Пример готовой дипломной работы по предмету: Физика
Содержание
О Г Л А В Л Е Н И Е
Введение. 3
1. Термодинамика приземного слоя атмосферы 4
1.1 Температурная стратификация приземного слоя 4
1.2 Адиабатические процессы в атмосфере. Адиабатический градиент температуры 6
1.3 Причины вертикальных движений в приземном слое и его устойчивость 8
1.4 Условия термической устойчивости приземного слоя 11
1.5 Влияние термической и динамической устойчивости на развитие турбулентности в атмосфере. 12
2. Электрические процессы в приземном слое атмосферы 15
2.1 Ионизаторы приземного слоя. 15
2.1.1 Космические лучи 15
2.1.2 Естественная радиоактивность. Радиоактивные эманации. Радон-222 16
2.2 Атмосферные ионы 20
2.2.1 Ионообразование и пропадание ионов в приземной атмосфере. Ионизационно-рекомбинационное уравнение. 20
2.2.2 Спектр атмосферных ионов. 23
2.3 Электропроводность приземного слоя. Ток проводимости 27
2.4 Проблема «хорошей погоды» в атмосферном электричестве (на основании работы Израэльссона [9]) 29
3. Пространственно — временные вариации физических параметров приземного слоя при его различной термической устойчивости 37
3.1 Измерительные приборы и методы обработки экспериментальных данных, полученных в период геофизических экспедиций ПИ ЮФУ 2008-2009 г.г. 37
3.1.1 Измерение метеорологических характеристик приземного слоя атмосферы 37
3.1.2 Измерение вертикальных профилей удельной электропроводности атмосферы вблизи земли. 40
3.1.3 Измерение профилей концентрации радона-222 45
3.2 Результаты исследований особенностей вариаций физических характеристик приземного слоя при различной стратификации его температуры. 47
3.4 Исследование критериев «хорошей погоды» в атмосферном электричестве с учетом устойчивости приземного слоя 58
Заключение 63
Список литературы: 64
1.3 Причины вертикальных движений в приземном слое и его устойчивость
Существуют две основные причины упорядоченного вертикального движения воздуха вблизи Земли — механическое вытеснение и конвекция.
Механическое вытеснение воздуха происходит при движении воздушного потока над земной поверхностью при наличии неровностей рельефа или же растительного покрова: воздух вынужден подниматься, обтекая преграду.
1.4 Условия термической устойчивости приземного слоя
Принято различать неустойчивую , устойчивую и безразличную стратификацию атмосферы. Здесь γa=1°/100 м — адиабатический градиент, о котором мы упоминали ранее: изменение температуры смещающейся по вертикали воздушной частицы с высотой, — градиент температуры окружающего частицу воздуха.
Различная устойчивость атмосферы в свою очередь формирует различные физические ситуации и проявляется в различных термодинамических условиях. При неустойчивой стратификации в атмосфере развиваются конвективные движения, что способствует ее вертикальному перемешиванию. В итоге стираются вертикальные градиенты физических величин и концентраций примесей, и выравниваются значения параметров атмосферы на разных уровнях. Устойчивая стратификация не способствует вертикальному перемешиванию слоев, так как конвекция не возникает. Безразличная стратификация соответствует промежуточному состоянию приземного слоя в этом отношении. Устойчивость приземной атмосферы наряду со скоростью ветра влияет, в частности, на турбулентное перемешивание, от которого зависит распределение атмосферных примесей.
2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ
2.1 Ионизаторы приземного слоя.
В конце XIX столетия было обнаружено, что воздух может проводить электричество. На основании различных исследований было также выявлено, что своей проводимостью воздух обязан наличию в нем заряженных частиц – ионов. Процесс, который приводит к образованию ионов, называется ионизацией. Физика процесса ионизации состоит в том, что под воздействием внешнего агента молекуле или атому газа может быть передана энергия, которая будет достаточной для того чтобы удалить один из наружных валентных электронов из сферы действия ядра. В результате этого процесса нейтральный атом становиться положительно заряженным, а выделившийся электрон почти мгновенно присоединяется к одному из нейтральных атомов и образует отрицательный ион. Молекулы, ионизированные таким образом, будут парными, будут иметь молекулярный размер и нести по одному элементарному заряду. Существуют разнообразные ионизаторы атмосферного воздуха: космические лучи, радиоактивные излучения, ультрафиолетовые и корпускулярное излучение Солнца, фотоэлектрический эффект. Для ионизации приземного слоя атмосферы над континентами наиболее важны космические лучи и радиоактивные излучения земли и атмосферы.
3. ПРОСТРАНСТВЕННО — ВРЕМЕННЫЕ ВАРИАЦИИ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ ПРИ ЕГО РАЗЛИЧНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ
3.1 Измерительные приборы и методы обработки экспериментальных данных, полученных в период геофизических экспедиций ПИ ЮФУ 2008-2009 г.г.
Метеорологические измерения являются непременной частью экспедиционного комплекса измерений, поскольку, как показал опыт исследований, это способствует пониманию физических процессов в атмосфере и позволяет успешнее описывать результаты атмосферно-электрических наблюдений.
Для анализа различных стратификаций атмосферы и группировки данных была проведена работа для отыскания параметра стратификации. Устойчивость атмосферы оценивалась по параметру, рассчитываемому на основании данных градиентных измерений метеоэлементов в приземном слое. Характеристики атмосферы усреднялись для каждого типа условий, рассчитывались параметры их вариаций. Осуществление непрерывной регистрации метеопараметров в экспедиции 2009 года позволило получить новую информацию о характере их временных вариаций в зависимости от устойчивости приземного слоя атмосферы.
3.1.1 Измерение метеорологических характеристик приземного слоя атмосферы
Измерение температуры и влажности воздуха. Для измерения температуры и определения характеристик влажности воздуха на уровнях 0,5; 1,0; 2,0 метра использовались аспирационные психрометры Ассмана, которые перед началом измерений тщательно сверялись. 3.1.2 Измерение вертикальных профилей удельной электропроводности атмосферы вблизи земли.
Измерение электропроводности атмосферы вблизи земли осуществлялись прибором Гердиена системы Литвинова, работающим по методу разряда. Применявшийся в работе аспирационный цилиндрический конденсатор имел следующие характеристики: длина внутреннего электрода-
20. мм, его радиус– 3,5 мм, радиус наружного электрода –
3. мм. Наружный электрод конденсатора заземлялся. Также для создания воздушного ламинарного потока наружный электрод снабжен раструбами. Внутренний собирающий электрод соединен с электростатическим вольтметром C-50, закреплен на его входном изоляторе. Скорость аспирации потоков воздуха в конденсаторе определялась ручным чашечным анемометром, который был установлен перед аспиратором за собирающим электродом.
3.2 Результаты исследований особенностей вариаций физических характеристик приземного слоя при различной стратификации его температуры.
Успех анализа атмосферно-электрических данных определяется в значительной степени тем, как результаты эксперимента сгруппированы. Важно обеспечить однородность массивов, полученных при группировке, с точки зрения физических условий.
Исследования атмосферных характеристик показывают, что электрическое состояние приземного слоя в значительной степени зависит от его стратификации. Устойчивость приземной атмосферы влияет, в частности, на турбулентное перемешивание, от которого зависит распределение атмосферных примесей.
В качестве параметра стратификации приземного слоя в работе использовался параметр, обозначаемый далее как m, где — универсальная функция теории подобия.
Функция зависит от числа Ричардсона:
.
(3.26)
Как видно, число Ричардсона определяется градиентом температуры и градиентом скорости ветра.
В методе Орленко [27], использованном нами, универсальная функция зависимости от Ri определяется по различным формулам:
• при (безразличная стратификация, m=1) ,
• при (неустойчивая стратификация, m>1) ,
• при (устойчивая стратификация,
Выдержка из текста
Электрическое состояние приземного слоя в значительной мере обусловлено термодинамикой атмосферы вблизи земной поверхности, поскольку ею определяется перенос важных для атмосферно-электрических процессов примесей: радиоактивных изотопов, водяных паров, аэрозолей различного происхождения. Изменения интенсивности перемешивания приземного слоя, связанные как с регулярными суточными ритмами, так и с процессами циркуляции атмосферы разного масштаба, модулируют процессы ионизации и формирования электрической структуры приземного слоя, влияя на распределение концентрации природных радиоактивных газов в приземной атмосфере. Представляется интересным исследовать влияние термодинамических факторов на электрическое состояние приземного слоя.В связи с намеченной целью решались следующие задачи:
1. регистрация метеорологических и атмосферно-электрических характеристик в период геофизических экспедиций ПИ ЮФУ;
2. обработка, группировка полученных экспериментальных данных, систематизация материала с учетом устойчивости атмосферы;
3. поиск закономерностей, построение графиков, анализ полученных результатов, их физическая интерпретация;
4. формулировка выводов, подведение итогов, поиск перспектив применения результатов в теории и на практике.
Список использованной литературы
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Хромов С.П., Мамонтова Л.И. Метеорологический словарь//Л: Гидрометеоиздат, 1974. 41 с.
2. Тверской П. Н. Атмосферное электричество.// Л.: Гидрометеоиздат, 1949. 252 с.
3. Винниченко Н. К., Пинус Н. З., Шметер С. М., Шур Г. Р. Турбулентность в свободной атмосфере. // Л.: Гидрометеоиздат, 1968. 337 с.
4. Красногорская Н.В. Электричество нижних слоев атмосферы и методы его измерения. Л.: Гидрометеоиздат, 1972 г. 323 с.
5. ГОСТ, Лучи космические галактические, Госкомстандарт СССР, Москва, 1986 г.
6. http://ru.wikipedia.org/wiki/
7. Наследов Д.И. Физика ионных и электронных процессов. М. НТИ, 1937. 313с.
8. Таммет Х.Ф., Сальм Я.Й., Ихер Х.Р., Тамм Э.И., Мирме А.А., Кикас Ю.Э. Спектр подвижности аэроионов в приземном воздухе./Атмосферное электричество//Труды III Всесоюзного симпозиума по атмосферному электричеству,- Гидрометеоиздат, 1988 г. С.46-49
9. Israelsson S. On the conception “Fair weather condition” in atmospheric electricity. // Pure Appl.Geophys., 1978. V.116. P.149-158.
10. Kazemir H.W. Atmospheric electric measurements in the Arctic and Antarctic. // Pure Appl.Geophys., 1972. 100. P.70-80.
11. Israelsson S., Knudsen E., and Ungethüm E. Natural radioactivity in soil gas and exhalation of natural radioactivity from the ground surface. // Marsta observatory, Uppsala, reports № 30, 1972. 28 p.
12. Dolezalek H. Zur berechnung des luftelektrischen Stromkreises III. Kontrolle des Ohmschen gesetzes durch messung. // Geophys. Pur. Appl., 46, 1960, P. 125-144.
13. Israel H. Der luftelcktrische Vertikalstrom // Ann. Geophys. 10, 1954, P. 93-116
14. Law J. The ionization of the atmosphere near the ground in fair weather. // Quart.J.R.Met.Soc., 1963. 89. P.107-121.
15. Mühleisen R. Electrode effect measurements above the sea. // J.Atmos.Terr.Phys. 20, 1961, P.79-81.
16. Ette A.I.I. An effect of space-charge advection on vertical air-earth current measurements.// XV th General Scientific Assembly of the IUGG., 1971 Moscow, USSR.
17. Kasemir H.W. Zur Strömungstheorie des luftelektrischen Feldes III. Der Austauschgenerator. // Arch.Met.Wien, 1958. A, 9. P.357-370.
18. Israelsson S., Knudsen E., and Ungethüm E. Natural radioactivity in soil gas and exhalation of natural radioactivity from the ground surface. // Marsta observatory, Uppsala, reports № 30, 1972. 28 p.
19. Israelsson S., Knudsen E., and Ungethüm E. On the natural β-activity of the air in the atmospheric surface layer. // Atmos.Environ., 1973. 7. P.1127-1137.
20. Israelsson S., Knudsen E., Ungethüm E., and Dahlgren L. On the natural α-activity of the air. // Tellus 24(4), 1972. P.368-379.
21. Petrov A.I., Petrova G.G., and Panchishkina I.N. Statistic structure of variations of vertical «atmosphere-earth» currents. // Proc.12th Int. Conf. Atm. Electricity. Versailles, France, 2003.
22. Петрова Г.Г. Экспериментальные исследования электричества нижних слоев атмосферы: Дис…канд. Физ.- мат. наук. Нальчик, 2004. 235 с.
23. Чалмерс Дж. А., Атмосферное электричество. — Л.: Гидрометеоиздат,1974, — 421 с.
24. http://dic.academic.ru/contents.nsf/enc_physics/
25. Имянитов И.М. Приборы и методы для изучения электричества атмосферы. М.: ГТТИ, 1957. 483 с.
26. Качурин Л. Г. Руководство к лабораторным работам по метеорологии. Л: ГИМИЗ, 1955. 424с.
27. Орленко Л.Р. Строение планетарного пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 270с.
