Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. 2018. № 5(25). C. 42-54. ISSN 2079-6641

Содержание

DOI: 10.18454/2079-6641-2018-25-5-42-54

УДК 551.594

ИССЛЕДОВАНИЕ РОЛИ АЭРОЗОЛЕЙ В ФОРМИРОВАНИИ ВАРИАЦИЙ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ПРИЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЕ 

Г. Г. Петрова¹, И. Н. Панчишкина¹, А. И. Петров¹ О. Г. Чхетиани², Е. В. Егоров¹, В. А. Болдырева¹

¹Южный федеральный университет, 344000, г. Ростов-на-Дону, ул. Зорге, 5
²Институт физики атмосферы им. А.М.Обухова РАН, 119017, Москва, пер. Пыжёвский, 3

E-mail: georgpu@rambler.ru, ochkheti@rssi.ru

В работе обсуждаются результаты атмосферно-электрических измерений лаборатории геофизических исследований Физического факультета Южного федерального университета за период с 2012 до 2017 года. Многолетние исследования позволяют типизировать наблюдаемые атмосферно-электрические профили. Вид вертикальных профилей электрического поля по результатам измерений градиента потенциала в приземном слое свидетельствует о присутствии слоёв отрицательного объёмного заряда в нижней атмосфере. Возможная интерпретация их появления основана на том, что объёмные заряды лёгких ионов вблизи земли адсорбируются аэрозолями. Аккумуляция заряда на аэрозолях способствует длительному присутствию в приземной атмосфере заряженных слоёв, влияющих на пространственное распределение электрического поля и его величину. Измерение концентрации аэрозолей субмикронного и микронного диапазонов в экспедициях дополнило измерительный комплекс после 2012 года. Представлены результаты регрессионного и дисперсионного анализа связи градиента потенциала с содержанием аэрозолей в приземной атмосфере. Рассматривается роль влажности в формировании аэрозоля и возможное косвенное влияние этого фактора на вариации атмосферного электрического поля.

Ключевые слова: приземный слой, электропроводность атмосферы, атмосферно-электрическое поле, радон-222, аэрозоли, глобальная электрическая цепь, турбулентность, полевой эксперимент.

 

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ), гранты 16-05-00930_a и 17-05-41121 РГО_а.

MSC 86A10

THE STUDIES ON THE ROLE OF AEROSOLS IN THE ELECTRIC FIELD VARIATIONS FORMATION IN THE SURFACE ATMOSPHERE

G. G. Petrova¹, I. N. Panchishkina¹, A. I. Petrov¹, O. G. Chkhetiani², E. V. Egorov¹, V. A. Boldyreva¹

¹Southern Federal University, 344000, Rostov-on-Don, Zorge st., 5, Russia
²A.M.Obukhov Institute of Atmospheric Physics Russian Academy of Sciences, Moscow, Pyzhyovskiy pereulok, 3, Russia

E-mail: georgpu@rambler.ru, ochkheti@rssi.ru

The atmospheric-electrical measurements results obtained from 2012 to 2017 at the Laboratory of Geophysical Research of the Department of Physics of the Southern Federal University are discussed. Long-term studies allow us to typify the observed atmospheric electrical profiles. According to measurements of the potential gradient in the surface layer, the form of electric field vertical profiles indicates the presence of negative space charge layers in the lower atmosphere. A possible interpretation of their appearance is based on the fact that the volumetric charges of light ions near the earth are adsorbed by aerosols. Charge accumulation on aerosols promotes the long-term presence of charged layers in the surface atmosphere, which affect the spatial distribution of the electric field and its magnitude. Measurement of aerosols concentration of submicron and micron ranges in expeditions after 2012 supplemented the measuring complex. The results of regression and dispersion analysis of the potential gradient connection with the content of aerosols in the surface atmosphere are presented. The role of humidity in the aerosol formation and the possible indirect influence of this factor on the atmospheric electric field variations are considered.

Key words: surface layer, atmospheric electrical conductivity, atmospheric electric field, radon-222, aerosols, global electrical circuit, turbulence, field experiment.

 

The paper is performed with support of Russian Foundation for Fundamental Research Grants № 16 05 00930_a, № 17 05 41121 RGS_a.

 

Список литературы/References

  1. Crozier W.D., Biles N., “Measurements of radon 220 (thoron) in the atmosphere below 50 centimeters”, J.Geoph.Res., 1966, № 71, 4735–4741.
  2. Law J., “The ionization of the atmosphere near the ground in fair weather”, Quart.J.R.Met.Soc., 1963, № 89, 107–121.
  3. Hoppel W.A., “Electrode effect: comparison of theory and measurement”, Planetary Electrodinamics, Gordon and Breach Science Publishers, New-York, 1969, 167–181.
  4. Crozier W.D., “Atmospheric electrical profiles below three meters”, J.Geoph.Res., 1965, № 70, 2785-2792.
  5. Mareev E.A., “Formation of Charge Layers in the Planetary Atmospheres”, Space Science Reviews, 137:1–4 (2008), 373–397.
  6. Hoppel W.A., Anderson R.V and Willett J.C., “Atmospheric electricity in the planetary boundary layer”, The Earth’s Electrical environment, Studies in Geophysics, National Academy Press, USA, 1986, 149–165.
  7. Hoppel W. A., Frick G. M., “Ion-Aerosol Attachment Coefficients and the Steady-State Charge Distribution on Aerosols in a Bipolar Ion Environment”, Aerosol Science and Tech., 5:1 (1986), 1–21.
  8. Имянитов И. М., Шифрин К. С., “Современное состояние исследований атмосферного электричества”, Успехи физических наук, LXXVI:4 (1962), 593–639. [Imyanitov I. M., Shifrin K. S., “Sovremennoe sostoyanie issledovaniy atmosfernogo elektrichestva.”, Uspekhi fizicheskikh nauk, LXXVI:4 (1962), 593–639].
  9. Смирнов В. В., “Электризация аэрозоля, обводняющегося в биполярно ионизированном воздухе”, Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 46:3 (2010), 321–331. [Smirnov V. V., “Elektrizatsiya aerozolya, obvodnyayushchegosya v bipolyarno ionizirovannom vozdukhe.”, Izvestiya RAN. Fizika atmosfery i okeana, 46:3 (2010), 321–331].
  10. Anisimov S.V., Galichenko S.V., SHikhova N.M., “Space charge and aeroelectric flows in the exchange layer: An experimental and numerical study”, Atmospheric Research, 2014, № 135–136, 244–254.
  11. Israelsson S., “Measurements of surface-air space charges carried by dry wind-driven dust”, J. Atmosph. Terr. Phys., 1994, № 56(12), 1551–1556.
  12. Petrova G. G., Petrov A. I., Panchishkina I. N., “Formation of the Electric Structure in the Lower Layer of the Atmosphere: Experimental Studies and Generalization of the Data”, Radiophysics and Quantum Electronics, 56:11 (2014), 723–738.
  13. Акбашев Р. Р., Фирстов П. П., Чернева Н. В., “Регистрация потенциала электрического поля атмосферы в центральной части полуострова Камчатка”, Сборник тезисов докладов IX Международной конференции «Солнечно-земные связи и физика предвестников землетрясений», ИКИР ДВО РАН, Петропавловск-Камчатский, 2018, 44. [Akbashev R. R., Firstov P. P., Cherneva N. V., “Registratsiya potentsiala elektricheskogo polya atmosfery v tsentral’noy chasti poluostrova Kamchatka.”, Sbornik tezisov dokladov IX Mezhdunarodnoy konferentsii «Solnechno-zemnye svyazi i fizika predvestnikov zemletryaseniy», IKIR DVO RAN, Petropavlovsk-Kamchatskiy, 2018, 44].
  14. Куповых Г. В., “Моделирование влияния загрязнений на электрические характеристики приземного слоя атмосферы”, Известия ТРТУ, 2004, № 5, 175–179. [Kupovykh G. V., “Modelirovanie vliyaniya zagryazneniy na elektricheskie kharakteristiki prizemnogo sloya atmosfery”, Izvestiya TRTU, 2004, № 5, 175–179].
  15. Петрова Г. Г., Петров А. И., Панчишкина И. Н., “Экспедиционные исследования электрических процессов в приземной атмосфере с учётом аэрозолей”, Материалы Второй Всероссийской конференции «Глобальная электрическая цепь», Филигрань, Ярославль, 2015, 38–39. [Petrova G. G., Petrov A. I., Panchishkina I. N., “Ekspeditsionnye issledovaniya elektricheskikh protsessov v prizemnoy atmosfere s uchyotom aerozoley.”, Materialy Vtoroy Vserossiyskoy konferentsii «Global’naya elektricheskaya tsep’», Filigran’, Yaroslavl’, 2015, 38–39].

Список литературы (ГОСТ)

  1. Crozier W. D., Biles N. Measurements of radon 220 (thoron) in the atmosphere below 50 centimeters // J.Geoph.Res. 1966. no. 71. pp. 4735–4741.
  2. Law J. The ionization of the atmosphere near the ground in fair weather // Quart.J.R.Met.Soc. 1963. no. 89. pp. 107–121.
  3. Hoppel W. A. Electrode effect: comparison of theory and measurement. Planetary Electrodinamics. New-York: Gordon and Breach Science Publishers, 1969. pp. 167–181.
  4. Crozier W. D. Atmospheric electrical profiles below three meters // J.Geoph.Res. 1965. no. 70. pp. 2785-2792.
  5. Mareev E. A. Formation of Charge Layers in the Planetary Atmospheres // Space Science Reviews. 2008. vol. 137. no. 1–4. pp. 373–397.
  6. Hoppel W. A., Anderson R. V, Willett J. C. Atmospheric electricity in the planetary boundary layer. The Earth’s Electrical environment, Studies in Geophysics. USA: National Academy Press. 1986. pp. 149–165.
  7.  Hoppel W. A., Frick G. M. Ion-Aerosol Attachment Coefficients and the Steady-State Charge Distribution on Aerosols in a Bipolar Ion Environment // Aerosol Science and Tech. 1986. vol. 5. no. 1. pp. 1–21.
  8. Имянитов И. М., Шифрин К. С. Современное состояние исследований атмосферного электричества // Успехи физических наук. 1962. Т. LXXVI. №4. С. 593–639.
  9. Смирнов В. В. Электризация аэрозоля, обводняющегося в биполярно ионизированном воздухе // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2010. Т. 46. №3. С. 321–331.
  10. Anisimov S. V., Galichenko S. V., Shikhova N. M. Space charge and aeroelectric flows in the exchange layer: An experimental and numerical study // Atmospheric Research. 2014. no. 135–136. pp. 244–254.
  11. Israelsson S.Measurements of surface-air space charges carried by dry wind-driven dust // J. Atmosph. Terr. Phys. 1994. vol. 56(12). pp. 1551–1556.
  12. Petrova G. G., Petrov A. I., Panchishkina I. N. Formation of the Electric Structure in the Lower Layer of the Atmosphere: Experimental Studies and Generalization of the Data // Radiophysics and Quantum Electronics. 2014. vol. 56. no. 11. pp. 723–738.
  13. Акбашев Р. Р., Фирстов П. П., Чернева Н. В. Регистрация потенциала электрического поля атмосферы в центральной части полуострова Камчатка // Сборник тезисов докладов IX Международной конференции «Солнечно-земные связи и физика предвестников землетрясений». Петропавловск-Камчатский: ИКИР ДВО РАН, 2018. 44 c.
  14. Куповых Г. В. Моделирование влияния загрязнений на электрические характеристики приземного слоя атмосферы // Известия ТРТУ. 2004. №5. С. 175–179.
  15. Петрова Г. Г., Петров А. И., Панчишкина И. Н. Экспедиционные исследования электрических процессов в приземной атмосфере с учётом аэрозолей // Материалы Второй Всероссийской конференции «Глобальная электрическая цепь». Ярославль: Филигрань, 2015. C. 38–39.

Для цитирования: Петрова Г. Г., Панчишкина И. Н., Петров А. И., Чхетианаи О. Г., Егоров Е. В., Болдырева В. А. Исследование роли аэрозолей в формировании вариаций электрического поля в приземной атмосфере // Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. 2018. № 5(25). C. 42-54. DOI: 10.18454/2079-6641-2018-25-5-42-54.
For citation: Petrova G. G., Panchishkina I. N., Petrov A. I., Chkhetiani O. G., Boldyreva V. A. The studies on the role of aerosols in the electric field variations formation in the surface atmosphere, Vestnik KRAUNC. Fiz.-mat. nauki. 2018, 25: 5, 42-54. DOI: 10.18454/2079-6641-2018-25-5-42-54.

Поступила в редакцию / Original article submitted: 09.12.2018

Petrova Петрова Галина Григорьевна – кандидат физико-математических наук, доцент каферы общей физики, физический факультет, Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону, Россия, ORCID 0000-0002-3605-9077.
  Petrova Galina Grigor’yevna – PhD. (Phys.& Math) Associate Professor, Department of General Physics, Faculty of Physics, Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia, ORCID

1

1

1

1

Pan Панчишкина Ирина Николаевна – кандидат физико-математических наук, доцент каферы общей физики, физический факультет, Южный федеральный университет, г. Ростов-на- Дону, Россия, ORCID 0000-0002-3158-8375.
  Panchishkina Irina Nikolayevna – PhD. (Phys.& Math) Associate Professor, Department of General Physics, Faculty of Physics, Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia, ORCID 0000-0002-3158-8375.

1

1

1

1

Petrov  Петров Анатолий Иванович – заведующий лабораторией, кафера общей физики, физический факультет, Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону, Россия, ORCID 0000-0002-1234-3399.
  Petrov Anatoliy Ivanovich – Head of laboratory, Department of General Physics, Faculty of Physics, Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia, ORCID 0000-0002-1234-3399.-0002-3605-9077.

1

1

1

  ChkhetЧхетиани Отто Гурамович – доктор физико-математических наук, заместитель директора по науке, Институт физики атмосферы им. А.М.Обухова РАН, г. Москва, Россия, ORCID 0000-0002-8560-1520.
  Chkhetiani Otto Guramovich – Dr. Sci. (Phys & Math), Deputy Director for Science, Institute of Atmospheric Physics A.M. Obukhova RAS, Moscow, Russia, ORCID 0000-0002-8560-1520

1

1

1

1

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

  Егоров Евгений Викторович – аспирант физического факультета, Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону, Россия, ORCID 0000-0002-8973-5358.
  Egorov Evgeniy Viktorovich – Postgraduate Student, Faculty of Physics, Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia, ORCID 0000-0002-8973-5358.

1

1

1

1

Bold Болдырева Виктория Александровна – студент физическгого факультета, Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону, Россия, ORCID 0000-0002-6406-2249.
  Boldyreva Viktoriya Aleksandrovna – Student of the Faculty of Physics, Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia, ORCID 0000-0002-6406-2249.

1

1

1

1

1

Скачать статью Петрова Г.Г. и др