Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Электрические явления в облаках и разработка физических основ воздействия на них

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Электрические явления в облаках и разработка физических основ воздействия на них"

ч

>V ! /

i\ ;Д i ' 1 i

л < Л - . */

У"

КОМИТЕТ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ II МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ МИНИСТЕРСТВА ЭКОЛОГИИ И ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГЛАВНАЯ ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ ИМ. Л.И.ИОГНКОВА

НА ПРАВАХ РУКОПИСИ

АДЖИЕВ АНАТОЛИЙ ХАБАСОВИЧ

УДК 351.5'М.21. 551.601. 551 .МЖ 551 57. 551.57«!,

551.500. 61 li/Г. 17

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ОБЛАКАХ И РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА НИХ

] 1.00.09- МЕТЕОРОЛОГИЯ. КЛИМАТОЛОГИЯ. ЛП'ОЕТЕСРОЛОГМЯ

АВТОРЕФЕРАТ

ДИССЕРТАЦИИ МЛ СОИСКАНИЕ УЧПНОП СТЕПЕНИ . ДОКТОРА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ НАУК

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1392

Работа выполнена в Высокогорном геофизическом институте

Официальные сппонзнты:

доктор технических наук Б.Д.Пания

доктою (1иэ1Гко-иатематических наук А.Г.Горелик

доктор технических наук С.К.Камзолов

Веадтаая организация - Российский государственный гидроме теорологичоскиЕ институт

Камита. диссертации состоится

п

5« XI

.1992 г.

в ' и часов на заседании специализированного совета • Л 024.ОС.01 при Главной геофизической обсерватории им. А.'.1.Воейкова по адресу: 194018, г.Санкт-Петербург, ул. Карбшева, 7

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке . Главной геофизической обсерватории ш.А.И.Воейкова по адресу: 134018, г.Санкт-Петербург, ул.Карбшпева, 7

X

1992 года

Ученьй секретарь специализированного совета

доктор географических наук, профессор Н.В.Кобншоза

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Состояние и актуальность проблемы

Проблема управления электрической активностью конвективных облаков является одной из актуальных и сложных проблем ¡оврсменной физики атмосферы. Нужды авиапии, метеорологии, ¡оенкого дела и ряда других областей науки и техники нераэ-!ывно связаны с этой проблемой. Ба-кность этой задачи обусловила необходимостью обеспечения безопасности летательных шпаратов и энергетические сооружений от попадания молнии, ¡редупреждения лесных покеров и ликвидации возможности воздействия тока молнии на электрические сети. В последние годы ¡нтенсивно осваивается воздушное пространство, бурно развяжется строительство сооружений в горных районах, значительно гвеличиваетсл объем открытых горних разработок с применением »мрысов и т.д. Очевидно, что при всем этом происходит увели-вероятности попадания' молнии в летательные аппараты и в.-емные объекты, а такие повышается опасность воздействия .ока молнии на электрические сети, что увеличивает ущерб и в зяде случаев приводит к катастрофическим последствиям. Так, кшример, в Нь»-1'1оркэ в I£82 году две молнии, каждая силой ;'ока более 100 кА, нарушили электрическое снабжение города. Стоимость причиненного ущерба превысила два миллиарда долла-

Несмотря на более двухсотлетнюю историю исследования грозового электричества, вопрос еще далек от своего полного зазреаения. До сих пор нет обоснованной теории образования л развития грозовых явлений в облаках, которая включает.в зобя широкий диапазон процессов - от элементарных фазовых тревращений и разделения электрических' зарядов до крупномасштабных атмосферных явлений. Поэтому, многое в теории о [•розовых явлениях, в том числе и в физических основах спосо-5ов воздействия на них, развитых к настоящему времени, юстроено на недостатрчнэ обоснованных гипотезах. Такой подход неразрывно связан со снижением строгости исследования, затрудняет развитие многих направлений исследований по электричеству облаков.

Разработке! научно-обоснованного метода подавления электрической активности облака является важной к необходимо; задачей, которая включает 13 себя ряд сложных нерешенных вопросов. Хотя в последние годы интенсивно развиваются исследования электризации облаков и их електрическои структуры, еще нет единого мнения о причинах образования и развития электрических явлений в облаках. Оправдиваеиость существующих методов определения тенденции и стадии развития грозовых облаков не высока и окажется совершенно недостаточной о будущем. По-видимому, этик обусловлено отсутствие до настоящего времени надежных методов контроля результатов активных воздействий на электрическое состояние облаков. Тем нз менее, в последние годы в .ряде стран ставятся задачей проведение целенаправленных ¡экспериментов по воздействию на грозу. На основа физических представлений по электризации облаков, пол; ченных в последние, годы, предложены возможные варианты подавления грозовой активности мощных конвективных облаков. Шогк! из них в настоящее время уже опробированы. Однако возможное?] енализа результатов этих опытов весьма ограничены. Во-первых в этих опытах не может быть речи о сравнении условий их проведения. Во-вторых, контроль за результатами воздействий осуществлялся разными методами и различными техническими средствами, а в ряде случаев для ото!! пели использовались примитивные устройства.и косвенные способы. Поэтому, по результатам этих опытов невозможно судить о наиболее реальном и эффективном пути подавления грозовой активности облаков. Такой вывод может быть сделан только по данным целенаправлен них экспериментов, основанных на базе наиболее мощного механизма генерации грозового электричества и закономерности.изменения грозовой активности облаков при их естественном развитии. Причем, связь грозовой активности с другими неэлектри ческими процессами в облаках является существелной для сравнимости условий эксперимента.

В настоящее время многие научные коллективы прилагают значительные усилия для разработки аппаратуры и методики проведения комплексного эксперимента. При этом существенное внимание уделяется аппаратуре и методике оценки степени электрической активности естественного и искусственного per;/

уемого процесса развития грозы. Последние успехи в иссле-1внии грозового электричества связаны главным образом с ивно-пассивной радиолокацией облаков. Приоритет в этом юм направлении радиометеорологии принадлежит Высокогорно-геофизическому институту.

В предлагаемой работе обобщаются результаты лаборатор-: и натурных исследований разделения электрических зарядов ¡блаках, полученных в последние годы в ВГИ, а также приборы !етоды, которые были разработаны и использованы для оценки |3овой деятельности облаков при естественном их развитии ияивных воздействиях. В работе большое внимание уделено [росу оперативной опенки степени электрической активности , ¡аков при переходе из о дно Л стации в другую.

Вопросы, связанные с возможностью подавления грозовой 'ивности различных типов облаков рассматриваются совместно (езультагами комплексных исследований процессов облако- и цкообразования, обуславливающих начало, интенсивность, •должительность грозы и разделение электрических зарядов I фазоЕых переходах воды.

Диссертация посвящена исследованию закономерностей раз-'ия электрических явлений в облаках, обусловленных фазовыми (входами воды, и разработке физических основ воздействия них.

С целью разработки рекомендаций для дифференцированного шния задач молниезациты различных объектов нами исследова-цля территории Северного Кавказа особенности грозолора^ае-:ти земли в зависимости от орографии и времени года.

Метод исследования.

Решение задач, поставленных в роботе, потребовало:

1. Разработки методики и аппаратуры для лабораторных ¡ледований особенностей разделения электрических зарядов I фазовых переходах воды.

2. Разработки активно-пассивного радиотехнического (плекса для получения информации об электрическом состоянии ю сферы.

3. Проведения лабораторных исследований процессов исталлиэапии переохлажденных капель воды, разделения

олактрических зарядов и блияния различных факторов на интенсивность электризации гидрометеоров (облачных частиц).

4. Исследования импульсно-вреыенных характеристик электромагнитного излучения и грозовых явлений в облаках.

■ 5. Определения статистических характеристик комплекса параметров гроз.

6. Определения климатических и физико-географических характеристик гроз Северного Кавказа для практического использования данных о грозопоражаемости в народном хозяйств«

?. Проведения большого объема натурных экспериментов по определению влияния внесения льдообразующих веществ на грозовую деятельность облаков.

8. Выявления связи различных характеристик грозовой активности с параметрами конвективного облака, а также с образованием и выпадением града.

Проведенные в настоящей работе исследования позволили получить существенно новые цашше об электрических явлениях в облаках, о закономерностях пространственно-временного распределения гроз на Северном Кавказе и предложить способы регулирования грозовой активности облаков на.основе использования льдообразующих реагентов.

В работе впервые получены следующие результаты:

I. Разработан комплекс аппаратуры, включающий термобарокамеру для яабораторнъгх исследований фазовых переходов воды и разделения электрических зарядов, измеритель параметров пикетов импульсов электромагнитного радиоизлучения облаков, аппаратуру для синхронной регистрации радиолокапионно-оспил-логрофическим способом координат места разрядов молний и обусловленных ими быстрых изменений напряженности электромагнитного поля, устройство для раздельной регистрации наземных и облачных разрядов, боевую часть ракеты "Облако" для доставки в атмосферу различных составов ВВ и льдообразующих реагентов. Ряд разработок защищен авторскими свидетельствами

т изобретения.

2. На основе лабораторных исследований получены ста-'истические данные ряда параметров, характеризующие процессы »амерзания капель воды, разделение электрических зарядов

|ри межфазных взашодсйстшях облачных элементов м влияния га оти пропессы различных химических примесей.

3. Получены вероятностные распределения продолчитель-гости существования грозовых явлений, максимальной частоты юзникновекия молний и общего числа грозовых разрядов, енерируемых за время жизни индивидуальных конвективных чеек для всех типов облачных процессов, а такзсэ статисти-:еские зависимости между этими характеристикам',! грозовой еятельности.

4. В.шзлена зависимость характеристик излучения в деги-етровом диапазоне радиволн и быстрых изменений ншрятен-ости электрического поля, обусловленных разрядными явленмя-и, а также их эхо-сигналов от расстояния до источника,

ипа и пространственно-временной структура атмосферного раз-яда, интенсивности грозовой деятельности облачной ячейки фазы ее развития. Показана возко'-дюсть контроля по сверх-ысокочастотному радиоизлучению электрического состояния отельной конвективной ячейки, Еходящей в облачную систему, и, совокупности с радиолокационными параметрами, ее градо-пасности.

5. На основе данных, полученных с применением радко-зхнических средств, разработана методика опенки величин нектрическнх зарядов, нейтрализуемых импульсами максималь-,гх токов молний, и построены вероятностные распределения зличин максш/Ельимх токов и нейтрализуемое ими зарядов г,ля злиий различных типов на территории, ограниченной радиусом Ю км от пункта наблюдений.

6. Е'ипелзн ряд характеристик грозовой деятельности злаков, яедгчщкхся наиболее информативными цля ссудествло-1я контроля эффективности активных воздействий, проводимых различных гелях на грозо-градовые процессы.

7. Исследованы возможности метода активного воздействия дообрлэуютими реагентами (йодистое серебро) с применением

лротивоградовых средств в иелях подавления грозовой деятельности облаков различных типов на разных стадиях их развития. Показаны наличие положительного эффекта при засеве облаков в предгрозовой и в начале грозовой фаз развития, и возможность искусственного инициирования разрядных процессов в электрически нейтральной переохлажденной слоисто-дождевой облачности.

8. Определены параметры молниевых разрядов, используемых в грозозащите, а также закономерности пространственно-временного распределения гроз на Северном Кавказе.

Научная и практическая значимость работы.

Основная практическая ценность работы заключается в последовательном исследовании разделения электрических зарядов на гидрометеорах и развития электрических явлений в облаках при естественном их развитии и активных воздействиях.

Полученные закономерности развития электрических явлений в грозовых облаках, данные об электромагнитном радиоизлучении на различных стациях их развития могут способствовать улучшению диагностики процессов, происходящих в облаках, и повысить эффективность метеообеспечения авиации, службы активных ЕоздеПствий на грозо-градовые процессы и т.п. Они расширяют наши представления о процессах, происходящих в грозовых облаках. Ряд полученных в работе количественных характеристик радиоизлучения облаков, ранее не был известен. Другие ранее известные параметры излучения грозовых облаков в данной работе значительно дополнены и уточнены. В настоящее время некоторые результаты этих исследований внедрены Центральным НЩ судовой электротехники (г.Москва) при создании судовых анализаторов грозоопасносги, с гоцрвым экономическим эффектом зоо тыс.руб. (акт внедрения от 12.06.1983 г.!

Данные об общих характеристиках гроз предгорных районов Северного Кавказа, вероятностные распределения амплитуды и крутизны фронта токов молний и нейтрализуемых ими зарядов, величин электромагнитных наводок, вызываемых грозовыми явлениями в атмосфере рекомендованы для использования при проект! ровании грозозащиты объектов, расположенных как на этой территории, так и для других районов с подобными климатическ;

физико-географическими условиями. Внедрение некоторых из

их результатов Министерством связи СССР при строительстве анскавказской телеграфно-телефонной линии для Северного вказа дало экономический эффект около 100 ткс.руб. (акт едрония от 09.1965 г.).

Исследования разрядной деятельности облаков позволили эработать рекомендации при создании грозопзленгатороэ-дально-ров повышенной точности типа Е-912 (акт внедрения от 20.02. 86 г.) Челябинским научно-производственным объединением мерительной техники.

Разработанный дистанционный метод наблюдения может на";т.1 [рокое применение дм оптативного определения степени грозо-|а -.ности в системах штормоповещения и оценки эффективности »водимых в различных целях активных воздействий на грозо-задовие процессы, а также для оцзнки энергетических характе-ютик процесса взрыва, основанных на регистрации электролитного радиоизлучения (о'Ж). Последнее кашло внедрение при азработке перспективной"'левой техники Центральным КИИ хеши эханики и дало экономический эффект около 100 тыс.руб. (акт чедрешя - октябрь 1986 г., ноябрь 1939 г.).

Результаты эксперимента по воздействию на грозу и наблю-вний за изменением характеристик молниевой деятельности обла-ов могут стать базой для практической реализации в народном оэяйстве эффективного метода подавления грозовых явлений.'

Способ воздействия на грозовые явления внедрен в протиБО-радовых службах страны (акты от 20.10.89 г. и 25.01.90 г.)

Результаты исследований электрических характеристик обла-ов при искусственном воздействии использованы'ЦАО (акт от 9.12.87 г.) по теме И.23.05 "Разработка методики комплексной цепки последствий активных воздействий на облачные системы, фоводимыв в интересах народного хозяйства".

ЛичньгН вклад автора

Основные научные результаты диссертации (Методика и ре-|ультатн исследований закономерностей развития электрических )влений в облаках, климатические и физико-гэографические характеристики гроз получены автором лично.

Непосредственно автором диссертации или под его научным •

руководством разработан комплекс аппаратуры для проведения ш следований электрических характеристик, включающий радиолокационные станции различных длин волн и аппаратуру регистрации и анализа электромагнитного излучения молний.

Натурные эксперименты по организации и проведению активных воздействий на электрическое состояние атмосферы были организованы и проведены под руководством и при непосредствег ном участии автора.

Предметом защиты является решение народнохозяйственной задачи по разработке и внедрению способов и средств активных воздействий на грозовое электричество, разработка нового направления науки - разработка физических основ регулирования электрического состояния облаков и его внедрение в практику.

Основные положения, выносиша на защиту:

1. Методики и аппаратура для лабораторных исследований фазовых переходов воды и связанного с этими переходами разделения электрических зарядов и для совместного исследования характеристик грозовых явлений активно-пассивными радиолокационными и осциллограЛическими средствами.

2. Результаты многолетних дистанционных измерений законо мерностей развития электрических характеристик грозовых облаков при естественном их развитии и активном воздействии.

3. Данные лабораторных и полевых исследований, характеризующие взаимосвязь процессов грозо- и градообразования, приведшую к установлению возможности контроля градоопазносги облаков по электрическим явлениям.

4. Результаты разработки средств активно-пассивной радиолокации грозовых и грозоопасных очагов в облаках, позволяющие их использование как при контроле стадий и тенденций развития грозовых явлений, так и в качестве образцовых инструментов при определении метеорологической информативности гроз; пеленгаторов-дальномеров, счетчиков молний и проверках критериев грозоопасносги. .

5. Закономерности пространственно-временного распределения гроз на Северном Кавказа и характеристики разрядов молний,

используемых в грозозащите.

6. Метод активных воздействия на электрическое состояние о.блаков и рекомендации для практической реализации способа регулирования грозовых явлений.

Апробация работы.

Основные результаты работы, a такта отдельное эта;« исследований докладывались и обсуждались: на Всесоюзной конференции по Лизике облаков и активным воздействиям на них (г.Нальчик, 1979), на П-м Всесоюзном симпозиуме по атмосферному электричеству (г.Ленинград, 1982 г.), на П-м Всесоюзном симпозиуме по атмосферному электричеству (г.Тарту, 1985 г.), расширенном заседании 1У секции Научного Совета АН СССР по проблема "Теоретические к электрофизические проблемы молнии и молниезащиты" (г.Баку, 1984 г.), на 9-й Международной конференции по физике облакоп (г.Таллин, 1984 г.), на У Всесоюзном совещании но радиометеорологии (г.Кишинев, 1978 г.), на У1 Всесоюзном совещании по радиометеорологии (г.Таллин, 1982 г.), на УП Всесоюзном совещании по радиометеорологии (г.Суздаль, 1986 г.), на Всесоюзной конференции по актизкым воздействиям на гидрометеорологические процессьт, (г.Киев, 1937 г.), на П-П Всесоюзной конференции "Прием и анализ сверхнизкочастотнчх колебаний естественного происхождения" (г.Вороне;», 1987 г.), на Международном симпозиуме "Взаимосвязь региональных и глобальных процессоп б атмосфере и гидросфере" (г.Тбилиси, 1988 г.), на Х-й Международной конференции по физике облаков (Еадгакбург, ФРГj 1988 г.), на 1У Всесоюзном сичпозиу?<е по атмосферному электричеству (г.Нальчик, 1990 г.), на IX Международной конфо-реь 11-и по атмосферному электричеству (г.Санкт-Петербург, 1992), на итоговых сессиях Ученого Совета и обцегеофизических семинарах вги.

Основные материалы диссертации опубликованы в работах /1-38/ и защищены спидетельствами на изобретения /39-45/.

.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, ставятся задачи исследований, раскрывается научная новизца полученных результатов,"дается краткий обзор содержания работы.

Первая глава посвящена анализу современного состояния исследования электрических характеристик облаков,

В ее первом разделе приводятся сведения об исследованиях строения и электризации грозовых облаков. Электрическая структура грозовых облаков обуславливается процессами разноименного заряжения облачных частиц и частиц осадков (мелкомасштабные процессы электризации) с последующим макроскопическим разделением противоположных зарядов воздушными конвективными потоками и падающими в гравитационном поле Земли осадками (крупномасштабные процессы электризации).

На начальной стадии развития грозоього облака имеет место интенсивный (Ьазовый переход воды, сопровождающийся нарушением контакта на гидрометеорах между водой, льдом и воздухом, что приводит; к электризации облачных частиц. На этой стадии основным механизмом электризации является контактная электризация.

Изучение закономерностей разделения электрических зарядов в облаках не закончено, и требуются дополнительные экспериментальны:» и теоретические исследования микрофизических процесров, которые приводят к возникновению электрических полей, достаточных для развития молниевых разрядов.

Для разработки метода активного воздействия на конвективные облака с целью регулирования их электрического состояния необходимо выяснить факторы, наиболее влияющие на контактную электризацию, и найти элементарные акты этого процесса, искусственное изменение которого будет, во-первых, достижимо, а, во-вторых, приведет к решению поставленной- задачи.

Во втором разделе первой главы анализируются известные на сегодняшний день методы активного воздействия на электрическое состояние облаков с точки зрения их практической

существимости и перспективности использования в будущем, о механизму действия методы усдозно разделены на непосредствен-о направленные на изменение электрической структуры облаков управление объемным зарядом и процессами электризации облач-ой среды, увеличение электрических потерь с целью уменьшения алряженности поля ниже значения, требуемого для иницииропа-ия молнии, искусственная разрядка на землю-и "короткое замы-ание" мезду основными зарядами и их неоднороднсстями в обла-ах) и опосредованно изменяющие электрическую структуру обла-ов путем изменения их микро- и макрофизических характеристик разрушите облаков искусственно инициированными нисходягцими оздушными потоками, воздействие кристаллизующими реагентами : т.п.). Поскольку с помощью методов первой группы можно лиеь ;а короткое время электрически нейтрализовать локальную область пространства, их применение носит ограниченный характер, ¡ечлвчение составляют мзтодн управления электризацией облачной ¡р»дч, которые еще далеки от практической реализации и требуют ¡альиойиеЯ разработки. Применение динамического метода для дивных воздействий на фронтальные процессы в стадии зрелости ¡гтрсадот большие трудности как'в энергетической, тал к в тех-;гг'ес:сом аспектах. Наиболее разработанным и универсальном методом на сегодняший день и по методике, и по техническим сред-:?вам для еэ реализации,, и по экспериментальной проверке, иляется засев грозогьяс облаков кристаллизувцюш реагентами. 1ри этом предметами дальнейших исследований должна быть опре-;елония моста внесения реагента, его количества, времен тчела и конца воздойствия, характеристик грозовой деятельности )блаков, являющихся наиболее информативными для осуществления сонтроля эффективнос?и активных воздействий.

В третьем раздало первой глапы дается обзор методов «следования характеристик грозовой деятельности. Используемые :ри реализации этих методов пнформационнс-измерительньгэ средства можно разделить на пассивные и ахтивныэ. Принцип работы гассивных средств основан на регистрации электромагнитных воз-лущений, источниками которых служат разрядные процессы в облагая. Регистрация быстрых и медленных изменений напряженности )лвктрэмгтнитного поля, вызванных атмосферными р&орядали, позволяет определять электрическую структуру облаков, временные

l'i

характеристики и тип молний, параметры импульсов тока в них и количество электричества, нейтрализуемого импульсами этих токов. Для получения климатических и физико-географических характеристик: грозовой деятельности, а также для определения их временной изменчивости используются системы грозооповеще-:;ия к местоопределения грозовых очагов. Применение радиоприе! нкх средств в У11В-диапазонв позволяет получать згсейеркменгал! нт;е данные о расположении разряда и его компонентов в грозовом облаке. Для исследования спектральных и временных характеристик радиоизлучения атмосферных разрядов используются наборы калиброванных приемников в диапазоне от ОНЧ до СВЧ чй-стот. Радиолокационные наблюдения молний позволяют наиболее точно определять их координаты, время существования эхо-сини лов от них, аффективные отражающие поверхности.

Специальные радиолокационные, предназначенные для обнаружения, исследования и контроля грозовых юлений в облаках, б к^атокдее время не разработаны. Для этих целей представляв' ся возмо!кным использовать станции обнаружения самолетов типа И-15 (длина волны 3,5 см) и ÍI-I2 (2 м) при определенной их до работке и оснащении регистрирующей аппаратурой.

Для эффективного решения задач грозозащиты различных об ckvod требувтея более дкффореяцировькнао оценки характерами грозовой деятельност1щоблаков sipa естественной их развитии и активных воздействиях на осново рассмотрения дин&чяки грозов процессов, комплексного подхода к оценке и учету факторов, _ влияющих на вероятность поражения территорий разрядами молни Резоние задачи возможно на основе применения сети гроэопелен гаторов-дальномеров, а также комплекса аппаратуры, обеспечи-ваодой определение параметров молнии.

Рая Северного Кавказа подобная задача ранее не решалась и является весьма актуальной в связи со значительной орографической неоднородностью и плотным расположением промышлеины объектов.

Во второй главе описывается аппаратура, с помощью котор проводились лабораторные и натурные эксперименты, погрешност измерений и методика исследований.

Дчя изучения в лабораторных условиях процессов сбразова града, осадков и электризации гидрокетворов нами совместно с

ХЖБ ТФП (г.Санкт-Петербург) была разработана термобарока-iepa. Ее основные технические характеристики следующие: 1абочий объем - 0,1 м , диапазон статирования и температур» ; рабочем объеме от - 30 до + 30°С, точность поддержания

емпература Í 0,5°С; диапазон давления - 1(ГгПа____Ю^гПа,

аданное давление поддерживается с точностью Í 50 rila, ермобарокамера дает возможность изучать замерзание капель оды, рост льда, образование и рассеяние тумана в отраженном, роходщем и поляризованном свете, влияние внешнего электри-гского поля на фазовые переходы и электризацию кристаллизую-зйся воды. Для регистрации электрофизических величин термо-фокамера снабжена десятиканальным вводом; Устройство имеет (стему понижения давления в рабочем объеме камеры и перевода щанного объема воздуха из окружающей среды или из аналогич-i3 камеры в рабочий-объем, что дает возможность изучения разевания и роста гидрометеоров при адиабатических процессах.

Для проведения опытов по исследованию эволюции грозовой стельности, физических характеристик молниевых разрядов и зыочности .регулирования электрического состояния облаков в едгорньк районах Северного Кавказа при непосредственном астии автора создан научно-исследовательский полигон ВГИ аксан", на котором располагается активно-пассивный радиотех-■гаский комплекс. В состав комплекса входят следующие штат-J» а также оригиналькие, разработанные в лаборатории грозо-'0 электричества ВГИ установки и приборы: радиолокационные 1нции (РЛС) МРЛ-2Л, П-12, дав 11-15, гройоггеленгатор ПРГ-100, •оматический грозопеленгатор-дальномер (АГПД) "0чаг-2П", 'ройство для регистрации характеристик радиоэхо разр^ядов ний, многопункткая пелоягационнал система мэстоопределения рдинат молниевых разрядов, система регистрации налряженнос-электромагнитного поля молнии, устройство для раздельной истрации наземных и облачных разрядов, измеритель парамет-пакетов импульсов радиоизлучения (РИ), вспомогательная аратура регистрации й обработки информации, средства связи. ЫРЛ-2П осуществляет контроль состояния атмосферы и обеспе-1йт комплекс всеми радиолокационными данными исследуемого иса. В составе комплекса используется для наведения других ihobok на объект исследований, а такка для выработки команд )вым пунктам ори проведении активных воздействий.

РЛС метрового диапазона П-12 и дециметрового диапазона П-15 обеспэчмаэт прием и регистрации отраженных сигналов от иони-зхрованккх каналов молний, определение их количества и трансформацию со временем в пределах исследуемого облака. Кроме того, РЖ позволяют определять координаты молниевых разрядов, проекции на наклонную дальность, длительности существования эхо-сигналов. В пассивном режиме эти РЛС работают как высокочувствительные приемники радиоизлучения грозо-градовых сблаксп. Для автоматизация процесса исследований коротких по длительности и случайных во времени молниевых разрядов напот оозался разработанный нами измеритель параметров пакетов импульсов РИ, подключаемы?!' к выходу, настроенного на частоту з 830 мГц приемника РЛС дм и позволяющий измерять в непрерывно.«.! реж:.\:е работы следующие параметры: порядковый номер паке: импульсов и время его прихода, длительность пакета,и число импульсов в нем. Адекватность принятого РИ колкияы подтвервд лась регистрацией эхо-сигнала от ионизированного канала на частоте 160 МГц. В противном случае принятое РИ до регистрац: первого эхо-сигналаГот молнии считаюсь "предгрозовым", а после - обусловленным немолниевыми разрядными процессами в облаках.

Для облегчения и автоматизации получения характеристик эхо-сигналов молний (время существования радиоотражакхцего образования, его характерные геометрические размеры и коорди наты местоположения) нами разработало устройство, подключаемое к вы:соду приемника РЛС, работающей в активном режиме, и позволяющее определять дальность до канала молниевого разряд с точностью до 0,1 км, время возникновения молниевого разряд с точностью до I мс. Оно производит селек^ю эхо-сигналов молний на фоне пассивных и активных помех и измерение парамг ров молниевых разрядов в реальном масштабе времени и может бьп'ь использовано в качестве блока запуска регистраторов фо; электромагнитного излучения молний, спектроанализатора, устройств для раздельной регистрации наземных и облачных ра: рядов молния, а также других устройств, .входящих в радиотех! ческий комплекс.

Применение РЛС не обеспечивает получения общей картины грозовой деятельности в месте проведения эксперимента, что

связано с направленными свойства,-.™ их антенн. При определении интегральной грозовой деятельности над территорией района работ нами применялся АГЦЦ "0чаг-2П", предназначенный для локализации грозовых очагов из одног о пункта путем регистрации электромагнитного излучения, сопровождающего молниевые разряди. АГТЩ состоит из амплитудного пеленгатора, амплитудного дальномера (масштаб 420 км) и 1шпульсного Е-Н дальномера (масштаб 100 км), принцип работы которого'основан на раздельном анализе электрической и магнитной составляющих поля в ближней зоне. Проведенные нами исследования точностных и информативных характеристик АГПД показали, что он является достаЬчно точным инструментом при определении местоположения грозовых очагов и контроля их перемещения. "0чаг-21Г обладает также высокими вероятностными характеристиками обнаружения грозового очага (0,92-0,96), но регистрирует при этом в нем далеко не каядыЯ разрдд. В районе работ в 1984-1986 гг. нами совместно с учеными ЛГУ и ГГ0 (г.Санкт-Петербург) разворачивались двух-трех-пунктные системы местоопределения молнии (ПС!.!), координаты которых определялись по пересечении пеленгов. В качестве пеленгаторов на пунктах системы использовались блоки АГЦЦ "0чаг~2п". Нся.'1-.ания системы показали целесообразность ее применения для поверки одиопунктных средств локализации грозовых очагов. Однако, применимость АГПД, а тем более ПСМ, при контроле эффек-хиэнссти активных воздействий на грозовые процессы сильно ограничиваются недостаточно высокими вероятностными характеристиками обнаружения отдельных молниевых и слаботочных разрядов. К преимуществам АГГЩ и ПСМ следует отнести возможность одновременного контроля обширной рабочей.зоны в отлична от РЛС. Лоэтому ЯОД и ПСМ использовались в радиотехническом комплексе как средства, дополнительные к радиолокационным. С 1933 г. в зоставэ комплекса функционирует созданная нами совместно с учеными АзНИИЭ система регистрации быстрых изменений электромагнитного поля (ШП), обусловленных главкоканалышии стадиями грозовых разрядов, с одновременным определением их координат г помощью РЛС метрового и сантиметрового диапазонов. Измерительная система позволяет без искажений регистрировать импульсы электромагнитных полей с длительностями от 0,3 до 200 мкс. Три этом была решена задача совместимости функционирования в

ie

одном месте системы регистрации изменений ЭМП и радиолокационных средств. На основании проведенных исследований нами был разработан, изготовлен и защищен авторским свидетельство] на изобретение опытный образец устройства для раздельной ре-гитсрации наземных и облачных разрядов молний. Принцип его р, боты основан на распознавании типов разрядов rio форме импульса напряженности электрического поля молнии. По сравнению с известными устройствами разработанный образец имеет больший радиус действия, более простую конструкцию и позволяет устранить неопределенности и ошибки, возникающие при расаознавани! разрядов по ориентации каналов, по различным спектрам излучения. Устройство обеспечивает регистрацию молниевых разрядов на территории радиусом 100 км и может применяться как в с.ист! мах штормопокещения и грозозащиты, так и при оценке эффективности активных воздействий на грозу. Вышеописанный радиотехш ческий комплекс дает возможность оперативно'получать обширну: информации об электрическом и динамическом состоянии облаков, управлять процессами воздействия и контроля его эффективное«

Третья глава посвящена исследованию характеристик грозовой деятельности естественно эволюционирующих облаков.

Особенности развития грозовых явлений на Северном Кавка: в значительной степени обусловлены неоднородностью рельефа этого региона, который включает в себя равнинную зону, предгорья и горный массив Большого.Кавказа, состоящий из ряда параллельных хребтов.

Исследования аэросиноптических условий развития грозовю процессов на Северном Кавказе позволили выделить четыре типа процессов, отличающихся по территориальному распределению грс зоswí очагов и их интенсивности. Катсдый тип процесса развив&е ся при определенном направлении воздушных масс.

Для территории Северного Кавказа была построена карта повторяемости числа дней с грозой. Анализ карты показал, что на исследуемой территории имеются относительно ыелкомасстабнг районы (очаги) повышенной грозовой активности и области с малым числом грозовых дней. Наиболее грозоактивными районами являются предгорья Эльбруса (до 40 дней с грозой), а также Краснодарский край (до 30 дней). Менее грозовые зоны - восток

ые районы Дагестанской АССР ( около 20 дней), северо-восточ-ке районы Ставропольского края (18 дней).

В отличие от ранее проводимых путем прямых визуальных аблюдений на метеопостах и с помощью счетчиков молний иссле-ований климатических и физико-географических характеристик роз, не отличавшихся большой точностью и достоверностью, нами 1976 г. проводятся дистанционные исследования гроз в пред-эрных районах Северного Кавказа (43°с.ш.) на территории пло-идьга 30000 км2 с помощью базирующегося в одном пункте активно-юсивного радиотехнического комплекса. Показаны более высокая 5фективность и преимущества предлагаемого нами метода по срав-шив со ст.арш. При среднегодовом числе дней с грозой, равном ' со стандартным отклонением 7 и максимальным значением 53, юзы в 75я случаев развивались при прохождении фронтальных зд-"".:ов воздушных масс, в 8« случаев наблюдались из орографи-к;и,г<: облаков и только в 17л случаев они Фиксировались во ¡с'лд внутримассового развития. Наибольшие значения повторя-:опч;5 дней с грозой и продолжительность гроз наблюдаются в

Впервые по сравнению с ранее проводимыми исследованиями, которых измерялись характеристики для грозовых очагов в целом, есть грозоактивных частей облачных систем, ограниченных ружноотьп определенного радиуса с центром в место установки г-истрирукуцего прибора, на основе большого экспериментального териала построены статистические распределения повторяемости ительности Т существования грозовых явлений, максимальной стоты возникновения молний и общего числа /[/ грозооых эрддов, генерируемых за время жизни индивидуальных конвек-вных ячеек для всех типов облачных процессов. В целях выра-гки критериев по определению физической эффективности актив-к воздействий, проводимых в различных целях на грозо-гродовыя зцёссы, по 400 случаям получены распределения вероятности 7 и /V для выборок естественно эволюционирующих облачных 5ви. Найдены их аппроксимации теоретическими законами расселения. Для Т - это логарифмически-нормальное, для Г^ ¡покэнциальное распределение, для /V - распределение Пир-га Ш типа. Наиболее вероятные значения этих характеристик ¡тавлявт: для 7* - 18 мин, для - 3 ыин-*, для

25 грозовых разрядов. Получены уравнения исторической регрессии с доверительными зонами для различных уровней значимости связывающие длительность грозы, максимальную частоту молний I общее число грозовых разрядов, генерируемых за время жизни облачных ячеек. Исследована степень зависимости Т , и у между собой. Коэффициенты линейной корреляции для уравнений, связывающих (/V, Т) (ГМ1Т) и /У) составляют 0,686; 0,5' и 0,873, соответственно. Выявлено, что в зависимости от синог тических ситуаций от 21 до 27?» из всех облачных ячеек, перехс дящих в грозовое состояние, становятся градоопасными. С помощь» комплекса радиотехнических средств была проведена оцеш ооотношений молний облако-земля и всех грозовых разрядов в данном географическом районе. В наших опытах оно оказалось рг ньи примерно I : 5. В работе на конкретном примере региона Северного Кавказа преде'! алена методика составления по данным АГПД карт удельной поражаемости молниями территорий, ограниченных радиусом 100 км, с разрешением 10 км. Наиболее высокая удельная пэржаемость молниями наблюдается вдоль гребней Болг шого Кавказа и Скалистого хребта, а также вдоль типичных трае торий движения фронтальных грозо-градовых процессов.

На основе данных, полученных с помощью измерителя парамг пакетов импульсов исследовались импульсно-временные характеристики РИ в дециметровом диапазоне. Выявлено, что пакеты импульсов РИ, обусловленные разрядными явлениями в облаках, пр« ставляют собой последовательности серий, состоящих из импульсов длительностью более 10 мкс. Промежутки между сериями заполнены импульсами в единицы микросекунд. Показано, что изме; параметры пакетов Ш, можно получать достоверную информацию с таких характеристиках молний, как число компонентов во вспьгап время между последовательными возвративши ударами, длительное ти существования молний и немолниевых разрядных явлений, а таете их отдельных фаз. На основе анализа экспериментальных } ных построены статистические распределения повторяемости чису импульсов в пакете и длительности пакетов РИ грозовых облако! для различных расстояний до разряда, длительности интервалов между компонентами и числа компонентов во вспышке молнии. Ср( нее значение интервала между компонентами во вспышке молнии составляет 57 ыс. Среднее число компонентов во вспышке равнй* ся 3. Больше всего наблюдается двухкомпонентных разрядов, а

максимальной зарегистрированное число возвратных ударов во вспышке молнии составило 16. В 95?, случаев длительность пакетов импульсов радиоизлучения молний с количеством компонентов во вспышке от I до б не превышает значении 150, 200, 350, 450, 550 и 650 мс, соотвотственно. Установлено, что, если число импульсов в пакете сильно меняется с расстоянием, то длительность пакотов РИ практически остается постоянной. Приведены сведения о длительностях серий в пакетах, импульсов в сериях и интервалов между сериями. Найдена корреляционная связь ме*ду числом импульсов в серии и ее длительностью. Выявлена зависимость длительности пакетов РИ разрядных явлений от интенсивности грозовой деятельности облачной ячейки и фазы ее развития. Показана возможность оперативного контроля по СВЧ радиоизлучению электрического состояния отдельной конвективной ячейки, входящей в облачную систему. На основе экспериментальных данных получено вероятностное распределение длительности эхо-сигналов от ионизированных каналов молний в метровом диапазоне радиоволн и показана зависимость этой длительности от дальности до источника для расстояний до 100 юл. Неучет этой зависимости может привести к ошибке первого рода при определения эффекта воздействия на грозу. Сравнение с результатами других авторов позволило выявить зависимость длительности эхо-сигнала от географической шфоты местности.

В работе представлены результаты регистрации напряяеннос-тей электрического и магнитного полей главных каналов разрядов молний калиброванными антеннами при одновременном измерении дальности до места разряда радиолокаторами метрового и сантиметрового диапазонов для расстояний 10-20, 20-40, 40-80, 150200 км.

Построены статист!гческпе распределения повторяемости амплитуды и длительности фронта импульса напряженности, активной ширины амплитудно-частотного спектра электромагнитного поля (c'ffl) главных каналов разрядов молний, рассчитанной амплитуды токов молний.

Среднее значение длительности фронта импульса напряженности ЭМП отрицательных наземных разрядов на расстоянии до 80 км равно 2,7 мкс со средним квадратичным отклонением 2,1 мкс. Длительность фронта для положительных разрядов в среднем в 2 раза превышает соответствующие, значения для отрицательных

разрядов. С возрастанием расстояния между пунктом наблюдений и местом разряда молнии увеличивается длительность фронта импульса ЭШ1 (в среднем в 1,5 раза больше для расстояний 150200 км, чем для расстояний до 1.00 км) .

Активная ширина амплитудно-частотного спектра ЭШ главного канала наземного разряда молнии в БОЙ случаев превышает 75 кГц (275 регистрации).

Отношение нормированных к расстоянию амплитуд имцульсов напряженности ЭШ наземных и мекдуоблачных разрядов молний в среднем равняется 2, По результатам, синхронных измерений антен-но-радиолокационным методом напряженности электрического поля разряда молнии и расстояния до него на основе модельных представлений Юмана-Мак-Лейна произведена оценка параметров тока молний (время достижения амплитуды тока, амплитуда и крутизна фронта тока). Выявлено, что в 13? случаев молниями переносится на землю положительный заряд. Однако для положительных разрядов значения длительности фронта и амплитуды импульса тока превышай1 соответствующие значения для отрицательных разрядов. Среднее значение амплитуды тока молнии по 187 измерениям составляет 22,6 кА. Максимальная зарегистрированная амплитуда тока положительного разряда равна 90 кА, отрицательного - 68 кА. На основе дипольного представления электрической структуры грозового облака получено выражение для расчета по результатам измерения у земли напряженности электрического поля момента Л/ , обусловленного облачным электрическим зарядом , нейтрализуемым импульсом максимального тока молнии с_

А / >-> с

£ -

Х>

где с - скорость света, £0 - диэлектрическая проницаемость воздуха, Л - расстояние от наблюдателя до источника, -время, Ем , ¿<р , ос и 7З - амплитуда, длительность фронта импульса напряженности электрического поля и характеризующие его форму параметры, соответственно. Из выражения (I) ¡ложно определить величину заряда О. :

Л л о( ^аз

0. ~ _ ^ * (2) ~~ ос Н

где И - высота источника над поверхностью земли. Выявлено, что основная доля электрического заряда, генерируемого за рре-ад жизни грозовой конвективной ячейки, нейтрализуется молниевыми разрядами. Несмотря на значительное количество мелкомасштабных слаботочных разрядных процессов, их вклад в суммарный нейтрализуемый в облаке заряд ничтожно мал. На основе ры-толненных с помощью радиотехнических средств измерений напряженности электрических полей молниевых разрядов и расстояния у> их каналов, числа грозовых разрядов.различных типов, коли-юства компонентов во вспышке молнии, интенсивности и продолжительности грозы и радиолокационных характеристик облака ¡делана, оценка зарядов, нейтрализуемых за время жизни грозовых гчеек, входящих в облачные системы различных типов. Общее ко-¡ичество электричества, генерируемое за время жизни среднестатистической облачной ячейки и среднее значение скорости ге-шрации заряда составляют соответственно 3700 Кл и 74 Кл-мин-*. 'онерируемнй суперячейковыми облаками суммарный электрический >аряд мсжет превышать 10 +^!Сл, а средняя скорость - 500 Юг мин~*.

Четвертая глава посвящена лабораторным исследованиям роцессов кристаллизации переохлажденных капель воды и разде-:ения электрических зарядов, электромагнитного радиоизлучения, опровождающего кристаллизацию воды, физико-математическому юпелированию электризации конвективных облаков при естествен-:ом их развитии, а также натурным измерениям физических харак-еристик аэрозольных облаков, формируемых подрывом смеси зрывчатых веществ и льдообразующих реагентов в атмосфере на азличных высотах.

Нами было продолжено изучение одного из механизмов снгактной электризации при кристаллизации капель воды, сопро-ождагащейся разделением масс в виде выброса частиц льда, воды пузырьков воздуха. Исследуемая капля размером 4 ш помеща-ась на электрод, соединенный'с электрометром, и устаневлива-ась в термобарокамере. Заряд капли рассчитывался путем интег-ирования во времени величины электрического тока, измеряемого лектрометром в процессе ее кристаллизации. Причем давление, станавливаемое в камере соответствовало атмосферному давлению а высоте 6-7 кы.над ур.м.

Для приближения условий эксперимента к атмосферным, на кристаллизующуюся каплю направлялся воздушный поток. При это! било отмочено повыление температуры переохлаждения капли с -12 ... -1Ь°С до -7 ... -9°С, а время ее полного промерзания сократилось в 1,5 раза. Были также проведены исследования . электризации ледяных части; (крупы) при их росте в потоке мелких переохлажденных капель. За время обдува, равное около I мил, частица крупы вырастала на 8 мм^ при скорости увлажне] ного потока 5 м/с и на 32 мм° при - 10 м/с. Результаты опыто; по измерению зарядов замерзающих капель приведены.в таблице !

Таблица I

Заряд капель, кристаллизующихся в воздушном потоке

Условия проведения эксперимента

! Поток, м/с

Заряд Ю"13Кл

Без воздушного потока Сухой воздушный поток Увлажненный воздушный

поток

О

18

5 1С

2 ... 3 18

38 ... 40

59 ... 60

Как оказалось, величина заряда, приобретаемого каплей в процессе ее замерзания, зависит от наличия примесей и скор! ти охлаждения. Наибольший эффект электризации (до величины 10"Щ\л) -имеет место при взрывоподобном раскалывании замерза! щих капель.

Было также получено, что изменение водородного показав рН воды в ту или другую сторону от равновесного значения 5.3 приводило к уменьшении заряда, генерируемого на кристаллизующейся капле. ,

С келью выяснения возможности разработки новых методов дистанционного диагноза и прогноза широкого круга природных явлений, связанных о фазовыми переходами воды -и динамическим] явлениями, во льду, нами были проведены работы по исследовант электромагнитных и акустических сигналов при быстром замораживании воды,.

Для измерения характеристик электромагнитного иэлучени) (ЗЫК), генерируемого замораживаемой каплей, применялась рас-

положенная на расстоянии 5 мм от поверхности воды приемная антенна, соединенная через усилительный блок с полосой пропускания 75 КГц с анализатором спектра. Оказалось, что динамические структурные изменения на фазовых границах .сопровождаются появлением ЗШ в широком диапазоне частот с двумя наиболее характерными для этого процесса максимумами ,8-20 и 32-50 МГц в случае, если скорость протекания пропесса кристаллизации не менее? 2-3,5 мм/мин. 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 видимым 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.

В четвертом разделе четвертой главы представлена модификация разработанной в ВГИ двумерной модели микрофизических-процессов в облаках с заданной динамикой, учитывающая процессы электризации облачных элементов. На основании полученных закономерностей развития грозовой деятельности облаков и численных значений разделения зарядов, связанных с замерзанием капель воды, ростом грацин и взаимодействием градин с кристалликами льда и переохлажденными каплями выполнено моделирование эволюции электрического состояния облака. В рамках используемой модели получена картина трансформации электрического заряда облака (положительного и отрицательного) в пространстве и во времени. Результаты моделирования качественно согласуются с современными представлениями о электрическом состоянии грозовых облаков. Предложенная модель шжет бьгть использована для исследования эффективности методов регулирования грозы.

Для выработки требоввний к составу средств воздействия на электрическое состояние атмосферы нами путем самолетного и радиолокационного зондирования были проведены исследования образования и развития искусственных облаков, формируемых с помощь» взрыва. Эксперименты проводились с использованием противоградовой ракеты "Облако", головная часть которой заполнялась взрывчатыми веществами (ВЗ) в смеси с льдообразующими

реагентами, а также противоградового снаряда "Эльбрус-4". Были исследованы образование и развитие облаков при подрыве различных составов ВВ с различными химическими добавками, поЕшавцют. электропроводность облака и обеспечивающими большее время чизяк, внсокуп льдообразующгю активность, эффективную отражаемость радиволн. По результатам натурных испытаний были ра.-зработаны высокоэффективные составы, включающие соединения, йодистого серебра и других различных химических веществ.

Ь пятой главе, посвященной исследованию изменения характеристик грозовой деятельности облаков при проведении на них активных воздействий, приводятся разработанные нами методы воздействия на грозу льдообразующим реагентом (йодистое серебро и контроля его эффективности, описываются организация и проведение экспериментов по исследованию возможности применения для активных воздействий на грозу средств противоградовой защиты и наблюдений за изменением характеристик розовой деятельности облаков при противоградовых работах. Чтобы подавить грозу, надо либо разрушить, или, по крайней мере, ослабить само облако, как ее источник,5либо ухудшить в нем условия для осуществления предполагаемого основного механизма генералик грозового электричества. Гипотеза о механизме изменения электрического состояния облаков при их засеве льдообразующим реагентом базируется на предположении о том, что степень электризации облачной среды зависит от интенсивности процесса кристаллизации, количественного соотношения фаз вода-лед, спе&гров размеров и концентрации облачных элементов и осадков в них. Подавление грозы может также осуществляться путем стимулирования осадков и за счет етого преждевременного разрушения облака. На основании лабораторных и комплексных натурных исследований разработан способ регулирования грозовой активности конвективных облаков кристаллизующими реагентами, основанный на ускорении процессов генерации электрического заряда на гидрометеорах и осадкообразования. Способ защищен авторскими свидетельствами № 208729 и М 162211. Для подавления грозовой активности ойаака следует провести засев зоны образования и разделения еерядов таким образом, чтобы обеспечить в ее объема концентрации искусственных льдообразуюцих ядер не менее 10^ в I и^. Честь этой зоны, куда следует вносить реагент, ограничен» тешерагур-

ими уровнями - 6 ... - 15сС, а по горизонтальному сечению

(ежпу этими уровнями изолиниями радиолокационной отраяаемосги

шинах волн 3,2 см и 10 см, соответственно равными 10' ^см-^ -10-1

I 10 см~ . Опытные работы по активным воздействиям на грозу фоводились с 1980 по 1984 год на научно-исследовательском юлигоне ВГИ. Достаяка реагента в облако и его диспергирова-ме осуществлялось артиллерийским способом о использованием ¡енитных пуиек КС-19 и специальных противоградовых снарядов 'Эльбрус-4". Всего в течение 1980-1984 гг. было проведено >3 опыта по воздействию на электрическое состояние облаков. 3 течение 1976-1965 гг.в ЮТ. случае осуществлялись комплексные 1аблюцения за трансформацией радиолокационных и электрических шраметров облачных конвективных ячеек во время противоградо-зых работ. Кроме того, за эти же годы велись наблюдения за )79 естественно эволюционирующими облачными ячейками,'которые ^пользовались в качестве контрольных. Был выполнен физико-зтатистичесний анализ результатов активных воздействий. Длч )тих целей использовались методы регрессионного анализа, альтернативный непарамет^ический критерий Манна-Уитни, а также эазработенный Милки критерий для проверки принадлежности зкборок одной генеральной совокупности в предположении, что она распределена логарифмически-нормально. Били выработаны оперативные критерии эффективности льдообразуюцего действия реагента в облаке и успешности проведения активных воздействий, осно-вишыэ на регистрации в результате проведения засева аномаль-чше усилений разрядной деятельности, в начале, за счет увеличения частоты мелкомасштабных разрядов, затем - частоты мочний. 3 целом, наличие положительного эффекта активных "воздействий на грозу определяется по сокровенна времени Т существования грозовых явлений и общего числа молний ЛГ , генерируемо: за это время, в засеянных облачных ячейках по сравнении с незасеянными с одинаковыми максимальными, частотами в I мин, а также по изменении степени корреляционной связи между Т , /|/ и . Показано наличие положительного эффекта при засеве облаков в "предгрозовой" и в начале грозовой фаз развития, выраженного в сокращении Т на 40$, Ы на 46$ при практически неизменной • Воздействие льдообраэущик реагентом в начальной стадии грозы кратковременно стимулирует молниевую активность с последующим преждевременным по сравнению

с естественным ходом развития разрушением облачной ячейки. Црп воздействии на мощные грозо-грацовые облака в зрелой стации развития эффект обычно оказывается неопределенным. Воздействия на грозовые облака в-стадии диссипации приводят к более крутому, что при естественном развитии, спаду молниевой активности. Показано, что засев прообразующим реагентом может ияма гать электрическое состояние облаков только посредством изменения их микрофкаических и термодинамических характеристик. Выявлено, что помимо изменения интенсивности грозовой деятельности в результате засеве льдообразую^им реагентом наибольшему изменению. подвержены следующие характеристики молня.Ч: длительность фронта и ширина амплитудно-частотного спектра импульса нспряяениости ЗШ главноканальной стадии молниевых разрядов, а текке количество электричества, нейтрализуемое импульсом максимального тока в канале наземного роэ-ргда молнии. Влияние воздействия наиболее заметно проявляется в изменении параметров слаботочных мелкомасштабных разрядных яьюний, например, уменьшении длительности'немолниевых разрядов, что связано с трансформацией микрофизических характеристик облачной среды;с, значит, с изменениием условий олекгриза ции облачных гидрометеоров. Активные воздействия аэрозолей йодистого серебро на мощнуя переохлажденную слоисто-дождевую облачность при наличии в ней электрических полей с величинами близкими к величинам полей в грооопгас облаках, приводят к инициированию разрядных процессов, ккогца деке в виде молний. Про до легальность существования разрядных явлений в такой облачности обуславливается временем действия б ней льдообра-зувдего реагента. Сделана попытка использовать некоторые характеристики грозовой деятельности для контроля гредоЕогр ссстояния облаков и оценки эффективности противоградовых работ. Успешное?ь проведения активных воздействий предлагаете контролировать по сокращению длительности существования грози а, следовательно, и града в заезяккьк градоопасных облачных ячейках по сравнение с аналогичными незасеянными. Поскольку превентивный засев обычно разрушает облачные ячейки, пятая часть которых становится градоопаснмми, рекомендуется начинат воздействие либо в "прецгроеовой", либо в начале гроэозой стадии. Дополнительно к оперативным радиолокационньы критерия

/спешности противоградового воздействия, степень градоопаснос-ри облачной ячейки можно контролировать по интенсивности ■■розы. Засев следует прекращать при стабильном'ослаблении .юлнйевой активности до значений меньших, чем у облачных ;чеек, содержащих градовую фазу.

за;шденй£

Итогом диссертагионной работе являются следующие основные юзультаты и выводы:

1. Реиена ваяна г. народнохозяйственная задача по разработ-;е и внедрению способов и средств активных воздействий на •розовое электричество.

Разработано новое направление науки - физические основы 1егулпрования электрического состояния облаков.

2. Создана методика и аппаратура для лабораторных и полепи исследований процесса электризации гидрометеороэ в облаках

: характеристик их грозовой деятельности. Аппаратурной комплекс :е имеет себе аналогов. В состав комплекса входят сригиналь-:ые, разработанные в лаборатории грозового электричества ЗГИ становки и приборы: термобарокамера для лабораторных исслецо-аний электрокинетических явлений при фазовых переходах водя, истеыа синхронной регистрации координат молний и обусловлен-ых ими быстрых изменений напряженности электромагнитного поля, ■змеритель параметров пакетов импульсов радиоизлучения грозо-ых облаков, устройство для регистрации параметров радиоэхо азрудов молний, устройство для раздельной регистрации назем-ух: и облачтлс разрядов молний, устройство для воздействия на розовые- облака (кодифицированная головная часть противоградо-ор шкеты "Облако"). Часть из них защищена авторскими свиде-ельствами. Разработана методика применения аппаратурного сеп.текев для проведения воздействия на электрическое состоя-ие облаков и контроля за его результатами.

3. С целью более дифференцированного решения задач слниезйщигы с помощью разработанных нами радиотехнических етодов и средств на территории Северного Кавказа исследованы лимгчтические н физико-географические характеристики гроз, акие как среднегодовое число дней с грогоЯ, продолжительность роз, ьерой! возникновения грозовых явлений, интенсивность

их протекания, и местоположение грозовых очагов в облаках i осадках в зависимости от типов метеорологических npoueccoi и стадий их развития, соотношение между наземными и всеми грозовыми разрядами и распределение ударов молнии в землю по территории.

4. Применение созданного- нами активно-пассивного ращ технического комплекса позволило выделить в качестве orh>ei исследований и оперативной единицы для контроля аффективж ти активных воздействий индивидуальную конвективную ячейку входящую в облачную систему. Получены вероятностные распре деления продолжительности существования грозовых явлений, максимальной частоты возникновения молний и общего числа грозовых разрядов, генерируемых за время жизни конвективнг яче!*ки, а также уравнения регрессии, связывающие между со< оти характеристики грозовой деятельности.

5. Исследованы надульсно-временные характеристики ра; излучения в дециметровом диапазоне,- эхо-сигналов в метровс диапазоне и быстрых изменений напряженности электрическогс поля, обусловленных разрядными явлениями в облаках. Выпвл« их зависимость от расстояния до источника, типа и простра! венно-вреыенной структуры атмосферного разряда, интенсивнс грозовой деятельности и фазы развития облачной ячейки.

6. Разработана методика опенки величин электрических зарядов, нейтрализуемых импульсами максимальных токов мо.п ли основе данных, полученных с применением радиотехничесм средств, и построены вероятностные распределения величин максимальных токов и нейтрализуем!,к ими зарядов для молнМ различных типов. Сделаны опенки общего количества электричества, генерируемого за время жизни облачной ячейки и ср( ней скорости генерации в ней заряда.

7. Проведены лабораторные исследования электризации г кристаллизации капель воды, сопровождающейся разделением масс, и электризации'ледяных частит, (крупы) при их росте i потоке мелких переохлажденных капель. Величина .заряда, пр< ретаемого каплей 'в процессе замерзания, зависит От наличш примесей и скорости охлаждения. На основе исследований мю ннамл контактной электризации выработаны рекомендации при

обосновании способа регулирования грозовой активности облаков.

8. Разработана модифицированная двумерная модель мшсро-физических процессов в облаках с заданной динамикой, в которой учитываются результаты лабораторию; исследований процессов разделения зарядов, связанных с замерзанием капель воды, ростом градин и взаимодействием градин с кристаллами льда и переохлажденными каплями. В рамках используемой модели получена картина трансформации электрического заряда облака (положительного и отрицательного) в пространстве и во времени.

9. На основе лабораторные экспериментов по исследования электромагнитных и акустических сигналов, генерируемых при быстром замораживании, воды, показана возможность разработки новых методов дистанционного диагноза и прогноза широкого круга природных явлений, связанных с фазовыми переходами воды и динамическими явлениями во льду.

10. На основании лабораторных и комплексных натурных исследований разработан и защищен авторским свидетельством на изобретение способ регулирования грозовой активности конвективных облаков кристаллизующими реагентами, основанный на ускорении процессов генерации электрического заряда на гидрометеорах и осадкообразования.

Разработаны методики активного воздействия на грозу лъдообразующим реагентом с применением протизоградовых артиллерийских средств и контроля его эффективности, на основании которых организованы и проведены в 1976-1985 гг. эксперименты. £изико-статистический анализ результатов наблюдений позволил выделить ряд характеристик грозовой деятельности, являющихся наиболее'информативными для осуществления контроля эффекткв_• кости активных воздействий, проводимых в различных'целях на грозо-градовые процессы. Выработаны оперативные критерии эффективности льдообразующего действия реагента в облаке -и успешности проведения активных воздействий. Показано наличие положительного эффекта при воздействии с целью подавления электрической активности на облака в "предгрозовой" и в начале грозовой .фаз развития. Выявлено, что^засеве облаков льдообра-зующкм реагентом наибольшему изменению подвержены интенсивность

грозовой деятельности, спектральные характеристики рацио-излучения, крутизна фронта импульса тока и количество электричества, нейтрализуемое током, наземных разрядов молний, импульсно-временные характеристики немолниевых разрядов. Показано, что активные воздействия на слоисто-цокцевую облачность при определенных условиях могут инициировать в ней разрядные явления. Предлагается использовать некоторые характеристики грозовой цеятеяьности для контроля градового состояния облаков и оценки эффективности прогивограцовых работ.

II. На основе исслецованньгх закономерностей уже создана и используются на практике методы контроля физической эффективности активного воздействия на конвективные облака с целью регулирования их электрической активности. Методы диагност и электрического состояния облаков и способы контроля результатов активных воздействий защищены четырьмя авторскими-свидетельствами на изобретения.

К важнейшим научно-техническим проблемам, которые могут быть решены на основе исслецовенного явления, относятся:.

- создание метода и радиотехнических средств для диагноз и прогноза грозовых и градовых явлений в облаках;

- создание радиотехнических средств с целью прокладки оптимально-безопасных трасс для летательных аппаратов, в облаках;

- опенка физической эффективности воздействие на грозовы и градовые облека по изменению параметров немолниевого электромагнитного излучения;

- определение момента образования градовой зоны в облаках по данным амплитудно-частотных характеристик ЭЩ облаков.

Но теме диссертации опубликованы следующие работы:

I. Аджиев А.Х. Исследование смачиваемости льдообразующих веществ водой //Труды ВРИ. - 1973. - Вып.24. - С. 121-126.

2. Медалиев Х.Х., Ацжиев А.Х. К вопросу- с гетерогенном зародышеобразовакии // Труды ВГИ. - 1973. - Вып.24. - С.91-9

3. Аджиев А.Х. О характере взаимодействия льдообразующих веществ с переохлажденными каплями // Труды ВГИ. - 1ЭТ5.

- Вып.32. - С.50-55.

Аджиев А.Х., Загидулин A.A. Устройство для автомати-;ко" регистрации сигналов электромагнитного излучения шиевых разрядов // Приборы и техника эксперимента. - 1983. 5 I - С.216.

Аджиев А.Х., Казанкова З.П., Тамазов С.Т. К вопросу электризации кристаллизующихся капель воды // Труды ВГИ. [983. - Вып.56. - С.30-36.

Электромагнитное радиоизлучение снекных лавин /А.К.Аджиев, 1.3алиханов, Л.Г.Качурин и др.// Труды ВП1. - 1984. Зып.62. - С.10-14.

Радиотехнический комплекс для исследования грозовых эцесеов в облаках / А.X.Аджиев, Е.П.Еогаченко, З.П.Казанкова цр. // Труды У1 Всесоюзного совещания по радиометеорологии. .: Гидрометеоиздат, 1984. - С.146-148.

Аджиев А.Х., Сижаасев C.U., Кумахов A.M. Исследование эзовых процессов в конвективных облаках активно-пассивным циолокационным комплексом / Атмосферное электричество, уды П Всесоюзного симпозиума. Ленинград, 26-28 октября 82 г. - Л.: Гидрометеоиздат, 1984. - С.145-147.

Аджиев А.Х., Богачснко Е.И., Акчурин U.M. Определение стоположения молниевых разрядов в грозовых облаках с мощью Е-Н грозопеленгатора-дальномера и роль осадков в озовой активности облаков // Атмосферное электричество, уды П Всесоюзного симпозиума. Ленинград,"26-28 октября 82 г; - Л.: Гидрометеоиздат, 1984. - С.176-178.

Аджиев А.Х., Казанкова З.П., Тамазов С.Т. Роль взрывной ектризации капель зоды э процессе заряжения облачных ементов // Атмосферное электричество. Труды П Всесоюзного • мпозиума. Ленинград, 25-28 октября 1982 г. -Л.: Гидрометео-дат, 1984. - С.109-112.

. Аджиев А.Х. Результаты комплексного исследования лниевых разрядов на земли и в облаках // Труды расширенного .седания 1У секции научного Совета АН СССР по проблеме 'еоретические и электрофизические проблемы молнии и молние-.щиты". - Баку, 1984. - С.94-101.

12. Аджиев А.Х., Казанкоыа З.П., Тамазов С.Т. К вопросу

об электризации кристаллизующихся капель воды '/ Труды ВГИ.

- 1985. - Вып.56. - С.3-8.

13. Аджиен А.Х., Сижажев С.М. Методика исследования предгрс зоього состояния конвективных облаков и некоторые предварительные результаты // Труды ВГИ. - 1985. - Вып.56. - С.8-1

14. Синхронные измерения параметров электромагнитного поля молнии и расстояния до нее / А.Х.Аджиев, М.М.Акчурин, Е.М.Богаченко, Ф.Л.Хидыро» // Труды ВГИ. - 1986. - Вып.63.

- С.95-101.

15. Аджиев А.Х. Образование и разделение электрических разрядов в облаках при образовании и таянии града. Обзор ЬНИИГШиЩЦ. Сер.Метеорология. - Обнинск, 1986. - 42 с.

16. Аджиеп А.Х. Определение интенсивности грозовой деятельности радиотехническими средствами // Электричество, г- 1986.

- » II. - С.60-62.

17. Богаченко Е.М., Адхиев А.Х. Контроль физической эффективности прогиаоградовых работ по грозовой деятельности облако а // Труды Ш Всесоюзного симпозиума по атмосферному электричеству. Тарту. 28-31 октября. 1986. - Гидрометеоиздат 1988. - С. 147-150.

18. Аджиев А.Х., Казанкова 3.11., Тамазов С.Т. Контактная электризация кристаллизующихся капель води // Труды ВГИ,

- 198'Л - Вып.67. - С.47-51.

19. Результаты синхронных измерений напряженности электромагнитного поля молнии и расстояния до нее / А.Х.Адкиев, М.М.Акчурин, Б.М.Богаченко, Ф.Л.Хндыров "'/ Труды ВГИ. -.193}

- Вып.67. - С.100-105.

20. Аджиев А.Х., Тамазов С.Т. Разделение электрических зарядов при кристаллизации капель воды /,' Метеорология и гидрология. - 1987. - I," 8. - С.57-62.

21. Адяие в А.Х., Богаченко Е.М., Гончаров В.М. Измерение параметров пакетов-импульсов радиоизлучения грозовых облаков н УКВ-диалазоне // Труды ЕП1. - 1987. - Внп.69. - С.3-8.

2. Аджиев А.Х., Богаченко Е.М. Измерение электрических араметров конвективных облаков при проведении противогра-озых воздействий // Активные воздействия на гидрометеоро-огические процессы. Труды Всесоюзной конференции. Киев, 7-21 ноября, 1987. - Л.: Гидрометеоиздат, 1990. - С.426-28.

3. Качурнн Л.Г., Недалкеп Х.Х., Ад-киев А.Х. Кинетические араметры кристаллизующих реагентов типа А<]3 // Известия -I СССР. Физика атмосферы и океана. - 1977. - Вып.8.

С.900-903.

1. Аджиев А.Х., Богаченко Е.М. Импульсно-временные 1рактеристики излучения грозовых облаков в дециметровом чапазоне / Известия АН СССР. Сер.Физика атмосферы и океана.

1988. - 8. - С.973-979.

'->. Опыт использования многопунктной пеленгационной 1стемы местоопределения грозовых очагов на Северном шказе / А.Х.Аджиев, М.И.Акчурин, Е.М.Богаченко и др. // )уды ВП1. - 1987. - Вып.76. - С.24-29.

). Тамазов С.Т., Аджиев А.Х., Казанкова З.П. Влияние ^которых химических веществ на электризация кристаллизующихся щель воды // Труды БГИ. - 1989. - Вот.77. - С.7-11

Аджиез А.Х. Определение продолжительности градоопасного стояния облаков по их грозовой активности // Труды БГЛ.

1989. - Вып.74. - С.109-113.

. Исследование пространственного распределения плотности зрядов молний в землю с помощь» АГЛД "0чаг-2Л" / В.А.Раков, X.Аджиев, М.М.Акчурин и др. // Метеорология и гидрология. 1989_ - Г 2. -. С.48-53.

. Радиоизлучение облаков, сопровождающее кристаллизацию реохлажденной воды / А.Х.Аджиев. П.Ф.Зильберман, С.М. жажен и др. // Метеорология и гидрология. - 1999. - !Г 10. С. 40-44.

. Аджиев А.Х., Богаченко Е.М. Характеристики грозовой ятельности облачных конвективных ячеек // Активные воэ-Язтвия на гидрометеорологические процессы. Труды Всесоюзной

3D

конференции. Киев, 17-21 ноября, 1987. - JI.: Гидрометео-г издат. 1990. - С.426-428.

31. Аджиев А.Х., Тамазов С.Т. Разделение электрических зарядов в грозах // Активные воздействия на гидрометеорологические процессы. Труды Всесоюзной конференции. Киев, 17-21 ноября, 1987. - Л.: Гидрометеоиэдат, 1990. - С.428-431'.

32. Аджиев А.Х., Бейтуганов Ы.Н., Богаченко Е.М. Состояние и перспективы разработок методов регулирования грозового электричества // Активные воздействия на гидрометеорологические процессы. Труды Всесоюзной конференции. Киев,

17-21 ноября 1987. - Л.: Гидрометеоиэдат. 1990. - С.420-425.

33. Аджиеи А.Х. Удельная поражаемость территории Северного Кавказа молниями // Характеристики грозовых воздействий и молниезахцкта. - М., 1989. - С.12-26. о

34. Богаченко Е.М., Аджиев А.Х. Временные характеристики эхо-сигналов от ионизированных каналов молний в метровом диапазоне радиоволн // Труды ВГИ. - 1990. - Вып.81. - C.I0-I4.

35. Аджиев А.Х., Акчурин М.М., Богаченко Е.Ы. Анализ точностных характеристик грозопеленгатора-дальноыера "0чаг-2П" // Труды ВГЙ. - 1990. - Buir.81. - С. 14-19.

36. Аджиев А.Х., Богаченко Е.М. Применение радиотехнических средств для оценки используемых в грозозащите параметров разрядов молний // Электричество, - 1990. - J? 7. - С. 18-22.

37. Аджиев А.Х., Шаповалов A.B. йизико-математическое моделирование электризации конвективных облаков при естественном их развитии // Труды ВГИ. - 1991. - Вып.83. -С.3-12.

38. Аджиев А.Х., Богаченко Е.Ы. Применение радиотехнических средств для оценки электрических зарядов нейтрализуемых молниями // Труды ВГИ. - 1991. - Выл.83. - С.75-87.

39. A.C. 885949 СССР, МНИ G Ol W /00. Устройство для моделирования облачных процессов / А.Х.Аджиев, М.Ф.Беляльди-нов, А.И.Сергеев, В.М.Спиридонов, Х.Х.Медалиев (СССР) -

№ 2807829^18-10; Заякп. 06.08.79; Опубл. 30.И.81г. Бол. К 44.

10. A.C. I692II СССР /Л.Х.Ацтаев, З.П.Казанкова, U.M.Кармой, I.Б.Киров (СССР). - ? 30I5III; Заявлено - 31.03.81; Зарегистр. J3.02.82.

11. A.C. 1160450 СССР ,/¡.1.0. Бялсльдинов, Э.Б. Рг-кня,' ).Б. Ясюков, С.Д. Сииркоз, B.ÜI. Спиридонов, А.Х. Адаиев,-З.П. Казанкова, И.И. Бурцев (СССР) - № 3423919/24-10. Заявл. :4.04.В2.

12. A.C. 237918 СССР /А.Х. Адетев, Б.М. Еогаченко, В.Р. Болов, 1.4. Залиханов, И.И. Кулаков (СССР) - № 3104085; заявлено >4.12.81; зарег. 2.06.86.

13. A.C. 231224 СССР / А.'Х.Адгиев, Е.М.Богаченко, И.И.Кулаков, i.К.Рогов (СССР) - 3II0744. 12.03.85; Зарег. 2.01.85.

14. A.C. 1297615 СССР / А.Х.Адниеэ, 'Л.И.Кулаков, С.Й.Григорэв, л.Б.Придепенко, Н.Я.Ярмоп (СССР) - 'Г- 3856349/40-23. Заявл. [9.02.83.

15. A.C. 208799 СССР / А.Х.Адаиев, ЕЛ.Еогаченко (СССР) -г 3050420. Заявл. 23.02.83; Зарег. 26.09.84.

16. A.C. 1339467 СССР, 1Ш G Ol W I/I6. Устройство для раздельной регистрации наземных и облачных разрядов молнии. /А.X.Адаиев, М.М.Акчурин, Е.М.Богаченко (СССР) - J? 39I0II8. Заявл. 11.06.85-, Опубл. 23.09,87. Бюл. ?,' 35..

17. A.C. Г 255755 СССР. /А.Х.Адииев, В.Р.Болов, И.И.Кулаков, ^.Б.Прк^епенко (СССР) - Я 3I28I58; Заяал. 18.11.85;

Зарэг. 1.С6.Я7.

18. A.C. 367465 СССР Заявл.15.12.86 /А.Х.Адаиев, М.Ч. Залиханоз, А.Б.Приг.епг-нтсо, Н.Н.Петров (СССР).

19. A.C. 265353. СССР. Зая-л. 29.01.86./ А.Х.Адаиев, A.A. Гаов, А.Б.Прицепенко, А.П.Шахбазсв (СССР).

Ртп.ГГ0.2.Ю.92.2а;с.475.Т.100. Бесплатно.