WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

В первой главе представлено описание созданного при участии автора атмосферного измерительного комплекса и других измерительных систем, данные которых используются для описанных в работе исследований. Глава состоит из трех разделов.

В первом разделе представлен краткий критический обзор существующих средств регистрации плотности атмосферного тока и микропульсаций атмосферного давления, а также обоснована необходимость создания автором собственных систем регистрации. Здесь же представлены краткие сведения об устройстве и принципе действия другого экспериментального оборудования, данные которого использовались в работе.

Второй раздел посвящен подробному описанию созданной при участии автора системы измерения атмосферных токов. Датчик данной системы представляет собой пространственно распределенную антенну, каждая часть которой является проволочным токовым коллектором, подключенным к одному из каналов регистратора. Регистратор позволяет проводить непрерывные измерения плотности атмосферного тока в частотном диапазоне 0-584 Гц с динамическим диапазоном 105 децибел.

В третьем разделе представлено описание созданного автором жидкостного микробарографа, предназначенного для регистрации микропульсаций атмосферного давления в частотном диапазоне 0-6,5 Гц с динамическим диапазоном 96 децибел. Структура созданного автором атмосферного измерительного комплекса приведена на рис. 1. Он состоит из системы измерения атмосферного тока (верхняя правая панель), жидкостного микробарографа (верхняя левая панель), системы контроля метеорологических параметров и датчика напряженности электрического поля «Поле-2» (нижняя панель). Система измерения атмосферного тока снабжена устройством синхронизации, которое благодаря приемнику GPS осуществляет временную привязку данных о плотности атмосферного тока к мировому времени. Кроме того, приемник GPS подключен к серверу точного времени, благодаря которому поддерживается актуальное время на компьютерах атмосферного измерительного комплекса.

Рис. 1. Блок – схема атмосферного измерительного комплекса.

Вторая глава диссертации посвящена описанию методов калибровки созданных автором измерительных систем, коррекции и обработки всех используемых в диссертации данных. Глава состоит из трех разделов.

В первом разделе представлена методика калибровки систем измерения атмосферных токов и микропульсаций атмосферного давления. Нахождение реального сигнала ja(t) по его измеренным значениям i(t) в данной методике калибровки достигается путем приближенного решения интегрального уравнения первого рода типа свертки с учетом погрешности измерения импульсной характеристики системы регистрации:

* 1 Kh ()I () ja (t) = e-itdt (1) * 2 Kh ()Kh () - a(2 +1) 2 a доставляющую минимум сглаживающему функционалу M [ j] = Ah j - i + a j.

Здесь Kh() и I() – Фурье образы импульсной характеристики и измеренных значений i(t) исследуемого сигнала, a – регуляризующий коэффициент, связанный с погрешностями определения Kh и i(t), A – оператор свертки.

Таким образом, можно скомпенсировать искажения, вносимые фильтрами, усилителями и АЦП в исследуемые сигналы, что имеет особо важное значение при анализе их спектральных свойств.

Второй раздел посвящен расчету влияния топографических особенностей в месте установки токовых коллекторов и датчика напряженности поля и электродного эффекта на результаты измерения плотности атмосферного тока проводимости и вертикальной компоненты электрического поля. Для коррекции искажения линий тока и поля автором производилось моделирование пространственной структуры атмосферного тока, напряженности электрического поля и объемного заряда вблизи земли в условиях, соответствующих реально существующим в области проведения наблюдений. Было разработано специальное программное обеспечение, позволяющее решать краевые задачи для системы уравнений классического электродного эффекта в трехмерной области:

i i i i div i i E)= q±(r) -± n+ n(n±,b±, (2) div (E)= где ni - объемная концентрация ионов i – ой группы, bi - их подвижность, qi - ± ± ± интенсивность образования ионов, i - коэффициенты рекомбинации, E,– ± напряженность электрического поля, – объемная плотность заряда.

Необходимость разработки такого программного обеспечения обусловлена отсутствием средств решения систем уравнений электродного эффекта в трехмерной области.

Для моделирования используется область, ограниченная условиями Дирихле сверху и снизу, а с боков условиями Неймана. Для нахождения решения внутри области вычислений (куб со стороной 200 метров) были применены методы градиентного спуска и итераций. Программное обеспечение осуществляющие моделирование разработано с применением алгоритмов параллельных вычислений для лучшего использования возможностей современных вычислительных систем.

Использование представленной методики для моделирования пространственной структуры линий плотности атмосферного тока и напряженности электрического поля с учетом классического электродного эффекта позволило избежать значительной (более 50%) систематической ошибки при измерениях абсолютных значений плотности атмосферного тока и вертикальной компоненты электрического поля в сложных топографических условиях. Это имеет особую важность для представленных в третьей главе исследований временных изменений средней удельной проводимости в приземном слое атмосферы и интенсивности космических лучей.

В третьем разделе описаны разработанные автором алгоритмы обработки данных, используемые в третьей главе диссертационной работы для получения научных результатов.

Третья глава посвящена исследованию электрических характеристик тропосферы высоких широт на основе экспериментальных данных о плотности атмосферного тока и других параметров тропосферы в районе Кольского полуострова. Она состоит из четырех разделов, представляющих исследования атмосферного электричества разных направлений, объединенные общей целью – комплексным исследованием электрических и динамических характеристик тропосферы высоких широт. Здесь представлены исследования пространственной структуры объемного заряда и атмосферного тока в приземном слое атмосферы при различных метеорологических условиях, анализ спектральных характеристик вариаций атмосферного давления и плотности атмосферного тока в условиях спокойной и возмущенной атмосферы, изучение временной зависимости влияния космических лучей на среднюю удельную проводимость в приземном слое атмосферы полярных широт.

В первом разделе представлены теоретические оценки вклада токов различной природы в ток, измеряемый токовым коллектором при различных метеоусловиях.

В таблице 1 представлены оценки вклада токов различной природы в ток, собираемый коллектором в условиях спокойной и возмущенной атмосферы.

Данные оценки необходимы для понимания механизмов связи электрических и динамических параметров приземного слоя атмосферы. Полученные оценки особенно важны при выработке критериев отбора данных плотности атмосферного тока для исследований удельной проводимости в приземном слое, выполненных в четвертом разделе данной главы.

Во втором разделе рассматривается зависимость статистических свойств токов в нижних слоях атмосферы Кольского полуострова от скорости и направления ветра.

Таблица 1. Вклад токов различной природы в ток, регистрируемый токовым коллектором.

Возмущенные условия > 5 м*с-Частота f изменения Ez, Ток смещения Ток проводимости Конвективный ток полоса f Idis Icon Itur f = 1 Гц, f = 10 Гц 31% 20% 49% f = 10-1 Гц, f = 1 Гц 18% 24% 58% f = 10-2 Гц, f = 0.1 Гц 12% 26% 62% f = 10-3 Гц, f = 0.01 Гц 6% 28% 66% Спокойные условия < 0.5 м*с-Частота f изменения Ez, Ток смещения Ток проводимости Конвективный ток полоса f Idis Icon Itur f = 1 Гц, f = 10 Гц 55% 36% 9% f = 10-1 Гц, f = 1 Гц 37% 51% 12% f = 10-2 Гц, f = 0.1 Гц 27% 59% 14% f = 10-3 Гц, f = 0.01 Гц 16% 68% 16% Оцениваются характерные горизонтальные масштабы аэроэлектрических неоднородностей. Исследуется пространственная структура токов осадков.

Здесь пространственно распределенная система регистрации атмосферных токов позволила оценить характерные горизонтальные масштабы аэроэлектрических неоднородностей и исследовать пространственно-временные характеристики токов осадков. На основе совместного с метеоданными анализа спектров мощности Уэлча, спектров когерентности и кроссковариационных функций, рассчитанных по данным системы регистрации атмосферных токов, показано, что горизонтальные масштабы аэроэлектрических неоднородностей лежат в пределах от 20 до 600 м, а функция распределения зарядов капель дождя постоянна для одного дождевого облака, но может изменяться от одного облака к другому. Достоверность оценки горизонтальных масштабов аэроэлектрических неоднородностей, представленной в этом разделе, подтверждается хорошим согласием с результатами исследований среднеширотной обсерватории Борок, полученными по данным о напряженности электрического поля. Вывод по пространственной структуре тока дождя проверяется посредством численного моделирования. В модели численно рассчитывался отклик в данных токового коллектора на пуассоновский поток дождевых капель с изменяющейся функцией распределения заряда капель в потоке, падающих на его поверхность.

В третьем разделе представлены исследования шумовых характеристик флуктуаций атмосферного тока и атмосферного давления, интерес к которым, с одной стороны, обусловлен поисками пульсаций глобальной природы, а с другой - изучением свойств приземной атмосферы, как физической среды. В начале раздела, основываясь на работах Абри показано, что для анализа спектров сигналов, обладающих свойствами самоподобия, более подходят методы, основанные на вейвлет-преобразовании, чем методы, основанные на преобразовании Фурье. Далее в разделе описаны основанные на методе Абри исследования поведения спектров и спектральных индексов для флуктуаций атмосферного тока и атмосферного давления в спокойных и возмущенных условиях атмосферы. Привлекая статистические данные, полученные для г.Апатиты, по вероятности развития турбулентного режима атмосферы в приземном слое при разных горизонтальных составляющих скорости ветра удалось объяснить вид (степенной или нестепенной) полученных спектров. Результаты представленных в третьем разделе исследований вероятности получения сигналов со степенным или нестепенным спектром при различных условиях сведены в таблицу 2.

Основываясь на полученных закономерностях, сделан вывод, что источником самоподобия в вариациях атмосферного тока являются турбулентные аэродинамические процессы, характеризующиеся степенным спектром.

Таблица 2. Вид глобальных вейвлет-спектров вариаций плотности атмосферного тока и атмосферного давления.

Спокойная атмосфера Возмущенная атмосфера Метеоусловия Ветер менее 1м/с Ветер от 1 до 4,5 м/с Коэффициент [0-0,05] в 87% случаев [0-0,05] в 36% случаев турбулентности [0,06-0,15] в 13% случаев [0,06-0,2] в 64% случаев Вид глобального Степенной спектр в 21% Степенной спектр в 72% вейвлет-спектра случаев случаев вариаций плотности Нестепенной спектр в 79% Нестепенной спектр в 28% атмосферного тока случаев случаев Вид глобального Степенной спектр в 44% Степенной спектр в 14% вейвлет-спектра случаев случаев вариаций Нестепенной спектр в 56% Нестепенной спектр в 86% атмосферного случаев случаев давления В условиях спокойной атмосферы наибольший вклад дают вариации глобальной природы, имеющие отличный от степенного вид вейвлет-спектра.

Вариации давления нелокальной природы, регистрируемые в невозмущенной атмосфере, обладают свойствами самоподобия, о чем свидетельствует степенной характер вейвлет спектра. Локальные турбулентные аэродинамические процессы, характерные для возмущенной атмосферы, вызывают отличные от степенного вейвлет-спектры пульсаций давления.

Результаты исследований, проведенных в первом, втором и третьем разделах, оказались полезны при отборе таких данных плотности атмосферного тока, когда большая его часть являлась током проводимости атмосферы. Это имело большое значение при исследовании влияния космических лучей на удельную проводимость приземного слоя атмосферы полярных широт, выполненном в четвертом разделе данной главы.

В четвертом разделе диссертационной работы представлен совместный анализ вариаций плотности атмосферного тока, напряженности электрического поля, удельной проводимости приземного слоя атмосферы и интенсивности космических лучей. В качестве показателя, характеризующего интенсивность космических лучей, использовались данные нейтронного монитора, установленного в г.

Апатиты. Удельная проводимость рассчитывалась по данным плотности атмосферного тока и напряженности электрического поля. Дополнительным подтверждением полученных в данном разделе результатов служит совпадение значений проводимости атмосферы, оцененных по данным о плотности атмосферного тока, напряженности электрического поля ( = 2,8·10-14 ± 0,6·10-См/м) и по данным шарозондовых измерений космических лучей ( = 2,27·10-14 ± 1,6·10-16 См/м). В таблице 3 показано, как изменяется влияние космических лучей на общую удельную проводимость приземного слоя атмосферы высоких широт в течение года.

Таблица 3. Коэффициенты корреляции между сезонными среднесуточными вариациями удельной проводимости атмосферы и интенсивности космических лучей.

Коэффициент Доверительный интервал по уровню Сезон корреляции значимости 95% Лето 2006г. -0,48 -0,68 -0,Осень 2006г. 0,26 0,04 0,Зима 2006-2007гг. 0,68 0,47 0,Весна 2007г. 0,72 0,54 0,Из таблицы видно, что максимум влияния интенсивности космических лучей приходится на весну и зиму, а минимум - на лето.

Этот факт объясняется снижением выхода из почвы радиоактивных газов, оказывающих значительное влияние на процессы ионизации в приземном слое атмлсферы. На основе исследований, представленных в данном разделе, показано существование связи вариаций космических лучей и средней удельной проводимости в приземном слое атмосферы высоких широт. Выявлена сезонная зависимость влияния космических лучей на среднюю удельную проводимость и оценена ее величина, которая согласуется со значением, полученным по шарозондовым измерениям потока космических лучей.

В заключении приведены результаты, полученные в работе.

Основные результаты, полученные в работе:

1. Разработан и на полигоне ПГИ КНЦ РАН в г.Апатиты внедрен в эксплуатацию автоматизированный атмосферный измерительный комплекс, который позволяет проводить непрерывные одновременные наблюдения плотности атмосферного тока, вертикальной компоненты электрического поля, микропульсаций атмосферного давления и метеорологических параметров. Создан пакет программ для сбора и первичной обработки данных.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»