Многовольновое активно—пассивное зондирование конвективных (грозовых) облаков

Краткое описание

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение 9

Глава 1. Определение электрического состояния облаков наземными,

самолетными и дистанционными радиотехническими средствами 15

1.1. Параметры электрического состояния конвективных облаков и возможности их дистанционного измерения... 15

1.1.1 Измерения напряженности электрического поля... 16

1.1.2 Вариации напряженности электрического поля. Время релаксации... 18

1.1.3. Определение поверхностной и объемной плотности зарядов... 20

1.1.4. Определение электрической проводимости в облаке и

за его пределами... 22

1.1.5. Определение плотности электрического тока под облаком... 23

1.1.6. Токи коронирования... 23

1.2. Методы исследования электрической макроструктуры облаков и

их ограничения... 24

1.2.1. Исследование макроструктуры облаков по изменениям электрического поля, возникающего при разрядах молний... 24

1.2.2. Исследование макроструктуры облаков посредством вертикального зондирования электрического поля с помощью радиозондов и ракет... 24

1.2.3. Исследование структуры электрического поля у поверхности земли при прохождении грозового облака... 25

1.2.4. Исследование структуры электрического поля в облаках с помощью самолетов... 25

1.3. Обобщенные данные об электрических свойствах конвективных облаков... 26

1.4. Взаимосвязь электрических и других метеорологических характеристик облаков... 28

1.5. Использование дистанционных радиотехнических средств для определения электрического состояния облаков... 29

1.6. Обоснование физических свойств электроактивных зон облака... 35

1.7. Постановка задачи исследования эволюции грозовых облаков... 37

Выводы... 38

Глава 2. Пассивно-активные радиотехнические средства ПЭБ Тургош для

измерения параметров грозовых облаков... 40

2.1. Стадии эволюции электрического состояния конвективных облаков, характерные признаки и средства обнаружения... 41

2.2. Радиолокационное обнаружение облаков, осадков и молний (научно-методические основы и техническая реализация)... 44

2.2.1. Радиолокационные средства ПЭБ Тургош... 44

2.2.2. Аппаратура регистрации данных и обеспечения наблюдений... 47

2.2.3. Методические и технические решения для многоволнового активно-пассивного зондирования... 48

2.2.4. Обнаружение конвективных (грозовых) облаков и молний с помощью РЛС... 63

2.2.4.1. Обнаружение грозовых облаков с помощью

РЛС... 63

2.2.4.2. Обнаружение молниевых разрядов с помощью

РЛС... 66

2.3. Обнаружение молний с помощью грозопеленгаторов разных конструкций... 73

2.3.1. Результаты исследований эффективности АГПД Очаг-2П... 74

2.3.2. Результаты исследований эффективности АГПД Оранж... 76

2.3.3. Результаты исследований работоспособности грозопеленгационной сети МО РФ... 78

2.3.4. Результаты исследований работоспособности грозопеленгатора ALDF-141Т (серия IMPACT)... 84

4 2.3.5. Возможности повышения эффективности применения

грозопеленгационных данных... 91

Выводы... 96

Глава 3. Результаты исследований характеристик грозовой активности

облаков с помощью радиотехнических средств ПЭБ Тургош... 98

3.1. Результаты исследования ЭМИ грозовых облаков в метровом диапазоне радиоволн... 98

3.1.1. Аппаратура регистрации ЭМИ грозовых облаков... 99

3.1.2. Методика регистрации ЭМИ грозовых облаков... 101

3.1.3. Результаты регистрации ЭМИ грозовых облаков... 101

3.1.3.1. Определение длительности ЭМИ вспышек молний... 102

3.1.3.2. Определение предельного расстояния обнаружения ЭМИ вспышек молний в метровом диапазоне радиоволн... 103

3.1.3.3. Измерение характеристик ЭМИ вспышек молний, обнаруженных РЛС П-12 и АГПД Очаг-2П... 106

3.1.3.4. Определение боковых лепестков диаграммы направленности РЛС П-12... 107

3.2. Параметры радиоэхо молний, обнаруживаемых РЛС метрового и дециметрового диапазонов радиоволн с различной поляризацией... 108

3.2.1. ЭПР каналов молний на X = 200 см и X = 35 см... 109

3.2.2. Время существования радиоэхо молний на X = 200 см и

X = 35 см... 111

3.2.3. Радиальные размеры радиоэхо молний на X = 200 см и

А. = 35 см... 112

3.3. Обнаружение молний на X - 11 см... 114

3.3.1. Параметры радиоэхо молний на X = 11 см... 115

3.3.1.1. Радиальные размеры радиоэхо молний на

Х= И см... 115

3.3.1.2. Время существования радиоэхо молний на

Я,= 11 см... 116

5

3.3.1.3. ЭПР молний на А, = 11 см... 118

3.3.1.4. Дальность обнаружения молний на X = 11 см... 119

3.3.2. Возможность применения МРЛ-5 для обнаружения

молний... 120

3.4. Теоретическое моделирование процессов электризации в грозовых облаках... 124

3.5. Возможности применения информации о молниях при АВ на грозоградовые облака... 135

Выводы... 138

Глава 4. Исследования одноячеистых грозовых облаков на ПЭБ Тургош... 140

4.1. Методика проведения наблюдений с помощью комплекса РТС... 140

4.2. Методика обработки данных радиолокационных наблюдений... 141

4.3. Результаты исследований одноячеистых грозовых облаков... 144

4.3.1. Закономерности эволюции радиоэхо конвективных ячеек... 144

4.3.2. Изменение вертикального профиля отражаемости конвективной ячейки в ходе грозы... 151

4.3.3. Взаимное расположение в грозовых облаках зон молниевой активности, зон повышенных значений отражаемости, турбулентности и интенсивности осадков... 154

4.3.3.1. Результаты сопоставления местоположения грозовых разрядов с осадками различной интенсивности... 157

4.3.3.2. Результаты сопоставления местоположения грозовых разрядов с отражаемостью грозовых облаков... 158

4.3.3.3. Результаты сопоставления зон повышенных значений отражаемости, турбулентности и грозовой активности... 161

4.4. Определение местоположения и размеров зон основных электрических зарядов конвективного облака... 166

4.5. Результаты исследования аномальных грозовых облаков... 169

6

4.6. Рекомендации по обнаружению аномальных грозовых облаков с помощью МРЛ... 174

4.7. Молниевая активность в слоисто-дождевых облаках... 176

4.8. Возникновение молний в «вялых» грозовых облаках... 179

Выводы... 182

Глава 5. Исследования многоячеистых грозовых облаков на ПЭБТургош... 184

5.1. Формирование внутримассовых многоячеистых облаков... 184

5.2. Формирование фронтальных многоячеистых облаков... 187

5.3. Статистическая модель конвективной ячейки... 189

5.4. Особенности грозовой активности в многоячеистых облаках... 195

5.4.1. Взаимосвязь местоположения, размеров грозовых

разрядов с ячеистой структурой облаков... 196

Выводы... 208

Глава 6. Сопоставление самолетных измерений напряженности электрического поля конвективных облаков с их радиолокационными характеристиками... 210

6.1. Организация летных экспериментов и методика сравнительных наблюдений... 210

6.2. Результаты сопоставления данных бортовых измерений напряженности электрического поля с радиолокационной структурой облака... 213

6.3. Временное изменение напряженности электрического поля над кучево-дождевыми облаками... 218

6.4. Регистрация ЭМИ облаков наземными РТС одновременно с измерениями напряженности электрического поля на борту самолета... 221

6.5. Сопоставление напряженности электрического поля и радиолокационного критерия грозоопасности Y... 222

Выводы... 223

Заключение... 225

Список литературы... 229
Введение

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

Z, /dt, /dH, /dR

R

r

Н D

вг

макс

Y

NP LP

Rn T

•it» * п "мин

G

G°r,0°B

T

Л K3

W

I

E

Cu cong

Cb

MKO

КЯ

отражаемость и ее пространственно-временные градиенты

расстояние до облака

расстояние между центрами соседних ячеек

высота облака

диаметр облака

высота расположения Zmakc

радиолокационный критерий грозоопасности

количество разрядов в облаке

радиальный размер радиоэхо молнии

радиальный размер области появления молний

период существования облака

мощности излучения, принятого и минимально обнаруживаемого РЛС сигналов соответственно коэффициент усиления антенны РЛС

ширина радиолуча РЛС по горизонтали и вертикали

длина волны

длительность зондирующего импульса

КПД антенного тракта РЛС

коэффициент заполнения импульсного объема

коэффициент влияния земли

водность облака

интенсивность осадков

напряженность электрического поля

мощное кучевое облако

кучево-дождевое облако

мощные конвективные облака

конвективная ячейка

МРЛ

АГПД

ЭМИ

гпс ДН

ГР ОУ

пнп

РТК ЭАЗ

о-о, о-з

НИЦДЗА

вги вики

ПЭБ

гго

ЕТР

8 _ метеорологический радиолокатор

_ автоматический грозопеленгатор-дальномер

_ электромагнитное излучение

_ грозопеленгационная система

_ диаграмма направленности антенны РЛС

_ грозовой разряд

_ обратный удар вспышки молнии

_ прибор измерения напряженности электрического поля

радиотехнический комплекс

_ электроактивная зона

_ грозовой разряд типа облако-облако, облако-земля

_ научно-исследовательский центр дистанционного зондирования атмосферы _ высокогорный геофизический институт

_ военно-инженерный краснознаменный институт

им. А.Ф.Можайского _ полевая экспериментальная база

_ Главная геофизическая обсерватория им. А.И.Воейкова _ Европейская территория России

ВВЕДЕНИЕ

Грозы сопровождают многие атмосферные явления и процессы: градо- и торнадосодержащие облака, мезомасштабные конвективные комплексы, циклоны умеренных и тропических широт. Они представляют опасность для авиации, энергетики, других отраслей экономики и населения. Увеличение интенсивности воздушного движения, широкое применение композиционных материалов, низковольтных систем управления, компьютерных сетей сопровождается количественным и качественным ростом ущерба. По данным Национального института молниевой безопасности США (г.Луисвилл) потери гражданского сектора этой страны от поражения молниями составляют 4-5 млрд. долларов ежегодно: 150-200 млн. от лесных пожаров, около 2 млрд. из-за отмены и переносов авиарейсов в другие аэропорты, 1 млрд. из-за отключений электроэнергии, 125 млн. от повреждений компьютерных сетей и др. Кроме того, с 1990 по 2000 годы на АЭС зарегистрировано 346 инцидентов, связанных с грозами. Ежегодно страховым компаниям предъявляются около 300 000 требований на возмещение убытков, вызванных молниями (в 2000 году на сумму 332 млн. долларов).

Известно, что отличительными признаками грозовых разрядов (ГР) являются широкополосное электромагнитного излучение (ЭМИ) и высокая концентрация электронов в каналах. Радиотехнические системы обнаружения гроз различной конструкции реализуют возможности дистанционного обнаружения ГР по этим признакам, извлекая из них информацию об интенсивности грозы, тенденции эволюции и степени ее опасности для тех или иных потребителей. При этом принципиально важной для целей оперативного гидрометеорологического обеспечения является возможность оценки по характеристикам электромагнитного (в т.ч. оптического) излучения грозовых облаков, их радиолокационным параметрам вероятности возникновения опасных и стихийных явлений погоды, связанных с такими облаками.

Применение дистанционных методов обнаружения гроз (системы и датчики типа ALDF, LDAR, SAFIR, OLS, LIS и др.) показало, что электрические процессы в облаке свидетельствуют не только о его существенной микрофизической перестройке, но и предшествуют опасным явлениям погоды (ОЯ), т.е. они фактически являются предикторами ОЯ. К таким предикторам можно отнести резкое увеличение числа внутриоблачных молний (до 60 р/мин и более) за 10-15 мин до появления торнадо или за 5-10 мин до формирования опасных для авиации шквалов (микробарстов). В градовых облаках происходит реверс полярности молний с преимущественно отрицательной на положительную (в период формирования градовых частиц и выпадения града) и обратно

10

(после его окончания).

Внедрение в мировую практику новых технологий дистанционного наблюдения гроз сопровождается накоплением фактических данных об особенностях электрической активности облаков, которые в силу определенных причинно-следственных связей с некоторой заблаговременностью дают информацию об ОЯ. Исследование физического существа и устойчивости таких связей в различных синоптических условиях является актуальной задачей. Однако до настоящего времени методические подходы к ее решению недостаточно проработаны, т.к. не установлены закономерности эволюции грозовой активности (ГА) в облаках различного происхождения (внутримассовых, фронтальных), причины большой изменчивости пространственно-временных характеристик грозовых разрядов в таких облаках.

В многочисленных программах исследования гроз используются разнообразные технические средства и при сопоставлении их результатов следует учитывать, что эти датчики «видят» грозу по-разному и, в свою очередь, гроза опасна для производств, служб и населения также по-разному. К интерпретации данных наблюдательных систем необходим подход, основанный на возможно более полном учете динамических и физических свойств атмосферных явлений и процессов, в которых имеют место грозы.

В СССР получили развитие специализированные наблюдения за грозовыми облаками и молниями с помощью метеорологических и имеющихся у служб управления воздушным движением РЛС, радиоприемных устройств различного диапазона радиоволн. Коллективы под руководством В.Д.Степаненко, Л.Г.Качурина, М.И.Медалиева осуществляли измерения параметров эхо-сигналов молний и их ЭМИ, что позволило в сопоставлении с радиоэхо облаков и осадков изучать закономерности ГА облаков на севере и юге ETC. Однако физико-географические условия районов работ и значительно отличающиеся по своим динамическим, микрофизическим и электрическим свойствам облака придали определенную специфику этим исследованиям. Фактически решались разные задачи: изучение грозо-градовых процессов, поиск физических предикторов предгрозового состояния облаков в горных условиях; исследование грозовой активности облаков на равнине.

Исследованию грозовых облаков посвящено много работ. Однако, несмотря на появление более точных методов и средств обнаружения ГР, построения каналов молний в пространстве, взаимосвязь динамики облака с ходом в нем грозы во многом остается областью предположений. Это связано, прежде всего, с отсутствием в Российской Федерации сети автоматических грозопеленгаторов-дальномеров (АГПД), которая совместно с оперативными МРЛ штормооповещения позволила бы решить такую задачу.

11

Поэтому результаты специально организованных исследований грозовых облаков на полевых экспериментальных базах по активному воздействию на гидрометеорологические процессы (АВ) Росгидромета в 80 - 90-х годах и реализованный при этом научно-методический подход не утратили своей актуальности и могут быть положены в основу концепции создания сети АГПД. Кроме того, недостаточный уровень теоретических исследований, численного моделирования электрического состояния облаков придает большую значимость достоверным экспериментальным данным о закономерностях грозы.

Таким образом, в связи с интенсивным развитием в последние годы дистанционных методов обнаружения грозовых облаков, своевременный диагноз и прогноз опасных явлений, связанных с облачной атмосферой, приобретает большое научное и практическое значение как для физики облаков в целом, так и для оперативных работ по штормооповещению различных отраслей экономики и населения, управлению и контролю эффективности АВ.

Цель работы состоит в исследовании закономерностей развития грозовых облаков, эволюции их радиолокационной структуры и грозовой активности на протяжении периода существования с помощью комплекса наземных радиотехнических средств (РТС) и самолетов-метеолабораторий.

Для достижения данной цели поставлены и решены следующие задачи:

- выделение с наибольшей достоверностью предгрозовой, грозоактивной и послегрозовой стадий конвективных облаков;

- определение статистических характеристик параметров радиоэхо облаков, соответствующих этим стадиям;

разработка метода идентификации в грозовых облаках источников радиолокационных отражений наХ=11,35и 200 см при одновременной регистрации их ЭМИ;

- определение параметров радиоэхо грозовых разрядов на X = 11, 35 и 200 см и их сопоставление с эволюцией радиоэхо облаков на X = 3,2 и 10 см;

- разработка методологии проведения синхронных наземных и самолетных измерений электрических характеристик облаков.

Научная новизна

Впервые выполнены комплексные исследования закономерностей грозовой активности облаков с использованием активно-пассивных наземных РТС и самолетов-лабораторий на севере ЕТР. В том числе, создана полевая экспериментальная база (ПЭБ Тургош) Росгидромета по АВ на 60° с.ш. и выполнены многолетние (1973-1996) исследования естественного хода грозовой активности в облаках внутримассового и

12 фронтального происхождения.

В результате выполнения работ:

усовершенствован метод многоволнового активно-пассивного зондирования грозовых облаков, основанный на комплексном и синхронном усвоении радиолокационных, радиотеплолокационных, радиоприемных и самолетных данных;

- создан комплекс РТС обнаружения облаков и ионизированных каналов молний различного типа (внутриоблачных разрядов и разрядов на землю), что позволило выполнить ряд исследований прикладного характера в области грозового электричества;

- получены новые физические данные об электрическом состоянии облаков с помощью наземного комплекса РТС и самолетов-лабораторий.

- определены параметры радиоэхо облаков в предгрозовой, грозоактивной и послегрозовой стадиях при достоверном контроле времени начала и окончания грозовой активности в облаке;

- установлено взаимное расположение в облаках зон различной отражаемости, интенсивности осадков, повышенной турбулентности и молниевой активности. Разработан и защищен патентом РФ способ уменьшения обледенения самолетов путем АВ на переохлажденную часть облака;

- определены закономерности грозовой активности в одно- и многоячеистых облаках внутримассового и фронтального происхождения.

Практическая значимость работы

Полученный в работе опыт комплексных исследований мощных конвективных облаков может быть использован в программах и проектах, связанных с: а) изучением опасных и стихийных явлений (грозо-градовые и смерчесодержащие облака, мезомасштабные конвективные комплексы, тропические циклоны); б) оценкой влияния гидрометеорологических условий на распространение радиоволн; в) определением работоспособности (вероятности обнаружения, точностных характеристик) датчиков молний различного типа (в т.ч. и космических); г) проведением ракетных и самолетных работ по воздействию на облака, осадки, грозы и др.

На базе созданного на ПЭБ по АВ (Тургош) ГГО комплекса РТС на протяжении 1978-1996 гг. в интересах различных заказчиков:

- проведены сравнительные испытания, в т.ч. государственные, автоматических грозопеленгаторов различного типа: Оранж и Очаг-2П (НИИ ИТ, г.Челябинск), Верея-М (12 ГУМО РФ), малая сеть грозопеленгаторов (ОКТБ ЛГУ);

- проведены первые наземные сравнительные испытания бортовых РЛС типа РОЗ-1, Эмблема, Гроза-62 и МРЛ-1 (ГосНИИ ГА);

13

- проведены испытания сети приборов измерения напряженности электрического поля, оснащенной телеметрическими каналами (МЭИ);

- испытаны счетчики молниевых разрядов в интересах защиты высоковольтных линий электропередач (Томский политехнический институт);

- разработаны методические рекомендации по метеообеспечению взлета и посадки космического корабля «Буран», основанные на использовании наземных РТС и самолета-лаборатории (НПО «Энергия»);

- разработаны методические указания по обходу зон грозовых облаков в целях обеспечения безопасности полетов авиации (ГосНИИ ГА, г.Санкт-Петербург);

- проведены многолетние совместные исследования различных метеообразований наземными РТС ПЭБ и самолетами-лабораториями ЦАО (Н-16), НПО «Ленинец» (Ан-26), НПО «Взлет» (Ил-18, Ан-12) и ряда других организаций, в том числе по специальным программам.

На защиту выносятся следующие положения и результаты работ:

1. Усовершенствованный метод многоволнового активно-пассивного дистанционного зондирования (ДЗ) грозовых облаков и его техническая реализация в виде комплексов РТС ВИКИ им. А.Ф.Можайского и ГГО им. А.И.Воейкова.

2. Новые закономерности и результаты в области физики грозы, динамики развития и грозовой активности мощных конвективных облаков внутримассового и фронтального происхождения.

3. Пространственно - временные характеристики грозовой активности, наблюдаемой РЛС различных диапазонов радиоволн (11, 35 и 200 см).

4. Методология организации и результаты исследований грозовых облаков с помощью наземного комплекса РТС и самолетов-лабораторий.

5. Метод проверки точностных характеристик и вероятности обнаружения грозовых разрядов грозопеленгаторами, грозорегистраторами различных конструкций при их работе совместно с комплексом РТС ПЭБ.

Личный вклад и апробация работы

Основные научно-методические и технические результаты работы получены автором лично или под его руководством в ходе создания и проведения наблюдений на комплексах РТС на полигоне ВИКИ им. А.Ф.Можайского и экспериментальных базах ГГО им. А.И.Воейкова, на которых выполнялись работы по исследованию грозовых облаков, АВ на них и изучению влияния метеообразований на распространение радиоволн. Наряду с этим, автором разработаны алгоритмы синхронной обработки с помощью ПЭВМ информации РЛС различных диапазонов радиоволн об эволюции

14

грозовой активности. Автором проведен анализ и интерпретация всех вошедших в диссертационную работу результатов, получены физические выводы и дано их обоснование, подготовлены предложения по дальнейшему развитию работ в области исследования грозо-градовых облаков и АВ на них.

Результаты диссертационной работы опубликованы в 65 научных трудах.

Основные результаты работы были представлены на I, II и III Всесоюзных симпозиумах по атмосферному электричеству (г.Ленинград, 1976 и 1984 гг., г.Тарту, 1986 г.); I Всесоюзном симпозиуме по радиофизическим методам исследования (г.Ленинград, 1977 г.); IV, VI и VII Всесоюзных совещаниях по радиометеорологии (г.Москва, 1978 г., г.Таллинн, 1982 г., г.Суздаль, 1986 г.); I Всесоюзной научно-технической конференции по безопасности полетов (г.Киев, 1981 г.); Всесоюзном семинаре по техническим средствам для государственной системы контроля природной среды (г.Обнинск, 1981 г.); IV Всесоюзной научно-практической конференции по безопасности полетов (г.Ленинград, 1985 г.); VIII, IX, X и XII Международных конференциях по атмосферному электричеству (г.Уппсала, 1988 г., г.Санкт-Петербург, 1992 г., г.Осака, 1996 г., г.Версаль, 2003 г.); Технической конференции ВМО по инструментам и методам наблюдений (ТЕСО-92, г.Вена, 1992 г.); 26-й Международной конференции по радиолокационной метеорологии (г.Бостон, 1993 г.); Совещании ВМО по измерениям характеристик облаков (г.Мехико, 1997 г.); 7 и 8-й Научных конференциях ВМО по активным воздействиям (г.Чианг Май, 1999 г., г.Касабланка, 2003 г.); Всероссийской научной конференции по дистанционному зондированию земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами (г.Муром, 2001 г.); XV Международной конференции по плановым и непреднамеренным воздействиям (г.Альбукерк, 2001 г.); Всероссийской конференции по физике облаков и активного воздействия на гидрометеорологические процессы (г.Нальчик, 2001 г.); XXI Всероссийском симпозиуме «Радиолокационное исследование природных сред» (г.Санкт-Петербург, 2003 г.), V Российской конференции по атмосферному электричеству (г.Владимир, 2003 г.).

Содержание работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографии (194 наименования); содержит 241 страницу, включая 89 рисунков и 38 таблиц.

15

ГЛАВА 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБЛАКОВ

НАЗЕМНЫМИ, САМОЛЕТНЫМИ И ДИСТАНЦИОННЫМИ

РАДИОТЕХНИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ

Полнота и достоверность данных об электрическом состоянии облаков (ЭСО) зависит от эффективности применяемых методов и средств наблюдения, информативности измеряемых параметров облаков, установленных закономерностей эволюции электрической структуры таких облаков. С этой целью проведем краткий обзор параметров, характеризующих ЭСО, и возможностей их дистанционного измерения. Рассмотрим также существующие методы измерения таких параметров и их ограничения при исследовании процессов грозовой активности.

1.1. Параметры электрического состояния конвективных облаков и возможности их дистанционного измерения

Известны следующие параметры, характеризующие электрическое состояние облака [1]:

1. Градиент потенциала (напряженность) электрического поля (Еп).

2. Вариации Еп, обусловленные возникновением молний. Время релаксации Еп.

3. Плотность объёмного электрического заряда (определяется по измерениям Еп).

4. Электропроводность воздуха в облаке и его окрестностях.

5. Спектральная плотность электрических зарядов на частицах облаков и осадков.

6. Спектральная плотность ионов в облачном воздухе.

7. Плотность электрического тока, текущего в облаке и вблизи него.

Одни из них являются основными, другие производными. Параметры 1, 2, 3, 4 и 7 могут быть установлены как наземными, так и бортовыми измерениями, а 5 и 6 при пролетах самолета через облако, хотя спектральная плотность электрических зарядов на частицах осадков может быть установлена и на земле. По распределению градиента потенциала электрического поля в облаке и его окрестностях можно установить распределение плотности объемного заряда.

Рассмотрим возможность измерений параметров 1, 2, 3, 4 и 7 инструментальными (в т.ч. дистанционными) методами.

16

1.1.1. Измерения напряженности электрического поля

Измерения напряженности электрического поля (Еп) осуществляются электростатическими флюксметрами - приборами напряженности поля (ПНП), расположенными как на земной поверхности, так и на борту самолета. Эти измерения являются относительными, т.к. сопоставляются с фоновыми значениями напряженности электрического поля за пределами облака (ЕфОН).

В наземных условиях рост Еп ЕфОна может наблюдаться на расстоянии 4-5 (и менее) км до облака. В работе [2] отмечается, что на борту самолета рост Еп в основном, фиксировался на удалении от 4 км и ближе, однако имели место случаи, когда такой рост наблюдался уже на 15 км. Среднее значение ЕфОна У земли равно 130 В/м, оно может изменятся как от месяца к месяцу, так и в зависимости от бапьности облаков. С увеличением бальности облаков увеличивается среднее квадратичное отклонение Еп (сте) и при бальности 10/6-И 0/10 составляет суе « ±125 В/м. За период 1960-1962 годов в Душети при прохождении 20 грозовых облаков над ПНП установлено среднее значение |ЕП| = 5,5-5,7 кВ/м и абсолютное максимальное |ЕП| = 15,5-16,6 кВ/м [3].

На величину измеряемой Еп оказывает влияние приземный объемный заряд. Аналогичное явление наблюдается при определении Еп на борту самолета. Над верхней границей грозового облака в сравнительно узком слое (~100 м) за счет градиента электрической проводимости возникает значительный объемный заряд, электрическое поле которого уменьшает поле электрических зарядов в верхней части облака [4]. Влияние объемного заряда на измерения ПНП показано в работе [5], где приводится зависимость Емакс от высоты полета самолета над облаком (табл. 1.1). Из расчетов В.Н.Морозова следует, что такое уменьшение Еп за счет экранирующих свойств объемного заряда может быть от 10 до 100 раз.

Таблица 1.1 Зависимость средних значений Емакс от превышения ДН самолета над грозовым облаком

ДН,м 0-100 100-300 300 -500 500-1000 1000

Емакс» В/М 13300 3700 3400 2000 2500

Число измерений 31 29 40 24 13

Из табл. 1.1 следует, что измерения Еп должны осуществляться при пролетах самолета над облаком на одной высоте для получения сопоставимых данных об изменении его электрического состояния.

В работе [1] приводятся результаты измерения Еп на борту самолета в Си cong, Си med и

17

Cu hum. Авторами установлено, что Е„ в окрестностях таких облаков оставалась примерно одинаковой и это свидетельствует об отсутствии в них заметной упорядоченной электризации. В СЬ упорядоченная электризация облака имеет место. Градиент электрического поля сильно изменяется при приближении к облаку и удалении от него, но при этом авторы не указывают: на каком расстоянии такое явление наблюдается. Максимальное значение Еп над центром ливневого облака достигает 2-Ю4 В/м.

В результате измерений Еп СЬ облаков на борту самолета ТУ - 104Б [5] установлено, что положительный заряд в верхней части облака отмечается в 60 % случаев, а отрицательный - в 40 %. Здесь же отмечается, что в большинстве случаев для облаков, находящихся в стадии роста, градиент потенциала положителен, а над облаками, находящимися в стадии диссипации -отрицателен. Изменение полярности вертикальной составляющей Еп над облаком может произойти за несколько минут. Однако существуют облака, над которыми Еп остается однополярной (отрицательной) на всех стадиях их жизни.

По самолетным данным установлены предельные значения Еп: в среднем по облаку -105 В/м; в зонах неоднородностей электрического поля - 10б В/м, а минимально необходимое значение Еп для поддержания электрических разрядов составляет ~ 105 В/м [6].

Наиболее подробно бортовые измерения Еп над Си cong, Cb и грозовыми облаками были проведены под руководством И.М.Имянитова [2, 7], где осуществлялись измерения не только Еп, но и болтанки, собственного заряда самолета, осадков, а также сопоставление измеряемых величин с радиоэхо облаков по данным низкопотенциальной бортовой РЛС. В работе [7] авторы пришли к выводу, что во всех полетах оледенение вершин Си cong облаков является достоверным признаком формирования интенсивного электрического поля, но не всегда за этим следуют молнии. Сопоставление в этой работе наземных и бортовых измерений Еп не позволило установить связь между ними.

Известны зарубежные наземные измерения Еп сетью ПНП. Одна из таких систем состоит из 35 ПНП, расстояние между которыми составляет от 3 до 4 морских миль, и предназначена для предупреждения о молниеопасном электрическом потенциале Еп ^ 1 кВ/м в зоне Космического центра им. Кеннеди и базы ВВС США на мысе Канаверал [8]. Другая система состояла из 3-х ПНП, расположенных в вершинах треугольника с длиной наибольшей стороны 14 км. Такое количество ПНП для достоверного контроля электрического состояния облака оказалось не достаточным [9].

В 1988 году на ПЭБ Тургош сотрудниками МЭИ впервые проводились испытания сети ПНП, состоящей из трех датчиков, максимальное расстояние между которыми составляло 10 км [10]. С каждого ПНП результаты измерения напряженности поля передавались по радиоканалу

Список литературы