1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Геомагнетизм и аэрономия
  4. T. 59, № 4, 2019

Геомагнетизм и аэрономия, 2019, T. 59, № 4, стр. 501-513

Электрическое поле в приземной атмосфере московского мегаполиса

А. А. Спивак 1, *, С. А. Рябова 1, **, В. А. Харламов 1, ***

1 Институт динамики геосфер РАН (ИДГ РАН)
г. Москва, Россия

* E-mail: spivak@idg.chph.ras.ru
** E-mail: riabovasa@mail.ru
*** E-mail: kharlamov@idg.chph.ras.ru

Поступила в редакцию 26.09.2018
После доработки 27.09.2018
Принята к публикации 24.01.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Приведены и анализируются результаты инструментальных наблюдений напряженности электрического поля в условиях г. Москвы в период с 2014–2018 гг. Обсуждаются спектральные характеристики вариаций электрического поля и его суточный ход. Демонстрируется влияние холодных атмосферных фронтов, ураганов, шквалов и гроз, а также техногенных явлений (крупных пожаров) на вариации электрического поля. Показано, что ураганам, шквалам и грозам предшествуют периоды длительностью от одного до 4 часов, характеризующиеся специфическими вариациями электрического поля, что может рассматриваться в качестве возможного прогностического признака сильных атмосферных явлений.

1. ВВЕДЕНИЕ

Электрическое поле в приземном слое атмосферы является весьма информативным индикатором целого ряда геофизических явлений и процессов, протекающих как в ионосфере и магнитосфере, так и в окрестности границы земная кора–атмосфера [Чалмерс, 1973; Kelley, 2014]. Весьма важным представляется исследование электрической активности приземных слоев атмосферы с целью предупреждения негативных последствий природных явлений, связанных с мощной конвективной облачностью, формированием грозовых ячеек и т.д. Особый интерес представляет изучение характеристик электрического поля при рассмотрении вопросов, касающихся взаимодействия геосфер, поскольку можно полагать, что такие взаимодействия осуществляются в большинстве случаев посредством взаимодействий и преобразований физических полей [Адушкин и др., 2006; Адушкин, Спивак, 2014]. Представляется, что в указанных процессах не последнюю роль как индикатора играет электрическое поле [Адушкин, Спивак, 2014].

Одновременно с этим мониторинг электрической активности приземной атмосферы важен с точки зрения контроля среды обитания человека, оказывающей значительное влияние на его самочувствие и организм в целом [Адушкин и др., 1995; Экология, 2006]. Здесь следует подчеркнуть, что современная экологическая ситуация, и прежде всего в условиях крупных промышленных центров и агломераций, характеризуется существенной ролью техногенного фактора [Климат, 1995; Спивак и др., 2016а]. Что касается мегаполисов, типичным примером которых является г. Москва, то экологическая ситуация в них во многом определяется также экологическим состоянием их пригородов.

В настоящей работе рассматриваются результаты регистрации электрического поля в атмосфере Москвы. И здесь следует отметить важную роль локальных факторов как техногенного, так и природного происхождения. Их действие способно при определенных условиях значительно изменить характеристики электрического поля в конкретном месте [Чалмерс, 1974; Шулейкин, 2006]. По этой причине особый интерес вызывает изучение возмущенной составляющей, амплитуда которой может на несколько порядков превосходить фоновые значения [Кузнецов, 2011; Dolezalek, 1972].

2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

В качестве исходных данных использовались цифровые ряды инструментальных наблюдений за вертикальной компонентой электрического поля Е, которые выполняются в Центре геофизического мониторинга г. Москвы ИДГ РАН (ЦГМ) с 2014 г. по настоящее время [Спивак и др., 2016б]. Регистрация проводится с использованием электростатического флюксметра ИНЭП, размещенного на измерительной платформе на высоте ~10 м от земной поверхности. Технические характеристики применяемых электростатических флюксметров обеспечивают устойчивую регистрацию напряженности электрического поля в частотном диапазоне от 0 до 20 Гц с амплитудами от 1 В/м до 10 кВ/м и более в зависимости от конкретного экземпляра прибора (с целью очистки рабочих поверхностей ИНЭП от загрязнения регистраторы периодически сменяются). При этом погрешность измерений не превышает ±5% при амплитудах поля более 50 В/м. Датчик может быть вынесен на расстояние 30 м от управляющего блока прибора.

Примеры регистрации электрического поля в условиях хорошей погоды и при наличии возмущений, вызванных прохождением холодного атмосферного фронта, представлены на рис. 1.

Рис. 1.

Пример суточных вариаций вертикальной компоненты напряженности электрического поля в г. Москве: (а) – 18.08.2018 г. в период отсутствия сильных атмосферных явлений, (б) – 05.05.2018 г. в период прохождения холодного атмосферного фронта, характеризующегося резким падением температуры (Т) и повышением влажности (W) воздуха.

Одновременно с помощью цифровой автоматической метеостанции Davis Vantage Pro2 регистрируются метеорологические параметры: скорость ветра V, температура Т и влажность воздуха W, атмосферное давление Р 0 и мощность солнечного излучения S, характеристики которых служат в качестве дополнительной информации о состоянии приземной атмосферы.

Результаты регистрации в виде привязанных ко времени t цифровых рядов Р(t) накапливаются на жестких носителях и выкладываются на сайте ИДГ РАН (http://idg-comp.chph.ras.ru/~idg/Data/) в графическом и цифровом видах.

Подготовка данных для обработки и анализа заключалась в обнаружении и удалении выбросов (спайков) с привлечением критериев на основе диаграммы “ящик с усами” [Hoaglin et al., 2000], Титьена-Мура [Tietjen, Moore, 1972] и Граббса [Дубров, 2003]. Пропуски во временны́х реализациях, включая возникшие в результате удаления выбросов, удалялись при их незначительном количестве (1–5) с помощью линейной интерполяции, в случае единичных более продолжительных интервалов пропущенных значений для восстановления ряда применялось двойное преобразование Фурье [Грачев, 2004].

Для анализа использовались ряды цифровых данных, сформированные с дискретностью 1 с. При вычислениях спектров использовались стационарные временны́е ряды, полученные в результате фильтрации исходных цифровых рядов данных с помощью фильтра верхних частот Баттеруорта 5-порядка (частота среза изменялась от $3 \times {{10}^{{ - 3}}}$ до $3 \times {{10}^{{ - 5}}}$ Гц). Проверка нормальности закона распределения вариаций электрического поля относительно среднего значения выполнялась с использованием критерия согласия Колмогорова [Шор, 1962]. Оценка спектров вариаций Е выполнялась с использованием авторегрессионных моделей цифровых рядов. При рассмотрении эффекта лунно-солнечного прилива в вариациях Е применялся метод выделения гармонических составляющих с помощью узкополосных адаптивных режекторных фильтров [Уидроу, Стирнз, 1989].

3. СУТОЧНЫЕ ВАРИАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В МОСКВЕ

При определении суточного хода амплитуды электрического поля анализировались результаты регистрации Е в периоды “хорошей погоды” [Клеймёнова и др., 2010; Dolezalek, 1960; Israelsson, 1978; Красногорская, 1972], характеризующейся отсутствием грозовых явлений, осадков, тумана, низкой плотной облачности и скоростью ветра менее 6 м/с. Результаты регистрации Е в дни с “хорошей погодой” в летне-осенний период 2014 г. приведены на рис. 2, который демонстрирует значительную нестабильность напряженности электрического поля при сходных синоптических условиях: величина Е колеблется в достаточно широком интервале от ~150 до ~650 В/м. Это свидетельствует о том, что даже в условиях “хорошей погоды” величина Е определяется не только факторами, которые входят в перечень, определяющий условия “хорошей погоды”, но и зависит от ряда других, влияние которых еще предстоит выяснить.

Рис. 2.

Суточный ход вертикальной компоненты электрического поля в г. Москве в дни с “хорошей погодой” в летний период 2014 г. (черная линия – среднее значение Е).

Из рисунка 2 также следует, что характер суточного хода Е в целом соответствует устоявшимся представлениям о суточных изменениях напряженности электрического поля над континентами [Israel, 1973; Kandalgaonkar, Manohar, 1991]: суточный ход имеет характер двойной волны с увеличенными значениями Е в период 7:00– 10:00 LT и в вечерние часы (20:00–22:00 LT) и минимумами в районе ~5:00 LT (перед восходом Солнца) и ~17:00 LT.

В условиях “хорошей погоды” наличие максимума в утренние часы обусловлено в значительной мере эффектом терминатора (восход Солнца), что отмечалось неоднократно [Крашенинников и др., 2015; Israelsson, Tammet, 2001; Kumar et al., 2009; Marshall et al., 1999; Retalis, Retalis 1997]. Возникающие при восходе Солнца конвективные процессы приводят к разрушению сформированного в ночные часы положительно заряженного электродного слоя в приповерхностном слое атмосферы, переносу электрических зарядов в вертикальном направлении и, следовательно, к увеличению плотности положительных зарядов в атмосфере [Kamra, 1982; Law, 1963]. Другой механизм, вызывающий увеличение напряженности электрического поля в утренние часы, связан с изменением концентрации аэрозолей в воздухе (что особенно характерно для городской среды). Это влияет на локальную проводимость атмосферы, что в предположении постоянства тока проводимости между ионосферой и земной поверхностью приводит к увеличению градиента потенциала электрического поля [Jayaratne, Verma, 2004; Harrison, 2006].

Утренний максимум вариаций Е сменяется снижением градиента потенциала, который в нашем случае (рис. 2) достигает минимальных значений в ~17:00 LT. Это связано с достижением максимальной интенсивности конвективных процессов к концу дня, что вызывает вертикальные потоки аэрозолей и приводит к уменьшению их концентрации вблизи земной поверхности. В результате в атмосфере восстанавливается концентрация ионов, локальная проводимость увеличивается, и, как следствие, градиент потенциала уменьшается [O’Connor, 1976; Serrano et al., 2006; Silva et al., 2014].

Второй максимум суточного хода Е в ~21:00 LT, хорошо проявляющийся на рис. 2, естественным образом соответствует вечернему максимуму, описываемому кривой Карнеги, и обусловлен глобальными электрофизическими процессами [Чалмерс, 1974].

Рис. 3.

(а) – Изменение коэффициентов А 1 и А 2 (б) – Изменение значений показателей степени m (1) и k (2) по месяцам 2016 г.

Анализ приведенных на рис. 2 данных, выполненный на основе методики, описанной в работе [Дещеревский, Сидорин, 2012], показал, что в период утреннего максимума и дневного минимума неопределенность регистрации амплитуды электрического поля приближается к 60%, в период вечернего максимума – к 90%. Амплитуда суточной вариации Е составляет в среднем ~30%.

4. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В МОСКВЕ

Анализ спектральных характеристик вариаций Е представляет значительный интерес при описании аэроэлектрических пульсаций и их связи с турбулентным перемешиванием электрически заряженных частиц и дрейфом объемного электрического заряда в приземном слое атмосферы [Анисимов, Мареев, 2000; Анисимов и др., 2011; Анисимов, Шихова, 2015]. При этом важными являются данные о временны́х, например, сезонных вариациях спектров электрического поля, которые позволяют тестировать имеющиеся теоретические и расчетные модели аэроэлектрических структур, опираясь на результаты инструментальных наблюдений, выполненных в существенно отличающихся метеорологических условиях.

Спектры вариаций электрического поля приземной атмосферы в диапазоне периодов 10–100 с подробно проанализированы в работе [Анисимов, Мареев, 2001]. В настоящей работе на основе обработки месячных данных установлены характеристики сезонных вариаций напряженности электрического поля в Москве в диапазоне периодов 2.5–100 мин. Типичная зависимость спектральной плотности S месячных вариаций Е от частоты f имеет степенной вид, который представим в виде:

$S(f) = \left\{ \begin{gathered} {{A}_{1}}{{f}^{{ - m}}}\,\,{\text{п р и }}\,\,f \in [0.01{\kern 1pt} - {\kern 1pt} 0.03]\,\,{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 {{\text{м и н }}}}} \right. \kern-0em} {{\text{м и н }}}} \hfill \\ {{A}_{2}}{{f}^{{ - k}}}\,\,{\text{п р и }}\,\,f \in [0.03{\kern 1pt} - {\kern 1pt} 0.4]\,\,{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 {{\text{м и н }}}}} \right. \kern-0em} {{\text{м и н }}}}. \hfill \\ \end{gathered} \right.$

Сезонный ход спектра S(f) характеризуется изменением коэффициентов А 1, А 2, m и k, которые демонстрируют рис. 3. Из рисунка 3 б следует, что показатели степени m и k практически постоянны в течение всех сезонов и принимают значения соответственно ~0.5 и ~1.5. Сложнее ведут себя амплитудные коэффициенты А 1 и А 2 (рис. 3 а), величина которых значительно вырастает в летние месяцы и принимает минимальные значения в зимний период года.

5. ПРОЯВЛЕНИЕ ЛУННО-СОЛНЕЧНОГО ПРИЛИВА В ВАРИАЦИЯХ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Несмотря на значительную техногенную зашумленность электрического поля в условиях мегаполиса в вариациях Е наблюдаются эффекты, связанные с приливными явлениями [Гохберг и др., 2007; Грунская и др., 2010]. Оценка спектров вариаций Е демонстрирует наличие квазигармонических спектральных составляющих, периоды которых близки к периодам основных приливных волн. На рисунке 4 а представлен генеральный спектр вариаций Е за 2016 г., включающий интервал околосуточных периодов. На графике рис. 4 а отчетливо выделяются пики, соответствующие околосуточным приливным волнам О 1, J 1, K 1, M 1 и Q 1 (помечены в поле рисунка принятыми обозначениями). При этом следует отметить, что максимальная спектральная плотность наблюдается у приливной волны К 1, что свидетельствует о преимущественном влиянии приливного потенциала в твердой среде (в атмосферном приливе максимум спектральной плотности соответствует приливной волне S 1).

Рис. 4.

Спектральная плотность вариаций Е: (а) – в диапазоне суточных периодов; (б) – в диапазоне приливных волн Мf и Мm.

Как это видно из рис. 4 а, в спектре, хотя и не так ярко, удается выделить также приливные волны с близкими периодами: φ1, Р 1 и π1. Помимо этого в результате вычисления обзорного спектра вариаций Е выделяются длиннопериодные приливные волны (рис. 4 б): лунная деклинационная Мf, (период 13.66 сут) и лунная эллиптическая Мm (период 27.55 сут).

Фрагмент спектра для полусуточных периодов приведен на рис. 5, который демонстрирует отклик вариаций Е на спектральных периодах tS основных полусуточных приливных волн: К 2 (tS = = 0.4986 сут), S 2 (tS = 0.5 сут), T 2 (tS = 0.5007 сут), M 2 (tS = 0.5175 сут), ν2 (tS = 0.5261 сут) и μ2 (tS = = 0.5363 сут).

Рис. 5.

Спектральная плотность вариаций Е в диапазоне полусуточных периодов.

Таким образом, выполненные инструментальные наблюдения и анализ результатов показывают, что спектры вариаций электрического поля содержат квазигармонические составляющие, периоды которых близки к периодам лунно-солнечных приливных волн. Анализ приливной составляющей в вариациях Е создает основу для уточнения и разработки новых моделей генерации электрического поля Земли.

6. ВАРИАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ ХОЛОДНЫХ АТМОСФЕРНЫХ ФРОНТОВ

Вопрос о влиянии метеорологических явлений и процессов на напряженность электрического поля в приповерхностной зоне атмосферы представляется весьма важным. Особый интерес представляет установление возможных связей между амплитудой вариаций электрического поля у земной поверхности и параметрами, характеризующими возмущение атмосферы при наиболее часто встречающемся явлении – прохождении холодных атмосферных фронтов, когда регистрируется достаточно резкое падение температуры воздуха и, как правило, увеличение атмосферного давления. Одновременно с этим такой фронт определяет повышенные градиенты температуры, изменение влажности воздуха, а также повышение скорости ветра (рис. 1 б). Изменение температуры воздуха Т при прохождении холодного атмосферного фронта может достигать 10–15 градусов, повышение атмосферного давления 200–500 Па.

Такие сильные за достаточно небольшой промежуток времени изменения в метеоусловиях (длительность прохождения переходной зоны t 0 изменяется в промежутке от нескольких минут до нескольких десятков минут) и вызванные процессы перемещения воздушных масс, как правило, сказываются на вариациях электрического поля. Основной причиной таких вариаций является нарушение установившегося распределения объемных электрических зарядов в приземном слое атмосферы за счет турбулизации воздушных течений, что приводит к формированию аэроэлектрических структур, вброса электрических зарядов в приповерхностный слой атмосферы в результате подъема и перемешивания пылевых частиц и аэрозолей, нарушения вертикального распределения концентрации тяжелого радона, изменения влажности воздуха и т.д. [Анисимов, Мареев, 2000; Шулейкин, 2006].

Особо следует отметить, что холодный атмосферный фронт вызывает не только изменение термодинамических характеристик воздушных масс в пункте регистрации. Продвижение холодного атмосферного фронта вызывает также процессы, связанные с конденсацией водяных паров в зафронтовой области и как следствие – формирование облачности, которое происходит с некоторой задержкой относительно переднего края фронта, что связано с необходимостью накопления критической массы увлажненного воздуха.

Для получения количественных оценок влияния собственно холодного атмосферного фронта на вариации электрического поля в приземной атмосфере в настоящей работе рассматривались фронты, не сопровождающиеся плотной кучевой облачностью и грозовыми явлениями. Анализ результатов регистрации показал, что прохождение холодного атмосферного фронта всегда сопровождается вариациями электрического поля, но при этом не каждый раз наблюдаются вариации атмосферного давления. В связи с этим в качестве основного параметра, характеризующего интенсивность (мощность) холодного атмосферного фронта, была выбрана амплитуда изменения температуры воздуха ТD в переходной области.

Прямое сопоставление амплитуды вариации Е электрического поля и ТD не приводит к ожидаемой функциональной зависимости Е(ТD). По этой причине зависимость Е(ТD) рассматривалась отдельно для разных интервалов t 0. Действительно, представляется естественным, что скорость изменения температуры также, как и параметр ТD характеризует интенсивность процессов, протекающих в переходной зоне фронта. Анализировались по отдельности данные с ${{t}_{0}} \in (0{\kern 1pt} - {\kern 1pt} 15)$ мин, ${{t}_{0}} \in (15{\kern 1pt} - {\kern 1pt} 25)$ мин, ${{t}_{0}} \in (25{\kern 1pt} - {\kern 1pt} 35)$ мин, ${{t}_{0}} \in (35{\kern 1pt} - {\kern 1pt} 45)$ мин и ${{t}_{0}} \in (45{\kern 1pt} - {\kern 1pt} 55)$ мин. Некоторые результаты представлены на рис. 6, из которого видно, что, несмотря на значительный разброс данных, можно считать, что при разделении данных с разными значениями t 0 отчетливо наблюдается тенденция к формированию зависимости Е(ТD). Более того, зависимость Е(ТD) допустимо описывать формулой:

(1)
$E = AT_{D}^{\alpha },$
где значение коэффициента А определяется величиной t 0, а степень α ~ 1.3.

Рис. 6.

Линии 1 – зависимость Е(ТD) для разных интервалов значений t 0: (а) – при $t \in 0{\kern 1pt} - {\kern 1pt} 15$ мин, (б) – при $t \in 15{\kern 1pt} - {\kern 1pt} 25$ мин, (в) – при $t \in 25{\kern 1pt} - {\kern 1pt} 35$ мин (линия тренда обозначена сплошной линией); пунктирные линии 2 – результаты расчета с использованием модели.

Для определения зависимости коэффициента А в формуле (1) от t 0 выполнялся анализ зависимости Е(t 0) при разных значениях ТD. Результаты такого анализа показывают, что зависимость Е(t 0) допустимо представить в виде степенного соотношения:

(2)
$E = Bt_{0}^{\alpha },$
где B – коэффициент, зависящий от величины ТD.

При построении феноменологической модели влияния холодного атмосферного фронта на вариации электрического поля будем полагать:

1. Основными параметрами, характеризующими интенсивность процессов, связанных с прохождением холодного атмосферного фронта, являются перепад температуры воздуха на фронте ТD и время t 0, за которое этот перепад происходит.

2. Облачность в области, охваченной фронтом, отсутствует (рассматриваются короткие времена после прохождения переднего участка холодного атмосферного фронта до формирования облачности).

3. Отсутствуют сильные изменения влажности воздуха, что позволяет не учитывать процессы, связанные с конденсацией в атмосфере.

4. Основной причиной, вызывающей изменение пространственного распределения и, как следствие, характерного масштаба объемного электрического заряда у земной поверхности при прохождении холодного атмосферного фронта, является нарушение пространственного распределения объемных электрических зарядов в результате движения воздушных масс (наведенная турбулентность, в частности, термотурбулентность воздушных потоков вследствие увеличения скорости ветра).

Основываясь на данных инструментальных наблюдений, запишем выражение для прироста скорости ветра ΔV при прохождении атмосферного фронта в виде:

(3)
$\Delta V({{T}_{D}},{{t}_{0}}) = \frac{{T_{D}^{{{{\alpha }_{1}}}}}}{{t_{0}^{{{{m}_{1}}}}}},$
где ТD – перепад температуры на холодном атмосферном фронте, произошедший за время t 0; степени α1 и m 1 положительны.

При сделанных предположениях естественно предполагать, что степень возмущения воздушных масс с высотой определяется скоростью воздушных потоков в атмосферном пограничном слое, т.е. скоростью ветра у земной поверхности [Белоцерковский и др., 2013; Зилитинкевич, 2013]. Степень возмущения, очевидно, определяется максимальным размером вихревой ячейки R, величину которой в случае отсутствия турбулентных проявлений в атмосфере в начальный момент времени t = 0 запишем в виде:

(4)
$R\sim \frac{{\Delta {{V}^{{{{\alpha }_{2}}}}}}}{{t_{0}^{{{{m}_{2}}}}}}.$

Примем, что изменение масштаба возмущенной области ΔМ, который определяет величину вариаций электрического поля в приземном слое атмосферы, пропорционально размеру R. В этом случае

(5)
$\Delta M\sim {{R}^{{{{\alpha }_{3}}}}}.$

Таким образом, рассматривая задачу в первом приближении, можно записать с учетом (1)–(5):

${{E}_{Z}}\sim \Delta {{M}^{{{{\alpha }_{4}}}}}\sim {{R}^{{{{\alpha }_{3}}{{\alpha }_{4}}}}}\sim \frac{{\Delta {{V}^{{{{\alpha }_{2}}{{\alpha }_{3}}{{\alpha }_{4}}}}}}}{{{{t}^{{{{m}_{1}}}}}}}\sim \frac{{T_{D}^{{{{\alpha }_{1}}{{\alpha }_{2}}{{\alpha }_{3}}{{\alpha }_{4}}}}}}{{t_{0}^{{{{\alpha }_{3}}{{\alpha }_{4}}({{m}_{1}}{{\alpha }_{2}} + {{m}_{2}})}}}},$
или, объединяя степени:
(6)
${{E}_{Z}} = A\frac{{T_{D}^{\alpha }}}{{t_{0}^{m}}},$
где А – некоторая константа, α = α1α2α3α4 > 0 и m = α3α4(m 1α2 + m 2) > 0.

На рисунке 6 приведены зависимости E(TD) для разных значений t 0, вычисленные с использованием соотношения (6) при следующих значениях параметров модели: А ≈ 103, α ≈ 1.3 и m ≈ 1. Хорошо видно, что расчеты с использованием предложенной простейшей модели процесса с учетом разброса экспериментальных данных в целом описывают ход E(TD) при временах t 0 < 30 мин. Заметное занижение расчетных данных относительно результатов регистрации при t 0 = 30 мин можно объяснить тем, что в этом случае начинает формироваться плотная облачность. Электризация облаков, которая не учитывается в предложенной феноменологической модели, существенно повышает напряженность электрического поля в слое атмосферы, расположенном между облаками и земной поверхностью.

Полученные данные свидетельствуют о том, что вариации напряженности электрического поля Земли в приземном слое атмосферы зависят, в частности, от возмущающего воздействия холодного атмосферного фронта.

7. ВАРИАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ПЕРИОД УРАГАНОВ И ШКВАЛОВ

Исследование вариаций электрического поля в период сильных атмосферных явлений в виде ураганов и шквалов представляет значительный интерес с точки зрения разработки прогностических признаков указанных явлений, которые могли бы составить основу мероприятий по предупреждению населения и городских коммунальных служб.

Анализ данных, полученных в результате инструментальных наблюдений, показывает, что сильные возмущения атмосферы отличаются не только значимыми изменениями метеорологических характеристик (температура, атмосферное давление, скорость ветра, влажность и т.д.), но также вариациями электрического поля. В качестве примера рассмотрим вариации метеорологических параметров и вертикальной компоненты электрического поля Е в период урагана 29.05.2017 г. в Москве [Спивак и др., 2018]. Особенностью указанного события, максимальная интенсивность которого наблюдалась в период 12:40–13:00 UT, является отсутствие грозовой активности при сильно возмущенном состоянии атмосферы. Приход холодного атмосферного фронта, который сопровождается резким падением температуры воздуха Т, увеличением атмосферного давления Р 0, скорости ветра V, значительным повышением влажности воздуха W и резким снижением мощности солнечного излучения S на земной поверхности, вызвал значительные вариации напряженности электрического поля.

Анализ и обобщение событий ураганного и шквального типов в г. Москве, зарегистрированных за период 2009–2017 гг. позволяют отметить следующее. Интенсивные атмосферные возмущения вызывают значительные вариации напряженности электрического поля, амплитуда которых достигает 3000–6000 В/м. За 3–4 ч до прихода события ураганного типа наблюдаются увеличение амплитуды вариаций и возникновение длиннопериодных пульсаций Е с периодом около 40 мин (рис. 7 а). При этом значительно изменяется спектр вариаций Е, что хорошо видно из рис. 7 б. Фоновые вариации характеризуются амплитудой вариации Е в диапазоне 40–80 В/м (преимущественная частота ~8 Гц), на участке предвестника – в диапазоне 100–150 В/м (преимущественная частота ~10 Гц) с амплитудой пульсаций 200–240 В/м (период 30–45 мин) и во время наиболее сильных вариаций – в диапазоне 5000–12 000 В/м (преимущественная частота ~6–7 Гц).

Рис. 7.

Верхняя панель: (а) – вариации вертикальной компоненты электрического поля в период, непосредственно предшествующий урагану 29.05.2017 г. (8:15–12:20 UT), фоном выделена область повышенных вариаций Е перед ураганом. Нижняя панель (б) спектры вариаций электрического поля, при спокойном состоянии атмосферы (слева), в период, предшествующий урагану (посередине) и в период урагана (справа).

8. ВАРИАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ПРИ ГРОЗАХ

Высокая электризация приземного слоя атмосферы в периоды грозовой активности и сильные короткопериодные вариации электрического поля при молниевых разрядах оказывают значительное влияние на живые организмы, особенно на человека, нарушая привычное течение биофизических процессов на клеточном уровне, вызывая сбои в естественных ритмах физиологических процессов и нервной регуляции на организменном уровне, функционировании сердечно-сосудистой системы, а также нарушение психофизического состояния [Bell et al., 1994; Тихонов и др., 1997; Jamieson et al., 2007; Экология, 2008; Колесник и др., 2009; Тужилкин и др., 2011; Черешнев и др., 2016]. Особое значение это приобретает в условиях крупных городских агломераций, где на человека оказывают кооперативное влияние естественные и техногенные факторы, которые при этом взаимно усиливают отрицательное воздействие на его организм [Мартынюк и др., 2012].

В связи с этим значительный интерес представляет изучение предвестников грозовых явлений, что важно при прогнозировании и разработке подходов к оценке возможной силы грозового явления в части амплитудных вариаций геофизических полей, а также для профилактических мер медицинского характера.

Для анализа привлекались данные, полученные в период 2014–2018 гг. в дни, когда наблюдались сильные грозовые явления в Москве. При этом следует отметить, что особой грозовой активностью характеризуется 2016 г. (из 21-й грозы, зарегистрированной в период с мая по август в Москве, 9 отличались значительно более высокой интенсивностью грозовых проявлений).

Анализ данных, полученных в результате инструментальных наблюдений, показал, что сильные грозы выделяются не только своей интенсивностью (количество и мощность молниевых разрядов, амплитуда вариаций электрического поля и т.д.), но также наличием отличительных признаков, представляющих особый интерес с точки зрения изучения явления и разработки прогностических критериев.

В качестве одного из примеров рассмотрим сильное грозовое явление, наблюдавшееся в г. Москва 13.07.2016 г. [Спивак и др., 2017]. В 20:07 UT наблюдалось прохождение холодного атмосферного фронта, который вызвал резкое падение температуры Т на 5.8 град., кратковременное усиление скорости ветра V на ~7 м/с и увеличение амплитуды микробарических пульсаций Р до ~180 Па, а также рост влажности воздуха W (за 20 минутный интервал величина W выросла на ~21%). Особо следует отметить резкое увеличение атмосферного давления P 0 (скачок давления составляет около 500 Па). В отличие от многочисленных наблюдений сильные события аналогичные рассматриваемому событию 13.07.2016 г. отличаются высоким градиентом нарастания величины Р 0, которое достигает 600–700 Па/мин. Вариации электрического поля для рассматриваемого события наблюдаются, начиная примерно с 19:10 UT, задолго до прихода атмосферного фронта. При этом отчетливо выделяются три стадии вариаций Е, отличающиеся периодом и вероятнее всего амплитудой (динамический диапазон применяемых средств регистрации не обеспечил установление амплитуды вариаций электрического поля на второй “высокочастотной” стадии; однако, из приведенной записи видно, что амплитуда вариаций в период 20:07–21:00 UT превышает амплитуду на первой и третьей стадиях).

Начальная (первая) стадия вариаций Е продолжительностью около 1 ч (с 19:10 до прихода атмосферного фронта в 20:07 UT) характеризуется амплитудой около 4000 В/м с преимущественным периодом около 10 мин. На этой стадии отмечаются приход к точке наблюдений мощного кучево-дождевого облака формы Cb inc, а также внутриоблачные свечения. Возмущения атмосферы акустико-гравитационными волнами, генерируемыми приближающейся к точке наблюдений грозовой ячейкой, сопровождаются вариациями электрического поля [Спивак и др., 2017].

Затем с приходом атмосферного фронта резко изменяются спектральные характеристики вариаций Е. В интервале 20:07–21:00 UT преимущественный период вариаций составляет ~1 мин. В этом временнóм интервале наблюдаются основные признаки грозы: интенсивные молниевые разряды типа облако-земля, количество которых достигает 2–3 разряда в минуту. И наконец на заключительной стадии явления амплитуда вариаций Е снижается до ~2000–3000 В/м с увеличением периода до ~15 мин.

Рисунок 8 демонстрирует отличие в спектрах вариаций Е на первой и второй стадии развития грозовой активности. Если на первой стадии основные вариации Е наблюдаются в диапазоне (1–2.5) × 10–3 Гц при пиковой частоте 1.45×10–3 Гц (период 11.3 мин), то на второй стадии основные вариации Е наблюдаются в диапазоне частот 6.8 × 10–3–2.10–2 Гц при ярко выраженном пиковом значении на частоте 1.56 × 10–2 Гц (период 1.06 мин).

Рис. 8.

Спектральная плотность мощности вариаций напряженности электрического поля SE и акустических колебаний SP в период грозовой активности 13.07.2016 г. в г. Москве (1 и 2 – соответственно первая и вторая стадия развития явления).

Таким образом, данные, полученные в результате инструментальных наблюдений, демонстрируют сложный характер сильной грозы. При этом следует отметить, что продемонстрированное поэтапное развитие сопутствующих грозе рассмотренных геофизических эффектов в г. Москве не является уникальным и отмечалось нами неоднократно в периоды сильных грозовых явлений (07.06.2014 г., 09.06.2014 г., 25.08.2014 г., 29.05.2015 г., 20.06.2015 г., 04.06.2016 г., 18.06.2016 г., 18.07.2016 г., 20.07.2016 г., 02.08.2016 г., 28.07.2018 г., 15.08.2018 г., 30.07.2018 г.) и менее выражено в ряде других случаев.

Приведенные выше данные хорошо согласуются с результатами оптических и визуальных наблюдений, которые свидетельствуют о том, что развитие сильной грозовой активности происходит поэтапно. Перед приходом холодного атмосферного фронта (период первой, выделенной выше стадии) отмечаются многочисленные вспышки в атмосфере, практически не сопровождавшиеся акустическими колебаниями, что можно объяснить сильным затуханием амплитуды объемных акустических волн, которые вызывались молниевыми разрядами типа облако-облако на достаточно больших расстояниях от точки наблюдения. Вторая стадия, начало которой характеризуется приходом холодного атмосферного фронта, характеризуется, как уже отмечалось, мощными молниевыми разрядами типа облако-Земля, которые сопровождаются сильными акустическими эффектами [Спивак и др., 2017].

9. ВАРИАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ПРИ ПОЖАРАХ

Одним из факторов техногенной природы, влияющих на вариации электрического поля в условиях мегаполиса, являются крупные пожары. Нагрев воздушных масс и вброс в атмосферу продуктов горения в виде твердых частиц и аэрозолей вызывают локальные электродинамические процессы, которые приводят к вариациям электрического поля на значительных расстояниях от очага горения [Гостинцев и др., 1985]. В качестве примера на рис. 9 приведены результаты регистрации Е и акустических колебаний, в период крупного пожара в Москве 10.12.2015 г. (пожар 4-го класса опасности, площадь возгорания ~15 тыс. м2, площадь обрушения ~103, м2). Регистрация выполнялась в ЦГМ на расстоянии ~16.5 км от очага возгорания. Оценки, выполненные с учетом расстояния до пожара и зарегистрированных амплитуд вариаций электрического поля (~190 В/м) и акустических колебаний (~80 Па), показывают [Спивак и др., 2016а], что наведенные вариации Е в очаге пожара могли превышать 103 В/м.

Рис. 9.

Вариации амплитуды акустических колебаний в атмосфере Р и напряженности электрического поля Е (вертикальная компонента), вызванные пожаром на Тушинском машиностроительном заводе 10.12.2015 г. в г. Москве (фоном выделена активная стадия пожара). Регистрация в ЦГМ на расстоянии ~16.5 км от очага возгорания.

10. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Вариации электрического поля следует рассматривать в качестве важного фактора, определяющего электрическую активность приземного слоя атмосферы. При этом следует отметить, что электрическая зашумленность мегаполиса не камуфлирует проявление в вариациях Е эффектов от явлений и процессов как природного, так и техногенного происхождения. Суточные и сезонные изменения Е совпадают с общепринятыми представлениями о такого рода вариациях.

Особый интерес вызывает возможность выделения в условиях мегаполиса приливной компоненты в вариациях Е. При этом можно сделать вывод о том, что основным источником приливной составляющей в вариациях Е являются не литосферные, а вызванные гравитационным взаимодействием в системе Земля–Луна–Солнце атмосферные процессы [Адушкин и др., 2017].

Наряду с сильными атмосферными явлениями в виде урагана и грозы на электрическую активность приземной атмосферы в условиях такой крупной агломерации как г. Москва оказывает заметное влияние и более слабое по энергетике природное явление в виде холодного атмосферного фронта. Также следует отметить, что техногенные явления в виде крупных пожаров, хотя и в гораздо меньшей степени по сравнению с атмосферными фронтами, также оказывают влияние на вариации электрического поля в условиях мегаполиса.

Список литературы

  1. − Адушкин В.В., Соловьев С.П., Будников В.А. Литосферные источники загрязнения атмосферы // Геология и геофизика. Т. 36. № 8. С. 103–110. 1995.

  2. − Адушкин В.В., Спивак А.А., Кишкина С.Б., Локтев Д.Н., Соловьев С.П. Динамические процессы в системе взаимодействующих геосфер на границе земная кора-атмосфера // Физика Земли. № 7. С. 34–51. 2006.

  3. − Адушкин В.В., Спивак А.А. Физические поля в приповерхностной геофизике. М.: ГЕОС, 360 с. 2014.

  4. − Адушкин В.В., Спивак А.А., Рыбнов Ю.С., Харламов В.А. Приливные волны и вариации давления в атмосфере Земли // Геофизические исследования. Т. 18. № 3. С. 67–80. 2017.

  5. − Анисимов С.В., Мареев Е.А. Аэроэлектрические структуры в атмосфере // Докл. АН. Т. 371. № 1. С. 101–104. 2000.

  6. − Анисимов С.В., Мареев Е.А. Спектры пульсаций электрического поля приземной атмосферы // Докл. АН. Т. 381. № 1. С. 107–112. 2001.

  7. − Анисимов С.В., Галиченко С.В., Дмитриев Э.М., Шихова Н.М., Афиногенов К.В. Электрическое поле приземной атмосферы // Динамика физических полей Земли. Ред. Эпов М.И., Адушкин В.В., Соболев Г.А. М.: Светоч Плюс, 2011. С. 268–296.

  8. − Анисимов С.В., Шихова Н.М. Фрактальные свойства аэроэлектрических пульсаций // Геофизич. исслед. Т. 16. № 4. С. 41–58. 2015.

  9. − Белоцерковский О.М., Андрущенко В.А., Шевелев Ю.М. Динамика вихреобразных течений в атмосфере, обусловленных природными факторами. М.: Изд. центр “Полет Джанотана”, 432 с. 2013.

  10. − Гостинцев Ю.А., Иванов Е.А., Копылов Н.И., Шацких Ю.В. Волновые возмущения атмосферы при больших пожарах// Физика горения и взрыва. Т. 19. № 4. С. 62–64. 1985.

  11. − Гохберг М.Б., Колосницын Н.И., Николаев А.И. Приливные деформации и электрокинетический эффект в двухслойной поронасыщенной среде // Физика Земли. № 8. С. 85–89. 2007.

  12. − Грачев А.В. К восстановлению пропусков в экспериментальных данных // Вестн. ННГУ им. Н.И. Лобачевского. Сер. Радиофизика. Нижний Новгород: ННГУ. Вып. 2. С. 15–23. 2004.

  13. − Грунская Л.В., Морозов В.Н., Ефимов В.А., Закиров А.А. Лунные приливы в электрическом поле пограничного слоя атмосферы // Изв. вузов. Физика. № 1. С. 22–27. 2010.

  14. − Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Суточная периодичность представительных землетрясений Греции // Сейсмические приборы. Вып. 48. № 3. С. 5–31. 2012.

  15. − Дубров А.М. Многомерные статистические методы: учебник для студентов экономических специальностей высших учебных заведений / А.М. Дубров, В.С. Мхитарян, Л.И. Трошин. – М.: “Финансы и статистика”, 351 с. 2003.

  16. − Зилитинкевич С.С. Атмосферная турбулентность и планетарные пограничные слои. М.: ФИЗМАТЛИТ, 252 с. 2013.

  17. − Клейменова Н.Г., Козырева О.В., Кубицки М., Михновски С. Утренние полярные суббури и вариации атмосферного электрического поля // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 50. № 1. С. 51–60. 2010.

  18. − Климат, погода, экология Москвы. С.-Пб: Гидрометеоиздат, 437 с. 1995.

  19. − Колесник А.Г., Колесник С.А., Побаченко С.В. Электромагнитная экология. Томск: ТМЛ-Пресс, 336 с. 2009.

  20. − Красногорская Н.В. Электричество нижних слоев атмосферы и методы его измерения. – Л.: Гидрометеоиздат, 322 с. 1972.

  21. − Кузнецов В.В. Физика Земли. Учебник-монография. Новосибирск: ИГИГ, 840 с. 2011.

  22. − Мартынюк В.С., Цейслер Ю.В., Темурьянц Н.А. Интерференция механизмов влияния слабых электромагнитных полей крайне низких частот на организм человека и животных // Геофизические процессы и биосфера. Т. 11. № 2. С. 16–39. 2012.

  23. − Спивак А.А., Локтев Д.Н., Рыбнов Ю.С., Соловьев С.П., Харламов В.А. Геофизические поля мегаполиса // Геофизич. процессы и биосфера. Т. 15. № 2. С. 39–54. 2016а.

  24. − Спивак А.А., Кишкина С.Б., Локтев Д.Н., Рыбнов Ю.С., Соловьев С.П., Харламов В.А. Аппаратура и методики для мониторинга геофизических полей мегаполиса и их применение в Центре геофизического мониторинга г. Москвы ИДГ РАН // Сейсмические приборы. Т. 52. № 2. С. 65–78. 2016б.

  25. − Спивак А.А., Рыбнов Ю.С., Харламов В.А. Акустические и электрические предвестники сильных грозовых явлений в условиях мегаполиса // Геофизич. процессы и биосфера. Т. 16. № 4. С. 81–91. 2017.

  26. − Спивак А.А., Рыбнов Ю.С., Харламов В.А. Вариации геофизических полей при ураганах и шквалах // Докл. АН. Т. 480. № 5. С. 592– 95. 2018.

  27. − Тихонов М.Н., Кудрин И.Д., Довгуша В.В., Довгуша Л.В. Электромагнитная среда и человек// Вопросы охраны окружающей среды. № 11. С. 55–84. 1997.

  28. − Тужилкин Д.А., Апряткина М.Л., Бородин А.С. Влияние вариаций физических полей окружающей среды на функционирование сердечно-сосудистой системы человека// Физика окружающей среды. Томск: Томское университетское изд-во. С. 285–288. 2011.

  29. − Уидроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов. М.: Радио и связь, 440 с. 1989.

  30. − Чалмерс Дж.А. Атмосферное электричество. Л.: Гидрометеоиздат, 384 с. 1973.

  31. − Черешнев В.А., Гамбурцев А.Г., Сигачев А.В., Верхотурова Л.Ф., Горбаренко Е.В., Гамбурцева Н.Г. Внешние воздействия-стрессы-заболеваемость. М.: Наука, 168 с. 2016.

  32. − Шор Я.Б. Статистические методы анализа и контроля качества и надежности. М.: “Советское радио”, с. 102. 1962.

  33. − Шулейкин В.Н. Атмосферное электричество и физика Земли. М.: Институт проблем нефти и газа, 159 с. 2006.

  34. − Экология человека в изменяющемся мире / Колл. авторов. Изд. 2-е, доп. Екатеринбург: УрО РАН, 570 с. 2008.

  35. − Bell G., Marino A.A., Chesson A.L. Frequency-specific blocking in the human caused by electromagnetic fields // Neureport. V. 5. P. 510–512. 1994.

  36. − Dolezalek H. Zur berechnung des luftelektrischen Strokreises III. Kontrolle des Ohmschen gesetzes durch messung // Geophys. Pur. Appl. V. 46. P. 125–144. 1960.

  37. − Dolezalek H. Discussion of fundamental problem of atmospheric electricity. PAGEOPH. V. 100. P. 8–43. 1972.

  38. − Hoaglin D.C., Mosteller F., Tukey J.W. Understanding robust and exploratory data analysis. 2nd edition. New-York: John Wiley & Sons, 472 p. 2000.

  39. − Israel H., Atmospheric Electricity, V. II. / Jerusalem: Israel program for scientific translation, 350 p. 1973.

  40. − Israelsson S. On the conception – fair weather condition in atmospheric electricity // Pure Appl. Geophys. V. 116. P. 149–158. 1978.

  41. − Israelsson S., Tammet H. Variation of fair weather atmospheric electricity at Marsta Observatory, Sweden, 1993–1998 // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 63. P. 1693–1703. 2001.

  42. − Jamieson K.S., Apsimona H.M., Jamieson S.S., Bell J.N., Yost M.G. The effects of electric fields on charged molecules and particles in individual micro environments// Atmos. Environ. V. 41. № 25. P. 5224–5235. 2007.

  43. − Jayaratne E.R., Verma T.S. Environmental aerosols and their effect on the Earth’s local fair-weather electric field // Meteorol. Atmos. Phys. V. 86. P. 275–280. 2004.

  44. − Harrison R.G. Urban smoke concentrations at Kew, London, 1898 – 2004 // Atmos. Environ. V. 40. P. 3327–3332. 2006.

  45. − Kamra A.K. Fair weather space charge distribution in the lowest 2 m of the atmosphere // J. Geophys. Res. V. 87. № C6. P. 4257–4263. 1982.

  46. − Kandalgaonkar S.S., Manohar G.K. Variation in the atmospheric electric field at tropical station during 1930–1987 //Adv. Atmos. Sci. V. 8. P. 99–106. 1991.

  47. − Kelley M.C. The Earth’s Electric Field. Elsevier Inc., San Diego, CA, 232 p. 2014.

  48. − Kumar V.V., Ramachandran V., Buadromo V., Prakash J. Surface fair-weather potential gradient measurements from a small tropical island station Suva, Fiji // Earth Planets Space. V. 61. P. 747–753. 2009.

  49. − Marshall T.C., Rust W.D., Stolzenburg M., Roedes W.P., Krehbiel P.R. A study of enhanced fair weather electric fields occurring soon after sunrise // J. Geophys. Res. V. 104. N D20. P. 24 455–24 469. 1999.

  50. − Law J. The ionisation of the atmosphere near the ground in fair weather // Quarterly J. Roy. Meteorol. Soc. V. 89. P. 107–121. 1963.

  51. − O’Connor W.P. Seasonal changes in diurnal variation of potential gradient at Fargo, North Dakota // Pure Appl. Geophys. V. 114. P. 933–943. 1976.

  52. − Retalis D., Retalis A. The atmospheric electric field in Athens–Greece // Meteorol. Atmos. Phys. V. 63. 235–241. 1997

  53. − Serrano C., Reis A.H., Rosa R., Lucio P.S. Influences of cosmic radiation, artificial radioactivity and aerosol concentration upon the fair-weather atmospheric electric field in Lisbon (1955–1991) // Atmos. Res. V. 81. P. 236–249. 2006.

  54. − Silva H.G., Conceição R., Melgão M., Nicoll K., Mendes P.B., Tlemçani M., Reis A.H., Harrison R.G. Atmospheric electric field measurements in urban environment and the pollutant aerosol weekly dependence // Environ. Res. Lett. V. 9. 2014.

  55. − Tietjen G.L., Moore R.H. Some Grubbs-type statistics for the detection of several outliers // Technometrics. V. 14. P. 583–597. 1972.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Геомагнетизм и аэрономия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал