии в математической модели атмосферно-электрического поля связано с изменением концентрации положительных и отрицательных аэроионов в воздухе.

В пятой главе диссертации представлен анализ биологического действия атмосферно-электрического поля, рассмотрена возможность использования параметров атмсоферно-элекгрического поля в приземном слое в целях

мониторинга экологического состояния окружающей среды, а также представлена концепция локального управления атмосферно-электрическим полем в приземном слое.

Математическая модель атмосферно-электрического поля в приземном слое в условиях промышленного загрязнения, разработанная в данной диссертации, позволяет установить наиболее существенные и значимые факторы, определяющие характер вариаций напряженности электрического поля атмосферы, а также оценить влияние каждого из этих факторов на атмосферно-электрическое поле, что в свою очередь позволяет прогнозировать, а возможно, в дальнейшем контролировать и управлять электрическими процессами в приземном слое атмосферы в целях благоприятного и 1 эффективного влияния атмосферно-электрического поля на состояние здоровья населения.

При взаимодействии внешних факторов с биологическими системами существенное значение имеет не столько абсолютная величина действующего стимула, сколько градиенты изменения параметров внешнего сигнала или характеристик живых систем при заданном внешнем воздействии.

Установлено, что непериодические изменения напряженности электрического поля от минимума к максимуму сопровождаются увеличением количества отрицательных субъективных реакций, отчетливо выраженной тенденцией к снижению систолического и повышению диастолического 1 давления, учащению пульса, статистически достоверному увеличению частоты дыхания.

В дни высокой активности поля наблюдается достоверное повышение среднединамического артериального давления, снижение частоты пульса, уменьшение мощности выдоха, отчетливая тенденция к снижению электрического сопротивления колеи.

В приземных слоях атмосферы, являющейся средой обитания человека, положительные и отрицательные аэроионы входят в состав сложного

электрического комплекса. Современные социально-экономические условия жизни человека оказывают существенное влияние на электрическую характеристику окружающей воздушной среды, в частности, на ионосодержание и ионообразование.

В воздухе промышленных районов резко возрастает концентрация тяжелых ионов (104 - 105 ионов в см3 воздуха), вследствие поступления в атмосферу технологических "отбросов", т.е. аэрозолей различного химического состава.

Учитывая, что легкие положительные и отрицательные аэроионы являются неотъемлемыми электрическими элементами воздушной среды обитания животных и человека, вероятно, надо считать их экологическим фактором.

Действительно, у лиц, длительно работающих в помещениях с аэроионной недостаточностью, наблюдаются выраженные изменения функционального состояния организма, снижаются физиологические резервы, нарушаются процессы адаптации.

При загрязнении атмосферы пылевыми частицами (промышленными аэрозолями), т.е. при значительном увеличении концентрации тяжелых аэроионов, нарушается экологическое состояние воздушной среды. Если в воздушной среде обитания человека концентрация тяжелых ионов увеличивается до 5'104 см"3, то эти тяжелые аэроионы нарушают функциональное состояние не только дыхательной системы, но и сопряженных с ней жизненно важных систем организма.

Значительное увеличение в открытой атмосфере тяжелых ионов с одновременным уменьшением количества легких аэроионов свидетельствует о нарушении экологического состояния воздушной среды обитания человека, что вызывает значительные изменения в формировании защитно-приспособительных реакций организма.

Установлено также, что повышение градиента потенциала со 150 до 1-2 тыс. В/м или уменьшение этого параметра до отрицательных значений с переходом через нуль на фоне снижения уровня суммарной проводимости воздуха сопровождается повышением артериального давления, ухудшением функции сердечно-сосудистой системы, в ряде случаев может развиться клиническая картина обострения таких заболеваний как гипертоническая болезнь, бронхиальная астма, желче- и моче-каменная болезнь и др.

Поскольку достоверно установлено, что состояние организма и его реакция в ответ на воздействие атмосферно-электрического поля изменяется в зависимости от величины напряженности поля, вариаций и длительности действия на организм, то прогнозирование, контроль и управление электрическими процессами в приземном слое атмосферы является актуальной, важной и сложной научно-практической задачей.

Из анализа литературных данных, статистической обработки результатов наблюдений и экспериментальных измерений напряженности атмосферно-электрического поля в приземном слое, проведенных автором в районе крупных промышленных объектов г.Братска (БрАЗа и БЛИК), следует, что величина напряженности электрического поля атмосферы и ее вариации в данном месте в значительной степени зависят от характера антропогенного промышленного и радиоактивного загрязнения воздуха и определяются адсорбцией легких ионов аэрозолями и собственным объемным зарядом загрязняющих атмосферу выбросов.

Антропогенные промышленные и радиоактивные выбросы представляют собой в основном заряженные частицы - средние, тяжелые и ультратяжелые аэроионы. Скорость дрейфа аэроионов в первом приближении определяется формулой и = кЕ, где Е - напряженность электрического поля атмосферы, к -подвижность аэроиона в см2/Вс. Поэтому, направление и дальность распространения промышленных и радиоактивных выбросов в атмосферу будет, очевидно, зависеть и определяться, в первую очередь, характером,

знаком и величиной соъемногс заряда аэрозольного ''облака", а также направлением и численным значением напряженности электрического поля атмосферы. Отсюда просматривается практическая необходимость возможного контроля и управления атмосферно-элекгрическим полем с целью направленного воздействия на характер распространения выбросов и улучшения экологической обстановки. Решение такой сложной научно-практической задачи возможно при глубоком исследовании и анализе взаимосвязи параметров атмосферного электричества с загрязнением воздуха.

В связи с этим концепцию управления атмосферно-электрическим полем в приземном слое можно сформулировать следующим образом: искусственное локальное изменение или поддержание основной характеристики объекта управления - напряженности электрического поля в области допустимых значений позволит снизить содержание вредных примесей в атмосфере до уровня предельно-допустимых концентраций, а также окажет благотворное влияние на процессы жизнедеятельности организмов.

В заключении сформулированы основные научные положения и результаты диссертационной работы.

Основные выводя и рекомендации.

Выполненная работа соответствует формуле исследования, определенной в паспорте специальности 05.13.01.

Научная новизна заключается в следующем:

- атмосферно-электрическое поле в приземном слое в зонах возмущения от крупных промышленных предприятий рассматривается как многосвязный объект управления;

- разработана математическая модель атмосферно-электрического поля как многосвязного объекта;

- проведены комплексные, синхронные измерения напряженности атмосферно-электрического поля, концентрации аэрозоля и

метеопараметров в г.Братске, выполнена статистическая обработка этих измерений и анализ.

- разработан формализованный метод идентификации многосвязного объекта;

- предложена концепция локального управления атмосферно-электрическим полем.

Предложенный метод моделирования многосвязных объектов может быть использован для исследования объектов любой физической природы. Разработанная методика может эффективно применяться при исследовании объектов значительной размерности, методы понижения размерности матричного уравнения и методика получения аналитических зависимостей предоставляют широкие возможности для исследования свойств объектов.

Литература

Работы автора по теме диссертации:

1. Филиппов А.Х., Морковцев Н.П., Фесун A.B. Влияние радиоактивности на параметры атмосферного электричества. // Тез. докл. IV Всесоюзн. Симпозиума по атмосферному электричеству. Нальчик, 1990, с.29.

2. Филиппов А.Х., Морковцев Н.П., Кобец В.П. Исследования атмосферного электричества в Восточной Сибири. - Геофизические поля и экология. Братск, 1991, с. 3-11.

3. Морковцев Н.П., Фесун A.B., Фильчаков A.B. Модель электрического поля атмосферы. -Геофизические поля и экология. Братск, 1991, с. 24-31.

4. Морковцев Н.П. Численное моделирование электрического поля атмосферы. // Тез. докл. XIV научно-техн. конф. БрИИ, Братск, 1993, с. 142.

5. Алпатов Ю.Н., Морковцев Н.П. Результаты измерений напряженности электрического поля атмосферы в г.Братске. // Тез. докл. XVI научно-техн. конф. БрИИ, Братск, 1995, с. 166.

6. Морковцев Н.П. Связь электрических параметров атмосферы с загрязненностью воздуха антропогенными выбросами. - Проблемы

экспериментальной зоны чрезвычайной экологической ситуации, пути и способы их решения. Братск, 1996, с. 228-230.

7. Морковцев Н.П., Макарова Н.И. Биологическое действие атмосферного электричества. - Проблемы экспериментальной зоны чрезвычайной экологической ситуации, пути и способы их решения. Братск, 1996, с. 230231.

8. Алпатов Ю.Н., Морковцев Н.П. Численное моделирование электрического поля в атмосфере. // Тез. докл. XVIII научно-техн. конф. БрИИ, Братск, 1997, с. 196.

9. Алпатов Ю.Н., Морковцев Н.П. Топологическая модель электрического поля атмосферы.// Тез. докл. XVIII научно-техн. конф. БрИИ, Братск, 1997, с. 178.

Ю.Филиппов А.Х., Морковцев Н.П. Моделирование электрических процессов в атмосфере. / Труды Братского индустриального института: Материалы XX научно-техн. конф. БрИИ. Братск, 1999, т.1, с. 166.

11.Морковцев Н.П., Морковцева И.И. Физические закономерности пространственно-временных вариаций электрического поля атмосферы. / Труды Братского индустриального института: Материалы XX научно-техн. конф. БрИИ. Братск, 1999, т.1, с. 167.

12.Морковцев Н.П., Кобец В.П. Моделирование электрического поля атмосферы в условиях аэрозольного загрязнения. / Труды Братского индустриального института: Материалы XX научно-техн. конф. БрИИ. Братск, 1999, т.1, с.216-218.

13.Морковцев Н.П., Кобец В.П. Мониторинг электрического поля атмосферы в г.Братске. / Труды Братского индустриального института: Материалы XX научно-техн. конф. БрИИ. Братск, 1999, т.1, с.166.

14.Морковцев Н.П. Моделирование электрических процессов в нижних слоях атмосферы. - Интеллектуальные и материальные ресурсы Сибири. Иркутск, 1999, с. 145-146.

15.Морковцев Н.П., Кобец В.П. Электрические характеристики загрязненности атмосферы. //Материалы докл.У всероссийской научно-техн. конф., Трмск, 1999, с.214.

Разрешить размножение автореферата диссертации в количестве 100 экз.

Ученый секретарь диссертационнога к.ф.-м.н, профес дадаж

С.В.Белокобыльский 11 мая 2000 г.

Подписано в печать 12.05.2000. Формат 60 х 84 1/1<5. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 1,9. Усл. печ. л. 1,9. Тираж 100 экз. Заказ 152.

Отпечатано в издательстве БрГТУ 665709, Братск, ул. Макаренко, 40

Вых. данные согласно ГОСТу

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ

ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ АТМОСФЕРЫ.

1.1.Средние значения напряженности электрического поля атмосферы.

1.2. Метеорологические эффекты в атмосферном электричестве.

1.3. Связь электрических параметров атмосферы с солнечной активностью и геомагнитными явлениями.

1.4. Влияние антропогенного загрязнения на электрические параметры атмосферы.

Выводы.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ МНОГОСВЯЗНЫХ ОБЪЕКТОВ.

2.1. Системное моделирование многосвязных объектов.

2.2. Анализ существующих методов моделирования электрического поля атмосферы.

Выводы.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ АТМОСФЕРЫ КАК МНОГОСВЯЗНОГО ОБЪЕКТА НА ОСНОВАНИИ МЕТОДА СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА.

3.1. Способы задания графов.

3.2. Выбор типа ориентированного графа для синтеза электрического поля атмосферы.

3.3. Модель системы управления, представленной С-графом.

3.4. Разработка топологической модели электрического поля атмосферы как многосвязного объекта управления.

Выводы.

ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ АТМОСФЕРЫ В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННО-ПРОМЫШЛЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ Г.БРАТСКА.

4.1. Разработка математической модели атмосферно-электрического поля в условиях промышленного загрязнения.

4.2. Регрессионная модель электрического поля атмосферы в приземном слое в условиях промышленного загрязнения воздуха.

Выводы.

ГЛАВА 5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО КОНТРОЛЮ И УПРАВЛЕНИЮ АТМОСФЕРНО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ.

5.1. Биологическое действие атмосферного электричества.

5.2. Атмосферно-электрическое поле и мониторинг экологического состояния окружающей среды.

5.3. Рекомендации по контролю и управлению атмосферно-электрическим полем у поверхности земли.

Выводы.

Атмосферно-электрическое поле, наряду с магнитным, гравитационным и тепловым, играет важную роль в управлении всеми процессами в атмосфере и оказывает существенное влияние на биологические объекты. В связи с этим теоретические исследования электрического поля атмосферы и моделирование электрических процессов представляют значительный научный и практический интерес и помогают решению целого ряда прикладных задач.

В последнее время чрезвычайно резко возросло антропогенное воздействие на окружающую среду, поэтому особого внимания заслуживает задача мониторинга загрязнения атмосферы. Повышается интерес к способам получения из атмосферно-электрических наблюдений информации о физико-химическом составе атмосферного воздуха, так как общеизвестно, что параметры атмосферного электричества хорошей погоды очень чувствительны к загрязнению воздуха. Однако эти параметры - напряженность электрического поля и электропроводность воздуха зависят от загрязненности воздуха сложным образом. Кроме того, электрическое поле атмосферы формируется под действием большого числа независимых факторов и явлений: метеорологических, геофизических, геомагнитных. Поэтому повышение информативности атмосферно-электрических параметров с целью мониторинга загрязнения атмосферы связано, во-первых, с организацией наблюдений за элементами атмосферного электричества, которые могут рассматриваться как непосредственные индикаторы загрязненности воздуха, а во-вторых - с разработкой математической модели, которая выражает зависимость напряженности атмосферно-электрического поля от физико-химических характеристик воздуха.

Электрическое поле атмосферы с большим количеством составляющих различной природы и динамикой безусловно является многомерным и многосвязным объектом, для которого необходима разработка формализованной методики системного моделирования с машинной реализацией всего процесса моделирования, включая этапы разработки, решения и анализа.

Целью диссертационной работы является математическое моделирование электрического поля в приземном слое атмосферы как многосвязного объекта в виде топологической структурно-функциональной модели для разработки концепции управления состоянием поля.

При моделировании электрического поля атмосферы использовались статистические методы обработки результатов наблюдений за параметрами атмосферного электричества, методы теории систем управления, методы теории графов, теории множеств, матричного исчисления и регрессионного анализа. Разработанная методика реализована с помощью программы обработки электронных таблиц Microsoft Excel , языка технических вычислений Майав.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Электрическое поле атмосферы рассматривается как многосвязный объект управления.

2. Разработана математическая модель электрического поля атмосферы как многосвязного объекта.

3. Проведены комплексные синхронные измерения напряженности электрического поля метеопараметров и концентрации аэрозоля, выполнена статистическая обработка этих измерений и получена математическая модель.

4. Проведены исследования свойств электрического поля при невозмущенных и возмущенных состояниях.

5. Разработана концепция управления состоянием электрического поля.

По теме диссертации автором выполнялись исследования в рамках целого ряда хоздоговорных и госбюджетных тематик в соответствии с планами важнейших научно-исследовательских работ: "Исследование влияния загрязняющих факторов предприятий г.Братска на атмосферное электричество" (1985г.), "Исследование влияния физических полей на окружающую среду г.Братска" (1987г.), "Исследование статистической структуры пространственно-временных вариаций естественного электрического поля атмосферы на полигонах" (1989г.), проводимых по комплексной программе Минвуза РСФСР "Человек и окружающая среда" и Всероссийской программе геофизического комитета "Глобальная электрическая цепь", а также по теме "Топологические методы идентификации и синтеза систем управления многосвязными объектами", выполняемой в Братском государственном техническом университете по направлению "Теория, методы и средства автоматизации систем переработки информации и управления".

Основные результаты работы докладывались:

- на IV Всесоюзном симпозиуме по атмосферному электричеству (Нальчик, 1990г.);

- на межрегиональной научно-практической конференции "Проблемы экспериментальной зоны чрезвычайной экологической ситуации, пути и способы их решения (Братск, 1996 г.);

- на 3-й региональной научно-практической конференции "Интеллектуальные и материальные ресурсы Сибири" (Иркутск, 1999г.);

- на V Всероссийской научно-технической конференции "Энергетика: экология, надежность, безопасность" (Томск, 1999г.);

- на XIV - XX научно-технических конференциях Братского государственного технического университета.

Результаты работы были представлены в составе экспозиции БрИИ и Иркутской области на международных выставках: "Разработка методов управления воздушных бассейнов промышленных зон городов" (Англия, 1994г.), "Организация экологического мониторинга в зонах промышленных выбросов (система управления экологическим состоянием воздушного бассейна промышленных городов" (г. Сеул, Корея, 1994г.).

Положения, выносимые на защиту:

- постановка задачи системного моделирования электрических процессов в приземном слое атмосферы; 7

- обоснование возможности применения аппарата структурных графов для моделирования электрического поля атмосферы;

- топологическая модель электрического поля атмосферы как многосвязного объекта в условиях антропогенного загрязнения;

- вывод уравнений состояния электрического поля атмосферы в невозмущенных условиях и в условиях антропогенной нагрузки;

- принципы разработки управляющих воздействий на электрическое поле атмосферы.

Выводы

1. Атмосферно-электрические характеристики и их вариации в приземном слое оказывают существенное влияние на жизнедеятельность живых организмов, сказываются на ходе биохимических реакций и росте общей и инфекционной заболеваемости.

2. Направление и дальность распространения промышленных выбросов определяется характером, знаком и величиной объемного заряда аэрозолей, а также, направлением и численным значением напряженности атмосферно-электрического поля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Исследованы основные закономерности атмосферно-электрического поля в приземном слое и определены средние значения напряженности электрического поля атмосферы для ряда наземных станций наблюдения за атмосферным электричеством.

2. Установлена взаимосвязь атмосферно-электрических параметров в приземном слое с метеорологическими процессами и явлениями, которая проявляется в сложной совокупности и определяется большим числом физических механизмов.

3. Исследована связь атмосферного электричества с солнечной активностью и геомагнитными явлениями. По литературным данным установлена корреляция напряженности атмосферно-электрического поля в приземном слое с числами Вольфа, солнечными вспышками, магнитными бурями, полярными сияниями.

4. Антропогенное воздействие на атмосферно-электрическое поле определяется выбросом аэрозольных и радиоактивных веществ в атмосферу, вследствие работы промышленных предприятий, атомных электростанций и испытаний ядерного оружия.

5. Атмосферно-электрическое поле в приземном слое необходимо рассматривать как сложный многомерный и многосвязный объект управления.

6. Представлена численная нестационарная модель электрического поля атмосферы. Выполнены расчеты вертикального профиля напряженности электрического поля для различных значений проводимости воздуха и коэффициента турбулентности. В качестве граничного условия для данной математической модели построена апроксимация суточного хода напряженности атмосферно-электрического поля у земли в виде ряда Фурье по результатам многолетних измерений автора в г.Братске.

110

7. Разработана топологическая модель атмосферно-электрического поля в приземном слое как многомерного многосвязного объекта управления с использованием методики синтеза систем управления методом структурных графов.

8. Разработана регрессионная статическая модель электрического поля атмосферы в приземном слое при отсутствии промышленных загрязнений и в условиях промышленного загрязнения, когда содержание метилмеркаптана превышает предельно-допустимую концентрацию.

9. Исследовано влияние атмосферно-электрического поля на жизнедеятельность биологических объектов и на характер распространения промышленных выбросов.

10.Предложена концепция локального управления атмосферно-электрическим полем с целью благотворного влияния на процессы жизнедеятельности организмов и снижения содержания вредных примесей в атмосфере до уровня предельно-допустимых концентраций.

1. Абрахаме Дж. Каверли Дж. Анализ электрических цепей графов. -М.: Мир, 1967,468 с.

2. Аплик П.А., Леушин Г.И. Некоторые выводы из наблюдений за электрическим состоянием атмосферы в Павловске за 20 лет. // Тр. ГГО, вып. 30, 1939, с. 3-33.

3. Алпатов Ю.Н., Шукшунов В.Е., Чикильдин Я.Я. Алгоритмы управления исполнительными органами агрегатов с программным управлением для изготовления изделий из стеклопластика. // Тр. Новочеркас. политехи, инта. Новочеркасск, 1968, т. 182.

4. Алпатов Ю.Н. Синтез систем управления методом структурных графов. -Иркутск. Изд-во Иркут. ун-та, 1988, 184 с.

5. Алпатов Ю.Н., Шукшунов В.Е., Савин М.М. Принцип построения оптимального по быстродействию адаптивного регулятора. // Изв. Вузов. Сер. Электротехника. 1970, N 5.

6. Алпатов Ю.Н., Морковцев Н.П. Результаты измерений напряженности электрического поля атмосферы в г.Братске. // Тез. докл. XVI научно-техн. конф. БрИИ, Братск, 1995, с. 166.

7. Алпатов Ю.Н., Морковцев Н.П. Численное моделирование электрического поля в атмосфере. // Тез. докл. XVIII научно-техн. конф. БрИИ, Братск, 1997, с. 196.

8. Алпатов Ю.Н., Морковцев Н.П. Топологическая модель электрического поля атмосферы.// Тез. докл. XVIII научно-техн. конф. БрИИ, Братск, 1997, с. 178.

9. Анисимов В.И. Топологический расчет электронных схем. Л.: Энергия, 1977, 240 с.

10. Барковский В.В., Захаров В.Н., Шаталов А. Методы синтеза систем управления. М.: Машиностроение, 1969, 323 с.

11. Басакер Р., Саати Т. Конечные графы и сети. -М.: Наука, 1974, 366 с.

12. Белл Р.Дж. Введение в Фурье-спектрометрию. -М.: Мир, 1975, 328 с.

13. Беллерт С., Возняки Г. Анализ и синтез электрических цепей методом структурных чисел. М.: Мир, 1972, 332 с.

14. Беллман Р., Гликсберг И., Гросс О. Некоторые вопросы математической теории процессов управления. М.: Изд-во иностр.лит. 1962, 335 с.

15. Беллман Р. Введение в теорию матриц. М.: Наука, 1978, 367 с.

16. Белова Д.А., Кузин P.E. Применение ЭВМ для анализа и синтеза автоматических систем управления. -М.: Энергия, 1979, 263 с.

17. Берж К. Теория графов и ее применение. М.: Изд-во иностр. лит., 1962, 319 с.

18. Брикар Дж. Влияние радиоактивности и загрязнений на элементы атмосферного электричества. - В кн. "Проблемы атмосферного электричества." JL: Гидрометиздат, 1969 г., с. 68-105.

19. Вавилов A.A., Имаев Д.Х. Машинные методы расчета систем управления. -Л.: ЛГУ, 1981, 114 с.

20. Вавилов A.A. Структурный и параметриметрический синтез сложных систем. Л.: ЛЭТИ, 1979, 94 с.

21. Вавилов A.A., Имаев Д.Х., Родионов В.Д. и др. Машинные методы расчета систем автоматического управления. -Л.: ЛЭТИ, 1978, 114 с.

22. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. -М.: Наука, 1967, 575 с.

23. Геминтер В.И., Каган Б.М. Методы оптимального проектирования. М.: Энергия, 1980, 160 с.

24. Двали Е.Р. Электрическое состояние атмосферы и его связь с метеорологическими факторами - Тр. Закавказского НИГМИ. Вып. 21(27),

25. Дворянкин А.М., Половинкин А.И., Соболев А.Н. Методы синтеза технических решений. М.: Наука, 1977, 102 с.

26. Директор С., Рорер Р. Введение в теорию систем. М.: Мир, 1974, 464 с.

27. Зыков A.A. Теория конечных графов. Новосибирск, Наука, 1969, 543 с.

28. Ивановский Р.И., Таранов А.Г. Синтез многосвязных систем автоматического управления с применением ЦВМ. М.: Наука, 1970, 171 с.

29. Ильинский Н.Ф., Цаценкин B.K. Приложение теории графов к задачам электромеханики. М.: Энергия, 1968, 232 с.

30. Имянитов И.М., Чубарина Е.В. Электричество свободной атмосферы. - JI.: Гимиз, 1965 г., 240 с.

31. Имянитов И.М. Приборы и методы для изучения электричества атмосферы. - М.: ГИТТЛ, 1957 г., 483 с.

32. Имянитов И.М., Чубарина Е.В., Шварц Я.М. Электричество облаков. - Л.: Гидрометиздат, 1971 г., 92 с.

33. Исаев Г.С. Возможность использования электрических характеристик атмосферы для оценки интегрального уровня загрязнения - Тр.III Всесоюзн. симпозиума по атм. электричеству. Тарту: 1986 г., с. 88-90.

34. Казаков А.И. Статистические методы проектирования систем управления. -М.: Машиностроение, 1969, 261 с.

35. Келли Дж.Л. Общая топология. М.: Наука, 1981, 431 с.

36. Кобец В.П. Естественные и антропогенные вариации электрического поля атмосферы. Автореф. дис. канд. физ-мат. наук. Братск, 1989, 28с.

37. Красногорская Н.В. Электричество нижних слоев атмосферы и методы его измерения. - Л.: Гидрометиздат, 1973 г., 323 с.

38. Кречетов A.A., Филиппов А.Х., Информативность результатов измерений градиента потенциала электрического поля в условиях промышленного загрязнения атмосферы. - Тр. III Всесозн. симпозиума по атм. электричеству. Тарту: 1986 г., с. 91-96.

39. Лободин Т.В., Парамонов H.A. Изменение электрического поля атмосферы во время полярных сияний. - Тр. ГГО, вып. 277, 1972 г., с. 47-53.

40. Лободин Т.В. Глобальные вариации атмосферно-электрических характеристик. - Метеорол. и гидрол., N 10, 1975 г., с. 34-42.

41. Максимович Н.Г. Методы топологического анализа электрических цепей. Изд-во Львов, ун-та, 1970.

42. Материалы наблюдений за элементами атмосферного электричества (наземная сеть). ГГО, Л.: 1964-1990 г.г.

43. Материалы наблюдений напряженности электрического поля атмосферы на различных высотах по данным зондирования. ГГО. Л.: ч. 1,2 1972-1973 г.г.

44. Махоткин Л.Г. Электрические факторы чистоты воздуха. - Тр. ГГО. Вып. 146, 1963 г., с. 48-52.

45. Мельников H.A. Матричный метод анализа электрических цепей. М.: Энергия, 1972, 216 с.

46. Морковцев Н.П., Фесун A.B., Фильчаков A.B. Модель электрического поля атмосферы. -Геофизические поля и экология. Братск, 1991, с. 24-31.

47. Морковцев Н.П. Численное моделирование электрического поля атмосферы. // Тез. докл. XIV научно-техн. конф. БрИИ, Братск, 1993, с. 142.

48. Морковцев Н.П. Связь электрических параметров атмосферы с загрязненностью воздуха антропогенными выбросами. Проблемы экспериментальной зоны чрезвычайной экологической ситуации, пути и способы их решения. Братск, 1996, с. 228-230.

49. Морковцев Н.П., Макарова Н.И. Биологическое действие атмосферного электричества. Проблемы экспериментальной зоны чрезвычайной экологической ситуации, пути и способы их решения. Братск, 1996, с. 230231.

50. Морковцев Н.П., Морковцева И.И. Физические закономерности пространственно-временных вариаций электрического поля атмосферы. / Труды Братского индустриального института: Материалы XX научно-техн. конф. БрИИ. Братск, 1999, т. 1, с. 167.

51. Морковцев Н.П., Кобец В.П. Моделирование электрического поля атмосферы в условиях аэрозольного загрязнения. / Труды Братского индустриального института: Материалы XX научно-техн. конф. БрИИ. Братск, 1999, т.1, с. 216-218.

52. Морковцев Н.П., Кобец В.П. Мониторинг электрического поля атмосферы в г.Братске. / Труды Братского индустриального института: Материалы XX научно-техн. конф. БрИИ. Братск, 1999, т.1, с. 166.

53. Морковцев Н.П. Моделирование электрических процессов в нижних слоях атмосферы. Интеллектуальные и материальные ресурсы Сибири. Иркутск, 1999, с. 145-146.

54. Морозов В.Н. К вопросу о физико-математическом моделировании электрических процессов в нижних слоях атмосферы. - Тр II Всесоюзн. симпозиума. Л.: Гидрометиздат, 1984 г., с. 14-17.

55. Морозов В.Н., Селезнева А.Н. Влияние конвективного токового генератора на глобальную атмосферно-электрическую цепь.//Атмосферное электричество: Труды III Всесоз. симпозиума. JL: Гидрометеоиздат, 1988, с. 10-14.

56. Мэзон С., Циммерман Г. Электронные цепи, сигналы и системы. М.: Изд-во иностр. лит., 1963, 619 с.

57. Нагорный Л.Я. Моделирование электронных цепей на ЦВМ. Киев.: Техника, 1974, 360 с.

58. Неймарк Ю.И. Динамические системы и управляемые системы. М.: Наука, 1978,336 с.

59. Оль А.И. Связь параметров атмосферного электричества с солнечной активностью. - Докл. На Всесоюз. школе-семинаре по электрическим полям в верхней атмосфере. Л.: 1974 г., с. 26-29.

60. Ope О. Теория графов. -М.: Наука, 1968, 242 с.61.0рурк И.А. Новые методы синтеза линейных и некоторых нелинейных динамических систем. Л.: Наука, 1965, 206 с.

61. Парамонов H.A. Исследование связи между активностью Солнца и градиентом потенциала электрического поля в атмосфере по материалам станций СССР за 1957-1967 г.г. - Тр. ГГО. Вып. 242, 1969 г., с.125-129.

62. Петров Б.Н., Уланов Г.М., Гольденблат И. И др. Теория моделей в процессах управления. -М.: Наука, 1978, 222 с.

63. Райцин Т.М. Синтез САУ методом направленных графов. Л.: Энергия, 1970,94 с.

64. Селезнева А.Н. К вопросу о роли грозовых генераторов в атмосферно-электрической цепи. // Атмосферное электричество: Труды II Всесоюз. симпозиума. JL: Гидрометеоиздат, 1984, с. 17-19.

65. Сенди К. Современные методы анализа электрических систем. М.: Энергия, 1971, 360.

66. Скоробогатова A.M. Биологическое действие атмосферного электричества. Труды III Всесоюз. симпозиума по атмосферному электричеству. Д.: Гидрометеоиздат, 1988, с. 285-288.

67. Скоробогатова A.M. Ионизированный воздух как экологический фактор.// Атмосферное электричество. Труды II Всесоз. симпозиума. -JL: Гидрометеоиздат, 1984, с. 83-84.

68. Сучилин A.M. Применение направленных графов к задачам электротехники. JL: Энергия, 1971, 128 с.

69. Тверской П.Н. Атмосферное электричество. - Л.: Гидрометиздат, 1949 г., 252 с.

70. Теория автоматического управления. // Под ред. А.С.Шаталова. М.: Высш. Школа, 1974, 673 с.

71. Филиппов А.Х. Градиент потенциала электрического поля в атмосфере по наблюдениям на Байкале. - В сб.: "Формирование климата Байкала и Прибайкалья". "Наука", 1966 г., с. 170-174.

72. Филиппов А.Х. Результаты измерения напряженности электрического поля атмосферы в Арктике. - Тр. ААНИИ. 1977 г., вып. 340, с. 144-149.

73. Филиппов А.Х., Аргунчинцев В.К. Численная модель электрического поля атмосферы. // Моделирование процессов гидросферы, атмосферы и ближнего космоса. -Новосибирск: Наука, 1985, с.70-78.

74. Филиппов А.Х. Исследование атмосферного электричества в Восточной Сибири. - Вопросы атмосф. Электричества. 1990 г., с. 176-186.

75. Филиппов А.Х. Грозы Восточной Сибири. - JL: Гидрометиздат, 1974 г., 80 с.

76. Филиппов А.Х., Морковцев Н.П., Фесуи A.B. Влияние радиоактивности на параметры атмосферного электричества. // Тез. докл. IV Всесоюзн. Симпозиума по атмосферному электричеству. Нальчик, 1990, с.29.

77. Филиппов А.Х., Морковцев Н.П., Кобец В.П. Исследования атмосферного электричества в Восточной Сибири. Геофизические поля и экология. Братск, 1991, с. 3-11.

78. Филиппов А.Х., Морковцев Н.П. Моделирование электрических процессов в атмосфере. / Труды Братского индустриального института: Материалы XX научно-техн. конф. БрИИ. Братск, 1999, т.1, с. 166.

79. Харари Ф. Теория Графов. -М.: Мир, 1973, 368 с.

80. Хргиан А.Х. Физика атмосферы. - Л.: Гидрометиздат, 1978 г., т.1., 247 с; т.2,319 с.

81. Чалмерс Дж.А. Атмосферное электричество. - Л.: Гидрометиздат, 1974 г., 419 с.

82. Шварц Я.М. Об интерпретации результатов измерений градиента потенциала электрического поля в свободной атмосфере. Тр. ГГО. Вып. 301, 1974., с. 55-59.

83. Шварц Я.М. и др. Наблюдения атмосферного электричества над океаном как часть общей системы регулярных атмосферно-электрических наблюдений. - Вопросы атмосферного электричества. Сб. статей. 1990 г., с. 158-167.

84. Экологическая обстановка в Иркутской области в 1992 году. Ежегодный доклад Иркутского обласного комитета по охране окружающей среды Минприроды РФ. Иркутск, 1993 г., 142 с.

85. BHARTENDU; Electric potential gradient terdiurnal variation. J. Atm. Terr. Phys., 1974,v.36, N 2, p.343-349.

86. Cobb W.E. Evidence of a Solar influence on the atmospherig elemente at Mauna Observatory. - Weathly Rev., 1967,v.95, N 12, p. 905-911.118

87. Cobb W.E. Atmospheric Electric Measurements at the South Pole. - Electrical Processes in Atmospheres. Proc/ of the Fifth Intern. Conference. Darmstadt, 1977, p. 161-165.

88. Haus P.B., Roble R.G. A quasi-static model of global atmospheric electricity.I.Lower atmosphere //J.Geophys.Res., 1979, v.84,N A7, p. 3291-3305.

89. Hill R.D. Spherical capacitor hypothesis of the Earth's electric firld // Pure Appl. Geophys, 1971, v.84, N1, p.67-75.

90. Holser R.E., Saxon D.S. Distribution of electrical conduction current in the vicinity of thunderstorms // J.Geophys. Res.,1952, v.52, N2, p.207-217.

91. Israel H. Atmospherische Elektrizität. - Teil 1, Leipzig, 1957, 317 p.

92. Israel H. Atmospherische Elektrizität. - Teil 2, Leipzig, 1961, 503 p.

93. Ogava T. Fair-weather electricity.// J.Geophys.Res., 1985, v.90, N D4, p.5951-5960.

94. Reiter R. Study to verify patterns of atmospheric potential gradient and airsarth current after solar flares passed upon the geographic distribution of storm center. Rivista Italiana di Geofísica, 1974, c.23, N 3/4, p. 193-197.

95. Reiter R/ Impact of solar flares on potential gradient. - PAGEOPH, 1971, v. 86, p. 142-158.

96. Webb B.W. Global electrical currents. - PAGEOPH, 1971, v. 84, N 1.