Введение к работе
Диссертация посвящена экспериментальному исследованию короткопериодных пульсаций электрического поля в приземном слое атмосферы.
Актуальность проблемы. Короткопериодные пульсации электрического поля приземной атмосферы в частотном диапазоне 0.001 -1 Гц являются неотъемлемой частью геоэлектромагнитных процессов. Источники их генерации и пространственно - временные характеристики остаются фундаментальным предметом исследования физики геоэлектромагнитного окружения в последние десятилетия.
Электрическое состояние приземной атмосферы характеризуется действием глобальных, региональных и локальных генераторов электрических полей и токов. Приземный слой, вследствие сил вязкого трения у поверхности земли, содержит газодинамические течения, для которых характерны скорости, превышающие критические и определяющие турбулентный режим среды. Непрерывное движение приземной атмосферы, обусловленное влиянием трения, нагрева и испарения с подстилающей поверхности, вызывает эффективное перемешивание аэрозолей, объемных зарядов и радиоактивных газов, что при наличии внешнего электрического поля приводит к локальным флуктуациям заряда и градиента потенциала в слабопроводящей среде.
Ряд крупномасштабных геофизических явлений сопровождается вариациями электрического поля в приземной атмосфере. Развитие метода диреісционного анализа, разработка основ гидродинамической диагностики состояния ионосфсрно - магнитосфсрной плазмы предопределили экспериментальный поиск вертикальной электрической составляющей
поля геомагнитных пульсаций на фоне локальных короткопериодных пульсаций электрического поля приземной атмосферы. Обнаружение аномальных изменений в ионосфере в периоды, предшествующие землетрясениям, обусловило актуальность анализа сейсмоионосферных связей. Одним из возможных факторов, способных осуществлять такие связи, является электрическое поле атмосферы. Имеются экспериментальные данные о возлгущениях атмосферного электрического поля, сопутствующих землетрясениям. Интерес к электрическим эффектам в приземном слое связан с предполагаемой возможностью включения их в единый комплекс сейсмопрогностических явлений.
Таким образом, изучение короткопериодных пульсаций электрического поля в приземном слое представляет интерес в связи с целым рядом геофизических задач, таких, как доказательство той или иной гипотезы о природе электрического поля в атмосфере, изучение структуры поля геомагнитных пульсаций, развитие метода магнито-теллурического зондирования и гидромагнитной диагностики, поиск предвестников землетрясений, анализ солнечно-биологических связей, а также исследование физических характеристик приземного слоя и динамических процессов, протекающих в нижних слоях атмосферы. К настоящему времени не разработана самосогласованная, целостная модель генерации короткопериодных пульсаций аэроэлектрического поля, что обусловлено прежде всего отсутствием базы данных электрических параметров приземной атмосферы, измеренных с высоким временным и пространственным разрешением.
К диапазону короткопериодных пульсаций непосредственно примыкает диапазон глобальных (шумановских) резонансных колебаний в полости Земля - ионосфера. Эти колебания могут возбуждаться как
земными, так и космическими источниками. В последнее время обнаружена связь интенсивности шумановских резонансов с вариациями глобальной температуры приземной атмосферы. Исследование шумановских резонансов может быть полезным для получения информации об источниках их генерации и о состоянии глобальной электрической цепи.
Изложенное выше поясняет постановку основных задач диссертации, их экспериментальную направленность и актуальность.
Цель работы. Цель данной работы состояла в определении количественных характеристик и физических механизмов генерации короткопериодных пульсаций электрического поля в приземном слое, а также исследовании поляризационных характеристик первого и второго шумановских резонансов.
Задачи исследования. Реализация поставленной цели потребовала решения следующих основных задач:
-
разработка методики эксперимента для изучения турбулентной природы короткопериодных пульсаций электрического поля в приземном слое;
-
экспериментальное исследование характеристик короткопериодных пульсаций аэроэлектрического поля;
-
развитие теоретической модели генерации короткопериодных пульсаций электрического поля в приземном слое;
-
экспериментальное определение поляризации первого и второго мода шумановских резонансов.
Методика исследования. Проведенные исследования основаны на длительной серии инструментальных наблюдений короткопериодных пульсаций электрического поля в приземном слое, а также
электромагнитного шума в полосе частот, включающей шумановские
резонансы. Эксперименты выполнены в лаборатории
геоэлектромагнитного мониторинга Геофизической обсерватории "Борок". Метод структурных функций применен к анализу короткопериодных аэроэлектических пульсаций. Поляризация шумановских резонансов исследована с использованием преобразования Гильберта при обработке экспериментальных данных.
Научная новизна работы.
1.Предложена и апробирована методика структурного анализа в применении к короткопериодным пульсациям аэроэлектрического поля.
2. Создана установка для проведения специализированных экспериментов по исследованию атмосферного электрического поля в приземном слое.
3.Экспериментально показано, что короткопериодные пульсации электрического поля в приземной атмосфере имеют локальную турбулентную природу, впервые определены характерные пространственные масштабы пульсаций электрического поля.
4.Предложена теоретическая модель генерации короткопериодных пульсаций электрического поля в атмосфере турбулентностью, для мелкомасштабных флуктуации внутри инерционного интервала получены аналитические выражения для структурной функции.
5.Экспериментально показано, что в средних широтах северного полушария поляризация колебаний на частоте первого шумановского резонанса преимущественно левая, на частоте второго - линейная днем и правая ночью. В качестве возможных причин обнаруженной асимметрии поляризации указаны гиротропия ионосферы и возбуждение шумановских резонансов космическими источниками.
Научная и практическая ценность работы. Полученные в диссертации результаты закладывают практические основы для применения методов структурного анализа в изучении атмосферных электрических явлений; могут быть использованы при построении модели глобальной электрической цепи, учитывающей электрическое состояние приземного слоя; а также при организации сети наблюдений за состоянием аэроэлектрического поля на сеисмопрогностических полигонах и проведении крупномасштабных геофизических экспериментов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались
на II Всесоюзной конференции "Прием и анализ СНЧ колебаний
естественного происхождения" (Воронеж, 1987), IX Международной
конференции по атмосферному электрическтву (Санкт-Петербург, 1992),
Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости (Рим,
1994), X Международной конференции по атмосфернолгу электрическтву
(Осака, 1996), VIII Научной ассамблее Международной ассоциации
геомагнетизма и аэрономии (Уппсала, 1997), а также на научных
семинарах лаборатории геоэлектромагнитного мониторинга
Геофизической обсерватории "Борок" ОИФЗ РАН.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ в отечественной и зарубежной печати.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Ее общий объем составляет 141 страницу, включая 29 рисунков. Библиография включает 123 наименвания.