Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Исследование электрической структуры грозовых облаков

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Исследование электрической структуры грозовых облаков"

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА РОССИИ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ВЫСОКОГОРНЫЙ ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

_ _ Специализированный совет Д024.10.01

РГБ ОД

^ А и >

На правах рукописи

УДК 551.508; 621.396.909

ЗАШАКУЕВ

Тимур Зушсарнеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ГРОЗОВЫХ ОБЛАКОВ

11.00.09 - Метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нальчик-1998

1'абота выполнена в Высокогорном геофизическом институте.

Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор

Щукин Г.Г.

кандидат физико-мпт?матичес»л1х наук. Машуков Х.М.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

• Абшаев М.Т.

доктор физико-математических наук Экба Э.А.

Ведущая организация: Российский государственный гидрометеорологический университет, г. Санкт-Петербург

Защита состоится 0 _1998 г. в_часов на заседании

специализированного совета Д 024.10.01 в Высокогорном геофизическом институте по адресу: 360030, г. Нальчик, пр. Ленина, 2.

Ваш отзыв просим направить в двух экземплярах по данному адресу. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГИ, г. Нальчик, пр. Ленина, 2.

Автореферат разослан " _ 1998 г.

Ученый секретарь специализированного совета , А,,—,

доктор физико-математических наук —" "Тлисов М.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Теоретические интересы физики и метеорологи настоятельно требуют более углубленных исследований в вопросах электризации конвективных облаков. В частности, возрастает интерес к роли электрических сил в процессах в облаке, их влиянию на динамику и осадкообразование. Простейшие оценки, сделанные на основании реально измеренных в облаках размеров и зарядов частиц и напряженностей электрического поля показывают, что электрические силы, действующие на заряженные частицы, становятся сравнимы с гравитационными уже на ранних стадиях электризации конвективных облаков, до появления разрядов молний.

При решении задач активных воздействий на облака часто пользуются электрическими параметрами, являющимися хорошим индикатором развития и диссипации облаков. По измерению электрических параметров развивающихся конвективных облаков при воздействии на них можно осуществить подбор подходящих реагентов для воздействия на мощные конвективные облака..

Целью данной работы является разработка аппаратуры и методики для прямых измерений микроэлектрических и микрофизических параметров внутри активных грозо-градовых облаков, недоступных для пилотируемых аппаратов и исследование электрических и.микрофизических параметров грозовых облаков на различных стадиях их развития во взаимосвязи с синхронными измерениями радиолокационных, конвективных (динамических) характеристик этих облаков.

Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:

- разработка аппаратуры и методики для измерений размеров и электрических зарядов гидрометеоров внутри грозо-градовых облаков;

- выполнить анализ метрологических характеристик разработанной аппаратуры и достоверности измерений с ее помощью в облаках;

- разработка аппаратуры и методики для комплексных измерений электрической и динамической структуры грозо-градовых облаков;

- экспериментальные исслелованин ичаимоснязи между размерами и '».чск-

ГрПЧССКИМП 1.!ря;К1МИ I илромекч ЧН'!:;

- исследование распределения электрически неоднородных зон и зон турбу-лентностей, а также их взаимосвязь внутри грозо-градовых облаков на различных • стадиях развития.

Научная новизна. Проведенные разработки и экспериментальные исследования позволили впервые создать раке 1 ную раджлелемсфическую аппаратуру я .методику, позволяющую проводить прямые измерения микроэлектрических и микрофизических параметров и получить новые данные об электрических зарядах и размерах гидрометеоров и динамической структуре в активных грозовых облаков на Северном Кавказе, а также о физических условиях формирования и развития молниевых разрядов.

6 работе впервые получены следующие результаты:

1. Впервые разработана и создана ракетная радиотелеметрическая система для измерения спектра размеров и электрических зарядов гидрометеоров в активной зоне грозо-градовых облаков при их вертикальном зондировании вдоль контролируемых траекторий.

2. Разработана методика измерений вертикального профиля спектра размеров и электрических зарядов гидрометеоров в грозо-градовых облаках, совмещенных с синхронными измерениями напряженности электрического поля, радиолокационных параметров, структуры воздушных потоков, а также с величинами основных источников методических помех (собственные заряды и токи электризации ракеты в полете). '. . -.

3. Впервые выполнены прямые измерения вертикальных профилей спектра размеров и электрических зарядов гидрометеоров в активной зоне грозо-градовых оолаков, совмещенных с другими параметрами.

4. Получены змпирические зависимости, связывающие размеры гидрометеоров с их электрическими зарядами.

5. Получены статистические данные о распределении зон неоднородностей зарядов и гурбулентности по размерам на различных стадиях развития грозо-градовых облаков.

Практическая ценность. Разработанная и использованная в работе ракетная радиотелеметрическая аппаратура:

1. Впервые позволила получить путем прямых наиболее достоверных измерений экспериментальные данные об электрических зарядах и размеров гидрометеоров их вертикальных профилях, привязанные к микроэлектрическим, радиолокационным я динамическим параметрам, [¡еобходимые для построен::» модели грозо-градового облака и активных воздействий на грозу, град, по вызыванию осадков,, молниевых разрядов и т.д.

'. 2. Использована как средство конгроля эффективности активных воздействий на грозо-градовые облака при выполнении работ по решению прикладных задач по обеспечению безопасности полетов летательных аппаратов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика и ракетная радиотелеметрическая аппаратура для измерения электрических зарядов и размеров гидрометеоров.

2. Методика комплексных экспериментов по зондированию электрических и микрофизических параметров активных зон грозо-градовых облаков, совмещенных с исследованием структуры потоков и радиоэхо.

3. Впервые полученные прямыми измерениями экспериментальные данные о вертикальных сечениях спектров размеров и электрических зарядов гидрометеоров в активной зоне грозо-градовых облаков, совмещенные с синхронными измерениями макрофизйческих, радиолокационных и динамических параметров электрических зарядов и размеров.

4. Результаты исследований вертикальных профилей напряженности электрического поля, скоростей воздушных потоков и размеров зон неоднородностей в грозо-градовых облаках на разных стадиях развития.

5. Результаты анализа взаимосвязи между электрическими зарядами и размерами гидрометеоров внутри грозо-градовых облаков.

6. Гипотеза о роли зон неоднородностей в зарождении линейных молниевых разрядом.

1. Разработана аппаратура и методика для ракетных измерений размеров и электрических зарядов гидрометеоров, адаптированная к радиотелеметрической

' системе на базе ракетной передающей части и РЛС "Шквал".

2. Выполнен анализ метрологических характеристик разработанной аппаратуры и обоснована достоверность результатов измерений с ее помощью вну;;ш грозо-градовых облаков.

3. Проведены натурные комплексные эксперименты по измерениям спектра размеров и электрических зарядов гидрометеоров внутри грозо-градовых облаков, совмещенные с одновременными измерениями других параметров этих облаков.'.

4. Проведен анализ полученных экспериментальных данных, на его основе теоретически обоснована роль обнаруженных мезонеоднородносгей в зарождении молнии.

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Ш-1У Всесоюзных симпозиумах по атмосферному электричеству, Ленинград, 1988 г., Нальчик 1990 г.; на Всесоюзной конференции "Долгоживущие плазменные образования и малоизученные формы электрических разрядов в атмосфере" Ярославль, 1990 г.; на IX Международной конференции по атмосферному электричеству. С-Петербург, 1992 г.; на Международном симпозиуме по атмосферному электричеству, Франция, 1-5 июня 1997 г.; а также на проблемных семинарах по физике облаков Высокогорного геофизического института.

По теме диссертации опубликовано 15 работ и получено одно авторское сви детельство на изобретение.

Объем работы. Диссертация состоит из ведения, трех глав, выводов и содер жит 113 страницы машинописного текста, 22 рисунков, 3 таблицы, список литера туры, включающей 297 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен обзор работ по:

- приборам и методам измерений спектра облачных частиц, водности облаков, температуры, давления, скорости и направления ветра, электрических характеристик облаков;

- механизмам электризации гидрометеоров и формированию электрической структуры грозовых облаков;

- воздействию сильных электрических полей на нейтральный и заряженные капли и процессам, обуславливаемым им, в частности, усилению коагуляционных процессов, которые проявляются в 10-М ООО кратным возрастанием радиолокационной отражаемости исследуемой области облака через несколько, минут после прохождения молнии через нее;

- роли гидрометеоров и других источников электрической неоднородности в возникновении электрических разрядов различных типов молний и сопутствующих им явлений в облаках.

Во второй главе приводятся описание радиотелеметрического комплекса для исследований электрической, динамической и микрофизической структуры грозовых облаков, рассмотрен алгоритм построения методики исследований с анализом погрешностей измерений.

В основу инструмента изучения конвективных облаков положен принцип комплексности получения экспериментальных данных. В частности, для йс следования механизмов взаимодействия микрофизических и электрических харак теристик конвективных облаков нами разработана радиотелеметрическая система (РТС), позволяющая получать достоверную информацию о физических процессах в грозоградовых облаках. Структурная схема разработанной системы представлена на рис.1.

РТС состоит из автономного передающего устройства УПИ-9К, размещаемого в головной части противоградовой ракеты "Облако", РЛС 1Б18 "Шквал" и подключаемого к ней устройства обработки информации УГШИ-9К.

РТС функционирует следующим образом. Выходные напряжения датчик« сигналов поступают параллельно на операционные усилители и далее на устройс ва и_ - и. выборки и хранения амплитудного значения.

УПИ-9К .....i.....

Блок усилителей

и / и

Коммутатор -

U.

Формирователь выходной последовательности

Передатчик

О

Селектор импульсов

Коммутатор

Код

и

Входное устройство

Синхронизатор

запуска зондирующего импульса

5L

ЗУ

Блок приемной системы

Блок дальности

Блок передающей системы

-Г"

Аятенно-фвдервая система

УППИ-9К

РЛС 1Б18 "Шквал"

Выход на ЭВМ

Регистрирующее устройство

Наземная измерительная система

Рис.1 Структурная схема РТС.

Коммутатор поочередно подключает преобразователи LL * U= каждого кан ла к шифратору, представляющему собой линейный преобразователь U-t биполя ных напряжений в интервал времени между узкими импульсами. Преобразоват лем U—I, по окончании опроса каждого канала, вырабатывается у^кий имнул] (1-10"5с), отключающий опрашиваемый и подключающий следующий канал и о. новременно поступающий в формирователь выходной последовательности в кач стке канального синхроимпульса. Прп опросе последнего канала, являющегос ко 111 рольным, s\s нчолс ¡¡рсобра'ям'.л iсля lj--t iipucyicîi.ycr только опори -с иапр:

жение и оно формирует импульс (кадровый), равный по длительности (610"*с) времени преобразования опорного напряжения (нуль шкалы РТС). Кадровый синхроимпульс разрешает новый цикл опроса каналов и поступает в формирователь выходной последовательности. В последнем образуется периодически повторяющаяся последовательность из восьми канальных и одного кадрового синхречм-пульса, поступающая на передатчик СВЧ и образующая паузы в его излучении.

Сигнал от УПИ-9К, принятый РЛС1Б18 "Шквал" поступает на входное устройство УТШИ-9К, состоящее из избирательного усилителя, видеодетектора и амплитудного ограничителя, в виде напряжения частоты 800 кГц с паузами, образованными канальными и кадровыми синхроимпульсами, а с его выхода выделенная

• *

последовательность этих видеоимпульсов подается на синхронизатор запуска зондирующего импульса РЛС и селектор импульсов.

. ,, Синхронизатор выдает разрешение'на излучение передатчика РЛС только в определенные интервалы времени, в паузах входной последовательности видеоимпульсов, обеспечивая тем самым совмещение непрерь1вно^приема~ информации с периодической работой передатчика РЛС. 7•

;й «г—. . С'М'-'"'г т" ■•! ..-

Селектор разделяет синхроимпульсы и направляет их вкоммутатор и дешифраторы, представляющие собой преобразователи ЫТ (интервал времени - напряжение), 1-код. Канальные и кадровые синхроимпульсы сшкрошЪируют кбм-мутаторы РТС и управляют преобразователями 1-11, в ¿-код. Преобразование интервалов времени в числовой-код, осуществляется путем подсчета количества импульсов кварцевого генератора за время опроса каждого канала РТС, а в уровень напряжения - интегратором. Преобразователи 1-17, 1-код запускаются передними фронтами канальных импульсов, а их задними фронтами результаты преобразования записываются соответственно в ячейку памяти (ЗУ) и запоминающие регистры, а сами преобразователи устанавливаются в исходное положение. Информация в ячейках ЗУ и запоминающих регистрах хранится в течение одного кадра и затем обновляете:!. За это время она выводится на регистраторы.

Радиотелеметрическая система используется при ракетных измерениях электрических характеристик внутри грозовых облаков с 1979 г. РТС имеет следующие основные технические характеристики: количество информационных каналов среднее время опроса каждого канала нелинейность передаточной характеристики динамический диапазон по входному сигналу автосопровождение и изменение пространственных координат передающего устройства УППИ-9К при скорости:

линейного перемещения изменения угловых координат

Следует отметить, что точность измерений с помощью РТС в значительной мере определяется линейностью преобразовательной характеристики используемого шифратора. Выбранный нами вариант преобразователя имеет следующие характеристики:

диапазон преобразуемых напряжений -±4В;

. -, ■ 1

нелинейность преобразования - < 0.5%;

быстродействие _ >Ю00 преобразований/с.

Для одновременного измерения нескольких физических характеристик облаков, а именно, напряженности электрического поля, зарядов и размеров гидрометеоров в грозоградовых облаках, нами разработан ракетный радиотелеметрический измерительный комплекс на базе противоградовой ракеты "Облако".

В качестве устройства для измерения напряженности электрического поля по гряссе полета ракеты в ггюзоградовом облаке использовался один из образцов, подробно описанных в первой главе.

В основе измерений размеров крупных капель использовался акустический метод. Конструктивно устройство состояло из акустического и индукционного

-9,

■6-10"4 с, -2%, - 90 дб,

-300 м/с, -18 %.

датчиков, размещенных в корпусе изделия ТА-5 противоградовой ранен,I "Облако".

Датчик представляет собой дисковый пьезоэлемент из титаната бария диаметром ! ,8 см и толщиной 1 мм располагаемый на массивной металлической подложке, которая укрепляется в корпусе изделия ТА-5. Металлическая подложка уменьшает амплитуду помех, создаваемых встречным потоком воздуха и вибрацией корпуса ракеты. Сверху пьезоэлемент покрывается тонкой (толщина 0,1 мм) фторопластовой пленкой, которая не допускает обводнения (обледенения) рабочей поверхности пьезодатчика, и чтобы капли, попадающие на фторопластовую пленку, не растекаются по ее поверхности из-за малой смачиваемости и сдуваются набегающим потоком воздуха.

Адаптация датчика к проводимым исследованиям (диапазон скоростей 10300 м/с, размеры гидрометеоров от 0,1 до 2,0 мм) осуществлялась посредством нахождения соответствующих коэффициентов на тарировочном устройстве.

Для измерения электрических зарядов на гидрометеорах был сконструирован датчик, представляющий собой систему из трех соосных индукционных колец, расположенных в носовой части ракеты "Облако".

Выходной сигнал индукционных датчиков для измерения электрических зарядов на гидрометеорах, т.е. величина и форма измеряемого импульса, зависит от геометрических параметров измерительного кольца, окружающего экрана и характера нагрузки. Для выбора оптимальных параметров прибора, используя упрощен* ную модель, была установлена зависимость выходного сигнала от измеряемого за-• ряда на частице и геометрии датчика.

Количественные характеристики такого опасного для полета фактора облачности, как турбулентность, в настоящее время не поддаются непосредственному радиолокационному измерению с достаточной степенью точности. В связи с этим возникает вопрос о возможности определения параметров турбулентности в грозовых облаках непосредственно по данным активно-пассивной радиолокации.

Для решения этой проблемы в работе проведены исследования по установлению статистически надежных количественных соотношений между электриче-

ски активными зонами неоднородности и зонами турбулентности в различных то1 ках конвективного облака. Поскольку зоны с максимальной напряженностью эла грического поля являются источником нетеплового радиоизлучения в грозовы облаках, это в принципе позволило организовать оперативные процедуры опред< ления местоположения з"он повышенной турбулентности в темпе измерений.

Специализированный метеорологический радиолокатор 1Б18 "Шквал" п< зволяет в режиме работы с ракетной радиотелеметрической системой определять регистрировать время полета радиозонда, текущие координаты (угол места, азим) и наклонная дальность)! По ним определялись ветровые характеристик (направление и скорость ветра), сопровождался радиозонд по угловым координ: там и наклонной дальности, а также автоматически регистрировались данные и: мерений на различные носители информации.

Антенно-фидерная система радиолокатора 1Б18 "Шквал" обеспечивала:

1. формирование сканирующей диаграммы направленности с ширине основного лепестка 7,5 ± 1,5° по уровню мощности 0,5 от максимальной;

2. пеленговую мощность 0,65-0,88 от максимальной;

3. эллиптическую поляризацию излучаемого электромагнитного поля с к эффициентом эллиптичности не менее 0,7;

4. коэффициент усиления направленной антенны не хуже 23,8 дб, при и-»м. рении на линейной поляризации.

Эллиптическая поляризация и устройство выделения сигнала ошибки позв лили регистрировать координаты со средней дискретностью ± 0,06°.

Система измерения дальности обеспечила:

! измерение дальности до радиозонда от 0,шП до Опих с дискретностью 10 м;

2 автозахват и сопровождение ответной паузы сигнала радиозонда при скорости полета радиозонда до х эи м/с.

Таким образом, при пеленговании и сопровождении радиозонда с использ ванием радиолокатора 1Б18 позволили регистрировать текущие координаты р диозонда с точностью не хуже:

1. угловых координат ±0,06°;

2. координат по дальности ±10 м.

Радиолокатор 1Б18 "Шквал" позволил производить пеленгование и регистрацию координат радиозонда с периодом 1 и 10 с.

Для определения скорости опускания ракеты в безоблачной атмосфере былс. произведено 4 запуска. Запуски производились рано утром пред восходом солнца ь спокойной атмосфере и при полном отсутствии какой-либо облачности.

Результаты зондирования представлены на рис. 2 и удовлетворительно описываются следующей эмпирической зависимостью:

5.7.« '•» /у, ляет о,4 м/с. Т.е., погрешность измерения скорости восход щего потока не превышает ±2,0 м/с при среднеквадратичном отклонении 0,4 м/с.

Третья глава посвящена результатам экспериментальных исследований пт странственно-временной эволюции электрических, динамических и микрофизи1 ских параметров грозовых облаков.

Работы проводились на научно-исследовательских полигонах (НИП) В! "Кызбурун", расположенном' на высоте 700 м над у.м. и "Хумалан", расположи ном на высоте 1500 м над у.м. в предгорной зоне Северного Кавказа.

Время проведения работ выбиралось исходя из прогностических оценок г стояния атмосферы. В случае принятия решения о возможности запусков ракета, зондов, заблаговременно проводились профилактические мероприятия, испытан

м6а = (6,5 + 0,5Н)(м/с) .

Анализ графиков, представленных на рис.2, свидеч ■. ствуют о том, что разброс скорости опускания системы р. та-парашют относительно средней скорости опускание превышает ±2,0 м/с, а среднеквадратичное отклонение сост.:

Рис. 2. Разброс скорости опускания системы ракета-парашют в безоблачной атмосфере

работоспособности и подготовка к работе приемного комплекса радиотелеметр) ческой системы, ракетного зонда, пусковых установок, средств связи, оповещала« региональная диспетчерская служба управления воздушным движением, устана ливался режим периодического (через 1 час) радиолокационного слежения за ра витием облачности ь районе работ. При обнаружении начала разьишя обла нос! подлежащей ракетному зондированию, в радиусе 100 км начиналось непрерывн« слежение за облаками, система ракетного зондирования приводилась в полную г товность, осуществлялась предполетная тарировка ракетных зондов и их изготов) к пускам. Устанавливалась непрерывная связь между всеми участниками экспер мента и службой управления воздушным движением над регионом.

При входе обгтяка в чпну досягаемости ракетного зонда, выбиралась траект рия зондирования облака относительно его радиоэха, а по координатам и времен сообщаемым на пусковую установку по радиосвязи с командного пункта, осущес влялся запуск ракетного зонда. За 10 с до запуска зонда наземный комплекс Р1 переводился в режим автосопровождения зонда и запускалась вся регистрируют аппаратура. В течение всего времени полета зонда осуществлялась автоматическ регистрация поступающей информации, а визуальный контроль за работой борт вого измерительного комплекса ракетного зонда проводился с помощью видеоко трольного устройства.

В случае принятия соогвеюгвующего решения, в течение времени осу шест ления ракетного зондирования облака, к пуску подготавливался следующий зон По каждому ракетному зондированию в специальном журнале регистрировала следующая информация: дата, время и номер запущенного ракетного зонда, кос динаты и время падения зонда (на'парашюте), особенности в работе РТС по да ным видеоконтрольного устройств (например, сбой в работе передающего бло зонда, временный отказ системы сопровождения по дальности и т.д.), особые г теорологические явления (например: из зондируемого облака выпадает град, п) изошел разряд молнии и 1.Д.).

Траектория зондирования выбиралась из условия полного вертикального чения облака с прохождением области с максимальной радиолокационной от

I -Э

жаемостью: С помощью радиосвязи осуществлялась синхронизация с измерениями ЭМИ, радиолокационных параметров, наземных измерений.

Реализация методики ракетного зондирования грозового облака приводится для одного из экспериментов, проведенного 26.06.1988 г.

Погода района работ определялась малоградиентным полем пониженного давления и влиянием малоподвижного фронта с волнами, находящегося в предгорьях. Во второй половине дня ожидалось прохождение вторичного холодного фронта с севера, на высотах передней части термической ложбины. Скорость восходящих потоков 10-12 м/с, по Мин-Водскому зонду - 22 м/с, Нтнд=2 км, Нтш-10-12 км. Нулевая изотерма Но=3,8 км. Средняя влажность 60 %.

Ожидалось развитие конвективной облачности, во второй половине дня ливни, грозы, возможен град.

Температурная стратификация атмосферы на 26.06.1988 г.

Н, км 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1,ЬС + 18 +12 +3 -4 -11 -18 -25 -33 -41 -48 -56

Фактически погода определялась появлением в 1335 мощной конвективной облачности фронтального происхождения с Запада. Наиболее мощные конвективные облака имели следующие радиолокационные характеристики: г|зд=5-10"6 см"1, На=1,5 км, НоС=1,6 км. В 14м был запущен ракетный зонд, а на высоте 10,5 км над \ м. раскрылся парашют.

Моделируя основные заряды облака пространственно однородными сферами, используя математический аппарат теории случайных функций, в данном эксперименте была получена трипольная структура: в верхней части сфера радиусом 0,8 км с положительным зарядом 18 Кл, с центром на высоте 7,8 км, в средней части располагается основной отрицательный заряд величиной -32 Кл радиусом 1,2 км с центром на высоте 6,2 км, и. нижняя положительная область заряда в 14 Кл радиусом 0,5 км с центром на высоте 3,5 км.

С 1981 по 1990 годы были проведены 27 информативных ракетных зондирований по измерению напряженности электрического поля (табл.1) и 12 зондирований по исследованию динамической структуры грозовых облаков (табл. 2). Из

электрических параметров регистрировались составляющие напряженности э; трического поля, заряд на ракете, из динамических - составляющие скорости I душных течений. Плотность объемных зарядов вычислялась с учетом знамений пряженности электрического поля и измерений зарядов на облачных частицах.

В резулыате статистической обработки экспериментальною махераала явлен характер пространственного распределения величины и знака напряжен сти электрического поля, величины, размеры основных зарядов в грозовых об ках.

Средние значения горизонтального, составляющего напряженности элект ческого поля внутри грозовых облаков характеризуются максимальными зна ниями в центральной части облака. Вертикальное распределение напряженно электрического поля и плотности объемных зарядов в грозовых облаках показы ет, что максимальные значения поля и зарядов сосредоточены вы- ше средней 1 ти, примерно на высоте - 2/3 от основания облака. Отрицательные значения пол объемных зарядов сосредоточены ниже средней части облака, а в самок ниж части встречаются положительные заряды.

Используя уравнение Пуассона, были найдены величины плотностей объ ных зарядов, создаваемых всеми носителями зарядов, при условии, что мо; пренебречь гопщонтальными составляющими поля. С другой стороны, п.) пе^ татам измерений зарядов на гидрометеорах, можно вычислять плотность ооъем! зарядов, создаваемых за счет крупнокапельной фракции по траектории полета кетного зонда.

В табл.1 приводятся средние и максимальные значения вычисленных приведенной формуле и экспериментальные значения плотности объемных за дов.

Анализ этих результатов свидетельствует о том, что большая часть (~7( всего объемного заряда в облаке сосредоточена на крупных гидрометеорах. Ср ние значения напряженности электрического поля изменяются от 1000 В/см 2000 В/см, плотности объемных зарядов от 4-10"'° до 7-10"8 Кл/м3.

С другой стороны, по результатам измерений зарядов на гидрометеорах, можно вычислять плотность объемных зарядов, создаваемых за, счет крупнокапельной фракции по траектории полета ракетного зонда.

Сравнительный анализ результатов исследований показал, что пространственное распределение и геометрические размеры электрических и динамических зон неоднородностей коррелируют тесным образом. Величина коэффициента корреляции составляет 0,86 в 95 % доверительном интервале. Размеры зон неоднородностей в грозовых облаках возрастают от примерно 150 м в стадии зрелости облака до 300 м в стадии его диссипации (рис.3).

Одновременные измерения зарядов и размеров облачных частиц, наряду с измерениями напряженности поля и скорости потоков, проводились в 12 экспериментах. Всего было зарегистрировано 18637 облачных частиц. Из них количество положительно заряженных частиц - 11270, отрицательно заряженных - 7367, т.е.

отношение N+/N.=1,53.

Рис. 3. Повторяемость электрически неоднородных зон и зон турбулентностей в стадии зрелости { 1 и 2 соответственно) и в стадии диссипации ( 3 и 4 соответственно)

Отношение суммарного положительного заряда Q+ к суммарному отрица-,0 2о 30 50 .0 70 .0 »0 ,0» „тельному заряду Q. равно Q J Q =0,75'.-В

базовом эксперименте было зарегистрировано 2575 частиц, N+/N.= 1,12, Q J Q.=0,86. На высоте до 3500 м встречались с равной вероятностью как положительные, так и отрицательные частицы, от 3500 до 7000 м регистрировались в основном отрицательные заряды, выше 7000 м преоо-ладали положительно заряженные облачные частицы. Максимальный заряд, обнаруженный на частицах размерами:

Результаты экспериментальных исследований 1981-1990 г.г.

Таблица 1

№№ Дата Хар-ка Ем&Х) ЕСр, А Емях, ЛЕср, н„ Нос, Вели- Радиус Высота Ррда., Рюм 1

пп облака ; В/м В/м В/м В/м км км чина сферы, центра Кл/м3 Кл/м'

Г), см' х10"5 хЮ"5 хЮ"5 хЮ'5 заряда, км заряда, хЮ9 х!09

хЮ7 Н, км Н, км Кл км

сред. шах сред. шах

1 * 3 ! 4 . 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

1 11.07.81 3 ' 1,8 0,8 14 0,8 7,2 6,8 15,3 4,8 11,5

- - - г1,2 1,0 12,2 2,5 -23,5 1,2 5,5 -3,4 -7,6 -2,6 -6,3

1,3 ; 4,2 4,5 - - - - - -

2 11.07.81 3 1 -2,3 1,8 . 1,8 1,2 7,5 0,3 0,3 0,2 0,2

1. , . | - 2,0 0,5 14,0 2,8 -32 1,8 5,0 -0,1 -0,1 -0,1 -0,1

1,5 6,0 6,3 - - - - - - -

3 11.07.81 Д 1,5 1,2 15,4 0,6 7,5 17,0 21,3 12,6 15.7

- - - _ 1,0 64,0 12,0 2,0 -22,3 1,7 5,5 -1,3 -1,6 -1,1 -1,4

0,033 , 3,5 4,2 6,5 0,3 2,0 63,0 78,0 45,0 56,0

4 01.07.82 3 ! 2,5 2,0 38,7 1,2 6,5 5,6 7,0 3,4 4,3

- —— - 1,4 0,9 13,5 2,0 -17,7 0,6 3,5 -20,0 -25,0 -14,0 -18,0

1,2 , 2,6 5,0 6,8 0,3 - 1,2 65,0 81,2 46,0 57,7

5 01.07.82 3 1 2,8 2,0 17,4 0,4 . 6,8 687,0 95,2 47,0 66,0

- __ -' -1,5 0,6 11,5 1,3-1,5 -33,7 1,7- 4,7 -1.7 -2,4 -1,3 -1.8

19,0 5,5 6,5 16,4 0,4 2,6 62,0 86,7 44,0 62,0

6 06.07.82 3 ! з,1 2,4 -14,0 1,6 6,6 -0,9 -■11,0 -0,5 -6,8

- ■ —— - 1,8 1,3 13,0 1,3-1,5 13,0 1,4 3,6 1,8 2,3 1,1 1.4

19,0 ' 7,8 8,2 - - - - - - -

7 06.07.82 д ' 1,2 1,0 7,0 0,6 5,8 8,1 10,0 5,6 6,7

- ■ - - ±2,4 1,2 11,5 1,5 -11,0 1,2 3,5 -1,ь -2,0 -1,2 -1,6

0,03 . 4,2 4,5 - - - - - - -

8 06.07.82 д -1,5 -1,2 -29,6 0,8 5,2 -61,0 -73,0 -43,0 -52,0

. . . . ±2,0 0,9 13,5 2,2 8,9 0,5 '. 2,5 18,0 22,0 13,0 16,0

0,03 : 2,5 3,2 - - - - - -

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

3i.07.82 3 2,9 1,8 -32,5 1.5 6,4 -2,4 -3,8 -1,8 -3.0

; - - - 1,6 8.0 11,5 1,6 12,5 0,6 2,8 14,0 22,4 11.5 18.4

1 7,1 1,7 2,2 - - . .

'l 19.06.83 Д 5,2 3.1 43.5 1.2 7,8 30,0 51,0 21,5 36.5

1 - - - 1.2 0.3 14.2 2,5 -40,0 1.4 5,6 -3,6 -6,1 -2,3 -4,0

I o,oo: 6,0 8,1 13,0 0.3 1,2 120 204 73,0 124

1 ' 1 21.06.83 3 2,7 2,0 -45,0 1,3 6,0 -5,2 -7,0 -3.7 -5,0

- ■- ■ - -1,2 0,3 12,7 1.5 21,0 1,2 3,6 14,0 19,0 9,3 12,0

1,2 7,0 7,0 . V • _

í 21.06.83 Д -1,8 -0,6 16,5 0,5 •7,3 17,0 51,0 11,4 34,2

I - - — 0,4 0,2 11,5 2,2 -31.3 1,0 5,5 -7,8 -23,4 -5.6 -16,8

1,2 7,3 7,3 0 ; 7,4 0,3 • 2,8 70,0 210 54,0 162

; ; 3 29.05.84 3 2,0 -1.7... ■ Д1 -36,0 0,8 6,0 -74,0 -8,8 -56,0 -67,0

I - í- 0,8 2,0 13,0 2,0 11,0 0,5 3,5 11,0 13,0 8,7 10,5

0,03 6,0 6,2 - „ _ _

29.05.84 Д 3,5 1,3 18,0 1.5 7,3 1,3 3,5 1,1 3,0

- - - ±2,4 1,2 10,5 1.8 -24,0 1.7 5,8 -1,2 -3,4 -1,0 -2,7

t 0,03 8,2 8,2 ,/ ' 6,0- 0,7 2,5 4,3 11,6 3,1 8,4

! 15 11.06.84 3 -3,2 -2.1 -21,0 0,8 6.0 -43,0 -64,5 -31,0 -46,5

; - - —— ±1,2 0,8 13,5 2,2 16,0 1,3 4,5 1,8 2,7 1,3 2,0

0,002 6,5 6,5,- 1 . - »

1 ' U 31.05.86 3 1,8 1,2 1 14,0 0,8 7.5 28.0 42,0 20,0 30,0

< - —— 0,8 0.6 13,0 2,5 -26,0 1,0 5,8 -6.5 -9,8 -4,5 -6,7

! 0,03 5,7 4,8 8,0 0,6 3,2 8,7 13,0 6,3 9,5

CS.06.86 Д 2,6 1,3 18,0 1,0 7,0 4,5 9,0 3,3 6,6

- ■ - 0,6 12,0 11,5 2,0 -35,0. 1.3 4,3 -4,0 -8.0 -3,5 -6,0

2,0 7,2 7,3 9,0 0,8 2,1 18,0 36,0 13,0 26,0

15.08.86 3 -2,1 -1,7 21,0 0.6 6,6 23,0 27,6 18,5 23,0

—— - - 0.7 1,3 12.5 1,3-1,5 -42,0 0.9 4,8 -14,0 16,8 -10,0 -12,0

i 0,02 6,0 6,2 . • . . _ » „

i19 20.0S.86 3 -3,4 -2,2 11,0 1.1 ' 6,8 2,0 3,0 1,4 2,2

i - - - -1,3 1,8 12,5 1.5 -48,0 1,3 4,5 -5,5 -8.2 -3,4 -5,1

____ 3,0 6,8 6,8 - - • - -

Продолжение табл. 1

! ! 2 3 4 5 6 7 8 ¿3 10 11 12 13 14 15 16

9 2,9 1.8 -32,5 1.5 6,4 -2,4 -3,8 -1,8 -3.0

1 1 .и/.¡¡2

- - —— 1.6 8,0 11.5 1,6 12,5 0,6 2,8 14,0 22,4 11.5 18.4

7,1 1,7 2,2 - . - - - -

10 19.06.83 Д 5,2 3,1 43,5 1.2 7,8 30,0 51,0 21,5 36.5

- - - 1,2 / о.з 14,2 ■2,5 -40,0 1.4 5,6 -3,6 -6,1 -2,3 -4,0

0,005 6,0 8,1 13,0 0,3 1,2 120 204 73,0 124

: 1.06.83 3 2,7 2.0 -45,0 1.3 6.0 -5,2 -7.0 -3,7 -5,0

- - - -1.2 0.3 12,7 1.5 21,0 1.2 3.6 14,0 19,0 9.3 12,0

1,2 7,0 7.0 - - - - - - -

: - 21.06.83 Д -1,8 -0,6 16,5 0,5 • '7,3 17,0 51,0 11,4 34,2

- - _ 0,4 0,2 11.5 2,2 -31,3 1.0 5,5 -7.8 -23,4 -5,6 -16,8

1,2 7,3 7.3 7,4 0,3 •' 2,8 70,0 210 54,0 162

13 29.05.84 3 2,0 -1,7 -36,0 0,8 6,0 -74,0 -8,8 -56,0 -67,0

- - - 0,8 2,0 13,0 2,0 11,0 0,5 3.5 11,0 13,0 8,7 10,5

0,03 6,0 6,2 - , - - - - - -

;■! 29.05.84 д 3,5 1,3 18,0 1.5 7.3 1.3 3,5 1.1 3,0

- - - ±2.4 10,5 1.8 -24,0 1.7 5.8 -1.2 -3.4 -1.0 -2,7

0,03 8,2 8,2 • ■ : 6,0 0,7 2,5 4,3 11,6 3,1 8,4

; 5 11.06.84 3 -3,2 -2.1 -21,0 0,8 6,0 -43,0 -64,5 -31,0 -46,5

- - - ±1,2 0,8 13.5 2.2 16,0 1.3 4,5 1,8 2.7 1,3 2,0

0,002 6,5 6,5,- - - . - -

;б 31.05.86 3 1.8 1,2 14,0 0,8 7,5 28,0 42,0 20,0 30,0

- - - 0.8 0,6 13,0 2.5 -26,0 1.0 5,8 -6.5 -9.8 -4,5 -6,7

0,03 5,7 4,8 8,0 0,6 3,2 8,7 13,0 6,3 9,5

17 08.06,86 д 2.6 1.3 18,0 1,0 7,0 4.5 9,0 3,3 6,6

- - —— 0.6 12,0 11,5 2.0 -35,0 1,3 4,3 -4,0 -8,0 -3.5 -6,0

2,0 7,2 7.3 9,0 0,8 2,1 18,0 36,0 13,0 26,0

1 о 15.08.86 3 -2,1 -1.7 21,0 0,6 6,6 23,0 27,6 18,5 23.0

- - - 0,7 1.3 12.5 1.3-1.5 -42,0 0,9 4,8 -14,0 16,8 -10,0 -12,0

0,02 6,0 6,2 • - - . .

: 20.08.86 3 -3,4 -2,2 и.о 1.1 6,8 2.0 3,0 1,4 2,2

- - - -1.3 1.8 12,5 1.5 -48,0 1.3 4,5 -5,5 -8,2 -3,4 -5,1

3,0 6,8 6,8 - - - • - -

Таблица .2

Результаты экспериментальных исследований 1984-1990 г.г.

ЛеЛ'о' | Дата Xa.j-Ka обл. м/с н., ■ • км Нос. км Восходящие потоки Нисходящие потоки Средние размеры зон турбулентности, м

11, см'1 Vcp, м/с размер, км Vcp, м/с размер, км

: 11.06.84г. 3 ?,10-ш 35 . ' 13,5 2,2 18 2,5 9,0 2,0 200

- 31.05.86г. 3 3-10"9 30 13,0 2,5 16 2,0 8,0 1,8 180

3 08.06.86г. д , 2-10 38 11,5 2,0 22 1,2 10,0 1,0 300

• * 1 15.08.86г. 3 2-10* 28 12,5 1,31,5 10 1,5 6,0 1,3 140

20.08.86г. 3 3-10-7 27 12,5 1,5 12 1,5 7,0 1,3 230

5 0 ! 27.08.86г. 1 Ч0-1" 20 10,5 1,01,6 7 1,2 5,0 1,4 320

lS.06.87r. 3 ] .2-10'7 18 11,8 1,5 8 1,8 5,0 1,5 150

19.06.87г. , 3 5-10'7 25 12,5 1,5 12 2,2 6,0 2,0 160 .

i 9 i 26.06.88г. | 1 310'7 50 • 12,0 1,6 24 2,0 8,0 2,1 120«

' Л 26.06.88г. д 3-10'у 24 ' 11,5 1,8 10 1,8 4,0 1,6 170

1 '' 13.08.90г. . 3 „ 3-Ю"7 26 12,0 . 2,5 12 2,3 7,0 2,2 100

:: ; 13.08.90г. i 1 32 11,0 2,5 16 1,5 8,0 1,5 350

до 0,20 мм - +5,6-10~12 Кл;

от 0.2 мм до 0,5 мм - -3,2-10'" Кл; от 0,5 мм до 1,0 мм - -1,2-10'10 Кл; от 1,0 мм до 2,0 мм - -4,0-10"10 Кл; от 2,0 мм до 3,0 мм - -8,510 10 Кл. Такие большие заряды на частицах данного размера являются критическими, вы которых начинаются коронные разряды с них.

Практически все частицы с большими зарядами обнаруживались в мезом штабных зонах неоднородности. •

Обнаружена связь между величинами зарядов и размеров облачных часли электрическом поле:

Я = -0,75-Е г2 ,

для отрицательно заряженных облачных частиц;

Я = 0,37-Е г2 ,

для положительно заряженных облачных частиц, где, 9 в (пКл), г в (мм), Е в (кВ/м).

Наличием обнаруженных нами локальных зон неоднородностей в какой-степени можно объяснить возникновением нисходящего лидера в грозовом облав В отличие от мелкокапельной фракции гидрометеоров (до 25 мкм), расгц деление которых по размерам хорошо аппроксимируется логарифмическ нормальным законом, применение последнего к более крупным фракциям приЕ дит к существенным погрешностям. Проведенные исследования позволили скс ректировать ранее сложившееся представление о распределении облачных и до девых капель по размерам, в результате чего найдена аналитическая зависимое для распределения крупнокапельной фракции в области спектра от 100 мкм до мм вполне удовлетворительно описывающая полученные в ходе эксперимент данные и имеющая вид: Ы(Я) =3,6-1/Я2, где Я в (мм), N(11) в (м"3).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. С целью исследования электрической структуры грозовых облаков на разных стадиях развития во взаимосвязи с их микрофизическими и динамическими параметрами разработана методика и создан ракетный радиотелеметрический комплекс аппаратуры для измерения размеров, электрических зарядов, а также измерения скорости и направления воздушных течений.

2. С использованием ракетной радиотелеметрической системы впервые выполнены прямые измерения микро- и макроэлектрических параметров в активных зонах грозо-градовых облаков при их вертикальном зондировании, совмещенных с одновременными измерениями координат зонда, радиолокационных характеристик, скоростей воздушных потоков.

3. Впервые получены экспериментальные данные о вертикальных профилях размеров и электрических зарядов гидрометеоров в активной зоне грозо-градовых облаков.

4. Установлено, что в 1розовых облаках существуют мощные вертикальные воздушные потоки, средние скорости которых находятся в пределах 8*24 м/с для восходящих и 64-10 м/с для нисходящих потоков. Максимально обнаруженное значение скорости потока составляют 50 м/с.. Существование таких больших скоростей в облаке связано с образованием зон турбулентности. Средние горизонтальные размеры основных восходящих потоков в грозо-градовых облаках - 2000 м, нисходящих-2500 м. •

5. Путем прямых измерений установлено существование в грозовых облаках зон мезомасштабных неоднородностей, распределение которых по размерам описывается нормально-логарифмической функцией. Размеры электрических и динамических зон неоднородностей коррелируют тесным образом. Величина коэффициента корреляции составляет 0,86 с достоверностью^,95. Максимум повторяемости размеров зон неоднородностей возрастает от 150 м в стадии зрелости до 300 м в стадии диссипации.

6. Показано расчетами, что в зонах мезонеоднородностей, где все измеренные параметры до одного порядка выше, чем средние значения н облаке, наиболее

сильно будут проявляться положительные обратные связи между микроэлектр!-скими и микрофизическими характеристиками гидрометеоров, что эти зоны ь более благоприятны для зарождения молниевых разрядов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛ Г. ДУ101.1 (ИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

1. Машуков Х.М., Зашакуев Т.З. К расчету индукционных датчиков для мерения зарядов гидрометеоров. М., Гидрометеоиздат. Груды ВГИ, вып.61, И

. с.10-13. ' . •.

2. Машуков Х.М., Зашакуев Т.З. Устройство для ракетных измерений раз ров и зарядов гидрометеоров в кучево-дождевых облаках. Труды Ш Всесоюзн симпозиума по атмосферному электричеству. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1£ с.139-143.

3. Машуков Х.М., Зашакуев Т.З., Зекореев Р.Х. Устройство для измере размеров частиц осадков. М., Гидрометеоиздат, Труды ВГИ, вып.61,1985, с. 3-6

4. Машуков Х.М., Шугунов Л.Ж., Зашакуев Т.З., Зекореев Р.Х., Камб М.М., Машуков Х.Х. Некоторые результаты исследования структуры электр! ских зарядов в грозовых облаках. М., Гидрометеоиздат, Труды ВГИ, вып.61, 19 с. 13-16. V

5. Машуков Х.М., Зашакуев Т.З. Устройство для ракетных измерений раз ров и зарядов гидрометеоров в кучево-дождевых облаках. Ш Всесоюзный ст. зиум по атмосферному электричеству. Тарту, 1986, с. 222-228.

6. Зашакуев Т.З., Щукин Г.Г. Некоторые результаты исследования элек: ческой структуры грозовых облаков. IV Всесоюзный симпозиум по атмосферн электричеству. Нальчик, 1990, с. 65-67.

7. Бейтуганов М.Н., Аджиев А.Х., Зашакуев Т.З. Основные направлею некоторые научные результаты исследований ВГИ в области грозового электр!-ства. IV Всесоюзный симпозиум по атмосферному электричеству. Нальчик, 199 76-79.

8. Гуревич Ю.М., Тихомиров Ю.В., Бейтуганов М.Н., Зашакуев Т.З., Зекореев Р.Х., Машуков Х.Х. Анализ удара молнии на территории пвлигона "Хумалан". М., Гидрометеоиздат, Труды ВГИ, вып.81, 1990, с.75-80.

9. Раков В.А., Шелухин Д.В., Зашакуев Т.З., Зекореев Р.Х. Обработка экспериментальных распределений амплитуд атмосферы на ЭВМ. М., Гидрометеоиздат, Труды ВГИ, вып.81,1990, с.71-74.

10. Бейтуганов М.Н., Зашакуев Т.З., Гаджиев Г.А. Методика и аппаратура для инициирования искусственных молниевых разрядов и предварительные результаты исследований. IV Всесоюзный симпозиум по атмосферному электричеству. Нальчик, 1990, с. 325-326.

11. Бейтуганов М.Н., Зашакуев Т.З., Карягин Н.В. Инициирование искусственного искрового разряда ракетой с длинным проводом в грозовой зоне. Труды Всесоюзной конференции "Долгоживущие плазменные образования и малоизученные формы электрических разрядов в атмосфере". Ярославль, 1990, с.47-50.

12. Зашакуев Т.З., Тихомиров Ю.В., Бейтуганов М.Н., Гуревич Ю.М. Исследование внутренней электризации противоградовой ракеты "Облако-М". Труды IV Всесоюзного симпозиума по атмосферному электричеству. Тезисы докладов. Нальчик, 1990, с. 325-326.

13. Аджиев А.Х., Бейтуганов М.Н., Зашакуев Т.З., Кумыков Х.К., Сижажев С.М. Развитие разрядных явлений в облаках, вопросы атмосферного электричества. Сборник статен: Ленинград. 1990, c.l 11-119.

14. Зашакуев Т.З., Бейтуганов М.Н., Шимшилашвили М.Э. Головная часть ракеты для воздействия на облака. Положительное решение (ф.1/9) от 23.07.1990 г.).

¡5. Benugaauv М.Ь., Zaihukuev l.Z. The cxpcaences oi initiation uf lightning and spark discharges // Pros. 9th Int. Conf. on Atmos. Electricity. - 1992, June 15-19, St. Petersburg, Russia. - P.283-287.

16. Beituganov M.N., Zalikhanov M.CH., Zashakuev T.Z. Déclenchement de la foudre et sou application Fougre et montagne'97 1-5 juin/1997, Chamonix mont-Blanc-France, p.47-49.

10.06.98 г. Объем 1,5 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 12 Бесплатно Нотаприит Высокогорного геофизического и m. iпiу ia