Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Атмосферно-электрические явления на Северном Кавказе

Голосов: 0

Монография состоит из четырех глав. Первые три главы посвящены грозовому электричеству, методам и средствам его исследования. В четвертой и пятой главах приведены результаты исследований электричества приземного слоя атмосферы в высокогорных условиях. Монография рассчитана прежде всего на научных сотрудников, разрабатывающих проблемы физики грозы и электричества приземного слоя, а также на широкий круг исследователей, работающих в области атмосферного электричества. Она может служить также учебным пособием для аспирантов и студентов старших курсов соответствующих специальностей.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    и тому же значению Тg могут соответствовать на порядок различающиеся
значения N. Имеются также данные [64] о существенном различии N при
близких значениях Тч. Сказанное свидетельствует о необходимости оценки
плотности разрядов молнии в землю на основе регистрации самих разрядов, а не
гроз в целом. Их массовая регистрация представляет весьма сложную задачу,
тем более что соответствующая аппаратура серийно не выпускается.
     В      настоящее   время    развиты      два   способа определения    удельной
грозопоражаемости земли молниями. Первый основан на перерасчете в
плотность разрядов молнии в землю данных о грозопоражаемости различных
объектов (зданий, линии электропередач и т.д.) [64, 65].
     Второй способ определения удельной грозопоражаемости - основан на
регистрации разрядов молнии радиотехническими средствами [66]. Любой
счетчик независимо от амплитудно-частотной характеристики его входа как
пороговое устройство регистрирует как и наземные, так и облачные разряды,
мощность излучения которых превышает определенный, заранее заданный
уровень. Поэтому необходимо знать закон перехода от показания счетчика n к
удельной поражаемости N. В общем виде эту зависимость, как принято в [67],
можно записать
                                                       −1
                                    ⎡ ⎛ R ⎞2 ⎤
                                    ⎢1 + ⎜ 0 ⎟ z ⎥
                                         ⎜ ⎟
                                    ⎢ ⎝ Rз ⎠ ⎥
                                    ⎣            ⎦
                                 N=                         n,                    (1.9)
                                          πR32
где z - отношение плотности облачных и наземных разрядов молнии.
     Эффективный радиус действия счетчика для облачных R0 и наземных R3
определяется соотношением
                                               ∞                 1
                                       Ri = (2 ∫ x f ( x)dx) 2 ,              (1.10)
                                               0

где i = 3, 0; x- расстояние до места разряда; f(x) - рабочая характеристика
счетчика,    определяющая       долю    разрядов,     регистрируемых   прибором     на
расстоянии R, от общего числа разрядов на этом расстоянии.

                                                                                    21


     Таким образом, независимо от того, какой счетчик применяется для
получения информации о значении N для данного района, необходимо с
достаточной точностью знать его эффективный радиус действия R и
коэффициент селекции, определяемый выражением:
                                                     −1
                                   ⎡ ⎛ R ⎞2 ⎤
                                   ⎢1 + ⎜ 0 ⎟ z ⎥ .
                                        ⎜ ⎟                                    (1.11)
                                   ⎢ ⎝ R3 ⎠ ⎥
                                   ⎣            ⎦
     Проблема    разработки     удобного       и    удовлетворяющего   требованиям
практики счетчика разрядов молнии с классификацией на типы облако-земля и
облачные в настоящее время не считается разрешенной                    Подавляющее
большинство конструкций счетчиков разрядов молнии по существу являются
модификацией    счетчика       Пирса   [63],       рекомендованного    СИГРЭ     для
использования в различных точках земного шара.
     В России из аналогов счетчиков СИГРЭ нашел достаточно широкое
применение полупроводниковый регистратор гроз ПРГ, разработанный Главной
Геофизической обсерваторией им А.И. Воейкова [68]. Как и всякое пороговое
устройство, подобные счетчики обладают рядом недостатков, например,
срабатывание от промышленных помех, регистрация мощных разрядов,
находящихся на значительных удалениях от контролируемой территории, и
несрабатывание от слабых разрядов в этой зоне, а также отсутствие
классификации на типы разрядов.
     Для    правильного    и   экономического        решения   практических    задач
молниезащиты важно определить степень влияния на параметры молнии и
разрядной деятельности геологической структуры местности, ее орографии,
параметров облаков. Эта задача особо актуальна для Северного Кавказа,
характеризующегося значительной неоднородностью рельефа и интенсивным
строительством объектов. В настоящее время быстро растущее освоение горных
районов, где грозы наносят наибольший убыток, и высокая стоимость
грозозащитных мероприятий обуславливают актуальность решения задач с
изучением    комплекса    характеристик        закономерностей    пространственно-
временного распределения гроз для региона Северного Кавказа, а также
22


определения параметров молнии, используемых в молниезащите. Особый ущерб
наносится грозами линиям электропередач напряжением до 10 кВ. Линии
электропередач 6-10 кВ на территории Северного Кавказа образуют довольно
густую сеть и имеют низкий уровень молниезащиты. На основании анализа
опыта эксплуатации линий электропередач 6-10 кВ нами было установлено, что
их   грозопоражаемость   на   территории   Северного   Кавказа   значительно
варьируется. Грозопоражаемость в предгорных и горных районах в 3 раза выше,
чем в равнинных частях. Указанное различие при близком значении числа
грозовых дней позволяет сделать вывод, что грозопоражаемость принятая в
Руководящих указаниях по молниезащите [69], основанная на использовании
числа дней с грозой или продолжительности гроз, не достаточно оправдана и
может существенно варьировать даже в пределах такой относительно небольшой
территории.
     Таким образом, повышение качества расчетов молниезащиты требует
белее дифференцированной оценки параметров молний с учетом региональных,
климатологических и физических характеристик гроз. Решение данного вопроса
возможно на основе применения сети грозопеленгаторов-дальномеров, а также
комплекса аппаратуры, обеспечивающей определенные параметры молнии.
Подобная задача ранее решалась для Московской области, Азербайджана и
других районов страны. Для Северного Кавказа       практическая реализация
подобной задачи весьма актуальна. в связи со значительной орографической
неоднородностью и плотным расположением промышленных объектов.
     Исходя из изложенного в данном разделе можно сделать следующие
выводы:
     1. Максимальный заряд, возникающий в грозовом облаке, обусловлен
действием различных механизмов электризации, эффективность действия
которых проявляется по-разному, в зависимости от стадии развития облака. На
начальной стадии развития грозового облака имеет место интенсивный фазовый
переход воды, сопровождающийся нарушением контакта на гидрометеорах
между водой, льдом и воздухом, что приводит к электризации облачных частиц.

                                                                          23


На этой стадии основным механизмом электризации является контактная
электризация.
     2. Изучение закономерностей разделения электрических зарядов в облаках
не закончено, и требуются дополнительные экспериментальные и теоретические
исследования микрофизических процессов, которые приводят к возникновению
электрических полей, достаточных для развития молниевых разрядов.
     3.    Специальные радиолокационные     станции,   предназначенные для
обнаружения, исследования и контроля грозовых явлений в облаках, в
настоящее время не разработаны.
     Для этих целей представляется возможным использовать станции
обнаружения самолетов типа П-15 (30 см) и П-12 (2м) при определенной их
доработке и оснащении регистрирующей аппаратурой.
     4. Для эффективного решения задач грозозащиты различных объектов
требуются    более   дифференциальные     оценки    характеристик   грозовой
деятельности облаков при естественном их развитии и активных воздействиях на
основе рассмотрения динамики грозовых процессов, комплексного подхода к
оценке к учету факторов, влияющих на вероятность поражения территорий
разрядами молний. Решение данной задачи возможно на основе применения сети
грозопеленгаторов-дальномеров,     а    также      комплекса    аппаратуры,
обеспечивающей определение параметров молний.




          2. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
                   ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
                             ГРОЗОВЫХ ОБЛАКОВ
                2.1. Активно-пассивный радиотехнический комплекс

     Регион Северного Кавказа в весенне-осенний период характеризуется
интенсивной грозовой деятельностью, одной из самых высоких на территории
бывшего СССР. Поэтому на базе Высокогорного геофизического института
были организованы и в течение ряда лет проводятся наблюдения за грозами.
24


        Активно-пассивный радиотехнический комплекс (рис.2.1), включает в
себя:
        -радиолокационную станцию МРЛ-2П (МРЛ-5), используемую для
обнаружения метеоочага и измерения его радиолокационных параметров, также
для выработки команд при проведении активных воздействий;
        - РЛС метрового диапазона длин волн П-12, обеспечивающих прием
отражений радиолокационных сигналов от ионизированных каналов молний, их
количества и их изменение со временем в пределах исследуемого облака. Кроме

              РФК                     П-12               БС




              РФК         С1-33                          П-15




                          С8-12                         АН.ЭМИ
                                             Б3


                                                         ЦПУ
              ФР          С8-12

                                                  ЭМП                4

                          С8-12




                         МРЛ-2                АГПД



                          СВ


                                  1           2            3


                                        Рис.2.1.
                Схема радиотехнического комплекса для исследования
                               грозоразрядных явлений
                                                                          25


     Обозначения:1- командный пункт; 2- телефоннная связь; 3- каналы
передачи видеосигналов; 4- пункт синхронной регистрации данных; РФК, ФР-
фоторегистраторы; П-12, П-15, МРЛ-2 – радиолокационные станции на длинах
волн 2 м, 30 см и 3,2 см соответственно; С8-12 – запоминающие осциллографы;
С1-33- пятилучевой осциллограф; АН, ЭМИ -                анализатор ЭМИ; ЦПУ-
цифропечатающее устройство; ВС              –    блок   сопряжения    РЛС;     АГПД-
автоматический грозопеленгатор-дальномер; СВ – средства связи; ЭПМ –
датчик электромагнитных полей.
того, П-12 позволял определять местонахождение молниевых разрядов как по
дальности, так и по азимуту;
     - РЛС дециметрового диапазона длин волн П-15, используемую как
высокочувствительный приемник для регистрации сигналов ЭМИ облаков.
Обычно сигнал ЭМИ с приемника поступал на анализатор сигналов.
     B комплексе предусмотрена синхронная работа РЛС метрового и
дециметрового диапазонов длин волн. В этом случае видеосигналы с выходов
приемников радиолокационных станций подаются на пятилучевой осциллограф
с одной синхронизацией на два луча, при этом осуществляется автоматическая
фоторегистрация    этих   видеосигналов         с экрана осциллографа на        фоне
электронных часов. Затвор фоторегистратора открывается передним фронтом
импульсов   ЭМИ.    В     этом     случае   одновременно      на   разных    частотах
регистрируется электромагнитное излучение облаков и радиолокационный
сигнал, отраженный от ионизированного канала молний, благодаря чему можно
определить длительность предгрозового состояния облаков - время, в течение
которого в облаке отмечается ЭМИ без сильноточных молниевых разрядов.
     Основные     технические      характеристики       РЛС   метрового     (П-12)   и
дециметрового (П-15) диапазонов длин волн следующие: чувствительность
приемного тракта 10-13 Вт и 5 ⋅ 10 −14 Вт, ширина диаграммы направленности
антенных систем 12° и 4°, рабочая длина волны 2 м и 0,3 м;
     -    устройство      E-912,     представляющее       собой      автоматический
грозопеленгатор - дальномер (АГЦД) для определения грозовых очагов из

26


одного     пункта    путем    регистрации    электромагнитного   излучения,
сопровождающего молниевые разряды. Координаты молниевых разрядов
отображаются на экране индикатора в полярной системе координат, в которой
направление на источник ЭМИ молниевого разряда определяется азимутальным
углом с точностью не хуже -4° - максимальная погрешность от имитатора.
Дальность определяется в двух масштабах - от 15 до 100 км с максимальной
погрешностью 10 % от измеряемой дальности и от 0 до 420 км дискретно, с
точностью до градации. Время запоминания грозопеленгатором информации -
30 мин. Изображения молниевых разрядов с грозопеленгатора - дальномера
накладываются на полученные одновременно с этим радиоэхо облачной
системы, сделанные с помощью РЛС МРЛ-2П, что позволяет осуществлять
локализацию места возникновения молний в облаках;
     -    систему   регистрации   электромагнитного   поля   (ЭМП)   молнии.
Регистрация ЭМП осуществляется осциллографическим способом с помощью
калиброванной электрической антенны с усилителем с характерной частотой 1
МГц и осциллографами типа CI-33 и C8-I2.
     Радиолокационные станции дециметрового и метрового диапазонов
радиоволн являются наиболее эффективными при исследованиях гроз. В этом
случае удается исключить, особенно в метровом диапазоне, маскирующее
влияние зоны эхо-сигналов облаков с большой отражаемостью. В настоящее
время не существует радиолокационных станций дециметрового и метрового
диапазонов, специально предназначенных для обнаружения грозовых облаков и
молниевых разрядов в них. В этой связи станции П-12 и П-15 были специально
оснащены и доработаны следующим образом:
     1.    Разработано устройство, обеспечивающее прием полезных сигналов
(радиоэхо от ионизированных каналов молнии) без радиоэха от местных
предметов (гор, лесов).
     2.    Разработаны устройства, управляющие по сигналам, отраженным от
ионизированных каналов молнии или их ЭМИ работой фоторегистраторов,
осциллографов и самописцев. Устройство обеспечивало фоторегистрацию

                                                                          27


информации с экранов РЛС одиночными кадрами , а также при непрерывной
протяжке фотопленки со скоростью 5...15 мм/с.
       3.     На индикаторах установлены специальные табло, на которые
подаются сигналы времени с точностью ±1 мс, информация о порядковом
номере опыта и о срабатывании фоторегистраторов.
       4.     Разработаны    устройства сопряжения     РЛС     с анализаторами       и
регистраторами грозоразрядной деятельности региона в радиусе до 300 км.
       Временная синхронизация наблюдений на РЛС МРЛ-2П и станций П-12,
П-15        осуществлялась    фоторегистрацией     данных     на   фоне     часов    с
миллисекундной индикацией, которые перед проведением опытов тщательно
выставлялись по единому времени. Таким образом, становится возможным
совмещение        данных,    получаемых    с   помощью      указанных     станций,   и
прослеживание местоположения радиоэха грозовых разрядов и их ЭМИ на фоне
эхо-сигналов осадков и облаков, обнаруживаемых МРЛ.
       Современная теория измерения параметров радиолокационных каналов
позволяет с точностью, достаточной для практических целей, оценить ошибки
измерения координат метеоцелей.
       Точность определения местоположения облаков, грозовых разрядов и
ЭМИ зависит от ошибок применяемого радиолокационного кода в целом и
ошибок        измерений,     обуславливаемых     тактико-техническими        данными
используемых РЛС. Эти вопросы подробно рассмотрены в работах [35,69], здесь
(таблица 2.1) приведены конкретные значения точностных характеристик
местоопределения грозоразрядной деятельности в атмосфере.
                                                                          Таблица 2.1
                     Ошибки измерения координат молниевых разрядов
           Тип                     Регистрируемые параметры, масштаб (км)
       регистратора              расстояние, м                азимут, градус
                             0-100           0-200        0-100           0-200
             П-12            1200             1300         6,15            6,28
             П-15            1100             1240         2,65            2,75
                                  3
             Е-912           < 10         до градации      < 3°            < 3°
            (АГПД)

28


                                                                   Таблица 2.2
      Ошибки измерения РЛС МРЛ-2П параметров радиоэхо метеобразований в
            атмосфере ( ∆L - линейные размеры радиоэха, ∆H - высота).
                                               Км
                      5       10      25       50      100      200      300
          2∆L M      240     460     1100     2200     4400    8800     13200
          ∆H , м     200     180      100      220     500     1500     2000


      Данный комплекс с регистрирующей аппаратурой нами использовался для
обнаружения грозоопасности и грозовых очагов, исследования их физических
характеристик, исследования разрядных явлений и распространения ЭМП в
атмосфере, определения координат метеообразований, времени и места внесения
кристаллизующего реагента, управления процессами активного воздействия и
контроля его эффективности.
      Комплекс позволял производить синхронное измерение следующих
параметров:
      − временной ход радиолокационной отражаемости очага на длине волны
3,2 см;
      − временной ход верхней границы зоны отражения, высот областей
максимальной и повышенной радиолокационной отражаемости на длине волны
3,2см;
      − характер и скорость перемещения очага;
      − время прихода первого радиоимпульса от исследуемого очага;
      − длительность предгрозового периода жизни облака;
      − время возникновения первого молниевого разряда в облаке;
      − частоту разрядных явлений различных масштабов в облаке;
      − число импульсов и пакетов импульсов радиоизлучения в единицу
времени на различных частотах;
      − амплитудно-частотные характеристики ЭМИ облаков;
      − измерение          длительности       существования        отраженных
радиолокационных сигналов от ионизированных каналов и ЭМИ облаков в
                                                                               29


процессе их трансформации;
     − определение времени появления и координат молниевых разрядов в
облаках;
     − измерение напряженностей электрического поля, обусловленного
грозовыми разрядами.
            2.2. Измеритель временных и импульсных характеристик
                          радиоизлучения облаков

     Для статистических измерений импульсного электромагнитного излучения
грозовых облаков, исследуемых с помощью радиолокационных станций типа П-
15, нами было разработано и изготовлено устройство «Гроза-1» [21].
     За импульсное ЭМИ облаков на основании проведенных исследований
электромагнитного   излучения     облаков   [61-64,71,72]   принимались   пачки
импульсных последовательностей со следующими параметрами:
     -длительность пакета (пачки) от 5 до 1000 мс;
     -длительность одного импульса от 50 мкс до 1 мс;
     -длительность временного интервала между пакетами          при средней их
длительности в 120 мс не менее 25 мс;
     -число импульсов в пакете - от 10 и до 1000.
     С учетом этих требований устройство "Гроза-I" состояло из пяти
функциональных узлов (рис.2.2):
     а) блока формирования входного сигнала и выдачи команд (БФК);
     б) блока счета и памяти числа импульсов в пакете излучения (БСИ);
     в) блока счета и памяти длительности пакета излучения (БСД);
     г) блока счета и памяти числа пакетов излучения (БСП);
     д) блока счета и памяти текущего времени прохождения заднего фронта
пакета излучения (БСВ);
     е) блока питания (БП).




30



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика