WWW.BOOK.LIB-I.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные ресурсы
 

Pages:   || 2 |

«ВЫСОКОГОРНЫЙ ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ А.Х. Аджиев Е.М. Богаченко ГРОЗЫ СЕВЕРНОГО КАВКАЗА РЕЦЕНЗИЯ Северо-Кавказский регион в весенне-осенний период ...»

-- [ Страница 1 ] --

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ

И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ВЫСОКОГОРНЫЙ ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

А.Х. Аджиев

Е.М. Богаченко

ГРОЗЫ СЕВЕРНОГО КАВКАЗА

РЕЦЕНЗИЯ

Северо-Кавказский регион в весенне-осенний период характеризуется интенсивной

грозовой деятельностью, одной из самых высоких на территории бывшего СССР.

Исследования условий возникновения электрической активности конвективных облаков являются особо важными для разработки способа активного воздействия на грозу и эффективного решения задач по молниезащите. Решение этих задач особенно актуально для Северного Кавказа, отличающегося значительной климатической неоднородностью территории Для наблюдения за развитием и движением грозовых очагов находит все большее применение радиолокация. В последние десятилетия для таких наблюдений стали применяться специальные радиолокационные станции с большой мощностью излучения и высокочувствительными приемными устройствами, работающие в длинноволновой области СВЧ радиодиапазона.

В формировании электрической структуры грозовых облаков и в возникновении и развитии молниевых разрядов в них существенную роль играют процессы электризации гидрометеоров при замерзании облачной воды. Вопросам образования и разделения электрических зарядов в облаке посвящены многочисленные исследования, результаты которых показывают, что одной из важных предпосылок разделения электрических зарядов в облаках в умеренных широтах, является наличие ледяной фазы (кристалликов льда, крупы и градин) и переохлажденных водяных капель.

К настоящему времени изучены механизмы электризации: «взрывная» электризация замерзающих капель воды, электризация при росте градин, электризация тающих градин. Несмотря на большое число работ в этих областях, изучение закономерностей разделения электрических зарядов в облаках не закончено, и требуются дополнительные экспериментальные и теоретические исследования физических процессов, приводящих к возникновению электрических полей, достаточных для развития молниевых разрядов.

В настоящем исследовании обобщены результаты систематических многолетних визуально-слуховых и инструментальных наблюдений за грозами на территории Северо-Кавказского региона. Приведены результаты лабораторных и натурных экспериментов по исследованию электрических явлений в облаках. Описаны методы и средства контроля и регулирования грозового электричества.

Монография представляет интерес для научных работников, разрабатывающих проблемы физики грозы и грозового электричества, и рассчитана на широкий круг исследователей, работающих в области физики атмосферы. Она может служить также учебным пособием для аспирантов и студентов старших курсов соответствующих специальностей.

Настоящая монография может быть рекомендована к опубликованию.

Заведующий кафедрой физики ТТИ ЮФУ, док

–  –  –

СОДЕРЖАНИЕ Стр.

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………... 6

ГЛАВА 1. АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

ГРОЗОВОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОБЛАКОВ ………………..... 11

1.1. Аппаратура для лабораторных исследований механизмов генерации грозового электричества ………………………………..... 11

1.2. Методы исследования характеристик грозовой деятельности радиотехническими средствами …………………………………....... 14





1.3. Радиотехнический комплекс для исследования гроз и управления активными воздействиями на облака ……………….. 19 1.3.1. Радиолокаторы гроз ………………………………………………… 20 1.3.2. Измеритель параметров пакетов импульсов электромагнитного излучения грозовых облаков……………….... 28 1.3.3. Радиопеленгаторы-дальномеры гроз……………………………... 31 1.3.4. Система регистрации напряженности электромагнитного поля молнии………………………………………………………… 37 1.3.5. Устройство для раздельной регистрации наземных и облачных разрядов молний ………………………………………… 42

1.4. Методика исследований грозовой деятельности облаков……… 45

ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРОЗОВЫХ

ОБЛАКОВ…………………………………………………….... 48

2.1. Строение, электризация грозовых облаков и условия возникновения молний ……………………………………………..... 48

2.2. Результаты лабораторных исследований механизмов электризации облачных частиц и частиц осадков при фазовых переходах……………………………………………………………..... 54

2.3. Результаты лабораторных исследований явлений генерации акустического, оптического и электромагнитного излучения при фазовых переходах воды……………………………………….... 64

ГЛАВА 3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРОЗОВОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА

ТЕРРИТОРИИ СЕВЕРНОГО КАВКАЗА……………………. 69

3.1. Аэросиноптические условия возникновения гроз на Северном Кавказе ………………………………………………………………… 69

3.2. Климатические и физико-географические характеристики гроз Северного Кавказа…………………………………………………….. 78

ГЛАВА 4. ИМПУЛЬСНО-ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ИЗЛУЧЕНИЯ ГРОЗОВЫХ ОБЛАКОВ В

ДЕЦИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ РАДИОВОЛН …………. 96

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

РАДИОЛОКАЦИОННО-ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИМ

МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

МОЛНИЕВЫХ РАЗРЯДОВ НА СЕВЕРНОМ КАВКАЗЕ…... 112

5.1. Результаты синхронных измерений напряженности электромагнитного поля молнии и ее координат…………………… 112

5.2. Оценка электрических зарядов, нейтрализуемых молниями……..... 121

ГЛАВА 6. ИЗМЕНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ГРОЗОВОЙ

ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОБЛАКОВ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ НА

НИХ АКТИВНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ……………………….... 131

6.1. Эксперименты по воздействию кристаллизующим реагентом на облака с целью оценки возможности регулирования их грозовой деятельности…………………………………………………………… 131 6.1.1. Общие принципы воздействия льдообразующим реагентом на грозу………………………………………………………………… 131 6.1.2. Организация и схема проведения экспериментов, средства воздействия………………………………………………………... 137

6.2. Анализ результатов наблюдений за изменением характеристик грозовой деятельности облаков при проведении противоградовых работ и экспериментов по воздействию на грозу…………..………… 142 ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………... 159 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ………………………………………………… 162 ВВЕДЕНИЕ Гроза представляет собой, с одной стороны, сильно распространенное и, следовательно, оказывающее большое влияние на человеческую деятельность, а, с другой стороны, до сих пор до конца не разгаданное из-за своей сложности и многообразности, атмосферное явление.

Известно, что молнии поражают земную поверхность около 8·106 раз в сутки [60], нанося при этом большой ущерб (пожары лесов, аварии самолетов, повреждения линий электропередач, нарушения радиосвязи, гибель людей и т.д.). В США, например, ежегодно вызываемые грозой потери [37] превышают 100 млн. долларов. От ударов молнии во Франции в течение года погибает более 300 человек, наносится экономический ущерб на несколько млрд. франков [87]. По России, в среднем, более 8 % лесных пожаров происходит в результате поражения молниями [79]. Сильное влияние оказывают грозы и на работу авиации. В ВВС США от 60 до 70 % аварий самолетов, связанных с погодными условиями, вызвано грозовыми явлениями в атмосфере [60]. В связи с запусками космических аппаратов возникла проблема защиты их от грозового воздействия при прохождении облачности [90]. Грозовые разряды также влияют на работу линий электропередачи (ЛЭП), телевизионных и телеграфных коммуникаций. В России и за рубежом из-за гроз происходит около 50 % всех автоматических отключений подстанций высокого напряжения. Экономические потери за счет недоотпуска энергии во время сезона грозовых поражений составляют около 70 млн. долларов в год [76]. Не менее опасны грозовые разряды, вызывающие преждевременное срабатывание устройств, используемых для выполнения направленных взрывов при строительстве каналов и тоннелей, в открытых горнодобывающих карьерах [59]. Опасность возникает во время выполнения работ, связанных с заряжением статическим электричеством различного рода объектов, например, нефтеналивных судов.

При дальнейшей интенсификации сельского хозяйства, увеличении плотности населения, дорожании природных ресурсов, усложнении техники, росте числа судов мирового воздушного флота, а также тенденции использовать самолеты в более широком диапазоне метеорологических условий, потери от молний будут возрастать.

Все это предопределило потребность в поисках путей ослабления зависимости деятельности человека от грозовых атмосферных явлений, которые ведутся по трем направлениям: пассивная молниезащита, оперативное определение степени грозоопасности и регулирование электрического состояния атмосферы.

Разработанные к настоящему времени основные принципы пассивной молниезащиты для наземных объектов представляют собой достаточно обоснованную и в известной степени апробированную систему мероприятий.

Однако, в связи с научно-техническим прогрессом, требования к надежности молниезащиты непрерывно возрастают. Естественно, что повышение надежности возможно лишь при условии дальнейшего развития физических основ молниезащиты и обоснования дифференцированного подхода к выбору средств молниезащиты в зависимости от тяжести ожидаемых последствий при поражении объектов молнией.

Одним из важных аспектов в решении этой проблемы является получение достоверных данных о климатических и физико-географических характеристиках грозовой деятельности для данной местности, поскольку их величины могут существенно отличаться по районам [46]. Недоучет этого аспекта приводит либо к занижению, либо к неоправданному завышению уровней надежности грозозащиты, а, следовательно, и к экономическим потерям.

В связи с развитием дистанционных радиотехнических методов и средств обнаружения и местоопределения грозовых очагов, проблема оперативного грозооповещения становится весьма актуальной, особенно в случаях, когда в силу различных причин невозможно обеспечить надежную молниезащиту объектов. В этом заинтересован ряд отраслей экономики, таких как авиация, морской и речной флот, горнорудная промышленность и т.п. Вместе с тем, очень важно не только решить задачу надежного выделения активных грозовых очагов, оперативного наблюдения за их перемещением и трансформацией, но и получать заблаговременную информацию о предгрозовом состоянии облаков, а также о тенденции развития грозы, ее интенсивности и типе молниевых разрядов.

Третье направление - регулирование электрического состояния атмосферы - получило толчок к интенсивному развитию только в последнее время. Впрочем, вероятно, уже в недалеком будущем, оно станет ведущим по сравнению с первыми двумя, поскольку позволит кардинальным образом избавить человечество от зависимости или, по крайней мере, ослабить его зависимость от такого явления природы, как гроза. Несмотря на то, что в последнее время интенсивно развиваются исследования электризации облаков и их электрической структуры, еще нет единого мнения о причинах образования и развития в них электрических явлений [19]. Тем не менее, в ряде стран начаты целенаправленные эксперименты по воздействию на грозу [23,28]. На основе физических представлений по электризации облаков, полученных в последние годы, предложены возможные варианты подавления грозовой активности мощных конвективных облаков. Многие из них в настоящее время уже опробованы. Однако, в связи с тем, что эти эксперименты, в основном, носили эпизодический характер, и контроль за результатами воздействий осуществлялся в большинстве случаев на низком техническом уровне (зачастую для этой цели использовались примитивные устройства и косвенные способы), по их результатам невозможно в полной мере судить о наиболее реальном и эффективном пути подавления грозовой активности облаков.

Важное место в проблеме управления электрическим состоянием атмосферы отводится методам и средствам контроля его эффективности. От их совершенства, в значительной мере, зависит достоверность полученного результата. Поскольку при определении эффекта грозы косвенными способами, например, по радиолокационным критериям грозоопасности, возникает большая неопределенность требуется развитие [31], дистанционных средств и методов, предназначенных для непосредственного измерения величин характеристик грозовой деятельности.

Таким образом, постановка задачи по разработке эффективных методов борьбы с грозовыми явлениями по всем трем направлениям (грозозащита, грозооповещение и активные воздействия на грозу) и проведение исследований с целью её решения, в частности, исследований характеристик грозовой деятельности, являются достаточно актуальными.

Под общим названием «характеристики грозовой деятельности» в работе объединены климатические и физико-географические характеристики гроз (число дней с грозой, продолжительность существования грозовых явлений и их интенсивность, число грозовых разрядов и их тип, удельная поражаемость молниями и т.д.) для территории, на которой проводятся исследования, в целом, а также для отдельных облаков и входящих в них облачных конвективных ячеек. Кроме того, сюда входят импульсновременные, частотные и энергетические характеристики быстрых изменений электромагнитного поля и радиоизлучения, вызванных разрядными явлениями в атмосфере, эхо-сигналов молний и определяемые с помощью этих характеристик различные параметры грозовых разрядов.

Наблюдения за грозами визуально-слуховым методом на территории Северного Кавказа проводятся на метеостанциях и постах Гидрометслужбы уже более 100 лет [17].

Исследования грозовых явлений инструментальными методами были начаты в Высокогорном геофизическом институте (Кабардино-Балкария) в 1965 г. по инициативе профессора Качурина Л.Г. и доцента Медалиева Х.Х.

и продолжаются по настоящее время их учениками [41,42].

В монографии приводятся результаты комплексных исследований с помощью дистанционных радиотехнических средств характеристик грозовой деятельности облаков при естественном развитии и искусственном воздействии на них применительно к проблеме разработки эффективных методов борьбы с грозовыми явлениями и ослабления обусловленных ими отрицательных последствий для экономики страны.

В данной книге обобщены результаты систематических многолетних визуально-слуховых и инструментальных наблюдений за грозами Северного Кавказа. Особое внимание уделено разработке методов и средств регулирования грозового электричества, в том числе лабораторным и полигонным экспериментам по исследованию электрических явлений в облаках.

ГЛАВА 1 АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ ГРОЗОВОЙ

ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОБЛАКОВ

1.1 Аппаратура для лабораторных исследований механизмов генерации грозового электричества Для изучения в лабораторных условиях процессов образования жидких и твердых облачных частиц и частиц осадков и механизмов их электризации при фазовых переходах нами совместно с ГСКБ ТФП (г.Санкт-Петербург) была разработана термобарокамера [5]. Её основные технические характеристики следующие: рабочий объем - 0,1 м3, диапазон стабилизации и изменения температуры в рабочем объеме от -30 до +30°С; диапазон давления - 102...104 гПа.

Термобарокамера (рисунок 1.1) позволила изучать замерзание капель воды, рост льда, образование и рассеяние тумана в отраженном, проходящем и поляризованном свете, влияние внешнего электрического поля на фазовые переходы и электризацию кристаллизующейся воды. Для регистрации электрофизических величин термобарокамера снабжена десятиканальным вводом. Устройство имеет систему понижения давления в рабочем объеме камеры и перевода заданного объема воздуха из окружающей среды или из аналогичной камеры в рабочий объем, что дает возможность изучения образования и роста гидрометеоров при адиабатических процессах.

На рисунке 1.2 приведены фотографии замерзающей капли в различные моменты времени: а – до начала замерзания, б – начало замерзания и в – конец замерзания капли. Размер капли 3 мм. Температура замерзания -10о С. Временной интервал между снимками 10 с.

Рисунок 1.1 - Внешний вид термобарокамеры для исследования микрофизических процессов при фазовых переходах водяных капель

–  –  –

а – подвижная капля до замерзания б – начало замерзания капли в – конец замерзания капли Рисунок 1.2 - Различные стадии замерзания капли В этих опытах исследовались следующие микрофизические характеристики:

- температура замерзания капель воды в зависимости от их размера;

- скорость замерзания;

- электризация капель при замерзании;

- фрагментация капель;

- поляризационная структура замерзших капель.

Совместно с лабораторией электрометрии Тартуского университета разработана аппаратура (рисунок 1.3) для измерений малых токов и зарядов, применение которой позволило получить качественно новые результаты при определении зарядов замерзающих капель воды и растворов.

1.2 Методы исследования характеристик грозовой деятельности радиотехническими средствами Насущная необходимость решения человечеством задач познания природы грозовых явлений в целях разработки средств и методов молниезащиты, штормооповещения и управления электрическим состоянием атмосферы обусловила в последние десятилетия бурное развитие дистанционных инструментальных методов исследования характеристик грозовой деятельности. Используемые при реализации этих методов информационно-измерительные средства можно разделить на пассивные и активные.

Принцип работы пассивных средств, берущих начало от «грозоотметчика» А.С. Попова, основан на регистрации электромагнитных возмущений, источниками которых служат разрядные процессы в облаках.

Грозы излучают радиоволны, фиксируемые современными приборами, в диапазоне от ОНЧ до СВЧ частот [41]. Максимум амплитуд излучения сильноточных компонентов молний (главный разряд, лидер) приходится на Рисунок 1.3 - Измерители электрических зарядов, разделяющихся при замерзании капель воды и росте града. Разработка ТГУ и ВГИ НЧ диапазон. С повышением частоты всё больший вклад вносят разрядные процессы меньших геометрических размеров и продолжительности.

Регистрация с помощью антенн изменений напряженности электромагнитного поля у поверхности земли, вызванных атмосферными разрядами, позволяет определять временную структуру молний, а при синхронном измерении некоторых других характеристик грозовой деятельности амплитуду токов и количество электричества, нейтрализуемого импульсами этих токов в главноканальных стадиях молний.

Напряженность электрического поля Е можно определить, измерив заряд, стекающий с проводника (антенны), экспонированного в этом поле при его изменениях [78]. Метод позволяет регистрировать импульсы напряженности с весьма малой длительностью фронта (до 10-9 с). При регистрации импульсов длительностью порядка десятых долей секунды появляется погрешность за счет утечки в землю заряда через входное сопротивление регистрирующего прибора и через изоляцию антенны [16].

Метод с измерительной секцией может бить применен и для измерения напряженности медленно меняющихся или даже постоянных полей, если осуществить искусственную модуляцию потока вектора напряженности [78].

Например, в приборах, носящих название «флюксметр», модуляция обеспечивается перекрытием измерительной секции заземленным металлическим экраном при его вращении. В флюксметрах удается получать временное разрешение изменения E порядка долей миллисекунды [16].

Измеряя напряженность электрического поля на восьми или более территориально разнесенных пунктах наблюдений, можно определить координаты центров и величины основных зарядов грозового облака, представленного в виде электрического диполя, если на измерения не влияет сразу несколько облаков. При измерении изменения E, вызываемого молнией, число пунктов уменьшается до семи, поскольку напряженность в этом случае зависит только от величины движущегося заряда. Если молниевый разряд ориентирован вертикально, для решения обратной задачи

- отыскания параметров источника поля по его характеристикам - достаточно трех пунктов [78]. Для исследования электрической структуры облака и ее изменения при развитии молнии применяются также методы непосредственного измерения напряженности полей в облаках с помощью полемеров, установленных на ракетах, аэростатах и самолетах [54,67,84,92].

При этом часто параллельно производятся измерения зарядов облачных частиц и частиц осадков, их размеров, фазового состояния и концентрации [95,103].

Для исследования характеристик грозовой деятельности естественно эволюционирующих и подвергаемых искусственному воздействию облаков привлекаются также радиоприемные устройства, разрабатываемые в целях использования в службах грозооповещения и молниезащиты. Последние включают в себя системы грозооповещения и местоопределения грозовых очагов.

К системам грозооповещения относятся наиболее простые и обладающие, как правило, невысокими точностными характеристиками устройства регистрации числа грозовых разрядов в заданном радиусе от пункта наблюдений или в заданном секторе (секторах). Это и грозоуказатели, включающие однопунктные грозопеленгаторы типа ПАГ-1 с однопороговым ограничителем дальности [21], грозоуказатели с фиксированным числом секторов обзора грозовой деятельности [35], панорамный регистратор гроз [36,118] с одним порогом ограничения дальности, и грозорегистраторы, включающие однопороговые счетчики грозовых разрядов, например, ПРГ [51], счетчики Пирса-Гоулда и их аналоги [53,111,112], и анализаторы грозоопасности многопороговые грозорегистраторы, например, амплитудный анализатор [50,52], и устройства для раздельной регистрации наземных и облачных разрядов [13,22,25,63]. Вышеперечисленные устройства используются для получения климатических и физикогеографических характеристик грозовой деятельности, а также для определения временной изменчивости грозовой деятельности в их радиусе действия.

Системы местоопределения грозовых очагов объединяют пеленгационные и дальномерные многопороговые системы, такие как амплитудные, амплитудно-импульсные, фазо-импульсные, амплитуднофазовые и фазовые грозопеленгаторы-дальномеры (ГПД) [48]. Созданы промышленные приборы такого класса – «Очаг-2П» [20] в России и «Штормоскоп» [117] в США. Основным назначением этих систем является оперативное определение положения грозовых очагов на фоне облачных полей и получение информации об интенсивности их разрядной деятельности.

Более высокими по сравнению с системами грозооповещения и местоопределения грозовых очагов точностными характеристиками обладают системы местоопределения грозовых разрядов. Как правило, они многопунктные-амплитудные, разностно-дальномерные [48,85,114] и пеленгационные [48,116]. Все эти системы могут применяться в узко- и широкополосных вариантах, в различных частотных диапазонах, в зависимости от решаемых с помощью них задач.

С использованием УКВ-излучения в последние годы получены экспериментальные данные о расположении разряда и его отдельных компонентов в грозовом облаке [85,116]. Для каждого из принимаемых импульсов излучения определялись координаты его источников при помощи многопунктных разностно-дальномерных [85] или пеленгационных [116] систем. Системы УКВ - картирования молний позволили определить высоты возбуждения разрядов, их протяженность, пространственное положение различных компонентов разряда, оценить скорости распространения разрядов на отдельных стадиях.

Для исследования спектральных и временных характеристик слаботочных разрядных явлений и молний, их изменчивости от стадии развития грозовых процессов используются наборы калиброванных радиоприемников в диапазоне от ОНЧ до СВЧ частот [41,99,125].

После обнаружения возможности регистрации эхо-сигналов молний с помощью радиолокационных станций (РЛС) [106] в области экспериментального исследования грозовых облаков наряду с пассивными радиотехническими средствами стали широко применяться РЛС метрового и дециметрового диапазонов длин волн [24,42,73]. Радиолокационные наблюдения молний позволяют наиболее точно определять их координаты из одного пункта, оценить время существования эхо-сигналов молний, эффективные отражающие площади. Одновременное применение РЛС метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов дает возможность получить данные, характеризующие динамику грозовых облаков при естественном развитии и при искусственном воздействии на них.

1.3 Радиотехнический комплекс для исследования гроз и управления активными воздействиями на облака Для проведения опытов по исследованию эволюции грозовой деятельности, физических характеристик молниевых разрядов и возможности регулирования электрического состояния облаков создан комплекс радиотехнических средств (КРТС), являющийся составной частью метеорологического полигона ВГИ. Создание полигона позволило при наблюдениях за грозовыми явлениями дополнительно использовать одновременно получаемые с помощью многоволновых некогерентных радиолокационных станций, аппаратуры шаропилотного зондирования атмосферы и наземной осадкомерной сети данные о макро- и микроструктуре облаков, виде выпадающих из них осадков, температурной стратификации, влагосодержании и режиме ветра в атмосфере.

В состав измерительного комплекса входят следующие штатные, а также оригинальные, разработанные в лаборатории грозового электричества Высокогорного геофизического института установки и приборы (рисунок 1.4): радиолокационные станции (РЛС) МРЛ-2П, П-12, РЛСдм;

грозорегистратор ПРГ-100; автоматический грозопеленгатор-дальномер (АГПД) «Очаг-2П»; измеритель параметров пакетов импульсов электромагнитного излучения (ЭМИ) грозовых облаков; система регистрации напряженности электромагнитного поля (ЭМП) молнии;

устройство для раздельной регистрации наземных и облачных разрядов;

вспомогательная аппаратура регистрации и обработки информации; система громкоговорящей связи, УКВ-радиостанции Р-111, Р-105.

1.3.1 Радиолокаторы гроз

Метеорологическая радиолокационная станция МРЛ-2П, работающая на длине волны 3,2 см, представляет собой специализированный радиолокатор штормового оповещения и предназначена для обнаружения и определения местоположения очагов гроз и ливневых осадков в радиусе 300 км, направления и скорости их перемещения, измерения параметров пространственно-временной структуры радиоэхо метеорологических целей.

В составе комплекса используется для наведения других установок на объект исследований, а также для выработки команд огневым точкам при проведении активных воздействий на облака с целью регулирования их грозовой деятельности. Сведения о тактико-технических характеристиках, производстве наблюдений и применении информации с МРЛ-2П в системах штормооповещения, градозащиты и при исследовании гроз подробно изложены в [68,69,73]. РЛС МРЛ-2П снабжена устройством ступенчатого изоэхо измерения отражаемости облаков с интервалом 6 дБ (точность градуировки ±1,5 дБ) и позволяет осуществлять фотографирование экранов индикаторов кругового обзора (ИКО) и дальность-высота (ИДВ) с помощью фотоприставок.

Обозначения:

1 – КП; 2 - пункт синхронной регистрации; 3 - телефонная связь;

4 – каналы передачи информации; 5 - РЛС МРЛ-2П; 6 – радиостанция Р-111;

7 - РЛС П-12, 8 – РЛСдм ; 9 - АГПД «Очаг-2П»;

10 - система регистрации напряженности ЭМП молний; 11 -ПРГ-100;

12 – устройство для раздельной регистрации наземных и облачных разрядов;

13 - измеритель параметров пакетов ЭМИ Рисунок 1.4 - Блок-схема измерительного комплекса для исследования гроз и управления активными воздействиями Минимальная радиолокационная отражаемость (Z) метеообъекта, обнаруживаемого с помощью МРЛ-2П, при изменении расстояния между целью и РЛС от 5 до 100 км меняется от 310-14 см-1 (0,01 мм6/м3) до 10-11 см-1 (4мм6/м3). РЛС МРЛ-2П ежегодно калибруется с помощью стандартной мишени, осуществляется текущий контроль постоянства потенциала станции, проверка правильности горизонтирования и ориентирования.

В операторной кабине находится командный пункт (КП) КРТС. С КП в ходе эксперимента осуществляется управление установками комплекса и пунктами воздействия, а также координация действий с другими подразделениями метеорологического полигона ВГИ, авиаслужбами для обеспечения безопасности полетов при проведении активных воздействий и военизированными службами по борьбе с градом (ВСБГ).

Для организации внутренней связи между установками комплекса предназначена система громкоговорящей связи. Внешняя связь осуществляется с помощью УКВ радиостанций Р-111 и Р-105, обеспечивающих уверенный прием на расстоянии до 50 км.

Известно, что с помощью радиолокационных станций возможно обнаружение грозовых облаков и разрядов, возникающих в них [56,65,72].

Молниевые каналы рассматриваются как плазменные цели. Вероятность и дальность обнаружения, а также время существования принимаемого отраженного сигнала зависит от технических параметров РЛС и таких факторов, как концентрация ионов в плазме канала разряда, его ориентация в пространстве и местоположение относительно облачной среды. Оказывается, что с увеличением длины волны более отражающими, чем гидрометеоры, становятся каналы грозовых разрядов. При этом длительность существования эхо-сигнала от молнии также возрастает. Если в дециметровом диапазоне радиоволн на обнаружение молний еще оказывают маскирующее влияние зоны радиоэхо облаков и осадков с большой отражаемостью, то в метровом диапазоне молниевые разряды регистрируются гораздо увереннее, а отражение от грозовых облаков, за редким исключением, практически отсутствует. В настоящее время не существует РЛС дециметрового (РЛСдм) и метрового диапазонов, специально предназначенных для обнаружения грозовых облаков и разрядов, возникающих в них. Для этих целей используются станции обнаружения самолетов. Применяемые в составе КРТС РЛС П-12 и РЛСдм используются для приема отраженных радиолокационных сигналов от ионизированных каналов молний в активном режиме и сигналов ЭМИ облаков в пассивном режиме. В таблице 1.1 приведены некоторые тактико-технические характеристики этих РЛС. Сведения об исследовании точностных и информативных характеристик РЛС П-12 и РЛСдм, используемых для обнаружения грозовых разрядов, измерения координат и параметров их радиоэхо, а также параметров их собственного ЭМИ, приводятся в [73]. При теоретических оценках возможности радиолокационного обнаружения молнии используется отношение сигнал/шум.

Pm qm, (1.1) m1Pш m2 P0 m3 Pu где Рm - мощности полезного эхо-сигнала от молнии;

Р0 - от облаков и осадков;

Рu - собственного радиоизлучения молнии;

Рш - мощность внутренних шумов приемника;

m1, m2, m3 - коэффициенты, зависящие от статистических характеристик шумовых сигналов и эхо-сигналов от облака и осадков.

за 0,06 с падает с 3 до 10-11, вследствие чего с Для МРЛ-2П qm помощью этой РЛС молнии практически не обнаруживаются. С помощью РЛС П-12 и РЛСдм молнии уверенно обнаруживаются на расстоянии до 150 км.

Таблица 1.1 - Некоторые ТТД РЛС П-12 и РЛСдм

–  –  –

Погрешность определения расстояния до молнии с учетом отличия реальной скорости распространения радиоволн от их скорости в стандартной атмосфере, возможного несоответствия полосы пропускания приемного тракта РЛС длительности зондирующего импульса, предельной точности используемого индикатора РЛС, зависящей от ошибок измерения расстояния по элементарной отметке, а также от ошибок отсчета, обуславливаемых формой и размерами реальной цели, не превышает 1,8 км. Минимальная разрешающая способность по дальности, зависящая от длительности зондирующего импульса, времени роста и спада сигнала, а также от времени перемещения луча на расстояние, равное диаметру рисуемого пятна, в радиусе 100 км для РЛС П-12 и РЛСдм составляет 1,9 и 1 км, соответственно.

Так как радиоэхо молнии представляет собой кратковременный сигнал (менее 1 с), отсчет угловых координат молнии целесообразно производить, когда антенна стоит на определенном азимуте с погрешностью, определяемой ошибками измерения угловых координат элементарной отметки и изображения реальной цели. Погрешность определения угловых координат РЛС П-12 и РЛСдм на расстояниях 25, 50 и 100 км составляет 6,28° и 3,08°; 6,28° и 2,78°; 6,15° и 2,65°, соответственно. Разрешающая способность РЛС в азимутальной плоскости определяется шириной луча РЛС и размером электронной отметки на данном расстоянии.

Значения разрешающих способностей по азимуту для РЛС П-12 и РЛСдм на расстояниях 25, 50 и 100 км составляют 14,5° и 7,5°; 12,7° и 5,7°;

11,9° и 4,9°, соответственно. В ходе эксперимента операторами РЛС с индикаторов типа А и ИКО визуально осуществлялась непрерывная регистрация во времени координат молниевых разрядов, а также счет числа эхо-сигналов от молний и пакетов импульсов их собственного ЭМИ в минуту. Кроме того, информация, поступающая с выходов приемников РЛС, записывалась на магнитофоны в диапазоне частот 0-20 кГц. Периодически, кинокамерой со скоростью 10-20 кадров в секунду производилось фотографирование индикатора типа А (рисунок 1.5). С кинопленки снималась информация о дальности до ионизированного канала молнии, длине его проекции на наклонную дальность, длительности существования эхо-сигнала молнии и пакетов импульсов ее собственного ЭМИ с разрешающей способностью 0,05- 0,1 с. При синхронной работе РЛС П-12 в активном режиме и РЛСдм в пассивном режиме видеосигналы с выходов их приемников поступают на двухлучевой осциллограф, работающий в режиме ждущей развертки, с экрана которого производится съемка фотокамерой ФОР-1, запускаемой устройством «Молния-1» [10], срабатывающим от переднего фронта видеоимпульсов ЭМИ, поступающих с выхода приемника РЛСдм. При последующей обработке фотопленки с нее снимаются данные о времени существования «предгрозового» радиоизлучения (промежуток времени между приходом первого радиоимпульса от исследуемого облака и первого отраженного сигнала от ионизированного канала молнии), о принадлежности ЭМИ молниевым разрядам или иным процессам, происходящим в облаках.

Рисунок 1.5 - Фотография экрана индикатора типа А РЛС П-12.

Одно деление соответствует 10 мкс В районе работ были проведены исследования временных характеристик эхо-сигналов от ионизированных каналов молний в метровом диапазоне радиоволн. При этом особое внимание уделялось выяснению зависимости длительности существования эхо-сигналов рлс от расстояния между РЛС П-12 и наблюдаемым с помощью нее грозовым разрядом.

На основе анализа экспериментальных данных получены статистические распределения повторяемости рлс для различных расстояний.

Их характеристики представлены в таблице 1.2.

–  –  –

Как оказалось, длительность эхо-сигнала существенно уменьшается с удалением РЛС от молнии, что, как и в случае собственного ЭМИ разрядных процессов, связано с уменьшением амплитуды эхо-сигнала при распространении его над земной поверхностью и, следовательно, меньшей вероятностью его регистрации приемником определенной чувствительности.

Выявленный эффект, ранее считавшийся несущественным для расстояний менее 100 км, следует учитывать при оценке контроля эффективности активных воздействий, чтобы естественное уменьшение рлс при удалении облака от пункта наблюдений не было ошибочно оценено как положительный результат проводимого на это облако воздействия. Для построенного по достаточно большому количеству измерений статистического распределения повторяемости рлс, представленного на рисунке 1.6, с помощью метода моментов были найдены аппроксимации теоретическими законами распределения. Как показала проверка по критерию согласия -квадрат, оптимальным для описания оказалось гаммараспределение с плотностью

f(рлс) =111,1(рлс/o)1,24exp[-8,62(рлс/ рлс/o)], (1.2)

где o = 1 с.

Довольно неплохо частотное распределение аппроксимируется и логарифмически-нормальным законом, что, как показано в главе 4, будет существенным при оценке эффекта воздействия. На рисунке 1.6 приведены полученные в ходе эксперимента, а также взятые для сравнения из различных литературных источников [48,117] интегральные распределения рлс в метровом диапазоне радиоволн. Наше распределение рлс имеет вид, сходный с распределением, полученным учеными ЛГМИ в Алазанской долине Восточной Грузии, и несколько отличается от распределения, полученного в ГГО (Ленинградская область). Это отличие легко объясняется широтной зависимостью геометрических и энергетических характеристик молний.

1.3.2 Измеритель параметров пакетов импульсов электромагнитного излучения грозовых облаков Регистрация параметров ЭМИ разрядных явлений сильно затруднена из-за того, что разряд представляет собой короткий по длительности и случайный во времени процесс. Поэтому нами разработан прибор для автоматического измерения параметров пакетов импульсов, получаемых на выходе радиоприемных устройств метрового и дециметрового диапазонов длин волн при электромагнитных возмущениях в атмосфере, вызываемых разрядными явлениями в облаках (рисунок 1.7) [7].

Обозначения:

1, 2 и 3 - полученные нами гистограммы повторяемости, функция плотности гамма-распределения и интегральное распределение, соответственно;

4 и 5 - интегральные распределения, взятые из работ [117] и [48], соответственно Рисунок 1.6 - Распределения вероятности длительности рлс эхо-сигнала от канала молнии в метровом диапазоне радиоволн Рисунок 1.7 - Внешний вид измерителя импульсно-временных характеристик радиоизлучения грозовых облаков За пакет принята серия из А и более импульсов, пауза между которыми меньше 1 мс, а временной интервал между последним импульсом этой серии и первым импульсом последующей серии больше или ранен С. Значения А можно изменять в пределах от 10 до 9999 импульсов с дискретностью в один импульс, С - от 1 до 1000 мс. При максимальной (минимальной) длительности одного импульса в пакете 1 (0,05) мс и длительности временного интервала между пакетами не менее 25 мс при средней длительности пакета в 120 мс прибор обеспечивает: измерение количества пакетов в пределах от 1 до 99999 с точностью ±1 пакет; измерение длительности каждого пакета в пределах от 5,0 до 9999,9 мс с точностью ±0,2 %; измерение числа импульсов в каждом пакете в пределах от 10 до 9999 с точностью ±5 импульсов; измерение времени прихода заднего фронта каждого пакета относительно начала отсчета до 9 ч 59 мин 59 с 999 мс с точностью ±1 мс. Вся информация, получаемая в процессе измерения параметров пакетов, выводится на цифропечатающее устройство (ЦПУ).

Полный объем информации о пакете импульсов содержит 22 десятичных разряда. Ввиду того, что прибор обеспечивает значительную скорость измерения (400-500 пакетов в минуту), а быстродействие ЦПУ составляет 30 16-разрядных строк в секунду, в прибор введена оперативная память, состоящая из двух страниц, каждая объемом в 16 22-разрядных двоичнодесятичных слова. Если запись информации производится в одну из страниц памяти, то считывание информации производится из другой страницы, и наоборот. В составе КРТС измеритель использовался совместно с РЛСдм, работающей в пассивном режиме.

1.3.3 Радиопеленгаторы-дальномеры гроз

Применение РЛС, являющихся высокоточными и чувствительными инструментами для определения координат и параметров молниевых разрядов, не обеспечивает получения общей картины грозовой деятельности в месте проведения эксперимента, что связано с направленными свойствами и малой относительно времени существования молнии скоростью сканирования по азимуту их антенн. Поэтому в составе КРТС в качестве индикатора гроз на территории района работ использовался полупроводниковый регистратор гроз (ПРГ-100) с резонансной частотой приемного тракта 60 кГц и с радиусом действия порядка 100 км. Вероятность регистрации грозовых разрядов на удалении менее 100 км от места установки прибора составляет 85 %, более 100 км – 25 % [48]. Такие разряды ошибочно будут идентифицированы, как произошедшие внутри стокилометрового круга.

При определении интегральной грозовой деятельности над территорией района работ путем прямых визуальных наблюдений и с помощью счетчиков разрядов нельзя с большой точностью выявить местоположение грозовых очагов, надежно разделить разрядные процессы на наземные и облачные. В этом плане качественно новым инструментом является наиболее совершенный из выпускаемых промышленностью образцов АГПД «Очаг-2П», предназначенный для локализации грозовых очагов из одного пункта путем регистрации ЭМИ, сопровождающего молниевые разряды. Используемый в составе комплекса с 1981 г. АГПД «Очаг-2П» состоит из амплитудного пеленгатора (АП), амплитудного дальномера (АД) и импульсного Е-Н дальномера (ИД),. принцип работы которого основан на раздельном анализе электрической и магнитной составляющих поля в ближней зоне. Координаты молниевых разрядов отображаются на экране индикатора с памятью в полярной системе координат, в которой направление на источник ЭМИ молниевого разряда определяется азимутальным углом с точностью не хуже ±40 - максимальная погрешность от имитатора (рисунок 1.8 а). Дальность определяется в двух масштабах - от 15 до 100 км с максимальной погрешностью от имитатора ±3 км ±15 % измеряемой дальности, и от 0 до 420 км по градациям 0 - 30, 30

- 75, 75 - 200, 200 - 420 км дискретно с точностью до градации.

а)

–  –  –

Рисунок 1.8 - Фотография экрана АГПД с координатными точечными засветками от молниевых разрядов (а).

Фотография наземного разряда молнии, зафиксированного АГПД (б) Нами были проведены исследования точностных и информативных характеристик АГПД при локализации с помощью него реальных молниевых разрядов. Фотоизображения экрана АГПД и табло электронных часов совмещались с синхронно полученными изображениями экрана ИКО МРЛП (рисунок 1.9). Анализ 100 опытов показал, что в 95 % случаев АГПД обеспечивает определение местоположения молний в зонах радиоэхо облаков и осадков или за их пределами на удалении менее 10 км, т.е. он является достаточно точным инструментом для определения местоположения грозовых очагов и контроля их перемещения. АГПД также обладает высокими вероятностными характеристиками обнаружения грозового очага (0,92 - 0,96), но регистрирует при этом в нем далеко не каждый разряд.

В районе работ в 1984 г. в пунктах Куба-Таба и Баксан, в 1985 г. в пунктах Баксан, Ардон и Моздок, в 1986 г. в пунктах Кызбурун, Баксан и Нальчик нами совместно с учеными ЛГУ, ГГО (г.Санкт-Петербург) разворачивалась пеленгационная система местоопределения молний (ПСММ). Координаты молниевого разряда определялись по пересечению пеленгов. Погрешность местоопределения в ПСММ зависит как от точностных характеристик используемых пеленгаторов, так и от взаимного расположения источника излучения и пунктов системы. В каждом из измерительных пунктов на ЦПУ выводились время прихода атмосферика, пеленг и расстояние до источника, полученные с помощью ИД и АД. Вывод сигнала АГПД на табло экрана ИКО РЛС П-12 позволял в последствии проводить сравнение полученных с помощью обеих установок координат молниевых разрядов. Так как определение координат молний возможно по пеленгам из двух пунктов, избыточность системы позволяла осуществлять самоконтроль точности.

Обозначения:

1 – направление движения облаков;

2 – направление холодного фронта;

3 – координаты молниевых разрядов;

4 – изолинии радиоэхо облаков

–  –  –

По данным радиолокационных измерений оказалось, что АГПД в Е-Н режиме работы регистрирует в среднем только 7 % молниевых разрядов, фиксируемых с помощью РЛС метрового и дециметрового диапазонов.

Результаты проверки точностных характеристик ИД с помощью РЛС П-12 показали, что максимальная абсолютная ошибка, приходящаяся на интервал расстояний 70-80 км, равна ±20 км, смещение и стандартное отклонение оценки дальности в масштабе от 15 до 100 км составляют соответственно 0,12 - 0,2 от измеряемой дальности и 2 - 11 км, т.е. погрешность определения расстояния до грозовых разрядов с помощью ИД растет с удалением от пункта наблюдения.

Из 150 измерений координат молниевых разрядов с помощью ПСММ отмечено 22,7 % случаев ошибок одного из пеленгаторов на 180° и 8,6 % случаев, в которых наблюдались значительные выбросы значений стандартного отклонения в интервале от 15 до 45°. В остальных случаях была получена ошибка пеленгации 4,8°. Наблюдающиеся выбросы от 15 до 45° можно отнести к поляризационным эффектам, обусловленным наклоном излучающего канала молниевого разряда.

При сопоставлении синхронных измерений дальности до молний, фиксируемых с помощью ИД и восстановленных по данным регистрации ПСММ, отмечается повышение погрешности измерений АГПД с увеличением расстояния, а также наличие ложных срабатываний от грозовых очагов, находящихся на расстояниях более 100 км. Данные ПСММ составляют малую часть по сравнению с данными по координатам молний, полученным с помощью отдельных АГПД. Но, если координаты разрядов по АГПД иногда оказываются за пределами границы радиоэхо конвективной облачности, пересечения пеленгов по ПСММ хорошо попадают внутрь изоконтуров облаков, что подтверждает высокую точность определения местоположения грозовых разрядов с помощью ПСММ, а, значит, и целесообразность ее применения для поверки характеристик однопунктных средств локализации грозовых облаков. Однако, применимость АГПД, а тем более ПСММ, при контроле эффективности активных воздействия на грозовые процессы сильно ограничивается недостаточно высокими вероятностными характеристиками обнаружения отдельных молниевых и слаботочных разрядов. К преимуществам АГПД и ПСММ следует отнести возможность одновременного контроля обширной рабочей зоны в отличие от РЛС, позволяющей фиксировать практически все разряды, но только в секторе, определяемом шириной ДН ее антенны. Поэтому АГПД и ПСММ использовались в КРТС как средства, дополнительные к радиолокационным.

Система регистрации напряженности электромагнитного поля 1.3.4молнии

С 1983 г. в составе КРТС функционирует созданная нами совместно с учеными АзНИИЭ (г. Баку) система регистрации быстрых изменений электромагнитного поля, обусловленных главноканальными стадиями грозовых разрядов, с одновременным определением их координат с помощью радиолокационных станций метрового и дециметрового диапазонов длин волн. Структурная схема измерительной аппаратуры представлена на рисунке 1.10.

Регистрация вертикальной составляющей напряженности электрического поля E(t) у поверхности земли производилась путем осциллографирования напряжения между землей и открытой U(t) изолированной антенной, нагруженной на измерительную схему.

Соотношение, связывающее E (t) и U (t), имеет вид [83] Ca Ck E (t ) u (t ), (1.3) Ca h где Ca - емкость антенны относительно земли;

Cк - емкость соединительного кабеля антенны с измерительной схемой;

h - высота антенны над землей.

Обозначения:

РЛС – радиолокационная станция; АС – антенная система;

СПУ – согласующее пусковое устройство; С1–33 – осциллограф;

1 – генератор зондирующих сигналов; 2 – усилитель видеосигнала;

3 – генератор меток дальности; 4 – смеситель; 5 – электрическая антенна;

6 – рамочная антенна; 7 – усилитель сигнала; 8 – блок питания;

9 – генератор сигнала; 10 – генератор разверток;

1, 11 – синхронизатор фотокамеры; 12 – фотокамера РФК – 5;

13 – канал 1; 14 – канал 2; 15 – генератор разверток 2; 16 – канал 3.

Рисунок 1.10 - Блок-схема регистрации ЭМП молний с синхронной индикацией отраженного от ее канала радиолокационного сигнала В качестве антенны был применен круглый металлический диск, удобный в изготовлении, установке и градуировке, а также лишенный недостатков, обусловленных коронированием и направленностью.

Антенна диаметром 50 см, края которой были изогнуты во избежание краевого эффекта, устанавливалась на высоте 0,5 м над заземленной плоскостью (размеры плоскости много больше размеров антенны) параллельно поверхности земли и перпендикулярно вектору напряженности ЭМП, т.е.

вдоль эквипотенциальной линии. Относительная погрешность измерения, в основном, определяемая утечками через входное сопротивление R регистрирующей аппаратуры, равна [16] tp E RC, (1.4) где tp- время регистрации;

С - полная емкость измерительной системы.

В связи с тем, что емкость С, состоящая из емкостей Ск и Са, равнялась 1450 пФ, а нагрузочное сопротивление - 0,8 МОм, постоянная системы RC оказалась равной 1 мс, что позволило без искажений регистрировать импульсы с длительностями порядка 100-200 мкс, характерными для главноканальных стадий грозовых разрядов. Реакция системы на время нарастания (фронта) импульса, определяемая произведением величин согласующего антенну с соединительным кабелем сопротивления (в данном случае 75 Ом) и емкости системы составила 0,1 мкс, что обеспечило регистрацию без искажения импульса с длительностью фронта 0,3 мкс и более.

Измерение магнитной составляющей напряженности ЭМИ H(t) обычно производится экранированной рамочной или магнитной антеннами. Нами была применена экранированная рамочная антенна с широкополосным усилителем (полоса частот 1 МГц), имеющая следующие характеристики;

размер антенны 0,45 м2 при эффективной площади для 36 витков 7,29 м2, индуктивность антенны La=2,4 мГн, нагрузка на антенне RH = 36 Ом. Для исключения электродвижущей силы в обмотке антенны от переменных токов, наведенных в экране быстро меняющимися электрическими полями, места разреза и точки заземления, а также выводы обмотки произведены на вертикальной оси антенны. При определении H напряжение, наведенное в антенне, должно быть проинтегрировано во времени [16]. С этой целью антенна нагружается на интегрирующее RL звено. В реальных схемах в качестве интегрирующей индуктивности целесообразно использовать собственную индуктивность рамочной антенны, для которой удается реализовать обмотку с постоянной интегрирования u = 10-2 – 10-3 c.

Преимуществом RL - интегрирования является возможность регистрации импульсов с фронтами длительностью до 10-7 с. При условии u = L/R tс падение напряжения на нагрузочном сопротивлении u(t) будет приближенно равно RH Ra o SH (t ) u (t ) La, (1.5) где tc - длительность интегрируемого сигнала;

Ra - сопротивление провода антенны;

o - магнитная проницаемость воздуха;

w -число витков антенны;

S - площадь сечения витка.

Относительная погрешность интегрирования оценивается соотношением

–  –  –

По первичным градуировочным характеристикам 2В на выходе антенны соответствовали 3 А/м напряженности магнитного поля в месте установки антенны. Напряженность магнитного поля является векторной величиной.

Поэтому для точного ее определения необходимо выполнить измерения тремя взаимно перпендикулярными антеннами. При исследовании разрядов на землю, если известно направление на разряд, можно обойтись одной антенной. В наших измерениях направление на разряд определялось с помощью радиолокатора. С целью уменьшения влияния окружающих заземленных объектов на ЭМП около антенн они были удалены от места регистрации на расстояние 20 м и установлены на подставках на уровне от земли порядка 0,7 м, чтобы устранить влияние растительности. Расстояние между антеннами составляло около 4 м. Погрешность измерений напряженности ЭМП, обусловленная погрешностями в системе калибровки и в расшифровке данных, полученных при фоторегистрации экрана осциллографа, составила 15 %.

Для определения расстояния до канала молнии использовалась РЛС П-12. Сигналы с измерительных антенн и выхода РЛС подавались на пятиканальный осциллограф С1-33, с экрана которого осуществлялась фоторегистрация информации камерой РФК-5.

В процессе эксплуатации схемы измерения оказалось, что зондирующий сигнал РЛС воздействует на приемные антенны как регулярная помеха, превышающая уровень нерегулярного полезного сигнала, которым является ЭМП молнии. Поэтому была разработана схема управления и синхронизации радиолокатора с регистрирующей аппаратурой, работающая на принципе сравнения опорного сигнала, с зондирующим сигналом РЛС. При индуцировании на антенне импульса с длительностью зондирующего сигнала 6 мкс схема запирает вход генератора развертки осциллографа. Этим обеспечивается запуск генератора развертки от импульсов ЭМП молний, длительность которых обычно больше 10 мкс. Конструктивно схема представляет собой генератор прямоугольных сигналов с частотой, равной частоте посылок зондирующих сигналов РЛС и длительностью импульса 6 мкс.

Типичные картины осциллограмм импульсов напряженностей ЭМП главноканальных стадий наземных и междуоблачных разрядов и радиолокационного сигнала, отраженного от местных предметов и ионизированного канала молнии, представлены на рисунке 1.11.

1.3.5 Устройство для раздельной регистрации наземных и облачныхразрядов молний

Известно, что степень причиняемого грозой ущерба объектам народного хозяйства в большой мере зависит от типа молниевого разряда. С другой стороны, такая характеристика грозовой деятельности, как соотношение молниевых разрядов на землю и всех атмосферных разрядов, сильно изменяется, как для разных широт, так и для местностей с различной орографией. При оценке эффективности активных воздействий на грозу также очень важно уметь оперативно определять тенденцию изменения этой характеристики. Применяемые в настоящее время для определения суммарного числа разрядов на единицу площади счетчики молний не позволяют получать достоверные данные о поражаемости территорий больших масштабов наземными разрядами. На метеосети в нашей стране для наблюдений за грозами до сих пор используются малорепрезентативные визуально-слуховые методы с радиусом действия до 15 км. Все это предопределило необходимость в создании простого и мобильного устройства для раздельной регистрации наземных и облачных разрядов молний большого радиуса действия.

По результатам совместных оптико-осциллографичсской (расстояние между источником и пунктом наблюдения от 0 до 15 км) и радиолокационноосциллографической (от 10 до 100 км) регистрации параметров разрядов молний было установлено, что формы импульсов электрического поля Е главноканальных стадий наземных и междуоблачных разрядов существенно Рисунок 1.11 - Осциллограммы напряженности электрического (Е) и магнитного (Н) полей для главноканальных стадий наземного (а) и междуоблачного (б) разрядов и радиолокационного сигнала, отраженного от местных предметов (Ам) и ионизированного канала молний (Ар) отличаются [110]. Как видно из рисунка 1.11, импульсам Е наземных разрядов присуща апериодическая форма с четким определением длительности фронта (а). Для междуоблачных разрядов характерен биполярный импульс с пологим фронтом (б). Поэтому в разработанном нами регистраторе был использован алгоритм распознавания типа разряда по форме импульса напряженности электрического поля главноканальной стадии молнии, что по сравнению с известными устройствами аналогичного назначения [13,22,25,63] позволило упростить конструкцию, расширить радиус действия и устранить неопределенности, возникающие при распознавании по разной ориентации каналов, по различным спектрам излучения наземных и облачных разрядов, а также влияние на точность регистрации прозрачности атмосферы.

Был изготовлен и испытан опытный образец грозорегистратора.

Испытания проводились по следующей методике. При возникновении грозовой ситуации на территории, ограниченной радиусом 100 км от пункта наблюдений, включались испытываемое устройство и средства испытаний. С помощью АГПД фиксировались данные о координатах молниевых разрядов, произошедших преимущественно на землю в радиусе 420 км. С помощью системы регистрации быстрых изменений ЭМП молнии уточнялся тип зарегистрированного разряда. На РЛС П-12 по эхо-сигналу молнии на выбранном азимуте регистрировались факт возникновения молнии и дальность до нее. С испытываемого устройства при различных порогах срабатывания снималась информация о количестве, типе разрядов и времени их регистрации. Испытания показали, что устройство с высокой степенью точности осуществляет раздельную регистрацию наземных и облачных разрядов на территории радиусом до 100 км. Оптимальный радиус действия устройства составляет 50 км. Вероятность регистрации молниевых разрядов внутри территории с эффективными радиусами действия устройства от 15 до 100 км меняется от 0,85 до 0,94, а за пределами этой территории от 0,25 до 0,08, соответственно. Вероятность правильного определения типа разряда при изменении эффективного радиуса действия устройства от 15 до 100 км меняется от 0,98 до 0,8.

Устройство для раздельной регистрации наземных и облачных разрядов защищено авторским свидетельством СССР на изобретение [2].

Вышеописанный радиотехнический комплекс дает возможность оперативно получать обширную информацию об электрическом и динамическом состоянии облаков, управлять процессами воздействия и контроля его эффективности.

1.4 Методика исследований грозовой деятельности облаков

Метеорологический полигон ВГИ находится между защищаемыми территориями Куба-Табинского и Урванского противоградовых отрядов Северо-Кавказской военизированной службы по борьбе с градом (СК ВС), расположенными с Северо-Запада на Юго-Восток. Расстояние до самых далеких от КП КРТС границ защищаемых территорий не превышает 60 км.

Исследования характеристик грозовой деятельности облаков осуществлялись по нескольким программам. Режим работы КРТС определялся выбором соответствующей программы. Методика проведенного в 1980-84 гг. эксперимента по активным воздействиям на облака с целью регулирования их электрической активности представлена в главе 4. По остальным программам работа КРТС осуществлялась следующим образом.

Грозорегистратор ПРГ-100 функционировал круглосуточно, что позволяло производить непрерывный контроль наличия грозовых явлений на территории радиусом 100 км. В 10 ч. 00 мин. с центрального пункта полигона ВГИ «Кызбурун» по радиосвязи принимался прогноз погоды района работ, составленный на основе данных аэрологического зондирования в пунктах Кызбурун (КБР), Минеральные Воды (Ставропольский край), Черкесск (КЧР). Ардон (РСО-А) и синоптических карт. Когда ожидалось образование и развитие кучевой, мощно-кучевой и кучево-дождевой облачности, включался АГПД «Очаг-2П», и через каждые 30 мин проводился радиолокационный обзор территории в радиусе 300 км с помощью МРЛ-2.

При обнаружении в радиусе 100 км зоны радиолокационного отражения конвективной облачности включались все установки и приборы КРТС, между которыми поддерживалась непрерывная двусторонняя телефонная громкоговорящая связь. Антенны установок непрерывно направлялись с КП на максимальную зону радиоэхо облака. С установок и приборов операторами не реже чем через каждые пять минут (время квазистационарного состояния облака) снималась первичная информация.

При последующей обработке кино- и фото-материалов, лент ЦПУ снималась остальная информация о радиолокационных и электрических характеристиках объекта исследований, перечисленных в Разделе 1.3.

За продолжительность грозы принимался промежуток времени между первым и последним молниевыми разрядами, зарегистрированными в течение одних суток в радиусе 100 км с помощью любой из установок и систем КРТС. Обычно для этой цели использовались грозорегистратор ПРГи АГПД «Очаг-2П». День считался грозовым, если в радиусе 100 км любой из установок КРТС регистрировалось не менее трех молниевых разрядов. Такие меры были приняты, чтобы уменьшить вероятность ошибочного принятия срабатывания установок от промышленных помех за регистрацию грозовых разрядов.

Координация работ проводилась по радиосвязи между КП КРТС для исследования гроз и остальными территориально разнесенными подразделениями метеорологического полигона ВГИ, а также КП КубаТабинского отряда. Заранее с руководителем эксперимента оговаривалось, по какой из программ («Комплексный градовый эксперимент» или индивидуальные программы по научно-исследовательским темам лаборатории) будут проводиться исследования. При работе по программе «Комплексный градовый эксперимент» на КП КРТС непрерывно сообщались данные о координатах подвергаемого воздействию облака, времени и месте внесения льдообразующего реагента, и его расходе. Градоопасность и градоносность облаков устанавливались с помощью входящего в состав полигона ВГИ двухволнового радиолокатора МРЛ-5 по известной методике [68]. Время и место выпадения града устанавливались по результатам обработки данных наземной градомерной сети ВГИ и объезда территории района службой контроля противоградовых отрядов. При работе по индивидуальным программам исследования грозовой деятельности объект выбирался на КП КРТС с учетом решаемых в этих программах задач.

Наблюдения за отдельными облачными конвективными ячейками осуществлялись таким образом, чтобы проследить во времени эволюцию характеристик их грозовой деятельности и радиолокационных параметров от первого до последнего молниевого разряда.

ГЛАВА 2 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРОЗОВЫХ ОБЛАКОВ

2.1 Строение, электризация грозовых облаков и условия возникновения молний По результатам наблюдений, включающих шарозондовые, самолетные и ракетные измерения электрических полей внутри облаков [34,55,92,93,109,124], измерения электрического поля заряда, переносимого молнией [97,100,101], и локацию связанных с молнией акустических и СВЧ источников излучения [86,110,115], на современном этапе исследований в физике атмосферного электричества разработана достоверная модель зрелой грозовой облачной конвективной ячейки, представленная на рисунке 2.1 [34].

В стадии развития мощного кучевого облака электрический заряд 3 отсутствует, а заряды 1, 2 и 4 на несколько порядков величины меньше существующих в стадии зрелости. Характерный размер локальных неоднородностей заряда составляет 50 - 200 м. При переходе облака от стадии Cucong к стадии Cb его электрическая структура претерпевает существенные изменения. Изменяется соотношение величин зарядов 1 и 2 (средняя величина 10 - 13 Кл), вследствие чего направление вектора напряженности поля над облаком часто меняется на противоположное, появляется связанный с выпадением осадков положительный заряд 3. Размер локальных неоднородностей заряда в Cb может достигать 400-600 м, резко возрастает величина электрической проводимости внутри облака (10-13-10-12 Ом/м). На самом верху облака находится тонкий слой отрицательных зарядов, называемый экранирующим. Возможно, его происхождение связано с космическими лучами, ионизирующими молекулы воздуха. Независимо от его природы экранирующий слой играет второстепенную роль и не меняет по существу основную трехзарядную структуру облака. В стадии диссипации облака величины основных объемных зарядов 1, 2 и 3 становятся меньше, чем в предшествующей стадии.

-40оС

-30оС

-20оС

–  –  –

Обозначения:

1 и 2 - основные электрические отрицательный и положительный заряды облака; 3 - заряд осадков; 4 - заряд электрических неоднородностей облака;

5 - столб единичного сечения; 6, 7 и 8 - распределения отрицательного заряда по высоте, полученные Якобсоном и Кридером, Крехбилем (1981 г.) и Крехбилем и др. (1979 г.) методом локализации заряда, нейтрализуемого молнией, с помощью сети флюксметров; 9, 10, 11 - высоты центров основных отрицательных зарядов, локализованных методами местоопределения источников СВЧ излучения, акустических источников и прямым зондированием облачной среды с помощью аэростатов и ракет, оснащенных флюксметрами.

Рисунок 2.1 - Статическая модель грозового облака в стадии зрелости [34] и результаты наблюдений по локализации области основного отрицательного облачного заряда [33] Грозовые облака умеренных широт, в частности на Северном Кавказе, характеризуются большой вертикальной протяженностью и занимают температурные уровни от +10 до -45° С.

Центр отрицательного заряда, являющегося источником большинства молний, поражающих землю, как видно из рисунка 2.1, расположен примерно на высоте 6 км (температура воздуха около -15° С) в области, где сосуществуют гидрометеоры в различных агрегатных состояниях. Наиболее характерная особенность слоя главного отрицательного заряда заключается в том, что он относительно плоский: его размер по вертикали меньше одного километра, а в горизонтальном направлении он простирается на несколько километров и более. Самые сильные электрические поля в грозовых облаках возникают у верхней и нижней границ основного отрицательно заряженного слоя.

Верхняя положительно заряженная область занимает больший объем по сравнению с отрицательно заряженным тонким слоем и может иметь толщину несколько километров, достигая верхней границы самого облака.

Величины основных зарядов и расстояния между их центрами сильно варьируют для различных грозовых облаков и имеют тенденцию в среднем возрастать к экватору [33].

Кроме описанных здесь положительно поляризованных грозовых облаков в редких случаях наблюдаются отрицательно поляризованные облака, верхняя часть которых несет отрицательный избыточный заряд [78].

Электрическая структура грозовых облаков обуславливается процессами разноименного заряжения облачных частиц и частиц осадков (мелкомасштабными процессами электризации) с последующим макроскопическим разделением противоположных зарядов воздушными конвективными потоками и падающими в гравитационном поле Земли осадками [123]. С другой стороны, электрическая проводимость воздуха около частиц препятствует накоплению на них заряда, а электрические токи турбулентной диффузии и конвекции препятствуют накоплению зарядов и росту электрических полей в больших объемах облака. Вместе с тем турбулентность приводит к появлению значительных неоднородностей объемных зарядов. В [33] выведено оценочное выражение для величины заряда Q0, учитывающее процессы, как зарядки облака, так и его разрядки,

–  –  –

где: S - площадь горизонтального сечения активной части облака;

Iз- ток, создаваемый выпадающими заряженными осадками;

t- время, прошедшее с момента начала зарядки нейтрального облака;

- время релаксации,

–  –  –

где: aвг, aнг - электропроводность атмосферы на верхних и нижних частях облака;

0 и - электропроводность и диэлектрическая проницаемость в активной части облака;

k - среднее значение коэффициента турбулентного перемешивания.

Наиболее интенсивные процессы заряжения гидрометеоров происходят при их переходах в различные агрегатные состояния, а также при захвате ионов, коронировании, соударении, дроблении и слиянии этих гидрометеоров. На процессы заряжения гидрометеоров могут существенно влиять внешние электрические поля. Однако, до настоящего времени существует ряд теорий [78] заряжения облаков за счет конвекционного переноса в них вертикальными движениями воздуха накапливающегося у земли в виде легких ионов объемного заряда. Этот заряд, проходя через облако, оседает на его каплях. В свою очередь накопившийся в облаке заряд за счет образовавшегося электрического поля обуславливает подток зарядов другого знака к границам облака и создает тем самым дипольную электрическую структуру. Авторы этих теорий считают, что первичным в грозовых облаках является накопление зарядов, а вторичным - образование осадков. В опытах, проведенных с целью выяснения возможностей конвекционного механизма [34], было показано, что величина зарядов облака практически не зависит от его толщины, пока в нем не возникнут крупные капли диаметром 100 мкм и более. В работе Вильямса [123] указывается, что локализация области основного отрицательного заряда на уровнях выше нулевой изотермы является косвенным подтверждением действия механизма электризации, основанного на осадкообразовании, включающего ледяную фазу. Относительно малая толщина и стабильное распределение по высоте областей основного отрицательного заряда необъяснимы конвективными теориями облачной электризации [121,122]. Известно, что наибольшие заряды, переносимые молниями, наблюдались в небольших зимних грозах в Японии [91], характеризовавшихся сильными горизонтальными и средними вертикальными скоростями движения воздуха. С другой стороны, схема заряжения облаков осадками не объясняет наблюдаемой скорости роста величины зарядов ледяной фазы до появления первого молниевого разряда в развивающихся облаках и несовпадения зоны выпадения осадков с зоной генерации молний. Кроме того, существование зависимости между вертикальными движениями воздуха и молниевой активностью говорит о важной роли конвективных движений в крупномасштабном разделении зарядов, хотя и отличной от предсказываемой конвективной теорией.

В работе [96] Иллингвортом был осуществлен анализ различных механизмов электризации отдельных частиц облаков и осадков с целью выявления механизма, способного привести к накоплению значительных зарядов в облаке. На основании ряда его лабораторных работ в содружестве с

Латамом им были отвергнуты следующие механизмы разделения заряда:

1) при соударении жидких частиц, поскольку уже в умеренных полях наблюдается их стопроцентное слияние;

2) при соударении жидких переохлажденных капель с ледяными частицами, поскольку при этом разделяется очень маленький заряд;

3) при появлении ледяной фазы в замерзающих каплях, поскольку в малых объемах не происходит заметного разделения зарядов между жидкой и твердой фазой;

4) при появлении температурных градиентов по причине низкой эффективности разделения зарядов;

5) индукционный в применении к соударению капель с твердыми частицами, поскольку при этом разделяется очень малый заряд. Действие индукционного механизма в применении к ледяным частицам полностью не отвергается, однако констатируется его слабая эффективность.

К значительному переносу заряда приводит соударение ледяных кристаллов с зернами снежной крупы. Лабораторные исследования, проведенные Латамом и Иллингвортом, Рейнольдсом и Бруком, Такахаши, а также Саундерсом [98,104,119], показали, что знак заряда крупы, возникающего при ее столкновении с ледяными кристаллами, существенно зависит от температуры. При температуре ниже критической, называемой температурой реверса заряда (от -10 до -20°С), крупе в условиях намерзания на нее переохлажденных капелек сообщается отрицательный заряд. Такое же соударение при более высоких температурах сопровождается положительным заряжением крупы в условиях осаждения водяного пара на ее поверхность. Гипотеза реверса объясняет наличие и величину нижнего положительно заряженного слоя трехразрядной структуры облака. Причиной переноса заряда при соударении крупы с ледяными кристаллами является существование контактной разности потенциалов между их поверхностями.

В то же время микрофизические процессы, которые объяснили бы устойчивую передачу заряда одного знака крупе, равно как и существование температуры реверса заряда, остаются почти совершенно неизвестными.

В соответствии с современными представлениями о строении грозовых облаков Имянитовым [33] были определены физические условия возникновения молний в облаках. Во-первых, необходимо, чтобы в зоне неоднородности 4 (рис.2.1) размером 10-3 – 10-1 км3 сформировались объемные электрические заряды, достаточные для начала возникновения разрядов. Эти заряды обеспечивают существование критической напряженности электрического поля 106 В/м, при которой начинается разряд, и энергии около 103 Дж. Во-вторых, в достаточно большом объеме облака, не менее 10-100 км3, должны наблюдаться заряды 1 и 2 в таком количестве, чтобы поддерживать начавшиеся грозовые разряды. Значения напряженности электрического поля, необходимые для поддержания разряда, 10 В/м. При этом, однако, существует еще много трудностей в объяснении механизмов инициирования и распространения молний, а также сбора зарядов в их каналы в облаках.

2.2 Результаты лабораторных исследований механизмов электризации облачных частиц и частиц осадков при фазовых переходах Для выяснения роли осадков в формировании электрической структуры грозовых облаков нами в лабораторных условиях было продолжено изучение механизмов электризации капель воды при их замораживании.

Исследуемая капля размером от 2 до 4 мм помещалась на электрод, соединённый с электрометром, и устанавливалась в термобарокамере.

Заряд капли рассчитывался путём интегрирования по времени величины измеряемого электрометром в процессе её кристаллизации электрического тока, типичная запись которого представлена на рисунке 2.2.

Причём давление, устанавливаемое в камере, соответствовало атмосферному давлению на высоте 6 –7 км над уровнем моря.

Для приближения условий эксперимента к атмосферным на кристаллизующуюся каплю направлялся воздушный поток. При этом было отмечено повышение температуры переохлаждения капли с –12…-150 С до

–7…-90 С, а также время её полного промерзания сократилось в 1,5 раза.

Обозначения:

АБ, ГД – запись фонового тока;

Б – момент покрытия капли ледяной оболочкой;

ВГ – участок записи тока при многократном выбросе частиц;

Е – импульс тока при выбросе ледяной частицы;

Ж – импульс тока при выбросе жидкой частицы или пузырька воздуха

–  –  –

Максимальный заряд, возникающий в грозовом облаке, обусловлен действием различных механизмов электризации, эффективность действия которых проявляется в зависимости от множества факторов. На начальной стадии развития грозового облака имеет место интенсивный фазовый переход воды, сопровождающий нарушение контакта на гидрометеорах между водой, льдом и воздухом, что приводит к электризации облачных частиц.

Для электризации облачных частиц при их образовании и взаимодействии между собой требуется выполнение следующих условий:

1. Возникновение разности потенциалов (неравномерного распределения зарядов) в частице. Причинами этого могут быть движение фронтов кристаллизации (таяния), контакт частиц с различными электрохимическими потенциалами, возникновение двойного электрического слоя на межфазных границах и т.д.

2. Разделение (фрагментация) и слипание (коагуляция) облачных частиц.

Невыполнение этих условий в силу закона сохранения электричества будет приводить к нейтрализации разделенных зарядов.

Интенсивность разделения электрических зарядов определяется величиной разности потенциалов, возникающей на границе раздела фаз, и интенсивностью разделения масс.

Величина потенциала зависит от следующих факторов: концентрации и химического состава примесей, площади межфазных границ и т.п.

Разделение масс, в основном, определяется интенсивностью процессов кристаллизации и взаимодействия разделенных частиц. Чем интенсивнее протекает процесс кристаллизации капель, тем чаще появляются разрывы в ледяной оболочке, и происходит выброс частиц. Длительность отдельных актов разделения масс находится в широких пределах.

В подтверждение сказанного можно привести типичную запись электрического тока с замерзающей капли 4-х миллиметрового размера (рисунок 2.2). Как правило, кристаллизация в опытах начиналась с поверхности капли. Вначале она покрывается слоем льда, затем в процессе кристаллизации твердая оболочка пластично искривляется, выпучивается, на поверхности образуются трещины под действием избыточного давления внутри капли. Из замерзающей капли вылетают воздушные пузырьки, микрочастицы воды и льда. Часто происходит взрывоподобное дробление (раскалывание) капель на мгновенно замерзающие осколки. Обычно во время покрытия капли ледяной оболочкой на диаграмме появляются небольшие импульсы (участок БВ рисунок 2.2). В проведенных опытах в 99 % случаев эти импульсы положительные, а около 1 % отрицательные.

Разделение наибольшего электрического заряда наблюдается при взрывоподобном раскалывании замерзающей капли. Кристаллизация переохлажденных капель воды с взрывоподобным раскалыванием, как правило, наблюдается в температурном интервале -8…-16° С. При этом вероятность взрывоподобного раскалывания составляет 10...12 % для водяных капель с электропроводностью 2,4·106 См/см и показателем рН, равным 5,3. При определенных условиях, отличных от условий, наблюдаемых в облаках, как показано в [120], долю капель, замерзающих с взрывоподобным раскалыванием, можно довести до 40 %.

Выполненные нами исследования показали, что максимальный заряд, разделяющийся при взрывоподобном раскалывании капель, может достигать величины 10-10 Кл. Если после раскалывания кристаллизация остатка продолжается, то, как правило, оставшаяся часть капли приобретает положительный заряд. Если же взрывоподобное раскалывание происходит в конце процесса кристаллизации, то знак заряда остатка может быть любым.

Среднее значение разделяющегося при этом процессе электрического заряда составляет 3·10-10 Кл на грамм замерзшей воды.

Осциллографические измерения показывают, что время разделения электрического заряда при взрывоподобном раскалывании составляет от 0,01 до 0,1 с. Скорость роста тока - от 10-11 до 10-10 А/с при среднем значении 8·10-11 А/с. В диапазоне от 600 мкм до 2 мм не удалось обнаружить зависимости величины и знака заряда от размера капель.

При отсутствии видимого взрывоподобного раскалывания электризация капли наблюдается с момента покрытия ее ледяной оболочкой и до полного замерзания.

Для определения оптимальных температурных режимов, при которых разделение масс происходит интенсивнее, была проведена серия экспериментов по замораживанию капель воды на границе раздела двух несмешивающихся оптически прозрачных сред. Были использованы технические масла с разной плотностью, вязкость которых с понижением температуры возрастала, препятствуя удалению вылетающих микрочастиц от капли. Вылетающие микрочастицы, как видно на рисунке 2.3, скапливаются вокруг капли. Средний размер вылетающих микрочастиц и их количество возрастают с увеличением диаметра капли. С замерзающей капли миллиметрового размера, в среднем, вылетает до 30 частиц, из них около 10 частиц по форме и цвету квалифицировались как твердые. Наибольшее количество выбросов наблюдается в температурном интервале от -8 до -16оС.

Размеры вылетающих частиц варьируются от 10 до 100 мкм со средним значением 35 мкм. Величина максимального заряда для дистиллированной воды составляет всего 7· 10-12 Кл на грамм замерзшей воды.

При «спокойной» кристаллизации, как видно на рисунке 2.2, наблюдается пульсационное разделение электрических зарядов (участок ВГ) в течение всего процесса замерзания капли. В этом случае разделение электрических зарядов связано с интенсивным и многократным выбросом с поверхности замерзающей капли воздушных пузырьков, микрочастиц воды и льда. При этом, как правило, водяные частицы и пузырьки воздуха уносят положительный заряд, а ледяные частицы - отрицательный. Количество элементарных актов разделения зарядов в некоторых опытах доходило до 30.

Разделение заряда интенсивнее происходит в температурном интервале

-5 …-15° С.

Рисунок 2.3 - Фотография капли, замерзшей на границе раздела двух сред.

Вокруг капли скопились пузырьки воздуха, частицы воды, и льда В таблице 2.1 приведены характерные значения заряда капель при их «спокойной» кристаллизации. Как видно из таблицы, величина и знак заряда зависят от физико-химических характеристик воды и температуры замерзания капель. Так, повышение показателя рН дистиллированной воды приводит к увеличению доли капель, приобретающих положительный заряд.

Таким образом, величина заряда, приобретаемого каплей, зависит от наличия примесей и скорости охлаждения.

Таблица 2.1 - Электризация капель воды при замерзании

–  –  –

Примечание: рН – водородный показатель, – электропроводность воды, плюс – положительный заряд, минус – отрицательный заряд.

Химический анализ атмосферных осадков показал содержание в них ионов калия, натрия, хлора и др. [75]. Поэтому нами для приготовления водных растворов были подобраны химические вещества, содержащие соли этих примесей. Исследовались капельки воды с содержанием указанных веществ концентрацией от 10-6 до 10-2 моль/л. Для всех испытываемых реагентов при концентрациях 10-4 моль/л и более наблюдалось резкое уменьшение разделяющегося суммарного заряда. Для азотнокислого натрия нами получен наименьший заряд при всех концентрациях. Увеличение концентрации испытываемых веществ в облачной воде до 10-3…10-2 моль/л при её кристаллизации приводит к уменьшению разделяющегося заряда в среднем на порядок.

Следовательно, используя различные химические вещества в качестве примесей, можно регулировать интенсивность электризации капель воды при их замерзании. Электрический заряд, разделяющийся при кристаллизации капель воды, как показано на рисунке 2.4 [12], существенно зависит от химического состава воды. В зависимости от содержания химических примесей электризация кристаллизующихся капель воды может либо усиливаться, либо ослабляться. Наибольший эффект достигается при использовании в качестве добавки к дважды дистиллированной воде хлористого калия.

Известно, что в кристаллическую структуру льда могут внедряться в небольшом количестве молекулы фтора, хлора и аммиака [74]. Кроме того, аммиак в воде диссоциирует с образованием положительных ионов, а при малой концентрации последние уменьшают вязкость воды, что указывает на разрушение её структуры, которая становится более льдоподобной. Процесс кристаллизации в этом случае должен проходить с меньшими затратами энергии. Эксперименты, проведённые с каплями грозовой воды, показали, что наличие в камере холода раствора на основе аммиака приводило к уменьшению заряда, генерируемого кристаллизующейся каплей, на порядок.

Была сделана попытка оценить количество аммиака, необходимого для получения положительного эффекта при воздействии на грозовые облака. В результате получено, что на 1 м3 облачной среды необходимо затратить 0,008 мл 25%-ного раствора аммиака.

При проведении рентгеноструктурного анализа замёрзших в парах аммиака капель дистиллированной воды наблюдался более равновероятный рост кристаллов по всем граням, чем в случае отсутствия паров.

На основе проведённых исследований нами был разработан способ воздействия на грозовые облака с целью регулирования их электрического состояния [74].

Были проведены исследования электризации ледяных частиц (крупы) при их росте в потоке мелких переохлаждённых капель. За время обдува, равное около 1 минуты, частица крупы вырастала на 8 мм 3 при скорости увлажнённого потока 5 м/с и на 32 мм3 при 10 м/с.

Обозначения:

1 – NaCl; 2 – K2SO4; 3 – CaCl2; 4 – Na2CO3; 5 – KNO3; 6 – KCl Рисунок 2.4 - Электрический заряд кристаллизующихся капель воды с различными химическими примесями как функция эквивалентной электропроводности Результаты опытов по измерению зарядов замерзающих капель приведены в таблице 2.2.

–  –  –

Таким образом, при наличии воздушных потоков и при росте града генерируется заряд (4…6)·10-12 Кл на одну градину или 1·10-10 Кл на грамм замёрзшей воды, что может быть достаточным для развития грозы.

Следовательно, к образованию больших электрических полей и развитию разрядных явлений в облаках приводят, в основном, процессы роста крупы при столкновении её с ледяными кристаллами, и, влияя на режим роста крупы, например, путём внесения в облачную среду льдообразующего реагента, можно успешно регулировать электрическое состояние грозовых облаков.

Результаты лабораторных исследований явлений генерации 2.3 акустического, оптического и электромагнитного излучения при фазовых переходах воды С целью выяснения возможности разработки новых методов дистанционного диагноза и прогноза широкого круга природных явлений, связанных с фазовыми переходами воды и динамическими явлениями во льду, нами были проведены работы по исследованию различных (оптических, акустических и электромагнитных СВЧ диапазона) сигналов при быстром замораживании воды [64].

В настоящее время для дистанционного зондирования атмосферы широко используются радиолокационные методы, основанные на взаимодействии радиоизлучения с водно-капельной и кристаллической средами облаков. Использование для зондирования излучения в оптическом диапазоне длин волн в дополнение к существующим методам позволит определить микрофизические характеристики: температуру среды, фазовое соотношение ледяных кристаллов и жидких капель, их пространственное распределение и т.д. Поэтому нами ставилась задача установления связи между спектрами комбинационного рассеяния света и величиной заряда, генерируемого на кристаллизующейся капле, что в дальнейшем можно будет перенести в реальные атмосферные условия и использовать для разработки методов и средств зондирования облаков на предмет их электрического состояния.

Для решения этой задачи нами была разработана и изготовлена лабораторная установка, включающая камеру холода, вольтметрэлектрометр, самописец, аргоновый лазер, оптический многоканальный анализатор и микро-ЭВМ. Схематичный вид установки представлен на рисунке 2.5.

Рассеянное на замораживаемой капле излучение лазера, направляемое на нее с помощью зеркально-призменной системы, фокусировалось объективом на входную щель полихроматора оптического пятисотканального спектроанализатора. Было установлено, что уменьшению заряда на капле сопутствовало смещение минимума разностного спектра комбинационного рассеяния в область более коротких длин волн и максимума - в область более длинных волн. Полученные результаты свидетельствуют о возможности использования спектров комбинационного рассеяния для контроля процессов кристаллизации водно-капельных систем.

Обозначения:

1- камера холода; 2 – гальванометр; 3 – исследуемая водяная капля;

4 – блок терморегулирования в камере; 5 – высоковольтный источник;

6 – датчик электрических зарядов; 7 – оптический микроскоп;

8 – система освещения в камере; 9 – смотровое окно Рисунок 2.5 - Лабораторный комплекс для моделирования облачных процессов и исследования электрофизических явлений В качестве регистратора акустического излучения при замерзании капель нами использовался пьезодатчик. В ходе эксперимента выяснилось, что суммарный заряд, генерируемый на кристаллизующейся капле, прямо пропорционален длительности излучаемого ею акустического импульса. При кристаллизации капель грозовой воды в присутствии паров аммиака отсутствовали акустические импульсы в 70 % случаев, а в остальных случаях их число не превышало двух.

Для измерения характеристик электромагнитного излучения, генерируемого замораживаемой каплей, применялась расположенная на расстоянии 5 мм от поверхности воды приемная антенна, соединенная через высокочувствительный широкополосный усилительный блок с анализатором спектра. Оказалось, что динамические структурные изменения на фазовых границах сопровождаются появлением ЭМИ в широком диапазоне частот с двумя наиболее характерными для этого процесса максимумами 8 - 20 и 32 МГц в случае, если скорость протекания процесса кристаллизации не менее 2-3,5 мм/мин. Образующийся лед, рост которого сопровождается ЭМИ, покрывается сетью трещин по всевозможным направлениям, и его структура характеризуется значительной неоднородностью. Анализ импульсной структуры ЭМИ показал, что она представляет собой последовательность серий, состоящих из отдельных импульсов от 0,01 до 0,5 мкс. В момент появления акустических сигналов интенсивность ЭМИ значительно возрастает. По визуальным наблюдениям этому моменту соответствует появление трещин и выброс микрочастиц, с замерзающей поверхности воды. При увеличении скорости охлаждения интенсивность ЭМИ также увеличивается, и изменения интенсивностей акустических сигналов и сигналов ЭМИ с высокой степенью коррелируют.

Поскольку в лабораторных исследованиях было установлено явление электромагнитного излучения при фазовых переходах воды, нами были проведены натурные эксперименты по засеву льдообразующим реагентом йодистого серебра переохлажденных вершин кучево-дождевых облаков с целью регистрации ЭМИ, которое должно генерироваться вследствие искусственной интенсификации кристаллизационных процессов в облаке. В качестве регистратора использовалось высокочувствительное приемное устройство, работающее в дециметровом диапазоне длин волн. Полученные на основании анализа 30 опытов данные свидетельствуют о том, что при засеве инжекционным способом негрозовых развивающихся облаков происходило резкое увеличение частоты следования и амплитуды импульсов радиоизлучения. Количественные характеристики и интенсивность этого излучения пропорциональны интенсивности процесса образования и роста льда в облаке.

На основании проведенных лабораторных и натурных исследований нами были разработаны и защищены авторскими свидетельствами способы определения грозоопасных зон в слоисто-дождевых и других электрически нейтральных облаках, контроля эффективности воздействия с различными целями на конвективные облака [6].

ГЛАВА 3 ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРОЗОВОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА

ТЕРРИТОРИИ СЕВЕРНОГО КАВКАЗА

3.1 Аэросиноптические условия возникновения гроз на Северном Кавказе Исследуемый район отличается чрезвычайным разнообразием рельефа.

Высота пунктов наблюдений колеблется от уровня моря до 3,5 тысяч метров выше уровня моря.

Северо-западная часть района представляет собой Прикубанскую низменность, богатую водоемами, реками, тогда как восточная часть – это Прикаспийская низменность, состоящая из солончаков, засушливых степей, с пересыхающими в летний период реками. Центральную часть района занимает Ставропольская возвышенность, полукольцом огибающая с юговостока Прикубанскую низменность. Западные склоны Ставропольской возвышенности более крутые, тогда как восточные, переходящие в Прикаспийскую низменность, пологие. Восточная часть Ставропольской возвышенности состоит из двух гряд, вытянутых с севера на юг, где они плотно примыкают к отрогам Скалистого хребта. Первая гряда тянется от Ставрополя на Невинномысск и далее на Черкесск; наиболее высокая точка гряды г. Стрижамент (832 м над ур. м.) находится в районе Ставрополя.

Вторая гряда проходит по правому берегу р. Калаус от Благородного на Александровское и далее в район Минеральных Вод. Высота этой гряды 450

– 500 м над ур. м. Южная часть района представляет собой складчатые хребты Кавказских гор, ориентированные с северо-запада на юго-восток.

Хребты повышаются к центральной части Кавказа. От Скалистого хребта на северо-восток направлены отроги, разделенные долинами горных рек, имеющими вид ущелий в районах Главного Кавказского хребта. Высота Скалистого хребта составляет, в среднем, 1,5 – 2 км, отдельные вершины достигают 2,5 – 3 км. Высота Главного Кавказского хребта 3,0 – 3,5 км. Его наиболее высокие вершины – Казбек – 5043 м и Эльбрус – 5642 м.

В работе [17] приводятся результаты анализа аэросиноптического материала за период с1961 по 1967 г.г. В связи с наличием особенностей развития грозовых процессов автором предлагаются четыре типа циркуляции воздушной массы, направленности переноса в нижнем двухкилометровом приземном слое. Придерживаясь классификации Беленцовой [17], каждый тип процесса нами дополнен соответствующими грозовыми характеристиками.

Определенному виду распределения гроз по территории Северного Кавказа и наибольшей их интенсивности соответствует определенный тип вторжения воздушной массы в приземном слое:

А. Перенос воздушной массы с северо-запада на юго-восток Этот вид переноса характеризуется высотной ложбиной, ориентированной с севера (из районов Прибалтики) на центральную или восточную часть Черного моря. В ложбине может отмечаться замкнутый очаг низкого давления над акваторией Черного моря или Крымским полуостровом. Барической ложбине соответствует термическая ложбина с осью, расположенной несколько западнее оси барической ложбины. Таким образом, на районы Западного Кавказа распространяется интенсивная адвекция холода. Оси барического и термического гребней направлены с юга вдоль Каспийского моря.

У поверхности земли циклоническая деятельность занимает юг ЕТС.

Невысокие циклоны смещаются с запада на восток, примерно по широте 47°.

Над западной Европой располагается область повышенного давления, развивающаяся в тылу холодного фронта, который смещается с северозапада на территорию Северного Кавказа. Северная ветвь холодного фронта огибает Кавказский хребет несколько быстрее, чем южная. Смещение воздушных масс в приземном двухкилометровом слое происходит с северозапада. При такой синоптической ситуации грозы охватывают все Ставропольское плато и Кавказский хребет (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 - Распределение интенсивности грозовых процессов при северо-западном перемещении Отсутствуют грозы лишь в Прикаспийской низменности и по крайним восточным склонам Ставропольского плато.

Наиболее активно они развиваются над Прикубанской низменностью и вдоль северных склонов Скалистого хребта. Средняя интенсивность грозы при этом около 4 разрядов в минуту, а максимальная до 10 разрядов в минуту. При выпадении градин (как правило, в 2-3 года один раз) на территории их выпадения интенсивность грозы превышает 10 разрядов в минуту.

Б. Перенос с запада на восток Этот вид переноса по строению термобарического поля аналогичен первому. Но у поверхности земли холодный фронт смещается не с северозапада, как в первом случае, а с запада и огибает Кавказский хребет одновременно с севера и юга. Область повышенного давления развивается за холодным фронтом и распространяется на полуостров Малая Азия.

При западном переносе наиболее активны грозовые процессы над западными отрогами Ставропольского плато и почти полностью отсутствуют над его восточной половиной. Усиление процессов отмечается в районах Карачаево-Черкесии и вдоль Скалистого хребта. Далее они быстро затухают и полностью исчезают над Восточным Кавказом (рисунок 3.2).

Средняя интенсивность гроз доходит до 5-8 разрядов в минуту, а максимальное значение – более 16 разрядов в минуту. В зонах такой интенсивности, как правило, выпадает град.

В. Перенос с северо-востока на юго-запад Эта синоптическая ситуация характеризуется наличием высокого холодного циклона над Украиной с вертикально направленной пространственной осью, ему соответствует на карте ОТ 1000 замкнутый очаг холода. Ложбина холода из районов Украины направлена на восточный Кавказ, иногда в районе Баку отмечается замкнутый очаг холода. Ложбина холода может быть не выражена или отсутствовать совсем.

Рисунок 3.2 - Распределение интенсивности грозовых процессов при западном перемещении Приземное барическое поле характеризуется наличием барического гребня, направленного от п-ова Малая Азия на восточную часть Черного моря и центр Ставропольского плато.

В районе Грозного или Баку образуется частный циклон, который и обуславливает северо-восточный перенос воздушных масс на районы Северного Кавказа (рисунок 3.3).

Активность грозовых очагов доходит до 8 разрядов в минуту, а в зонах выпадения градин в ограниченных очагах 10-15 разрядов в минуту.

Г. Перенос воздушной массы с севера.

В этом случае высотное барическое поле носит переменный характер.

Чаще всего повторяется юго-западный поток на поверхности 500 мб, а на ОТ 1000 - ложбина холода с северо-востока с ультраполярной осью.

У поверхности земли на юге ЕТС отмечается область повышенного давления, гребень от которого распространяется к югу и постепенно охватывает районы Северного Кавказа. Эта область является низким образованием, прослеживается иногда только на поверхности 850 мб и совершенно не выражена на поверхности 700 мб.

Грозовые явления в этом случае распределяются следующим образом.

Наиболее интенсивные процессы отмечаются по северным склонам Скалистого хребта, особенно в его центральной части (рисунок 3.4). Однако встречаются случаи, когда вторжение происходит одновременно с северозапада и северо-востока.

В подобных случаях увеличение интенсивности грозовых процессов наблюдается над центральной частью Ставропольского плато (как при северо-восточном вторжении) и над Прикубанской низменностью (что свойственно северо-западному вторжению).

Процессы такого типа, по многолетним наблюдениям, составляют около 18 % от общего числа гроз. Активность грозы доходит до 10 разрядов в минуту, а средняя интенсивность около 3 разрядов. Продолжительность грозы до 4 часов.

Рисунок 3.3 - Распределение интенсивности грозовых процессов при северо-восточном перемещении Рисунок 3.

4 - Распределение интенсивности грозовых процессов при северном перемещении Большинство гроз на Кавказе наблюдается при прохождении холодных фронтов и для отдельных районов рассматриваемого региона составляют до 90 % от общего числа гроз. Наиболее интенсивные грозы имеют место при выпадении града. Однако град выпадает значительно реже, примерно в 15 % случаев от общего числа гроз.

Исследование аэросиноптических условий развития грозовых процессов на Северном Кавказе позволили выделить для КабардиноБалкарской Республики четыре типа отличающихся по территориальному распределению грозовых очагов и их интенсивности.

Каждый тип процесса развивается при определенном направлении воздушных масс, которые с учетом инструментальных наблюдений за грозовыми явлениями можно разделить на следующие:

- перенос воздушных масс с запада на восток. При циклонах, вторгающихся на территорию КБР с запада, развивается около 24 % от общего числа гроз. При западном переносе наиболее интенсивные грозовые процессы наблюдаются на территории горных районов КБР. Средняя интенсивность гроз при этом около 5 разрядов в минуту, а максимальная до 12 разрядов в минуту. Средняя продолжительность грозы составляет около 34 часов. Как правило, град при таких процессах выпадает редко.

- перенос воздушных масс с севера, который обусловлен фронтальной зоной, расположенной в меридиональном направлении перпендикулярно Кавказскому хребту. При такой синоптической ситуации в КБР происходит около 32 % от общего числа гроз. При этом грозовые процессы наблюдаются повсеместно в течение нескольких дней. Средняя интенсивность гроз – 9 разрядов в минуту, а максимальное значение – 18 разрядов в минуту.

- малоградиентное барическое поле в средней тропосфере. Над центральной частью Кавказа располагается очаг холода. В этом случае грозы наблюдаются повсеместно отдельными очагами, носят внутримассовый характер и развиваются во второй половине дня. Процессы такого типа составляют 18 % от общего числа гроз. Средняя интенсивность гроз около 3 разрядов в минуту, а максимальные значения - 10 разрядов в минуту.

Продолжительность грозы более 4 часов.

- ведущий поток и фронтальная зона располагаются в широтном направлении. Воздушные массы у поверхности земли перемещаются с севера. В этом случае доля гроз около 26 % от общего их числа. Грозовая активность не превышает 8 разрядов в минуту, средняя продолжительность грозы около 2,6 часа.

3.2 Климатические и физико-географические характеристики грозСеверного Кавказа

Интенсивность грозовой деятельности характеризуется средним количеством грозовых часов в год (Т). Диапазон изменения этой величины довольно велик, он зависит от климатических факторов и рельефа местности.

В пределах одного района с низкой грозовой активностью могут встречаться участки с резко повышенным числом грозовых часов в год. Иногда интенсивность грозовой деятельности определяют по количеству дней с грозой за год (nд). Имеется и более обобщённый показатель – среднее число ударов молний в год на 1 км2 земной поверхности (n). Весьма информативными характеристиками грозовой деятельности, особенно для правильного и экономичного построения молниезащиты наземных объектов, являются сведения о повторяемости гроз и трассах их прохождения по различным территориям [16,17,46].

Для территории Северного Кавказа по данным, полученным путём визуально-слуховых наблюдений на метеорологической сети Росгидромета за периоды наблюдений 1970 – 1998 годов, были построены карты распределений повторяемости числа дней с грозой, удельной поражаемости молниями 1 км2 земной поверхности за год, удельной среднегодовой плотности всех молниевых разрядов, приходящихся на площадь размером 1 км2 (рисунки 3.5 – 3.7, соответственно).

Рисунок 3.5 - Карта распределения повторяемости числа дней с грозой Рисунок 3.

6 - Карта удельной поражаемости молниями 1 км2 земной поверхности за год Рисунок 3.7 - Карта удельной среднегодовой плотности всех молниевых разрядов, приходящихся на площадь размером 1 км2 Оказалось, что на исследуемой территории имеются относительно мелкомасштабные районы (очаги) повышенной грозовой активности и области с малым числом грозовых дней. Наиболее грозоопасными районами являются предгорья Эльбруса (более 40 дней с грозой), а также Краснодарский край (до 30 дней с грозой). Менее активные в грозовом отношении зоны – восточные районы Дагестана (около 20 дней с грозой) и северо-восточные районы Ставропольского края (18 дней с грозой).

Сравнивая карты распределения грозовой активности для территории Северного Кавказа, можно отметить, что наряду с сохранением пространственных закономерностей распространения гроз, где среднее значение грозовой активности практически не изменилось или изменилось незначительно, можно выделить районы, где грозовая активность изменилась заметно. В первую очередь это Ставропольский край. Замечено, что с начала 80-х годов стала уменьшаться продолжительность гроз. Необходимо заметить, что именно этим районам территории Северного Кавказа присуща достаточно высокая степень сельскохозяйственного и промышленного освоения, которая неизбежно означает трансформацию естественных ландшафтов, их значительную антропогенную изменчивость, при которой могут резко измениться температура и влажность в прилегающем к земле слое на многих десятках квадратных километров. Некоторым подтверждением возможности влияния антропогенных факторов на грозовую активность являются результаты следующих исследований. Было рассчитано отношение продолжительности гроз в год к средней ее продолжительности за многолетний период наблюдений. Оказалось, что данное отношение для горной части рассматриваемой территории практически не изменилось. Для равнинной же части имеет место уменьшение этого отношения.

Анализируя территориальное распределение грозовой активности за различные отрезки времени, можно сделать следующие выводы:

1. На фоне снижения средней многолетней грозовой активности, в целом, по территории Северного Кавказа местоположение основных ее очагов сохраняется.

2. Уменьшение продолжительности гроз и числа дней с грозой в год наблюдается в равнинной части рассматриваемой территории.

В отличие от ранее проводимых путем прямых визуальных наблюдений на метеопостах и с помощью счетчиков молний исследований климатических и физико-географических характеристик, не отличавшихся большой точностью и достоверностью, нами с 1976 г. проводятся дистанционные исследования гроз в предгорных районах Северного Кавказа (43° с.ш.) на территории площадью 30 000 км2 с помощью базирующегося в одном пункте активно-пассивного радиотехнического комплекса. Показаны более высокая эффективность и преимущества предлагаемого нами метода по сравнению со старым [3].

В процессе исследований было установлено, что для площади наблюдений, ограниченной радиусом 10 км, продолжительность грозы и общее количество разрядов в 2 и 2,5 раза, соответственно, меньше, чем для площади радиусом 100 км.

Среднегодовое число дней с грозой составляет 41 со стандартным отклонением 7 и максимальным значением 53. Наибольшая повторяемость дней с грозой по месяцам наблюдается в июне (12 дней), несколько ниже она в июле, затем следуют май и август (10,8 и 8 дней, соответственно). Если смотреть по декадам, то максимум повторяемости приходится на первую декаду июня (5 дней), несколько ниже повторяемость в третьих декадах мая, июня, июля и второй декаде июня (4 дня). За годом, характеризуемым большим числом грозовых дней, как правило, следует год малоактивный в грозовом отношении.

Максимум продолжительности гроз приходится на последнюю декаду июня (4,8 ч со стандартным отклонением 2,5 ч). Велика продолжительность гроз и с третьей декады мая по вторую декаду июля (3,5 - 4 ч). В начале мая и в августе продолжительность гроз мала.

Получено уравнение регрессии, связывающее длительность грозы в год на данной территории и общее число грозовых разрядов, генерируемых при этом над земной поверхностью площадью в I км2, в виде:

n= a·T1,2, (3.1)

где а = 2,8 разряд/(км2·ч1,2).

Для инженерных расчетов молниезащиты объектов в районах умеренных широт со средним числом дней с грозой до 40 в год можно рекомендовать вероятностное соотношение (3.1), установленное по достаточно большому числу дистанционных измерений радиотехническими средствами.

Тип метеорологических процессов в районе проведения экспериментов, в основном, обуславливался особенностями орографии, а именно наличием высоких гор, предгорий и равнин. За 5 лет наблюдений оказалось, что грозы в 75 % случаев развивались при прохождении фронтальных разделов воздушных масс (в 69 % случаев с холодными фронтами, в 5 % - с фронтами окклюзии, в I % - с теплым фронтом), в 8 % случаев грозы наблюдались из орографических облаков, и только в 17 %, случаев они фиксировались во время внутримассового развития.

Орографические грозовые облака обычно развиваются в виде гряды под влиянием фронта орографической окклюзии, часто располагающегося вдоль Главного Кавказского хребта. По виду они напоминают линию шквалов, развивающуюся на холодном фронте, но имеют более низкие значения радиолокационных параметров и относительно слабую молниевую активность. Облачные системы, существующие на холодные фронтах, характеризуются поперечными размерами до 60-80 км, наличием большого количества взаимодействующих и изолированных конвективных ячеек, сильной грозовой активностью.

Грозовая активность на территории, где проводились инструментальные наблюдения, сильно варьирует в зависимости от орографии и климатических условий. Значительное влияние на неоднородность грозовой активности оказывают особенности подстилающей поверхности.

Развитие грозовых явлений на Кавказе в значительной степени обусловлено неоднородностью рельефа этого региона, который включает в себя равнинную зону, предгорья и горный массив Большого Кавказа, состоящий из ряда параллельных хребтов. Влияние горных хребтов Большого Кавказа на воздушные течения сказывается до значительных высот (5-6 км) и в зависимости от направления перемещения воздушных масс грозо-градовые процессы либо усиливаются, либо ослабевают.

Анализ многолетних данных, полученных с помощью инструментальных наблюдений, показывает: около 64 % всех сильных грозовых процессов для территории КБР начинается в достаточно локальном районе, ограниченном верховьями рек Малки и Кубани. Однако варианты их перемещения весьма различны.

По направлению перемещения сильных грозо-градовых процессов можно четко выделить три основных типа:

1 тип – юго-западное направление перемещения, совпадающее с направлением ущелий рек Кумы, Малки, Баксана и Черека. Эти процессы сопровождаются сильными грозовыми процессами в Зольском районе и на прилегающих территориях Ставропольского края. Доля этого типа перемещения составляет 44 %.

2 тип – западное направление перемещения, пересекая на своем пути ряд хребтов и ущелий, имеет весьма устойчивые и протяженные траектории, с сильными грозовыми процессами. Этот тип перемещения составляет 27 %.

Хотя этот процент гораздо меньше, чем у 1 типа перемещения, проходя всю территорию КБР с запада на восток, он охватывает значительную часть республики.

3 тип – северо-западное направление перемещения, проходит, в основном, горными и предгорными районами КБР и РСО – Алания. Сходные траектории имеют интенсивные процессы переходного типа. Этот тип перемещения составляет 29 %.

Сильные грозовые процессы, зарождающиеся в верховьях междуречья Малки и Баксана, Баксана и Черека, Черека и Терека, сохраняют все три типа перемещения. Пространство между Главным Кавказским хребтом и Скалистым хребтом (Пастбищный хребет) заполнено отрогами, изрезанными глубокими каньонами. Как показывают данные, при переходе этих отрогов грозовыми облаками происходит резкое усиление удельной поражаемости молниевыми разрядами.

Синхронные наблюдения с помощью метеорологического радиолокатора МРЛ-2 (МРЛ-5) и РЛС П-15 (П-12) позволили установить, что когда вершины облака превышают изотерму -20о С – уровень массовой кристаллизации капель воды, такое облако может стать грозовым, то есть в облаке создаются условия для разделения электрических зарядов и их нейтрализации молнией [56]. На Северном Кавказе только в 8% случаев в наблюдаемых грозах максимальная высота верхней границы радиоэха Нвг Н-20оС. Среднее значение Нмак – Н-20оС 3 км. Высота верхней границы радиоэха Нвг является одним из важных факторов, определяющих его электрическую активность.

Основное количество (90 %) точек координат молниевых разрядов, определенных с помощью АГПД "Очаг-2П", заключено внутри изолинии радиолокационной отражаемости I мм6/м3. Была сделана попытка найти корреляционную связь между объемом облачной среды внутри изоповерхности радиоэхо I мм6/м3 и частотой грозовых разрядов. Значение коэффициента корреляции оказалось равным 0,4 с 95 %-ным доверительным интервалом 0,2 - 0,6. А величины объема радиоэхо и интенсивности радиоизлучения грозовых облаков вообще оказались независимыми. Слабую корреляцию можно объяснить тем, что одинаковый объем имеют как облака с небольшими высотами и большими поперечными размерами, например, слоисто-дождевые, так и высокие конвективные ячейки с небольшими площадями оснований. Наибольшее значение коэффициента 0,73 с 95 %-ным доверительным интервалом 0,67 - 0,77 получилось при отыскании корреляционной связи между максимальной частотой грозовых разрядов и произведением объема облачной ячейки на отношение переохлажденной части к теплой части облака.

Нам не удалось выявить четкой зависимости между грозовыми характеристиками и количеством осадков. В частности, как видно из рисунка 3.8, где приводятся данные о количестве дней с грозой в месяц и количестве осадков (по годам наблюдений с 1981 по 1986 гг.) не видно четкой взаимосвязи между этими параметрами.

Впервые по сравнению с ранее проводимыми исследованиями, в которых измерялись характеристики для грозовых очагов в целом, то есть грозоактивных частей облачных систем, ограниченных окружностью определенного радиуса с центром в месте установки регистрирующего прибора, на основе большого экспериментального материала построены статистические распределения повторяемости длительности Т существования грозовых явлений, максимальной частоты Fм возникновения молний и общего числа N грозовых разрядов, генерируемых за время жизни индивидуальных конвективных ячеек для всех типов облачных процессов.

Характеристики распределений приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Характеристики распределений T, N и Fм

–  –  –

Рисунок 3.8 - Средние значения числа дней с грозой в месяц и количество выпавших осадков в грозовые дни Кроме того, в целях выработки критериев по определению физической эффективности активных воздействий, проводимых в различных целях на грозо-градовые процессы, по 400 случаям получены распределения вероятности T, Fм и для выборок естественно эволюционирующих N облачных ячеек.

Найдены их аппроксимации теоретическими законами распределения. Для Т - это логарифмически-нормальное, для Fм экспоненциальное распределение, для N распределение Пирсона III типа.

Плотности распределений перечисленных характеристик грозовой деятельности имеют следующий вид:

–  –  –

Рисунок 3.10 - Гистограмма повторяемости и функция плотности экспоненциального распределения максимальной частоты Fм возникновения молний в облачных конвективных ячейках различных типов Рисунок 3.



Pages:   || 2 |



Похожие работы:

«НАВУКОВАЕ ЖЫЦЦЁ КРУГЛЫ СТОЛ "СУЧАСНЫЯ ТЭНДЭНЦЫІ І НАВАЦЫІ ВЫВУЧЭННЯ ГІСТОРЫІ БЕЛАРУСІ ХІХ — ПАЧАТКУ ХХІ ст." (Мінск, 26 чэрвеня 2014 г.) На гістарычным факультэце Беларускага дзяржаўнага ўніверсітэта адбылося пасяджэнне навуковага круглага...»

«www.teknos.com СПЕЦИФИКАЦИЯ ИЗДЕЛИЯ TEKNOPOX PRIMER 4 25.08.10 эпоксидная грунтовка ТИП МАТЕРИАЛА ТЕКНОПОКС ПРАЙМЕР 4 является двухкомпонентной эпоксидной грунтовкой. ПРИМЕНЕНИЕ Применяется в качестве грунтовки в ра...»

«РЭПРЭСІЎНАЕ ЗАКАНАДАЎСТВА БССР І РСФСР Першы Крымінальны Кодэкс БССР быў зацверджаны ЦВК на 3-й сесіі VIII склікання 23 верасня 1928 г., а ўведзены ў дзеянне з 15 лістапада 1928 г. Гэты Кодэкс быў перапісаны з КК РСФСР, але з іншай нумарацыяй артыкулаў. Контррэвалюц...»

«Инструкция pioner pm 430 25-03-2016 1 Извилисто импортированные недовольства — это тюнеры иридиевого гражданства. Непроизвольно заглядывающая усыпальница сношает. Сложноструктурированный близнец является картограммой. Партизанский приступает вымалев...»

«Исследовательская группа ЦИРКОН 109028, Москва, ул. Солянка, д. 3, стр. 1 http://www.zircon.ru Тел/факс 621-3415, 628-51-67; e-mail: info@zircon.ru ОТНОШЕНИЕ ЖЕРТВОВАТЕЛЕЙ К МОДЕЛИ ЦЕЛЕВОГО КАПИТАЛА НЕКОММЕРЧЕСКИХ ОРГАНИЗАЦИЙ Аналитически...»

«Г. Белых, Л. Пантелеев. Республика ШКИД. Возможные задания школьникам. Уважаемый читатель. Мы бы хотели предложить несколько заданий, которые помогут Вам осмыслить (пережить, продумать, прочувствовать и т.д....»

«09.03.2010 № 8/21830 -76ПОСТ АНОВЛЕНИЕ МИНИС ТЕРС ТВА ТРАНСПОРТА И КОММУ НИКАЦИЙ РЕ СПУ БЛИКИ БЕЛАРУ СЬ 30 декабря 2009 г. № 103 8/21830 Об утверждении авиационных правил "Расследование авиационных происшествий и и...»

«АЗАСТАН ОР БИРЖАСЫ КАЗАХСТАНСКАЯ ФОНДОВАЯ БИРЖА KAZAKHSTAN STOCK EXCHANGE g`jk~)emhe Листинговой комиссии по облигациям АО Народный сберегательный банк Казахстана второго и третьего выпусков, выпущенным в пределах третьей облигационной программы 31 окт...»

«АКТ г. Чудово "25" сентября 2013 года На основании приказа Контрольно – счетной палаты Чудовского муниципального района от 02.08.2013 № 12 "О проведении проверки" контрольной группой в составе: аудитора Контрольно – счетной палаты Чудовского муниципального района Ивановой Елены Александровны и ведущего инспектора К...»

«РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" Институт государства и права Кафедра таможенного дела И.В. Игнатова ПРАКТИКУМ ПО ТАМОЖЕННЫМ ПЛА...»

«ВЕСТНИК КРАУНЦ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ. 2016. № 4. ВЫПУСК № 32 УДК 551.214(265) Светлой памяти участника 5 рейса НИС "Вулканолог" Владимира Леонидовича Леонова посвящается СТРУКТУРНО-МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И ПРО...»

«EK 100 Bedienungsanleitung Instruction manual Notice d’emploi Istruzioni per l’uso Instrucciones de uso Gebruiksaanwijzing Manual de instrues Tastensymbole / Button icons / Icnes de touches / Simboli dei tasti / Smbolos de las teclas / Toetssymbolen / Smbolos dos botes / Символы кнопок / Taste ON/OFF / ON/OFF butt...»

«Муниципальное бюджетное учреждение дополнительного образования "Детская школа искусств №3" Методический доклад Работа над штрихами в гамме Автор: Жирова Марина Сергеевна преподаватель по классу скрипки. г.Сургут -2014г. СОДЕРЖАНИЕ 1. Введение.2. О...»

«Оглавление Введение Глава 1. Архитектурное освещение культовых сооружений 1.1 Архитектоника и масштабность культовых сооружений 1.2 Принципы и приемы устройства специальных световых эффектов. 19 1.3 Основные архитектурные стили и элементы культовых объектов. 26 1.4 Выводы по главе 1 Глава 2. Выбор источников света...»

«СТРУКТУРА ПРОГРАММЫ ГОРОДСКОГО ОЗДОРОВИТЕЛЬНОГО ЛАГЕРЯ С ДНЕВНЫМ ПРЕБЫВАНИЕМ ДЕТЕЙ 1. Титульный лист 2. Содержание 3. Информационная карта программы 4. Пояснительная записка 5. Цель и задачи 6. Сроки реализации 7. Участники программы 8. Содержание деятельности 9. Этапы реализации программы 10. Условия реализации программы 11....»

«Перечень зон деятельности филиала Западные электрические сети с детализацией по населенным пунктам и районам городов на 01.01.2011 № Обслуживаемый п/ Наименование РЭС административный Обслуживаемы...»

«1. Цели освоения дисциплины. Целями освоения дисциплины " Основы страхования" являются освоение обучающимися теоретических знаний в области страхового дела, приобретение умений применять их на практике, фо...»

«Инструкция для sony ericsson k900 duos 25-03-2016 1 Спутывавшие миньоны проскакивающей суспензии это полуколониальные обертки, затем талиб замашет по. Низкоорбитальный локаторщик не укокошит. Пронзительно коррелированные оттяжки приступают настилать не...»

«* ^ фФ 0Ф ФФ ^ условное ти f t* ф ф ф ф ф ф ф ф ф * ФФФФ ИФФФФФФФФФФФФФФ* tw w w w M w ^ М.КУЗМИН УСЛОВНОСТИ СТАТЬИ ОБ ИСКУССТВЕ Издательство "ВОДОЛЕЙ" ТОМСК — 1996 ББК 84.Р1 К89 Учредитель издательства "Водоле...»

«ISO/TC 176/SC2/N 1350 Дата: 2016-08-11 ISO/CD 9004 ISO/TC 176/SC2/WG 25 Секретариат: *** Качество организации — Рекомендации по достижению устойчивого успеха Qualit organisationnelle Guidance pour atteindre...»

«Гиппиус Зинаида Мне нужно то, чего нет на свете. Издательство АСТ Москва 2017 УДК 821.161.1-94 ББК 84(2Рос=Рус)6-44 Г50 Все права защищены. Ни одна из частей этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав. Идея серии Юрий И. Крылов Гиппиус, Зинаида Г50 Мне нужно...»

«Поехали вместе с нами! Украина, г. Николаев тел: +38(050)493-99-93; +38(063)524-44-46 www.biletmarket.at.ua e-mail:biletmarket@ukr.net Как вернуть авиабилет Инициатором возврата электронного авиабилета может быть Покупатель билета или один из взро...»

«PARK AUDIO II ДВУХКАНАЛЬНЫЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ Vseries V4-900 V4-1200 V4-1800 MkIII MkIII MkIII V4-2400 V2-2400 MkIII MkIII Руководство по эксплуатации КОМПЛЕКТНОСТЬ 1. Усилитель мощности 1 шт. 2. Сетевой каб...»








 
2017 www.book.lib-i.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные ресурсы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.