Математическое моделирование электрической структуры турбулентно-конвективного приземного слоя
Аннотация
Построена и исследована модель электродинамического состояния приземного слоя, обусловленная действием электродного эффекта вблизи поверхности земли с учётом турбулентного и конвективного переносов в атмосфере. Анализ модельных уравнений методами теории подобия позволил сделать ряд обоснованных физических допущений. Методами математического моделирования получены аналитические решения электродинамических уравнений в приближениях классического и турбулентного электродного эффекта, а также уравнения полного тока для различных метеорологических условий. Получены аналитические формулы для расчётов пространственных распределений электрических характеристик приземного слоя: электрической проводимости воздуха, концентрации полярных аэроионов (ионов проводимости), объёмного заряда и напряжённости электрического поля. Исследованы зависимости распределения электрических характеристик приземного слоя от значений электрического поля, степени турбулентного перемешивания и скорости конвективного переноса. Показано, что параметр электродного эффекта (отношение значений напряжённости электрического поля на поверхности земли и на верхней границе электродного слоя) практически не зависит от атмосферных условий, тогда как высота электродного слоя и, соответственно, масштабы распределения электрических характеристик приземного слоя меняются в значительной степени. Усиление турбулентного перемешивания или скорости конвективного переноса в приземном слое приводит к увеличению высоты электродного слоя и, как следствие, масштабов распределения его параметров. Усиление электрического поля приводит к уменьшению его высоты. Результаты аналитических расчётов хорошо согласуются с экспериментальными данными и известными результатами численного моделирования электрической структуры приземного слоя. Полученные в работе аналитические формулы и расчётные данные могут быть полезны при решении ряда прикладных задач геофизики, в частности для мониторинга электрического состояния атмосферы.
