Сопряженность электрических и оптических характеристик в аэрозольной атмосфере тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат физико-математических наук Овчаренко, Евгений Викторович

• Овчаренко, Евгений Викторович
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Овчаренко, Евгений Викторович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО В АТМОСФЕРЕ.

1.1. Возникновение электрического поля в атмосфере и основные закономерности его временной изменчивости

1.2. Временные изменения электрического поля.

1.3. Модельное представление электрических процессов в атмосфере.

ГЛАВА 2. АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ.

2.1. Автоматизированный комплекс для измерения характеристик атмосферного электричества.

2.1.1. Основные составляющие мониторинга атмосферного электричества.".

2.1.2 Аппаратура и методика измерения проводимости воздуха

2.1.3. Аппаратура и методика измерения напряженности электрического поля.

2.1.4. Методика учета искажений поля.

2.2. Аппаратурный комплекс и методика измерений электрических и оптических параметров в камере искусственных сред.

ГЛАВА 3. ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА

СТАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

3.1. Временная структура электростатического поля приземной атмосферы.

Региональные особенности годовой и суточной динамики изменения напряженности электрического поля

Методика спектральной обработки данных.

Выделение и моделирование суточного хода НЭП.

Исследование пространственной структуры электрического поля.

Основные причины изменчивости электрических характеристик атмосферы.

Сопряженность вариаций статических электрических и магнитных полей в антропогенных условиях.

Зависимость напряженности электрического поля от направления и средней скорости ветра.

Регрессионная модель взаимосвязи напряженности электрического поля и основных метеорологических характеристик.

ЭЛЕКТРО-ОПТИЧЕСКИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ

В АЭРОЗОЛЬНОЙ АТМОСФЕРЕ.

Связь коэффициента ослабления оптического излучения и напряженности электрического поля.

Особенности экспериментального исследования электрооптического соотношения

Экспериментальные исследования электрооптического соотношения в контролируемых условиях.

Экспериментальные исследования электрооптического соотношения в естественных условиях.

Фотоэлектрический нефелометр (принципы работы).

4.4.2. Зависимость коэффициента ослабления среды от напряженности электрического поля.

4.4.3. Измеритель спектральной прозрачности, (принципы работы).

4.4.4. Исследование корреляционных связей аэрозольного ослабления оптического излучения с напряженностью атмосферного электрического поля

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сопряженность электрических и оптических характеристик в аэрозольной атмосфере»

Атмосфера Земли - сложная система с многоуровневой структурой процессов, протекающих в ней. К таким процессам относятся метеорологические, оптические, электрические, магнитные и др., которым уделяется большое внимание на протяжении уже многих лет. Здесь определены основные характеристики, динамика их изменения на различных временных периодах и диапазоны изменчивости, построены математические модели, etc. Исследования сопряженности процессов занимают особое место, так как на их основе должны появиться новые методы диагностики атмосферы и прогноза различных атмосферных явлений. К числу этих исследований можно отнести такие, в которых устанавливаются взаимосвязи оптических и электрических характеристик при различных метеорологических условиях [28]. При этом следует отметить, что в атмосферном электричестве в настоящее время существует наибольшее число спорных вопросов в основополагающих посылках.

Закономерности изменения характеристик атмосферного электричества описаны в монографиях П.П. Тверского [90], X. Израэля [117], А. Чалмерса [102] и И.М. Имянитова [28]. Главным итогом этих работ являются гипотезы о природе электрического поля атмосферы, о механизмах работы глобальной атмосферно-электрической токовой цепи, данные об унитарных (суточном и годовом) вариациях напряженности электрического поля (НЭП) и причинах флуктуаций НЭП. Основные виды суточных вариаций электрического поля изучены в работе [29]. Среднегодовая величина напряженности электрического поля у поверхности Земли колеблется от десятков до нескольких сотен В/м. Электрическое поле атмосферы существенно зависит от широты: градиент потенциала электрического поля имеб ет минимальную величину на экваторе и монотонно увеличивается в сторону полюсов. Автором [39] исследованы спектры мощности непериодических колебаний напряженности электрического поля и выявлены 2 - 5-дневные, б - 9-дневные циклы повторяемости НЭП. Эти циклы совпадают с естественно-синоптическими периодами, связанными со временем смены погодных условий. Комплексные исследования спектральных характеристик электрического шума приземной атмосферы в диапазоне 2 • Ю-3 -г 1Гц проведены авторами [3]. Ими исследованы спектры флуктуаций напряженности электрического поля д5£(/) и плотности вертикального тока Sj(f) и предложено описание огибающих и 5/(/) в виде степенной функции с показателями 5/3 и 2/3 соответственно.

Вопросу о влиянии метеорологических характеристик на проводимость воздуха и напряженность электрического поля посвящено много работ [134, 75, 54]. Однако, они носят в основном описательный характер. Систематизацию экспериментальных данных, касающихся влияния метеорологических процессов на электрическое поле атмосферы, провел Филиппов А.Х. [97]. Он составил таблицу основных закономерностей связей метеорологических и электрических параметров. При этом он выделил наиболее вероятные физические процессы, влияющие на электрическое поле (при различных метеорологических условиях).

Атмосферное электричество является составляющей фона, на котором развиваются метеорологические процессы. Многими исследованиями показано, что характеристики атмосферного электричества подвержены сильным флуктуациям при развитии различных метеорологических процессов. Однако, воздействие атмосферного электричества на метеорологические процессы изучено недостаточно, хотя авторы [26] утверждают.,, что оно может повлиять на процессы 7 образования аэрозольных частиц и в целом на осадкообразование. Для уточнения вопроса связности электрических и метеорологических характеристик необходимо получение функциональной или корреляционной зависимости. Говоря о метеорологических и геофизических процессах, необходимо отметить, что в настоящее время проведена их классификация с привязкой к регионам, в которых существует их однородность. В различных регионах значения основных параметров, характеризующих атмосферу, могут отличаться в несколько раз вследствие существенного влияния подстилающей поверхности на электрические характеристики атмосферы. Поэтому необходимо выявление региональных особенностей поведения электрических характеристик.

Изучение взаимного влияния электрических и оптических параметров является одним из перспективных направлений в комплексном климато-экологическом мониторинге атмосферы вследствие того, что оптические методы обладают преимуществом скорости получения информации об удаленном объекте, а электрические параметры являются очень чувствительными к возмущениям. Одним из факторов изменчивости электрических параметров атмосферы является аэрозоль. Приземная атмосфера содержит в среднем 102 — 103см~3 аэрозольных частиц, большинство из которых заряжено. Под действием электрического поля аэрозольные частицы могут коагулировать, приобретать или терять заряды и т.д., тем самым менять оптические свойства атмосферы. Эффекты, протекающие при изменении оптических свойств среды, находящейся под воздействием электрического поля, называются электрооптическими. К числу известных линейных электрооптических явлений относятся, например, двойное лучепреломление, дихроизм. Кроме того, если частицы имеют неправильную форму, то при наличии электрического поля 8 они могут приобрести ориентацию, изменяя тем самым рассеивающие свойства среды. Сущность такого эффекта состоит в том, что при наложении или снятии электрического поля за счет постоянного или индуцированного дипольного момента изменяется ориентация несферических частиц. Если на среду будет воздействовать импульсное электрическое поле, то за счет диффузии ориентации после снятия поля коэффициент направленного рассеяния изменится от К(¿) до К(оо), и для электрооптического коэффициента можно записать соотношение [37, 87]: аопт(£) = аопт(0) • е~ьв\ (1) где аопт(0) - значение аопт в момент снятия поля, И - коэффициент вращательной диффузии.

Применительно к атмосферному аэрозолю появляются качественно новые возможности использования этого электрооптического эффекта [37], а именно:

1) определение коэффициента вращательной диффузии, непосредственно связанного с формой и размерами несферических частиц;

2) определение спектра распределения частиц по коэффициентам вращательной диффузии, то есть по размерам и форме;

3) изучение процессов трансформации размеров частиц при изменении температуры, влажности и других физических или химических параметров воздуха.

Другой электрооптический эффект связан с воздействием внешнего электрического поля на изометрические анизотропные частицы и проявляется при измерениях степени поляризации рассеянного оптического излучения. Будем считать, что тензор поляризуемости частицы в переменном электрическом поле на оптической частоте /Зц подчиняется условиям (Зц = 022 — /3ь/3зз = которые соответ9 ствуют случаю одноосных частиц

Для перпендикулярно поляризованной компоненты электрического вектора монохроматической волны, рассеянной в направлении 180° можно записать [19]:

Е± = аЙ " Al) sin2 0 cos2 <рЕоеЪк~2К*г\ (2) где I - расстояние от рассеивающей частицы до точки наблюдения, К\ - волновое число, Э - угол между направлением вектора напряженности постоянного поля и оптической осью частицы, <р - азимутальный угол положения частицы. Данный эффект позволяет определить напряженность электрического поля по деполяризации оптического излучения.

Анизотропия и трансформация аэродисперсных сред в электрическом поле изучена в работах [11, 13]. Изменение оптических характеристик аэродисперсных сред и влияние их на параметры распространения излучения описаны в [20].

В условиях атмосферных дымок важным является изменчивость напряженности атмосферного электрического поля (Е) за счет изменения концентрации ионизированных молекул воздуха вследствие их стока на атмосферный аэрозоль. На ионизацию молекул воздуха в основном влияют естественная радиоактивность и космическое излучение. Уменьшение концентрации легких ионов при их стоке на частицы аэрозоля приводит к уменьшению электрической проводимости воздуха Л и, соответственно, к росту напряженности электрического поля.

В фундаментальной обзорной работе И.М. Имянитова и К.С. Ши-фрина, посвященной проблемам атмосферного электричества [28], впервые было высказано предположение о существовании детерминированной связи между напряженностью атмосферного электриче

10 ского поля и метеорологической дальностью видимости (5т) в виде электрооптического соотношения. Выражение Е — С5"1, связывающее электрические Е и оптические 5т характеристики атмосферы, получено в предположении, что вариации 5ТО обусловлены только изменением концентрации частиц. На самом же деле указанные параметры зависят не только от числа частиц, но и от их размеров и вещественного состава, которые в зависимости от метеорологических условий могут значительно изменяться. Поэтому необходимо выяснить, как же в действительности в условиях реальной атмосферы (например для дымок) связаны между собой эти параметры, и какова роль частиц разных размеров в механизме стока легких ионов на аэрозоль. Для решения этих вопросов необходимо проведение специальных исследований статистических связей между вариациями напряженности атмосферного электрического поля и коэффициентами аэрозольного ослабления в широком диапазоне длин волн в различных погодных условиях.

На электрические и оптические свойства атмосферы влияет множество факторов. Потоки солнечного излучения, доходя до верхней атмосферы, изменяют конфигурацию и энергетическую структуру магнитосферы. С помощью электромагнитного механизма эти изменения передаются в нижние слои атмосферы, что, в свою очередь, трансформирует электрические характеристики [124]. Часть потока проникает в среднюю и нижнюю части атмосферы, ионизируя воздух и тем самым изменяя проводимость среды. Существует совокупность экспериментальных данных, подтверждающих факт влияния приземного электричества на магнитосферу. Резкие изменения электрических характеристик приземного слоя вследствие природных катаклизмов [7, 124](землетрясения и проч.) или сильных антропогенных влияний [36] находят отражение в изменениях характеристик

11 ионосферы и магнитосферы. В передаче возмущений в пространстве Земля - магнитосфера должен участвовать и атмосферный аэрозоль, который является причиной изменений оптических характеристик и характеристик атмосферного электричества. Атмосферный аэрозоль является носителем объемного заряда природного и антропогенного происхождения. Кроме того, частицы аэрозоля являются центрами интенсивного стока зарядов, что, в свою очередь, изменяет динамику флуктуаций электрических характеристик.

Оптические и электрические свойства атмосферы формируются во многом одинаковыми факторами: составом и концентрацией аэрозолей, облачными образованиями, испарением воды с поверхности Земли и т.д. Нахождение функциональных или корреляционных связей между оптическими и электрическими параметрами атмосферы приведет к пониманию взаимосвязи соответствующих разделов физики атмосферы, что послужит основой для решения ряда прикладных задач. К числу наиболее важных относятся следующие: разделение зарядов под воздействием тех или иных факторов (природных или антропогенных) изменяет поле, если существуют корреляционные связи между вариациями электрического поля и каким - либо оптическим параметром атмосферы (например, прозрачностью), то по изменениям поля можно судить об изменениях оптического состояния приземного слоя. Восстановление значений атмосферного электричества из оптических параметров является весьма актуальной задачей. Оптические методы позволяют существенно расширить пространственную картину и увеличить скорость получения информации. В свою очередь, электрические характеристики очень чувствительны к возмущениям любого рода и явно зависят от скорости ионизации, что позволяет судить об уровне возмущенности приземного слоя атмосферы.

12

Неотъемлемой частью исследований атмосферы, как среды обитания человека, является изучение влияния оказываемого на человеческий организм. В результате индустриальной деятельности изменяются свойства подстилающей поверхности, быстрыми темпами наращивается строительство энергетических и и энергоемких установок, осваиваются новые диапазоны частот радиовещания и проч. Вследствие этой деятельности электромагнитный фон резко меняется, особенно в последние годы. Мнения относительно влияния этих изменений на биосферу разноречивы. Одни авторы [77] предупреждают о катастрофических последствиях столь резкого (на 2-5 порядков) изменения фона, другие [34] - относят влияние электрических и магнитных полей Земли на человека к разряду слабых. Тем не менее, авторы многочисленных статей признают существование этой проблемы. Об ее значимости свидетельствует большое количество работ. За последние десятилетия тематике воздействия электромагнитного фона на человека посвящено несколько тысяч публикаций. Необходимо отметить также, что число публикаций в области изучения воздействия магнитного поля превосходит в 2 раза количество публикаций в области исследования воздействия электрического поля. Доля же публикаций о воздействии переменных полей с частотами 1-1000 Гц колеблется от 3 до 9 процентов от общей массы. В то же время, признанным фактом считается существование в диапазоне частот 0 - 50 Гц резонансных частот человеческого организма [76], однако, этот диапазон в исследованиях флуктуаций электрического поля почти не исследовался (за исключением [129]). Все сказанное позволяет сделать вывод об актуальности исследований влияния электрических полей и их флуктуаций на живые объекты (в том числе и на человека). Эти исследования затруднены сложностью сопоставления ответных реакций организма на то или иное воздействие

13 и невысоким уровнем развития комплексного подхода к изучению пограничных задач.

Таким образом, исследования сопряженности электрических, оптических и метеорологических параметров является источником новых задач и обуславливают актуальность данной диссертационной работы.

Цель диссертационной работы заключалась в уточнении существующих представлений о взаимосвязях между оптическими и электрическими характеристиками атмосферы, степени влияния геофизических и метеорологических процессов на параметры атмосферного электричества, а также выявление общих механизмов изменчивости электрических и оптических процессов в аэрозольной атмосфере.

Основные задачи исследований состояли в следующем:

1. Создание аппаратурного комплекса, разработка методов, алгоритмов и программного обеспечения для мониторинга атмосферного электричества.

2. Проведение исследований электрооптического соотношения в дымках различной плотности и при различных метеорологических условиях.

3. Установление статистических связей оптических и метеорологических характеристик атмосферы с электрическими параметрами приземного слоя атмосферы.

4. Региональное исследование годового и суточного трендов, а также спектральной структуры напряженности электрического поля.

Методы исследований.

Для достижения поставленной цели:

- при исследованиях атмосферного электричества использовался метод статических генераторов (для получения напряженности электрического поля) и метод рассеивающего поля - для определения

14 проводимости атмосферы;

- для определения параметра Ми и его изменений, при исследованиях взаимосвязи электрических и оптических характеристик в контролируемых условиях камеры искусственных сред применялась методика, в которой использовалось рассеянное со стороны излучение от точечного источника;

- при построении модели взаимосвязи напряженности электрического поля и метеорологических параметров в качестве параметров модели выбирались не сами абсолютные значения температуры, влажности и давления, а их стандартные отклонения.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Основная спектральная плотность мощности спектра низкочастотных флуктуаций напряженности электрического поля, в условиях хорошей погоды распределена в диапазоне 0-10 Гц. При дожде и снегопадах спектр флуктуаций трансформируется из-за флуктуаций концентрации частиц и направления их движения, и основная спектральная плотность мощности спектра перераспределяется в диапазон 10 - 25 Гц.

2. В процессе стока легких ионов на атмосферный аэрозоль субмикронная фракция играет преобладающую роль.

3. Аппроксимирующее выражение, связывающее напряженность электрического поля с давлением, влажностью и температурой, построенное в виде трехмерного полинома второго порядка, позволяет восстанавливать значения напряженности электрического поля с погрешностью 8-10

4. Теоретические и экспериментальные исследования электро-опти-ческого соотношения в модельных и натурных условиях показали: а) в контролируемых условиях для мелкодисперсной среды (древесные дымы) детерминированная связь между напряженностью

15 электрического поля и метеорологической дальностью видимости устойчива (с коэффициентом корреляции близким к 1); б) в реальных атмосферных дымках в диапазоне изменения а(0.56) 0.1 - 0.2 км-1 коэффициент корреляции между вариациями аэрозольного ослабления и напряженности электрического поля изменяется в пределах 0.3 - 0.47. в) в плотных дымках (при се(0.56) большем 0.2) с повышением относительной влажности воздуха до 80% максимальное значение коэффициента корреляции между напряженностью электрического поля и коэффициентом аэрозольного ослабления составляет 0.5.

Достоверность полученных результатов и выводов определяется физической обоснованностью моделирования процессов, использованием статистически больших рядов данных наблюдений, сравнением результатов численного моделирования с экспериментальными данными и совпадением полученных результатов с данными других авторов, в частности:

1. Анализ взаимной динамики изменения коэффициентов а(Х) на разных длинах волн и напряженности электрического поля Е в дымках разной плотности подтвердил, что предположение, выдвинутое другими авторами [103], о преобладающей роли субмикронной фракции в стоке легких ионов верно.

2. Усредненный годовой ход напряженности электрического поля совпадает с данными других авторов [42], приведенных для различных регионов северного полушария.

3. Динамика суточной вариации совпадает с данными [104], приведенными для пунктов наблюдения на близких широтах, совпадает с опубликованными эксперементальными данными.

4. Функция, описывающая спектральное распределение флукту-аций напряженности электрического поля в диапазоне 0-1 Гц

16 = где в = 0.5 при среднеквадратичном отклонении - 0.1, совпадает с опубликованными экспериментальными данными [3]. Разброс значений я объясняются геофизическими различиями в пунктах наблюдений и отличием условий "хорошей погоды" в этих пунктах.

5. Совпадение радиуса автокорреляции для всех параметров, включенных в модель (температура, влажность и давление) - позволяет, в рамках линейной меры близости, восстанавливать значения напряженности из метеорологических измерений с остаточной дисперсией 8% при доверительной вероятности 0.67.

Научная новизна данной работы состоит в том, что в диссертации поставлена задача комплексного исследования сопряженности электрических, оптических и метеорологических параметров, сформулированы пути решения, разработаны методы исследования и намечены перспективы использования результатов. Впервые проведены целенаправленные исследования электрооптического .соотношения в контролируемых и натурньгк условиях, результаты которых позволили определить границы его применимости.

Научная ценность

В работе получены следующие новые результаты:

1. На основании трехлетнего цикла измерений характеристик электрического поля в международные геофизические дни выявлена годовая динамика поведения напряженности электрического поля для района г. Томска. Отмечена особенность поведения напряженности » электрического поля в 1997 г., заключающаяся в уменьшении значений напряженность электрического поля от января к марту, в то время как по другим данным в этот же период на этих широтах наблюдается рост напряженности электрического поля.

2. Исследована спектральная структура флуктуаций напряжен

17 ности электрического поля в диапазоне частот 0-40 Гц. Основная спектральная плотность мощности спектра находится в диапазоне 0-10 Гц, так же как и у процессов, ответственных за флуктуации напряженности электрического поля в условиях хорошей погоды (изменения ионной концентрации и флуктуации параметров магнитного поля). Вследствие нарушения условий хорошей погоды, при дожде и выпадении снега, спектр флуктуаций трансформируется. Амплитуды сигнала увеличиваются, и основная мощность перераспределяется в диапазоне 10 - 25 Гц. В этом же диапазоне находится максимум частотного спектра флуктуаций прозрачности атмосферы при осадках, что указывает на общий механизм, приводящий к флуктуациям Е и прозрачности атмосферы.

3. Аппроксимирующая функция усредненного спектра флуктуаций электрического шума в диапазоне 0 - 1 Гц убывает по степенному закону 5(/) = f~s, предложенному в [3], но с показателем в = 0.5, при среднеквадратичном отклонении - 0.1.

4. Экспериментально подтверждено, что в контролируемых условиях камеры искусственных сред связь между электрическими и оптическим параметрами в виде электрооптического соотношения (.Е = СЗ^1) существует и устойчива с коэффициентом корреляции близким к 1. Определены границы применимости этого соотношения в естественных атмосферных дымках.

5. Исследована взаимосвязь электрических и метеорологических характеристик атмосферы г. Томска.

6. На основании синхронизованных измерений построено аппроксимирующее выражение, связывающее напряженность электрического поля атмосферы с метеорологическими параметрами (давлением, влажностью, температурой).

7. В районе г. Томска, в слабо возмущенных и спокойных уело

18 виях для магнитного поля и при "хорошей погоде" для электрического поля, обнаружена согласованность изменений электрических и магнитных составляющих на уровне коэффициента корреляции 0.5 -0.67. На достаточно длинных временных рядах, охватывающих двое и более суток, коэффициент корреляции снижается и становится незначимым.

Практическая ценность

Практическая ценность работы заключается в том, что:

1. Проведенные экспериментальные исследования электрооптического соотношения в модельных средах и реальной атмосфере позволяют разработать методы оптической диагностики напряженности электрического поля с учетом метеорологических параметров.

2. Синхронные исследования электрических и магнитных характеристик в районе г. Томска позволили оценить уровень их взаимосвязи на средних широтах.

3. Построена модель вертикального профиля напряженности электрического поля в чистой атмосфере, с помощью которой можно описать большинство имеющихся в литературе экспериментальных фактов.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Международном симпозиуме по мониторингу окружающей среды и проблемам солнечно-земной физики (Томск, 1996г.), Четвертом Международном Пущинском симпозиуме "Корреляции биологических и физико-химических процессов с космическими и гелио-геофизическим] факторами" (Пущино-1996г.), III Межреспубликанском симпозиуме "Оптика атмосферы и океана" (Томск-1996), V Международном симпозиуме "Оптика атмосферы и океана" (Томск-1998), Международной школе молодых ученых и специалистов "Физика окружающей среды" (Томск-1998), Третьем Сибирском конгрессе по прикладной

19 и индустриальной математике (ИНПРИМ-98), посвященной памяти С.Л. Соболева (Новосибирск-1998), III Региональном симпозиуме по Климато-экологическому мониторингу (Томск -1998), II Сибирском совещании по климато-экологическому мониторингу. (Томск -1997), Международной конференции "Физика атмосферного аэрозоля" (Москва 1999).

Взаимоотношения с соавторами. Основные результаты диссертации, опубликованные в 30 работах, являются оригинальными и получены в результате совместной работы с соавторами. Исследования временных характеристик электрических параметров атмосферы, создание методик проведения экспериментов, модернизация программного обеспечения для автоматизированного комплекса "ЕЬЕ-ИЕЫЭ", исследование сопряженности магнитных и электрических параметров атмосферы, исследование влияния направления и скорости ветра на характеристики электрического поля были проведены автором лично. Исследования электрооптического соотношения проводились в тесном сотрудничестве с Пхалаговым Ю.А. и Ужеговым В.Н. Построение аппроксимационной модели сз'точного тренда напряженности электрического поля и регрессионной модели связи напряженности электрического поля с основными метеорологическими • параметрами проводилось совместно с доцентом Калайдой В.Т. Исследование пространственного распределения напряженности электрического поля проводилось совместно с Соковцом И.Г.

Структура работы .Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, 38 рисунков, б таблиц и списка литературы из 145 наименований. Общий объем - 155 страниц.

Заключение диссертации по теме «Оптика», Овчаренко, Евгений Викторович

Основные результаты и выводы по диссертационной работе в целом можно сформулировать в следующем виде:

1. Экспериментально подтверждена выполнимость электрооптического соотношения, связывающего электрические и оптические характеристики приземного слоя атмосферы в контролируемой (в камере искусственных сред) и естественной атмосфере. Проведенный комплекс синхронных измерений позволил заключить: а) электрооптическое соотношение достоверно выполняется лишь в монодисперсных аэрозольных средах камеры искусственных сред; б) вследствие сложного и достаточно сильного влияния метеорологических, геофизических и антропогенных процессов электрооптическое соотношение выполняется в естественной атмосфере на уровне корреляционных связей; в) коэффициенты аэрозольного ослабления о;(Л) имеют значимую положительную корреляцию с напряженностью электрического поля в области спектра Л = 0.44 — 2 мкм; г) полученные данные подтверждают гипотезу о существенном влиянии мелких частиц на напряженность атмосферного электрического поля.

2. Натурные эксперименты позволили "выявить годовую и суточную динамику напряженности электрического поля и построить ап-проксимационную модель суточного тренда НЭП, имеющую 3 - 5%-ное среднеквадратичное отклонение от экспериментальных данных.

3. Исследования спектров флуктуаций напряженности электрического поля в диапазоне 0 - 40 Гц позволили выявить расположение основной мощности спектров флуктуаций НЭП в условиях " хорошей погоды" и при метеорологических возмущениях.

146

4. Основываясь на классических представлениях физики ионизованной плазмы, получено аналитическое выражение зависимости Е(г) до высот 30 км;

5. Исследования сопряженности электрических и магнитных характеристик атмосферы показали, что на средних широтах напряженность электрического поля и Н - компонента магнитного поля при спокойных геофизических условиях связаны с коэффициентом корреляции 0.5 - 0.7.

6. На основании проведенного анализа синхронных измерений напряженности электрического поля, влажности, давления и температуры построена аппроксимирующая регрессия, позволяющая восстанавливать значения НЭП из метеоданных с погрешностью 3 - 5%, при доверительной вероятности 0.67.

Автор благодарен коллективу кафедры оптико-электронных систем и дистанционного зондирования ТГУ, кафедры космической физики и экологии ТГУ, сотрудникам института "Оптики атмосферы и океана", сотрудникам института "Оптического мониторинга" за помощь в получении и обсуждении результатов, изложенных в диссертации, за полезные дискуссии и внимание, способствовавшие выполнению диссертационной работы.

147

Заключение