Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 505, № 1, стр. 89-94

В современную эпоху потепления климата ускоряются многие процессы, в том числе, опустынивание и аридизация, в которых ключевую роль играет взаимодействие атмосферы с подстилающей поверхностью (ПП). На песчаных опустыненных территориях (ОТ) взаимодействие атмосферы с подстилающей поверхностью осуществляется, главным образом, через ветропесчаный поток (ВПП), который через процессы эрозии почвы и грунта, образование дюн, барханов и ряби на песчаной поверхности формирует пустынные ландшафты и выносит в атмосферу большое количество минерального пылевого аэрозоля [1, 2].

Основным процессом в ветропесчаном потоке является сальтация – скачкообразные перемещения песчинок, которые выбивают с ПП [2] частицы пылевого (грубодисперсного) аэрозоля. Пылевой аэрозоль (ПА) заметно трансформирует радиационный режим атмосферы [3], взаимодействует с облачностью, участвует в различных физико-химических процессах, влияет на здоровье населения и процессы в биосфере [4].

Сальтация возникает при воздействии воздушного потока на ПП, когда скорость ветра превышает так называемую пороговую скорость сальтации и крупные частицы с размерами больше 50–60 мкм отрываются от ПП (аэродинамическое инициирование сальтации) [1, 2]. Далее ускоренные ветром крупные частицы либо отскакивают от ПП, либо выбивают с ПП новые сальтирующие частицы, либо остаются на ПП [1, 2]. При неизменной скорости ветра, что легко реализуется в ветровых каналах, наблюдается режим стационарной сальтации. На опустыненных территориях наблюдается согласованная низкочастотная изменчивость многих характеристик ветропесчаного потока, включая электрические характеристики, а также характеристики эмиссии пылевого аэрозоля в ветропесчаном потоке, которые определяются вариациями горизонтальной компоненты скорости ветра в приземном слое атмосферы с периодами примерно от 30 с до 30 мин [5–7].

Процессы в ВПП недостаточно изучены. До сих пор не получили удовлетворительного объяснения некоторые существенные наблюдаемые особенности сальтации. В [8] и ряде других работ установлено, что вертикальная компонента скорости вылета сальтирующих частиц с ПП слабо зависит от скорости ветра и, соответственно, от динамической скорости (скорости трения). В [9] показано, что наблюдаемый избыток “высокоскоростных” частиц (по сравнению со статистикой отскоков от твердой поверхности) нельзя объяснить простыми отскоками от песчаной ПП, а для процесса выбивания новых частиц необходим дополнительный источник энергии. Обнаружено [10], что значительная доля эмиссии ПА, образующего при сальтации, является продуктом абразии крупных частиц полевых шпатов и кварца, что возможно только при воздействии на ПП высокоскоростных частиц. Согласно утверждению J.F Kok и N.O. Renno [11], существующие значительные расхождения между классической теорией сальтации и экспериментом могут быть устранены, если учесть электрические процессы в ВПП. Показано [11], что благодаря электризации ВПП снижается пороговая скорость сальтации, увеличивается интенсивность сальтации и расчетные траектории сальтирующих частиц при учете электризации лучше согласуются с наблюдаемыми.

Ветропесчаный поток отличается аномально высокой электризацией [12–15]. О степени электризации ВПП можно судить по данным измерений среднего удельного заряда сальтирующих частиц [12] $\gamma = q{\text{/}}m$, где q и m – накопленные в ловушке Фарадея [12] заряд и масса частиц. Удельный заряд в [12] оказался равным +60 мкКл/кг, что соответствует среднему заряду на частице +280 фемтокулон, поскольку средний размер песчинок был равен 150 мкм [12]. Большой интерес представляет оценка напряженности электрического поля на поверхности и вблизи заряженной сальтирующей частицы:

где q и r – электрический заряд и радиус частицы, ε – диэлектрическая проницаемость воздуха, которая близка к единице ((4πε₀)^–1 = 9 × 10⁹ Н м²/Кл²). Учитывая известную величину r = 75 мкм, получим, что в приближении идеального шара напряженность электрического поля на поверхности указанной частицы примерно равна 450 кВ/м. Отметим, что благодаря неоднородностям на поверхности максимальная напряженность поля на частице может намного превышать вышеуказанное значение. Таким образом, в ветропесчаном потоке находятся источники локального электрического поля, напряженность которого достигает 400–500 кВ/м и даже в несколько раз больше.

Когда электрическое поле вблизи предметов с большой кривизной на поверхности составляет примерно 30 кВ/м, возникают коронные разряды, которые часто обнаруживаются по специфическому свечению в виде короны (“огни Святого Эльма”) [16].

В настоящей работе по данным измерений в ВПП на опустыненных территориях установлено, что накопленные на подстилающей поверхности электрические заряды вносят существенный вклад в напряженность электрического поля в приповерхностном слое атмосферы, а объемный заряд генерируемых в ВПП частиц ПА коррелирует с плотностью электрического тока сальтации [6]. Получено эмпирическое распределение удельного заряда (УЗ) в условиях квазинепрерывной сальтации. С использованием полученных ранее результатов [5, 6, 13] показано, что в диапазоне периодов примерно от 30 с до 30 мин вариации концентрации сальтирующих частиц, концентраций и градиента концентрации частиц ПА, а также электрических характеристик ВПП, включая электрические токи сальтации (ЭТС), объемный заряд частиц ПА и напряженность электрического поля (НЭП) в приповерхностном слое атмосферы (ППСА) определяются низкочастотной изменчивостью горизонтальной компоненты скорости ветра (ГКСВ). Предложена простая модель вылета песчинки с подстилающей поверхности при электрическом разряде. Показано, что скорость вылета может превышать 1 м/с.

Движение заряженных сальтирующих частиц создает квазигоризонтальные ЭТС [13], которые примерно на 6 порядков превышают вертикальный электрический ток хорошей погоды. На рис. 1 показан дневной ход плотности ЭТС j (кривая 1), построенный по данным измерений на высоте 2 см 15.08.2009 на ОТ в Астраханской обл. [6]. Наблюдаемая изменчивость j с амплитудой до 5 мкА/м² и периодами вариаций с длительностью до 30 мин и меньше характерна для режима всплесковой [5] или перемежающейся сальтации. Отметим, что токи сальтации с средней плотностью тока порядка 1 мкА/м² наблюдаются регулярно [5, 6, 13, 15]. В ВПП на ОТ в ряде случаев наблюдались большие значения НЭП (Е) [12, 14]. В [12] по данным измерений на высоте 1.7 см зарегистрировано значение Е = +167 кВ/м, при котором действующая на песчинку с размером 150 мкм и удельным зарядом +60 мкКл/кг электрическая сила компенсирует силу тяжести (условие невесомости для сальтирующей песчинки).

Пример временной изменчивости Е по данным измерений 15.08.2009 на высоте 2.5 см представлен на рис. 1 (кривая 2). Напряженность поля E определялась с помощью “Измерителя напряженности электрического поля ЭСПИ-301A” (ООО МПО “Омега инжениринг”, г. Москва). В наблюдаемую на высоте 2.5 см напряженность электрического поля вносят вклад заряды сальтирующих частиц в слое от 0 до 2.5 см, о чем свидетельствуют вариации Е с периодами до 30 мин. Медленно меняющаяся в течение дня компонента Е обусловлена эволюцией плотности поверхностного заряда σ, которая 15.08.2009 достигала +25 нКл/м² [6]. Следует отметить, что при появлении вблизи пункта наблюдения несущих большие заряды вихревых структур (“внешний” источник поля), как, например, пылевые смерчи с вертикальной осью (“dust devils”), максимальная напряженность поля может составлять десятки кВ/м [14].

Для оценки влияния электризации ВПП на динамику сальтации необходимо изучить изменчивость удельного заряда сальтирующих частиц [5, 15]. В [15] по данным измерений на высоте 5 см 27.07.2014 на опустыненной территории в Калмыкии в условиях всплесковой сальтации для режима с неотрицательным током сальтации показано, что УЗ сальтирующих частиц менялся от +10 мкКл/кг до +150 мкКл/кг (среднее значение +48.5 мкКл/кг). В общем случае ЭТС являются знакопеременными и поэтому возникает необходимость введения дополнительных параметров для характеристики изменчивости УЗ. Кроме среднего УЗ введем среднее значение модуля УЗ |γ| и среднее значение УЗ γ₊ для периодов положительного тока сальтации. В частности, 23.08.2011 на ОТ в Астраханской обл. по данным измерений на высоте 5 см в период с 14:06 до 16:00 в условиях квазинепрерывной сальтации УЗ менялся от +20 мкКл/кг до +80 мкКл/кг. Средние значения γ, |γ| γ₊ и оказались равными +42.3, +63.6 и +52.9 мкКл/кг соответственно. По данным измерений 23.08.2011 получено эмпирическое распределение вероятностей для УЗ сальтирующих частиц (рис. 2), которое свидетельствует, в частности, о том, что УЗ нельзя считать постоянной величиной.

В [5] по данным измерений в Калмыкии 27.07.2014 на высоте 5 см показано, что синхронные всплески концентрации сальтации сальтирующих частиц и плотности ЭТС с периодами примерно от 30 с до 10 мин обусловлены порывами ГКСВ (V) c амплитудой, превышающую пороговую скорость сальтации (5.0–5.5 м/с). О заметном влиянии V на напряженность поля E можно судить по данным синхронных измерений V и E 13.08.2015 на ОТ в Астраханской обл. в условиях квазинепрерывной сальтации (рис. 3).

В [15] на ОТ Астраханской обл. получены вертикальные профили накопленных зарядов и массы сальтирующих частиц в диапазоне высот от 3 до 42 см. Оказалось, что средний УЗ снижается в слое от 5 до 22 см, а в слое от 22 до 42 см заметно увеличивается. В отличие от уровня 5 см, где доля положительных зарядов достигала 0.81, в слое от 22 до 42 см она снижалась примерно до 0.35. Снижение массовой концентрации сальтирующих частиц в слое от 22 до 42 см больше чем на порядок при сравнительно небольшом уменьшении суммарного заряда сальтирующих частиц свидетельствует о том, что на этих высотах основной вклад в массовую концентрацию вносят алевритовые частицы с размерами 50–60 мкм, что подтверждается приведенными в [17] результатами измерений в приземном слое атмосферы распределения крупных частиц по размерам на высотах от 0.125 до 16 м.

Заметный вклад в суммарный заряд могут вносить генерируемые на подстилающей поверхности частицы минерального грубодисперсного и тонкодисперсного аэрозоля [18]. Если принять, что напряженность локального электрического поля на частицах ВПП составляет определенную долю от напряженности электрического пробоя атмосферного воздуха E₀ = 3.0 МВ/м [16, 19]: ${{E}_{p}} = {{\eta }_{p}}{{E}_{0}}$, то из E_p(r) = const, следует, что γr = const и, следовательно, удельный заряд γ пропорционален r^–1.

В 2015 г. на ОТ в Астраханской обл. в ВПП были выполнены синхронные измерения ЭТС и объемного заряда, переносимого частицами ПА. На рис. 4 показаны сглаженные вариации j и объемного заряда аэрозольного компонента ВПП (частицы пылевого аэрозоля), которые коррелируют друг с другом (коэффициент корреляции 0.66). В [15] было показано, что модули плотности ЭТС коррелируют друг с другом теснее, чем сами значения плотности ЭТС. При известных значениях скорости ветра в приповерхностном слое атмосферы и объемного заряда нетрудно определить плотность тока, переносимого частицами ПА или “аэрозольного тока”. Измерение объемного заряда ПА проводились на ОТ в Калмыкии 30.07.2014 на высотах 5, 12 и 30 см, на ОТ в Астраханской обл. в период с 12.08 по 20.08.2015 в течение 5 дней на высотах 4 и 32 см и в период с 5.08 по 28.08.2016 в течение 6 дней на высотах 5 и 32 см. Измерения проводились с использованием модифицированных проточных ловушек Фарадея с большей эффективной площадью поверхности приемного электрода, на котором осаждаются частицы ПА.

При столкновении упомянутой выше песчинки с размером 150 мкм и зарядом +280 фКл с находящимися на ПП частицами алевритовой и песчаной фракций и частицами минеральной пыли может произойти перераспределение зарядов между сталкивающимися частицами, которое приведет к локальному повышению напряженности электрического поля и последующему пробою. Как известно, при атмосферном давлении возникают коронные разряды [19]. В [19] показано, что в импульсе коронного разряда выделяется электрический заряд (положительный или отрицательный) величиной порядка десятков пикокулон. Согласно современным исследованиям коронные разряды могут заметно отличаться друг от друга.

В технике, например, используется “барьерный разряд”, который по своим характеристикам похож на коронный разряд (см., например, В.Г.   Самойлович, В.Н. Гибалов, К.В. Козлов. Физическая химия барьерного разряда М.: МГУ, 1989). В ВВП на ОТ наблюдаются электрические разряды, близкие коронному разряду. Детальные особенности этих разрядов не изучены. С учетом этих обстоятельств далее будем называть электрические разряды на ПП коронными.

Коронные разряды происходят на заостренных предметах [16, 19]. Напряженность электрического поля на вершине острия E_cor больше локального электрического поля E в атмосфере (в нашем случае больше E_p):

Степень усиления поля ζ (по терминологии [19]) может достигать 10⁴ и даже больше. Зависимость ζ от геометрического фактора K₀ приведена в [19]. K₀ зависит от отношения радиуса кривизны и длины острия l₀. В случаях столкновения частиц можно предположить, что K₀ ≅ r₁/r₂, где r₁ и r₂ – радиусы большой и малой частиц. При локальной напряженности электрического поля 400–500 кВ/м для электрического пробоя и возникновения коронного разряда достаточно иметь K₀ = 7–8 (с учетом несферичности частиц еще меньше).

Инициирование сальтации могут обеспечить электрические разряды на ПП. Предположим, что при коронном разряде на ПП высвободился электрический заряд q₁ = +20 пКл, а на вылетающей с ПП (или отскакивающей с ПП) песчинки имеется заряд q₂ = +280 фКл и УЗ, равный +60 мкКл/кг. Поэтому на указанную песчинку будет действовать электрическая сила

где ε = 1.0 – диэлектрическая проницаемость воздуха, константа ${{(4\pi {{\varepsilon }_{0}})}^{{ - 1}}}$ = 9 × 10⁹ Нм²/Кл и z – расстояние между центрами зарядов.

Рассмотрим случай, когда разгоняемая электрическим разрядом песчинка вылетает вертикально вверх. Без учета упругой силы, возникающей при соударении с ПП, уравнение движения песчинки имеет вид

где b = $\gamma {{q}_{1}}{\text{/}}4\pi {{\varepsilon }_{0}}$, которое представляет собой “уравнение свободного падения” [20]. В рассматриваемом случае b = 10.8 × 10^–6 м³/с². Уравнение (1) имеет решение [20] где С – константа. Предположим, что начальное расстояние между центрами зарядов z₀ = 0.1d = = 15 мкм. С учетом начальных условий получаем

Асимптотическая скорость (z $ \gg $ z₀) песчинки w_as =  $\sqrt {2b{\text{/}}{{z}_{0}}} $ = 1.2 м/с, поскольку w(z) = = ${{w}_{{{\text{as}}}}}\sqrt {1 - {{z}_{0}}{\text{/}}z} $. Скорость песчинки достигает 0.95 w_as, когда она смещается на величину размера частицы d = 150 мкм.

Таким образом, электрические разряды на ПП могут инициировать сальтацию и обеспечить вылет песчинок с ПП со скоростью 1 м/с и больше, что позволяет объяснить “избыток” высокоскоростных частиц [9] в ВПП и абразию частиц некоторых минералов [10]. Характеристики электрических разрядов на ПП не зависят от скорости ветра и скорости трения, что объясняет наблюдаемую слабую зависимость скорости вылета сальтирующих частиц от скорости трения [8].

Параметры задачи q₁, q₂, d и z₀ могут меняться в сравнительно широких пределах, что может привести к большому разбросу скорости вылета сальтирующих частиц.

В рассмотренном нами случае скорость падения частиц на ПП предполагается небольшой. При больших скоростях падения задача усложняется, поскольку скорость вылета будет определяться также особенностями процесса отскока и электрического разряда.

Выделяемый при коронном разряде электрический заряд может распределяться на несколько песчаных (а также алевритовых) частиц и на частицах минеральной пыли. При разрядах на ПП возможны фрагментация частиц и эмиссия заряженного ПА.

Следует отметить, что токи с острий (коронные разряды), которые часто наблюдались как “огни Святого Эльма”, вносят существенный вклад в глобальную атмосферную электрическую цепь.