ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И БИОСФЕРА.  2018. T. 17, № 4. С. 5–25.  DOI 10.21455/GPB2018.4-1

УДК 533.951

АЭРОЗОЛЬ, ПЛАЗМЕННЫЕ ВИХРИ
И АТМОСФЕРНЫЕ ПРОЦЕССЫ

© 2018 г.   Н.И. Ижовкина1, С.Н. Артеха2, Н.С. Ерохин2, 3, Л.А. Михайловская2

1 Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн
им. Н.В. Пушкова РАН, г. Москва; г. Троицк, Россия

2 Институт космических исследований РАН, г. Москва, Россия

3 Российский университет дружбы народов, г. Москва, Россия

Максимум ионизации атмосферных частиц космическими лучами соответствует высотам образования тропосферной облачности. Поскольку процесс образования ионизующих частиц – каскадный, влияние космического излучения на вихревые атмосферные процессы оказывается существенно нелинейным. Важная роль аэрозольной примеси проявляется в генерации плазменных вихрей и накоплении вихрями энергии и массы в атмосфере при конденсации влаги. Немонотонное расслоение неустойчивых плазменных неоднородностей способствует образованию ячеистых структур. В полях градиентов давления мозаичной ячеистой топологии при ионизации частиц возможно проявление электрического поля плазменных вихрей. В аэрозольной плазме атмосферной облачности силы электромагнитного взаимодействия между элементами потоковой структуры способствуют интенсификации вихревой составляющей. Взаимодействие плазменных спиральных токовых вихрей определяется их величиной и геометрическими параметрами пространственного распределения. Взаимодействие между циклоном и антициклоном зависит
от устойчивости антициклона. Вихревая активность атмосферы, ее струйные течения и турбулентность связаны с неоднородными ячеистыми распределениями
атмосферных загрязнений. Часть энергии мощных атмосферных вихревых структур генерируется аэрозольными плазменными вихрями.

Ключевые слова: аэрозольная плазма, геомагнитное поле, космические лучи,
вихревая активность, блокирующие антициклоны, турбулентность ясной погоды.

PACS 92.60-e; 92.60 Mt; 92.60 Pw

Литература

Абурджаниа Г.Д.  Самоорганизация нелинейных вихревых структур и вихревой турбулентности в диспергирующих средах. М.: КомКнига, 2006. 328 с.

Авдюшин С.И., Данилов А.Д. Солнце, погода и климат – сегодняшний взгляд на проблему
(обзор) // Геомагнетизм и аэрономия. 2000. Т. 40, № 5. С. 3–14.

Бондур В.Г., Пулинец С.А. Воздействие мезомасштабных атмосферных вихревых процессов на верхнюю атмосферу и ионосферу Земли // Исследование Земли из космоса. 2012. № 3. С. 3–11.

Бондур В.Г., Пулинец С.А., Ким Г.А. О роли вариаций галактических космических лучей в тропическом циклогенезе на примере урагана Катрина // Докл. Акад. наук. 2008. Т. 422, № 2. С. 244–249.

Госсард Э., Хук  У. Волны в атмосфере. М.: Мир, 1975. 532 с.

Дейрменджан Д. Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами. М.: Мир, 1971. 166 с.

Ерохин Н.С., Михайловская Л.А., Шалимов С.А. Об условиях прохождения внутренних гравитационных волн через ветровые структуры из тропосферы в ионосферу // Геофизические процессы и биосфера. 2012. Т. 11, № 4. С. 5–22.

Иванов К.Г., Харшиладзе А.Ф. Динамика солнечной активности и аномальной погоды лета 2010 г. 1. Секторное становление и разрушение структуры антициклона // Геомагнетизм и аэрономия. 2011. Т. 51, № 4. С. 450–455.

Ижовкина Н.И. Потоки энергии и частиц в неустойчивой плазме с вихревыми структурами в верхней ионосфере в неоднородном геомагнитном поле // Геомагнетизм и аэрономия. 2010. Т. 50, № 6. С. 817–824.

Ижовкина Н.И. Плазменные вихри в ионосфере и атмосфере // Геомагнетизм и аэрономия. 2014. Т. 54, № 6. С. 817–828.

Ижовкина Н.И., Афонин В.В., Карпачев А.Т., Прутенский И.С., Пулинец С.А. Структура ионосферного провала для разных уровней геомагнитных возмущений и источники нагрева плазмы верхней дневной ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 1999. Т. 39, № 4. С. 39–43.

Ижовкина Н.И., Ерохин Н.С., Михайловская Л.А., Артеха С.Н. Особенности взаимодействия плазменных вихрей в атмосфере и ионосфере // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2015. Т. 12, № 4. С. 106–116.

Кузнецов Г.И., Ижовкина Н.И. Две модели атмосферного аэрозоля // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1973. Т. 9, № 9. С. 947–952.

Лучков Б. Ураганы – вечная проблема? // Наука и жизнь. 2006. № 3. С. 58–64.

Михайловская Л.А., Ерохин Н.С., Краснова И.А., Артеха С.Н. Структурные характеристики электрической турбулентности при вертикальном профиле электрического поля с сильным всплеском // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2014. Т. 11, № 2. С. 111–120.

Михайловский А.В. Теория плазменных неустойчивостей. Т. 2. Неустойчивости неоднородной плазмы. М.: Атомиздат, 1977. 312 с.

Незлин М.В., Черников Г.П. Аналогия дрейфовых вихрей в плазме и геофизической гидродинамике // Физика плазмы. 1995. Т. 21, № 11. С. 975–999.

Пудовкин М.И., Распопов О.М. Механизм влияния солнечной активности на состояние нижней атмосферы и метеорологические параметры (обзор) // Геомагнетизм и аэрономия. 1992. Т. 32, № 5. С. 1–22.

Редерер Х. Динамика радиации, захваченной геомагнитным полем. М.: Мир, 1972. 192 с.

Синкевич О.А., Маслов С.А., Гусейн-заде Н.Г. Электрические разряды и их роль в генерации вихрей // Физика плазмы. 2017. Т. 43, № 2. С. 203–226.

Суслов А.И., Ерохин Н.С., Михайловская Л.А., Артеха С.Н., Гусев А.А. Моделирование
прохождения крупномасштабных внутренних гравитационных волн из тропосферы
в ионосферу // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14, № 5. С. 19–25.

Трефилова А.В., Артамонова В.С., Кудерина Т.М., Губанова Д.П., Давыдова К.Л., Иорданский М.А., Гречков Е.И., Минашкин В.М. Химический состав и микрофизические характеристики аэрозоля г. Москвы и Подмосковья в июне 2009 г. и на пике пожаров 2010  г. // Геофизические процессы и биосфера. 2012. Т. 11, № 4. С. 65–82.

Artekha S.N., Belyan A.V. On the role of electromagnetic phenomena in some atmospheric processes // Nonlinear Processes in Geophysics. 2013. V. 20. P. 293–304.

Artekha S.N., Belyan A.V. New physical mechanism for lightning // Intern. J. of Theor. Physics. 2018. V. 57, N 2. P. 388–405.

Hines C.O., Reddy C.A. On the propagation of atmospheric gravity waves through regions of wind shear // J. Geophys. Res. 1967. V. 72, N 3. P. 1015–1034.

Izhovkina N.I., Artekha S.N., Erokhin N.S., Mikhailovskaya L.A. Interaction of atmospheric plasma vortices // Pure and Appl. Geophys. 2016. V. 173, N 8. P. 2945–2957.

Fierro A.O., Shao X.-M., Hamlin T., Reisner J.M., Harlin J. Evolution of eyewall convective events as indicated by intracloud and cloud-to-ground lightning activity during the rapid intensification of hurricanes Rita and Katrina // Month. Weather Rev. 2011. V. 139 (5) . P. 1492–1504.

Leary L.A., Ritchie E.A. Lightning flash rates as an indicator of tropical cyclone genesis in the Eastern North Pacific // Month. Weather Rev. 2009. V. 137 (10). P. 3456–3470.

Miroshnichenko L.I. Solar cosmic rays. Dordrecht: Kluwer Acad. Publ., 2001. 480 p. (Astrophysics and Space Science Library. V. 260).

Monin A.S. Theoretical geophysical fluid dynamics. Dordrecht: Springer Netherlands, 1990.

Price C., Asfur M., Yair Yo. Maximum hurricane intensity preceded by increase in lightning frequency // Nature Geosci. 2009. V. 2 (5). P. 329–332.

Сведения об авторах

ИЖОВКИНА Надежда Игнатьевна – доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн
им. Н.В. Пушкова РАН. 142190, г. Москва; г. Троицк, Калужское шоссе, д. 4. Тел.:
+7 (495) 851-02-87. E-mail: izhovn@izmiran.ru

АРТЕХА Сергей Николаевич – кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией, Институт космических исследований РАН. 117997, г. Москва, ул. Профсоюзная, д. 84/32. Тел.: +7 (495) 333-53-56. E-mail: sergey.arteha@gmail.com

ЕРОХИН Николай Сергеевич – доктор физико-математических наук, заведующий отделом, Институт космических исследований РАН. 117997, г. Москва, ул. Профсоюзная, д. 84/32. Тел.: +7 (495) 333-41-00; профессор, Российский университет дружбы народов. 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6. E-mail: nerokhin@yandex.ru

МИХАЙЛОВСКАЯ Людмила Анатольевна – кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник, Институт космических исследований РАН. 117997, г. Москва, ул. Профсоюзная, д. 84/32. Тел.: +7 (495) 333-41-00. E-mail: nerokhin@mx.iki.rssi.ru

AEROSOL, PLASMA VORTICES
AND ATMOSPHERIC PROCESSES

N.I. Izhovkina1, S.N. Artekha2, N.S. Erokhin2, 3, L.A. Mikhailovskaya2

1 Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation,  
Russian Academy of Sciences, Moscow; Troitsk, Russia

2 Space Research Institute, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

3 Peoples' Friendship University of Russia, Moscow, Russia

Abstract. The maximum of ionization of atmospheric particles by cosmic rays corresponds to the altitudes of the formation of tropospheric clouds. Since the process of formation of ionizing particles is cascaded, the effect of cosmic radiation on vortex atmospheric processes is essentially nonlinear. An important role of the aerosol impurity is manifested in the generation of plasma vortices and in the accumulation of energy and mass by atmospheric vortices when moisture condenses. The nonmonotonic stratification of unstable plasma inhomogeneities contributes to the formation of cellular structures. In the fields of pressure gradients of a mosaic cellular topology, the electric field of plasma vortices can be manifested with the ionization of particles. In the aerosol plasma of atmospheric cloudiness, the electromagnetic forces between the elements of the flow structure contribute to the intensification of the vortex structure. The interaction of plasma spiral current vortices is determined by their magnitude and geometric parameters of their spatial distribution. The interaction between a cyclone and an anticyclone depends on the stability of the anticyclone. Vortex activity of the atmosphere, its jet flows and turbulence are associated with heterogeneous cellular distributions of atmospheric pollution. Part of the energy of powerful atmospheric vortex structures is generated by aerosol plasma vortices.

Keywords: aerosol plasma, geomagnetic field, cosmic rays, vortex activity, blocking anticyclones, clear weather turbulence.

About the authors

IZHOVKINA Nadezhda I. – Dr. Sci. (Phys. and Math.), leading researcher, Pushkov Institute
of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation, Russian Academy
of Sciences. Moscow; Troitsk, Russia. Tel.: +7 (495) 851-02-87. E-mail: izhovn@izmiran.ru  

ARTEKHA Sergey N. – Cand. Sci. (Phys. and Math.), head of laboratory, Space Research Institute, Russian Academy of Sciences. Moscow, Russia. Tel.: +7 (495) 333-53-56. E-mail:
sergey.arteha@gmail.com

EROKHIN Nikolay S. – Dr. Sci. (Phys. and Math.),  head of department, Space Research Institute, Russian Academy of Sciences. Tel.: +7 (495) 333-41-00; professor, Peoples' Friendship University of Russia. Moscow, Russia. E-mail: nerokhin@yandex.ru

MIKHAILOVSKAYA Ludmila A. – Cand. Sci. (Phys. and Math.), junior researcher, Space
Research Institute, Russian Academy of Sciences. Moscow, Russia. Tel.: +7 (495) 333-41-00.
E-mail: nerokhin@mx.iki.rssi.ru