Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 502, № 2, стр. 115-124

О связи приземного электрического поля и аридного аэрозоля при различных ветровых условиях

Е. А. Малиновская 1*, О. Г. Чхетиани 1, И. Н. Панчишкина 2, Г. Г. Петрова 2, А. И. Петров 2

1 Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова Российской академии наук
Москва, Россия

2 Южный федеральный университет
Ростов-на-Дону, Россия

* E-mail: elen_am@inbox.ru

Поступила в редакцию 15.07.2021
После доработки 24.09.2021
Принята к публикации 21.10.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

По данным полевых измерений, выполненных на опустыненной территории в Калмыкии в 2020 г., исследуются связи концентрации аридного аэрозоля размерами 0.2–0.4 мкм и напряженности электрического поля. Показано, что усиление и ослабление напряженности электрического поля связаны с изменением скорости и направления ветра по отношению к основному направлению дюнных гряд. При околопороговых значениях скорости ветра и направлениях ветра, близких к касательному, происходит увеличение напряженности электрического поля. Аналитическая оценка относительного изменения напряженности электрического поля показывает квадратичную зависимость от числа генерируемых микрочастиц. В момент накопления на сальтирующей частице критического заряда появляются свободные микрочастицы, выталкиваемые электрическим полем вверх из слоя сальтации. При небольших подскоках частиц, как при касательном направлении или при околопороговой скорости ветра, зарядка частиц происходит интенсивнее. При направлениях ветра, составляющих примерно 22–45° с линией стыка наветренного и подветренного склонов проявляется влияние эоловой ряби на перемещение и высоту подскоков сальтирующих частиц, как относительное уменьшение электрического поля при одновременном увеличении числа микрочастиц.

Ключевые слова: ветровой перенос пыли, атмосферное электричество, эоловые структуры

Движущиеся в сальтационном потоке частицы накапливают заряд, противоположный электростатическому заряду неподвижных частиц на поверхности [1]. Такая электризация создает силы, дополнительные к силам тяжести и аэродинамического сопротивления, определяющих траектории частиц, переносимых при сальтации. На сальтирующих частицах в результате туннельного перехода [2] в момент касания с поверхностью набирается отрицательный заряд, поверхность оказывается положительно заряженной [3, 4]. Максимум величины напряженности электрического поля отмечается на высоте около 1 см и выше, несколько меньшие значения до высоты 20 см над поверхностью земли. При появлении потока сальтирующих частиц поле резко возрастает, достигает максимума и далее медленно убывает [5]. В [5] полагают, что наличие электрического поля влияет на профиль скорости ветра до высот 1 м над поверхностью, уменьшая соответственно величину динамической скорости трения. Величина электрического поля связывается с величиной критической скорости ветра [6], а ее увеличение в [7] с нелинейным пороговым эффектом, определяемым скоростью ветра около 5 м/с. Конвективные потоки усиливаются электрическим полем на 30% [5]. В частности, отмечается линейная связь напряженности электрического поля с концентрациями пылевых микрочастиц [8]. Электрическое поле вблизи земной поверхности при росте общей концентрации аэрозольных частиц с диаметром >0.1 мкм, как в развитом сальтационном потоке, уменьшается [5, 9]. При наличии электрического поля пороговая скорость ветрового выноса понижается [10].

Мелкая фракция аэрозоля содержится изначально в самом сальтационном потоке [11], она частично поднимается в верхние слои в результате конвективного, диффузионного перемешивания или, возможно, сил электростатической природы. Скорости и размеры сальтирующих частиц [12] влияют на интенсивность процесса стирания частиц при ветровом воздействии. Мелкие частицы удерживаются на поверхности более крупных частиц силами Ван-дер-Ваальса электростатической природы [13]. Распределения по размерам для генерируемых микрочастиц зависят от скорости падения сальтирующих частиц [14] и направления воздушного потока [15].

Иститутом физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН в период с 22 июля по 1 августа 2020 г. проводились круглосуточные комплексные исследования выноса минеральных аэрозолей в аридных и полуаридных условиях на территории республики Калмыкия. Выбранный для полевых работ дюнный участок с подвижными песками, расположенный в 5 км к западу от пос. Нарын Худук, имеет примерно широтную протяженность около 1.5 км и ширину 250–300 м.

Концентрация аэрозолей на двух уровнях 0.5 и 2.0 м измерялась с помощью лазерного аэрозольного спектрометра ЛАС-П (9 каналов 0.15–1.5 мкм) и счетчика аэрозолей ОЭАС-05 (9 каналов 0.2–5.0 мкм), изготовленных в НИФХИ им. Л.Я. Карпова. Частота записи 1 мин. Общее время измерений составило 232 ч. Параллельно проводились сопутствующие измерения метеопараметров: температуры почвы, температуры воздуха и скорости ветра на уровнях 2 и 10 м, давления, влажности, падающей и отраженной радиации, отбор проб воздуха для последующего элементно-химического анализа. Методика измерений и аппаратура детально описаны в [16]. Направление ветра было преимущественно восточным-северо-восточным. Среднее значение динамической скорости составляло около 0.3 м/с. Отметим, что в 65% времени измерений динамическая скорость превышала критическое для возникновения сальтации значение 0.25 м/с. На рис. 1а представлено распределение значений динамической скорости по направлениям.

Рис. 1.

(а) Распределение динамической скорости трения по направлениям ветра; (б) зависимость напряженности электрического поля от динамической скорости.

Напряженность электрического поля на уровне земной поверхности измерялась флюксметром “Поле-2”, разработанного в ГГО им. А.И. Воейкова [9, 17]. Частота записи – 1 с, общее время измерений составило 96 ч. Величина напряженности изменялась в пределах от –1100 до +300 В/м со средним значением около 41 В/м (при минутном осреднении). Появление здесь отрицательных и близких к нулевому значений при усилении скорости ветра (в нашем случае до значений, превышающих 7–8 м/с – на высоте 2 м), связанных с появлением в приповерхностном слое отрицательно заряженных аэрозольных частиц, является типичным для выноса пылевого аэрозоля не только с опустыненных территорий, но и для незакрепленных или эродированных поверхностей [17]. На рис. 1б показана зависимость между напряженностью электрического поля и динамической скоростью. Виден тренд в отрицательную область при увеличении скорости ветра. Далее приведен анализ, позволяющий выявить особенности связи ветрового режима с генерацией аридного аэрозоля и изменением электрического поля.

Рассмотрим изменения электрического поля, создаваемого сальтационным потоком у поверхности, с ветровыми режимами, и их влияние на генерацию свободных частиц субмикронного размера.

Высота подскоков сальтирующих частиц над поверхностью ограничена несколькими сантиметрами. Так, для исследуемого участка визуально наблюдаются перемещения до уровня от 1 до 3 см. За счет вовлечения в процесс движения частиц из верхнего слоя песка формируется поток, толщина которого определяется высотой подскоков. Известно [3, 4], что в результате такого типа перемещений в воздухе накапливается отрицательный заряд. Поверхность земли оказывается положительно заряженной [3]. В условиях относительно ровного рельефа при небольших скоростях ветра можно считать поток сальтирующих частиц однородным, а следовательно, будет преобладать вертикальная компонента электрического поля, поэтому далее эта величина и понимается под напряженностью электрического поля. Фиксируемые в экспериментах заряды для микрочастиц отрицательны [18], а заряды сальтирующих крупных частиц положительны [19]. Это оказывается возможным при достижении фоновой критической величины напряженности электрического поля потоком сальтирующих частиц при которой прилипшие микрочастицы могут оторваться, тем самым способствуя возникновению положительно заряженных сальтирующих частиц (рис. 2).

Рис. 2.

Механизм возникновения свободных заряженных микрочастиц под воздействием электростатического поля в результате движения и накопления заряда на поверхности сальтирующих частиц.

Туннельная передача заряда от более крупных частиц более мелким происходит при ударе [2] и, вероятно, при взаимодействии пылинок с крупными частицами, так как в результате отмечается изменение их зарядов [24]. В первом приближении можно предположить, что размеры и заряды сальтирующих заряженных частиц имеют близкие к средним значения $r$ и $q$. Поток из ${{N}_{s}}$ заряженных частиц создает на поверхности электрическое поле c амплитудой напряженности

(1)
$E = \frac{1}{{4\pi \varepsilon {{\varepsilon }_{0}}}}\frac{{{{N}_{s}}q}}{{{{h}^{2}}}},$
где $\varepsilon $ – диэлектрическая проницаемость воздуха, ${{\varepsilon }_{0}}$ – электрическая постоянная, $h$ – высота потока частиц над поверхностью.

В момент удара при падении сальтирущей частицы передаваемый заряд распределяется равномерно между микрочастицами на ее поверхности исходя из приближения плотного заполнения, величина заряда, переданная одной микрочастице размером ${{r}_{\mu }}$, может быть оценена как: ${{q}_{\mu }} = \frac{{r_{\mu }^{2}}}{{{{r}^{2}}}}q$.

За ${{n}_{s}}$ касаний подвижной частицы с поверхностью на одной микрочастице накапливается заряд, равный пороговому значению ${{n}_{s}}{{q}_{{\mu k}}}$, при котором возможны ее отрыв и свободное перемещение над слоем сальтации. Условие отрыва микрочастиц, прикрепленных к поверхности сальтирующих частиц, можно определить, приравнивая силу вертикально выталкивающей их вверх со стороны электрического поля, создаваемого потоком частиц с силами сцепления Лондона-Ван-Дер-Ваальса ${{C}_{a}}{{r}_{\mu }}$:

${{q}_{{\mu k}}}{{n}_{s}}E = {{C}_{a}}{{r}_{\mu }}.$

Здесь ${{C}_{a}}$ = 0.0024 Н/м [14].

Под воздействием электростатического поля, созданного совокупностью отрицательно заряженных частиц, в потоке сальтации, прикрепленные микрочастицы при накоплении критического заряда стряхиваются и свободно движутся.

За время ${{t}_{s}}$ и ${{n}_{s}} = \frac{{{{C}_{a}}{{r}_{\mu }}}}{{{{q}_{{\mu k}}}E}}$ касаний отрывается одна микрочастица. Соответственно за малое время $dt$ с поверхности одной сальтирующей частицы стряхивается $d{{N}_{\mu }}$ микрочастиц:

(2)
$d{{N}_{\mu }} = \frac{{{{C}_{a}}{{r}_{\mu }}}}{{{{q}_{{\mu k}}}E{{t}_{s}}}}\frac{{{{r}^{2}}}}{{r_{\mu }^{2}}}dt.$

Полагаем, что число касающихся поверхности сальтирующих частиц определяется величиной $\sigma {{N}_{s}}$ (где $\sigma $ – доля частиц, касающихся поверхности). За время ${{t}_{s}}$ доля генерирующих микрочастицы в среднем определяется как: $\frac{{\sigma {{N}_{s}}}}{{2{{n}_{s}}}}$. Тогда для $N_{\mu }^{'}$ отрывающихся микрочастиц от ${{N}_{s}}$ сальтирующих частиц получаем из (2)

$\frac{{dN_{\mu }^{'}}}{{dt}} = \frac{{\sigma {{N}_{s}}}}{{2{{n}_{s}}}}\frac{{{{C}_{a}}{{r}_{\mu }}}}{{{{q}_{{\mu k}}}E{{t}_{s}}}}\frac{{{{r}^{2}}}}{{r_{\mu }^{2}}}.$

При генерации свободных заряженных микрочастиц уменьшается величина заряда на отдельных частицах в потоке сальтации, в результате ослабляется создаваемое им электрическое поле. Соответственно, его изменение будет определяться изменением заряда сальтирующих частиц $dE$ = $\frac{1}{{4\pi \varepsilon {{\varepsilon }_{0}}}}\frac{{{{N}_{s}}dq}}{{{{h}^{2}}}}$. Считая в первом приближении процесс накопления заряда на микрочастицах однотипным и равномерным, связанным с их генерацией, получаем, что для отрыва с поверхности одной частицы ${{N}_{\mu }}$ пылинок в единицу времени потребуется, чтобы они были заряжены до ${{q}_{\mu }} = {{q}_{{\mu k}}}{{N}_{\mu }}$. Тогда для ${{N}_{s}}$ сальтирующих частиц получим изменение поля:

(3)
$dE = \frac{1}{{4\pi \varepsilon {{\varepsilon }_{0}}}}\frac{{{{N}_{s}}{{q}_{{\mu k}}}}}{{{{h}^{2}}}}d{{N}_{\mu }}.$

Откуда с учетом предположения о равномерном заполнении поверхности частицы пылинками

(4)
$dE = \frac{1}{{4\pi \varepsilon {{\varepsilon }_{0}}}}\frac{{{{N}_{s}}{{q}_{{\mu k}}}}}{{{{h}^{2}}}}\frac{{r_{\mu }^{2}}}{{{{r}^{2}}}}d{{N}_{s}}.$

Электрическое поле увеличивается с ростом заряженных сальтирующих частиц в потоке ${{N}_{s}}$ и уменьшается в момент генерации микрочастиц при потере заряда. Выражая ${{N}_{\mu }}$ через ${{N}_{s}}$ и используя связь числа генерируемых микрочастиц с числом касаний сальтирующих частиц ${{N}_{\mu }} = \frac{{\sigma {{N}_{s}}}}{{2{{n}_{s}}}}$, получаем:

$dE = \frac{1}{{4\pi \varepsilon {{\varepsilon }_{0}}}}\frac{{4n_{s}^{2}}}{{{{\sigma }^{2}}}}\frac{{{{N}_{\mu }}{{q}_{{\mu k}}}}}{{{{h}^{2}}}}\frac{{r_{\mu }^{2}}}{{{{r}^{2}}}}d{{N}_{\mu }}.$

Отмечаем связь изменений электрического поля с числом свободных микрочастиц. После интегрирования по ${{N}_{\mu }}$ получаем квадратичную (параболическую) зависимость изменения напряженности электрического поля от числа микрочастиц

(5)
$\Delta E = \frac{1}{{4\pi \varepsilon {{\varepsilon }_{0}}}}\frac{{4n_{s}^{2}}}{{{{\sigma }^{2}}}}\frac{{{{q}_{{\mu k}}}}}{{{{h}^{2}}}}\frac{{r_{\mu }^{2}}}{{{{r}^{2}}}}\left( {N_{{\mu 0}}^{2} - N_{\mu }^{2}} \right).$

Потеря заряда происходит при возникновении свободных микрочастиц в результате их выталкивания из верхнего подслоя слоя сальтации толщиной $\Delta {{h}_{s}}$. Изменение числа микрочастиц определяется соотношением $k\frac{{d{{q}_{\mu }}}}{{dt}}\frac{{\Delta {{h}_{s}}}}{{{{h}_{s}}}}$ = $k{{q}_{{\mu k}}}\frac{{d{{N}_{\mu }}}}{{dt}}\frac{{\Delta {{h}_{s}}}}{{{{h}_{s}}}}$, где $k$ – доля стряхиваемых микрочастиц из подслоя ${{\Delta }}{{h}_{s}}$. Электрическое поле будет изменяться в зависимости от числа микрочастиц и высоты слоя, перемещающихся у поверхности частиц следующим образом:

(6)
$dE{\kern 1pt} * = \frac{1}{{4\pi \varepsilon {{\varepsilon }_{0}}}}\frac{{4n_{s}^{2}}}{{{{\sigma }^{2}}}}\frac{{\Delta {{h}_{s}}}}{{{{h}_{s}}}}\frac{{{{N}_{\mu }}{{q}_{{\mu k}}}}}{{{{h}^{2}}}}\frac{{r_{\mu }^{2}}}{{{{r}^{2}}}}d{{N}_{\mu }}.$

Чем выше поток сальтирующих частиц над поверхностью, тем медленнее меняются заряд и напряженность электрического поля. Так как высота подскоков частиц растет со скоростью ветра, перемещение частиц будет на меньшей высоте при скорости ветра, близкой к критической. Реализация “быстрой” зарядки сальтирующих частиц с этой позиции возможна в одном из двух условий: при скорости ветра, близкой к критической, и при касательном направлении ветра, когда задействуются массивные частицы из зоны аккумуляции [20]. Скорость накопления заряда увеличивается с размером перемещающихся у поверхности частиц и с их скоростью.

Если $\Delta E({{N}_{\mu }}) > 0$ (ветви, параболы (5) направлены вниз), то напряженность электрического поля уменьшается с изменением (ростом – уменьшением) числа микрочастиц. При этом ослабление электрического поля происходит за счет интенсивного возникновения свободных микрочастиц более быстрой зарядки. Это, в частности, как следует из (5), может быть связано с уменьшением высоты слоя сальтации.

Если $\Delta E({{N}_{\mu }}) < 0$ (ветви, параболы (5) направлены вверх), то напряженность электрического поля увеличивается. Усиление электрического поля возможно при условии более медленной генерации свободных микрочастиц по отношению к процессу зарядки. При этом будут выше подскоки частиц.

Далее оценим влияние изменений скорости и направления ветра на напряженность электрического поля и поток микрочастиц с размерами 0.2–0.5 мкм. Из данных измерений с 25 по 31 июля 2020 г. методом скользящего среднего за каждые 10 мин получены пары значений.

Связь относительных изменений электрической напряженности

$\Delta \chi = \frac{{E({{t}_{i}}) - E({{t}_{i}} - {{\Delta }}t)}}{{{{E}_{{\max }}}({{t}_{i}})}} = \frac{{\Delta E}}{{{{E}_{{\max }}}({{t}_{i}})}}$
и числа микрочастиц
$\Delta {{\xi }} = \frac{{n({{t}_{i}}) - n({{t}_{i}} - {{\Delta }}t)}}{{{{n}_{{\max }}}({{t}_{i}})}} = \frac{{\Delta n}}{{{{n}_{{\max }}}({{t}_{i}})}}$
за временной интервал ${{\Delta }}t$ = 10–40 мин для момента времени ${{t}_{i}}$ приведена на рис. 3.

Рис. 3.

Связь абсолютного изменения электрического поля с относительными изменениями концентраций микрочастиц размерами 0.2–0.5 мкм: (а) 1). – 30.07:7–8:00, 2) – 30.07, 23–24:00, 3) – 29.07:23–24:00, 4) – 30.07, 22–23:00; (б) 1) – 31.07:0–1: 00, 2) – 31.07:5–6:00, 3) – 30.07:20–21:00, 4) – 31.07:8–9:00, 5) – 30.07, 13–14:00, 6) – 29.07, 11–12:00, 7) – 30.07, 9–10:00.

Можно выделить для разных временных интервалов следующие зависимости $\Delta \chi \left( {\Delta {{\xi }}} \right)$ ~ ${{\left( {\Delta {{\xi }}} \right)}^{2}}$:

1) при всех ветровых режимах для дней с преобладающим по отношению к грядам эоловых структур касательным направлением ветра;

2) при скоростях ветра, меньших 5.5 м/с для дней с преобладающим по отношению к грядам эоловых структур лобовым направлением ветра.

Предполагаем, что участки ветвей (5), близкие и удаленные к областям максимума (минимума), соответствуют четырем режимам взаимного изменения электрического поля в связи с числом микрочастиц:

– для ослабления электрического поля (рис. 4, рис. 6а) с увеличением числа микрочастиц (рис. 4а, 4б, рис. 6а, I – более быстрое и II – менее быстрое падение напряжения) и уменьшением числа микрочастиц (рис. 4в, 4г, рис. 6а, III – менее быстрое и IV – более быстрое падение напряжения);

Рис. 4.

Относительное уменьшение напряженности для получасовых – часовых временных интервалов. (а) При относительном уменьшении числа микрочастиц (30.07:21:00, 19:30:29.07:18:20; 25.07:20:30). (б) При относительном уменьшении числа микрочастиц (25.07:7:30, 11:10; 26.07:0:30:27.07:19:40; 29.07:4:04; 30.07:20:07, 31.07:0:20).

Рис. 5.

Относительное увеличение напряженности для получасовых – часовых временных интервалов. (а) При относительном уменьшении числа микрочастиц (27.07:20:20; 28.07:9:10, 13:10, 23:10; 30.07:8:10). (б) При относительном уменьшении, увеличении числа микрочастиц (27.07:20:00; 28.07:13: 30, 16:40; 30.07:1:40, 15:20). (в) При относительном увеличении числа микрочастиц (25.07:0:00, 4:30, 8:10, 9:20; 26.07:3:10, 5:10, 16:10; 27.07:2:00, 11:00; 17:10). (г) При относительном увеличении числа микрочастиц (27.07:11:10, 20:10; 28.07:15:30, 18:30, 23:00).

Рис. 6.

Связь изменений скорости и направления ветра с изменениями электрического поля. Внутренняя окружность – критическая скорость ветра, наклоненная линия – линия стыка наветренного и подветренного склонов. а) I (Δχ/Δξ = = –0.392. ) и II (Δχ/Δξ = –0.101) – снижение напряженности с ростом числа микрочастиц), III Δχ/Δξ = 0.363) и IV (Δχ/Δξ = = 0.087) – снижение напряженности с уменьшением числа микрочастиц; б) I (Δχ/Δξ = –0.024) и II (Δχ/Δξ = –0.277) – увеличение напряженности с уменьшением числа микрочастиц), III (Δχ/Δξ = –0.050) и IV (Δχ/Δξ = 0.116) – увеличение напряженности с увеличением числа микрочастиц. Стрелками показано изменение скорости и направления ветра в течение часа до момента изменения напряженности электрического поля и числа микрочастиц.

– для усиления электрического поля (рис. 5, рис. 6б) с увеличением числа микрочастиц (рис. 5а, 5б, рис. 6б, I – более быстрое и II – менее быстрое) и уменьшением числа микрочастиц (рис. 5в, 5г, рис. 6а, III – менее быстрое и IV – более быстрое).

В зависимости от электромеханического состояния системы сальтирующих частиц (табл. 1) интенсивность увеличения или уменьшения электрического поля определяется направлением и скоростью ветра, а также размером сальтирующих частиц.

Таблица 1.

Связь изменений электрической напряженности с числом микрочастиц

Изменение напряженности электрического поля Состояние электромеханической системы в соответствии с формулой (5) Соотношение изменений электрической напряженности поля E и числа микрочастиц Nμ Физические процессы, с которыми связываются изменения
$\Delta E({{N}_{\mu }}) > 0$ касательное направление ветра, скорости, близкие к критическим, наличие в потоке крупных частиц
$\Delta E({{N}_{\mu }}) < 0$ потеря заряда при генерации микрочастиц интенсивнее процесса заряда сальтирующих частиц

Векторами на рис. 6 показаны изменения скорости и направления ветра в течение часа до момента изменения напряженности электрического поля и числа микрочастиц.

Близость модульных значений наклона прямых, аппроксимирующих разные участки квадратичной зависимости проявляется в большей степени при ослаблении электрического поля, нежели при его усилении. Это, вероятно, связано с влиянием дополнительных помимо ветра факторов на генерацию микрочастиц.

При большем наклоне прямых при снижении напряженности электрического поля (($\Delta \chi {\text{/}}\Delta {{\xi }}$ = = 0.363, рис. 6а) и с уменьшением числа частиц изменяется направление ветра ближе к лобовому по отношению к линии стыка наветренного и подветренного склонов. Скорость по величине приближается к критической (рис. 6а). В этом случае высота подскоков частиц уменьшается, так как они в большей степени, чем при касательном направлении ветра, задерживаются элементами микрольефа. Замедляются процессы зарядки и генерации микрочастиц. При меньшем наклоне прямых при снижении напряженности электрического поля $\Delta \chi {\text{/}}\Delta {{\xi }}$ = 0.87 с уменьшением числа микрочастиц скорости ветра незначительно уменьшаются ниже критической, со сменой направления. В момент ослабления скорости до критической подскоки минимальны по высоте или отсутствуют, электрическое поле и генерация микрочастиц кратковременно усиливаются до момента ослабления. Дальнейшее уменьшение скорости приводит к ослаблению процессов изменения напряженности электрического поля и генерации микрочастиц. Ослабление электрического поля в момент усиления генерации микрочастиц характерно для восточного направления ветра, которое дает угол 22°–45° по отношению к линии стыка наветренного и подветренного склонов. Микрорельеф при таком угле не задерживает перемещение частиц у поверхности. В этом случае при относительно невысоких подскоках частиц микрорельеф задерживает некоторую их долю, вероятны частицы с меньшим зарядом.

Усиление электрического поля явно связано с касательным направлением по отношению к линии стыка наветренного и подветренного склонов (рис. 6б). Скорость ветра при этом либо почти не меняется для случая 6–9 м/с, либо приближается к критической скорости ветра при 2–5 м/с.

Во всех случаях можно отметить влияние рельефа и микрорельефа на изменение процесса генерации микроаэрозоля в связи с сопутствующим изменением электрической напряженности.

В заключение резюмируем представленные выше результаты.

По наблюдениям экспедиции 2020 г. в юго-восточной части Европы (Россия, Республика Калмыкия) выбраны данные по числу микрочастиц, величине электрической напряженности, а также направления и скорости ветра.

Учитывается, что на сальтирующей частице располагаются удерживаемые Ван-дер-Ваальсовыми силами микрочастицы. В момент касания с поверхностью движущаяся частица заряжается отрицательно, поверхность – положительно. Отрицательно заряженные прикрепленные микрочастицы в момент установления порогового значения напряженности электрического поля, создаваемого потоком сальтирующих частиц, переходят в свободное состояние, перемещаются выше. В результате такой генерации микрочастиц ослабляется общая напряженность электрического поля. На скорость зарядки потока влияет высота подскоков частиц. Соответственно, усиление электрического поля будет связано с условиями перемещения более крупных частиц, а также при ветре, близком к пороговому, при котором возможен отрыв частиц. Аналитическая оценка показывает, что изменение электрического поля пропорционально квадрату числа генерируемых микрочастиц. Эта зависимость неплохо подтверждается данными полевых измерений. В предположении квадратичной связи найдены временные интервалы продолжительностью от 10 до 40 мин, в течение которых отмечаются хорошие корреляции напряженности электрического поля и числа микрочастиц. Можно выделить четыре состояния: для ослабления электрического поля с увеличением и уменьшением числа микрочастиц и для усиления электрического поля с уменьшением и увеличением числа частиц. Ослабление и усиление поля связаны с изменением скорости и направления ветра. Так, ослабление электрического поля отмечается при изменении направления ветра ближе к лобовому по отношению к линии стыка наветренного и подветренного склонов и при приближении к критической скорости ветра. Здесь важную роль играет микрорельеф поверхности, удерживающий перемещение частиц. Ослабление электрического поля в момент усиления генерации микрочастиц характерно для восточного направления ветра, которое дает угол 22–45 градусов по отношению к линии стыка наветренного и подветренного склонов. При таком угле микрорельеф не влияет на перемещение частиц у поверхности, при невысоких подскоках частиц происходит быстрая зарядка, микрорельефом задерживается некоторая их доля, вероятны частицы, потерявшие заряд. При усилении электрического поля преобладает касательное направление ветра по отношению к линии стыка наветренного и подветренного склонов (рис. 6б).

Список литературы

  1. Schmidt D.S., Schmidt R.A., Dent J.D. Electrostatic Force on Saltating Sand // Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 1998. V. 103. D8. P. 8997–9001.

  2. Kok J.F., Lacks D.J. Electrification of Granular Systems of Identical Insulators // Physical Review E. 2009. V. 79. № 5. P. 051304.

  3. Kok J.F., Renno N.O. Electrostatics in Wind-blown Sand // Physical Review Letters. 2008. V. 100. № 1. P. 014501.

  4. Bo T.L., et al. Theoretical Prediction of Electric Fields in Wind-blown Sand // Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 2013. V. 118. № 10. P. 4494–4502.

  5. Yue G., Zheng X. Electric Field in Windblown Sand Flux with Thermal Diffusion // Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 2006. V. 111. D16106.

  6. Zheng X.J. Electrification of Wind-blown Sand: Recent Advances and Key Issues // The European physical journal E. 2013. V. 36. P. 138.

  7. Горчаков Г.И. и др. Электрические токи сальтации в ветропесчаном потоке // ДАН. 2006. Т. 410. № 2. С. 259–262.

  8. Esposito F., et al. The Role of the Atmospheric Electric Field in the Dust-lifting Process // Geophysical Research Letters. 2016. V. 43. № 10. P. 5501–5508.

  9. Петрова Г.Г. и др. Исследование роли аэрозолей в формировании вариаций электрического поля в приземной атмосфере // Вестник КРАУНЦ. Физико-математические науки. 2018. № 5 (25). С. 45–54.

  10. Merrison J.P. Sand Transport, Erosion and Granular Electrification // Aeolian Research. 2012. V. 4. P. 1–16.

  11. Liu X.Y., Ning W.X., Wang Z.T. Theoretical Expressions for Soil Particle Detachment Rate Due to Saltation Bombardment in Wind Erosion // Sciences in Cold and Arid Regions. 2020. V. 12. № 4. P. 234–241.

  12. Alfaro S.C., et al. Modeling the Size Distribution of a Soil Aerosol Produced by Sandblasting // Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 1997. V. 102. D10. P. 11239–11249.

  13. Козлов А.С. и др. Исследование механических процессов образования субмикронного аэрозоля // Оптика атмосферы и океана. 2000. Т. 13. № 6–7. С. 664–666.

  14. Fernandes R., Dupont S., Lamaud E. Investigating the Role of Deposition on the Size Distribution of Near-surface Dust Flux during Erosion Events // Aeolian Research. 2019. V. 37. P. 32–43.

  15. Shao Y., et al. A Tribute to Michael R. Raupach for Contributions to Aeolian Fluid Dynamics // Aeolian Research. 2015. V. 19. P. 37–54.

  16. Chkhetiani O.G., Gledzer E.B., Vazaeva N.V. Measurements and Approximations for Submicron-aerosol Size Distribution Functions // Earth and Space Science. 2020. V. 8. № 6. e2020EA001616.

  17. Петрова Г.Г. и др. Формирование электрической структуры нижних слоев атмосферы: экспериментальные исследования и обобщение данных // Известия вузов. Радиофизика. 2013. Т. 56. № 11–12. С. 803–819.

  18. Fuerstenau S., Wilson G. A Particle Charge Spectrometer for Determining the Charge and Size of Individual Dust Grains on Mars // Institute of Physics Conference Series. 2004. V. 178 (4). P. 143–148.

  19. Schmidt D.S., Schmidt R.A., Dent J.D. Electrostatic Force on Saltating Sand // Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 1998. V. 103. B8. P. 8997–9001.

  20. Малиновская Е.А., Чхетиани О.Г., Максименков Л.О. Распределение эоловых микрочастиц по размерам при разных направлениях ветра // Известия академии наук. Физика атмосферы и океана. 2021. Т. 57. № 5. С. 539–554.

Дополнительные материалы отсутствуют.