«Электрическое поле атмосферы и методические рекомендации по обсуждению этой темы с учащимися»

магистерская защищена на "отлично" в июле 2014 на физическом факультете ЮФУ. В ней представлены уникальные экспериментальные экспедиционные исследования по атмосферному электричеству, а также методическое сопровождение. Вдруг понадобится кому-то, перешлю электронный образовательный ресурс. ...

1.Формирование электрического поля в атмосфере Земли
1.1 Современные представления о глобальной электрической цепи
Атмосферное электричество играет значительную роль в единой системе, которую составляют атмосфера Земли и околоземное космическое пространство.
Уже в прошлом столетии было установлено, что в атмосфере существует электрическое поле, направление которого в большинстве случаев при нормальной погоде таково, как если бы земная поверхность была заряжена отрицательно, а атмосфера положительно.
Рис. 1. Среднегодовые кривые суточных вариаций атмосферно-электрического поля над океанами (В/м), измеренные в экспедиции Carnegie and Maud (Parkinson and Torrenson, 1931) - а), и среднегодовые кривые суточных вариаций глобальной грозовой активности согласно Whipple and Scrase (1936) - б) [1].
В 20-е годы прошлого столетия было обнаружено, что поле над океанами изменяется в течение суток в соответствии с универсальным временем, одновременно в разных пунктах. Эта суточная кривая электрического поля известна в атмосферном электричестве как унитарная вариация. Экспериментально полученная идентичность суточных кривых электрического поля атмосферы над океанами (Рис.1а) и суточных вариаций глобальной грозовой активности (Рис.1б) подтверждает гипотезу о том, что грозы являются электрическим генератором в глобальной цепи [1].
В работе Мареева [2] отмечено, что электричество хорошей погоды неразрывно связано с грозовым электричеством и составляет часть распределенного токового контура - глобальной электрической цепи. Физической причиной формирования ГЭЦ в атмосфере служит резкий рост проводимости воздуха с высотой. Вблизи поверхности Земли проводимость воздуха очень мала и составляет (23)•10-14 См/м, что соответствует концентрации легких ионов около 103 см-3. С ростом высоты благодаря увеличению уровня ионизации, определяемого до 40 км галактическими космическими лучами, а выше - ультрафиолетовым и рентгеновским излучением Солнца, проводимость растет почти экспоненциально с характерным масштабом 6 км. Уже на высоте D-слоя ионосферы (около 80 км) она увеличивается более чем на 10 порядков по сравнению с тропосферой. Проводимость земли в поверхностном слое (и тем более воды в океане) тоже превышает проводимость пограничного слоя атмосферы на 1012 порядков. Таким образом, постоянно функционирующие грозовые генераторы оказываются сосредоточенными в достаточно узком слабо проводящем слое между земной поверхностью и ионосферой.
Таким образом, современные исследования глобальной электрической цепи ориентированы на изучение и выявление совокупности генераторов атмосферного электричества, а также определение степени влияния различных физических процессов в магнитосфере, ионосфере, в приземном слое атмосферы и земной коре на атмосферно - электрические характеристики.
1.2 Электрическое поле вблизи земной поверхности
По определению Имянитова [6], приземный слой атмосферы – это часть пограничного слоя атмосферы от земной поверхности до высоты несколько десятков метров. Толщина этого слоя изменяется в достаточно широких пределах в зависимости от величины скорости ветра, термической стратификации атмосферы и шероховатости земной поверхности. Вследствие непосредственного контакта приземного слоя атмосферы с земной поверхностью он характеризуется наличием поверхностных источников тепла, радиоактивных излучений и различных примесей: радиоактивных эманаций, аэрозольных частиц, водяного пара и т.д.
1.5 Результаты исследований пространственно-временных вариаций характеристик электрического поля вблизи земли
Исследование закономерностей вертикального распределения характеристик электрического поля в приземном слое атмосферы в экспедиционном эксперименте кафедры физики АПО ЮФУ (кафедра физики РГПУ) насчитывает не один десяток лет. Результаты исследований опубликованы в ряде работ как сотрудников кафедры, так и студентов (см., например, [7,8,19,20]).
В завершение следует отметить, что при устойчивой стратификации наблюдения обнаруживают сложный изрезанный профиль электропроводности атмосферы, обусловленный совокупным действием ионизаторов и электрического поля (Рис.9). Этим может объясняться появление профилей градиента потенциала типа Σ наряду с профилями типа С.
Таким образом, результаты эксперимента показывают, что наряду с положительным объёмным зарядом электродного эффекта земной поверхности, в нижней атмосфере при устойчивой стратификации наблюдаются слои отрицательного объёмного заряда, обусловленные изменением по высоте электропроводности атмосферы.
2. Разработка методических рекомендаций по обсуждению электрического поля атмосферы при подготовке магистров по программе «Физическое образование»
2.1 Подходы к адаптации научного материала по атмосферному электричеству при разработке курса «Проблемы атмосферного электричества» в магистратуре
Физика, являясь ядром комплекса естественных наук и одной из фундаментальных составляющих человеческой культуры вообще, занимает лидирующую позицию в образовательном процессе на естественнонаучных факультетах педагогических вузов. Весь образовательный процесс в педагогическом университете направлен на формирование, обучение и воспитание будущих преподавателей и призван обеспечить прочный фундамент их естественнонаучного мировоззрения и формирование у них наиболее полной современной физической картины мира [23].

Введение
Актуальность темы.
Исследование атмосферы важно, прежде всего, потому, что это среда непосредственной жизнедеятельности человека. Поэтому необходимо учитывать и использовать физические процессы, происходящие в ней. Без досконального изучения всех свойств среды, выявления закономерностей протекающих в ней процессов невозможно решение проблемы рационального использования природных ресурсов.
Электрические процессы в нижней атмосфере являются неотъемлемой частью всех физических процессов в ней. Несмотря на более чем 200-летнюю историю изучения, атмосферное электричество продолжает привлекать внимание исследователей и практиков.
Целями данной работы являются:
 исследование высотных профилей электрического поля в приземном слое атмосферы;
 разработка методических р екомендаций по обсуждению электрических явлений в атмосфере с магистрантами, обучающимися по программе «Физическое образование»;
 создание электронного пособия для преподавания магистрантам дисциплины по выбору «Проблемы атмосферного электричества».

Иногда название «радон» относят именно к этому изотопу. 238U234PaAa234Th234U226Ra230Th…218Po206Pb222Rn1214Pb214BiРис. 4. Радиоактивный ряд, образуемый продуктами распада урана-238 [22]. В семейство тория-232 входит 220Rn (T1/2=55,6 с), иногда его называют торон (Tn). В семейство урана-235 (урана-актиния) входит 219Rn (T1/2=3,96 с), его называют актинон (An). В одну из побочных ветвей семейства урана-радия входит также очень короткоживущий (T1/2=35 мс) радон-218. Все отмеченные изотопы радона испытывают альфа-распад. Этими четырьмя нуклидами исчерпывается список природных изотопов радона [13]. Особенно важную роль в ионизации воздуха в нижней тропосфере играют два радиоактивных газа: радон () с периодом полураспада, как уже отмечалось, 3.8 дня и торон () с периодом полураспада около 56сек). Радиоактивные элементы попадают в атмосферу вместе с почвенным воздухом при обмене его с наружным воздухом.Большое значение приобрели радиоактивные вещества антропогенного происхождения, образующиеся при испытаниях ядерного оружия, взрывах, подобных аварии на Чернобыльской АС, и др.Будучи заброшенными на значительные высоты, они могут долгоевремя оставаться в атмосфере во взвешенном состоянии, оченьмедленно осаждаясь на земную поверхность. При большом периоде полураспада некоторых из них (например, Sr90 около 28 лет)могут создавать дополнительную ионизацию, не говоря уже об ихпагубном биологическом действии. Исследованию загрязнения атмосферы искусственными радиоактивными веществами уделяетсяочень большое внимание (изучается содержание веществ в воздухе,их количество, осаждающееся на земную поверхность, включая и ихвымывание из атмосферы осадками и пр.) [11].Значимость рассмотренных ионизаторов меняется с высотой. Над сушей у земной поверхности ионизация на 80 % обусловлена действием излучений радиоактивных веществ, содержащихся в атмосфере, и частично γ-излучений земной коры; в слое до 500 м ионизация на 75 % определяется действием радиоактивных излучений; но роль последних весьма быстро уменьшается, и уже с высот более 5-6 км ионизация атмосферы почти полностью определяется действием только космических лучей; в целом же для слоя атмосферы 0-9 км они создают 95 % всего числа образующихся ионов. С высотой интенсивность ионизации, обусловленная действием космических лучей, растет и достигает максимальных значений на высоте около 12-18 км. Значение этого максимума больше, а его положение несколько выше на большихмагнитных широтах.Над океанами вдали от берегов, где радиоактивность атмосферы мала, основным и практически единственным ионизаторомявляются космические лучи. То же имеется и на больших высотахвплоть до тех высот, на которые проникают ультрафиолетовыелучи Солнца и другие излучения (в частности, корпускулярные), обладающие энергией, достаточной для ионизации газов. Начиная с этих высот, в ионосфере основным ионизатором уже является солнечное излучение.Наряду с рассмотренными главнейшими ионизаторами атмосферы можно указать еще большое число процессов, приводящихк образованию в атмосфере ионов или заряженных частиц, но всеони имеют второстепенное и притом ограниченное по времени иместу значение. К числу их, например, относятся грозовые разряды, тихие разряды с остриев, фотоэлектронная эмиссия с поверхности некоторых минералов земной коры, термическая ионизацияпри процессах горения и вблизи действующих вулканов. Некоторое значение в образовании заряженных частиц в воздухе имеют также процессы трения, которые всегда наблюдаются, если частицы при своем движении в воздухе сталкиваются друг с другом или соприкасаются с некоторой (в частности, с земной) поверхностью [11]. Развитие вычислительной техники, сделавшее широко доступными численные методы решения дифференциальных уравнений, позволило отказаться от существенных физических допущений при решении задачи описания электродного эффекта в атмосфере.Первым успешно применил численный метод в решении системы уравнений, описывающих классический электродный эффект Hoppel [14]. Он решил стационарную задачу для горизонтально-однородной неподвижной атмосферы. Аэрозоли и турбулентность в данной модели не учитывались, но задавался близкий к реальному профиль интенсивности ионообразования. Вслед за этим Hoppel [15] численным методом решил задачу турбулентного электродного эффекта, исходя из стационарной системы уравнений.1.4 Приборы и методы измерений в геофизических экспедициях АПО ЮФУДля исследования закономерностей формирования электрической структуры приземного слоя атмосферы использованы результаты измерений физических характеристик атмосферы вблизи земной поверхности, полученные в геофизических экспедициях кафедры физики Академии педагогического образования ЮФУ в летний период на территории Кашарского района Ростовской области. Измерения в экспедициях осуществлялись непрерывно круглосуточно в течение 10-15 дней, прерываясь в случае дождя или по техническим причинам. Большинство характеристик атмосферы измерялись на нескольких уровнях, что помогает лучшему пониманию атмосферных процессов. Измерялись потенциал электрического поля атмосферы на 3 уровнях, напряженность поля на уровне земли, удельные полярные электропроводности атмосферы и концентрация радона-222 на 6 высотах, а также метеорологические параметры нижнего 3-метрового слоя. Ряд параметров рассчитывался косвенно на основании результатов данных измерений. Для анализа использовались среднечасовые значения характеристик.Измерительный комплекс включает в себя одновременную регистрацию характеристик атмосферно-электрического поля в слое 0-4 метра, градиентные изменения температуры, влажности воздуха и скорости ветра в изучаемом слое, полярных удельных электропроводностей атмосферы и концентрации радона-222 в почве и атмосфере [16].Измерение напряженности поля на уровне земли осуществлялось электростатическим флюксметром "Поле-2" системы ГГО им. А.И.Воейкова. Измерения потенциала атмосферы осуществлялись методом радиоактивного коллектора.Для измерения электропроводности атмосферы использовался аспирационный метод, сущность которого заключается в измерении тока ионов, осаждающихся из потока воздуха на одну из обкладок конденсатора, когда между ними приложено напряжение. Концентрация радона (Rn-222) в воздухе измерялась радономером «Alpha-guard», работающим по методу ионизационной камеры.Для измерения температуры и определения характеристик влажности воздуха на уровнях 0,5; 1,0; 2,0 метра использовались аспирационные психрометры Ассмана, которые перед началом измерений тщательно сверялись в лабораторных условиях. Скорость ветра на высотах 0,5; 2,0; 5,0 метра определялись чашечными анемометрами Фюсса. Температура почвы измерялась почвенными термометрами Савинова на стандартных для этих термометров глубинах: 0,05; 0,10; 0,15; 0,20 метра. Метеостанцией М-49 осуществлялась также непрерывная регистрация скорости и направления ветра (высота 5м), температуры и относительной влажности воздуха (высота 2 м), атмосферного давления.Измерения метеорологических величин выполнялись в начале каждого часа в течение 10 минут. Делались также визуальные отметки о направлении ветра, о видах и количестве облачности, о наличии помутняющих атмосферу факторов (дымка, туман, пыль при работе сельскохозяйственных машин, дым от лесного пожара и т.п.).Остановимся подробнее на описании приборов и методов измерения характеристик электрического поля Е.Измерение характеристик электрического поля атмосферыИсторически измерения полей в атмосфере началисьс измерения потенциалов в ней вблизи поверхности земли.Для измерения потенциала атмосферы в неё вводят тело, называемое коллектором.Имянитов в своей работе [17] отмечает, что действие коллектора состоит в том, что изолированный коллектор, находясь в электрическом поле, отдает (или принимает) заряд до тех пор, пока потенциал его не станет равным потенциалу, который имела до нарушения поля введением коллектора некоторая близлежащаяк коллектору точка пространства (так называемая референц-точка). Измеряя с помощью электрометра потенциалколлектора, можно таким образом определить потенциалпространства в референц-точке.Для измерения напряжённости и градиента потенциала электрического поля существует ряд методов и разработаны многочисленные приборы. Все методы можно разделить на две обширных группы [17]. К первой группе относятся методы, основанные на использовании соотношения (9)(косвенный метод), ко второй группе методы, которые используют связь(10)(прямой метод). Здесь - поверхностная плотность заряда, - диэлектрическая проницаемость вакуума.Косвенный метод измерения (коллекторный метод).Коллектор предназначен для измерения потенциала и представляет собой проводник, снабженный приспособлением, который может воспринимать потенциал некоторой точки атмосферы. Коллекторы бывают пламенные, водяные, радиоактивные. Каждый коллектор в отношении его действия может быть охарактеризован следующими величинами: емкостью (ёмкость самого коллектора, всех соединённых проводов и измерительного прибора); кажущимся сопротивлением; временем релаксации; степенью изоляции [17] .Радиоактивный коллектор представляет собой металлический диск, одна сторона которого покрыта радиоактивным веществом, излучающим α-лучи. Диск защищён сверху от внешних воздействий атмосферы металлическим кожухом. Сверху имеется клемма для соединения с измерительным прибором (электрометром или электростатическим вольтметром). Электрометр - прибор, предназначенный для измерения разностей электрических потенциалов, небольших электрических зарядов, очень малых токов (вплоть до 10-15 А) и других электрических величин, когда необходимо обеспечить высокую степень изоляции во избежание утечек заряда. Принцип действия радиоактивного коллектора следующий: коллектор помещается в исследуемое поле, при этом радиоактивное вещество ионизирует прилегающий воздух, образуется сильно проводящее облако ионов. Из-за высокой проводимости ионного облака разность потенциалов между коллектором и областью, прилегающей к поверхности, будет меняться пока коллектор не примет потенциал этой области. Коллектор принимает потенциал точки, положение которой зависит от размеров ионного облака, имеющих порядок нескольких сантиметров, что определяется длинной пробега α – частиц в воздухе. (Следует отметить, что потенциал коллектора всегда будет немного отличаться от потенциала исследуемой точки на небольшую величину) [17]. Измерения потенциала атмосферы в геофизических экспедициях кафедры физики АПО ЮФУ осуществлялись методом радиоактивного коллектора. В качестве радиоактивного коллектора был взят иониевый α-излучатель. Установка для измерения потенциала атмосферы на 4 уровнях, применявшаяся нами, идентична описанной Имянитовым [17].АВlABG1G221l1-2CРис. 5. К определению градиента электрического потенциала и плотности объемного заряда атмосферы [16].Деревянные рейки высотой 4 м разнесены на расстояние 10 м. Между ними горизонтально натянуты четыре медные проволоки, изолированные от реек эбонитовыми изоляторами, снабженными нагревательными элементами для поддержания поверхности изолятора сухой во избежание утечки заряда по изоляции. К проволокам прикреплены радиоактивные коллекторы так, что расстояния их от земной поверхности равны 1, 2, 3 и 4 метра. Наблюдатель с электрометром располагается в десятке метров от коллекторов, чтобы не искажать электрическое поле. Отсчеты потенциалов выполняются многократно, поочередно с разных коллекторов, и затем осредняются, давая среднечасовые значения потенциала для каждого уровня. Время релаксации установки – порядка 40 с, что учитывается при снятии показаний электрометра после пересоединения коллекторов [16].Среднее для слоя значение градиента электрического потенциала можно рассчитать, зная значения потенциала для двух точек (А и В) и расстояние между точками (рис. 5):(11)На основании данных о градиенте потенциала атмосферного электрического поля возможна оценка плотности объемного заряда в атмосфере. Связь между локальным объемным зарядом и потенциалом при условии эквипотенциальности горизонтальных уровней устанавливается уравнением Пуассона:(12)Средняя плотность объемного заряда для любого слоя приземного воздуха рассчитывается по следующей обобщенной формуле: ((13)где , (рис.5).Алгоритм проведения измерения был следующим:Измерения градиента потенциала производятся 1 раз в час. Перед началом измерения проверяется качество изоляции. Ежечасно измеряются расстояния до коллекторов, т.к. металлический проводник, на котором подвешены изоляторы, может растягиваться. Четыре раза за часовой цикл измерений производятся отсчеты потенциалов каждого коллектораЗначения потенциалов снимались поочередно с каждого коллектора по схеме многократно, а затем усреднялись, и в результате использовались среднечасовые значения потенциала для каждого уровня, а именно 1; 2; 3; 4 м.Прямой метод измерения. Использованный нами для измерения напряженности поля на уровне земли электростатический флюксметр (рис.6) включает в себя:а) металлическую измерительную пластину а, состоящую из трех секторов круга радиусом 10 см по 60º каждый, соединенных между собой и укрепленных через 120º; б) экранирующую металлическую пластину б той же формы и размеров, укрепленную на заземленной (с помощью угольных щеток е) оси и вращающейся асинхронным мотором;в) сопротивления г, соединяющего измерительную пластину а с землей, экранирующего кабеля д, подводящего напряжение от измерительной пластины к усилителю сигнала, и экранирующего корпуса ж. Подробно приборы и методы измерений атмосферно-электрических характеристик рассмотрены в работах [16,17]. Рис. 6. Устройство электростатического флюксметра [16].Действие электростатического флюксметра основывается на динамическом методе, который заключается в том, что при внесении в переменное электрическое поле проводящего тела в последнем возникает движение индуцированных зарядов. Величина тока, создаваемого перемещающимися зарядами, пропорциональна вызывающему его изменению поля.Сигнал с выхода флюксметра подаётся на вход платы аналогово-цифрового преобразования (АЦП), установленной в персональном компьютере. Плата АЦП преобразует аналоговые сигналы, поступающие с измерительного комплекса, в цифровую форму, для последующей обработки с помощью компьютера. При разработке измерительно-вычислительного комплекса выбор пал на продукцию фирмы L-Card – плату АЦП L761.Построение платы на базе интерфейса PCI обеспечивает высокую скорость приема данных, а встроенный сигнальный процессор при надлежащем программировании позволяет вести обработку данных в режиме реального времени. Таким образом, становится возможным прием данных со всех 32 или 16 каналов ежесекундно и быстрее [16].При обработке данных измерений подсчитывается среднечасовое значение напряженности поля, а в случае необходимости производится осреднение за более короткие промежутки времени.При обработке результатов эксперимента применялись статистические методы. Обработка данных велась с помощью Microsoft Excel.Описание площадки наблюденийПлощадка наблюдений находилась в Федоровке Кашарского района Ростовской области. Район степной, сельский, всхолмленная равнина, балки, овраги. Расположен на севере области, на краю литосферной плиты Русской равнины, удален от индустриальных центров и связанных с ними источников загрязнений. Площадка находилась в 200-300 метрах от села на ровном травянистом поле размером примерно 300х500 м2. Почва на площадке черноземная. Растительность под датчиками была срезана на уровне земли на площади не менее 20х20 м2. Задернение почвы при этом сохранялось, чтобы поверхность не пылила.1.5 Результаты исследований пространственно-временных вариаций характеристик электрического поля вблизи землиИсследование закономерностей вертикального распределения характеристик электрического поля в приземном слое атмосферы в экспедиционном эксперименте кафедры физики АПО ЮФУ (кафедра физики РГПУ) насчитывает не один десяток лет. Результаты исследований опубликованы в ряде работ как сотрудников кафедры, так и студентов (см., например, [7,8,19,20]). Целью нашего исследования было выявление наиболее часто встречающихся типов профилей вертикального распределения градиента электрического потенциала в приземном слое атмосферы 0-4 м и их интерпретация. В связи с заданной целью, были поставлены следующие задачи:Регистрация атмосферно-электрических, метеорологических характеристик и концентрации радона-222 в геофизических экспедициях на территории Кашарского района и обработка полученных данных. Исследование пространственных закономерностей градиента потенциала в различных условиях перемешивания атмосферы и физическая интерпретация результатов.Для реализации поставленной цели в экспедиционных исследованиях кафедры физики ЮФУ методом радиоактивного коллектора был получен большой объем данных о вертикальном распределении электрического потенциала в нижнем 3-метровом слое атмосферы. Измерения выполнялись традиционными методами и хорошо известными в физике атмосферы приборами. Измерительный комплекс подробно описан в статье [16] и обсуждается в предыдущем разделе. В то же время стремление понять природу формирования наблюдаемых профилей поля привело к необходимости расширить интервал высот. Вследствие этого в августе 2012 года в период геофизической экспедиции кафедры физики АПО ЮФУ в Федоровке Кашарского района Ростовской области измерения потенциала электрического поля атмосферы проводились на высотах 1, 2, 3 и 4 метра. Исследования показывают, что электрическая структура приземного слоя различна для разных условий перемешивания атмосферы. Поэтому одновременно с атмосферно-электрическими проводились метеорологические измерения, что позволяло оценивать состояние приземного слоя. На основании метеорологических данных все замеры систематизировались в соответствии с наблюдаемой стратификацией температуры приземного слоя. На основании результатов метеорологических измерений для каждого часа по методу Орленко [21] рассчитывался параметр температурной стратификации. Принято различать неустойчивую , устойчивую и безразличную стратификацию атмосферы. Здесь =1°/100 м - адиабатический градиент - изменение с высотой температуры поднимающейся воздушной частицы, - градиент температуры окружающего частицу воздуха (см. магистерскую диссертацию Билаловой [22]). Как известно, теоретически значению параметра m=1 соответствует безразличная стратификация, для устойчивой стратификации m<1, для неустойчивой - m>1. При неустойчивой стратификации температуры в слое атмосферы в нём создаются условия для развития конвективных движений что способствует вертикальному перемешиванию воздуха. Устойчивая стратификация не способствует развитию таких движений, вследствие чего атмосфера расслаивается.По результатам измерения потенциала атмосферы рассчитывались ежечасные значения градиента потенциала для слоёв 0-1, 1-2, 2-3 и 3-4 метра. Значения градиента потенциала на уровне земли для каждого часа усреднялись по результатам данных флюксметра. Определённые таким образом среднечасовые вертикальные профили поля группировались затем в зависимости от значений параметра стратификации, исходя из условий: m<0,7 - устойчивая стратификация; m>1,2 - неустойчивая стратификация. Замеры при близком к 1 параметре стратификации исключались для определённости, поскольку в реальности чёткие границы между условиями устойчивости соблюсти невозможно. Для анализа были построены вертикальные профили градиента потенциала в слое 0-4 метра для каждого часа с устойчивой стратификацией. Затем профили были рассортированы по видам и осреднены. Для условий устойчивой стратификации температуры, когда перемешивание атмосферы ослаблено, обнаружены 3 вида профилей: условно С-образный (10 профилей), -видный (9 профилей) и Z-образный (19 профилей).Полученные таким путём средние профили представлены на рисунке 7. Планками на графиках отмечены значения стандартной погрешности измерений.