ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ИОНИЗАЦИИ ВОЗДУХА НА ИОННОЕ ДАВЛЕНИЕ АТМОСФЕРЫ

Чукина А. М.¹ , Чукин В. В.²

¹студент, Российский государственный гидрометеорологический университет, метеоролог, Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова, ²канд. физ.-мат. наук, доцент,  Российский государственный гидрометеорологический университет

ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ИОНИЗАЦИИ ВОЗДУХА НА ИОННОЕ ДАВЛЕНИЕ АТМОСФЕРЫ

Аннотация

Проведено численное моделирование электрогидродинамических явлений в атмосфере. При моделировании учитывались изменения скорости ионизации атмосферы, концентрации положительных и отрицательных ионов, концентрации аэрозолей, а также коэффициенты прилипания легких ионов к аэрозолям. Показано, что при естественных условиях в значительном диапазоне значений скорости ионизации значения ионного давления незначительны. В то время как при высоких скоростях ионизации и значительном объемном заряде ионное давление может достигать 1.0 гПа, что может давать начало вертикальным движениям воздуха в атмосфере.

Ключевые слова: ионизация атмосферы, аэроионы, движение ионов, ионный ветер, ионное давление.

Chukina A.M.¹, Chukin V.V.²

¹Student, Russian State Hydrometeorological University, Meteorologist, Voeikov Main Geophysical Observetory, ²PhD in Physics and Mathematics, Associate Professor, Russian State Hydrometeorological University

INFLUENCE OF AIR IONIZATION RATE ON IONIC PRESSURE OF THE ATMOSPHERE

Abstract

Numerical simulations of electrohydrodynamic phenomena in the atmosphere are performed. During the simulation it has been taken into account changes in the ionization rate of the atmosphere, the concentration of positive and negative ions, the concentration of aerosols and the attachment coefficients of light ions to aerosols. It is shown that under natural conditions in a large range of values of the ionization rate ionic pressure are negligible. While at high ionization rates and considerable electrical charge ionic pressure can reach 1.0 hPa, which may give rise to vertical movements of air in the atmosphere.

Keywords: air ionization, air ions, ion movement, ion wind, ionic pressure.

Введение

С давних пор люди хотели предсказывать поведение погоды предлагая для этого различные методы начиная от примет и заканчивая сложными математическими моделями. Еще лорд Кельвин (У. Томсон) говорил о возможности составления прогноза погоды по электрическим характеристикам атмосферы. В настоящей работе предпринята попытка выяснить степень влияния ионного ветра на движения воздуха в атмосфере.

Все атмосферные ионы по подвижности условно можно разделить на две группы: легкие и тяжелые. Легкие ионы образуются в процессе ионизации воздуха вторичными галактическими космическими лучами или продуктами радиоактивного распада элементов, содержащихся в воздухе и почве. В то время как тяжелыми ионами называют атмосферные аэрозоли, которые приобретают электрический заряд посредством четырех механизмов электризации: диффузионного, коагуляционного, контактного и в результате фазовых переходов воды.

Ионный ветер в атмосфере есть не что иное, как движение воздуха в результате столкновений молекул и атомов с ионами, упорядоченно двигающимися под действием электрического поля. Известны исследования ионного ветра, выполненные еще в первой половине ХХ века в Главной геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова [1].

Математический аппарат

В данной работе осуществлена оценка влияния ионного ветра на атмосферное давление на основе уравнения, полученного ранее авторами [2]:

               (1)

где P – атмосферное давление, Па; g – ускорение свободного падения, равное 9.8 м/c²; T – температура воздуха, K; R_d – удельная газовая постоянная сухого воздуха, равная 287 Дж/(кг·К); F_ion – сила ионного ветра, Па/м.

Из уравнения (1) можно выделить часть, связанную с дополнительным давлением, создаваемым ионным ветром:

               (2)

Значения силы ионного ветра, создаваемого как легкими, так и тяжелыми ионами определяется уравнением [3]:

               (3)

где m_ion – масса иона, кг; v_ion – скорость ионов под действием электрического поля, м/с; N_ion – концентрация ионов, м^-3; Z₁₂ – число столкновений иона с нейтральными молекулами, с^-1. Различия между легкими и тяжелыми ионами заключаются лишь в их массах, размерах, подвижностях и концентрациях. Концентрация легких ионов определяется скоростью ионизации воздуха и концентрацией атмосферных аэрозолей, поглощающих легкие ионы.

Скорость движения ионов под действием электрического поля определяется значением напряженности электрического поля [5]:

               (4)

где E – напряженность электрического поля, B/м; b – подвижность ионов, В/(м·с).

Подвижность ионов зависит от их радиуса и заряда, а также от вязкости атмосферы [6, 7, 8]:

               (5)

где Q – заряд иона, Кл; η – динамическая вязкость атмосферы, кг/(м·с);  r_ion – радиус ионов, м; c_S  – поправка к закону Стокса на вязкость атмосферы; c_M  – поправка на вязкость частицы; c_C – поправка на ламинарность движения; c_A – поправка на массу частицы.

Исходя из предположения о равенстве электрических сил и сил сопротивления среды было получено уравнение для расчета числа столкновений иона с нейтральными молекулами:

               (6)

где m_a  – масса частицы аэрозоля, кг.

Значения концентрации легких положительных и отрицательных ионов вычисляются по формулам с учетом скорости ионизации и содержания аэрозолей в воздухе:

               (7)

               (8)

где  J_ion – скорость ионизации атмосферы, м^-3с^-1;  α – коэффициент рекомбинации легких ионов, м³/c;  и  – эффективные значения коэффициентов прилипания легких положительных и отрицательных ионов к аэрозолям, м³/c.

В отличие от традиционно использующихся формул расчета равновесных значений концентрации легких ионов, в формулах (7) и (8) не используется предположение о примерном равенстве концентраций N₊≈N_-.

Эффективные значения коэффициентов прилипания определяются формулами:

Результаты численного моделирования

Нами осуществлено численное моделирование взаимодействия легких и тяжелых ионов, оценен вклад каждого типа ионов в значение суммарного атмосферного давления. Зависимость давления, создаваемого легкими и тяжелыми ионами, от скорости ионизации воздуха при нормальном значении коэффициента униполярности  и различных концентрациях аэрозолей в воздухе представлена на рис. 1а. Аналогичную зависимость, только при коэффициенте униполярности , иллюстрирует рис. 1б.

Рис. 1 – Зависимость ионного давления от скорости ионизации воздуха при коэффициентах униполярности 1.2 (а) и 10^-4 (б)

Из вышеприведенных рисунков можно сделать вывод, что при малом различии между концентрациями положительных и отрицательных ионов наблюдаемое изменение давления под действием ионного ветра мало и составляет величину порядка 10^-4 Па.  В то время как при искусственной генерации отрицательного объемного заряда в атмосфере возможно возникновение ионного давления до 1.0 гПа.

Сравнивая кривые иллюстрирующие различные значения концентрации аэрозолей в атмосфере на рисунках 1а и 1б можно сделать вывод, что при высоких скоростях ионизации концентрация аэрозолей не влияет на значение давления ионного ветра.

Заключение

По результатам численных экспериментов проведенных для оценки значений ионного давления в зависимости от скорости ионизации атмосферы и содержания аэрозолей. Показано, что при высоких скоростях ионизации воздуха более 10⁷ м^-3c^-1 атмосферные аэрозоли практически не оказывают влияния на концентрацию легких ионов и ионное давление. В естественных условиях без источников искусственной ионизации ионное давление не превышает 10^-5 Па. Однако, в результате генерации одноименных ионов с помощью ионизатора воздуха со скоростью порядка 10¹⁴ м^-3c^-1 ионное давление достигает значений 0.1–1.0 гПа.

Полученные результаты позволяют объяснить наблюдения ионного ветра в атмосфере при сравнительно низких значениях электрических полей. Над местами расположения мощных ионизаторов воздуха появляются струи восходящего воздуха, образующиеся в результате упорядоченного движения большого количества ионов одного знака. Дальнейшие исследования должны быть направлены на экспериментальное подтверждение полученных теоретических положений путем проведения серии лабораторных опытов.

 

Литература

1. Френкель Я.И. Теория явлений атмосферного электричества. – М.: Либроком, 2009. – 154с.
2. Коронатова А.М., Чукин В.В. Влияние электрических характеристик на гидростатическое распределение атмосферного давления // Информационные технологии и математическое моделирование (ИТММ-2013): Материалы XII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием им.А.Ф.Терпугова (29-30 ноября 2013 г.). – Томск: Изд-во Том. ун-та, 2013. – Ч.2. – С.123-127.
3. Сивухин Д.В. Общий курс физики: Учебное пособие: Для вузов. В 5 т. Т.II. Термодинамика и молекулярная физика. – 5-е изд., испр. – М.: Физматлит, 2005. – 544 с.
4. Лапшин В.Б., Палей А.А. Устройство для воздействия на атмосферу. – Патент РФ №2007146522/11, 18.12.2007.
5. Электромагнитные предвестники землетрясений / Под ред. акад. М.А.Садовского. – М.: Наука, 1982. – 88 с.
6. Чукин В.В. Физические свойства атмосферы. Библиотека функций meteo 19.09.2005. – Спб.: Изд. «Система», 2005. – 112 с.
7. Kim S.H. Woo K.S., Liu B.Y.H., Zachariah M.R. Method of measuring charge distribution of nanosized aerosols // Journal of Colloid and Interface Science. – 2005. – Vol. 282. – P. 46-57.
8. Hinds W.C. Aerosol Technology: Properties, Behaviors, and Measurement of Airborne Particles. – Wiley, 1982.
9. Чукин В.В., Мельникова И.Н., Нгуен Т.Т., Никулин В.Н., Садыкова А.Ф., Чукина А.М. Диагностика ледяных ядер в облаках по данным прибора SEVIRI // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. – 2015. – Впечати.

References

1. Frenkel Ya.I. Teoriya yavleniy atmosfernogo elektrichestva. – M .: Librokom, 2009. – 154 s.
2. Koronatova A.M., Chukin V.V. Vliyaniye elektricheskikh kharakteristik na gidrostaticheskoye raspredeleniye atmosfernogo davleniya // Informatsionnyye tekhnologii i matematicheskoye modelirovaniye (ITMM-2013): Materialy XII Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii s mezhdunarodnym uchastiyem im.A.F.Terpugova (29-30 noyabrya 2013 g.). – Tomsk: Izd-vo Tom. un-ta, 2013. – CH.2. - S.123-127.
3. Sivukhin D.V. Obshchiy kurs fiziki: Uchebnoye posobiye: Dlya vuzov. V 5 t. T.II. Termodinamika i molekulyarnaya fizika. – 5-ye izd, ispr.. – M .: Fizmatlit, 2005. – 544 s.
4. Lapshin V.B., Paley A.A. Ustroystvo dlya vozdeystviya na atmosferu. – Patent RF №2007146522 / 11, 18.12.2007.
5. Elektromagnitnyye predvestniki zemletryaseniy / Pod red. akad. M.A.Sadovskogo. – M .: Nauka, 1982. – 88 s.
6. Chukin V.V. Fizicheskiye svoystva atmosfery. Biblioteka funktsiy meteo 19.09.2005. – Spb .: Izd. «Sistema», 2005. – 112 s.
7. Kim S.H. Woo K.S., Liu B.Y.H., Zachariah M.R. Method of measuring charge distribution of nanosized aerosols // Journal of Colloid and Interface Science. – 2005. – Vol. 282. – P. 46-57.
8. Khinds W.C. Aerozol' Tekhnologiya: svoystva, povedeniya, i izmereniye chastits v vozdukhe. – M., 1982.
9. Chukin V.V., Mel'nikova I.N., Nguyen T.T., Nikulin V.N., Sadykova A.F., Chukina A.M. Diagnostika ledyanykh yader v oblakakh po dannym pribora SEVIRI // Sovremennyye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa. – 2015. – In press.