Исследование физико-статистических параметров молний различных типов

Думаева, Ляна Владимировна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Исследование физико-статистических параметров молний различных типов
ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Исследование физико-статистических параметров молний различных типов"

На правах рукописи

005536719

Думаева Ляна Владимировна

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-СТАТИСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МОЛНИЙ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ

25.00.30-Метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

31 ОКТ 2013

005536719

На правах рукописи

Думаева Ляна Владимировна

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-СТАТИСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МОЛНИЙ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ

25.00.30 - Метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Работа выполнена в ФГБУ «Высокогорный геофизический институт» Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет)

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

профессор Аджиев Анатолий Хабасович

Официальные оппоненты:

Декан факультета естественного и гуманитарного образования ЮФУ, доктор физико-математических наук,

профессор, г. Таганрог Куповых Геннадий Владимирович

Профессор кафедры теоретической физики КБГУ,

доктор физико-математических наук, г. Нальчик Кунижев Борис Иналович

Ведущая организация:

ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет», г. Ставрополь.

Защита состоится «25» октября 2013 г. в 16 часов на заседании Диссертационного совета Д 327. 001. 01 при федеральном государственном бюджетном учреждении «Высокогорный геофизический институт» Росгидромета по адресу: 360030, КБР, г. Нальчик, пр. Ленина 2, электронная почта: vgikbr@yandex.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУ «Высокогорный геофизический институт».

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью, направлять ученому секретарю совета.

Автореферат разослан « 24 » сентября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук,

доцент

Н.В. Кондратьева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Грозовые процессы во все времена привлекали внимание исследователей в силу их большой важности в жизни человека, многообразия и сложности физических явлений, их определяющих. Большой вклад в развитие теории грозового электричества и разработку ее физических основ внесли ученые ГГО, РГГМУ (ЛГМИ), ВГИ, ЭНИН, ВЭО и др.

В последнее время, с появлением исследовательской аппаратуры нового поколения, в физике грозового электричества наибольший интерес исследователей вызывают инструментальные исследования параметров молний и грозовой активности активно-пассивными радиотехническими средствами, сочетающимися с современными информационно-аналитическими средствами. Это связано с возрастанием требований к эффективности защиты объектов жизнедеятельности человека от воздействия грозовых явлений: разрядов молний, повышенных электрических полей, электромагнитного излучения и т.д. В этой связи представляются актуальными исследования, направленные на установление закономерностей формирования грозового электричества, определения основных физико-статистических параметров молний, пространственно-временных вариаций грозовой активности над различными территориями. Для решения практических задач по организации защиты различных объектов от воздействия молний важны для конкретных территорий точные значения токов молний, крутизны токов молний и удельная грозопоражаемость территории молниями. Практическая ценность таких работ вполне очевидна, так как с развитием наукоемких технологий в различных отраслях: авиации, энергетики, информации и др. - растет зависимость эффективности бесперебойной работы современного оборудования от воздействия внешних факторов, обусловленных опасными метеорологическими явлениями. Общетеоретическая значимость исследований в этом направлении заключается в формировании нового взгляда на сущность грозовых явлений, что позволит углубить знания о них, возможно, перейти на качественно новую ступень их изучения.

Изложенные факты подтверждают актуальность предложенной темы диссертационной работы и позволяют утверждать, что исследования параметров молнии представляют как общенаучный, так и прикладной интерес для решения задач молниезащиты. Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию некоторых из обозначенных выше вопросов грозового электричества.

Работа выполнена в ФГБУ «Высокогорный геофизический институт» в 2009-2013 годах в соответствии с планами НИОКР и послевузовской подготовки.

Цель работы: экспериментальное и теоретическое исследование физико-статистических параметров молний, характерных для юга Европейской части России.

Выделены следующие задачи исследования:

1. Систематизировать и проанализировать основные из применяемых в современной метеорологии активно-пассивных радиотехнических средств контроля грозовых явлений и параметров молний.

2.Выполнить анализ суточных и сезонных вариаций грозовой активности на территории юга Европейской части России на основе инструментальных наблюдений.

3. Провести физико - статистический анализ модели временных изменений токов наземных разрядов молний.

4. Выявить закономерности распределения токов различных типов молний и количественных соотношений между различными характеристиками грозовой активности.

5. Разработать рекомендации по проведению молниезащитных мероприятий различных объектов для территории Северного Кавказа.

6. Исследовать ориентацию каналов наземных молний в атмосфере.

Научная новизна диссертационного исследования состоит в следующем:

1. Предложен новый подход к использованию грозорегистрационной системы ЬБ 8000 для определения используемых в грозозащите параметров молний, характерных для территории Северного Кавказа.

2. Впервые построены физико - статистические модели временных изменений значений токов наземных разрядов молний разной полярности.

3.Впервые получены аналитические выражения, описывающие вероятности распределений значений токов наземных положительных и отрицательных молний.

4. Разработаны рекомендации по молниезащите различных объектов на территории Северного Кавказа с учетом выявленных среднестатистических параметров молний.

5. Оценены отклонения от вертикали каналов распространения наземных разрядов молний.

Апробация полученных результатов

Основные результаты диссертационной работы представлялись и обсуждались на следующих научно-практических конференциях:

1. III Российская конференция по молниезащите, г.С.-Петербург, 2012.

2. VII Всероссийский симпозиум по атмосферному электричеству, г.С.Петербург, 2012.

3. Международная научно - практическая конференция «Проблемы развития современного общества. Экономика. Социология. Философия. Право». (Саратов, 2010 г.).

4. Итоговая (межвузовская) научная конференция студентов и молодых ученых, Терскол, 2011.

5. Конференция молодых ученых ФГБУ «ВГИ» 2013г.

6. Семинары ФГБУ «ВГИ» и ФГАОУ ВПО «КБГУ».

Публикации по теме диссертации:

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, 4 из которых - в центральных рецензируемых журналах «Известия вузов Северного Кавказа», «Доклады адыгской международной академии наук», «Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН», «Всероссийский Научно -Аналитический Журнал. Инженерные Изыскания».

В 2010—2012 годах исследование было поддержано Минобрнаукой РФ грантом «Изучение взаимосвязи процессов облако - и осадкообразования с электрическими явлениями в конвективных облаках активно-пассивными радиотехническими средствами» Государственного контракта № П782 от 24 мая 2010 г.

Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс в Кабардино-Балкарском Государственном университете в рамках преподавания на кафедре МА курса математического анализа.

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

1. Результаты исследования суточных и сезонных вариаций грозовой активности на территории юга Европейской части России с использованием грозопеленгационной сети LS8000.

2. Построенная физико - статистическая модель временных изменений значений токов наземных разрядов молний.

3. Выявленные закономерности распределения значений различных типов молний и количественных соотношений между различными характеристиками грозовой активности.

4. Результаты определения отклонения от вертикали каналов распространения наземных разрядов молний.

5.Разработанные рекомендации по проведению молниезащитных мероприятий различных объектов на территории Северного Кавказа.

Соответствие диссертации Паспорту научной специальности

Отраженные в диссертации научные положения соответствуют п.п. 5 и 8 области исследования специальности 25.00.30 - «Метеорология, климатология, агрометеорология»:

- опасные и особо опасные явления погоды: тропические циклоны, тромбы (торнадо), засухи, наводнения;

- облака, аэрозоли, осадки; спутниковые и радиолокационные исследования.

Степень достоверности и обоснованность научных положении, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации,

подтверждается одновременным использованием комплекса взаимодополняющих экспериментальных методов и теоретических расчетов, согласием результатов, полученных различными методами, применением апробированных методик экспериментальных исследований, использованием метрологически аттестованной технологической и измерительной аппаратуры, проведением анализа статистически обеспеченных рядов наблюдений (более 3000) за различными процессами в атмосфере, показавших хорошую воспроизводимость полученных распределений, применением современных информационных технологий при обработке экспериментальных данных, осуществлением анализа и описанием полученных экспериментальных результатов с привлечением современных теоретических представлений.

Научное и практическое значение диссертационной работы.

1. Полученные физико-статистические характеристики значений и распределений амплитуд токов молний различных полярностей, характерных для территории Северного Кавказа могут быть использованы:

а) в расчетах внутренних перенапряжений в электрических сетях, 6—750 кВ, обусловленных грозовыми явлениями для выбора характеристик нелинейных ограничителей перенапряжения;

б) при разработке рекомендаций по защите различных зданий и сооружений от поражения молниевыми разрядами.

2. Выявленные в диссертации закономерности удельной поражаемости поверхности земли молниями различной полярности в зависимости от орографии местности и периода года может быть использованы при прогнозах опасных явлений погоды, связанные с грозами.

3. Полученные численные соотношения между количеством отрицательных наземных разрядов и количеством положительных наземных разрядов могут быть использованы для исследований по физике конвективных облаков и грозовому электричеству.

4. Практическую и научную значимость для работ по молниезащите и по моделировании облако- и осадкообразовании представляют полученные в диссертации аналитические выражения статистических распределений амплитуд токов молний и временного изменений импульса тока при разрядах различной полярности.

5. Теоретические результаты работы, представленные аналитическими выражениями времени нарастания волны для токов молний различной полярности, а также распределения значений токов и времени нарастания и спада волны токов молний могут быть использованы для дальнейших исследований в области физике грозового электричества.

6. Результаты работы использованы при выполнении научно-исследовательских работ по грантам Министерства образования и науки РФ:

1. Государственный контракт от «28» октября 2011 г. № 16.518.11.7102 «Развитие методов прогнозирования и контроля особо опасных стихийных явлений (паводков, гроз и града) на основе использования уникальной установки «Активно-пассивный комплекс геофизического мониторинга состояния атмосферы (АПКГМ ВГИ)»»;

2. Государственный контракт от «19» июля 2012 г. № 14.518.11.7052 «Исследование особенностей формирования опасных электрических полей в атмосфере с использованием УСУ «Активно-пассивный комплекс геофизического мониторинга состояния атмосферы (АПКГМ ВГИ)»».

Личный вклад соискателя

Автором самостоятельно проведен сбор экспериментальных многолетних данных, характеризующих грозовую активность на Северном Кавказе и параметры молний различных типов и все представленные в диссертационной работе расчеты. Проведено сравнение полученных результатов экспериментальных исследований, с результатами выполненных автором теоретических расчетов. Основные выводы и положения диссертационной работы сформулированы лично автором.

Структура н объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературных источников, содержащего 141 наименования. Объем рукописи 142 страница машинописного текста. Диссертация включает 42 рисунка, 10 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, показана новизна научной работы и приведены основные положения, выносимые на защиту. Дана краткая аннотация разделов диссертации.

В первой главе приведен обзор экспериментальных и теоретических работ, посвященных грозовому электричеству. В этом разделе значительное внимание уделено анализу работ, посвященных развитию конвективных облаков, их электризации, физике молнии и молниезащите, методам измерения различных характеристик грозовых проявлений. Показано, что электрические и микрофизические процессы в конвективном облаке являются взаимосвязанными и взаимообуславливающими составляющими процессов облако- и осадкообразования. При этом разделение электрических зарядов является следствием микроструктурных преобразований в облаке, а также столкновением кристалликов льда, переохлажденных капель воды и градовых частиц. Важной задачей является поиск взаимосвязанных и взаимоопределяющих предикторов их развития.

Целью диссертационной работы становится исследование грозы -комплексного атмосферного явления, признаками которого являются многократные электрические разряды между разноименной заряженными частями облака (внутриоблачные молнии) или между заряженной областью облака и землей (наземные молнии). По интенсивности развития, продолжительности и эффектам воздействия гроза представляет угрозу жизни и здоровью, а также может наносить значительный материальный ущерб.

Эффективность молниезащиты различных зданий, линий электропередач, систем аэронавигации, энергетических объектов и др. зависит от точного знания значений характеристик импульса токов и грозопоражаемости поверхности земли для конкретной местности. Особо важными для инженерных расчетов по молниезащите являются точные значения распределения токов и времени нарастания и спада волны тока молний различной полярности.

Во второй главе описан объект исследования, методы исследования факторов грозовой деятельности и методы анализа, используемые в работе. Приведены результаты экспериментального и теоретического исследования параметров молнии и суточных и сезонных вариаций грозовой активности. Обосновывается методика анализа временных изменений значений токов наземных молний различной полярности. Приведены среднестатистические

значения разрядов молний, полученные с использованием грозорегистратора LS8000.

Объектом исследования в диссертационной работе являются молниевые разряды на территории Северного Кавказа. Для этого использовалась грозопеленгационная сеть ФГБУ «ВГИ».

Сеть грозопеленгаторов LS8000, установленная на Северном Кавказе, позволяет фиксировать в режиме реального времени все молниевые разряды, происходящие над территорией ЮФО, СКФО, Закавказья, восточной частью Черного моря и Каспийским морем.

С высокой точностью определяются:

• время разряда (с точностью 100 наносекунд),

• местоположение разряда (в зависимости от местоположения молниевого разряда относительно сенсоров от 0,5 до 50 км, со средним значением около 2 км в ближней зоне),

• тип молниевого разряда (облако-земля или облако-облако),

• сила тока в канале молниевого разряда облако-земля,

• время нарастания и затухания силы тока в канале молнии Облако-Земля от нуля до максимума и от максимума до нуля.

Система вырабатывает ещё ряд характеристик, связанных с точностью определения основных параметров молниевых разрядов.

Логическая и компонентная архитектура системы АПК LS8000 представлена на рисунке 1.

Информация о молниевых разрядах, получаемая сенсорами LS8000, установленными в четырех пунктах Северного Кавказа (Ставрополь, Зеленокумск, Черкесск и Кызбурун), передается по каналам спутниковой связи на центральный компьютер центра приема и обработки информации СР8000.

После обработки информации, полученной от сенсоров LS8000, СР8000, вычисляют множество параметров для каждого молниевого разряда, сохраняют эту информацию у себя на жестком диске, помещают в базу данных SYBASE на архивном компьютере АР5000 и делают эту информацию доступной для других с помощью компьютера по локальной сети.

SPARE DAM

(DEM. PRECISTOI*) (I>ETX PRECISION)

Рисунок 1 - Логическая и компонентная архитектура АПК LS8000

В состав АПК LS8000 входят следующие технологические компоненты:

- программное обеспечение на СР8000 - комплексное решение, позволяющее по данным от сенсоров производить вычисления местоположения молниевых разрядов, архивировать во внутреннем формате, передавать полученные данные в базу данных SYBASE на сервере АР8000, отслеживать корректность функционирования сенсоров;

- база данных SYBASE на сервере АР8000 позволяет хранить архивные данные о молниевых разрядах;

- программное обеспечение FALLS на компьютере FALL CLIENT позволяет получать различные характеристики молниевых разрядов с использованием архивных данных, хранящихся в базе данных SYBASE на сервере АР8000;

- программное обеспечение LTS2005 на компьютере LTS2005 позволяет наблюдать за местоположениями молниевых разрядов в режиме реального времени;

- программное обеспечение на компьютере DAM позволяет выявлять радиоэлектронные помехи на местности, мешающие нормальной работе сенсоров LS8000;

- программное обеспечение на компьютере HP позволяет получать в режиме реального времени информацию о молниевых разрядах из системы СР8000, группировать по минутным диапазонам и записывать эти минутные файлы в формате ASCII на жесткий диск.

На рисунке 2 приведен пример наложений координат грозовых явлений на карту местности, над которыми развивались грозовые процессы. Система грозопеленгации LS8000 позволяет в режиме реального времени наблюдать за развитием во времени и за перемещением над территорией обзора системы. На данном рисунке достаточно четко отображена динамика развития наземных разрядов.

ХХ:ММ

ХХЛШ - 00:30

ХХ:ММ - 01:00

ХХ:ММ - 01:30

ХХ:ММ - 02:00

ХХ:ММ - 02:30

ХХ:ММ - 03:00

Рисунок 2 - Перемещение грозовых разрядов Облако-Земля. Цвет разрядов показывает временной, в данном случае 30 минутный, интервал, внутри которого произошел разряд. Если текущее время обозначим как ХХ:ММ, то значения 30 минутных интервалов определяются следующим образом:

Для выполнения задач, поставленных в работе, была собрана информация о разрядах молнии, полученная Ь88000 за 2009...2012 гг. На ее основе сформирована база данных (таблица 1, 2).

База собранной информации за 2009-2012 гг. (таблица 1, 2) включает количество грозовых дней, количество разрядов различных типов - облако-земля, облачные, количество разрядов различных типов за грозовой день; значения токов молнии, продолжительность нарастания и спада волны наземных разрядов.

Таблица 1 — Фрагмент базы данных характеристик наземных разрядов за 2009...2010 гг.

Кол-во гроювых дней в месяце Грозовые дни Количество разрядов Средняя сила тока, кА Максимум, кА Минимум, к А

2009 год

9 09.янв 11 -21.55 -12 -32

12.янв 111 -5.42 185 -149

14.янв 27 -16.15 219 -128

17.янв 4 -15.25 -12 -18

19.янв 1 14.00 14 14

23 29.окт 188 -1034 61 -50

ЗО.окт 45 -16.53 33 -79

3 16.ноя 2 -9.00 -9 -9

26.ноя 364 -34.70 193 -296

27.ноя 8 -26.88 -8 -43

6 10. дек 1 -5.00 -5 -5

14. дек 4 15.50 64 -86

19. дек 5 26.80 97 -35

20.дек 1 -6.00 -6 -6

ЗО.дек 1 -11.00 -11 -11

31 .дек 265 -8.51 94 -185

Общий итог 386779 -16.62 345 -356

Таблица 2 - Фрагмент базы данных облачных разрядов в 2009...2010 гг. в

зоне работы грозорегистратора LS 8000._

__2009 год

Январь

оэ о о а.

о а.

L=.

а с ч н с.

о —

-я-

о -

с.

Февраль

Март

Анализ собранных данных показывает следующее: сезонный ход (рисунок 2) свидетельствует, что наибольшее число дней с грозой по региону наблюдается с первой декады июня до начала августа. При этом как в 2009г., так и в 2010 г. после максимума грозовых дней наступает более 30 дней без гроз, затем в сентябре наблюдаются практически ежедневно грозы, прекращающиеся к концу первой декады октября (рисунок 2 а, б).

б)

Рисунок 2 — Динамика количества наземных разрядов N в дни с грозами на территории юга Европейской части России в 2009 г. (а) и в 2010 г. (б).

Помесячные изменения в течение 2009 и 2010 гг. количества наземных разрядов приведены на рисунке 3.

Как видно из рисунка 3, здесь тоже прослеживаются оба вышеуказанные максимумы: первый - в июле, второй, меньшей амплитуды, - в сентябре месяце. Амплитуда грозоактивности по числу наземных разрядов в сентябре примерно на 30% меньше, чем июльский максимум.

Динамика изменений суммарного количества облачных разрядов (рисунок 4) примерно повторяет временной ход наземных разрядов. Однако второй максимум в распределении сезонных изменений количества облачных разрядов в сентябре месяце отсутствует. Причина такого хода количественных характеристик нами пока не установлена. Некоторые особенности указанных различий раскрывают отношение временного хода суммарного количества наземных разрядов и облачных разрядов.

160000 140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0

/ \ 41

/ 4 / V /А

// / \ / \\

-г-У ч

янв. фев. мар. апр. май июн. июл. авг. сен, окт. ноя. дек.

-2009г.--2010г.

Рисунок 3 - Изменения месячных значений числа наземных разрядов в

течение

- 2009 г. и---2010 г.

8000000 7000000 6000000 5000000 4000000 3000000 2000000 1000000 о

** \

V \

/ / \

/ \

— 1 / —----

/ / / / / # ^ / & & & & к^ ♦ ^ * * $ £ £ / £

-2009г.---2010г.

Рисунок 4 - Изменения месячных значений облачных разрядов - в 2009 г. и---2010 г.

Важной характеристикой грозоразрядной деятельности в облаках является соотношение между количествами наземных и облачных разрядов молнии за определенный период времени, например, за время грозового цикла облака или за грозовой день. На рисунке 5 приводится отношение количества облачных разрядов к количеству наземных разрядов за грозовые сутки в 2009-2010 гг. Как видно из этого рисунка, отношение месячного количества облачных и наземных разрядов меняется в достаточно широких пределах: от 0,2 до 104,7 при среднегодовом значении — 9,2 в 2009 г. и 30,3 в 2010 г. Данное соотношение означает, что при грозовых процессах на один наземный разряд приходятся десятки облачных разрядов. Полученное

I значение указанного отношения превышает ранее определенное с использованием радиолокационного метода в 2... 10 раз в зависимости от интенсивности грозы. По-видимому, данный факт объясняется чувствительностью применяемого в Ь88000 оборудования. Мощность электромагнитного излучения молниевого разряда зависит от нейтрализуемого электрического заряда и времени его нейтрализации. Поэтому для регистрации слабых мелкомасштабных облачных разрядов требуется аппаратура с большей чувствительностью. При этом увеличение чувствительности аппаратуры будет приводить к возрастанию количества регистрируемых за грозовые сутки облачных разрядов молнии.

За период с 2009 г. по 2012 г. собрано достаточно большое количество информации о значениях токов молний облако-земля разной полярности (таблица 3).

1<ш 120 100 80 60 40 20

/ / / / > / / / / / / /

-2009г.---2010г.

Рисунок 5 - Динамика изменений по месяцам отношения количества облачных и наземных разрядов.

- 2009 г. и---2010 г.

Таблица 3 — Статистика зарегистрированных разрядов различных типов в

2009-2012 годы._ _

Годы Всего разрядов Облачные разряды Наземные разряды

2009 8 093 254 7 420 266 672 988

2010 5 965 371 5 453 084 512 287

2011 6 904 040 5 927 688 976 352

2012 10 061 634 9 677 760 1 383 874

Всего в 2009-2012 гг. было зарегистрировано 31024299, в том числе облачных разрядов 28478798, наземных - 3545501.

Созданная база данных была использована для определения характерных для Северного Кавказа параметров молний, используемых при проведении работ по молниезащите различных объектов.

Перечень параметров разряда молнии, используемые в расчетах защиты высоковольтных линий и подстанций от грозовых перенапряжений включает:

- амплитуду и крутизну тока;

- длительность импульса и длительность фронта;

- полярность разряда;

- среднегодовую плотность ударов молнии в поверхность земли и др.

Поскольку вероятностные распределения параметров молний могут

существенно отличаться по районам, имеющим различные физико-географические характеристики, необходимо получить данные для конкретной местности. Не учет этого обстоятельства приводит обычно к занижению или неоправданному завышению уровней надежности грозозащиты, а следовательно, к экономическим потерям.

На рисунке 6 представлены распределения амплитуды тока первых компонентов наземных отрицательных разрядов молний зарегистрированные в различные периоды года (во время летних и осенне — весенних гроз — кривые 1 и 2 соответственно).

Как видно из рисунка 6, в осенне — весенние периоды года чаще отмечаются токи с меньшей амплитудой, чем в летний период.

Рисунок 6 - Распределение тока отрицательных молний в различные

периоды года

Используя методы математической статистики, нами найдены аналитические выражения кривых 1 и 2 в виде:

0,46-0,079х+3,805-КГ4х2 /|Л

у = е (1)

0,786-0,08*+2,9531 (Г4 х2 У = е (2)

Выражения (1) и (2) можно преобразовать в виде : lg у = а + Ьх + сх , где

а, Ь, с - численные коэффициенты.

Для вывода выражений (1) и (2) были выполнены расчеты с использованием методов математической статистики и программного пакета SPSS и Mathcad. В выражениях (1) и (2) у — вероятность Р; х — значение тока J в кА.

Полученные нами с использованием LS 8000 распределения токов молний достаточно хорошо согласуются с распределениями принятыми в руководстве международной организации по молниезащите СИГРЭ и с данными, полученными в ВГИ активно - пассивными радио - техническими средствами, средние расхождения значений токов при этом не превышает 10%. Вместе с тем следует отметить, что нет полного совпадения кривых распределения токов молний, полученных в других регионах, например в Ленинградской области и Карелии. По - видимому, это связано, во—первых, с индивидуальными особенностями характеристик молний в районах с различными орографией и широтой и подтверждает необходимость исследований параметров молний для конкретных местностей, на которых планируются молниезащитные мероприятия; во — вторых, с особенностями регистрации различными методами. Данные, полученные методами прямого осциллографирования и магнитозаписи, а также антенно-оптическим методом (здесь расстояние до разряда определяется по регистрации светового излучения), а следовательно и построенные по ним вероятностные распределения будут отличаться от выборок и соответственно распределений, полученных антенно - радиолокационным методом.

Полученные с использованием грозорегистратора LS 8000 значения тока молнии позволяют выявить основные факторы, влияющие на получаемые характеристики распределений JM. К ним относятся орографические и климатические условия, высота местности над уровнем моря: тип подстилающей поверхности, тип объекта (сосредоточенный или протяженный). Как видно из рисунка 6, климатические условия - сезон развития гроз в определенной степени отражаются на распределениях тока молнии.

Для формирования представлений о процессах разделения электрических зарядов в облаках и молний большой интерес представляет классификация разрядов молний на положительные и отрицательные в зависимости от нейтрализуемого электрического заряда. Полярность молнии определяется тем зарядом, который молния доставляет к земле.

Принято, что для умеренных широт, в том числе практически для всей территории России, примерно 90% молний отрицательные. Выполненный нами анализ соотношения количества положительных и отрицательных

молний, зарегистрированных грозорегистратором ЬБ 8000 за 2009 - 2012гг. указанное соотношение не подтверждает. Соотношения количества отрицательных молний к количеству положительных варьируется в пределах от 1,5:1 до 2,3:1. То есть отрицательные молнии составляют примерно 60 - 70% от всех наземных разрядов. Объем исследуемой выборки составляет около 60 тыс. случаев для положительных молний.

На рисунке 7 приводится статистическое распределение частот возникновения положительных разрядов молний Р(Л+) линия тренда (сплошная линия) для территории Северного Кавказа. Объем исследуемой выборки около 3 -104 разрядов молний. Распределение тока молний положительной полярности с высокой точностью может быть аппроксимировано выражением

„-0,1+1,5961пх-0,2971п2х

= (3)

где а=-0,1; Ь= 1,596; с=-0,297 - численные коэффициенты.

Для выражения (3) коэффициент детерминации

И2 равен 0,9987.

Самый слабый и частый (2688 случая) импульс измеренной силы тока составляет ЮкА. Самый сильный - ЗПкА. Мода равна ЮкА, медиана, расположенная в середине нашего упорядоченного вариационного ряда, делящая его на две равные части, равна 17кА, среднее значение силы тока соответствует 23кА. Дисперсия исследуемых сигналов — степень рассеяния вокруг среднего их значения - равна 304,05(кА)2, а среднеквадратическое отклонение - 17,458кА. Сумма всех положительных сигналов выборки составляет 722901кА. Размах выборки, т.е. разница между максимальным и минимальным полученными сигналами, равен 301кА.

3000

Рисунок 7 - Распределение токов молний положительной полярности

Объем исследуемой выборки составляет 31534 регистрации. На рисунке 8 приводится статистическое распределение частот возникновения отрицательных разрядов молний Р(Л.) линия тренда (сплошная линия) по Северному Кавказу. Их распределение хорошо аппроксимируется выражением:

„1,45+0,5051пл-0,П51п2л:

= (4)

Или в общем виде:

, , ч а+£>1пх+Ь1п^х 1п Р^ _) = е ,

где а=1,45; Ь=0,505; с=-0,115 - численные коэффициенты.

Рисунок 8 - Распределение токов молний отрицательной полярности

Для выражения (4) коэффициент детерминации Я2 равен 0,9191. Самый слабый импульс измеренной силы тока составляет 4 кА. Самый сильный - 210 кА. Мода равна 9 кА, медиана, расположенная в середине нашего упорядоченного вариационного ряда, делящая его на две равные части, равна 14 кА, среднее значение силы тока соответствует 16,8019 кА. Дисперсия исследуемых сигналов - степень рассеяния вокруг среднего их значения — равна 140,648 (кА)2, а среднеквадратическое отклонение 11,595 кА. Сумма всех отрицательных сигналов выборки составляет -530287 кА. Размах выборки, разница между полученным максимальным и минимальным сигналами, - 206 кА.

Кривые, представленные на рисунках 7 и 8, характеризуют токи молний различной полярности. Например, из них следует, что с

вероятностью не менее 10% токи положительных молний превосходят 100 кА, а отрицательные - 70 кА. В настоящее время не вполне ясно, почему такое различие между значениями токов разной полярности. Молния с током 200 кА настолько редки, что вероятность их возникновения не превышает 2%.

Полученные аналитические выражения для распределений токов молний положительной (рисунок 7) и отрицательной (рисунок 8) полярностей, формулы (3) и (4), соответственно, воспроизводят их экспериментальные распределения со средней точностью около 5%, что является достаточно хорошим воспроизведением полученных данных, хотя выражения получились достаточно сложными. В общем, указанные экспериментальные данные воспроизводятся гамма - распределениями вида

к-1 е 6

/(*) = *

вкГ(к)'

где Г(к) - гамма - функция, к и 0 - параметры распределения.

При известных значениях к и 0 выражение (5) можно записать в виде

/(*) = А-ха -е Рх ^

Для распределения токов молний положительной полярности (рисунок 7) нами получено аналитическое выражение в виде гамма - функции

F(J+) = 48-х2>64-е-°>21х (?)

которое воспроизводит экспериментальные данные со средней точностью около 10%, что хуже, чем выражение (3).

Важным параметром, необходимым для правильного планирования и проведения молниезащитных мероприятий является время нарастания волны тока (тф) при разрядах облако - земля. По наши результатам измерений с использованием грозорегистратора LS 8000 построены статистические распределения их значений для отрицательных (кривая 1) и положительных (кривая 2) молний (Рисунок 9).

Их распределения с достаточно высокой точностью аппроксимируются выражениями:

Л,998+0, ОЗЗх-0,00136л:2

N = ee (8)

„1,981+0,015*-0,00045*2

N = ее (9)

-Экспериментальная кривая 1 -Экспериментальная кривая 2 - Расчетная кривая 1 -Расчетная кривая 2

Рисунок 9 - Время нарастания сигнала т (мкс)

Точность воспроизведения экспериментальных данных выражениями (8) и (9) составляет также около 5%. Выражение для их воспроизведения являются довольно громоздкими. Если пренебречь точностью воспроизведения, приведенные на рисунке 9 экспериментальные данные можно аппроксимировать гамма — распределениями вида:

. 3,27 -0,25г

1\/(т) = 44-х ' -е

(10)

, _.„ 2,14 -0,23г Ы(т) = 540-х ' ■е

(П)

Выражение (10) для отрицательных молний, (11) — для положительных молний. Точность воспроизведения экспериментальных данных выражениями (10) и (1 1) составляют 12%.

Как видно из рисунка 9, значения тф меняются от 1 до 50 мкс. При этом средние ее значения для отрицательных и положительных молний составляют 8 и 13 мкс соответственно.

Полученные результаты достаточно хорошо согласуются с измерениями Бергера осциллографическим методам и свидетельствует, что в зависимости от знака разряда молнии значение тф меняется и это изменение в среднем на 5 мкс.

Третья глава посвящена исследованию параметров молниевых разрядов. В частности, определению динамических характеристик токов молниевых разрядов, исследованию ориентации каналов распространения наземных молний, а также разработке рекомендаций по защите различных объектов от воздействия молний.

Основные поражающие факторы молнии определяются следующими параметрами импульса волны тока:

1. Амплитудой тока молнии /тах.

2. Крутизной тока молнии

Ф = — «^Пах, (12)

тф

где /тах - амплитуда импульса тока молнии;

Тф - время нарастания тока - время изменения тока в канале молнии от О до /тах;

I-ток;

? - время

3. Удельной энергией импульса тока

оо ~

\у=и& (13)

4. Нейтрализуемым импульсом разряда молнии электрическим зарядом

оо

е=//(ол (И)

5. Временем спада волны тока - /с - это время в течение, которого ток в канале молнии изменяется от /тах до 0.

6. Длительность импульса тока гв.

Для расчетов токов молнии используются выражение:

'(0 = /щах(е 1 ~е 2) О5)

Вышеприведенные параметры меняются в зависимости от места, климатических особенностей района и орографии местности. Для их определения используется различные радиотехнические средства и методы расчета.

В данной работе для определения параметров тока молнии на Северном Кавказе использованы данные, полученные грозорегистратором ЬБ 8000 установленным в Высокогорном геофизическом институте.

Анализ базы данных позволил найти средние значения амплитуды токов /тах, времени нарастания Гф и времени спада тс волны тока в каналах молний различных полярностей.

Анализ данных также показал, что для отрицательных молний:

/тах=16,8кА

Тф=11,6мкс (16)

гс=26,6 мкс

Для положительных молний:

Лпах-22,9 кА

Тф=\Ъ,Ъ мкс (17)

тс=22,4 мкс

Используя базу данных и полученные значения параметров молний различной полярности (16) и (17) методами математической статистики нами найдены выражения для токов молний.

Для токов отрицательных молний получили функцию приближения

а\ -Ы

1отрицЦ) = С\'1 ~е > (18)

где С,=0,040351, а, =4,425217 и Ь, =0,416271.

На рисунке 10 приведены экспериментальные значения тока молнии отрицательной полярности (кривая 1) и значения функции (18). Имеет место достаточно хорошее совпадение экспериментальных и теоретических значений импульсов токов отрицательной полярности.

Для токов положительных молний получили функцию приближения

, Л „ а? -Ъ^П

1полож^ = С2-( -е , (19)

где С2 = 0,124844, а2 = 3,456659 и Ь2 = 0,283944.

На рисунке 11 приведены экспериментальные значения тока молнии положительной полярности (кривая 1) и значения функции (19). Как видно из рисунка 11, имеет место достаточно хорошее совпадение экспериментальных и теоретических значений

18 -г 16 -И -П -■ С 10 -

3 -6 -

4 ..

2 -0 -■ о

—•— Экспериментальная кривая Расчетная кривая

Рисунок 10 - Стилизованная кривая импульса тока первого компонента отрицательной молнии.

Экспериментальная кривая - экспериментальные данные,

Расчетная кривая - график функции (18) с параметрами С|=0,040351, а,=4,425217 и Ь, =0,416271.

О -I-1-1-1-1-1-1-1-1

О 5 10 IS t 20 25 ЗО 35 HO

-*- Экспериментальная кривая

Расчетная кривая

Рисунок 11 - Стилизованная кривая импульса тока первого компонента положительной молнии.

Экспериментальная кривая - экспериментальные данные, Расчетная кривая - график функции (19) с параметрами С2=0,124844, а2=3,456659 и Ь2 = 0,283944

В выражениях (18) и (19) коэффициенты в показателях ехр имеют размерность мкс"1 Размерность численных множителей cf- кА, a t - мкс.

Для расчета первого импульса разряда молнии, приносящего на землю отрицательный заряд, используется следующее выражение:

r / ~at -Рк j -yt

I(t) = IQ(e -e и ) + Ixe (20)

Параметры Iq, а и /? выбраны таким образом, чтобы иметь наиболее реальные времена нарастания тока, максимальный ток и время спада тока до

половины максимального значения. Параметры 1\и у выбраны так, чтобы получить близкий к реальному промежуточный ток. Используются следующие параметры для первого импульса, приносящего на землю отрицательный заряд:

а = 2,0-104с"'; /? = 2,0-105с"'; /« = 30 кА, а для последующих импульсов

а = 1,4- 104с"'; /? = 6,0-10бс"1; It)= 10 кА. Приемлемыми параметрами для промежуточных токов являются

у = 1,0-103 с"1; /,= 2,5 k А Их сравнение с выполненными нами расчетами свидетельствует о хорошем совпадении. При этом следует отметить, что в отличие от раннее предложенных выражений наши значения J(t) получены с учетом знака разряда молнии, что очень важно для понимания физики грозового электричества.

Следует отметить, что в исследованиях по физике молний нет достаточных сведений, касающихся длины канала разряда молнии и ее угловых ориентации. Нами для оценки угловых распределений направлений каналов молний относительно вертикального направления облако-земля были использованы архивные данные фотографий молний ВГИ, собранные в интернете и др. Для определения угла отклонения молнии от вертикали р на фотографиях молнии от видимой высшей точки молнии в облаке (о) проводилась прямая линия до точки А — точки удара молнии в землю. Угол (3, угол отклонения молнии от вертикали, определялся как абсолютное значение разности углов между отрезком ОА и вертикалью.

¿р =

90° -а

(21)

Были собраны фотографии более 500 молниевых разрядов на землю. При этом по внешним признакам молнии могут быть разделены на несколько типов: ленточная, зигзагообразная, разветвленная, многократная.

Обработанная указанным способом информация была сформирована в виде данных, фрагменты которых представлены в таблице 4. В таблице приведены определенные по фотографиям молний угол а - угол между горизонтом и линией, соединяющей начало и конец траектории молнии, угол р - вычисляемое по формуле (21), средняя видимая длина канала молнии. Последняя определялась при наличии рядом с молнией объекта с известными размерами. Например, Останкинская телебашня (около 500 м), деревья (4 м), здания (4 п, где п - количество этажей) и т.д. Как видно из таблицы 4 среднее отклонение канала молнии от вертикали составляет около 15° при средней длине видимой части наземного разряда около 3,5 км.

Таблица 4 - Значения угла наклонов молнии а, угла отклонения от

№№, пп а Р км

1 62 28 4.2

2 86 4 3,2

3 92 8 3,0

4 70 20 -

5 105 15 -

6 72 18 -

7 81 9 4.8

8 62 28 -

9 59 31 -

10 109 19 2.5

11 94 4 2,8

12 89,4 1,6 -

500 81 9 3,0

Среднее значение 81,1 15.0 3,5

Вероятность поражения наземных объектов молниями определяется интенсивностью грозовой деятельности в той местности, где они расположены, и их геометрической конфигурацией

N = f(T,L,h,D), (22)

где N - число поражений наземного объекта разрядами молнии за один год; Т - интенсивность грозовой деятельности на рассматриваемой территории; L, h, D - геометрические размеры объекта.

Интенсивность грозовой деятельности принято определять общей продолжительностью гроз на территории в часах в течение года - Тч или количеством грозовых дней в году на рассматриваемой территории TD. Между Тч и TD имеется корреляционная взаимосвязь, определяемая выражением:

Тц=а.тР, (23)

где а и (3 — численные коэффициенты, зависящие от местоположения рассматриваемой территории.

Обобщенный показатель - среднее число ударов в год (п) на 1 км2 поверхности земли, зависящее от интенсивности грозовой деятельности. Согласно исследованиям

п- у • Ту и п = Ь-Тр , (24)

где у, а, Ъ и К- численные размерные коэффициенты.

Грозопоражаемость (п) территории Северного Кавказа характеризуется значительной неоднородностью. В различные годы среднее ее значение составляет от 2 до 4 уд.км"2 в год. При этом в зависимости от орографии местности по территории варьируется от 3 до 10 уд.км"2-в год. Среднегодовая продолжительность гроз составляет от 80 до 150 часов. Приведенные значения характеристик грозовой деятельности на Северном Кавказе получены впервые. Их учет при организации молниезащиты различных объектов позволит повысить их безопасность.

Количество поражений различных объектов молниями в течение года зависит от грозовой активности над рассматриваемой территорией. При отсутствии инструментальных наблюдений обычно используют соотношение вида (23), (24), где Т - среднегодовая продолжительность гроз в часах над рассматриваемой территорией, а ив — численные коэффициенты, характерные для данной территории.

Для Северного Кавказа получено выражение

п = а-Т, (25)

где а = 0,3 год/(км2-час).

Такой подход при определении среднегодовой поражаемости поверхности земли молниями п не позволяет учитывать отмеченные факты разной поражаемости земли при различии физико-географических

особенностей. Поэтому нами для расчетов поражаемое™ различных объектов молниями были использованы конкретные измерения и и/.

Результаты расчетов приведены в таблице 5. Из таблицы следует, что линии электропередач, здания высотные объекты и др. в горной части значительно чаще поражаются молниями, чем в степной зоне. Так, 100 километровая линия электропередачи, например, ВЭЛ Ставрополь-Сочи, поражается более 2 раз разрядными молниями в течение года. Другой объект - телебашня в г. Нальчике - в 10 лет один-два раза подвержена удару молнии.

Таблица 5 - Поражаемость различных объектов молниевыми разрядами на территории Северного Кавказа.__

№№ пп Объекты Горная часть Степная часть

средняя максимум средняя максимум

1 Здания и сооружения: высота 40 м, длина 100 м, ширина 20 м 1,6 4 0,4 1

2 Высоковольтные линии электропередач: длина 100 км, высота подвеса электропроводов 5 м. 0,63 2,1 0,42 0,84

3 Одинокие высотные сооружения (трубы, телевизионные мачты) высота: 20 м 300 м 10"2 0,15 3,6-10'2 0,54 0,72-10"2 10 1 1,4-10"2 2,1 101

В заключение диссертационной работы сформулированы основные результаты и выводы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Показано, что электрические и микрофизические процессы в конвективном облаке являются взаимосвязанными и взаимообуславливающими составляющими облако - и осадкообразования.

При этом разделение электрических зарядов является следствием микроструктурных преобразований в облаке, а также столкновением кристалликов льда, переохлажденных капель воды и градовых частиц.

2. Для анализа статистических данных параметров создана база данных параметров молний зарегистрированных на территории грозорегистратора ЬБ 8000. База собранной информации включает количество грозовых дней, количество разрядов различных типов — облако-земля, облачные, количество разрядов различных типов за грозовой день; значения токов молнии, продолжительность нарастания и спада волны наземных разрядов.

3. Выполнен анализ суточных и сезонных вариации грозовой активности на территории юга Европейской части России. Наибольшее число дней с грозой по региону наблюдается с первой декады июня до начала августа. Как правило, прослеживается два максимума в сезонных вариациях грозовой активности. Первый - в июле, второй, меньшей амплитуды, — в сентябре. Амплитуда грозоактивности по числу наземных молний в сентябре примерно на 30% меньше, чем июльский максимум.

4. Получены количественные соотношения между различными характеристиками грозовой активности. Отношение месячного количества облачных и наземных разрядов молний меняется в достаточно широких пределах в зависимости от грозовых процессов от 0,2 до 104,7 при среднегодовых значениях 9,2.. .30,3.

5. Построены физико — статистические модели временных изменений токов наземных разрядов молний. Для проведения инженерных расчетов по молниезащите получены точные значения распределения токов и времени нарастания и спада волны тока молний различной полярности.

6. Выделены и охарактеризованы основные среднестатистические значения параметров молнии, характерные для различных районов Северного Кавказа. Получено, что среднее значение импульса разряда молнии, приносящего на землю отрицательный разряд, составляет 16,8 кА. Для положительных разрядов молний среднее значение амплитуды тока составило 22,9 кА.

7. По более 500 фотографиям исследовано отклонение от вертикали каналов наземных разрядов молнии. Получено, что среднее отклонение канала молнии от вертикали составляет около 15°.

8. Выполнен анализ регистрации времени нарастания волны тока при разрядах облако земля. Построены распределения их значений по более 3000

регистрации Ь8 8000, их значения варьируются от 1 до нескольких десятков мкс. (50 мкс).

9. Получены распределения токов различной полярности и характеристики распределений. Сделаны сравнения полученных данных с измерениями других методов.

Построены распределения времени нарастания волны токов в положительных и отрицательных молниях. Найдены аппроксимирующие их аналитические выражения.

10. Сделаны расчеты поражаемости различных объектов молниями на территории юга Европейской части России. Показано, что линии электропередач, здания, высотные объекты и др. в горной части региона значительно чаще поражаются молниями, чем в степной зоне. Так каждые 100 км линии электропередач в год поражаются молниями 2 раза. Полученные результаты позволят улучшить качество молниезащитных мероприятий различных объектов для территории Северного Кавказа.

11. На основе выявленных закономерностей грозовой активности и значений параметров молний на территории Северного Кавказа сформулированы следующие рекомендации по молниезащите различных объектов:

а) Для расчета характеристик нелинейных ограничителей грозовых перенапряжений в электрических сетях предполагается использовать следующие среднестатистические значения параметров молний:

• амплитуда тока молнии отрицательной полярности 16,8 кА и

22,9 кА для положительной полярности;

• время нарастания волны тока 11,6мкс для отрицательных

молний и 13,3мкс для положительных молний.

б) Для расчета поражаемости зданий и сооружений предполагается следующие удельные поражаемости земли молниями:

• для горной части 4удара/год-км2;

• для равнинной и горной части 2удара/год-км2.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В

РАБОТАХ:

1. Аджиев, А.Х. Определение динамических характеристик токов молниевых разрядов/А.Х. Аджиев, A.A. Аджиева, JI.B. Думаева// Известия высших заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки №6 (166) 2011г. С. 27-30.

2. Думаева, Л.В. Аналитические выражения для расчетов токов молниевых разрядов. Доклады Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы. Нальчик, 24-28 октября 2011г. С. 149- 157.

3. Думаева, Л.В. Аналитические выражения для расчетов токов молниевых разрядов. Тезисы Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы. Нальчик, 24-28 октября 2011г. С. 69-70.

4. Думаева, Л.В. Расчет тока молний различной полярности/Л.В. Думаева, P.A. Гятов //VII Всероссийская конференция по атмосферному электричеству. Сборник трудов. Том 2. Санкт-Петербург, 24-28 сентября 2012г. С. 14-16.

5. Аджиев, А.Х. Динамические характеристики токов молниевых разрядов/А.Х. Аджиев, A.A. Аджиева, Л.В. Думаева //Доклады Адыгской (Черкеской) Международной Академии Наук, 2012, Т. 14 №3, — 65 с.

6. Лиев, К.Б. О точности радиолокационных измерений суммарного количества атмосферных осадков на территории Кабардино-Балкарии по данным 2010 - 2011 годов/ К.Б. Лиев ,В.С. Инюхин, Л.М. Долова, Л.В. Думаева //Всероссийский Научно - Аналитический Журнал. Инженерные Изыскания №8, 2012г. С. 50-57.

7. Аджиев, А.Х. Анализ грозовой активности на территории Западного Кавказа по данным инструментальных регистрации и наблюдений на метеостанциях (статья)/А.Х. Аджиев, З.М. Князева, Л.В. Думаева //Журнал «Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН», 2013, №3(53). С.31-37.

8. Аджиев, А.Х. Система грозорегистрации на Северном Кавказе/А.Х. Аджиев, A.M. Абшаев, Л.В. Думаева, P.A. Гятов //Davos Atmosphere and Cryosphere Assembly 2013, Air, Ice & Process Interactions, An IUGG (IAMAS & IACS) Event, July 8-12, 2013.

9. Аджиева, A.A. Эмпирическая модель возвратного удара молнии/А.А. Аджиева, Л.В. Думаева, Х.А. Тумгоева //Всероссийская научно-практическая конференция «Новые технологии в науке о Земле», г. Новый Афон (Абхазия) База КБГУ, 13-21 сентября 2013г.- С.24-26.

Личный вклад соискателя по перечисленным работам может быть охарактеризован следующим образом:

- работы 6-9 выполнены на паритетной основе;

- работы 2 ,3 выполнены лично автором;

- в работах 1 ,4, 5 экспериментальная часть выполнена совместно, анализ результатов принадлежит соискателю.

Сдано в набор 15.09. 2013. Подписано в печать 16.09. 2013. Гарнитура Тайме. Печать офсетная. Формат 60x84 'л6. Бумага писчая. Усл. п.л. 1,5. Тираж 100 экз.

Отпечатано ООО «Печатный двор»

360000, г. Нальчик, ул. Калюжного, 1

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Думаева, Ляна Владимировна, Нальчик

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА РОССИИ ПО ГИДРОМЕТЕРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ВЫСОКОГОРНЫЙ ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

УДК 551.594

04201363221

Думаева Ляна Владимировна

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-СТАТИСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

МОЛНИЙ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ

Специальность 25.00.30 - Метеорология, климатология, агрометеорология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор А.Х. Аджиев

На правах рукописи

Нальчик, 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ........................................................................... 3

Глава 1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОЦЕССАХ

ЭЛЕКТРИЗАЦИИ ОБЛАКОВ И РАЗРЯДОВ МОЛНИИ...... 10

1.1. Развитие конвективных облаков..................................... 10

1.2. Молния и конвективные облака...................................... 27

1.3. Токи разрядов молний.................................................. 41

1.4. Факторы воздействия грозовых явлений на объекты жизнедеятельности человека.......................................... 48

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПАРАМЕТРОВ МОЛНИЕВЫХ РАЗРЯДОВ.................... 58

2.1. Аппаратно-программный комплекс для измерения и передачи параметров молниевых разрядов на базе сети грозорегистраторов Ь88000.......................................... 58

2.2 Экспериментальные данные параметров молний и методы

их анализа................................................................. 70

2.3 Определение параметров молниевых разрядов с использованием грозорегистратора ЬБ 8000 ..................... 83

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МОЛНИЕВЫХ

РАЗРЯДОВ............................................................... 95

3.1 Определение динамических характеристик токов молниевых разрядов................................................................... 95

3.2 Исследование ориентации наземных разрядов молний по фотоснимкам............................................................. 104

3.3 Защита от молний при проектировании различных объектов. 110

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................... 129

ЛИТЕРАТУРА........................................................... 132

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время, с появлением исследовательской аппаратуры нового поколения, в физике грозового электричества наибольший интерес исследователей вызывают инструментальные исследования параметров молний и грозовой активности активно-пассивными радиотехническими средствами, сочетающие с современными информационно-аналитическими средствами. Это связано с возрастанием требований к эффективности защиты объектов жизнедеятельности человека от воздействия грозовых явлений: разрядов молний, повышенных электрических полей, электромагнитного излучения и т.д. В этой связи представляются актуальными исследования, направленные на установление закономерностей формирования грозового электричества, определения основных физико-статистических параметров молний, пространственно-временных вариаций грозовой активности над различными территориями. Для решения практических задач по организации защиты различных объектов от воздействия молний важны для конкретных территорий точные значения токов молний, крутизны токов молний и удельная грозопоражаемость территории молниями. Практическая ценность таких работ вполне очевидна, так как с развитием наукоемких технологий в различных отраслях: авиации, энергетики. Информации и др. растет зависимость эффективности бесперебойной работы современного оборудования от воздействия внешних факторов, обусловленных опасными метеорологическими явлениями. Общетеоретическая значимость исследований в этом направлении заключается в формировании нового взгляда на сущность грозовых явлений, что

позволит углубить знания о них, возможно, перейти на качественно новую ступень их изучения.

Целью работы является экспериментальное и теоретическое исследование физико-статистических параметров молний, характерных для Юга Европейской части России.

Выделены следующие задачи исследования:

2.Выполнить анализ суточных и сезонных вариаций грозовой активности на территории Юга Европейской части России на основе инструментальных наблюдений.

3. Провести физико - статистический анализ модели временных изменений токов наземных разрядов молний.

6. Исследовать ориентацию каналов наземных молний в атмосфере.

Научная новизна диссертационного исследования состоит в следующем:

1. Предложен новый подход к использованию грозорегистрационной системы Ь8 8000 для определения используемых в грозозащите параметров молний, характерных для территории Северного Кавказа.

5. Оценены отклонения от вертикали каналов распространения наземных разрядов молний.

Апробация полученных результатов

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-практических конференциях:

1. III Российская конференция по молниезащите, г.С.-Петербург, 2012.

2. VII Всероссийский симпозиум по атмосферному электричеству, г.С.Петербург, 2012.

3. Международная научно - практическая конференция «Проблемы развития современного общества. Экономика. Социология. Философия. Право. (Саратов, 2010 г.).

4. Итоговая (межвузовская) научная конференция студентов и молодых

ученых, Терскол, 2011.

5. На конференции молодых ученых ФГБУ «ВГИ» 2013г.

6. На семинарах ФГБУ «ВГИ» и ФГАОУ ВПО «КБГУ».

Публикации по теме диссертации:

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, 4 из которых - в центральных рецензируемых журналах «Известия вузов Северного Кавказа», «Доклады адыгской международной академии наук», «Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН», «Всероссийский Аналитический Журнал. Инженерные Изыскания».

В 2010-2012 годах исследование было поддержано Минобрнаукой РФ грантом «Изучение взаимосвязи процессов облако- и осадкообразования с электрическими явлениями в конвективных облаках активно-пассивными радиотехническими средствами» Государственного контракта № П782 от 24 мая 2010 г.

Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс в Кабардино-Балкарском госуниверситете в рамках преподавания на кафедре высшей математики курса математического анализа.

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

1. Результаты исследования суточных и сезонных вариаций грозовой активности на территории Юга Европейской части России с использованием грозопеленгационной сети Ь88000.

2. Построенная физико - статистическая модель временных изменений значений токов наземных разрядов молний.

4. Результаты определения отклонения от вертикали каналв распространения наземных разрядов молний.

5.Разработанные рекомендации по проведению молниезащитных мероприятий различных обьектов на территории Северного Кавказа.

Научное и практическое значение диссертационной работы.

а) в расчетах внутренних перенапряжений в электрических сетях, 6-750 кВ, обусловленных грозовыми явлениями для выбора характеристик нелинейных ограничителей перенапряжения;

б) при разработке рекомендаций по защите различных зданий и сооружений от поражения молниевыми разрядами.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературных источников, содержащего 141 наименований. Объем рукописи 142 страница машинописного текста. Диссертация включает 42 рисунка, 10 таблиц.

Содержание работы

Во введении актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, показана новизна научной работы и приведены основные положения, выносимые на защиту. Дана краткая аннотация разделов диссертации.

значения разрядов молний, полученные с использованием грозорегистратора Ь88000.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.

Личный вклад соискателя

Лично автором проведен сбор экспериментальных многолетних данных, характеризующих грозовую активность на северном Кавказе и параметры молний различных типов и все представленные в диссертационной работе расчеты. Проведено сравнение полученных результатов экспериментальных исследований, с результатами выполненных автором теоретических расчетов. Основные выводы и положения диссертационной работы сформулированы лично автором.

Глава 1

ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОЦЕССАХ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ ОБЛАКОВ И

РАЗРЯДОВ МОЛНИИ

1.1 Развитие конвективных облаков

Конвективные облачные системы представляют собой сложную термодинамическую и микрофизическую систему с множеством прямых и обратных связей. Кучевые (Си) и кучево-дождевые облака (рисунок 1) возникают согласно исследованиям [1-3] в результате развития конвекции - вертикального движения воздуха. Конвекция может быть обусловлена плавучестью g', которая, если ее отнести к 1 кг массы поднимающегося воздуха, связана с перегревом (Т -Т') соотношением

Т-Т АТ аю

= = О)

(где со - вертикальная скорость, Т - температура массы, Т' - температура атмосферы на том же уровне), либо динамическими причинами - конвергенцией потоков, например у фронта или у границы поверхностей с разной шероховатостью, либо вынужденным подъемом воздуха по склонам гор. Конвекция первого вида называется свободной, последующих видов -вынужденной.

Элементами конвекции (их часто называют «термиками») могут быть либо «пузыри» - отдельные, приблизительно шарообразные массы воздуха - либо струи, вертикальные или наклонные, связанные с более нагретыми участками

земной поверхности. В среднем в струях А71 = 0,20 °С, в пузырях АТ - 0,17 °С, а наиболее часто встречающиеся их размеры - 70 и 60 м соответственно [4], хотя возникают и гораздо более крупные элементы конвекции. С термиками свободной конвекции, конечно, связана и сильная мелкомасштабная конвергенция потоков

вблизи них. Она, однако, существенна, отлична от более обширной, хотя и значительно более слабой конвергенции, создающей вынужденную конвекцию.

б)

Рисунок 1 - Фотографии развивающегося кучевого облака через 5 минут (фото автора). Заметно увеличение высоты облака.

Там, где термик - пузырь или струя - достигает уровня конденсации, зарождается облако. Развитие и форма таких облаков хорошо характеризуют процесс их образования.

Развитию конвекции способствует термическая неустойчивость атмосферы, когда вертикальный градиент температуры у = - с1Т/ ¿/г превышает адиабатический градиент уа (или псевдоадиабатический упа при наличии

конденсации). При у> уа АТ = Т - Т = Г0 - Г0 + (у - уа )г и, следовательно, и ускорение массы воздуха возрастают с высотой. Если в вышележащем слое уже у становится меньше уа, то в нем и АТ, и £ уменьшаются, пока на некотором уровне г^е обратятся в 0. Выше движение замедляется (Т <Т'), пока на высоте ъ2 не исчерпается накопленная кинетическая энергия и термик остановится. При этом могут даже возникнуть гравитационные колебания с так называемой частотой Брента - Вяйсяля

К = (2)

Движение, однако, может прекратиться значительно раньше за счет сопротивления воздуха, поскольку при этом

с/^ А Т у& 'о

Ш Т Гп

где V - коэффициент турбулентной вязкости, г0 - размер термика, С1 -коэффициент, для шара близкий к 8. Из формулы (3) ясно, что большие термики могут сохранять а»0, жить дольше и перемещаться выше, чем малые. Нагревание почвы под действием солнечного тепла, в результате которого, как правило, после полудня устанавливается у>уа, могут довольно быстро привести к образованию кучевых облаков.

Кучевые облака зарождаются обычно в виде мелких обрывков, а их неправильная форма указывает на то, что они образуются их турбулентных вихрей. Вскоре, однако, наиболее крупные оформляются в более плотные облачные массы с приблизительно горизонтальным основанием и клубящейся вершиной. Высота их основания над уровнем начала движения, на котором относительная влажность в термике была равна /0, приближенно равна

г*=-С18/0, (4)

где константа С слабо зависит от температуры и при -10 °С равна - 3,59 км, при 0 °С равна - 3,94 км, и при 10 °С равна - 4,32 км. Следует помнить, что поскольку /0<1, то ^/О<0. Так, при 0°С и /0=0,7 (т.е. 70%) =-0,155 и гк =0

Информация о работе

Думаева, Ляна Владимировна
кандидата физико-математических наук
Нальчик, 2013
ВАК 25.00.30

Диссертация

Исследование физико-статистических параметров молний различных типов - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы