CC BY
35
ФИЗИКА
УДК 551.578.7
О СОСТОЯНИИ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ФИЗИКЕ ГРАДОВЫХ ОБЛАКОВ И АКТИВНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА НИХ
© 2012 г. Б.А. Ашабоков, М. Ч. Залиханов, В.О. Тапасханов, Л.М. Федченко, А.В. Шаповалов
Ашабоков Борис Азреталиевич - доктор физико-математических наук, профессор, заведующий отделом, Высокогорный геофизический институт, пр. Ленина, 2, г. Нальчик, КБР, 360030, e-mail: vgikbr@rambler.ru.
Залиханов Михаил Чоккаевич - доктор географических наук, профессор, академик РАН, главный научный сотрудник, Высокогорный геофизический институт, пр. Ленина, 2, г. Нальчик, КБР, 360030, e-mail: vgikbr@rambler.ru.
Тапасханов Валерий Оюсович - кандидат технических наук, директор, Высокогорный геофизический институт, пр. Ленина, 2, г. Нальчик, КБР, 360030, e-mail: vgikbr@rambler.ru.
Федченко Людмила Михайловна - доктор географических наук, профессор, научный консультант, Высокогорный геофизический институт, пр. Ленина, 2, г. Нальчик, КБР, 360030, e-mail: vgikbr@rambler.ru.
Шаповалов Александр Васильевич - доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией, Высокогорный геофизический институт, пр. Ленина, 2, г. Нальчик, КБР, 360030, e-mail: atajuk@mail.ru.
Ashabokov Boris Azretalievich - Doctor of Physical and Mathematical Science, Professor, Head of Department, HighMountain Geophysical Institute, Lenin Ave, 2, Nalchik, KBR, 360030, e-mail: vgikbr@rambler.ru.
Zalikhanov Michael Chokkaevich - Doctor of Geographical Science, Professor, Academician of the Russian Academy of Sciences, Main Scientific Employee, High-Mountain Geophysical Institute, Lenin Ave, 2, Nalchik, KBR, 360030, e-mail: vgikbr@rambler.ru.
Tapaskhanov Valery Ojusovich - Candidate of Technical Science, Director, High-Mountain Geophysical Institute, Lenin Ave, 2, Nalchik, KBR, 360030, e-mail: vgikbr@rambler.ru.
Fedchenko Lyudmila Mikhajlovna - Doctor of Geographical Science, Professor, Scientific Adviser, High-Mountain Geophysical Institute, Lenin Ave, 2, Nalchik, KBR, 360030, e-mail: vgikbr@rambler. ru.
Shapovalov Alexander Vasilevich - Doctor of Physical and Mathematical Science, Professor, Head of Laboratory, HighMountain Geophysical Institute, Lenin Ave, 2, Nalchik, KBR, 360030, e-mail: atajuk@mail.ru.
Обсуждается современное состояние исследований по физике градовых облаков и активных воздействий на них. Отмечено, что данное научное направление находится в стадии перехода к новому этапу исследований градовых процессов с учетом их системных свойств. Обозначены некоторые трудности и пути решения проблемы.
Ключевые слова: физика градовых облаков, состояние исследований, активные воздействия, системные свойства.
In work the current state of researches on the physicist thunderstorm clouds and active influences on them is discussed. It is noticed that the given scientific direction is in a transition stage to a new stage of researches thunderstorm processes taking into account their system properties. Some difficulties and ways of the decision of a problem are designated.
Keywords: physics thunderstorm clouds, condition of researches, active influences, system properties.
Градовые облака относятся к сложным атмосферным явлениям, основными особенностями которых являются нестационарность, трехмерность, а также существенная разномасштабность протекающих в них физических процессов. Следует отметить, что взаимодействие между собой процессов в градовых облаках и самих облаков с окружающей атмосферой носит чрезвычайно сложный и нелинейный характер. Большое разнообразие процессов, приводящих к образованию и развитию градовых облаков в естественных условиях и при активном воздействии, требует использования такого же разнообразия методов для их исследования: лабораторных и натурных экспериментов с применением сложного и дорогостоящего оборудования, численного моделирования процессов в облаках с использованием различных моделей.
Если охарактеризовать кратко современное состояние исследований по физике градовых облаков и разработке методов активного воздействия на них, то можно отметить, что по этой проблеме получены существенные научные и практические результаты. С помощью лабораторных, натурных и теоретических исследований, проводимых с 60-х гг. XX в., изучены основные процессы, способствующие образованию частиц осадков в облаках, механизмы образования града на зародышах разных типов [1-3]. Накоплен большой материал, посвященный исследованию эволюции градовых облаков различных типов и формированию их макро- и микроструктурных характеристик, и другие [3-7]. На основе этих исследований предложены концепции воздействия на облака с целью предотвращения образования града, разработаны
и широко внедрены в практику методы воздействия на градовые процессы, которые применяются в различных странах [4, 8, 9].
Проведение противоградовых работ связано с созданием достаточно сложной системы, включающей в себя средства и способы обнаружения и распознавания объектов воздействия, технологию проведения операций по засеву градовых и градоопасных облаков, ракетные пусковые установки, автоматизированные системы управления воздействием, методы оперативного контроля эффекта засева объектов воздействия и оценки экономической эффективности воздействия и другие [4, 8-10]. Центральной составной частью данной системы является метод воздействия на процессы образования градовых частиц, реализация которого требует разработки противоградовых комплексов, включая эффективные составы льдообразующих реагентов. Проведенные за прошедший период исследования и разработки позволяют предотвращать градобития или заметно сокращать площади погибших от града сельскохозяйственных культур. Так, средняя эффективность противоградовой защиты в 11 регионах применения российской технологии в 1966-2010 гг. составила 84 %, а в 1981- 2010 гг. - 87,7, ущерб от града сокращен в 8,1 раза, затраты на защиту окупились в 3-11 раз в зависимости от градоопасности региона и ценности защищаемых культур [10].
Вместе с тем основной ущерб сельскохозяйственным культурам наносят сверхмощные градовые процессы, несмотря на проводимые на них воздействия. Причинами пропуска градобитий являются не только организационные или технологические, но и недостаточные знания всей сложности и многообразия процессов, приводящих к образованию градовых осадков, закономерностей формирования макро- и микроструктурных характеристик градовых облаков с учетом взаимодействия процессов в облаках и облаков с окружающей средой, и другие. Научные основы применяемых технологий предотвращения града до настоящего времени все еще остаются на уровне концептуальных моделей градовых облаков и физических гипотез их модификации, и дальнейшее их развитие требует строгого научного исследования [4, 8, 9].
Дальнейший прогресс физики градовых облаков и активных воздействий на них требует решения качественно новых задач. Они заключаются в исследовании облаков с учетом их эмерджентных свойств, т.е. с учетом взаимодействия процессов в облаках между собой и облаков с окружающей атмосферой.
К работам, посвященным исследованию этого вопроса, можно отнести [11], в которой исследована роль деформации полей термодинамических параметров в облаке, которая является одним из проявлений взаимодействия динамических и термодинамических процессов в облаках, их влияния на формирование микроструктурных характеристик. В работе показано, что взаимодействие этих процессов может существенным образом повлиять на микроструктуру облака и, соответственно, на процессы осадкообразования в них.
Вместе с тем до настоящего времени относительно микрофизических процессов в облаках не удалось получить такие результаты, которые были бы достаточны для полного и корректного их учета в числен-
ных моделях облаков. Это относится, например, к процессам образования первичных капель и кристаллов за счет активации атмосферных ядер конденсации и сублимации, к процессам роста кристаллов различных форм, к электризации облачных частиц и другим процессам. Также недостаточно изучены процессы взаимодействия частиц реагентов с облачной средой при различных условиях. Тогда как разработка методов воздействия на облака требует знания этих процессов, их формализации и включения в численные модели облаков. Требуется также теоретическое и экспериментальное изучение закономерностей взаимодействия облаков с окружающей атмосферой и его роли в процессах облакообразования.
Относительно натурных исследований градовых процессов необходимо отметить, что в настоящее время анализ получаемой информации в основном сводится к исследованию трансформации радиолокационной структуры облаков, оценке с определенной погрешностью микроструктурных характеристик облаков, определению спектра выпавшего града, что явно недостаточно для получения фундаментальных научных результатов о закономерностях формирования микроструктурных характеристик облаков в естественных условиях и при проведении активного воздействия. Учитывая преимущества дистанционных методов экспериментального исследования облаков, необходимо научиться более эффективно использовать возможности радиолокационного зондирования облаков, что требует разработки надежных методов перехода от интегральных радиолокационных параметров облаков к их микроструктурным характеристикам, к более тщательной физической интерпретации результатов экспериментальных исследований с использованием современных эффективных методов их анализа.
Основным средством исследования этих вопросов, а также основных структурообразующих факторов при изучении сложных систем является математическое моделирование. В связи с этим роль математического моделирования в развитии физики облаков в значительной степени повышается. Здесь важно отметить, что исследование различных вопросов физики облаков может потребовать разработки различных моделей, начиная с относительно простых для исследования конкретных процессов и заканчивая сложными трехмерными и нестационарными моделями для исследования облаков в целом и моделирования активного воздействия.
В настоящее время разработаны достаточно эффективные методы и накоплен большой опыт по расчету процессов гидротермодинамики в моделях облаков [1113]. Но серьезные трудности возникают при расчете микрофизических процессов. Они связаны с неполной ясностью многих из них, с трудностью их формализации. Решение данной проблемы возможно на основе хорошо спланированных лабораторных исследований этих процессов с использованием результатов, для которых должны быть построены их полуэмпирические модели. Возникают трудности, связанные с идентификацией моделей, что требует использования достаточно большого массива данных о состоянии атмосферы в области образования и развития градовых облаков. Отсюда следует, что для решения указанных задач необхо-
димо усилить взаимодействие между теоретическими и экспериментальными исследованиями путем согласования проводимых работ.
Отдельно следует остановиться на моделировании активного воздействия на градовые процессы, которое является достаточно трудоемкой и сложной проблемой. Моделирование активного воздействия в настоящее время сводится к перебору различных вариантов внесения искусственных кристаллов в облако. Получение эффективного метода управления процессами осадкообразования в градовых облаках на основе такого подхода потребует больших затрат времени и средств. Для проведения таких исследований чрезвычайно перспективным является использование моделей управления, подобных изложенной в [12].
Таким образом, проведение исследований по всем перечисленным направлениям и получение значимых результатов являются достаточно сложными научными проблемами, поэтому с учетом состояния финансирования науки в нашей стране следует стремиться к повышению эффективности использования тех крайне ограниченных ресурсов, которые выделяются на эти цели. Для этого необходимо поднять на новый уровень качество управления исследованиями: следует четко определить те процессы, изучение которых необходимо в первую очередь, тщательно спланировать эксперименты, продумать стратегию обновления дорогостоящего комплекса приборов и оборудования, усовершенствовать существующие и разработать новые технологии решения поставленных задач.
Кроме того, серьезное внимание необходимо уделить повышению эффективности системы подготовки и переподготовки научных кадров, а также разработке механизмов закрепления специалистов высокой квалификации в научной сфере. Этот вопрос требует системного решения.
Литература
1. Сулаквелидзе Г.К. Ливневые осадки и град. Л., 1967. 412 с.
Поступила в редакцию_
2. Тлисов М.И. Физические характеристики града и меха-
низм его образования. СПб., 2002. 386 с.
3. Хоргуани В.Г. Микрофизика зарождения и роста града.
М., 1984. 187 с.
4. Абшаев М.Т. Автоматизированная ракетная технология
подавления града и результаты ее применения в различных районах мира // Тр. междунар. конф. по активным воздействиям на гидрометеорологические процессы. Чебоксары, 2000. С. 23-32.
5. Федченко Л.М., Залиханов М. Ч. Состояние и перспекти-
вы научных работ по предотвращению града // Тр. ВГИ. 1984. Вып. 55. С. 3-24.
6. Федченко Л.М., Абшаев М.Т., Тлисов М.И. Современные
методы и технические средства, применяемые при воздействии на градовые процессы. Обзорная информация. Обнинск, 1985. Вып. 7. 35 с.
7. Федченко Л.М., Абшаев М.Т., Тлисов М.И. Комплексный
градовый эксперимент: задачи, техническое оснащение, предварительные результаты // Тр. Всесоюз. конф. по активным воздействиям на гидрометеорологические процессы. Киев, 1987.
8. Абшаев М.Т., Абшаев А.М., Малкарова А.М., Пометель-
ников В.А. Организация и проведение противоградовой защиты. РД 52.37.731 - 2010. Нальчик, 2010. 85 с.
9. Бибилашвили Н.Ш., Бурцев ИИ., Серегин Ю.А. Руковод-
ство по организации и проведению противоградовых работ. М., 1981. 168 с.
10. Абшаев М.Т., Малкарова А.М. Методы оценки эффек-
тивности активного воздействия на градовые процессы и порядок отчетности о проведении противоградовой защиты. РД 52.37.731 2010. Нальчик, 2010. 53 с.
11. Ашабоков Б.А., Федченко Л.М., Шаповалов А.В., Шора-
нов Р.А. Численные исследования образования и роста града при естественном развитии облака и активном воздействии // Метеорология и гидрология. 1994. № 1. С. 41-48.
12. Ашабоков Б.А., Шаповалов А.В. Конвективные облака:
численные модели и результаты моделирования в естественных условиях и при активном воздействии. Нальчик, 2008. 257 с.
13. Математическое моделирование конвективного тепло-
массообмена на основе уравнений Навье-Стокса / В.И. Полежаев, А.В. Бунэ, Н.А. Верезуб и др. М., 1987. 271 с.
8 июня 2012 г.
