Погода в Санкт-Петербурге | Pogoda78.ru

Влияние природных процессов на формирование локального электрического поля атмосферы

Влияние природных процессов на формирование локального электрического поля атмосферы

Ведущая организация: Главная Геофизическая Обсерватория им. А.И. Воейкова (г. Санкт-Петербург).

Защита состоится « 27 » октября 2010 г. в 13 часов на заседании совета Д.212.232.35 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт Петербургском государственном университете по адресу: 199034, г. Санкт-Петербург. Университетская набережная, д.7/9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ Автореферат разослан «…..» 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физ.-мат. наук, А.Л. Котиков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В работе проведено исследование вариаций напряженности электрического поля атмосферы в периоды Форбуш-понижения, прохождения терминатора и циклона, а также при формировании искусственного пароводяного облака и построена феноменологическая модель.

Актуальность темы Состояние электрического поля атмосферы (ЭПА) отражает одновременное воздействие на проводимость слоев атмосферы на различных высотах космических, метеорологических и геофизических природных процессов. Сочетание разных по происхождению и подверженных сильной изменчивости факторов, влияющих на проводимость атмосферы, создает региональные и сезонные особенности вариаций ЭПА. Существует проблема выделения их вклада в ионизационные процессы. К числу наиболее важных факторов относятся эксхаляция радона, интенсивность галактических космических лучей, фотоионизационные процессы, вариации потенциала электросферы. Роль каждого из них хорошо известна, однако задача исследования их комплексного влияния на формирование ЭПА в различных условиях с учетом региональных и сезонных особенностей остается актуальной до сих пор.

Выделение эффектов Форбуш-понижения интенсивности галактических космических лучей и солнечного терминатора в вариациях ЭПА на фоне UT вариаций представляет сложную задачу, решение которой можно получить на основе комплексного анализа геофизических наблюдений. Региональные особенности вариаций ЭПА, кроме метеорологических факторов, обусловлены еще и выходом радона в атмосферу, который в свою очередь зависит от многих атмосферных и геофизических процессов. Исследованию их еще недостаточно изученной роли в интенсификации потока радона также посвящена данная работа. Для учета вкладов от этих воздействий необходимо использование комплексной физической модели ЭПА, разработке которой уделяется большое внимание в последнее время, и один из вариантов которой рассматривается в данной работе. На ее основе проведен анализ данных обсерваторских наблюдений, выполненных на Камчатке.

Генерация ЭПА основана на разделении зарядов в облаке водяного пара, однако эффективность ее зависит как от динамики самого облака, так и от соотношения его капельной и газовой компонент. Это положение еще не проверялось на масштабном натурном эксперименте. В представленной работе такие измерения были выполнены.

Целью настоящей работы является исследование влияния природных процессов на формирование вариаций вертикальной составляющей напряженности ЭПА (EZ – компоненты) полуострова Камчатка на обс.

«Паратунка»: выделение факторов, влияющих на его временные вариации;

изучение особенностей поведения в моменты Форбуш-понижения интенсивности галактических космических лучей и при изменении разности потенциалов между поверхностью Земли и нижней границы ионосферы;

оценка влияние циклонической активности. Изучение электрических параметров облака, возникающего в результате инжекции в атмосферу пароводяной смеси из геотермальных скважин. Оценка влияния метеорологических факторов на распределение радона в приземном слое атмосферы.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Собрать и обобщить литературные данные по затронутым вопросам.

2. Сформировать базу данных электрического поля атмосферы, метеорологических параметров, эксхаляции радона, геомагнитных вариаций, интенсивности космических лучей (ГКЛ), естественного электромагнитного излучения в очень низком диапазоне (ОНЧ-излучения).

3. Разработать систему обработки данных для выделения отдельных факторов, влияющих на напряженность вертикальной компоненты ЭПА EZ.

4. Провести комплексный анализ данных ЭПА, полученных на обсерватории «Паратунка», стационаре «Карымшина» (Совместно с институтом Вулканологии), а так же в экспедиционном режиме – на пункте «Мутновка».

5. Для исследования некоторых природных процессов, оказывающих влияние на EZ, провести натурные эксперименты.

Защищаемые положения 1. Феноменологическая модель воздействия на электрическое поле атмосферы таких природных факторов как: космические лучи, фотоэффект, вариации потенциала ионосферы, сток радона в атмосферу.

2. Динамика вертикальной компоненты ЭПА во время прохождения циклонов.

3. Особенности суточного хода напряженности ЭПА на обс. «Паратунка», которые формируется как под действием UT – вариации, так и утренним терминатором.

4. Уменьшение напряженности ЭПА в моменты формирования и электризации пароводяного облака с небольшим паросодержанием на геотермальных скважинах Мутновского месторождения и её увеличение при повышенном паросодержании.

Научная новизна 1. Впервые проведен комплексный анализ вариаций напряженности вертикальной компоненты ЭПА с привлечением данных метеорологических параметров, объемной активности радона (ОА Rn), геомагнитных вариаций, интенсивности ГКЛ и ОНЧ-излучения.

2. Впервые выполнены исследования влияния электризованного парового облака, возникающего при выпусках пароводяной смеси из скважин, на вариации вертикальной компоненты ЭПА и дана качественная интерпретация полученного результата.

3. Впервые дана интерпретация влияния циклонов на уменьшение величины EZ.

4. Получена обратная корреляционная зависимость сезонного хода напряженности квазистатического электрического поля в приземной атмосфере и ОА Rn.

Достоверность результатов определяется использованием обсерваторского оборудования, стандартных методик обработки данных, представительных выборок для статистического анализа, физически корректных схем построения моделей и соблюдением метрологических требований к измерительной аппаратуре.

Практическая ценность работы Практическая ценность работы состоит в том, что полученные знания могут быть использованы в физике атмосферы и солнечно-земных связей, метеорологии, при создании новых технологий прогноза сейсмических событий.

Исследования выполнены по проектам Программ Президиума РАН №6, 16/3 и ДВО РАН № 07-III-Б-02-010.

Предложенная автором научно-исследовательская разработка количественного расчета содержания пара в пароводяной смеси при выпуске из геотермальных скважин может быть использована для оценки качественного состава энергоносителя эксплуатационных скважин на Мутновском месторождении парогидротерм на Камчатке и в дальнейших исследованиях по данной тематике.

Личный вклад автора Основные результаты работы получены лично автором диссертации, либо при его непосредственном участии в коллективе:

проведен сравнительный комплексный анализ вариаций электрического поля атмосферы с использованием метеорологических параметров, интенсивности галактических космических лучей, эксхаляции радона, вариаций геомагнитного поля, ОНЧ-излучений и результатов моделирования воздействия этих природных факторов на электрическое поле атмосферы;

организован и проведен натурный эксперимент с искусственным пароводяным облаком.

Данные, используемые для комплексного сравнительного анализа, получены совместно сотрудниками Лабораторий геофизических полей и электромагнитных излучений, ГФО «Магадан» и «Мыс Шмидта» ИКИР ДВО РАН. При сборе данных вариаций напряженности ЭПА использована программа, созданная С.Э. Смирновым, за что автор выражает ему благодарность. Автор участвовал: в экспедиционных работах, проводимых группой в составе проф. д.т.н. В.В.Кузнецова, И.Ю.Бабаханова и к.ф.-м.н.

в разработке модели воздействия природных факторов на напряженность ЭПА совместно с профессором д.ф.-м.н. Е.А.Пономаревым, к.ф.-м.н. П.П. Фирстовым, А.В. Бузевичем. Автор искренне благодарен им за помощь в совместной работе. Идея необходимости создания феноменологической модели принадлежит профессору д.ф.-м.н.

Е.А.Пономареву, работа была выполнена под его руководством.

Апробация работы Результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах:

Август 2001, 2004, 2007 гг. II, III, IV Международные конференции «Солнечно-земные связи и электромагнитные предвестники землетрясений», с.

Паратунка, Камчатский край. Июнь 2003 г. General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics, Sapporo, Япония. Сентябрь г. V Российская конференция по атмосферному электричеству, г. Владимир.

Апрель 2005 г. General Assembly of the European Geosciences Union, Vienna, Австрия. Май 2005 г. ХХI Всероссийская научная конференция по распространению радиоволн, г. Йошкар-Ола. Июль 2005 г. IAGA Scientific Assembly, Toulouse, Франция. Сентябрь 2005 г. Международная БШФФ «Астрофизика и физика околоземного космического пространства», г. Иркутск.

Ноябрь 2005 г. II Всероссийская школа-семинар по электромагнитным зондированиям Земли, г. Москва. Май 2006 г. VI конференция «Проблемы геокосмоса», г. Санкт- Петербург. Июль 2006 г. 36-ая сессия COSPAR, Пекин, Китай. Июль 2007 г. IUGG – XXIV General Assembly, Perugia, Италия.

Октябрь 2007 г. VI Российская конференция по атмосферному электричеству, г. Нижний Новгород. Ноябрь 2007 г. Научно-техническая конференция «Проблемы комплексного геофизического мониторинга Дальнего Востока России», г.Петропавловск-Камчатский. Декабрь 2007 г. Региональная научная конференция «Исследования в области наук о Земле: География, геология, геофизика, геоэкология, вулканология», г. Петропавловск-Камчатский. Апрель 2008 г. Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава и аспирантов КамГТУ, г. Петропавловск-Камчатский. Сентябрь 2008 г.

ХХII Всероссийская научная конференция, Ростов-на-Дону, п. Лоо. Ноябрь 2008 г. Научная конференция «Геофизический мониторинг и проблемы безопасности Дальнего Востока России», г. г. Петропавловск-Камчатский.

Сентябрь 2009 г. Конференция памяти Е.А. Пономарева "Высокоширотные гелиогеофизические явления", г. Иркутск.

Публикации По теме диссертации опубликовано 26 статей из них 8 статей в реферируемых журналах.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и библиографического указателя на 178 ссылок, содержит 124 страницы машинописного текста, включая 27 рисунков и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель работы, основные положения, выносимые на защиту, отмечена научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе представлен обзор современного состояния проблемы приземного ЭПА в рамках задач, поставленных в диссертации.

В разделе 1.1 рассматривается модель Глобальной атмосферно электрической токовой цепи Робла-Хейса и основные генераторы, поддерживающие электрическое поле атмосферы.

В разделе 1.2 приводится краткая характеристика особенностей динамики формирования ЭПА по данным нескольких обсерваторий, дается описание унитарной вариации. Из приведенного в разделе краткого обзора литературных источников следует, что одной из особенностей электрических процессов атмосферы является их двойственный характер: они одновременно порождают трудно отделяемые один от другого эффекты локального и глобального масштабов. Эффекты глобального масштаба проявляются в одновременном по всей Земле изменении напряженности электрического поля атмосферы (унитарные вариации - UT). Эффекты локального масштаба определяются метеорологическими условиями, характерными для данного региона.

Рассматриваются периодические вариации электрического поля: 11-летние, годовые (сезонные) и суточные.

В разделе 1.3 представлен обзор литературы по основным факторам, определяющим ионизацию приземного слоя атмосферы и высотного профиля проводимости. Благодаря ионизации атмосферного воздуха в атмосфере Земли постоянно существуют вертикальные электрические токи плотностью j. При слабом турбулентном перемешивании атмосферы и небольшой конвекции вертикальный ток в атмосфере будет равен току проводимости j=E.

Изменение приводимости воздуха определяется изменением числа наиболее подвижных отрицательных - и положительных + ионов в единице объема воздуха, их подвижности, плотности n ± (число ионов данного знака в единице объема воздуха). Плотность ионов определяется интенсивностью (или скоростью) ионообразования q (число пар ионов, образующихся в единице объема воздуха за 1 сек) и скоростью их исчезновения – рекомбинации. В разделе подробно рассмотрены основные источники ионизации атмосферы, которыми в приземном слое являются продукты распада радиоактивных элементов и ГКЛ. Связь процесса ионизации воздуха космическими лучами и процесса рекомбинации ионов представлена квадратичным уравнением баланса ионов q=n2 и линейным, когда q=n, где и - разные по величине и размерностям коэффициенты ионной рекомбинации. В случае квадратичного уравнения n

q0.5, а в случае линейного - n

Во второй главе дается характеристика орографии, климата и геологии района Камчатки, краткое описание комплекса аппаратуры и методики наблюдений. Благодаря тому, что в одном пункте ведутся непрерывные регистрации напряженности ЭПА, геомагнитных вариаций, ОНЧ-излучений и ОА Rn, стало возможным проведение систематизированного анализа совокупности этих геофизических параметров.

Третья глава посвящена анализу экспериментальных данных регистрации величины ЕZ на обс. «Паратунка» в период 1996-2006 гг.

В разделе 3.1 показаны временные особенности ЭПА за десятилетний период. Максимум сезонного хода ЕZ для обсерватории «Паратунка»

приходится на зимние месяцы, что характерно для северного полушария. В среднем величина зимнего максимума

40 В/м в летний минимум. С целью изучения сезонного хода величины EZ и факторов, влияющих на его формирование, рассмотрены сезонный ход метеорологических параметров (атмосферное давление и температура воздуха, высота снежного покрова) и ОА Rn. Максимум мощности снегового покрова на рис.1 приходится на ветвь спада сезонного хода величины ЕZ c максимальным коэффициентом корреляции rmax = 0.73 при сдвиге в 50 суток, в то время как сезонный ход величины ЕZ и температуры воздуха находятся в противофазе с rmax = - 0.67 при сдвиге в 10 суток.

Рис.1. Высота снежного покрова и сезонный ход напряженности ЭПА и температуры воздуха: 1—напряженность ЭПА;

2—высота снегового покрова;

По-видимому, сезонное уменьшение напряженности ЭПА в летний период связано с увеличением стока Rn в атмосферу за счет увеличения проницаемости верхнего слоя грунта, а наличие снегового покрова мало влияет на динамику величины ЕZ. Таким образом, сезонный ход величины EZ контролируются стоком радона в атмосферу, чем объясняется большая разница между максимальными и минимальными значениями напряженности в годовом ходе

100 В/м за период наблюдений.

Проведен сравнительный анализ влияния на суточный ход величины ЕZ эффекта UT - вариации и утреннего терминатора. С целью разделения влияния этих факторов за период 1998 по 2006 гг. были выбраны спокойные дни ( дня), когда отсутствовали резкие колебания в величины ЕZ. Методом наложения эпох построены кривые, нормированные на максимальное значение с нулевой точкой момента восхода Солнца (по данным «Камчатского УГМС»).

На рис. 2 показано наличие двух экстремумов: первый обусловлен утренним терминатором, а второй - UT – вариацией. В марте они почти сливаются в один максимум с относительной амплитудой

40%, а в июне - июле образуются два экстремума с амплитудой

20%, разнесенных на 1.5 часа. Таким образом, в силу географического положения полуострова Камчатка особенностью суточного хода величины ЕZ является максимум в 18-20 ч, который формируется под действием как UT – вариации, так и восхода Солнца.

Рис. 2. Выделение эффекта утреннего терминатора на фоне UT - вариации в ЕZ – компоненте на обс. «Паратунка».

В разделе 3.2 для дней с условиями хорошей погоды показано влияние Форбуш-понижения ГКЛ на динамику величины ЕZ. Для анализа был выбран случай. Анализ данных показывает, что уменьшение величины ЕZ начинается практически одновременно с началом Форбуш-понижения.

Для 18 случаев, когда понижение интенсивности потока ГКЛ (данные нейтронных мониторов ГФО «Магадан» и «Мыс Шмидта» ИКИР ДВО РАН) и величины ЕZ выделялись очень четко, исследовалась функциональная связь ЕZ(%)=f(N,%) и была получена линейная зависимость ЕZ=9.6N – 0.72, из которой видно, что уменьшение интенсивности потока ГКЛ на 3-10% приводит к существенному уменьшению величины ЕZ на 20 -80 %.

В разделе 3.3 приведено экспериментальное подтверждение воздействия неэквипотенциальности электросферы на вариации EZ. Выделение «ионосферной» вариации электрического поля атмосферы проведено методом наложения эпох для 39 геомагнитных бухт. За нулевую эпоху взято начало бухты. Отобраны случаи около местной полуночи. При средней напряженности электрического поля

120-140 В/м «ионосферные» вариации составляют

5%, т.е. величину, выходящую за статистические погрешности метода.

В разделе 3.4 показано, что в период отрицательных среднесуточных температур (ноябрь – апрель) приход циклонов с южных направлений сопровождается значительным уменьшением ЕZ ЭПА за счет увеличения эксхаляции Rn под воздействием сильного падения атмосферного давления и резкого потепления.

В качестве примера была рассмотрена циклоническая деятельность, когда к полуострову Камчатка подошло сразу два циклона, траектории которых показаны на рис. 3–а. Смещение центров циклонов трассируется повышенной плотностью атмосфериков, при приближении циклона к пункту регистрации плотность атмосфериков значительно увеличивается (рис. 3–б, д). В период с по 12 января эпицентр циклона находился на расстояние 50-100 км от обс.

«Паратунка» (рис. 3–в). В этот момент времени было зарегистрировано повышение температуры на 14°С и перепад давления в 30 гПа (рис. 3–г). На рис. 3–ж показана динамика выхода подпочвенного Rn на двух пунктах наблюдений. ОА Rn в зоне аэрации на обоих пунктах синхронно возросла в раза с 2 до 8 кБк/м3. Увеличение стока Rn в атмосферу обусловлено падением давления и увеличением проницаемости горных пород под действием увеличения температуры. В свою очередь увеличение эксхаляции радона в приземный слой привело к проводимости, что привело к падению ЕZ ЭПА (рис.

Рис. 3. Траектории циклонов в акватории Тихого океана с 8 по 16 января 2002 г.

азимутальное распределение грозовых разрядов и эпицентров циклонов (б);

расстояние от эпицентров циклонов до обсерватории «Паратунка» (в). Динамика параметров атмосферы во время прохождения южного циклона: Р - атмосферное давление, Т - температура воздуха (г);

количество атмосфериков в час (д);

напряженность ЭПА, минутные и осредненные значения (е);

объемная активность Rn: 1 - пункт ПРТ;

В разделе 3.5 приведены данные исследования электрических параметров пароводяного облака, возникающего в результате инжекции в атмосферу пароводяной смеси из геотермальных скважин.

В октябре 2004 г. и сентябре 2006 г. на Мутновском месторождении парогидротерм во время выпуска пароводяной смеси из скважин проводилась регистрация параметров ЭПА с целью изучения особенностей формирования объемного заряда в искусственно созданном пароводяном облаке. Ставилась задача экспериментально выяснить, что происходит с ЭПА в те моменты времени, когда пароводяное облако то появляется, то исчезает. Наблюдения за изменением напряженности ЭПА вблизи действующих природных источников - гейзеров, вулканических фумарол лишены этой возможности. В поставленную задачу входило: выяснить полярность заряда, вносимого пароводяным облаком;

порядок и знак изменения ЭПА;

роль мелких, невидимых глазу заряженных водных аэрозолей, увеличение концентрации которых в атмосфере, согласно некоторым моделям, предвещает землетрясение, и т.п. Между экспериментами имелось существенное различие, состоящее в том, что на скважинах во всех случаях 2004 г. присутствовал водяной конденсат, а эксперименте 2006 г. на одной из скважин удалось измерить воздействие на напряженность ЭПА сухого пара. Это дало возможность сравнить результаты воздействия как сухого, так и влажного пара. Обнаружено различное поведение напряженности электрического поля в зависимости от «сухости» скважины в течение существования ПВО. Во всех экспериментах 2004 г. наблюдается понижение напряженности поля, связанное с величиной водности ПВО и дебитом скважины. Струя сухого водяного пара приводит к возрастанию напряженности поля.

В 4 главе рассматриваются механизмы воздействия природных факторов на электрическое поле атмосферы. Модели разработаны коллективом авторов в составе проф. д.ф.-м.н. Е.А.Пономарева, к.ф.-м.н. П.П. Фирстова, А.В. Бузевича и Н.В.Черневой.

В разделе 4.1 рассматриваются простые конфигурации зарядов, расположенных над проводящей землей: монополь, горизонтальный и вертикальный диполи, горизонтально расположенный плоский тонкий диск.

Показаны примеры, из которых видно, что поля от дипольных конфигураций и от диска уменьшаются с расстоянием, и на расстоянии нескольких высот от края диска до точки наблюдения падает на порядок по сравнению с напряженностью поля под центром диска.

В разделе 4.2 сделана оценка вклада наиболее существенных природных факторов на величину EZ(0), к числу которых относятся: сток радона в атмосферу, вариации потока ГКЛ, изменение баланса легких и тяжелых ионов в момент заката и восхода Солнца, воздействие потенциала электрических токов ионосферы на потенциал АЭП. Взаимодействия указанных выше факторов в их влиянии на ЭПА представлены на схеме (рис. 4). Показано, что напряженность электрического поля в атмосфере распределена по высоте неравномерно. При разности потенциалов земля – ионосфера

300 кВ, в нижнем h2=20 км слое происходит падение потенциала

270 кВ, а на верхние h1=80 км приходится лишь 30 кВ. Это означает, что сопротивление этого «нижнего» слоя в значительной мере определяет вертикальный ток во всём столбе воздуха.

Разность потенциалов земля ионосфера обозначена через U, сопротивление верхней части колонны – через R1,. а нижней – через R2=R21+R22. Высота слоя h21 от 4 км и выше, ионизация в котором определяется ГКЛ. Высотный ход ионизации атмосферы космическими лучами qC ( z ) имеет максимум на h=13 км.

Ионизация в максимуме достигает величины

30 см-3с-1, а высотный интервал этого максимума

9 км. Это означает, что вклад ГКЛ в интегральную проводимость значителен. При понижении ионизации атмосферы во время Форбуш-эффектов ток в столбе воздуха уменьшается из-за значительного увеличения его сопротивления. Уменьшается и падение напряжения на сопротивлении нижней части столба, которое не зависит от интенсивности потоков ГКЛ. Это приводит к уменьшению величины EZ у поверхности земли.

В нижнем слое переменной толщины h22 к ионизации ГКЛ добавляется ионизация радоном. Падение потенциала на участке R22:

UR. (1) U 22 = ( R1 + R21 + R22 ) Для средней напряженности на участке R22:

UR E22 =. (2) h22 ( R1 + R21 + R22 ) Рис.4. Схема процессов формирования электрического поля атмосферы в присутствии факторов, определяющих его величину в приземном слое. Буквами R22 и R21 отмечены области модуляции сопротивления атмосферы под действием ионизатора qR (радон) и qC (космические лучи). Действие процессов прилипания и фотоотлипания предполагается как в области R22, так и в области R21, что обозначается индексом n (плотность легких ионов) в кружке. На врезке показано положение областей R22 и R21 на высотах h22 и h21 (не в масштабе).

Общая зависимость величины вертикальной компоненты электрического поля атмосферы на уровне земли имеет вид:

U ( z, t ) EZ (0) = z, (3) [ ( z, t )]dz где U(z,t) - потенциал электросферы относительно земли над местом измерений. Полагаем, что U ( 0, t ) = 0 ;

z - высота электросферы;

0 проводимость воздуха на уровне земли;

(z,t) – проводимость воздуха на высоте z.

С целью выделения влияния на напряженность ЭПА эманации радона и ГКЛ были проведены расчеты для случая, когда один из ионизаторов был зафиксирован, а значения другого менялись от 0 до максимальных значений. На рис. 5 представлены результаты расчета напряженности приземного электрического поля атмосферы.

На рис. 5-а, в показано убывание поля с ростом интенсивности радонового ионизатора, а на рис. 5-б, г – убывание поля с падением интенсивности ГКЛ.

Рис.5. Влияние изменения интенсивности ионизатора на EZ(0): влияние изменений интенсивности ионизации радоном при постоянной ионизации ГКЛ в случае квадратичного закона рекомбинации (а);

влияние изменений интенсивности ГКЛ при постоянной интенсивности радона в случае квадратичного закона рекомбинации (б);

влияние изменения интенсивности радона при постоянной интенсивности ГКЛ в случае линейного закона рекомбинации (в);

влияние изменения интенсивности ГКЛ при постоянной интенсивности радона в случае линейного закона рекомбинации (г). Высота слоя перемешивания h во всех случаях 720 м.

Очевидно, что характер поведения EZ (0) не зависит от способа рекомбинации. От особенностей рекомбинационного процесса зависит его абсолютная величина. При этом видно, что квадратичный закон рекомбинации дает преуменьшенные, а линейный – преувеличенные значения EZ (0). В реальности работают оба типа рекомбинации и при равном их вкладе, электрическое поле в приземном слое вполне соответствует

В Заключении сформулированы основные результаты, полученные в работе:

1. Разработана феноменологическая модель воздействия природных процессов на напряженность электрического поля атмосферы. Показано, что основной вклад в вариации напряженности вертикальной компоненты электрического поля за счет ионизации приземного слоя атмосферы вносят вариации стока радона в атмосферу и интенсивности космических лучей.

2. Найдена обратная связь сезонной зависимости величины ЕZ от стока радона в приземный слой атмосферы на многолетних рядах данных. В зимний период уменьшается проницаемость верхнего слоя грунта, в силу чего уменьшается плотность потока радона в приземный слой атмосферы. Этим объясняется большая разница между максимальными и минимальными значениями напряженности электрического поля в годовом ходе

100 В/м за период наблюдений.

3. Обнаружено, что особенностью суточного хода ЕZ ЭПА на обсерватории «Паратунка» является максимум в 18-20 часов, который формируется не только под действием UT – вариации, но и эффектом Солнца (утренний терминатор).

4. Для дней с условиями хорошей погоды показано влияние Форбуш понижения на динамику величины ЕZ. В периоды Форбуш-понижения потока интенсивности галактических космических лучей наблюдается синхронное понижение вертикальной составляющей электрического поля атмосферы. Уменьшение интенсивности потока ГКЛ на 3-10% приводит к уменьшению величины ЕZ на 20 - 80 %.

5. Показано, что в период отрицательных среднесуточных температур (ноябрь – апрель) приход циклонов с южных направлений сопровождается значительным уменьшением ЕZ ЭПА за счет увеличения стока Rn под воздействием сильного падения атмосферного давления и резкого потепления на 10-15°.

6. Обнаружено уменьшение напряженности ЭПА в моменты формирования и электризации пароводяного облака с большим содержанием воды на геотермальных скважинах Мутновского месторождения и её увеличение при преобразовании в облаке воды в пар.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

В реферируемых журналах 1. Кузнецов В.В., Чернева Н.В. Бабаханов И.Ю. Исследование влияния искусственного облака на атмосферное электрическое поле // Изв. РАН.

Физика атмосферы и океана. 2007. Т.43. №2. С. 266–271.

2. Кузнецов В.В., Чернева Н.В., Дружин Г.И. О влиянии циклонов на атмосферное электрическое поле Камчатки // Докл. РАН. 2007. Т.412. №4.

3. Кузнецов В.В., Чернева Н.В. Исследование Форбуш-понижений и эффектов терминатора в атмосферном электрическом поле на обсерватории «Паратунка» (Камчатка) // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2008. №1.

4. Кузнецов В.В., Чернева Н.В., Бабаханов И.Ю. Эксперименты по активному воздействию струи водяного пара на атмосферное электрическое поле // Изв.

РАН. Физика атмосферы и океана. 2009. Т.45. №6. С.803-808.

5. Михайлов Ю.М., Михайлова Г. А, Капустина О. В., Дружин Г. И., Чернева Н. В. Возможные атмосферные эффекты в нижней ионосфере по наблюдениям атмосферных радиошумов на Камчатке во время тропических циклонов // Геомагнетизм и аэрономия. 2005. Т.45. № 6. С.824-839.

6. Фирстов П.П., Пономарев Е.А., Чернева Н.В., Бузевич А.В., Малышева О.П.

К вопросу о влиянии баровариаций на эсхаляцию радона в атмосферу // Вулканология и сейсмология. 2007. №6. С. 46-53.

7. Чернева Н.В., Пономарев Е.А, Фирстов П.П., Бузевич А.В. Базовые модели источников вариаций вертикальной компоненты атмосферного электрического поля // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2007. №2. Вып.10.

8. Druzhin G.I., Cherneva N.V., Melnikov A.N. Thunderstorm activity according to VLF observations at Kamchatka // Geomagnetism and Aeronomy. 2009. V. 49. № 8 (Special Issue 2). PP. 1305–1307.

В сборниках трудов 9. Бузевич А.В., Чернева Н.В., Пономарев Е.А. Многолетние наблюдения и морфология вариаций электрического поля EZ на Камчатке //Сб. III межд.

конференции «Солнечно-земные связи и предвестники землетрясений», с.

Паратунка. Камчатский край. 2004. С.155-160.

10. Дружин Г.И., Чернева Н.В. Пеленгация грозовых источников, связанных с циклонами Камчатки // Сб. докладов ХХI Российской научной конференции «Распространение радиоволн». Йошкар-Ола. 2005. Т.1. С.421-424.

11. Дружин Г.И., Чернева Н.В., Мельников А.Н. Пеленгация грозовых источников на Камчатке // Вестник КамчатГТУ. 2008. Вып.7. С. 14-17.

12. Дружин Г.И., Чернева Н.В., Мельников А.Н. Грозовая активность по наблюдениям ОНЧ-излучения на Камчатке // Солнечно-земная физика. 2008.

Вып.12. Т.2. С.327-328.

13. Фирстов П.П., Пономарев Е.А., Чернева Н.В., Паровик Р.И. Исследование кинематических и динамических параметров эманаций подпочвенного радона в период активизации сейсмичности Камчатки в августе 2006 г// IV международная конференция «Солнечно-земные связи и предвестники землетрясений». с. Паратунка. Камчатский край. 2007. С.464-469.

14. Фирстов П.П., Чернева Н.В., Пономарев Е.А., Бузевич А.В.Подпочвенный радон и напряженность электрического поля атмосферы в районе Петропавловск - Камчатского геодинамического полигона // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. П.-Камчатский. 2006. №1(7). С.102-109.

15. Чернева Н.В., Бабаханов И.Ю., Кузнецов В.В. Результаты исследования атмосферного электрического поля на камчатской обсерватории «Паратунка» и в районе Мутновской гидротермальной станции // IV международная конференция «Солнечно-земные связи и предвестники землетрясений». с. Паратунка. Камчатский край. 2007. С.128-133.

16. Чернева Н.В., Дружин Г.И., Тарасенко Д.В., Пухов В.М., Злыгостев А.В.

Электромагнитные ОНЧ-излучения и циклоны Камчатки // Вестник КамчатГТУ. 2005. Вып. 4. С. 86-95.

17. Чернева Н.В., Кузнецов В.В. Форбуш-понижения и эффекты терминатора в атмосферном электричестве Камчатки // Междун. Байкальская научная школа по фундаментальной физике «Астрофизика и физика околоземного космического пространства». Иркутск. 2005. Ч.1. С.37-40.

18. Чернева Н.В., Фирстов П.П. Понoмaрев Е.А. Некоторые вопросы ионизации приземной атмосферы // IV международная конференция «Солнечно-земные связи и предвестники землетрясений». с. Паратунка. Камчатский край. 2007.

19. Чернева Н.В., Фирстов П.П., Пономарев Е.А. Временные изменения атмосферного электричества на обсерватории Паратунка, Камчатка // VI Российская конференция по атмосферному электричеству. Нижний Новгород. 2007. С. 89-90.

20. Buzevich A.V. Smirnov S.E., Cherneva N.V. The connection of the elements of the global electric chain with geliospheric current layer during strong Kamchatka earthquakes // 23 General Assembly of the IUGG. Sapporo. Japan. 2003. Р. 190.

21. Kuznetsov V. V., Cherneva N. V., Druzhin G. I. and Babakhanov I. Yu. Research results on atmospheric electric field at observatory Paratunka in Kamchatka // IUGG–XXIV General Assembly JAS005. The role of aerosols and dust in the middle atmospher. Perugia. July 2-13. 2007. IAGA 2007- JAS005. P.205.

22. Kuznetsov V., Cherneva N. Forbush decreases and terminator’s effects in Kamchatka’s atmospheric electricity and atmospheric electric field model // COSPAR 2006 - A-01202. Beijing China. 16-23 July 2006. P. F2.2-0046- 23. Kuznetsov V.V., Cherneva N.V. Response of atmospheric electric field in Kamchatka to the Forbush decreases of galactic cosmic rays intensity // VI Int.

Conference “Problems of Geocosmos”. 2006. St.Petersburg. Russia. P. 231-232.

24. Kuznetsov V.V., Cherneva N.V. Atmospheric electric field: theoretical models, Kamchatka monitoring features, active experiments // Proc. General Assembly of the European Geosciences Union 25-29 April, 2005. EGU 2005. Vena. Austria Geophysical Research Abstracts. 2005. Vol. 7. SRef-ID: 1607-7962/gra EGU05 A- 25. Cherneva N.V., Kxz uznetsov V.V., Druzhin G.I., Babahanov I.Y. Local effects in atmospheric electric field of Kamchatka. VI Int. Conference “Problems of Geocosmos”. 2006. St.Petersburg. Russia. P. 184-185.

26. Cherneva N.V., Kuznetsov V.V. Forbush decreases and terminator’s effects in Kamchatka’s atmospheric electicity // Proc. International Association of Geomagnetizm and Aeronomy. Scientific Assembly. Toulouse (France). 18- July 2005. IAGA2005-A-00192.

2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.

Влияние погоды на формирование электрического поля атмосферы

Электрические поля и заряды как облаков и атмосферы, так и отдельных частиц в облаках оказывают влияние на элементарные процессы, протекающие в облаках. Поскольку рассмотрение электрических характеристик собственно атмосферы выходит за пределы темы о грозовом электричестве, приведем только краткие сведения, которые могут оказаться полезными в дальнейшем.

1.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ АТМОСФЕРЫ «ХОРОШЕЙ» ПОГОДЫ

Все процессы в облаках происходят при постоянном взаимодействии облачного воздуха с окружающим воздухом. Электричество атмосферы является, таким образом, фоном для электрических процессов в облаках, но вместе с тем электричество облаков в значительной степени формирует электричество атмосферы. Для большей определенности рассмотрим электричество атмосферы при «хорошей» погоде. Под «хорошей» погодой принято понимать условия в атмосфере, при которых отсутствуют такие метеорологические явления, как облака, туманы, пыль, осадки, сильный ветер и пр., приводящие к возмущению ее электрических характеристик. Остановимся на данных только для тропосферы, так как грозовая деятельность в основном наблюдается в этой части атмосферы.

Электрическое поле «хорошей» погоды направлено сверху вниз, т. е. земля заряжена отрицательно, а атмосфера — положительно. Это направление поля принято считать нормальным, а вертикальный градиент потенциала — положительным Градиент потенциала у поверхности земли в среднем равен 130 В/м, несколько выше на материках и несколько ниже на океанах. Для Советского Союза приведем следующие значения среднего годового градиента потенциала: Слуцк (Ленинград) 171 В/м, Свердловск 149, Ташкент 120 [179], Зуй (вблизи Иркутска) 119 [20], Якутск 86, Алма-Ата 116, Тбилиси 126 В/м. Среднее значение градиента потенциала «хорошей» погоды для Советского Союза равно 126 В/м [155].

Годовой ход градиента потенциала электрического поля для северного полушария простой, с минимумом летом и максимумом зимой [154]. В Слуцке и Зуе минимум наступает в июне, а максимум — в феврале, тогда как в Ташкенте — соответственно в мае и январе [155].

Суточный ход напряженности электрического поля над полярными областями и океанами имеет вид простой волны, а над континентами — вид сложной волны с двумя максимумами. В Слуцке [4] летом максимумы наступают в 6—7 и 23-24 ч, минимумы — в 4—5 и 13-14 ч местного времени. В январе максимум наступает в 18-19 ч, минимум — в 4-5 ч. При изучении суточного хода напряженности электрического поля над океанами и полярными областями было обнаружено, что изменения поля в разных пунктах происходят синхронно и имеют примерно одинаковые амплитуды. Этот ход получил название унитарной вариации напряженности электрического поля. На континентах унитарная вариация не наблюдается вследствие ряда причин, приводящих к искажению градиента потенциала. Это в первую очередь большие объемные заряды в атмосфере, особенно вблизи земной поверхности, претерпевающие значительные периодические и непериодические изменения, изменения проводимости атмосферы и электродный эффект (влияние хорошо проводящей поверхности земли).

По величине напряженности поля у поверхности земли можно определить поверхностную плотность ее заряда. У поверхности земли напряженность электрического поля связана с поверхностной плотностью заряда а соотношением

Так как значения диэлектрической проницаемости для воздуха и вакуума практически совпадают, то везде вместо будем писать Используя значение находим

С высотой происходит быстрое уменьшение напряженности электрического поля, которое связано с плотностью объемного заряда атмосферы уравнением Пуассона для одномерной задачи

где V — потенциал на высоте над поверхностью земли. Выражение (2) позволяет найти распределение объемных зарядов с высотой.

Распределение электрического поля с высотой над континентами весьма обстоятельно исследовалось в период Международного геофизического года (1957-1959 гг.) под руководством И. М. Имянитова в Ленинграде, Киеве и Ташкенте на самолетах [72]. Было получено, что профили поля весьма разнообразны, но в общем их можно подразделить на три основные группы: первая — экспоненциальное убывание напряженности поля с высотой;

вторая — экспоненциальное убывание с высотой, но с переменой знака, чаще всего на высотах 3500-4000 м; третья — рост напряженности поля в слое перемешивания атмосферы, а затем убывание с высотой, часто с переменой знака на высотах 3500-4000 м. Подобные профили электрического поля наблюдались при измерениях, проведенных различными методами в разных частях света.

И. М. Имянитов и Е. В. Чубарина [72] построили профили объемного заряда по данным о ходе напряженности поля с высотой. Для первой группы профили объемного заряда подобны профилям напряженности поля. Средняя плотность объемного заряда столба воздуха в Ленинграде, Киеве и Ташкенте соответственно равна 1,6; 1,3 и

Рис. 1. Распределение объемного заряда свободной атмосферы с высотой при профилях третьей группы. По И. М. Имянитову и Е. В. Чубариной [72]. 1 — Ленинград, 2 — Киев, 3 — Ташкент.

Профили объемного заряда второй группы подобны профилям первой группы. На рис. 1 приведены профили третьей группы. В этих случаях атмосфера в слое обмена поляризуется: в нижней части находится отрицательный заряд, в верхней — положительный. Средняя плотность отрицательного заряда для Ленинграда, Киева и Ташкента составляет соответственно а положительного — соответственно 0,7; 2,0 и Кларк [266] получил подобным образом для Центрального Канзаса (США) среднюю плотность объемного заряда около

Максимальные значения плотности наблюдаются в слое обмена под инверсией температуры, их уровень совпадает с уровнем максимальной концентрации ядер конденсации. Максимальные значения плотности объемного заряда над сушей и над морем Наблюдаются в нижнем километровом слое.

Наблюдения с самолета за объемным зарядом были выполнены Муром и др. [449] в Центральном Иллинойсе (США)

с помощью прибора, основанного на методе фильтра В. Н. Оболенского. Плотность объемного заряда превышала Максимальные значения плотности объемного заряда и напряженности поля во всех случаях наблюдались в слое обмена, непосредственно под инверсией температуры в области дымки. Над морем максимум величины объемного заряда оказался более чем на порядок меньше, чем над сушей:

Распределение объемных зарядов устанавливается в значительной степени под влиянием токов проводимости в атмосфере.

Проводимость воздуха определяется содержанием и подвижностью ионов в нем, а именно:

где заряд электрона; соответственно концентрация и подвижность легких и тяжелых ионов.

Легкие ионы — это комплексы из нескольких молекул с одним элементарным зарядом. Подвижность легких ионов порядка Тяжелые ионы представляют собой сравнительно крупные частицы с одним элементарным зарядом. Их подвижность порядка Тяжелые ионы, как правило, возникают в случае присоединения легких ионов к аэрозолям. Поэтому с увеличением запыленности воздуха концентрация тяжелых ионов увеличивается, а легких уменьшается. Наблюдения в городах, где запыленность воздуха велика, подтверждают это. В Слуцке средние концентрации , тогда как в центре Киева . Если сопоставить вклад легких и тяжелых ионов в проводимость атмосферы, то легко обнаружить, что второй член выражения (3) мал по сравнению с первым. Поэтому (3) можно с достаточной точностью записать следующим образом:

где — средние значения соответствующих величин.

Экспериментальные измерения спектра подвижности ионов подтверждают представление, что проводимость воздуха практически определяется легкими ионами.

В атмосфере в условиях «хорошей» погоды течет вертикальный электрический ток, плотность которого равна

Здесь соответственно токи проводимости, диффузии и конвекции; коэффициент турбулентной диффузии; скорость вертикального переноса объемного заряда конвективным потоком.

Оценки показывают, что в условиях «хорошей» погоды в среднем плотность токов диффузии и конвекции имеет порядок может составлять только несколько процентов от плотности тока проводимости, но в отдельных случаях в пределах слоя обмена может достигать значений того же порядка, что и ток проводимости [368]. Так что полный ток в атмосфере определяется в основном током проводимости. Среднее годовое значение тока проводимости различно в разных пунктах: в Павловске Ташкенте на Шпицбергене в Давосе и в среднем на океанах

По данным [368], средний ток проводимости над океанами

В условиях «хорошей» погоды в атмосфере отсутствуют такие дополнительные источники токов, как, например, грозовые облака, которые являются мощными генераторами электричества. Поэтому можно полагать, что плотность тока в областях «хорошей» погоды с высотой остается постоянной. По данным Краакевика [368], который одновременно измерял проводимость и напряженность поля с самолета, ток проводимости выше слоя обмена остается постоянным с точностью до 10%. Над океанами постоянство тока проводимости с высотой проявляется с особенно большой точностью. Колебания лежат в пределах ±2%.

С ростом содержания аэрозолей в атмосфере и, следовательно, с уменьшением концентрации легких ионов должна расти и напряженность электрического поля. Типичным аэрозолем в атмосфере являются ядра конденсации, поэтому с ростом их концентрации должна расти напряженность электрического поля. Действительно, измерения обнаруживают параллельный ход напряженности поля и концентрации ядер конденсации с высотой [37, 77]. Даже по данным ограниченного числа зондирований в Киеве линейная зависимость между напряженностью поля и концентрацией ядер хорошо прослеживается [87].

Концентрация легких ионов в атмосфере зависит от интенсивности ионизации молекул воздуха излучением радиоактивных примесей и космическими лучами. Так как источником радиоактивных примесей является земная поверхность, то с высотой интенсивность ионизации радиоактивных примесей уменьшается. Космические лучи, проходя через толщу атмосферы, несколько ослабевают, и интенсивность ионизации космических лучей с высотой растет. В приземных слоях воздуха на интенсивности ионизации сказывается также излучение радиоактивных веществ находящихся в почве. Уравнение баланса концентрации легких ионов в свободной атмосфере можно написать приближенно в следующем виде:

где соответственно коэффициенты рекомбинации легких ионов одного знака с легкими и тяжелыми ионами

противоположного знака и с нейтральными частицами . В случае стационарного состояния можно положить тогда

Аналогичное выражение можно написать для концентрации отрицательных ионов. Измерения показали, что в свободной атмосфере значения малы по сравнению с и ими можно пренебречь.

Измерения тяжелых ионов, проведенные с самолета [534], показали, что их концентрация весьма велика в слоях дымки, а выше уменьшается на два порядка и более. Поэтому выше слоя обмена членами с можно пренебречь по сравнению с членами, содержащими Следовательно, выражение (7) для концентрации ионов обоих знаков можно записать в таком виде:

Измерения ионизации вблизи поверхности земли показали, что ее интенсивность равна в среднем При этом создается за счет радиоактивных веществ в земной коре, за счет их содержания в атмосфере и воздействием космических лучей [35]. Летом интенсивность ионизации несколько больше, а зимой из-за влияния снежного покрова несколько меньше. Над океанами, воды которых содержат значительно меньшее количество радиоактивных веществ, чем почва, интенсивность ионизации не превышает

Интенсивность ионообразования в свободной атмосфере зависит не только от интенсивности космических лучей, но и от плотности воздуха на данной высоте. В свою очередь интенсивность космических лучей зависит от широты: с увеличением широты она увеличивается. Это так называемый широтный эффект, обязанный своим возникновением отклоняющему действию магнитного поля Земли на космические лучи. На рис. 2 приведены кривые распределения интенсивности ионообразования с высотой в результате действия космического излучения. Как следует из этих кривых, интенсивность ионообразования растет до высоты а затем уменьшается.

Рис. 2. Распределение интенсивности ионообразования с высотой. 1 - Мадрас (3° с. ш.), 2 - Омага (51° с. ш.).

У поверхности земли концентрация положительных ионов несколько выше, чем отрицательных а с высотой это отношение приближается к единице. Отношение полярных проводимостей . У поверхности земли близко к единице, по в некоторых случаях значительно больше единицы. Так, отношение равно в Слуцке 1,20, в Ташкенте 1,05, в Киеве 1,05, в Потсдаме 1,25, Давосе 1,13, для Атлантического и Тихого океанов 1,19 [179]. Причиной заметных превышений отношения над единицей является электродный эффект.

Рис. 3. Вековой ход элементов атмосферного электричества в «нормальные» дни. По К. Э. Церфасу [195]. Суммарная проводимость X: 1 - Тбилиси, 2 — Ташкент; униполярность q: 3 - Ташкент; градиент потенциала V: 4 — Воейково, 5 — Ташкент, 6 — Ташкент (все дни), 7 — Тбилиси.

Поэтому в свободной атмосфере отношение должно быть более близким к единице, чем у поверхности земли. Было установлено, что над Атлантическим океаном отношение равно [492], над Техасом . В полетах на 48° с. было получено [273].

Примером влияния проводимости на электрическое поле является воздействие ионизации атмосферы в результате испытаний атомных бомб на поле. Стюарт [536] в Англии и Португалии обнаружил уменьшение средней годовой напряженности поля начиная с 1952 г. К 1958 г. это уменьшение стало примерно двукратным и приблизительно во столько же раз увеличилась проводимость. Хатакеяма [192] для Какиоки и Меманбетсу получил, что кривая годового хода напряженности поля имела минимум в 1958 г. В связи с прекращением испытаний ядерного оружия

напряженность поля восстановилась до ее нормального значения, а затем, с возобновлением испытаний в 1961 г., началось очередное уменьшение напряженности поля. Так как этот процесс имел глобальный характер, то он был обнаружен . Церфасом [195] в ряде пунктов Советского Союза (рис. 3). Во всех пунктах в 1958—1959 и в 1963 гг. наблюдались экстремумы проводимости и градиента потенциала, которые соответствовали с некоторым сдвигом во времени периодам активных испытаний ядерных устройств.

Биологическое действие электрического поля атмосферы

Атмосферное электричество представляет собой совокупность происходящих в атмосфере электрических процессов и явлений (присутствие и напряженность электрического поля Земли, вертикальные и горизонтальные электрические токи, ионизация воздуха).

Электрическое поле Земли, существующее между воздухом и земной поверхностью, характеризуется напряженностью – градиентом электрического потенциала. Напряженность электрического поля атмосферы на высоте 1 м от земли составляет около 130 в/м, с увеличением расстояния от поверхности Земли она уменьшается. Зимой напряженность электрического поля в 2-2,5 раза выше (около 260 в/м зимой и около 100 в/м летом). Повышение атмосферного давления, дождь, снег, туман, особенно гроза, увеличивают напряженность электрического поля атмосферы в 2-5 раз и более.

Так как заряд Земли отрицательный, положительно заряженные ионы атмосферы идут к земной поверхности, а отрицательно заряженные ионы отталкиваются от нее; в воздухе образуется ток, направленный сверху вниз к Земле. В этой связи организм человека в электрическом поле Земли подвергается воздействию разности потенциалов между уровнем головы к подошвам примерно в 200-250 в.

Биологическое действие электрического поля атмосферы исследовано еще недостаточно, но считается, что при резких изменениях погоды одним из факторов ухудшения самочувствия людей, особенно метеочувствительных, может служить атмосферное электричество.

Под ионизацией воздуха понимают распад нейтральных молекул и атомов газов атмосферы с образованием электрически заряженных частиц - ионов под влиянием ионизирующих факторов – ионизаторов (естественные радионуклиды воздуха, воды и почвы, космическое излучение, коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца и др.).

Под воздействием ионизаторов от нейтральной молекулы или атома газа отщепляется электрон, несущий отрицательный заряд, а оставшаяся часть молекулы или атома образует положительно заряженный ион.

Ионы, существующие самостоятельно или присоединившиеся к нейтральным молекулам кислорода, озона, азота и его окислов, называются легкими (n + , n – ).

Ионы, присоединившиеся к частицам дыма, пыли, тумана, называются тяжелыми, или ионами Ланжевена (N + , N – ).

Отрицательные заряженные ионы стимулируют процессы обмена веществ, способствуют снижению повышенного артериального давления, облегчению течения бронхиальной астмы, аллергических заболеваний, заживлению ран.

Положительно заряженные ионы, наоборот, вызывают сонливость, снижение работоспособности, угнетенное состояние и депрессию.

Чем чище атмосферный воздух, тем больше легких ионов, поэтому их количество является показателем санитарного благополучия воздушной среды.

Тяжелые ионы обнаруживаются в воздухе, загрязненном дымом, пылью, углеводородами, аммиаком и другими поллютантами.

Ионизационный режим воздушной среды определяется отношением ионов.

Для оценки уровня загрязнения воздуха введены коэффициент загрязненности Ланжевена и коэффициент униполярности (q). Чем больше значение коэффициента униполярности, тем выше уровень загрязнения воздуха. Непосредственно у земной поверхности этот коэффициент обычно составляет 1,1–1,3.

Для определения количества ионов и характера ионного состояния воздуха пользуются электронными счетчиками аэроионов Уровень и характер ионизации воздуха с физиолого-гигиенических позиций имеет определенное значение. Так, воздух курортных зон отличается особо благоприятным воздействием на самочувствие людей. Этот воздух содержит в 1 см 3 2000–4000 легких ионов, которые обладают тонизирующим действием на организм. Благотворное влияние отрицательно заряженных легких ионов используется для лечения аллергических заболеваний, бронхиальной астмы, гипертонической болезни. Вместе с тем следует отметить, что биологическое действие ионов изучено еще недостаточно.

Сведения о радиоактивности атмосферы приведены на диске.

Незнакомые термины

Кессонная болезнь - это болезнь, возникающая при быстром переходе из среды с повышенным давлением в среду с более низким давлением.

Так, при быстром подъеме водолаза с 20-метровой глубины на поверхность избыточно растворенные в крови газы не успевают выводиться через легкие, следствием чего является переход газов крови и тканей из растворенного состояния в газообразное с образованием пузырьков (подобно только что открытой бутылке шампанского). Находящиеся в крови пузырьки (в основном азота) являются опасными для организма человека. Небольшое их количество нарушает кровообращение в органах, если пузырьков слишком много, кровообращение прекращается. Если человек своевременно не будет помещен в барокамеру, возможен летальный исход. Кессонная болезнь может проявиться у летчиков в результате разгерметизации кабины.

Симптомы кессонной болезни различны - от болей в суставах в первые 24 ч после подъема до потери сознания сразу же после подъема. Все зависит от глубины погружения и от скорости подъема. Симптомы кессонной болезни : давление в ушах, головокружение, боли в суставах, высыпания на коже, зуд, усталость, одышка, слабость и (или) отсутствие чувствительности в конечностях, кровотечения из ушей и носа, сонливость до потери сознания, параличи.