CC BY
68
УДК 551.594
АКТИВНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ОБЛАКОВ С ЦЕЛЬЮ ВЫСОТНОГО ИНИЦИИРОВАНИЯ МОЛНИИ ТИПА ОБЛАКО - ЗЕМЛЯ
© 2009 г. С.М. Гальперин, В.Н. Морозов, А.В. Снегуров, Г.Г. Щукин
Научно-исследовательский центр дистанционного зондирования атмосферы, 188685, Ленинградская область, Всеволожский район, пос. Воейково, зИсИикт @уов1коуо. ги
Research Center of the Remote Sensing of Atmosphere of the Main Geophysical Observatory, 188685, Leningradskaya Oblast, Vsevolzhskiy Rayon, Voeikovo, shchukin@voeikovo.ru
Рассматриваются результаты активных воздействий на электрически состояние облаков с помощью льдообразующих реагентов и грубодисперсного аэрозоля. Обсуждаются результаты, экспериментов по инициированию молний с помощью электропроводящих нитей, доставляемых в облако с помощью ракет.
Ключевые слова: активные воздействия, грозовые облака, стадии развития, искусственные молнии, электрическое поле.
Reviews of the investigations on the modification of the cloud electric state are considered. Results of the experiments of the initiation of lighting «cloud to ground» are discussed.
Keywords: аctive actions, thunderstorm clouds, the stage of development, artificial lightning, electric field.
Активные воздействия (АВ) на электричество облаков в ГГО начались в 50-х гг. ХХ в. Основные результаты работ в этой области приведены в монографии [1]. В первых опытах воздействие на электрическое состояние мощного кучевого облака несколькими килограммами твердой углекислоты было зафиксировано изменение электрического поля, что указывало на то, что после воздействия начался процесс организованной электризации, совпадающий по времени с появлением в облаке крупных капель. В работах И.М. Имянитова были заложены основы столкно-вительного (контактного) механизма электризации облачных капель и частиц осадков [1]. Для подтверждения действия этого механизма были проведены эксперименты сначала в термобарокамере Института геофизики АН Грузинской ССР, а затем в термобарокамере ГГО в 80-х гг. ХХ в. Лабораторные исследования ставились следующим образом: на стенках барокамеры монтировались приборы для измерения напряженности электрического поля, камера наполнялась туманом; через туман сбрасывались частицы грубодисперсного аэрозоля (тальк, цемент, корунд). Была рассчитана связь между напряженностью электрического поля (Е П) в камере и зарядом, возникающим при действии контактного механизма электризации. Полученные результаты свидетельствовали о возможности изменения электрического состояния тумана введением частиц веществ с отличными от частиц тумана физико-химическими свойствами.
Была предложена методика определения элементарных процессов взаимодействия по электрическим и микрофизическим характеристикам тумана.
Основные результаты лабораторных исследований (экспериментов) по моделированию процессов контактной электризации в облаках были проведены в термобарокамере Института геофизики АН Грузин-
ской ССР [2]. Экспериментальная работа в термобарокамере ГГО ознаменовалась новым результатом: была обнаружена электризация при столкновениях с отскоком ледяных кристаллов с поликристаллическими ледяными частицами крупа [3, 4]. До этого момента считалось, что взаимодействие ледяных частиц при их столкновении с отскоком дает ничтожную электризацию.
Полученные результаты подтверждались работами английских [5] и японских исследователей [6].
На основе данных (результатов) теоретических и лабораторных исследований по контактному механизму электризации в 80-е гг. ХХ в. в ГГО были начаты работы по АВ на электрическое состояние облаков с помощью сброса в них грубодисперсного аэрозоля (тальк, корунд) и льдообразующего реагента Agi. Идея этих воздействий аналогична воздействию этого аэрозоля на туман термобарокамеры: частицы грубо-дисперсного аэрозоля, проходя через облачную среду и сталкиваясь с облачными частицами, должны были электризоваться сами и электризовать облачную среду. Такие работы проводились с использованием самолетных средств доставки реагента в облака [7, 8]. За эффект воздействия в этих экспериментах принималось изменение напряженности электрического поля над облаком порядка 100 В/м через 2-10 мин. Всего было проведено 43 эксперимента с воздействием, причем 16 - порошком талька, 24 - порошком корунда и 3 - другими порошками. В 25 случаях наблюдался эффект воздействия (13 - тальком и 12 - корундом), т.е. поля над облаками были порядка 100 В/м. Также проводились АВ на электрическое состояние облаков с помощью льдообразующего реагента Agi.
Как указывалось выше, в результате лабораторных экспериментов в термобарокамере ГГО было показано, что одним из возможных механизмов электриза-
ции облаков с развитой ледяной фазой является электризация за счет столкновений с отскоком мелких ледяных кристаллов с крупными частицами (крупа, град). Воздействия с помощью Agi меняют размеры и количество ледяных частиц. На основе методики, предложенной в 1983 г., было проведено 10 экспериментов по воздействию пиропатронами с льдообра-зующим реагентом на кучевые облака. Оказалось, что при воздействии 1-6 пиропатронами электрическая активность облака усиливалась и ослаблялась при введении в облака 12-60 пиропатронов.
Электрическое состояние конвективных облаков контролировалось по напряженности электрического поля над облаком на расстоянии от 50 до 300 м, измеряемой с помощью ПНП (флюксметров), установленных на борту самолета-лаборатории. Кроме этого параметра, контролировалась отражаемость облака и осадков, высота верхней границы облака, температура на уровне полета и верхней границы облака.
В настоящее время по-прежнему актуальным являются активные воздействия на электрическое состояние облаков. Такие АВ проводятся как с целью усиления электрического состояния облака, так и ослабления такого состояния. Основное внимание уделяется инициированию искусственных молниевых разрядов из облаков в интересах предотвращения поражения молниями объектов различного назначения. Общеизвестны пожары в лесных массивах, жилых зданиях, складах хранения нефтепродуктов и т.п., вызываемые молниевыми разрядами.
В интересах обоснования АВ на электрическое состояние облаков и контроля их результатов на полевой экспериментальной базе по АВ Тургоши (Ленинградская область) на протяжении 20 лет выполнены комплексные наземные и самолетные исследования мощных конвективных (грозовых) облаков.
В процессе экспериментов решались следующие задачи:
- определялись электрические, радиолокационные и радиотеплокационные параметры 3 стадий эволюции грозовых облаков (предгрозовая, грозовая и послегрозовая) [9-11];
- определялся состав радиотехнических дистанционных средств, необходимый для обнаружения каждой из 3 стадий развития грозового облака [11];
- рассматривались условия возникновения естественных молний в облаках [12].
Наибольшее внимание уделялось исследованиям естественной эволюции параметров радиоэха грозовых облаков и одновременному определению параметров молниевых разрядов с помощью PJ1C, функционирующих одновременно на X = 10, 35 и 200 см на двух поляризациях радиоволн (горизонтальной и вертикальной). Такие исследования позволили установить взаимное расположение в грозовых облаках зон молниевой активности, зон различной отражаемости облаков и осадков, повышенных значений водности и турбулентности, что весьма важно как при проведении АВ на электрическое состояние облаков, а также при метеообеспечении различных отраслей хозяйства. Основной результат этих исследований - это несовпадение координат перечисленных выше зон в грозо-
вых облаках, а также изменение взаимного расположения рассматриваемых зон по мере эволюции грозового облака [11, 13].
Особое внимание в последние годы уделено теоретическим и экспериментальным исследованиям, связанным с инициированием искусственных молний. В известной работе Л.Г. Качурина [14] указывается, что можно «разрядить» на землю грозовое облако до его смещения на охраняемый объект, заставив разряд пройти по искусственно созданному безопасному пути. При этом такой путь может быть создан как наземными техническими средствами, так и высотными.
Первое направление - с помощью ракеты в направление грозового облака выстреливается малогабаритная ракета, подобная противоградовой, тянущая за собой заземленный проводник, позволило получить положительные результаты [15, 16].
Большое внимание было уделено высотному инициированию молнии из облака на землю. Были осуществлены теоретические оценки изменений напряженности электрического поля (ЕП) по мере опускания из облака токопроводящего проводника (ТПП); разработана программа эксперимента; определен состав технических средств и выполнены экспериментальные исследования в Ленинградской области. По этому вопросу выполнено следующее:
- проведена теоретическая оценка изменений Е П по мере опускания из облака ТПП различной длины от 100 до 1000 м как из кучево-дождевого (предгрозового), так и грозового облака;
- разработана программа проведения экспериментальных исследований, включающая ежедневное прогнозирование гроз в радиусе 100 км на основе приема традиционной метеоинформации (синоптических, барических, прогностических карт, данных зондирования атмосферы, проводимых в п. Воейково, прогноз погоды из СЗУГМС). Результаты анализа грозовой обстановки в районе, а также момент времени целесообразного проведения АВ на электрическое состояние облака передавались на пункт пуска переоборудованной противоградовой ракеты - 11111Р, расположенный в зоне «А», находящейся относительно МРЛ -5 в азимутальном секторе 355 0 ^2 0 на расстоянии ~ 22-25 км.
- на основе прогноза гроз проводилась своевременная подготовка радиотехнические средства (РТС) управления такими АВ и контроля результатов этих воздействии. В эти РТС входили:
- автоматизированный метеорадиолокатор МРЛ -5;
- однопунктовый грозопеленгатор - дальномер (ОГПД) типа «Алвес» [15], фиксирующий в радиусе 50 км координаты молний, компоненты электромагнитного излучения разрядов (НХ, НУ и Ег) , сигналы времени с точностью до 1 мкс;
- приборы напряженности поля типа «Поле-2», размещенные в п. Воейково и зоне «А»;
- сотовые телефоны для обмена информацией с зоной «А».
Теоретическая оценка изменений напряженности электрического поля (Е2) по мере опускания из указанных выше облаков токопроводящих проводников (ТПП) проводилась при размещении проводящего эллипсоида в однородном электрическом поле, пред-
полагая, что ось г направлена вдоль поля, а оси х и у перпендикулярны оси г. Это позволило оценить потенциал и напряженность электрического поля около спускаемого из облака эллипсоида вблизи его концов (рис. 1).
Рис. 1. Варианты размещения токопроводящих проводов в атмосфере: А - ТПП между облаком и земной поверхностью; Б - заземленные ТПП; В - ТПП, спускаемые из облака; а - длина ТПП; б - радиус ТПП
Рассмотрим задачу об усилении электрического поля на концах токопроводящего проводника, находящегося во внешнем электрическом поле, создаваемом электрическими зарядами облака. Предполагая это поле однородным, можно, используя методы электродинамики, показать, что если ТПП аппроксимировать эллипсоидом вращения, то напряженность электрического поля на оси вращения Е1г связана с напряженностью внешнего электрического поля Ег соотношением [17]
2e
Е1:=Е:
г
iln1 + e-2el i—-еО
1 1-е J U' J
V a
(1)
где а - большая полуось эллипсоида вращения, равная Ь/2; Ь - длина ТПП; Ь - малая полуось, равная радиусу ТПП; е - эксцентриситет эллипсоида вращения; г - вертикальная координат аправленная вверх и отсчитываемая от середины I и удовлетворяющая условию | г\ > а.
Для сильно вытянутого вдоль большой оси эллипсоида (Ь << а) имеем вместо (1) приближенное выражение:
Ел? Е -z
ln
2a ~b
2
(2)
-1 + -
Рассмотрим это выражение при г, близких к концам ТПП. Пусть г = я(1 + s), s « 1. Подставляя это выражение в (2), получим
E1z= EzZ-1-ТТ . (3)
ln2*-1 b
2 s +
2Л
Оценки члена Ь2/а2 , входящего в знаменатель выражения (3), при Ь = 0,12 мм и длине большой полуоси а, равной 50, 100, 200, 500, 1000 м, дают величины 5,76х1042; 4,4х1042; З,6х1043; 5,76х1044; 1,44х10~14. Поэтому, если в = 0, то получаются колоссальные величины усиления поля вблизи концов ТПП ~ 1012-1013. Такому усилению поля должен препятствовать коронный разряд, который может возникнуть
на концах ТПП. При 2е >> Ь2/а2 вместо (3) получим выражение:
. (4)
-(-2а-1)
Рассмотренные выше формулы справедливы для трех случаев размещения ТПП в атмосфере, представленные на рис. 1. Исключение имеется в случае рис. 1Ь: а = Ь - длине проводника, в предположении однородности электрического поля, т.е. постоянства напряженности электрического поля. Это условие может нарушаться в случае, если ТПП располагается между облаком и землей, но как показывают теоретические оценки, в первом приближении формулы (1) -(4) остаются справедливыми.
Проведенные расчеты по формуле (4) показали, что при изменениях длины ТПП «а» от 10 до 1000 м поле может усиливаться в 10 3 ^ 104 раз вблизи концов эллипсоида. Вследствие этого вблизи ТПП будут создаваться условия, необходимые для инициирования молниевого разряда.
М.А. Юман [16] и Л.Г. Качурин [14], рассматривая подъем заземленных ТПП до высоты 300 м при отношении высоты (а) ТПП к его диаметру (2б), равному 60, получили усиление напряженности электрическо-
го поля в 10 раз.
2
a
Z
1
2
2
a
a
2
a
a
Экспериментальные исследования были проведены в августе 2005 г. в Ленинградской области. Наиболее приемлемые условия для проведения экспериментов имели место 02.08.05 г., когда с помощью МРЛ-5 было обнаружено развитие СЬ и грозовых облаков. По данным СЗУГМС находился в области циклона, центр которого был расположен в Ботническом заливе. На-
блюдалось смещение радиоэха облаков с запада на восток, т.е. в направление зоны «А».
В этот день к 1036 по данным МРЛ-5 СЬ облако сместилось в зону «А», обозначенную на рис. 2 на севере от радиолокатора маркером в виде квадрата.
Рис. 2. Результаты объемного обзора МРЛ-5 02.08.2005 г. в 1036
Определение принадлежности радиоэха к грозовому в данном эксперименте устанавливалось на основе использования данных грозопеленгатора - дальномера и по косвенному радиолокационному критерию У [18].
Во время нахождения облака над зоной «А» 02.08.05 в 1041-20 была осуществлена доставка в него на высоту 4000 м при нижней его границе 500 - 800 м с помощью ППГР 4 ЭПП, быстро разматывающихся в направление к земной поверхности, имеющих длину 1000 м, которые вызвали молниевый разряд в до41-49-030 (через ~ 29 с), зафиксированный ОГПД, по азимуту расположения зоны «А» относительно п. Воейково,
т.е. по азимуту А = 3570 (табл. 1). В качестве примера в табл. 1 приводятся данные ОГПД как до пуска ППГР, так и в момент времени возникновения молнии.
Данные наблюдений с помощью ОГПД позволили получить следующее:
- всего за время наблюдений ОГПД зафиксировано 80 молний, из которых в радиусе до 50 км было 72 (90 %);
- если учесть, что зона «А» расположена относительно ОГПД в азимутальном секторе от 3450 ^ 20, то до возникновения инициированной молнии по А =3570 в секторе зоны «А» с 10 30 05 490 до 10 4149 030 молнии ранее не возникали (табл. 2) .
Таблица 1
Результаты регистрации молниевых разрядов ОГПД «Алвес» 2 августа 2005 г. в пос. Воейково на базе НИЦ ДЗА
Дата Время (по Гринвичу) E z, В/м Азимут, ° Дальность, км Примечание
02.08.05 10:39:40.170 -157 91 >50
02.08.05 10:39:40.830 90 93 39,1
02.08.05 10:39:55.720 19 167 >50
02.08.05 10:39:57.360 177 275 18,4
02.08.05 10:39:57.690 258 268 32,1
02.08.05 10:39:58.080 160 105 30,3
02.08.05 10:40:05.600 58 86 49,7 Азимуты естественных молний до внесения в облако ЭПП
02.08.05 10:40:20.160 65 99 46,2
02.08.05 10:40:30.540 159 91 31,1
02.08.05 10:40:47.620 65 156 >50
02.08.05 10:40:49.430 152 88 35
02.08.05 10:40:59.980 134 90 35,6
02.08.05 10:41:18.760 96 88 32,8
02.08.05 10:41:19.040 298 89 38,3
02.08.05 10:41:23.650 146 87 34,6
02.08.05 10:41:23.980 79 86 34,2
02.08.05 10:41:24.310 48 90 >50
Пуск ППГР в 10 4120
02.08.05 10:41:49.030 127 357 29,8 Возникновение инициированной молнии
02.08.05 10:41:58.090 124 88 45,7
02.08.05 10:41:58.800 57 88 >50
02.08.05 10:42:08.800 137 91 26,9
02.08.05 10:42:09.180 319 93 30,2
02.08.05 10:42:09.510 223 90 28,2 Естественные молнии
02.08.05 10:42:17.480 97 83 36,4
02.08.05 10:42:20.170 59 92 48,9
02.08.05 10:42:47.800 203 276 23,6
02.08.05 10:42:48.130 75 92 39,6
02.08.05 10:42:48.790 123 262 27,4
02.08.05 10:42:49.120 114 90 38,6
02.08.05 10:42:50.540 184 90 35,7
02.08.05 10:42:50.870 84 95 34,5
02.08.05 10:43:25.420 355 91 22,6
Таблица 2
Азимутальное распределение молний, зафиксированных АГПД, С 10 3005-490 до 10 4149030 до инициирования молнии
Азимутальные секто ра регистрации молний, 0
От 71 до 120 От 141 до 170 От 251 до 290 Зона «А» от 345 ^ до 2
Количество молний, абс./%
57/78 | 3/4,1 | 13/17,8 | 0
Не вызывает сомнения, что появление инициированного молниевого разряда при доставке в облако ЭПП в 104120 есть результат воздействия на электрическое состояние облака, ибо из табл. 1 видно, что до этого в течение ~ 11 мин в период развития СЬ облака молнии в нем не возникали.
Приведенное сравнение показывает, что инициируемая молния возникла за счет создания объёмной проводимости в облаке, которая привела к появлению в нем критической напряженности электрического поля в тот момент времени, когда в облаке еще не была достигнута достаточная величина основных его зарядов.
Одновременно с определением координат молний ОГПД фиксировал формы и амплитуды 3 компонент
сигнала ЭМИ (НХ, НУ и Е2), что в дальнейшем позволит провести различие этих компонент при возникновении инициируемой молнии от естественных.
При проведении воздействия на электрическое состояние облака рассматривалось изменение параметров радиоэха облака как до, так и после инициирования молнии. В частности, изменение высоты радиоэха (Н в.г), отражаемости (I) на 2 высотах: Н3 ~ 5 км (на этом уровне определяется ^ 2 3 при оценке критерия ) ) и //, ~~ 1 км (измерение осадков). Эти результаты приводятся в табл. 3.
Таблица 3
Результаты определения изменений параметров радиоэха кучево-дождевого облака во время проведения эксперимента 02.08.2005
Параметр радиоэха Время проведения наблюдений на МРЛ-5
10 10 1030 1036 АВ в 104120 10 1053 1059
Н ВГ км 5,2 6,2 6,2 7,0 - 9,5 11 7,5
1,4 0,1 0,1 1,5 - 2,0 1,0 1,2
г! 1,0 2,4 2,4 1,9 - 3,5 0,8 2,2
Y 7,3 0,6 0,6 10,5 - 19 11 9
Из данных, приведенных в табл. 3, видно следующее:
- к моменту подачи команды на пуск ППГР с ТИП, т.е. в 1036, кучево-дождевое облако находилось в предгрозовой стадии развития. Рост высоты верхней границы радиоэха был естественным и продолжался после воздействий до 1053;
- установленные МРЛ-5 параметры радиоэха облака через 40 с после пуска ППГР, т.е. в 1042, показывают, что это облако с вероятностью 90 % можно отнести к грозовым, но молнии в нем не возникали (известны случаи, когда первая молния в облаке возникала при У = 40-57);
- после пуска ППГР через ~11 мин, несмотря на продолжающийся рост верхней границы облака до 11 км, изменилась микроструктура облака:
- в ~ 2 раза уменьшилась отражаемость ^ 23 на высоте 5,5-6,0 км;
- уменьшилась после воздействия в ~ 4 раза отражаемость осадков;
- обращает на себя изменение после воздействий критерия У в ~ 1,7 раза.
Из вышеизложенного следует:
1. Достигнуто инициирование искусственных молний из кучево-дождевого облака, находящегося в предгрозовой стадии развития, на основе использования верхнего воздействия на электрическое состояние облака опусканием из зоны его отрицательного заряда ТИП. Созданная несколькими ТПП зона объёмной электрической проводимости образовывалась не от земной поверхности, а непосредственно из облака на высоте расположения изотермы -10 °С, в области которой сосредотачивается отрицательный заряд облака.
2. При проведении воздействий на электрическое состояние облака электрическим методом (создание объёмной электропроводности) была проведена попытка рассмотреть последующее изменение микроструктуры облака на основе анализа параметров его радиоэха. Предварительно (на ограниченном количестве полученных данных) установлено, что не исключено изменение радиолокационных параметров радиоэха облака после введения в него ТПП, что требует проведения дальнейших исследований.
Литература
1. Имянитов И.М., Чубарина Е.В., Шварц Я.М. Электричество облаков. Л., 1971. 93 с.
2. Лабораторное моделирование процессов контактной электризации облачных частиц / под ред. И.М. Имянитова и Е.В. Чубариной. Л., 1985. 86 с.
3. Имянитов И.М., Климин Н.Н., Дьяконова И.Н. Моделирование процессов контактной электризации облаков в камере туманов // Изв. АН СССР. ФАО. 1988. Т. 24, № 6. С. 630639.
4. Климин Н.Н. Механизм передачи заряда при взаимодействии ледяных частиц. // Вопросы атмосферного электричества. Л., 1990. C. 127-137.
5. Keith W.D., Saunders C.P.R. Charge Transfer during multiple Large Ice Crystal Interaction with Riming Target // J. Geophys. Res. 1989. Vol. 94, № D11. Р. 13.103-13.106.
6. Takahashi T. Riming Electrification as a ChargeGeneration Mechanism in Thunderstorms // J. Atmos. Sci. 1978. Vol. 35, №
6. Р. 1536-1548.
7. Имянитов И.М., Михайловский Ю.П. Исследование механизма электризации облаков с помощью воздействия на них электрическое состояние // Тр. III Всесоюз. симп. по атмосферному электричеству. Л., 1988. С. 143-146.
8. Михайловский Ю.П. Методика и результаты воздействий на электрические явления в облаках с помощью самолетов // Тез. Всесоюз. конф. по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы. Нальчик, 1997. С. 87-89.
9. Методика исследования гроз радиотехническими средствами / С.М. Гальперин [и др.] // Тр. I Всесоюзного симпозиума по атмосферному электричеству. Л., 1976. С 161-170.
10. Гальперин С.М., Щукин Г.Г. Обнаружение электроактивных зон в облаках с помощью радиотехнических средств // Прикладная метеорология: тр. НИЦ ДЗА филиала ГГО. 2001. СПб., С. 123- 131.
11. Гальперин С.М., Стасенко В.Н., Фролов В.И. Исследование грозовых облаков на полевой экспериментальной базе ГГО (п. Тургош) // Вопросы физики облаков (облака, осадки и грозовое электричество). СПб., 2004. С. 169-197.
12. Стасенко В.Н. Радиолокационное исследование многоячеистых конвективных (грозовых) облаков. СПб., 2004. 99 с.
13. Радиолокационное сопоставление местоположения молний и зон осадков / В.И. Банников [и др.]. // Тр. ГГО. 1987. Вып. 508. С. 3-11.
14. Качурин Л.Г. Физические основы воздействия на атмосферные процессы. Л., 1973. 366 с.
15. Снегуров В.С. Концепция сетиремнгациигроз // Прикладная метеорология: тр. филиала ГГО НИЦ ДЗА. СПб., 1997. Вып. 546. С. 92-104.
16. UmanM. Lightning Discharge. 1987. 456 р.
17. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М., 1987. 620 с.
18. Руководство по производству наблюдений и применению информации с неавтоматизированных радиолокаторов МРЛ-1, МРЛ-2, МРЛ-5 (РД 52.04.320-91). СПб., 1993. 357 с.
Поступила в редакцию_6 мая 2008 г.
