Аналитическое исследование природы соответствия электростатической и облачной стратификации атмосферы
Ретроспективний аналіз даних літакового зондування вертикальної компоненти напруженості електричного поля атмосфери виявив чотири мультиплетні групи піків до висот 7 км. Сезонна модова стійкість щільності об’ємного заряду ∂Ez/∂z, становить 20—24 повні коливання поля Ez. Установлено кореляційний зв’я...
Saved in:
| Published in: | Геофизический журнал |
|---|---|
| Date: | 2013 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України
2013
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98989 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Аналитическое исследование природы соответствия электростатической и облачной стратификации атмосферы / Т.А. Белый, Ю.А. Зеленин // Геофизический журнал. — 2013. — Т. 35, № 4. — С. 140-153. — Бібліогр.: 33 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860118212862017536 |
|---|---|
| author | Белый, Т.А. Зеленин, Ю.А. |
| author_facet | Белый, Т.А. Зеленин, Ю.А. |
| citation_txt | Аналитическое исследование природы соответствия электростатической и облачной стратификации атмосферы / Т.А. Белый, Ю.А. Зеленин // Геофизический журнал. — 2013. — Т. 35, № 4. — С. 140-153. — Бібліогр.: 33 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Геофизический журнал |
| description | Ретроспективний аналіз даних літакового зондування вертикальної компоненти напруженості електричного поля атмосфери виявив чотири мультиплетні групи піків до висот 7 км. Сезонна модова стійкість щільності об’ємного заряду ∂Ez/∂z, становить 20—24 повні коливання поля Ez. Установлено кореляційний зв’язок статистичних діаграм висот утворення хмарних горизонтів з рівноважними точками компонент тензора Гельмгольца Tzz, коефіцієнт кореляції r =0,94ч0,98. Аналогічні кореляції отримані за даними кулепілотних спостережень для вертикальних профілів розподілу вологи. Для підсистем у сильних внутрішніх полях (хмарах) наведено аналітичний аналог рівняння sh-Пуассона для самоузгодженого поля аерозолю. Згідно з результатами розрахунку великі заряди аерозолю і загальмований рух броунівських частинок концентрують водяну пару в околиці лібраційних точок рівноваги — іонних площинах.
Retrospective analysis of airplane sounding of vertical component of electric field strength of atmosphere displayed four multiplet groups of peaks up to the height of 7 km. Seasonal mode stability of density of volume charge ∂Ez/∂z equal to 20—24 complete vibrations of the field Ez has been revealed. Correlative relation of statistical diagrams of the heights of cloudy horizons formation with equilibrium points of Helmholtz tensor components Tzz has been found. Correlation coefficient r was 0,94ч0,98. Analogous correlations have been obtained according to the data of pilot-balloon observations for the vertical profiles of moisture distribution. For subsystems in strong internal fields (clouds) analytical analogue of Poisson sh-equation for self-consistent field of aerosol has been given. Results of calculations demonstrated that heavy charges of aerosol and impeded movement of Browne particles concentrate water steam in the vicinity of libration points of equilibrium — ionic planes.
Ретроспективный анализ данных самолетного зондирования вертикальной компоненты напряженности электрического поля атмосферы проявил четыре мультиплетные группы пиков до высот 7 км. Выявлена сезонная модовая устойчивость плотности объемного заряда Ez/z составляет 20-24 полных колебаний поля Ez. Обнаружена корреляционная связь статистических диаграмм высот образования облачных горизонтов с равновесными точками компонент тензора Гельмгольца Tzz. Коэффициент корреляции r составил 0,94-0,98. Аналогичные корреляции получены по данным шарпилотных наблюдений для вертикальных профилей распределения влаги. Для подсистем в сильных внутренних полях (облака) приведен аналитический аналог уравнения sh-Пуассона для самосогласованного поля аэрозоля. Результаты расчета показали, что большие заряды аэрозоля и заторможенное движение броуновских частиц концентрируют водяной пар в окрестностях либрационных точек равновесия -- ионных плоскостях.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:37:08Z |
| format | Article |
| fulltext |
Т. А. БЕЛЫЙ, Ю. А. ЗЕЛЕНИН
140 Геофизический журнал № 4, Т. 35, 2013
НАУЧНЫЕ СООБЩЕНИЯ
Введение. Электрическое поле сухой атмо-
сферы представляет собой поляризационно-
гравитационный эффект разделения заряда,
аналогичный фазовому переходу первого рода
по параметру порядка i=eϕ kT [Белый, Зеле-
нин, 2012; 2013]. Электронно-ионная подси-
стема атмосферы как электрически активной
среды представляет собой термализованные
ридберговские состояния электронов с энер-
гиями локализации, меньше тепловой u~ αγ
сплошного спектра кулоновской задачи рас-
сеяния [Голубков и др., 2011а, б]. От поверх-
ности Земли до высоты 20 км наблюдаются
сильное увеличение длины пробега γ квантов
и рост концентрации ионизованных электро-
нов [Хесстведт, 1976]. Коллективные состояния
системы термализованных электронов в плот-
ном газе представляют собой классическую
УДК 437.21:551.576.
Аналитическое исследование природы соответствия
электростатической и облачной стратификации
атмосферы
© Т. А. Белый1, Ю. А. Зеленин2, 2013
1Институт геофизики НАН Украины, Киев, Украина
2Международный фонд «Хронограф», Одесса, Украина
Поступила 4 июня 2013 г.
Представлено членом редколлегии В. Н. Шуманом
Ретроспективний аналіз даних літакового зондування вертикальної компоненти напруже-
ності електричного поля атмосфери виявив чотири мультиплетні групи піків до висот 7 км.
Сезонна модова стійкість щільності об’ємного заряду ∂Ez/∂z, становить 20—24 повні коливання
поля Ez. Установлено кореляційний зв’язок статистичних діаграм висот утворення хмарних
горизонтів з рівноважними точками компонент тензора Гельмгольца Tzz, коефіцієнт кореляції
r =0,94÷0,98. Аналогічні кореляції отримані за даними кулепілотних спостережень для верти-
кальних профілів розподілу вологи. Для підсистем у сильних внутрішніх полях (хмарах) наве-
дено аналітичний аналог рівняння sh-Пуассона для самоузгодженого поля аерозолю. Згідно з
результатами розрахунку великі заряди аерозолю і загальмований рух броунівських частинок
концентрують водяну пару в околиці лібраційних точок рівноваги — іонних площинах.
Retrospective analysis of airplane sounding of vertical component of electric field strength
of atmosphere displayed four multiplet groups of peaks up to the height of 7 km. Seasonal mode
stability of density of volume charge ∂Ez/∂z equal to 20—24 complete vibrations of the field Ez
has been revealed. Correlative relation of statistical diagrams of the heights of cloudy horizons
formation with equilibrium points of Helmholtz tensor components Tzz has been found. Correla-
tion coefficient r was 0,94÷0,98. Analogous correlations have been obtained according to the data
of pilot-balloon observations for the vertical profiles of moisture distribution. For subsystems in
strong internal fields (clouds) analytical analogue of Poisson sh-equation for self-consistent field
of aerosol has been given. Results of calculations demonstrated that heavy charges of aerosol and
impeded movement of Browne particles concentrate water steam in the vicinity of libration points
of equilibrium — ionic planes.
кулоновскую плазму, изученную прямыми
методами молекулярной динамики [Игнатов
и др., 1995; Ткачев, Яковленко, 1995; 1997] от-
носительно кинетики эргодической рекомби-
нации и релаксации.
Для подсистем (электроны, ионы, аэрозоль)
в сильных внутренних полях ϕ,E (облака) на-
пряженность электрического поля оказыва-
ется существенной, если в уравнение состоя-
ния ввести термодинамическую переменную
a=eϕa ak T в качестве второго параметра по-
рядка для поляризованного водяного пара, обу-
славливающую эффект капиллярного электро-
испарения микрокапель и границы флюидной
фазы пара.
Здесь a i — комплексная диэлектриче-
ская проницаемость; kБ — константа Больцма-
на; — температура, K; — заряд электрона; ϕa
АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИРОДЫ СООТВЕТСТВИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ...
Геофизический журнал № 4, Т. 35, 2013 141
— потенциал, усредненный по зарядовому рас-
пределению. Введение параметра ψa позволяет
получить аналитический аналог sh-Пуассона
для самосогласованного поля подсистемы аэро-
золя облаков.
Представление атмосферы в качестве элек-
троактивной среды [Кузнецов, 2006; Рабино-
вич, Трубецков, 1984] позволяет существенно
расширить физический смысл понимания
электрических процессов в атмосфере и про-
явить «тонкую» структуру глобального само-
согласованного электрического поля Земли.
Модовая стабильность нелинейной волны
зарядовой плотности атмосферы. Для характе-
ристики напряженности электрического поля
на разных высотах использовались данные,
полученные по программе Международного
геофизического года (МГГ) и Международ-
ного геофизического сотрудничества (МГС)
в 1958—1959 гг. [Материалы…, 1961; 1963].
Сплайн-аппроксимация вертикального рас-
пределения плотности объемных зарядов ∂Ez/∂z
выявила модовую стабильность эксперимен-
тальных распределений (количество полных
колебаний Ez), составляющую 20—24 значений
до высот 7 км. Также наблюдается бифуркаци-
онный характер самоподобия кривой в виде
дублетности пиков колебаний Ez. Модовая
стабильность оказалась устойчивой. Она на-
блюдается для всех сезонов года за весь пери-
од наблюдения, проведенный в 1958—1959 гг.
Т а б л и ц а 1. Среднемесячная модовая ста-
бильность вертикального распределения
плотности объемных зарядов ∂Ez/∂z с высо-
той в виде волновых пакетов
Месяц года Количество пиков А Б В Г
Январь 20 4 3 5 8
Февраль 25 4 4 9 8
Март 24 4 5 7 8
Апрель 20 4 3 8 5
Май 21 4 3 7 7
Июнь 20 4 4 7 5
Июль 23 4 5 7 7
Август 21 2 3 9 7
Сентябрь 21 3 3 7 8
Октябрь 20 3 4 6 7
Ноябрь 21 3 5 7 6
Декабрь 22 3 5 8 6
В качестве основных можно выделить сле-
дующие группы пиков, распределенных в
форме волновых пакетов (А, Б, В, Г): А) от 0 до
1000 м; Б) от 1000 до 2000 м; В) от 2000 до 4000 м;
Г) от 4000 до 6000 м. В табл. 1 и на рис. 1 пред-
ставлены среднемесячные значения модовой
стабильности вертикального распределения
плотности объемных зарядов ∂Ez/∂z с высотой
в 1958 г. для г. Ташкент.
Фурье-анализ зарядового распределения на
рис. 1 выявил наличие «мягкой» моды с длиной
волны около 1030 м и двух близких периодов
«короткой» моды с длиной волны около 30,1
и 20 м.
Такое поведение не является характерным
для линейных задач, если при изменении гра-
ничных условий происходит изменение модо-
вого состава. Пространственная и временная
структуры электрического поля, см., например,
работу [Takeda et al., 2011], не являются гладки-
ми гармоническими функциями, обычно пола-
гаемыми в аналитических моделях [Имянитов,
Чубарина, 1965]. Прецизионные наблюдения
показывают наличие фрактальной самопо-
добной флуктуационной структуры электри-
ческого поля [Leblanc et al., 2008, с. 355]. На-
копление потенциала относительно Земли
(интегрирование поля) происходит не только
из-за асимметрии распределения пиков, но и
вследствие разной формы положительной и
отрицательной полуволн (легкие электроны и
тяжелые ионы).
Согласно работам [Белый, Зеленин, 2012;
2013], самосогласованное уравнение sh-Пуас-
сона для электронов и ионов атмосферы, опи-
сывающее вертикальную электрическую стра-
тификацию атмосферы с параметром порядка
i=eϕ kT, является существенно нелинейным.
В нем флуктуационная компонента наблю-
даемого электрического поля соответствует
сильно осциллирующей части решения тер-
мализованного электростатического потен-
циала и гиперполяризуемости электронной
подсистемы атмосферных ионов и электронов,
достигающей значений порядка ε~104ff105 (до
1000 м) и 106—107 выше 1000 м. Такие Значения
ε и обуславливают электрическую прочность
атмосферы как конденсатора (250~106 кВ) от-
носительно точки Земли. Качественно картин-
ка для параметра ψi похожа на флуктуацион-
ную структуру критической точки в окрестно-
сти фазового перехода первого рода [Ландау,
1937а,б] — точки нейтральности электрическо-
го потенциала атмосферы.
В таком самосогласованном поле нелиней-
ность стабилизирует модовый состав верти-
кального распределения ионов и электронов
в пределах 20—24 пиков. Этот факт не являет-
ся тривиальным и обуславливает стабильность
стратификации водяного пара в вертикальном
Т. А. БЕЛЫЙ, Ю. А. ЗЕЛЕНИН
142 Геофизический журнал № 4, Т. 35, 2013
электрическом поле, что по сути формирует
стабильность вертикальной стратификации
облачного покрова Земли.
Дипольная структура ионных плоскостей
обуславливает подрезку облаков по нижнему
горизонту. Предполагается, что вертикальная
электростатическая стратификация устойчива
до высот 12—30 км [Leblanc et al., 2008]. Выше
этих высот начинается область, связанная с
токовыми состояниями атмосферы.
Частотная повторяемость высот образова-
ния облачности и структура электрического
поля атмосферы. Совместно с самолетным
зондированием вертикального электрического
поля атмосферы в работе [Материалы…, 1961]
представлены наблюдения за высотами обра-
зования облаков. Статистическая обработка
самолетных данных в виде диаграмм высот
образования облачности определила макси-
мально встречающиеся горизонты облаков, а
также «запрещенные» зоны между ними для
каждого морфотипа. Сопоставление диаграмм
высот образования облаков с высотным рас-
пределением электрического поля атмосферы
позволило обнаружить визуальную привязан-
ность облаков к определенным электрическим
горизонтам волновых пакетов (А, Б, В, Г). От-
крытым остается вопрос о «запрещенных»
зонах. Можно предположить, что «запрещен-
ные» зоны связаны с особенностью движения
пробного электрона в квазипериодическом по-
тенциале — особенностями уравнений второго
порядка с периодическими коэффициентами
типа Флоке [Математическая…, 1985].
Дальнейший анализ показал высокую
корреляционную зависимость не только по
волновым пакетам (А, Б, В, Г), но и точное со-
ответствие высот частотных максимумов об-
разования облачности нулевым значениям
тензора напряженности электрического поля
Гельмгольца Tzz −1)/8π (Е, Е) и «тонкой»
структуре стоячей электронной волны атмос-
феры. Корреляционная зависимость совпаде-
ния высот образования облачности и нулевых
значений тензора Tzz электрического поля для
Киева и Ленинграда представлена на рис. 2. В
табл. 2 приведен численный расчет высот мак-
симальных значений частотных диаграмм об-
Рис. 1. Плотность объемного заряда ∂Ez/∂z, СГСЭ/м3: а — январь; б — апрель; в — август; г — ноябрь; (1,…,20) — число
полных колебаний Ez; А, Б, В, Г — мультиплетные волновые пакеты; (1,2; 1,2 и т. д.) — дублетная структура пиков — ди-
польные зарядовые плоскости.
АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИРОДЫ СООТВЕТСТВИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ...
Геофизический журнал № 4, Т. 35, 2013 143
разования облаков и высот нулевых значений
компонент электрического тензора Tzz для Ле-
нинграда и Киева. Коэффициент корреляции
и коэффициенты регрессионного уравнения
представлены в табл. 3.
Построения корреляционных прямых для
других морфотипов облаков и других годов в
рамках экспедиции МГГ и МГС дают аналогич-
ные результаты.
В силу сохранения модовой структуры вер-
тикальной электрической волны сдвиг кор-
реляционных точек на одну моду приводит к
таким же корреляционным прямым (рис. 3),
параллельным базовой регрессии, представ-
ленной на рис. 2, т. е. корреляция устойчива
относительно вариации структуры и сдвигов.
Физический механизм такого соответствия
можно представить следующим образом: при
средних концентрациях аэрозоля порядка
3·103см–3 сила (энергия) кулоновского взаи-
модействия между каплями и напряженность
электрического поля внутри облака могут до-
стигать 75—100 кВ/м [Синькевич, 2001]. Это
существенно превышает напряженности
Рис. 2. Соответствие координат частотных максимумов образования облачных горизонтов Ns координатам нулевых
значений компонент тензора электрического поля атмосферы Tzz для Ленинграда (а) и Киева (б), 1958 г.
Т. А. БЕЛЫЙ, Ю. А. ЗЕЛЕНИН
144 Геофизический журнал № 4, Т. 35, 2013
электрического поля сухого воздуха q1q2/R~
~103ff104 В/м в квазистационарных условиях.
В таких самосогласованных полях облака за-
ряженные капельки (ядра конденсации) с за-
рядом 100—400 e будут самосогласованно под-
держиваться и перераспределяться в неодно-
родном стратифицированном электрическом
поле стандартной атмосферы, концентрируясь
в точках равновесия поля — дипольных заря-
довых плоскостях.
Т а б л и ц а 2. Соответствие высот нулевых значений тензора напряженности электрического
поля атмосферы Tzz высотам максимумов частотных распределений образования облачности
по морфотипам для Киева и Ленинграда
Высота максимальных значений образования облаков по
морфотипам, м
Высота тензора напряжения
Гельмгольца, м
Киев
St Sc Ac As Ns Cu Cb Ci Cs Апрель Декабрь 25.08.58
100 404 1900 1100 294 400 400 5200 5500 200 3284 40 3500 66 3152
500 700 2100 1600 500 921 1042 5500 5700 300 3400 457 3600 258 3349
700 997 2300 1900 700 1100 1300 6000 400 3500 658 3700 300 3515
1000 1421 2500 2550 1000 1300 1600 6452 496 3600 800 3800 400 3573
1252 1742 2800 2907 1300 1600 1900 603 3698 1200 3900 481 3742
1500 1857 3036 3200 1700 1900 3100 893 3819 1300 4000 700 3800
1957 2300 3200 3400 1900 2100 3300 1000 4104 1500 4200 900 3857
2700 2500 3400 3663 2142 3100 1181 4342 1600 4309 1012 4053
3000 2700 3600 3921 2257 3300 1300 4500 1700 4400 1072 4242
3400 3800 4100 2600 3800 1400 4610 1798 4500 1334 4357
3700 4100 4342 2821 4200 1559 4700 1900 4546 1400 4550
4100 4400 4457 3000 1700 4894 1985 4737 1550 4749
5400 4657 4700 3200 2000 5200 2100 4900 1777 5042
4900 5000 3742 2365 5300 2200 5000 2068 5100
5100 5405 3857 2500 5425 2465 5200 2159 5200
5350 5700 4400 2700 5681 2700 5400 2313 5257
6000 5200 2900 5863 2814 5500 2550 5455
2900 5600 2678 5642
3100 5700 2848 5757
3196 5847 3000 5905
3317 5974
Ленинград
St Sc Ac As Ns Cu Cb Ci Cs Апрель Декабрь 04.09.58
300 400 800 1500 183 500 794 900 1600 200 3284 97 4100 256 3557
519 700 1200 1709 600 800 1100 1100 3000 300 3400 600 4200 400 3681
800 900 1500 1900 854 1000 1321 2100 4242 400 3500 700 4500 536 3842
1100 1250 1700 2200 1200 1298 1500 2900 4357 496 3600 1400 4625 730 3900
1491 1481 2042 2521 1600 1500 2300 4750 4700 603 3698 1541 4700 800 3957
1742 1704 2300 2973 1800 1700 2500 5000 5000 893 3819 1948 4894 1160 4100
1857 2200 2500 3200 2000 2000 3100 5200 5300 1000 4104 2100 5300 1300 4200
2078 2400 2700 3500 2200 2200 3342 5500 5700 1181 4342 2194 5633 1448 4400
2700 3000 3700 2542 2445 3457 5700 5908 1300 4500 2300 5700 1648 4646
2900 3281 4151 2789 2800 3700 6000 6100 1400 4610 2446 5774 1928 4850
3250 3500 4500 3000 3000 4300 6300 6300 1559 4700 2852 5961 2300 5050
3600 3800 4752 3400 3421 4900 1700 4894 3000 6100 2478 5250
4008 5000 3600 3600 2000 5200 3100 6300 2555 5450
4336 5497 3900 3800 2365 5300 3300 6408 2700 5600
4484 5700 4200 4300 2500 5425 3400 6600 2842 5800
4800 6022 4413 4550 2700 5681 3500 6800 2900 5942
5200 5000 5050 2900 5863 3600 6900 2957 6000
5750 5200 5547 3753 7070 3148 6057
6000 5400 3984 3342 6200
6452 5578 3400 6342
5800
6000
АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИРОДЫ СООТВЕТСТВИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ...
Геофизический журнал № 4, Т. 35, 2013 145
Пример построения корреляционных гра-
фиков, представленных на рис. 2 (г. Киев,
Ns- и Tzz-Апрель): в табл. 2 берется первое
значение из колонки Ns и соответствующее
значение из колонки Tzz-Апрель. Получаем
выборку: Ns1=294, Tzz1-Апрель=300; Ns2=500,
2-Апрель=496; и т.д.).
В квазистационарных условиях облака
имеют характерное распределение капель по
размерам для каждого морфотипа [Шишкин,
1964]. Можно предположить, что типы облаков
выделяются путем перераспределения капель
в неоднородном стратифицированном элек-
трическом поле сухой атмосферы (электро-
статическая дистилляция).
За счет внутренней поляризации облако
зависает на страте (между электрическими
Т а б л и ц а 3. Коэффициент корреляции r и коэффициенты a, b регрессионного уравнения
y=ax+b соответствия высот частотных максимумов образования облачности высотам нулевых
значений тензора электрического поля Гельмгольца для Киева и Ленинграда
Киев r a b Ленинград r a b
St-Апрель 0,98 24,90 0,99 St-Апрель 0,98 –12,51 1,02
St-Декабрь 0,98 –36,94 1,01 St-Декабрь 0,92 –13,94 1,03
St-25.08.1958 0,97 12,50 1,00 St-04.09.1958 0,88 –5,94 1,00
Sc-Апрель 0,97 –53,11 1,02 Sc-Апрель 0,96 –20,87 1,00
Sc-Декабрь 0,90 41,35 0,97 Sc-Декабрь 0,96 –40,52 1,01
Sc-25.08.1958 0,97 –2,45 1,00 Sc-04.09.1958 0,97 –17,88 1,01
Ac-Апрель 0,93 166,8 0,95 Ac-Апрель 0,97 36,67 0,98
Ac-Декабрь 0,99 –89,59 1,02 Ac-Декабрь 0,98 –20,11 1,00
Ac-25.08.1958 0,96 –11,40 1,00 Ac-04.09.1958 0,99 –37,42 1,01
As-Апрель 0,97 15,51 0,99 As-Апрель 0,98 –6,25 1,00
As-Декабрь 0,97 11,90 0,99 As-Декабрь 0,96 57,11 0,98
As-25.08.1958 0,99 –133,0 1,03 As-04.09.1958 0,98 –4,52 1,00
Ns-Апрель 0,97 14,86 0,99 Ns-Апрель 0,98 12,61 0,99
Ns-Декабрь 0,99 –31,40 1,00 Ns-Декабрь 0,98 –13,47 1,00
Ns-25.08.1958 0,98 11,78 0,99 Ns-04.09.1958 0,99 –22,05 1,00
Cu-Апрель 0,94 63,17 0,97 Cu-Апрель 0,98 –4,77 1,00
Cu-Декабрь 0,98 27,13 0,99 Cu-Декабрь 0,95 75,25 0,97
Cu-25.08.1958 0,99 –29,25 1,01 Cu-04.09.1958 0,99 –19,73 1,00
Cb-Апрель 0,93 –8,49 1,00 Cb-Апрель 0,96 21,85 0,99
Cb-Декабрь 0,96 32,69 0,98 Cb-Декабрь 0,96 5,06 0,99
Cb-25.08.1958 0,97 –10,60 1,01 Cb-04.09.1958 0,97 8,56 0,99
Ci-Апрель Ci-Апрель 0,98 –3,73 1,00
Ci-Декабрь Ci-Декабрь 0,98 –29,80 1,00
Ci-25.08.1958 Ci-04.09.1958 0,98 –27,02 1,01
Cs-Апрель Cs-Апрель 0,97 –13,33 1,00
Cs-Декабрь Cs-Декабрь 0,99 –69,34 1,01
Cs-25.08.1958 Cs-04.09.1958 0,96 –69,34 1,01
Рис. 3. Устойчивость корреляции относительно вариации
структуры сдвигов высот образования облачности высотам
нулевых значений тензора Tzz для Ns Ленинграда в апреле
1958 г.: 1 — основная корреляция; 2 — принудительно вве-
денная дисперсия ±100 м; 3 — сдвиг высот на одну моду.
Т. А. БЕЛЫЙ, Ю. А. ЗЕЛЕНИН
146 Геофизический журнал № 4, Т. 35, 2013
слоями) и проявляет гидродинамическую це-
лостность поведения как квазитвердого тела.
Иными словами, вертикальная стратификация
электрического поля для плоских горизонталь-
ных компонент проявляется как доменная
(ячеечная) структура. Средний размер между
отдельными частями облака составляет 150—
240 м — зарядовая полуволна [Белый, Зеленин,
2013]. Тензорная природа условий равновесия
сил в диэлектриках обуславливает многообра-
зие горизонтальных стратификаций облачной
системы (морфотипов) — растягивающих (сме-
щающих) плоских равновесий напряжений
Гельмгольца в электрически поляризованной
атмосфере. Механизм горизонтальной стра-
тификации облаков идентичен в смысле само-
согласованного поля механизму вертикальной
стратификации основного состава атмосферы.
Его можно сравнить со структурой микродоме-
нов в сегнетоэлектриках или доменной струк-
туре ферромагнетиков для конденсированной
фазы.
Другим фактором, подтверждающим влия-
ние электрического поля атмосферы Земли на
межконтинентальный макроперенос влаги, яв-
ляется образование стабильных континенталь-
ных зон переноса. Так, согласно спутниковым
наблюдениям за 2013 г. Тихоокеанская и Ат-
лантическая зоны переноса имеют структуру
плоских феломентов плотностной диффузии,
нехарактерных для трехмерных течений [Аста-
фьева и др., 2007]. Можно предположить, что
границы макроячеек оконтуриваются скач-
ками напряженности приземного электриче-
ского поля на границе раздела сред с разной
диэлектрической проницаемостью D1–D2=4πσ
(например, океан — континент, горная гряда и
т. д.). Показано, что отдельные горизонты стан-
дартной сухой атмосферы оказываются чув-
ствительными к таким вариациям граничных
условий [Белый, Зеленин, 2012; 2013].
Интересной особенностью общего распре-
деления высот образования облачности явля-
ется наличие «запрещенных» зон для различ-
ных морфотипов на определенных высотах:
например, для морфотипов Ns и Cb в течение
1958—1959 гг. разрешенными являются зоны
волновых пакетов А, Б, Г, а «запрещенной»
— область В (см. перечеркнутый кружок на
рис. 4). Например, в электрической зоне В
облачные типы Ns и Cb практически не встре-
чаются на протяжении двух лет наблюдений,
хотя сами горизонты этих облаков четко при-
вязаны к «тонкой» структуре вертикального
распределения электрического поля. Такое
соответствие можно было обнаружить толь-
ко путем синхронного наблюдения за высота-
ми образования облачности и вертикальной
компоненты электрического поля Ez в рамках
международного эксперимента МГГ и МГС
[Материалы…, 1961].
Как видно из рис. 4, а, для облаков Ns запре-
щенными выявились высоты от 3 до 4 км, а для
облаков Cb — зоны 1,5—2 и 3—5 км. Аналогич-
ные «запрещенные» зоны наблюдаются и для
других типов облаков.
Данные результаты являются принципиаль-
ными в смысле сохранения межконтиненталь-
ного переноса и требуют детального изучения
в связи с проблемой климата.
Соответствие среднего распределения пара
структуре электрического поля. Предположе-
ние об универсальности соответствия высот
образования облачности с нулевыми значения-
ми тензора Гельмгольца электрического поля
атмосферы привело к исследованию зависи-
мости вертикального распределения водяного
пара и электрического поля атмосферы Ez.
Рис. 4. Сплайн-диаграммы статистической встречаемости высот образования облаков для морфотипов Ns (а) и Cb (б).
АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИРОДЫ СООТВЕТСТВИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ...
Геофизический журнал № 4, Т. 35, 2013 147
На рис. 5, а представлены данные соответ-
ствия координат вертикального распределения
влажности нулевым значениям компонент
тензора электрического поля zz для Киева за
01.04.1958 г. На рис. 5, б—г — данные соответ-
ствия влажности и zz для Киева за 2002 и 2012 г.
Данные получены из каталога Международного
центра данных BADC (данные за 2002, 2012 г.
выбирались для тех же городов, для которых
проводилось вертикальное зондирование элек-
трического поля атмосферы Ez в 1958 г.).
Сопоставление радиозондовых измерений
мгновенных концентраций водяного пара
(2002, 2012, Киев) и характеристических точек
равновесия электрического поля, усредненных
за год (1958, Киев), выявило высокие корре-
ляции (r=0,98÷0,99) при уровне значимости
доверительного интервала 0,95. Соответствие
статистических максимумов вертикального
распределения влажности точкам равновесия
тензора электрического поля zz с высотой
представлены на рис. 5.
Вертикальные профили влажности имеют
размытую структуру в отличие от профилей
высот образования облаков, представленных
на рис. 4. Однако даже в этом случае корреля-
ции с точками равновесия электрического поля
атмосферы устойчивы. Смазанная структура
профилей влажности связана с приземными
гидродинамическими флуктуациями и спе-
цификой шарпилотных измерений. В нашем
случае использовались данные гелиевых шаров
пилотов с 2—3 наблюдений на 1 км. В случае
парашютного зондирования удается проявить
«тонкую» структуру водяного пара и ее соот-
ветствие «тонкой» структуре электрического
поля. Из работы [Leblanc et al., 2008, рис. 1,
с. 357, 360] видно, что при линейном изменении
температуры воздуха с высотой распределение
водяного пара (предполагаемое следующим
уравнением состояния , ) повторяет контуры
распределения вертикального электрического
поля атмосферы. Это говорит о том, что вари-
ации вертикального профиля распределения
влажности существенно зависят от состояния
электрического — поляризационного поля ат-
мосферы.
На основе полученных результатов можно
сделать вывод, что термодинамика формиро-
вания облачности происходит на фоне страти-
фицированной электрическим полем фоновой
избыточной влаги. Механизм концентрации
избыточной влаги в горизонтах аналогичен
механизму поддерживания облака как ква-
Рис. 5. Соответствие координат вертикального распределения влажности нулевым значениям компонент тензора элек-
трического поля Гельмгольца Tzz.
Т. А. БЕЛЫЙ, Ю. А. ЗЕЛЕНИН
148 Геофизический журнал № 4, Т. 35, 2013
зитвердого тела (подрезка по нижнему гори-
зонту) самосогласованным электрическим по-
лем атмосферы. Это возможно из-за большой
молекулярной поляризуемости водной среды
ε=87, кластеров воды ε 100, коллективной ги-
перполяризуемости ионно-электронной подси-
стемы атмосферы ε~104ff105. Величина диэлек-
трической проницаемости обусловлена малой
массой электрона mp/me=1800~2·10
3, поэтому
εe=εh=1800~2·103, где εe, εh — диэлектрическая
проницаемость электронов и водных класте-
ров соответственно, ед. СГСЭ; mp, me — масса
электрона и протона.
Таким образом, полевая компонента долж-
на присутствовать как термодинамическая
переменная (параметр порядка) в уравнении
состояния влаги в электрическом поле. Поле
поляризации обуславливает нетермодинами-
ческий механизм капиллярного электроиспа-
рения микрокапель [Hashinaga et al., 1995; Чес-
ноков и др., 2002; Yamachi et al., 2004] и сдвига
термодинамического равновесия.
Самосогласованное по полю уравнение sh-
Пуассона для облака и подсистемы аэрозоля.
Для описания флюидной фазы заряженного
водяного пара в атмосфере введен дополни-
тельный параметр порядка среднего поля обла-
ка . Он превышает параметр i на несколько
порядков и позволяет отделить средние напря-
женности и потенциалы облачного аэрозоля
от сухой стандартной атмосферы. Флюидная
фаза облаков выделяется большими градиен-
тами среднего электрического поля на грани-
це раздела фаз — стенки самосогласованного
потенциала (визуальная граница облака) — и
скачками коэффициентов степенного разло-
жения как функции параметров.
Так как средние заряды микрокапель в об-
лаке составляют 100—500 , то средний потен-
циал при концентрации аэрозоля (3—7·103 см–3)
не менее концентрации ионов (3·102—103 см–3)
будет намного больше и составит около 104—
106. Таким образом, о макрофазе аэрозоля (в
масштабах ~1 км) можно говорить как о термо-
динамической фазе, отличной от конденсиро-
ванной (107—108 В/см) и газовой (1—103 В/см)
фаз, с полями на границе разделов порядка
102÷103 В/см.
Уравнение сохранения заряда sh-Пуассона
[Белый, Зеленин, 2012] для сухой атмосферы
представляет собой условие самосогласован-
ного потенциала для электронов и ионов атмо-
сферы в гравитационном поле Земли. Осцилля-
ционная природа общих решений уравнений
имеет два источника:
а) вертикальная поляризация убегающих
электронов на фоне тяжелых ионов (линейный
множитель в уравнении);
б) горизонтальные осцилляции «плоского
дна», самосогласованного по полю потенциала
Больцмана (нелинейностью уравнения).
Кубическое приближение самосогласован-
ного уравнения sh-Пуассона [Белый, Зеленин,
2013] для параметра порядка i=eϕ kT пред-
ставляет собой поляризацию термализованной
части полного спектра электронов атмосферы
ρ(E,r), E~kT аналогично теории фазового пере-
хода первого рода [Ландау, 1937а,б]. Флуктуа-
ционная структура критической точки поляри-
зации аналогична структуре λ-точки кипения
для параметра свободной энергии. Решение со-
держит осцилляционные части эргодической
релаксации.
Тогда, чтобы получить уравнение для сред-
него потенциала ψ(q,r), необходимо усреднить
больцмановский фактор по распределению
частиц в облаке n(q), полагая заряд аэрозоль-
ной частицы как параметр, а потенциал ψ(q,r)
— согласно выражению ( )( , ) ( )q n q dqr r .
После процедуры усреднения уравнение для
среднего потенциала подсистемы аэрозоля за-
пишется в виде
( )
max
/ /
0
0
4 ( )
n
qU qUn q q e e dq , (1)
( )( ) ( )ez gz e u zu m+ ,
( )( ) ( )u z e u z .
Здесь n(q) — модельное распределение частиц
по зарядам; me — масса электрона; θ=kT; k —
постоянная Больцмана; T — температура, K;
g — сила тяжести; ρ0=en0, n0 — плотность пар
ионов или электронов; — заряд электронов;
u(z) — внешнее электростатическое поле; ϕ —
нулевой потенциал, привязанный к стандарт-
ному электростатическому потенциалу земной
поверхности σ=dQ/ds=–3,45·10–4 ед. СГСЭ/см2.
Распределение частиц по зарядам n(q) имеет
эмпирическую зависимость размера частицы
и ее среднего заряда в облаке при условиях
равновесия насыщения [Красногорская, 1972;
Аджиев, Тамазов, 1987; Шаповалов, 2003]:
q(m)=αm=αn=α(4/3)πr3σ, где σ — объемная плот-
ность молекул капли; α — коэффициент про-
порциональности, значение которого изменя-
ется в зависимости от содержания примесей в
капле и температуре ее замерзания.
В выражении (1) вместо модельного распре-
АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИРОДЫ СООТВЕТСТВИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ...
Геофизический журнал № 4, Т. 35, 2013 149
деления частиц по зарядам n(q) можно исполь-
зовать ряд эмпирических параметрических
распределений аэрозоля по размерам, напри-
мер: ( ) ( ) ( )6 2 3 325 4 exp 5 3m mn r V r r r r — кано-
ническое распределение Смолуховского для
броуновских частиц [Шишкин, 1964, с. 192];
q2exp(–q/Q) — экспоненциальное распределе-
ние по типу γ-распределения [Ивлев, Довга-
люк, 1999].
Если подставить в подынтегральное выра-
жение (1) распределение q2exp(–q/Q) и проинте-
грировать его, то нормировочные множители
в обеих частях сократятся и получится анали-
тическое выражение для обобщенной силы:
( ) ( )2
1
exp sinh
m
aq q Q q dq , (2)
где Q — зарядовая ширина распределения.
Для получения потенциала необходимо
выражение (2) для обобщенной силы допол-
нительно проинтегрировать по параметру ψa,
тогда
( ) ( ), , ,U m q m d
( )
1
22 21
m
Q
ae Q Q
Рис. 6. Зависимость среднего по-
тенциала U(ψa,m) от максималь-
ного заряда m: а — U(ψa,m=2) (1),
U(ψa,m=5) (2); б — гиперболиче-
ский потенциал ch(ψa); в — совме-
щенные потенциалы (а и б).
( )2 2 3 21 cosh ( )
m
Q
a a ae Q Q Q
( )
1
2 2 3 2 cosh ( )Q
a a ae m Q mQ Q m
( )2 21 2 sinh ( )
m
Q
a a aQ e Q Q
( ) ( )
1
2 22 sinhQ
a ae m Q mQ m , (3)
где m — максимальный заряд частицы; q — за-
ряд частицы; a e k T — параметр порядка;
k — константа Больцмана; — температура,
; ε — диэлектрическая проницаемость; e — за-
ряд электрона; — потенциал, усредненный
по зарядовому распределению.
Усредненный потенциал (3) представляет
собой самосогласованное поле с параметром
порядка ψa и пространственным распределе-
нием частиц разного заряда для эффективно-
го Лагранжиана: L=1/2 (ψa)2–U(ψa,m). Он пред-
ставляет собой еще более плоскую потенциаль-
ную яму типа «стакана» или «кастрюли» с боль-
шими градиентами, формирующими границу
Т. А. БЕЛЫЙ, Ю. А. ЗЕЛЕНИН
150 Геофизический журнал № 4, Т. 35, 2013
распределения аэрозоля облака. Зависимость
среднего потенциала U(ψa,m) от максимального
заряда m при усреднении по экспоненциаль-
ному распределению q2exp(–q/Q) представлена
на рис. 6.
Как видно из рис. 6, при совмещении потен-
циалов а и б происходит образование плоской
границы и излома границы фазы аэрозоля. Пе-
рераспределение зарядовых степеней свободы
приводит к более выраженной границе облака
и эргодическим флуктуациям поля ψa внутри
потенциальной ямы. Зарядовые степени свобо-
ды приводят к самосогласованному потенциалу
с еще более вертикальными стенками — чет-
кой границе фазы. Плоское дно обуславливает
свободные изменения потенциала в широких
пределах.
Экранирование в заряженном аэрозоле.
Степенное разложение правой части выраже-
ния (3) по параметру порядка 0 универ-
сально и для более сложных статистических
сумм в правой части уравнения и приводит к
кубичному приближению по типу фазовых пе-
реходов первого рода с перенормированными
параметрами, отражающими распределение
аэрозоля по размерам. Коэффициенты разло-
жения имеют многопараметрические зависи-
мости от модельного распределения:
( )( 2 3
1( , ) exp( 1 ) 1 3 6 6c m Q Q Q Q Q Q
( ))3 2 2 3exp( ) 3 6 6 am Q m m Q mQ Q ,
3 ( , ) ( 1 6exp( 1 )
( )2 3 4 51 5 2 6 12 12Q Q Q Q Q
( 5 41 6exp( ) 5m Q m m Q
)3 2 2 3 2 52 6 12 12m Q m Q mQ Q+ + + + +
( )(2 2 33 exp( 1 ) 1 3 6 6Q Q Q Q Q
( )))3 2 2 3 3exp( ) 3 6 6 am Q m m Q mQ Q .
Методический аспект состоит в том, что
даже в таком простейшем виде задача среднего
самосогласованного поля для подсистемы аэро-
золя нуждается в отдельном аналитическом ис-
следовании. Область флуктуации потенциала
значительно шире, чем для электростатическо-
го поля стандартной атмосферы, граница ярче
выражена (см. рис. 6). Выделилась внутренняя
область либрационно-флуктуационной неу-
стойчивости и фазовой границы как механизм
стратификации. Первый коэффициент разло-
жения c1(m,Q) соответствует дебаевской длине
экранирования 2
DL .
Такие резкие скачки потенциала наблюда-
ются в экспериментальных исследованиях об-
лаков [Брылев и др., 1989]. Прямое самолетное
зондирование слоистых облаков обнаружива-
ет гигантский дипольный слой ±1000 В/см на
границе фазы облака. Порядок внутренних
осцилляций облака составляет ±200 В/см при
стандартных вариациях среднего поля сухой
атмосферы ±100 В/м.
Качественно понятна природа удвоения пи-
ков поляризационного поля как эргодическая
релаксация бифуркации предельного цикла
для деформированного силой тяжести неги-
перболического сh-потенциала.
Можно предположить, что первичные про-
цессы внутреннего переноса зарядов аэрозо-
ля носят характер макрофлуктуаций по типу
фазового перехода первого рода — «зарядовая
опалесценция».
Выводы. Стратификация заряженной под-
системы сухой атмосферы имеет характер
поляризационных флуктуаций в критической
точке фазовых переходов первого рода с ком-
плексным параметром порядка термализован-
ного потенциала ионной подсистемы воздуха
ψi. На основе экспериментальных наблюдений
выявлена модовая структура вертикального
электрического поля атмосферы, обладающая
сезонной стабильностью. Количество полных
колебаний для нелинейной волны самосогла-
сованного электрического поля атмосферы Ez
составляет 20—24 до высоты 7 км. Изменение
среднего электростатического потенциала, об-
условленное сезоном и погодными явлениями,
сводится к изменению интенсивности основ-
ных групп пиков потенциала внутри волновых
пакетов вертикальной волны разделения заря-
дов (А, Б, В, Г). Средняя вертикальная протя-
женность полупериода огибающей потенциала
составляет 140—250 м, что по порядку величи-
ны соответствует величине отдельных частей
облачных образований в горизонтальной пло-
скости.
Экспериментальные наблюдения показали
соответствие вертикальной и горизонтальной
структур электрического облака, что соот-
ветствует симметрии оператора Пуассона от-
носительно перестановки пространственных
координат при h≤1 км (mgh<kT).
Обнаружена корреляционная связь макси-
мальных значений статистических диаграмм
высот образования облачности с нулевыми
точками вертикальной компоненты тензора
АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИРОДЫ СООТВЕТСТВИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ...
Геофизический журнал № 4, Т. 35, 2013 151
напряжения Гельмгольца Tzz для жидкости
[Ландау, 1989]. Также были получены корре-
ляционные зависимости между вертикальным
распределением водяного пара в атмосфере и
нулевыми значениями тензора Tzz. Несмотря на
то, что данные вертикальной компоненты элек-
трического поля брались за 1958 г., а данные
вертикального распределения пара — за 2002
и 2012 гг., ввиду универсальности соответствия
высот образования облачности и нулевых зна-
чений тензора Tzz, корреляционные зависимо-
сти оказались устойчивые за этот период, а ко-
эффициент корреляции составил r=0,96÷0,98.
Это говорит о том, что вертикальное электри-
ческое поле формирует стратификацию сухой
и заряженной подсистем атмосферы и может
выступать как климатическая характеристика
глобальной атмосферы.
Анализ корреляционных зависимостей вер-
тикального распределения пара и характери-
стических точек тензора Гельмгольца Tzz (см.
рис. 5) показал, что вертикальное распределе-
ние водяного пара (обычно следующим урав-
нению состояния , ) отражает особенности
вертикального распределения электрического
поля. Визуально это можно увидеть в моно-
графии [Leblanc et al., 2008, рис. 1, с. 357, 360].
Исходя из этого, можно сделать предположе-
ние, что существенный вклад в термодинами-
ку атмосферы дополнительно вносит процесс
электроиспарения воды.
Поляризационная неустойчивость системы
водяной пар — атмосфера в идеологии самосо-
гласованного поля разбивается на следующие
процессы:
гравитационная неустойчивость тяжелых
и легких ионов и электронов — решение
по типу функции Эйри;
классическая электрон-ионная неустой-
чивость как задача самосогласованного
поля многих тел — флуктуации в окрест-
ности предельного цикла для «плоского
дна» по типу гиперболического потенциа-
ла (двухпериодичность общего решения
эллиптического интеграла);
неустойчивость относительно распреде-
ления частиц по зарядам — усреднение
правой части самосогласованного урав-
нения sh-Пуассона с использованием эм-
пирических параметрических распреде-
лений аэрозоля по размерам.
Дополнительно флюидная фаза аэрозоля
выделяется уплощением «дна» потенциала и
крутизной его стенок (см. рис. 6). Можно пред-
положить, что механическая стабильность сло-
истой структуры атмосферы, а также стабиль-
ность фазы поляризованного пара как целого
достигается за счет внутренней электростати-
ческой поляризации электронной, ионной и
дипольной подсистем атмосферы. Электроста-
тическая стратификация является потенциаль-
ной основой для формирования межконтинен-
тальных «рек переноса» влаги. Важно отметить
следующее: эффект поляризации атмосферы
является квантовым или квазиклассическим.
Он обусловлен дифракционным рассеянием
термализованных электронов и самосогласо-
ванием их движения в ридберговском конти-
нууме ионизированного воздуха — квазиклас-
сической перколляцией.
В рамках предложенной модели самосо-
гласованного электростатического поля ат-
мосферы принципиально намечен путь вве-
дения среднего электростатического поля в
термодинамику облачности. Задача состоит в
том, чтобы переформулировать уравнение со-
стояния пара во внешнем электрическом поле
[Thompson, Thompson, 1928; Оболенский, 1934;
Русанов, 1978] с учетом полевой переменной
ψ . Определить полуэмпирический смысл ком-
плексного параметра диэлектрической про-
ницаемости в рамках нетермодинамических
макрофлуктуаций среднего поля образующей-
ся фазы, по аналогии с феноменологией фа-
зовых переходов Ландау. Предположительно
комплексную часть диэлектрической прони-
цаемости можно понять через скалярный по-
тенциал Ампера как реакцию токов смещения.
В общем случае для согласованного описа-
ния системы, состоящей из трех фаз (иони-
зированный газ, заряженный аэрозоль, кон-
денсированная фаза воды), необходимо три
параметра порядка:
параметр среднего поля сухой атмосферы
ψi;
параметр среднего поля аэрозоля ψ ;
классический параметр плотности 0
0e
для описания фазового перехода первого
рода вода—пар. Здесь ψ0 — молекулярное
поле раздела вода—воздух для функцио-
нала Ландау [Ландау, 1937а,б].
Природа параметра порядка для атмосферы
проявляется в гравитационной поляризации
фазы длиной поляризационной волны убе-
гающими электронами (осцилляции решения
Эйри с характерным масштабом около 4—9 км)
и кулоновской неустойчивостью (характерный
масштаб ~120—250 м, 1030 м). Гравитацион-
ная поляризация ридберговских состояний
заряженных частиц существенна в геофизи-
Т. А. БЕЛЫЙ, Ю. А. ЗЕЛЕНИН
152 Геофизический журнал № 4, Т. 35, 2013
Аджиев А. Х., Тамазов С. Т. Разделение электриче-
ских зарядов при кристаллизации капель воды
// Метеорология и гидрология. — 1987. — № 7.
— С. 57—62.
Антонченко В. Я, Давыдов А. С., Ильин А. В. Основы
физики воды. — Киев: Наук. думка, 1991. — 668 с.
Астафьева Н. М., Раев М. Д., Шарков Е. А. Изучение
полярного переноса в атмосфере Земли методами
дистанционного зондирования // Соврем. про-
блемы дистанц. зондирования Земли из космоса:
Физ. основы, методы и технологии мониторинга
окружающей среды, потенциально опасных явле-
ний и объектов: — Москва: ООО «Азбука-2000»,
2007. — Т. 2, Вып. 4. — С. 27—32.
Белый Т. А., Зеленин Ю. А. Об ионной и электро-
статической природе активации линейных об-
лачных аномалий над сейсмически активными
зонами // Геофиз. журн. — 2012. — 34, № 3. —
С. 145—154.
Белый Т. А., Зеленин Ю. А. Электростатическая
стратификация глобальной облачной систе-
мы самосогласованным полем метастабильной
электронно-ионной подсистемы атмосферы //
Геофиз. журн. — 2013. — 35, № 2. — С. 111—126.
Брылев Г. Б., Гашина С. Б., Евтеев Б. Ф., Камалди-
на И. И. Характеристики электрически активных
зон в слоистообразных облаках. — Ленинград:
Гидрометеоиздат, 1989. — 158 с.
Голубков Г. В., Голубков М. Г., Карпов И. В. Микровол-
новое излучение атмосферы, индуцированное
импульсным гамма-источником // Хим. физика.
— 2011б. — 30, № 5. — С. 61—74.
Голубков Г. В., Манжелий М. И., Карпов И. В. Химиче-
Список литературы
ская физика верхней атмосферы // Хим. физика.
— 2011а. — 30, № 5. — С. 55—60.
Ивлев Л. С., Довгалюк Ю. А. Физика атмосферных
аэрозольных систем. — Санкт-Петербург: НИИХ
СПбГУ, 1999. — 194 с.
Игнатов А. М., Коротченко А. И., Макаров В. П.,
Рухадзе А. А., Самохин А. А. Об интерпретации
вычислительного эксперимента с классической
кулоновской плазмой // Успехи физ. наук. —
1995. — 165, № 1. — С. 113—117.
Имянитов И. М., Чубарина Е. В. Электричество сво-
бодной атмосферы. — Ленинград: Гидрометео-
издат, 1965. — 240 с.
Красногорская Н.В. Электричество нижних слоев ат-
мосферы и методы его измерения. — Ленинград:
Гидрометеоиздат, 1972. — 323 с.
Кузнецов С. П. Нелинейная динамика лампы обрат-
ной волны // Изв. вузов. «ПНД». — 2006. — 14,
№ 4. — С. 3—35.
Ландау Л. Д. К теории фазовых переходов // ЖЭТФ.
— 1937а. — 7, вып. 1. — С. 19—32.
Ландау Л. Д. К теории фазовых переходов // ЖЭТФ.
— 1937б. — 7, вып. 5. — С. 627—632.
Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Электродинамика
сплошных сред. — Москва: Наука, 1982. — 624 с.
Математическая энциклопедия. Т. 5 / Под ред.
И. М. Виноградова. — Москва: Советская энци-
клопедия. 1985. — 1248 с.
Материалы конференции по итогам МГГ (1960)
и метеорологического изучения Антарктиды
(1959) // Под ред. К. Т. Логвинова. — Москва:
Гидрометеоиздат (отделение), 1961. — 365 с.
ческих масштабах атмосферы (10—30 км) и
элиминировалась в масштабах лабораторных
термодинамических экспериментов (1—10 м)
по определению параметров канонических
уравнений состояния. Единственным исклю-
чением является определение критических
параметров тройной точки флюида по грави-
тационному прогибу мениска [Антонченко и
др., 1991].
Введение среднего электрического поля
аэрозоля в термодинамику облачности возмож-
но переопределением классического параме-
тра плотности, записанного в больцмановской
форме, например пары конденсированная
фаза воды — фаза аэрозоля: 0
0
ae ; фаза
аэрозоля – фаза ионов: 0
i ae (это соответ-
ствует мультипликативному взаимодействию
по параметрам порядка ρ=ρ0ηiηa), где ηiηa — па-
раметр порядка для аэрозоля и ионной подси-
стемы. Такая программа требует дальнейших
исследований аэрозоля и ионов как активной
среды. Методически это означает, что собрать
правильно гамильтониан только из параметров
идеальных подсистем некорректно, необхо-
димо исследование взаимодействующих пар.
Эффект кулоновского взаимодействия не ад-
дитивен даже в приближении среднего поля.
Авторы выражают благодарность коллек-
тивам Главной геофизической обсерватории,
разработавшим аппаратуру, используемую ав-
торами, а также коллективу под руководством
И. М. Имянитова за помощь в организации из-
мерений и обработке материалов, без которых
данная работа не могла быть проведена.
АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИРОДЫ СООТВЕТСТВИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ...
Геофизический журнал № 4, Т. 35, 2013 153
Материалы наблюдений напряженности электри-
ческого поля атмосферы на различных высотах
по данным самолетного зондирования в период
международного геофизического года и меж-
дународного геофизического сотрудничества
1958—1959 гг. // Под ред. И. М. Имянитова. —
Ленинград: Гидрометеоиздат. — 1963. — 228 с.
Оболенский В. Н. Роль ионов, нейтральных и заря-
женных пылинок и химически активных ядер
при образовании облаков // Журнал геофизики.
— 1934. — 4, вып. № 1. — С. 90—103.
Рабинович М. И., Трубецков Д. И. Введение в тео-
рию колебаний и волн. — Москва: Наука, 1984.
— 431 с.
Русанов А. И. К термодинамики нуклеации на за-
ряженных центрах // Докл. АН СССР. — 1978.
— 238, № 4. — С. 831—834.
Синькевич А. А. Конвективные облака северо-запада
России. — Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат,
2001. — 107 с.
Ткачев А. Н., Яковленко С. И. О коллективных коле-
баниях метастабильной переохлажденной плаз-
мы // Краткие сообщения по физике ФИАН. —
1995. — № 11—12. — С. 67—72.
Ткачев А. Н., Яковленко С. И. Стохастическое воздей-
ствие и релаксация классической кулоновской
плазмы // Письма в ЖТФ. — 1997. — 23, № 17.
— С. 68—76.
Хесстведт Е. Космическая геофизика / Под ред.
А. Эгеланда, О. Холтера, А. Омхольта. — Москва:
Мир, 1976. — 90 с.
Чесноков М. Н., Казакова И. Н., Грызунова Т. В.,
Адрианова И. С. Испарение капель водных рас-
творов натрий — хлор в электрическом поле //
Физика аэродисперсных систем. — 2002. — № 39.
— С. 170—176.
Шаповалов А. В. Моделирование эволюции конвек-
тивных облаков с учетом электрических процес-
сов // Матем. моделирование. — 2003. — 15, № 4.
— С. 65—76.
Шишкин Н. С. Облака, осадки и грозовое электри-
чество. — Ленинград: Гидрометеоиздат, 1964.
— 403 с.
Hashinaga F., Kharel G. P., Shintani R. Effect of Ordi-
nary Frequency High Electric Fields on Evaporation
and Drying // Food Sci Technol., Int. — 1995. — 1
(2). — P. 77—81.
Leblanc F., Aplin K. L., Yair Y., Harrison R. G., Lebre-
ton J. P., Blanc M. Planetary Atmospheric Electricity.
— Springer, 2008. — 535 p.
Thomson J. J., Thomson G. P. Conduction of electric-
ity through gases. — Cambridge: Cambridge Univ.
Pres., 1928. — 1. — 310 p.
Takeda M., Yamauchi M., Makino M., Owada T. Initial
effect of the Fukushima Accident on atmospheric
electricity // Geophys. Res. Let. — 2011. — 38, № 15.
— L15811 10.1029/2011GL048511.
Yamachi R., Yoshikawa K., Kawamoto S. Ionic Wind
Generation and Water Evaporation by Applying
Electric Field // Proc. ICEE. — 2004. — № 2. —
P. 314—317.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-98989 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0203-3100 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:37:08Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Белый, Т.А. Зеленин, Ю.А. 2016-04-19T19:06:44Z 2016-04-19T19:06:44Z 2013 Аналитическое исследование природы соответствия электростатической и облачной стратификации атмосферы / Т.А. Белый, Ю.А. Зеленин // Геофизический журнал. — 2013. — Т. 35, № 4. — С. 140-153. — Бібліогр.: 33 назв. — рос. 0203-3100 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98989 437.21:551.576 Ретроспективний аналіз даних літакового зондування вертикальної компоненти напруженості електричного поля атмосфери виявив чотири мультиплетні групи піків до висот 7 км. Сезонна модова стійкість щільності об’ємного заряду ∂Ez/∂z, становить 20—24 повні коливання поля Ez. Установлено кореляційний зв’язок статистичних діаграм висот утворення хмарних горизонтів з рівноважними точками компонент тензора Гельмгольца Tzz, коефіцієнт кореляції r =0,94ч0,98. Аналогічні кореляції отримані за даними кулепілотних спостережень для вертикальних профілів розподілу вологи. Для підсистем у сильних внутрішніх полях (хмарах) наведено аналітичний аналог рівняння sh-Пуассона для самоузгодженого поля аерозолю. Згідно з результатами розрахунку великі заряди аерозолю і загальмований рух броунівських частинок концентрують водяну пару в околиці лібраційних точок рівноваги — іонних площинах. Retrospective analysis of airplane sounding of vertical component of electric field strength of atmosphere displayed four multiplet groups of peaks up to the height of 7 km. Seasonal mode stability of density of volume charge ∂Ez/∂z equal to 20—24 complete vibrations of the field Ez has been revealed. Correlative relation of statistical diagrams of the heights of cloudy horizons formation with equilibrium points of Helmholtz tensor components Tzz has been found. Correlation coefficient r was 0,94ч0,98. Analogous correlations have been obtained according to the data of pilot-balloon observations for the vertical profiles of moisture distribution. For subsystems in strong internal fields (clouds) analytical analogue of Poisson sh-equation for self-consistent field of aerosol has been given. Results of calculations demonstrated that heavy charges of aerosol and impeded movement of Browne particles concentrate water steam in the vicinity of libration points of equilibrium — ionic planes. Ретроспективный анализ данных самолетного зондирования вертикальной компоненты напряженности электрического поля атмосферы проявил четыре мультиплетные группы пиков до высот 7 км. Выявлена сезонная модовая устойчивость плотности объемного заряда Ez/z составляет 20-24 полных колебаний поля Ez. Обнаружена корреляционная связь статистических диаграмм высот образования облачных горизонтов с равновесными точками компонент тензора Гельмгольца Tzz. Коэффициент корреляции r составил 0,94-0,98. Аналогичные корреляции получены по данным шарпилотных наблюдений для вертикальных профилей распределения влаги. Для подсистем в сильных внутренних полях (облака) приведен аналитический аналог уравнения sh-Пуассона для самосогласованного поля аэрозоля. Результаты расчета показали, что большие заряды аэрозоля и заторможенное движение броуновских частиц концентрируют водяной пар в окрестностях либрационных точек равновесия -- ионных плоскостях. Авторы выражают благодарность коллективам Главной геофизической обсерватории, разработавшим аппаратуру, используемую авторами, а также коллективу под руководством И. М. Имянитова за помощь в организации измерений и обработке материалов, без которых данная работа не могла быть проведена. ru Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України Геофизический журнал Научные сообщения Аналитическое исследование природы соответствия электростатической и облачной стратификации атмосферы Analytical studies of the nature of correspondence between electrostatic and cloudy stratification of atmosphere Аналітичне дослідження природи відповідності електростатичної і хмарної стратифікації атмосфери Article published earlier |
| spellingShingle | Аналитическое исследование природы соответствия электростатической и облачной стратификации атмосферы Белый, Т.А. Зеленин, Ю.А. Научные сообщения |
| title | Аналитическое исследование природы соответствия электростатической и облачной стратификации атмосферы |
| title_alt | Analytical studies of the nature of correspondence between electrostatic and cloudy stratification of atmosphere Аналітичне дослідження природи відповідності електростатичної і хмарної стратифікації атмосфери |
| title_full | Аналитическое исследование природы соответствия электростатической и облачной стратификации атмосферы |
| title_fullStr | Аналитическое исследование природы соответствия электростатической и облачной стратификации атмосферы |
| title_full_unstemmed | Аналитическое исследование природы соответствия электростатической и облачной стратификации атмосферы |
| title_short | Аналитическое исследование природы соответствия электростатической и облачной стратификации атмосферы |
| title_sort | аналитическое исследование природы соответствия электростатической и облачной стратификации атмосферы |
| topic | Научные сообщения |
| topic_facet | Научные сообщения |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98989 |
| work_keys_str_mv | AT belyita analitičeskoeissledovanieprirodysootvetstviâélektrostatičeskoiioblačnoistratifikaciiatmosfery AT zeleninûa analitičeskoeissledovanieprirodysootvetstviâélektrostatičeskoiioblačnoistratifikaciiatmosfery AT belyita analyticalstudiesofthenatureofcorrespondencebetweenelectrostaticandcloudystratificationofatmosphere AT zeleninûa analyticalstudiesofthenatureofcorrespondencebetweenelectrostaticandcloudystratificationofatmosphere AT belyita analítičnedoslídžennâprirodivídpovídnostíelektrostatičnoííhmarnoístratifíkacííatmosferi AT zeleninûa analítičnedoslídžennâprirodivídpovídnostíelektrostatičnoííhmarnoístratifíkacííatmosferi |