СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ АТМОСФЕРЫ Российский патент 2010 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к области метеорологии, в частности к атмосферному электричеству, и может быть использовано для определения электрической проводимости атмосферы при аэрофизических, геофизических, электрохимических, метеорологических, биологических и других исследованиях.

Известен способ определения ионной проводимости воздуха, включающий измерение величины тока, текущего с внутреннего электрода аспирационного конденсатора, к внешнему и внутреннему электродам которого приложена постоянная разность потенциалов и воздух в котором движется с постоянной скоростью, обеспечивая ламинарный поток. Измеренная величина тока пропорциональна концентрации положительных или отрицательных легких ионов и определяет величину ионной проводимости воздуха как произведение измеренной концентрации на подвижность ионов, которая является постоянной величиной (Чалмерс Дж. А. Атмосферное электричество. Л.: Гидрометеоиздат.1974. С.159-161).

Недостатком данного способа является низкая точность измерения, т.к. подвижность осаждаемых на собирающий электрод ионов не измеряется, а фиксируется предельной подвижностью, определяемой знаком и заданным значением отклоняющего потенциала, расходом воздуха через аспирационный конденсатор и геометрией конденсатора.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения электрической проводимости атмосферы, включающий измерение плотности вертикального электрического тока и напряженности электрического поля и определение электрической проводимости из соотношения: σ_А=J_A/E_A, где J_A - плотность вертикального атмосферного электрического тока проводимости, Е_А - напряженность атмосферного электрического поля (Имянитов И.М. Приборы и методы для изучения электричества атмосферы. М.: Гостехиздат. 1957. С.328).

Недостатками данного способа является низкая точность измерения электрической проводимости атмосферы, т.к. определение величины плотности вертикального атмосферного электрического сопровождается значительными ошибками, обусловленными наличием конвективной составляющей атмосферного тока.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности определения электрической проводимости атмосферы за счет выделения сигналов в плотности вертикального аэроэлектрического тока и напряженности аэроэлектрического поля с периодами, соответствущими стационарному состоянию атмосферы, что способствует более точному определению разности фаз выделенных сигналов, т.к. в данный период времени отсутствуют турбулентное и конвективное перемешивание, дрейф объемных зарядов, аэрозоли и влажность, грозовая активность.

Технический результат достигается в способе определения электрической проводимости атмосферы, включающем синхронную регистрацию сигналов напряженности аэроэлектрического поля и плотности вертикального аэроэлектрического тока с заданным временным разрешением над земной поверхностью на фиксированной высоте, выделение сигналов, регистрируемых в напряженности аэроэлектрического поля и плотности вертикального аэроэлектрического тока с периодами T, соответствующими стационарному состоянию атмосферы, определение круговой частоты ω выделенных сигналов и соответствующей разности фаз φ сигналов, регистрируемых в плотности вертикального аэроэлектрического тока относительно сигналов, регистрируемых в напряженности аэроэлектрического поля и определение электрической проводимости атмосферы из соотношения

,

где ω - круговая частота, 1/с;

ε₀ - электрическая постоянная, Кл/(В·м);

φ - разность фаз между сигналами в напряженности аэроэлектрического поля и плотности вертикального аэроэлектрического тока, градус.

Отличительными признаками предлагаемого способа являются синхронная регистрация сигналов напряженности аэроэлектрического поля и плотности вертикального аэроэлектрического тока с заданным временным разрешением над земной поверхностью на фиксированной высоте, выделение сигналов, регистрируемых в напряженности аэроэлектрического поля и плотности вертикального аэроэлектрического тока с периодами Т, соответствущими стационарному состоянию атмосферы, определение круговой частоты ω выделенных сигналов, и соответствующей разности фаз φ сигналов, регистрируемых в плотности вертикального аэроэлектрического тока относительно сигналов, регистрируемых в напряженности аэроэлектрического поля, определение электрической проводимости атмосферы из вышеуказанного соотношения. Это позволяет повысить точность измерения. Синхронная регистрация сигналов напряженности аэроэлектрического поля и плотности вертикального аэроэлектрического тока позволяет определить разность фаз сигналов, зарегистрированных одновременно, что исключает систематическую ошибку при выделении сигналов. Заданное временное разрешение необходимо для повышения точности измерения разности фаз, т.к. позволяет провести нужное количество единичных синхронных измерений в единицу времени. Регистрация сигналов напряженности аэроэлектрического поля и плотности вертикального аэроэлектрического тока необходимо проводить на фиксированной высоте, т.к. электрическая проводимость атмосферы зависит от высоты над земной поверхностью, что обусловлено ионизацией атмосферы. Выделение сигналов, регистрируемых в напряженности аэроэлектрического поля и плотности вертикального аэроэлектрического тока с периодами Т, соответствущими стационарному состоянию атмосферы, позволяет получить оптимальное значение разности фаз, т.к. в это время отсутствуют такие явления, характеризующие электрическое состояние атмосферы, как турбулентное и конвективное перемешивание, дрейф объемных зарядов, аэрозоли и влажность, грозовая активность. Определение круговой частоты ω выделенных сигналов, и соответствующей разности фаз φ сигналов, регистрируемых в плотности вертикального аэроэлектрического тока относительно сигналов, регистрируемых в напряженности аэроэлектрического поля позволяют определить электрическую проводимость атмосферы с высокой точностью.

Способ определения электрической проводимости атмосферы осуществляется следующим образом.

Над земной поверхностью на фиксированной высоте синхронно с заданным временным разрешением регистрируют напряженности аэроэлектрического поля и плотности вертикального аэроэлектрического тока. Выделяют сигналы, регистрируемые в напряженности аэроэлектрического поля и плотности вертикального аэроэлектрического тока с периодами Т, соответствующими стационарному состоянию атмосферы. Определяют круговую частоту ω выделенных сигналов и соответствующую разность фаз φ сигналов, регистрируемых в плотности вертикального аэроэлектрического тока относительно сигналов, регистрируемых в напряженности аэроэлектрического поля. Электрическую проводимость атмосферы определяют из соотношения

,

где ω - круговая частота, 1/с;

ε₀ - электрическая постоянная, Кл/(В·м);

φ - разность фаз между сигналами в напряженности аэроэлектрического поля и плотности вертикального аэроэлектрического тока, градус.

Конкретный пример реализации способа определения электрической проводимости атмосферы.

Над земной поверхностью на высоте два метра установлены токовый коллектор и электростатический флюксметр. Токовый коллектор (регистрирует) измеряет величину плотности вертикального аэроэлектрического тока, электростатический флюксметр - величину напряженности аэроэлектрического поля. Регистрация сигналов осуществляется синхронно с заданным (10 отсчетов в секунду) временным разрешением. Из полученных в результате регистрации амплитудно-временных сигналов плотности вертикального аэроэлектрического тока и напряженности аэроэлектрического поля выделяются сигналы с периодами Т, соответствующими стационарному состоянию атмосферы, выделяют сигналы в плотности вертикального аэроэлектрического тока и напряженности аэроэлектрического поля с периодом Т=710 с, соответствующим стационарному состоянию атмосферы, затем определяют разность фаз φ=76° и рассчитывают электрическую проводимость приземной атмосферы из соотношения

,

что соответствует значению полной электрической проводимости приземной атмосферы.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить точность измерения электрической проводимости атмосферы и может быть использовано в метеорологии для определения электрической составляющей погоды и климата, в биологии и медицине для контроля чистоты и определения электрических параметров воздуха, а также при выполнении высокотехнологичных производственных и научно-исследовательских операций, требующих контроля электрического состояния окружающей среды.

Изобретение относится к области метеорологии, а более конкретно к атмосферному электричеству, и может быть использовано при аэрофизических, геофизических, электрохимических, метеорологических, биологических и других исследованиях. Сущность: над земной поверхностью на фиксированной высоте синхронно с заданным временным разрешением регистрируют напряженности аэроэлектрического поля и плотности вертикального аэроэлектрического тока. Выделяют сигналы, регистрируемые в напряженности аэроэлектрического поля и плотности вертикального аэроэлектрического тока с периодами, соответствующими стационарному состоянию атмосферы. Определяют круговую частоту выделенных сигналов и соответствующую разность фаз сигналов, регистрируемых в плотности вертикального аэроэлектрического тока относительно сигналов, регистрируемых в напряженности аэроэлектрического поля. Вычисляют электрическую проводимость атмосферы, используя полученные данные. Технический результат: получение более точных результатов.

Способ определения электрической проводимости атмосферы, включающий регистрацию напряженности аэроэлектрического поля и плотности вертикального аэроэлектрического тока, отличающийся тем, что регистрацию сигналов напряженности аэроэлектрического поля и плотности вертикального аэроэлектрического тока осуществляют синхронно с заданным временным разрешением над земной поверхностью на фиксированной высоте, выделяют сигналы, регистрируемые в напряженности аэроэлектрического поля и плотности вертикального аэроэлекрического тока с периодами Т, соответствующими стационарному состоянию атмосферы, определяют круговую частоту ω выделенных сигналов и соответствующую разность фаз φ сигналов, регистрируемых в плотности вертикального аэроэлектрического тока относительно сигналов, регистрируемых в напряженности аэроэлектрического поля, а электрическую проводимость атмосферы определяют из соотношения: ,
где ω - круговая частота, 1/с;
ε₀ - электрическая постоянная, Кл/(В·м);
φ - разность фаз между сигналами в напряженности аэроэлектрического поля и плотности вертикального аэроэлектрического тока, град.