Пространственно-временные характеристики электромагнитного поля, создаваемого молниевым разрядом в атмосфере тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Министерство промышленности Российской Федерации

Всероссийский электротехнический институт Высоковольтный научно-исследовательский центр

На правах рукописи

V

Петров Николай Иванович

Пространственно-временные характеристики электромагнитного поля, создаваемого молниевым разрядом в атмосфере

01.04.03-радиофизика

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени

доктора физщсо-математичес-ких наук

* ТГ

Истра 1997

Работа выполнена в Высоковольтном научно-исследовательском центре Всероссийского электротехнического института

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук профессор

доктор физико-математических наук профессор

доктор физико-математических наук профессор

Ведущая организация: Московский физико-технический институт

____часов на заседании

земного магнетизма, . ееу: 142092 г.Троицк

С диссертацией в виде научно1 : ■■ <:■ еке

ИЗМИР РАН

Диссертация в виде научного док-

О Л ) * ■

о

О.А.Синкевич С.Н.Столяров Ю.Н.Черкашин

Защита состоится

диссертационного совета № Д 002.8' ионосферы,и распространения ради-Московской области

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук

.мийцев

Актуальность работы

Молниевые разряды - наиболее распространенный источник мощных электромагнитных полей естественного происхождения. Известно, что в каждую секунду на земную поверхность ударяет около 100 молний. Молния оказывает прямое и косвенное воздействие на окружающую среду, электротехнические сооружения, средства связи, радиоэлектронные системы. Исследованию молниевых разрядов посвящено большое количество экспериментальных и теоретических работ. Специально выделенным является исследование характеристик создаваемого молниевым разрядом электромагнитного поля. При этом является важным определение пространственно-временной динамики напряженности электрического поля как вблизи канала разряда, так и вдали от него. Решение этой задачи важно прежде всего для электромагнитной совместимости и молниезащиты различных объектов. Если оказывается известным пространственно-временное распределение электрического поля вблизи канала разряда, то становится возможным рассчитать пространственный заряд, внедренный разрядом и оценить значения токов при обратном ударе. С другой стороны, если оказываются известными характеристики электромагнитного поля в дальней зоне, то возникает возможность решения обратной задачи -определить параметры канала молнии.

Одним из факторов, зачастую оказывающих определяющее влияние на характер поведения электромагнитного поля молнии, являются эффекты распространения, обусловленные дифракцией, и поляризацией, а также влиянием поверхности Земли и ионосферы. Эта проблема приобретает особую значимость в связи с задачами определения координат точки удара молнии, характеристик атмосферы и ионосферы. Для задач расчета электромагнитного поля вдали от канала молнии оказывается важным нахождение волновых пакетов, сохраняющих свои параметры -при распространении. Получение таких волновых пакетов важно также для задач распространения радиоволн и при расчете полей методом суммирования. Эффекты распространения в волноводе земля-ионосфера обычно исследуются рамках геометрической оптики на основе численных методов. Аналитические методы исследования, учитывающие дифракционные эффекты, в основном ограничиваются параксиальным приближением. Поэтому представляет интерес развитие теоретических методов, •.¡виляющих учесть эффекты непараксиальности. Нахождение ■ .политических решений, описывающих непараксиальное распространение йолновых пучков, позволяет определить границы применимости лучевого — ?«сания и длину формирования модовой структуры поля. Значительный >е|>ес представляет выяснение механизмов изменения поляризации ичлучения в неоднородных средах. Поляризационные свойства излучения

широко -используются в различных задачах диагностики и определения параметров источника и среды. Обычно в качестве механизма, приводящего к изменениям состояния и степени поляризации в ионосферных каналах и в волноводе Земля-ионосфера, рассматривается двулучепреломяение, обусловленное анизотропией среды. Однако существенные изменения поляризации имеют место также в изотропных неоднородных средах вследствие дифракционных эффектов при распространении излучения.

Изучение распространения электромагнитных волн в ионосферных каналах и волноводе Земля-ионосфера требует знания параметров источников. В настоящее время отсутствуют измерения пространственно-временного поведения электрического поля, создаваемого молнией непосредственно в области разряда. Традиционные методы измерения напряженности электрического поля не позволяют получать достоверную информацию в условиях разряда. В последние годы в связи с развитием волоконно-оптической техники стало возмржным проводить измерения электрических полей, искаженных объемным зарядом лидерного разряда. К началу настоящей работы существовали измерения поля, в объеме лишь в коротких воздушных промежутках1. Измерения электрического поля в длинных разрядных промежутках в атмосфере отсутствовали.

Важную проблему составляет изучение статистических свойств электромагнитного поля молниевого разряда. Знание корреляционных функций поля позволяет определить характеристики канала молнии и расстояние до него. Особый интерес представляет выяснение природы случайных осцилляций электромагнитного поля молнии. При этом представляется интересным рассмотреть влияние нелинейных эффектов в канале молниевого разряда и случайных искривлений й ветвлений канала пробоя на характеристики электромагнитного поля. Влияние искривлений канала молнии на создаваемое ею электромагнитное поле рассматривалось различными авторами. Так, в2 было показано, что влияние искривлений канала на поле в ближней зоне не существенно: Недавние эксперименты3 показали, что осцилляции электромагнитного поля молнии в дальней зоне обусловлены геометрией канала разряда. Для учета случайных искривлений и ветвлений канала молнии эффективным оказывается фрактальная модель. Такая модель использовалась в4 дЛя моделирования искривлений и ветвлений канала пробоя стримерного разряда. Измерения амплйтудно-частотных характеристик излучения молнии показывают5, что спектральная плотность в диапазоне частот от 10 кГц до 10 МГц' характеризуется степенной

1 Hidaka К., Murooka Y.// ШЕЕ Ргос,- 1985.-V.132.-Pt.A.No.3.-P.139.

2 Pearlman R.A.// Ргос.ШЕЕ Int.Symp.on ВМС, 1979, Р.68-71.

3 Le Vine D.M., Willett J.C.// 25th GA URSI, Lille, France, 1996. Abstracts. P.218.

4 Niemeyer L., Piotronero L., Wiesmann H.J.// Phys.Rev.Lett.- 1984.- V.52.- P.1033.

5 Uman M.A., Kricler E.P.// IEEE Trans. - 1982.- V.EMC-24.-No.2.-P.79.

зависимостью от частоты излучения. В рамках модели линейного электрического диполя такое поведение спектральной плотности излучения молнии объяснить не удается6.

Таким образом, актуальность работы определяется назревшей необходимостью уточнения существующих моделей формирования канала пробоя молниевого разряда и его электромагнитного излучения, выяснения природы случайных осциляяций поля, изучения эффектов распространения излучения в неоднородных средах, представляющих интерес для применения в задачах электромагнитной совместимости, молниезащиты, распространения радиоволн и в исследованиях ионосферы.

Цель работы: Исследование пространственно-временных и статистических характеристик электромагнитного поля, создаваемого молниевым разрядом в атмосфере с учетом неоднородности волновода Земля-ионосфера, дифракционных и поляризационных эффектов при распространении излучения, случайных искривлений и ветвлений траекторий пробоя на основе современных экспериментальных и теоретических методов.

Научная новизна работы

Научная новизна работы состоит в развитии математического аппарата для решения волнового уравнения, описывающего распространение излучения в волноводе Земля-ионосфера, разработке модели формирования траектории молниевого разряда й применении современных экспериментальных методов для измерения напряженности электрического поля, создаваемого лидерным разрядом в атмосфере.

1.Методы квантовой теории использованы для решения волнового уравнения Гельмгольца, описывающего распространение излучения в ионосферных волноводных каналах и в волноводе Земля-ионосфера. Исследовано непараксиаяьное распространение волновых пучков и разработан теоретический аппарат, позволяющий получить точные аналитические выражения для траектории и ширины пучка излучения.

2.Решена векторная волновая задача распространения излучения в неоднородном волноводе. Исследована деполяризация излучения и вращение вектора поляризации в изотропном неоднородном волноводе.

3.Оптоволоконные датчики напряженности электрического поля впервые применены для измерения электрического поля в длинных разрядных промежутках в атмосфере. Изучена пространственно-временная динамика электрического поля как в лидерной стадии, так и в стадии обратного удара.

6 Соогау V.// ЯаШо виепсе,- 1987.- У.22.-№>.5,- Р.757-768.

4.Разработана модель формирования траектории распространения молниевого разряда, учитывающая искривления и ветвления канала пробоя, основанная на теории фракталов.

5.Исследованы статистические характеристики излучения молниевого разряда с учетом случайных искривлений и ветвлений канала пробоя. Введены новые количественные характеристики для анализа экспериментальных данных.

Научная и практическая ценность

Ценность работы определяется актуальностью тематики и новизной рассматриваемых задач.

Разработан математический аппарат, удобный для изучения непараксиального распространения волновых пучков в неоднородных ионосферных каналах и в волноводе Земля-ионосфера. Теоретические результаты могут быть использованы при анализе экспериментальных данных, передаче радиоволн на большие расстояния, создании антенн, излучающих локализованные волновые пакеты и определении параметров ионосферы.

Полученные в работе новые математические функции могут быть использованы для решения уравнения Максвелла в неоднородных средах.

Разработан математический аппарат для решения векторного волнового уравнения. Результаты могут быть использованы при определении парамет ров среды по измерениям поляризационных характеристик излучения.

Результаты измерений напряженности электрического поля могут быть использованы в физике газового разряда, высоковольтной технике, в частности, при разработке физической модели длинной искры и молнии и расчете пробивных напряжений длинных воздушных промежутков.

Предложенная в работе модель формирования траектории молниевого разряда важна для задач молниезащиты и может быть использована при расчете вероятностей поражения изолированных й заземленных объектов.

Введенные в работе корреляционные функции для излучения молнии важны для задач определения масштабов неоднородностей канала разряда, расстояния до точки удара и пространственного заряда и тока молнии.

Предложенный в работе способ определения размеров частиц аэрозольного облака может быть использован при локации грозового облака, определении размеров кристалликов льда в облаках, и в задачах рассеяния радиоволн на ионосферных неоднородностях.

Найденный теоретически эффект локализации электромагнитных волн в облаке заряженных частиц может быть использован при определении характеристик грозового облака, в задачах прохождения излучения в тумане и т.д.

Апробация работы и публикации

Работы, вошедшие в диссертацию, представлялись на 23-й (Прага, 1990), 24-й (Киото, 1993) и 25-й (Лилль, 1996) Генеральной Ассамблеях Международного Радиосоюза (УРСИ), на Международной конференции УРСИ по электромагнитной теории (Сидней, 1992), на 8-м(Львов, 1981) и 9-м(Телави, 1985) Всесоюзных симпозиумах по дифракции и распространению волн, на Всесоюзной конференции по радиофизической информатике (Москва, 1990), на Всесоюзной конференции по распространению волн (Ульяновск, 1993), на 8-й (Уппсала, 198.8), 9-й (С-Петербург, 1992) и 10-й (Осака, 1996) Международных конференциях , по атмосферному электричеству, на 7-м (Дрезден, 1991) и 8-м (Йокогама, 1993) Международных симпозиумах по высоковольтной технике, на 10-й Международной конференции по газовым разрядам и их применениям (Свонси, 1992), на Международной конференции по молнии. (Шамони, 1994), на Международной конференции по электромагнетизму (Альбукерке, 1996), на Международной конференции по молнии и статическом}' электричеству (Флорида, 1991), на 4-й (Махачкала, 1988), 5-й (Омск, 1990), 6-й (Казань, 1992) конференциях по физике газового разряда, на 4-м Всесоюзном симпозиуме по атмосферному электричеству (Нальчик, 1990) и др.

По теме диссертации опубликовано свыше 90 работ.

Положения выносимые на защиту

Основные положения, выносимые на защиту, можно сформулировать следующим образом:

1. Развитый в работе математический аппарат для решения волнового уравнения, описывающего распространение излучения в неоднородных средах, позволяет находить точные аналитические выражения для траектории и ширины непараксиальных волновых пакетов в неоднородных волноводах и решать векторную волновую задачу. -

2. Существуют локализованные волновые пакеты с минимальной угловой дифракционной расходимостью и шириной в неоднородном волноводе Земля-ионосфера, сохраняющие свои параметры на больших расстояниях от источника.

3. Границы применимости лучевого описания и формирования модовой структуры поля в неоднородных волноводах определяются параметрами среды и излучения и углом наклона пучка излучения к оси волновода или осевым смещением пучка в начальной плоскости.

4. В изотропной неоднородной среде имеет место деполяризация излучения дифракционного происхождения. Степень поляризации как линейно- так и циркулярно-поляризованного излучений спадает с расстоянием по квадратичному закону. Деполяризация усиливается с ростом осевого смещения падающего волнового пучка или его угла наклона к оси волновода.

5. Для измерения. пространственно-временных характеристик электромагнитного поля, создаваемого лидерным разрядом в атмосфере, эффективно использовать световодные электрооптические датчики, позволяющие получать новую информацию 6 параметрах стримерной зоны и лидера. ' .

6. Излучение молниевого разряда обладает фрактальными свойствами, обусловленными природой случайных искривлений и ветвлений канала пробоя. При анализе амплитудно-частотных характеристик излучения молнии целесообразно использовать корреляционную функцию источника излучения, имеющего фрактальные свойства.

Ч ""

9 Л

Содержание доклада:

1. Распространение излучения в неоднородных средах

1.1. Лучи и моды в неоднородных волноводах

1.2. Локализованные волновые пакеты в волноводе Земля-ионосфера

1.2.1.Непараксиальное распространение волновых пучков в ионосферном волноводном канале и в волноводе Земля-ионосфера

1.3. Поляризационные свойства излучения в неоднородных средах 1.3.1 .Деполяризация излучения в изотропных неоднородных средах

1.3.2.Вращение вектора поляризации в градиентных волноводах

2. Электромагнитное иоле, создаваемое молниевым разрядом в атмосфере 2Л .Моделирование молниевого разряда в лабораторных условиях

2.1.1.Измерение напряженности электрического поля, создаваемого лидерпым разрядом в атмосфере

2.2. Математическая модель формирования канала пробоя молниевого разряда

2.2.1.Фрактальная природа случайных искривлений и ветвлений канала пробоя молнии

2.2.2.Физические механизмы формирования внутриоблачцых разрядов молнии

2.3. Статистические свойства электромагнитного поля молнии 2.3.1 .Пространственная и временная когерентность излучения молнии 2.3.2.Электромагнитная локация грозового облака

2.3.3.Локализация электромагнитного излучения в облаке заряженных частиц.

^Распространение излучения в неоднородных средах

Для решения уравнений Максвелла, описывающих распространение излучения в неоднородных средах используются как теоретические, так и вычислительные методы. В последние годы в связи с развитием вычислительной техники становится возможным решение различных задач дифракции и распространения волн. Возможности же теоретических методов ограничены вследствие трудностей нахождения аналитических решений волновых уравнений. Однако теоретические методы позволяют находить оптимальные параметры и выяснить физические механизмы происходящих явлений. Существуют различные методы решения волновых уравнений. Наиболее распространенным является метод Леонтовича-Фока7, заключающийся в сведении скалярного волнового уравнения в слабонеоднородной среде к уравнению параболического типа. Это уравнение может быть реше