ВОПРОСЫ ОПТИМАЛЬНОГО ПОСТРОЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Атмосферное электричество, по сути представляет собой разницу потенциалов между землей и ионосферы, достигающую до величины 300 kВ. Отмечено актуальность исследования атмосферного электричества, в частотности с применением наземной распределенной измерительной сети. Путем исследования этого явления можно изучать и предсказывать молнии, оценивать степень аэрозольного загрязнения атмосферы, радиоактивной загрязненности воздушной среды, а также предсказывать сейсмическую активность, непосредственно перед землетрясениями. Все вышеуказанное показывает важность и актуальность разработки распределенных сетей измерения атмосферного электричества, а также методов оптимизации таких сетей и систем. Проанализированы вопросы оптимального построения распределенной системы измерения атмосферного электричества. Основным элементом распределенной сети является операционный усилитель с резистивно-емкостным элементом в цепи обратной связи. Сформулирована и решена задача информационной оптимизации наземной сети атмосферного электрического поля. Отмечено актуальность исследования атмосферного электричества, в частотности с применением наземной распределенной измерительной сети. Составлена задача вариационной оптимизации для решения которой применено ограничительное условие, характеризующее общее ограничение, налагаемое на суммарную инерционность резистивно-емкостных цепей. С учетом данного ограничения составлена задача безусловной вариационной оптимизации решения, которой дала возможность выработать рекомендации по достижению высокой информативности измерений. Решение вариационной задачи оптимизации показало, что полученное решение обеспечивает минимум целевого функционала. На этой основе выработана эвристическая рекомендация, согласно которой реально оптимальное решение должно максимально отличатся от расчетного решения. В качестве практической рекомендации предложено использовать функцию, представляющую собой инверсию расчетной оптимальной функции.

распределенная сеть, атмосферное электричество, оптимизация, измерения, электрическое поле, функциональная схема

1. Price C. Lightning and atmospheric electricity// Encyclopedia of Global Environmental Change. - Chichester: U.K, 2002. -Vol.1. - P.502-503.

2. Fullekrug M. The contribution of intense lightning discharges to the global atmospheric electric circuit during April 1998// J. Atm. Solar-Terr. Phys. - 2004. - Vol. 66. - P. 1115-1119.

3. Sheftel V.M., Chernyshev A.K., Chernysheva S.P. Air conductivity and atmospheric electric field as an indicator of anthropogenic atmospheric pollution// J. of Geophysical Research. - 1994. - Vol. 99. http: doi:10.1029/94JD00287.

4. Boyarchuk K.A., Lomonosov A.M., Pulinets S.A., Hegai V.V. Impact of radioactive contamination on electric characteristic of the atmosphere// Physic/Supplement Physics of Vibrations. - 1997. - Vol. 61(4). - P. 260-266.

5. Silva H.G., Conceição R., Melgão M., Nicoll K., Mendes P.B. Tlemçani M., et al. Atmospheric electric field measurements in urban environment and the pollutant aerosol weekly dependence // Environ. Res. Lett. - 2014. -Vol. 9(11). https://doi.org/10.1088/1748-9326/9/11/114025

6. Silva H., Conceição R., Khan A., Matthews J., Wright M., Collares-Pereira M., Shallcross D. 2016. Atmospheric electricity as a proxy for air quality: relationship between potential gradient and pollutant gases in an urban environment //Journal of Electrostatics. - 2016. - Vol. 84. - P. 32-41.

7. Smirnov S. Reaction of electric and meteorological states of the near-ground atmosphere during a geomagnetic storm on 5 April 2010 // Earth Planets Space. - 2014. - Vol. 66 (154).https://doi.org/10.1186/s40623-014-0154-2

8. Tacza J., Raulin J.P., Macotela E., Norabuena E., Fernandez G., Correia E., et al. A new South American network to study the atmospheric electric field and its variations related to geophysical phenomena //Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. - 2014. -Vol. 120. - P. 70-79.

9. Takeda M., Yamauchi M., Makino M., Owada T. 2011. Initial effect of the Fukushima accident on atmospheric electricity // Geophys. Res. Lett. - 2011. - Vol. 38.https://doi.org/10.1029/2011GL048511.

10. Smirnov C.E. Characteristic of Negative anomalies in the quasistatic electric filed in the near-earth atmosphere on Kamchatka// Geomagnetism and Aeronomy. - 2005. - Vol. 45. - P. 265-269.

11. Anisimov S.V., Mareev E. A., Shikhova N.M., Sorokin A.E., Dmitriev E.M. On the electro-dynamical characteristic of the fog// Atmospheric Research. - 2005. - Vol. 76. - P. 16-28.

12. Michnowski S., Kubicki M., Drziwiecki J., Israelsson N., Kleimenova N., Nikiforova N., Kozyreva O. Variations of the atmospheric electricity elements in polar regions related to the solar wind changes// Proc. of 12-th International Conference on Atmospheric Electricity. - Versailles. France. 9-11 of June, 2003.

13. Yaniv R., Yair Y., Price C., Mkrtchyan H., Lynn B., Reymers A., 2017. Ground-based measurements of the vertical E-field in mountainous regions and the “Austausch” effect //Atmospheric Research. - 2017. - Vol. 189. - P. 127-133.

14. Gurmani S.F., Ahmad N., Tacza J., Iqbal T., 2018. First seasonal and annual variations of atmospheric electric field at a subtropical station in Islamabad, Pakistan //Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. - 2018. - Vol. 179. - P. 441-449.https://doi.org/10.1016/j.jastp.2018.09.011.

15. Harrison R.G., Nicoll K.A. Fair weather criteria for atmospheric electricity measurements //Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. - 2018. - Vol. 179. - P. 239-250.

16. Lopes F.M., Silva H.G., Bennett A.J., Reis A.H. 2017. Global Electric Circuit research at Graciosa Island (ENA-ARM facility): First year of measurements and ENSO influences // Journal of Electrostatics. - 2017. - Vol. 87. - P. 203-211

17. Lucas G.M., Thayer J.P., Deierling W., 2017. Statistical analysis of spatial and temporal variations in atmospheric electric fields from a regional array of field mills //Journal of Geophysical Research: Atmosphere. - 2017. - Iss.122 (2). - P. 1158-1174.

18. Fort A., Mugnaini M., Vignoli V., Rocchi S., Perini F., Monari J., Schiafinnino M., Fiocchi F. Design and modeling of an optimized sensor for atmospheric electric filed measurements // Conference: Sensors Applications Symposium (SAS), IEEE,2010.doi: 10.1109/SAS.2010.5439402.

19. Эльсгольц Л.Э. Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление. - М.: Наука, 1974. - 432 с.