Радиолокационное исследование физических характеристик молнии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ р Г Б Ой (ГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТ)

•2 1 ДЕН

, На правах рукописи

УДК 551.594.221

Михайлов Михаил Степанович

РА ДИОЛ ОКАЦИО!ШОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МОЛНИИ

01.04.03 - радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 1998

Работа выполнена в Радиотехническом институте имени академика А.Л. Минца.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор Дубовой Эдвард Иосифович

Официальные оппоненты:

- доктор физико-математических наук, профессор Черкшшш Юрий Николаевич

- доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Федоров Валентин Александрович

Ведущая организация - Главная геофизическая обсерватория имени А.И. Воейкова (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится 24 декабря 1998 г. в 9 час. 30 мин. в аудитории 204 Нового корпуса на заседании Специализированного совета К063.91.02 при Московском физико-техническом институте по адресу: 141700 г. Долгопрудный Московской облает, Инстшутский пер., 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ. Автореферат разослан ¡/^О-Р^^и 1998 г.

I

К 063.91.02 к.ф.-м.н., доцент Коршунов С.М.

Ученый секретарь у у с "

Специализированного совета Л^О* '

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТ ИКА РАБО ТЫ

Актуальность темы. Радиолокационные исследования молшги проводятся с конца 40-х годов. В России вклад в радиолокационное исследование молний внесли Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова (г. Санкт-Петербург), Российский государственный гидрометеорологический институт (г. Санкт- Петербург), Высокогорный геофизический институт (г.Нальчик), Радиотехнический институт им. акад. А.Л. Минца. Здесь получены важные экспериментальные и теоретические результаты. Степаненко В.Д., Гальпериным С.М. и др. были измерены такие характеристики радиоотражения от молнии, как эффективная площадь рассеяния (ЭГ1Р), длительность радиоотражения, времена нарастания и спада и другие величины. Дивинский Л.И. предложил модель радиоотражения от канала молнии, в которой отраженный сигнал рассматривался как некогерентная сумма отражений от множества линейных участков канала молнии, разной ориентации, получил удобные формулы для оценки ЭПР такого канала для разных состояний плазмы молниевого канала. Электромагнитное излучение молнии исследовалось Аддагевъш А.Х., Александровым А.И., Качурнным Л.Г. и другими исследователями.

Получено большое количество экспериментальных данных. Однако радиолокационные исследования ограничивались только наблюдением молний, по экспериментальным данным не делались выводы о параметрах молниевого канала.

В конце 80-х годов под руководством Дубового Э.И. в Радиотехническом институте им. акад. А.Л. Минца била разработана усовершенствованная численная модель разряда молнии как взрывного процесса на стадии возвратного удара и радиоотражения на нем. Из

результатои численного моделирования следовала возможность он-" ределения энерговыделения и тока в канале молнии но временной эволюции радиолокационного отражения от канала молнии. Также было показано, чго зависимость длительности радпоотражепия от длины полны будет слабее, чем квадратичная (как было принято ранее).

Актуальной являлась экспериментальная проверка теории.

[ [ель работы заключалась в измерении энертвыделенип и мкон и молили средствами активной и пассивно]! радиолокации и в экспериментальной проверке выводов указанной теории, продолжении работ в области теоретического моделирования тока и излучения капала молнии.

Научная попита. Впервые радиолокационным способом измерены такие физические характеристики молнии, как энерговыделение и ток».

1 фактическая ценность. Информация о физических характеристиках атмосферных разрядов может бшъ иснолыовг.на для оценки грозовых процессов в метеортлопш и управлении во (душным движением н авиации.

Апробация работы. Содержание диссертационной работы докладывалось на школе-семинаре "Статистические меголы обработки сигналом и изображений" (Новороссийск, 1991). на 11 Всесоюзном симпозиуме но радиационной плазмодипамнке (Капивели, 1991), Девятой Международной конференции но атмосферному электричеству (Санкт-Петербург, 1992), 1 научно-техническом семинаре "Обнаружение электрически житных облаков, потенциально ыол-нисонасних для летательных аппаратов" (Саикт-Пегербург. 1996), 23

Мсждународнои конференции по молниезатитс (Флоренция, Италия, 1996), конференции «Молния и горы'97» (Шамони, Франция, 1997).

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в статьях /1-4/ и в материалах конференций /5-9/.

Объем работы. Диссертация состоит из осиопноП части - четырех глав, одна из которых вводная, заключения, списка литературы -и Приложений. Основная часть диссертации изложена на 121 странице, включая 23 рисунка и 3 таблицы. Библиофафня содержит 61 наименование лигерапрнмх источников. Приложения содержат 64 страницы и 4 рисунка.

СОДЕРЖА! 1ИЕ РАБОТЫ

13 вводной, первой главе проведен краткий обзор известных радиолокационных исследований молнии. Приведен краткий обзор результатов и метода численного моделирования физических параметров канала молнии и радиоотражешш на нем, разработанного Дубовым Э.И. и Пряжииским В.И.

Дано обоснование гемм диссертации и ее актуальности, изложена цель работы, се задачи, приводятся результаты, выносимые на танину.

Глава 2. С целью экспериментального подтверждения вьшодов численного моделирования в 1991-1995 голах прошла серия экспериментов на полигоне Высокогорного геофизического института. Диссертант принимал в них участие в составе коллектива как в подготовке, так и в проведении измерений и интерпретации полученных данных. Схема эксперимента и техническое задание па созданную измерительную аппаратуру, состоящую из регистратора рпдиолокл-

цнонного сигнала и коммутирующего устройства, разработаны со-" вместо Ду бовым Э.И. и диссертантом.

Эксперимент заключался в синхронной регистрации радиолокационного отражения от канала молнии и импульсов вертикального электрического поля. Схема экспериментов приведена на рис.1. Измерения проводились порознь на двух радарах с длинами волн 35 см и 2 м. Отраженный си/нал с выхода видеоусилителя радара оцифровывался с частотой 1 МГц, что позволяло иметь разрешение по дальности в 150 м. В виде 8 разрядных цифровых отсчетов он поступал в компьютер через плату интерфейса. Электрическое иоле мерялось в широком диапазоне частот до 1 МГц. необходимом для восстановления тока в канале по измерениям электрического поля. Импульсы электрического поля фиксировались с помощью запоминающих осциллографов. Распределением импульсов по осциллографам занимался разработанный коммутатор, который но превышению порогового значения определял наличие импульса электрическою поля и направлял его на один из 6 оецшьтографов. В момент прихода импульсов в компьютер передаггпась информация о времени их прихода. Это позволяло привязать моменты прихода импульсов к отраженному радиолокационному сигналу. Алгоритм работы программы, предложенный диссертантом и заключающийся в непрерывной регистрации отраженного от облаков и молнии сигнала до начала молнии, позволял регистрирован, как начальную стадию молнии (несколько сот миллисекунд до начала ее регистрации), raie и основную се стадию (несколько сот миллисекунд после начала ее регистрации) с вводом в компьютер только информации, относящейся к молнии, и стирании в et. к остальных данных. Диссерпнпом была сделана компьютерная протрамма записи и обработки результатов измерений 1995 г.

Она позволяла регистрировать молнии на фоне гор, что было важным, так как измерения проходили в горной местности. Это было достигнут за счет наличия дополнительного режима регистрации, при котором начало молниевого разряда определяется ио приходу электромагнитного импульса поля, а не по превышению радиолокационным сигналом пороговог о значения.

Было зарегистрировано несколько десятков молний и показано, что максимумы радиоотражения коррелировали с приходом широкополосных импульсов электрического поля. Это утверждение иллюстрируется рнс.2. f ia этом рисунке изображен временной ход нтпен-снпностн отраженного сигнала для одной из молний, пришедший с определенного ее участка по дальности. Вертикальными штриховыми линиями обозначены моменгы прихода импульсов электрическою поля. Цифра над линией означает номер осциллографа на котором он записан. Всего могло быть зарегистрировано не более 6 импульсов. Из рисунка видно, что инки радиоотраження коррелировали (здесь совпадают) с приходом импульсов электрического поля. Здесь для импульса ноля на момент времени 210 мсек имеется слабое радиолокационное отражение, но на дальности, большей на 500 м (32.5 км), отражение сильное. Для пика на 270 мсек импульс поля не зафиксирован, это объясняется тем, что он был меньше порогового значения, а соответствующий ему ток имел небольшую амплитуду при большой длительности, и поэтому энергояыделение п канале (и интенсивное!т. радмоотражения) оказалось, сравнимо с другими зозвратными ударами. Отсутствие отражения с 370 по 570 мсек означает, что ш-за столь длительного интервала между возвратными ударами канат остыл « перестал быть ионизнровашшм, а затем прошел новый возвратный удар.

На основе анализа экспериментальных данных показано, что, в соответствии с теорией, но длительности максимумов радиолокационного отраженного сигнала можно определять энерговыделение в канале молнии, а зная дополнительно длительность соответствующих импульсов электрического поля, можно определять и токи. Измеренные значения энерговыделений составляют сотни Дж/м, а амплитуды токов - несколько килоампер. В таблице 1 приведено сравнение энерговыделений и токов, полученных из радиолокационных измерений и измерений электрического поля. В первом столбце приведены номера отобранных молний за 20 нюня 1995 г. Цифры в номерах молнии означают время, с точностью до секунды, когда произошла молния. Последняя пара цифр означает номер возвратного удара. Отбор молний происходил по критерию малости проекции на луч радара, чтобы молнию можно было считать вертикальной с большой степенью вероятности. Требование вертикальности канала необходимо для восстановления тока в канале по ею излучению. Отдельные случаи расхождения двух методов определения связаны с недостаточностью этого критерия для отбора в ртикальных каналов. В случае неверги-кального канала оцененные по ЭМИ энерговилеление и токи мшут оказаться гораздо меньше реальных. Так как радиолокационный метод определения энерговыделения и токов использует только ;иш-тельность сигнала, его результаты не зависят от ориентации каната.

Показано, что зависимость длительности радиоотражения от длины волны слабее, чем квадратичная. Так, для молний с примерно одинаковым энерговыделением, измеренных с помощью радаров с длиной волны 35 см и 2 м, длительности радиоотражения отличаются в 3.5 раза.

О

В главе 3 предложена модель формирования л распространения тока п канале молнии, учитывающая физические принесем, происходящие п канале. В этой модели предполагается наличие попнзиро-1ШИЮГО канала, образованного лидером. Движение частичек заряда в осевом направлении происходит под действием элеклроста'. пеекн.х сил. Радиальное газодинамическое расширение канала расчитывалось по указанной выше модели Дубового ').И. и др. Алгоритм вычислений состои г m повторяющейся последовательности niai on: ток-проводимость- энерговыделепие- газодинамическое расширение- заряд в облаке- интенсивность -электрического ноля- ток- и т.д. Расчет проводился для трех значений переносимого заряда- 0.2, 0.5 и 1.0 Кл. Полученные » результате численного моделирования амплитуды и длительности чеков и импульса электрическою ноля находятся в пределах экспериментально измеряемых величии: амплитуда тока в канале- десятки килоампер, амплитуда и- 'пульса электрического ноля на дальности п 100 км- от десятых долей до единиц В/.м, ;тлительно-сш от нескольких единиц до десятков микросекунд. Часть результатов расчета приведена в таблице 2, содержащей зависимость амплитуд тока и импульса электрического поля or величины заряда. Одек-грическое поле рассчитано па дальность 100 км.

В этой главе также приводятся удобные для расчетов аппрокси-чаиионные формулы для проводимости и диэлектрической пронп-шемости слабоионизированной плазмы воздуха. Они получены на эснове ({юрмул кинетической теории. Аиирокспмацнопнь'с формулы 1скались в области температу р 1500-5000 °К и плотностей ! О"6- 101'5 уг плотности воздуха при нормальнмх условиях. Аппроксимациог-iue формулы имеют специальный вид, ооеснечивающнй в предель-

пых случаях и тести.,с поведение проводимости и прошщасмости от параметров плазмы и частоты падающей волны.

В главе 4 рассчитано собственное излучение молнии произвольной ориентации, регистрируемое на уровне земли.

В главе 2 для извлечения информации о токе в канате из его собственного излучения использовалось днполыюе приближение. В главе 4 получен критерий применимости днпольпого приближения для каналов с произвольной ориентацией относительно земли:

где Х- ллина ¡олны, /.- длина канала, ¡1- дальность до молнии, Зц-угол между каналом и направлением из точки наблюдения в сторону канала. Этот критерий показывает, что можно применять днполыюе приближение для молниевых каналов с малой проекцией на луч радиолокатора

Показано, что в случае, если отношение компонент электрического и магшгшого поля не зависит ог времени, канал является прямолинейным.

Для прямолинейных каналов получено выражение

для высоты расположении -чшшевого канала Ь через дальность Я, угол Ф-Л между азимутом па но.шпю н направлением малинного поля, вертикальное электрическое поле Еу и горизонтальное мапип-¡юе поле Н^ с погрешностью до г-ергикалыюн проекции канала (формула приведена в системе О 'С). .

В Заключении приводятся осиовные результаты.

О

В Приложениях ирипедена копня технического задания на разработку аппаратуры для проведения экспериментов; описание, внешний вил, алгоритм работы аппаратуры; описание ч текст программы для управления компьютером при проведении эксперимента и просмотра зарегистрированных данных; вывод основных уравнения для анализа собственного излучения молнии.

РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССПРТЛЦИИ, ВЫНОСИМЫ!- ИЛ ЗЛПлИТУ

1.Впервые измерены радиолокационным способом энерговыде-неиня и токи молний, показано их соответствие теории.

2.Разработана компьютерная программа управления измери-:елы:ой аппаратурой и решетрацни радиоотраження от молниевого :<аиала, позволяющая регистрировать молнии на фоне гор.

3.Разработана двумерная модель рпзряда молнии. Па ее основе ¡случены зависимости тока а канале и излучения от переносимого ¡аряда.

4.Выведены аппроксимациоины^ ([юрмулы для проводимости и иплекгрической проницаемости с.табоиоиизк^оканной плазмы воз-гуха в области температур 1500-5000 °К и плотносгей Ю"6-1о'5 от ь.отностн воздух., при нормальных условиях, позволяющие экра-тпт, время численного расчета радиофизических эффектов и нсполь-свать их для физических оценок.

5.Получена формула длл определения высоты расположения нутрноблачных разрядов по измерениям электрического и машит-¡ого ноля излучения а одной точке на поверхности земли.

ПУБЛИКАЦИИ LiO ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

¡.Дубовой Э.И., Михаилов MC., Пряжинекий ПЛ., Огонькл» А.Л., Аджисв А.Х., Дсркач В.М., Сижажев С.М. Синхронное измерение импульсов элекзрическо! о ноля и ралиолокационною отражешн ог молниевого разряда и сравнение с результатами численного моделирования // Российская Академия Наук, Известия Академии Наук Физика атмосферы и океана, 1993, Т.29, №3, С.364-368

2.Dubovoy E.I., Mikhailov M.S., Ogonkov A.L.. Pryazhinsky V.I Measurement and numerical modeling of radio-sounding reflection fron lightning channcl // J. Geophys. Res., 1995, v.100, N Dl, pp. 1497-1502.

3.Дубовоп Э.И., Михайлов M.C. К расчету проводимости и ди электрической проницаемости слабоионнзированнои плазмы возду х; // "Электричество", 1995, Т 12, с.56-59.

4.Михайлд5 М.С., Дубовой Э.И. Возможность оценки положс ния молнии б пространстве по измерению ее эдектромапнгпюго из лучения в одной точке// "Электричество", 1997, У 12, с.8-15.

5.Дубовсй Э.И., Комаров В.Г., Ми\г":лоп М.С., Москалев В.П. Огоньков А.Л. Измерение и обработка радиолокационных сигналов i импульсов электромагнитного излучения от молний // Статистиче ские методы обработки сигналов и изображений. Тезисы доклздо школы-ссмяшра 11-17 сентября. Новороссийск, 1991. С.83-84

6.Дубовой Э.И., МялЛлов M.C. Расчет зависимости проводя мости и диэлектрической ир "читаемости сиаСкшошпирошию. плазмы воздуха от ее параметров // !1 Всесоюзный симпозиум по рг диациониой плазмодинамике. Тезисы докладов. Часть 3. Москва: И. дательстпо МГТУ, 1991. С.17-18

o

7.Dubovoy ill.. Komarov V.G., Mikhailov M.S., Ogonkov A.L., 'rya/hinsky V.[„ Chitanuva G.I., Adgiev A.Kh., Derka h V.M., Sizagev )M Measurement and numerical modeling of radio-sounding reflection rom lightning channel // Proceedings of 9th international conference on itmospheric electricity. June 15-19 1992, St.Pelersburg, Rusra. A.L /oeikov Main Geopliyskal Observatory, 1992. Volume 1. P.376-379.

S.Dubovoy Fi.l., Mikhailov M.S. A verification of remote radar nethod oflightning energy and current determination and its wavelength iependence // 23rd International Conference on Lightning Protection, "cntro Internazionale Congress! Firen/e, Firen/e (Italy), 23-27 September

996. Proceedings, Volume 1, pp. 125-128.

9.Dtibovoy I:.I., Mikhailov M.S. Remote determination of lightning :nergy releases and currents by means of radar in the vicinity of Hlbrous // l.ightning and Mountains'97" Chamonix Mont-blanc, Franco, 1-5 June

997. Proceedings, pp. 107-109.

Осцнллограф

|)Ы

Рисунок 1. Обобщенная схема эксперимента по синхронной реги страции отраженного от молнии радиосигнала и собственного электромагнитного излучения молнии.

250 200 150 юо 50 -

о

в

(I

А

, т угш|т1ттр-ш]тпт]ггпуттгфттг]тг

ЮО 200 ЗОО 400 50П 600 700 ООО

Рисунок 2. Пример графика отраженного от молнии сигнала от дальности 32 км (96 канал по дальности).

-8 —1

Ы т л а и

I©

Номер Радиолокационные измерения Измерения электрического поля

молнии Энерговыделение, Дж/м Амплитуда тока. нА Энерговыделение, Дж/'м Амплитуда тока, кА

1&412801 270 с и 220 4,3

18412802 270 5 220 4,3

18544101 410 7,8 370 7,2

18561901 200 4 200 4

18561903 780 13 700 12

19150202 780 12,3 220 5

19171203 270 5,3 70 2

19171205 220 5,6 100 3

19232505 270 5,5 130 3

Р Таблица 1. Сравнение энерговыделений и токоз, полученных из радиолокационных наблюдений и из-^ * мерений электрического поля. £

О

Заряд, Кл Максимальный Эл. поле излучения на

ток в канале, к,, дальности 100 км на время

1 мкс. В/м

1.0 37 3.2

0.5 25 0.19

0.2 15 0.026

1 ¿блица 2. Зависимость физических величин от заряда

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА А.Л. МИНЦА

На правах рукописи

УДК 551.594,221

Михайлов Михаил Степанович РАДИОЛОКАЦИОННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МОЛНИИ

01.04.03 - Радиофизика.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор Дубовой Э.И.

Москва 1998

АННОТАЦИЯ

Разработана улучшенная методика одновременной регистрации радиолокационного отражения от канала молнии и ее электромагнитного излучения; с помощью радиолокации впервые измерены токи, энерговыделение в канале молнии, подтверждены выводы численного моделирования физических параметров канала и радиоотражения на нем.

Разработана двумерная модель формирования канала молнии, учитывающая физические процессы, протекающие в канале молнии. Получены зависимости параметров тока в канале и электромагнитного излучения от величины переносимого заряда.

Выведены аштрокеимационные формулы для проводимости и диэлектрической проницаемости слабоионизированной плазмы воздуха в области температур 1500- 5000 °К и плотностей 101'5 от

плотности воздуха при нормальных условиях, позволяющие сократить время численного расчета радиофизических эффектов и использовать их для физических оценок.

Рассмотрено излучение прямолинейного канала молнии при его произвольной ориентации относительно Земли. Показана возможность определения расположения молниевого канала в пространстве по измерениям электромагнитного излучения в одной точке.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ГЛАВА 1. ВВОДНАЯ ГЛАВА........................................ В

1.1.Обзор радиолокационных исследований молнии и измерения электромагнитного излучения от ее канала............ ^

1.2.Математическая модель энерговыделения в канале молнии, газодинамического расширения и охлаждения газа........ 10

1.3.Модель отражения радиоволн от ионизированного канала молнии.................................................................Щ

1.4.Тема диссертации. Постановка задачи..................

ГЛАВА 2. СИНХРОННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ИМПУЛЬСОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И РАДИОЛОКАЦИОННОГО ОТРАЖЕНИЯ ОТ МОЛНИИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ КАНАЛА МОЛНИИ.................................................

2.1 Схема эксперимента................................... 2 3

2.2 Краткое описание программы регистрации,..............

2.3 Результаты измерений и их теоретическая обработка по определению энерговыделений и токов........................... 35""

2.4 Исследование зависимости длительности радиоотражения

от длины волны радиолокатора.................................. ¿ГЗ

2.5 Выводы по главе......................................

ГЛАВА 3. ДВУМЕРНОЕ ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИМПУЛЬСА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ И ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА...........

3.1 Алгоритм распространения заряда......................

3.2 Результаты расчета...................................

3.3 Аппроксимационные формулы для проводимости и диэлектрической проницаемости слабоионизированной плазмы воздуха.......................................................

3.4. Выводы по главе..................................... $

ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ МОЛНИИ И ВОЗМОЖНОСТЬ ОЦЕНКИ ЕЕ РАСПОЛОЖЕНИЯ ПО ИЗМЕРЕНИЮ ИЗЛУЧЕНИЯ В ОДНОЙ ТОЧКЕ ПРОСТРАНСТВА.................................................. и

4.1 Основные уравнения...................................

4.2 Границы применимости основных уравнений..............

4.3 Условие применимости приближения прямолинейного канала молнии................................................. [0%

4.4 Оценка расположения молнии в пространстве............

4.5 Выводы по главе....................................... |

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................... )\2

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................. I /¿Г

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Копия технического задания на разработку аппаратуры синхронной регистрации радиолокационного отражения

и электромагнитного излучения от канала молнии................. /22

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Общий вид и режимы работы блока АЦП........ /

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Программа регистрации молний и просмотра файлов с результатами......................................... /1Л

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Расчет электромагнитного поля прямолинейного канала молнии произвольной ориентации относительно земли............................................

ГЛАВА 1. ВВОДНАЯ ГЛАВА.

1.1.ОБЗОР РАДМОЛОКАВДОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МОЛНИИ И ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОТ ЕЕ КАНАЛА.

Наиболее исследованным типом молний являются линейные молнии. Различают молнии внутри облака, между двумя облаками, между облаком и землей. Наиболее часто бывает внутриоблачный разряд, однако большая часть литературы о молнии посвящена разрядам на землю. Повышенный интерес исследователей к разрядам на землю связан с вопросами молниезащиты. Внутриоблачные разряда интересны в связи с возможностью поражения летательных аппаратов. Отметим, что внутриоблачный разряд не доступен оптическим наблюдениям, которые являются одним из основных средств при исследовании молнии.

Наблюдаемый разряд молнии (вспышка) представляет собой один или несколько последовательных разрядов с интервалом в десятки миллисекунд. Каждый компонент разряда называют импульсом или ударом. Импульс молнии начинается со слабосветящегося предразряда, лидерного процесса, за которым следует очень яркий возвратный удар. Предразряд, предшествующий первому возвратному удару во вспышке, называется ступенчатым лидером. Во время ступенчатого лидера образуется канал молнии, представляющий собой ломанную линию с длиной звена в десятки метров. Так как в интервале между ударами канал не успевает остыть и в нем сохраняется ионизация, то последующие лидеры и возвратные удары, как правило, происходят вдоль этого канала. Между импульсами во вспышке обычно протекает непрерывный (теневой) ток, поддерживающий проводимость канала.

Первые опубликованные радиолокационные наблюдения молниевых

разрядов относятся к концу 40-х годов /1, 2/. В 50-е годы продолжилось интенсивное радиолокационное наблюдение молний. Были сделаны первые интерпретации молниевого канала, как радиолокационной цели /3-8/. Была выяснена роль электронной концентрации в плазме молниевого канала как важного параметра при трактовке канала молнии как проводника или диэлектрика. Интерпретация канала молнии по отраженному сигналу радара была разнообразной - от сильноионизированного одиночного канала /6/ до больших областей пространства с низкой постоянной ионизацией /8/. Была выяснена роль гидрометеоров в маскировании молний при радиолокационных наблюдениях /5, 6/.

В 60-е годы повысился интерес к радиолокационным исследованиям таких метеорологических явлений как гроза, торнадо и другие /9/.

В 70-е и 80-е годы наблюдается возрождение интереса к радиолокационным исследованиям молний. Особенно заметный рост был в Советском Союзе /9/. Основные исследования молний в СССР велись в Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова (г.Ленинград), Ленинградском гидрометеорологическом институте, Высокогорном геофизическом институте (г.Нальчик). В этот период были получены важные теоретические и экспериментальные результаты. Радиолокационные измерения стали сочетаться с другими измерениями, например, электрического поля /12-14/. В СССР, где с самого начала радиолокационных исследований молнии для уменьшения маскирующего влияния гидрометеоров применялись радары метрового диапазона, Гальпериным С.М., Степаненко В.Д. /15/ и др. были измерены такие характеристики радиоотражения от молнии, как ЭПР, длительность радиоотражения, времена нарастания и спада. С переходом на метровый диапазон рассмотрение канала молнии как сильноионизированной плазмы

г

стало общепринятым. Дивинский Л. И. /10/ предложил модель радиоотражения от канала молнии, в которой отраженный сигнал рассматривался как некогерентная сумма отражений от множества линейных участков канала молнии разной ориентации, получил удобные формулы для оценки эффективной поверхности радиоотражения (ЭПР) такого канала для разных состояний плазмы молниевого канала.

В США Даусон Г.А. /11/ исследовал влияние состояния плазмы в молниевом канале на ЭПР при разных длинах радиоволн. Он также выполнил расчет временной эволюции ЭПР канала молнии, образованного возвратным ударом.

Развитие экспериментальных исследований позволило к концу 80-х годов накопить большой статистический материал по радиоотражению от канала молнии. Однако теоретические исследования отставали и не позволяли упорядочить экспериментальные данные. Такое положение сохранялось, пока в конце 80-х под руководством Дубового Э.И. не было разработано численное моделирование физических параметров канала молнии как взрывного процесса и радиоотражения на нем /17, 18/. Это моделирование позволило увязать параметры радиолокационного отражения (ЭПР, время спада) с энерговыделением в канале, а энерговыделение с током во время возвратного удара» Таким образом появилась возможность превратить радар в инструмент физических измерений и по радиолокационному сигналу судить о таких физических параметрах канала молнии, как ток и энерговыделение. Основные результаты теоретических работ /17, 18/ изложены в следующих разделах вводной главы. Для проверки результатов этой теории в первой половине 90-х была проведена серия экспериментов /19-25/. Экспериментальные исследования, в которых принимал участие диссертант /19-24/, являются предметом рассмотрения следующей главы

диссертации.

В 70-е и 80-е годы сильно продвинулось исследование собственного электромагнитного излучения молнии. Прогресс виден явно, если сравнить две обзорные книги Юмана М.А. по исследованию молнии: 1969 /26/ и 1987 /27/ годов выхода на языке оригинала. Регистрация излучения молнии в разных диапазонах волн использовалась для анализа разных стадий разряда (лидерного процесса, возвратного удара), для определения тока в возвратном ударе /28/. Было рассмотрено влияние конечной проводимости земли на форму электромагнитного импульса (ЭМИ) при его распространении /29/. Собственное излучение молнии используется в различных грозопеленгаторах для определения координат или дальности до молнии.

При теоретическом анализе излучения большое внимание уделялось моделям тока в канале. Первой популярной моделью стала модель линии передач, предложенная Маклайном Д.К. и Юманом М.А. /30/. Она описывала основные черты излучения молнии на разных расстояниях от канала, позволяла получить ток в возвратном ударе по измерениям излучения молнии /28/. Отметим, что во всех этих моделях рассматривался вертикальный канал облако-земля, а параметры тока в канале молнии не расчитывались, а задавались.

В России электромагнитное излучение молнии изучалось Аджиевым А. X., Александровым A.M., Качуриным Л. Г. и другими исследователями. Достигнутые успехи в анализе излучения молнии, особенно по восстановлению формы тока из измерений электрического поля, позволили при проведении диссертационных исследований /19-25/ использовать записи излучения для восстановления формы тока, получения значения энерговыделения в канале молнии.

1.2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭНЕРГОВЫДЕЛЕНИЯ В КАНАЛЕ МОЛНИИ, ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО РАСШИРЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА.

Ниже приведено описание газодинамической модели канала молнии /17, 18/, которая используется в диссертации.

Рассматривается процесс энерговыделения в однородной атмосфере в канале молнии во время обратного удара. В начальный момент времени (1=0) предполагается наличие ионизированного проводящего канала, образованного во время прохождения лидера. Плотность газа в канале положена равной атмосферной. При расчетах использовались интервалы 0,Кго^1 мм для радиуса канала г0 и 5000 °К<Т0<10000 °К для начальной температуры Т0.

Форма тока задавалась формулой:

Кг)=10*

О, 1^0

тт+1с, оаат (1.1)

ехр(-(г-гю)/гс)+1с,

где 10=10-110 кА - наиболее вероятный интервал изменения максимального тока в канале. I - слабо меняющийся во времени ток порядка нескольких ампер. Его величина является значимой только после распространения основного заряда в возвратном ударе. I является свободным параметром теории и определяется путем сравнения измеренной и расчитанной временной зависимости радиоотражения от канала молнии. ^=1-15 же - типичное время нарастания тока в канале, 1;с=20-100 мке - время спада тока.

В модели используется цилиндрическая симметрия решения, электрическая квазинейтральность плазмы (заряды не разделены) и

локальное термодинамическое равновесие. Плустер М.Н. /31/ доказал, что в молниевом канале реализуется локальное термодинамическое равновесие.

Физические процессы, происходящие во время молниевого разряда, описываются системой газодинамических уравнений, в которую включены источник Джоулева тепла, сила Лоренца, электронная теплопроводность, перенос энергии излучением, а также перенос энергии и массы тепловым движением тяжелых частиц. В модели предполагается, что длина молниевого канала много больше его радиуса и что энерговыделение происходит равномерно вдоль всего канала молнии. В этом случае решение поставленной задачи описывается функциями, зависящими только от радиальной координаты г и времени 1;. В плоскости переменных т,Х используются законы сохранения массы, импульса и энергии для произвольной области £3 ограниченной контуром Г /17, 18/. Необходимая для расчета радиоотражения электронная концентрация в воздухе 1$е(р,Т) определялась по табличным данным для термодинамического равновесия воздуха /32/. Сила Лоренца направлена к оси цилиндра и при больших токах препятствует свободному расширению плазмы канала.

Ранее Плустером М.Н. /31, 33/ была предложена численная модель ионизированного канала молнии при заданном токе в канале. Развитие канала получалось численным интегрированием уравнений газовой динамики, в которые были включены источники Джоулева тепла, электронная и молекулярная теплопроводность, перенос энергии излучением. Энерговыделение расчитывалось для разных импульсов тока. Эта модель имела некоторые недостатки- примененная аппроксимация переноса энергии излучением давала завышенные потери энергии, не учитывалось взаимодействие тока в канале и его магнитного поля.

Похожая численная модель обратного удара была предложена Хиллом

Р.Д. /34/. У него приводятся результаты расчета возвратного удара со средними характеристиками импульса тока. Ключевой для рассматриваемой модели физический параметр- проводимость воздуха расчитывается здесь неверно. Хилл Р.Д. использовал ошибочную формулу для частоты столкновений электронов с нейтралами г> =1,37хЮ12^ rp0»772 ceK-lf так как в существенном интервале

tul HQ

температур 8000-30000 °К проводимость получается в 20-30 раз меньше экспериментальных данных /35, 36/. Это приводило к тому, что результаты моделирования возвратных ударов с близкими характеристиками сильно различались для моделей Хилла Р.Д. и Плустера М.Н.. В частности, суммарное энерговыделение у Хилла Р.Д. /34/ в 6 раз больше, чем у Плустера М.Н. /31/ (соответственно 150 и 24 Дж/см). Заметим, что рост энерговыделения Е0 с уменьшением Проводимости о отвечает зависимости, установленной численно в работе /33/: при уменьшении о в N раз Eq увеличивается примерно в раз.

Указанные недостатки моделей Плустера М.Н. и Хилла Р.Д. были устранены в работах /17, 18/- перенос энергии излучением рассматривается в диффузионном приближении с разбиением спектра на 10 групп, учитывается магнитное поле, используемое теоретическое выражение для проводимости о соответствует экспериментальным значениям.

Процессы, протекающие в различных возвратных ударах, характеризуются следующими общими чертами. Ко времени достижения максимального тока t=tffi температура и электронная концентрация в канале достигают максимальных величин. Распределение электронной концентрации Ne внутри канала однородное; в зависимости от тока Ne лежит в интервале 1018-1019 см~3. Максимальная температура в канале зависит от его начального размера и тока она изменяется в

пределах 30000- 50000 °К для токов 10=10... 110 кА (начальный радиус Гд=0.5 мм).

Ко времени выделение энергии в канале, в основном,

прекращается, так как значительно возрастают радиус канала и его проводимость.

Ко времени г=(10...20)УЕ^7ра мкс (Е0 - энерговыделение в Дж/см,

ра - атмосферное давление, атм) давление в канале опускается до

атмосферного и расширение канала молнии завершается. Ионизированный

канал имеет резкую границу, радиус канала оценивается формулой

г^Ю,45 УЕ0/ра см /17/. К этому времени температура внутри канала

составляет 11000- 14000 °К (в зависимости от тока 10), электронная

17

концентрация равна 10 см . Потери на излучение достигают 30% от энерговыделения Е0.

Для возвратного удара с принятыми средними характернотиками 1д=20 кА, 1^=5 же, 1^=50 же энерговыделение составляет Е0=30 Дж/см и Е0=25 Дж/см соответственно для высоты 0 и 5 км /17/. Близкие значения были ранее получены в /19/. Для принятого среднего энерговыделения Е0=20-60 Дж/см радиус сф