Содержание к диссертации
Введение
1. Характеристики грозовой активности (обзор литературы) 13
1.1. Источники информации о грозовой активности 13
1.1.1. Визуально-слуховые наблюдения 13
1.1.2. Счетчики разрядов молнии в землю 15
1.1.3. Радиолокационные наблюдения 16
1.1.4. Наземная система местоопределения молний 16
1.1.5. Спутниковые наблюдения за молниями 19
1.2. Факторы, определяющие неоднородность пространственного распределения грозовой активности 20
1.2.1 .Синоптические процессы, обуславливающие грозы 21
1.2.1.1.11ад Западной Сибирью 22
1.2.1.2. Над Южной Германией 23
1.2.2. Влияние орографии на плотность разрядов молнии в землю 23
1.2.3. Влияние климатических характеристик на пространственное распределение грозовой активности 26
1.2.4. Аномалии геофизических полей 28
1.2.5. Влияние уровня радиоактивности на грозовую активность 31
1.2.5.1. Основные источники ионизации атмосферы 31
1.2.5.2. Влияние повышенной радиоактивности на электрическое состояние и грозовую активность атмосферы 34
1.2.6. Влияние городов на грозовую активность 36
2. Косвенные методы оценки плотности разрядов молнии в землю 40
2.1 .Характеристика материала исследования 40
2.1.1 .Статистическая обработка данных 41
2.1.1.1. Проверка рядов на однородность 41
2.1.1.2. Физико-статистические параметры молний 42
2.1.1.3. Проверка близости распределения нормальному закону...47
2.1.2. Пространственное распределение характеристик
грозовой активности на территории южной Германии 48
2.1.2.1. Пространственное распределение числа дней с грозой...48
2.1.2.2. Пространственное распределение плотности разрядов молнии в землю по наземной системе пеленгации 49
2.1.2.3. Сравнительный анализ карт плотности разрядов молнии в землю и числа дней с грозой 50
2.1.3. Синоптическая ситуация при молниевых разрядах 51
2.1.3.1. Циклоны над юго-востоком Западной Сибири 51
2.1.3.2. Отношение количества грозовых разрядов к типу синоптической ситуации над Центральной Европой 53
2.1.3.3. Количество разрядов молнии в землю и данные радиозондирования 56
2.2. Метод оценки плотности разрядов молнии по спутниковым данным 59
2.2.1. Сравнительный анализ наземных и спутниковых данных наблюдений для южной Германии 60
2.2.2. Проверка полученных значений с помощью критерий %~ 62
2.2.3. Оценка плотности разрядов молнии в землю для Томской области 63
2.2.4. Сравнение полученных результатов с предыдущими исследованиями 64
2.2.4.1. Сравнение с картой плотности разрядов молнии в землю но счетчикам молний 1985-1987 гг 64
2.2.4.2. Сравнение с картами, построенными по визуальным наблюдениям 66
4 2.2.5. Оценка максимально возможных значений плотности разрядов для Томской области 68
2.2.5.1.Оценка поправки на годовой ход плотности разрядов...68
2.2.5.2. Оценка поправки на суточный ход плотности разрядов молнии в землю 69
2.3. Соотношение данных о плотности разрядов молнии в землю и числа дней с грозой 70
2.3.1. Оценка эмпирических коэффициентов для отдельных метеостанций 71
2.3.2. Проверка гипотезы о зоне "сильной" корреляции 73
2.3.3. Оценка эмпирических коэффициентов для различных топографических групп 80
3. Влияние на грозовую активность производственной деятельности людей (включая влияние городов) и уровня радиоактивности территорий 83
3.1. Влияние на ірозовую активность производственной деятельности людей (включая влияние городов) 83
3.1.1. Анализ грозовой активности на территориях с различной степенью устойчивости к антропогенным нагрузкам в 1 омской области 84
3.1.2. Грозовая активность в рабочие и выходные дни для Томской области 86
3.1.3. Сравнение плотности разрядов молнии в землю над городами со средней плотностью над южной Германией 88
3.1.4. Плотность разрядов молнии в землю в шести индустриальных районах южной Германии 88
3.2. Анализ характеристик грозовой активности в зависимости от уровня радиоактивности 91
3.2.1. Естественная фоновая радиоактивность и грозовая активность 91
3.2.2. а-активность и число дней с грозой 95
3.2.3. Влияние суммарной Р - радиоактивности воздуха на плотность разрядов молнии в землю 97
3.2.4. Влияние штатной работы ядерных реакторов на плотность разрядов молнии в землю 99
4. Роль молний в возникновении лесных пожаров или территории томской области 102
4.1. Причины возникновения и распространения лесных пожаров (обзор литературы) 102
4.2. Роль молний - как главного природного источника лесных пожаров 105
4.3. Влияние повышенных температур воздуха на число и площадь пожаров 109
4.4. Временной ход характеристик пожаров 1 К)
4.5. Совместное влияние на площадь пожаров комплекса климатических характеристик - продолжительности іроз в часах и температуры воздуха 112
4.6. Рекомендации для лесоохрашп>іх служб Томской области 1 13
Заключение 115
- Факторы, определяющие неоднородность пространственного распределения грозовой активности
- Метод оценки плотности разрядов молнии по спутниковым данным
- Соотношение данных о плотности разрядов молнии в землю и числа дней с грозой
- Анализ характеристик грозовой активности в зависимости от уровня радиоактивности
Введение к работе
Актуальность работы. В связи с принятым в передовых угледобывающих странах (США, Австралия, Германия, ЮАР и др.) направлением на сверхконцентрацию горных работ, когда вся многотысячная суточная добыча шахты обеспечивается одной (максимум двумя) комплексно-механизированной лавой, и неизбежным заимствованием подобной технологии угольной промышленностью РФ возникает острейшая необходимость ускоренной и безопасной подготовки таких суперлав одиночными тупиковыми подготовительными выработками при максимально возможных размерах выемочных участков, чтобы прежде всего свести к минимуму простои в
добыче из-за частого перемонтажа добычного комплекса из одной лавы в
другую. Ускоренную проходку таких выработок тормозит высокая газообильность забоя и местные скопления метана на протяжении выработки. Существующие конструкции соединений гибких вентиляционных труб имеют большие утечки и не обеспечивают подачу необходимого количества воздуха в забой в экстремальных условиях. Попытки рационального использо 4. вания общешахтной депрессии, создаваемой главными вентиляторами, путем
сокращения длины тупика, в котором метан разбавляется свежим воздухом вентилятором местного проветривания, за счет проходки парных выработок со сбойками, вентиляционных печей, делящих участок на блоки, значительно удорожают подготовку участка к выемке и создают дополнительные опасные условия при переходе лав через такие печи. Регламентируемые Правилами безопасности способы и средства устранения местных скоплений метана были разработаны применительно к тонким пластам и для выработок небольшой протяженности. Для пластов средней мощности и мощных, когда метан выделяется в выработку по всему ее периметру, и для скоростной проходки длинных одиночных выработок они должны быть усовершенствованы. Соответственно должны быть дополнительно научно обоснованы и скоррек
тированы и методы расчета параметров проветривания длинных тупиковых подготовительных выработок.
Актуальность исследований в данном направлении подтверждают следующие практические данные:
- слоевые и местные скопления метана являются очагами, начиная с ко-торых происходят опасные для шахтеров вспышки и взрывы метана, а затем и угольной пыли, и служат каналами распространения горения метана на большие расстояния;
- по числу аварий и жертв от взрывов метана и угольной пыли угольная промышленность РФ в 20 раз опережает США;
- на долю подготовительных выработок приходится в 1,5-2,5 раза боль- ше воспламенений метана, чем на очистных (в 2001 г. из 5 взрывов на шахтах
Кузбасса 4 произошли в подготовительных выработках).
Расчет расхода воздуха для таких выработок осуществляется из условия разжижения метана до допустимых концентраций. Однако, как показывает практика, такой расход воздуха не гарантирует, что не будет образований местных и слоевых скоплений метана в выработке по ее длине. Это обусловле- но как сложной структурой аэрогазодинамики вентиляционной струи в выра ботке и аэродинамики вентиляционного става, так и тем, что плотности воздуха и метана почти в 2 раза отличаются друг от друга. Слоевые скопления метана образуются у кровли выработки даже при достаточно высокой скорости движения воздушного потока и в местах, подчас необъяснимых без анализа аэрогазодинамики системы «став вентиляционных труб - тупиковая подготовительная выработка». Поэтому разработка методов расчета параметров аэрогазодинамики выработки и става вентиляционных труб по всей длине тупиковой выработки и создание средств эффективного проветривания забоя и предотвращения местных скоплений метана на ее протяжении является актуальной научной проблемой.
Диссертационная работа выполнена в ГОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет» в соответствии с тематическими плана
ми научно-исследовательских работ ВостНИИ, отраслевыми программами НТГА (Научно-техническая горная ассоциация) и хоздоговорами с угольными объединениями «Ленинскуголь» и «Северокузбассуголь», а также с отдельными шахтами: «Первомайская», .«Березовская», «Октябрьская», «Рас-падская» и им. 7 Ноября.
Целью работы является обоснование способов и средств эффективного проветривания тупиковых выработок угольных шахт, обеспечивающих доставку требуемого количества воздуха в забой протяженных выработок и ликвидацию скоплений метана по длине выработки.
Идея работы состоит в использовании установленных закономерностей газодинамики тупиковых выработок и системы «вентилятор - став вентиляционных труб» для обосновании технических и технологических решений эффективного проветривания протяженных подготовительных выработок при скоростной проходке.
Задачи исследований:
- оценить утечки воздуха на линейном участке става вентиляционных труб и в их соединениях;
- изучить аэродинамику выработки, подводящей вентиляционный поток к тупиковой выработке и отводящей от нее;
- исследовать газодинамику тупиковых выработок;
- разработать методику расчетов аэродинамических параметров системы «вентилятор - став вентиляционных труб»;
- выявить условия и наиболее вероятные места слоевых и местных скоплений метана по длине тупиковой выработки;
- разработать технические решения по повышению надежности и герметичности става вентиляционных труб;
- обосновать и разработать конструкции соединений гибких шахтных вентиляционных труб с элементами средств отвода свежего воздуха из става для борьбы со слоевыми и местными скоплениями метана у кровли подготовительной выработки.
Методы исследований. Для решения поставленных задач применены комплекс лабораторных и шахтных исследований с обобщением их результатов методами математической статистики и корреляционного анализа. Проведены опытно-промышленные испытания разработанных средств и устройств.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
- утечки воздуха через ткань, швы и стыковые соединения линейно зависят от давления в системе «вентилятор - став вентиляционных труб», а величина их вблизи вентилятора наибольшая и по мере подвигания к забою убывает;
аэродинамика выработки, подводящей вентиляционный поток к тупи- ковой выработке, начиная от диффузора вентилятора, характеризуется скачкообразным падением, как дебита, так и скорости потока, достигающим 70 а аэродинамика выработки, отводящей вентиляционный поток от тупиковой выработки, характеризуется значительным увеличением дебита за счет газовыделения в тупиковой выработке, что увеличивает скорость воздуха до величин, превышающих допустимые нормы на 30 %;
- газодинамика тупиковых выработок по их длине характеризуется тре мя типами газовыделения - с равномерными нарастающими к тупику, с нарастающими к тупику и волнообразными всплесками на отдельных участках за счет выделения из нарушений, с периодически появляющимися волнообразными участками в квершлагах при пересечении пластов угля, тектонических нарушений и зон влияния подработки;
- методика расчета аэродинамических параметров системы «вентилятор - став вентиляционных труб» учитывает циклически изменяющиеся параметры утечек через ткань, швы и стыковые соединения, скачкообразно изменяющиеся давления в конце отдельного отрезка трубы и в начале следующего, а также требуемое количество воздуха, подаваемого в забой;
- слоевые и местные скопления метана по длине тупиковой выработки возникают в тех случаях, когда исходящая из забоя вентиляционная струя до
предела насыщена метаном (1 %) и по длине проветриваемой выработки имеются дополнительные источники газовыделения, которые не разжижаются до допустимых пределов утечками из става вентиляционных труб, причем в квершлагах слоевые скопления приурочены к местам тектонических разломов, пересечения пластов и к зонам влияния подработки;
- надежное (до полного исключения разрывов) и герметичное (со снижением утечек до нуля) соединение отдельных отрезков труб обеспечивают разработанные конструкции соединений типа СВТ-1 и СВТ-2, включающие съемные жесткие зажимные элементы с зажимными коническими поверхностями, охватывающими концы соединяемых гибких труб, которые снабжены стяжными болтами, позволяющими продольное перемещение относительно друг друга;
- полное вымывание слоевых и местных скоплений метана по длине тупиковой выработки обеспечивает разработанное соединение гибких шахтных вентиляционных труб, которое снабжено пропущенным через один из зажимных элементов воздухозаборным устройством, состоящим из заборника и взвихривателя с возможностью углового и поперечного перемещения относительно зажимных элементов и устанавливаемых в ставе вентиляционных труб с интервалами через 4-5 м по всей длине очага слоевого скопления.
Научная новизна работы заключается:
- в установлении влияния давления в системе «вентилятор - став вентиляционных труб» на утечки воздуха через ткань, швы и стыковые соединения по всей длине тупиковых выработок;
- в выявлении характера падения дебита и скорости воздушного потока у диффузора ВМП в подводящей выработке и изменения дебита и скорости на исходящей струе из тупика;
- в типизации характера газовыделения в тупиковых выработках;
- в учете циклически изменяющихся аэродинамических параметров в методе инженерного расчета системы «вентилятор - став вентиляционных труб» по всей длине тупиковых выработок;
- в определении условий и вероятных мест слоевого скопления метана по длине тупиковых выработок в зависимости от аэродинамики системы «вентилятор - став вентиляционных труб» и газовыделения;
- в разработке технических и технологических решений по повышению надежности и герметичности стыковых соединений вентиляционных труб;
- в обосновании и разработке технических решений и математических моделей расчета объема воздуха, отводимого из става вентиляционных труб для вымывания слоевых и местных скоплений метана по длине тупиковых выработок.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
- использованием при проведении лабораторных и натурных исследований современных широко апробированных методов и аппаратуры;
- сопоставимостью результатов натурных замеров на 5 шахтах в 8 выработках и лабораторных исследований (расхождение до 15 %);
- сопоставимостью данных, полученных различными инструментальными и расчетными методами (расхождение до 10 %);
- положительной практикой применения соединений на 5 шахтах Кузбасса.
Личный вклад автора заключается:
- в теоретическом обосновании методического подхода к решению задач количественной оценки утечек воздуха через ткань, швы и стыковые соединения гибких шахтных вентиляционных труб и разработке конструкции стенда для определения утечек;
- в установлении закономерностей изменения дебита и скорости воздушного потока в выработке, подводящей к тупиковой выработке и отводящей от нее;
- в установлении и типизации закономерностей выделения метана по длине тупиковых выработок;
- в разработке инженерной методики и программного обеспечения расчета аэродинамических параметров системы «вентилятор - став вентиляционных труб»;
- в установлении закономерностей изменения аэродинамических параметров системы «вентилятор - став вентиляционных труб» по длине выработки;
- в установлении закономерности распределения концентрации метана в слоевом скоплении тупиковой выработки;
- в установлении зависимости изменения относительной концентрации пыли в выработке в местах отвода свежего воздуха из става вентиляционных труб для удаления слоевых и местных скоплений метана от времени;
- в обосновании и разработке технических и технологических решений эффективного проветривания протяженных выработок;
- в установлении зависимости давления в системе трубопровода от диаметра и площади окна диафрагмы;
- в установлении зависимости объема воздуха, истекающего из форсунки, от площади окна диафрагмы и давления в ставе вентиляционных труб.
Научное значение диссертации состоит в установлении закономерностей изменения аэрогазодинамических параметров системы «вентилятор -став вентиляционных труб», подводящей, отводящей и тупиковой выработок, обосновании способов и средств эффективного проветривания и борьбы со слоевыми скоплениями метана по длине протяженных выработок при скоростной проходке.
Практическая ценность работы:
- разработаны технические и технологические решения по ликвидации утечек из става гибких шахтных вентиляционных труб и борьбы со слоевыми скоплениями метана, позволяющие целенаправленно и эффективно управлять аэрогазодинамикой тупиковых протяженных выработок при обильном газовыделении и скоростной проходке;
- результаты работы позволяют изменить традиционный подход к оценке утечек воздуха из става вентиляционных труб, основанный на новом качественном и количественном уровнях установления истинных утечек, которые имеют важное значение для прогнозирования изменений воздушных параметров в системе;
- разработан и создан стенд для количественной оценки утечек воздуха из става вентиляционных труб;
- разработаны, созданы и внедрены новые соединения вентиляционных труб, повышающие надежность и герметичность вентиляционного става, применение которых увеличивает длину выработки, проветриваемой одним вентилятором, работающим в оптимальном режиме, в 3,84 раза;
- разработаны новые соединения вентиляционных труб с элементами средств отвода свежего воздуха из става для борьбы со слоевыми и местными скоплениями метана у кровли тупиковой выработки.
Реализация работы. Научные принципы и выводы, полученные в результате исследований, использованы при разработке технических заданий на изготовление:
- стенда по определению утечек воздуха на линейном участке вентиляционной трубы и стенда для определения утечек через соединения;
-соединений типаСВТ-1, СВТ-2;
- оснастки для изготовления соединений СВТ-2 методом штамповки;
- соединений типа СБМ-1, СБМ-2, СБМ-3.
Технические задания утверждены руководством ВостНИИ, использованы на опытно-экспериментальном заводе по изготовлению средств безопасности. Соединения прошли опытно-промышленные испытания на шахтах «Березовская», «Первомайская», «Октябрьская» «Распадская» и им. 7 Ноября.
Практические рекомендации включены в информационную брошюру, которая с 2000 по 2003 гг. претерпела 4 издания и издана общим тиражом в 28400 экземпляров и распространенна на 30 шахтах Кузбасса.
Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение: на IV Международной научно-практической конференции по безопасности жизнедеятельности предприятий в угольных регионах (21-23 сентября 2000 г., Кемерово); на Международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России». Новые подходы к развитию угольной промышленности (18-21 сентября 2001 г., Кемерово); на Международной научно- практической конференции «Энергетическая безопасность России». Новые подходы к развитию угольной промышленности (10-13 сентября 2002 г., Кемерово); на технических совещаниях при технических директорах производственных объединений «Ленинскуголь» и «Северокузбассуголь»; на технических совещаниях при главных инженерах шахт «Березовская», «Первомайская», «Октябрьская», им. 7 Ноября и «Распадская»; на XXXXVIII научно- технической конференции ГОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет» (14-20 апреля 2003 г.); на расширенном заседании лаборатории «Исследования аэрогазодинамических процессов при авариях» Рос- НИИГД (25 апреля 2003 г., Кемерово); на Международной научно- практиче- « ской конференции «Энергетическая безопасность России». Новые подходы к
развитию угольной промышленности. (16-19 сентября 2003 г., Кемерово).
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 26 печатных работах, включая 3 монографии, 3 авторских свидетельств и 3 патента на изобретения, отражающие основное содержание диссертации.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, девяти глав, заключения, трех приложений, изложена на 320 страницах машинописного текста, содержит 89 рисунков, 22 таблицы, список литературы из 222 наименований.
Автор выражает глубокую признательность научному консультанту доктору техн. наук, профессору B.C. Лудзишу, благодарит докторов техн. наук, профессоров П.В. Егорова, В.Н. Пузырева, доктора техн.наук А.С. Голика за ценные указания при оформлении.
Факторы, определяющие неоднородность пространственного распределения грозовой активности
Многочисленные исследования [15-19, 21-36] показывают, что пространственная неоднородность характеристик грозовой активности характерна как для территорий со сложным рельефом, так и для равнинных территорий. Основными факторами, влияющими на пространственное распределение грозовой деятельности, в научной литературе называются географическое положение, орография исследуемой территории, термогигрометрические характеристики атмосферы, структурно-геологическая неоднородность земной коры. Такой фактор, как географическое положение, в первую очередь, влияет на грозоопасность территории. На земной поверхности наибольшее число гроз наблюдается в тропических и экваториальных странах, откуда постепенно убывает к более высоким широтам. Максимальная плотность разрядов молнии в землю до 16 разр./км год инструментально зафиксирована на побережье Атлантического океана (п-ов Флорида и побережье Мексиканского залива) [15,16]. Число грозовых разрядов над акваториями океанов составляет примерно 35% от общего числа разрядов [17]. Исследования из космоса, проведенные в рамках программы Defense Meteorological Satellite Program (DMSP) [14], показали, что средняя плотность разрядов молнии в землю для всей суши, составила 8.3 разр./км" год; над океанами в 3.5 раза меньше, и составила 2.4 разр./км2 год. Над северным полушарием со спутников регистрировалось около 54% от всех молний на Земле.
Активность грозовых процессов на любой территории зависит от множества факторов. Для территорий мезомасштаба, расположенных в различных физико-географических условиях, совокупность факторов системы атмосфера-литосфера и степень их влияния может быть различной. Пространственное распределение плотности разрядов молнии в землю зависит с одной стороны от факторов, определяющих возникновение и развитие кучево-дождевого облака, являющихся необходимым условием разделения зарядов в облаке и затем разряда молнии. Это такие общеизвестные факторы как орографические характеристики района исследований, наличие границы суша-вода, термогигрометрические характеристики атмосферы. С другой стороны, молния - явление электрической природы. Существует установленная многими исследователями избирательная поражаемость территории, т.е. играют роль также и геофизические характеристики территории, в частности, ее геоэлектрическая неоднородность. 1.2.1. Синоптические процессы, обуславливающие грозы Гроза связана с развитием мощных кучево-дождевых облаков, имеет четко выраженный суточный ход с максимумом во второй половине дня. В основном, это грозы на холодном фронте. Грозы различают внутримассовые и фронтальные. Согласно исследованиям В.П. Горбагенко в Томской области, Казахстане и Германии [18], получено, что но количеству генерируемых разрядов фронтальные грозы значительно интенсивнее внутримассовых (65-70% от суммы всех разрядов), но доля разрядов типа облако-земля больше во внутримассовых грозах. С помощью грозоотметчиков установлено, что молниевая активность грозы может возрасти в несколько раз, если создаются условия для волнообразования на фронтах. Согласно исследованиям [19], над территорией Восточной Сибири до 15% от всех гроз связано с прохождением теплых фронтов в утренние часы. 1.2.1.1. Над Западной Сибирью Согласно исследованиям В.П. Горбатенко [18], обнаружено, что максимальные значения грозовой активности для Томской области приходятся на те же годы, что и максимальное число дней с центральной формой циркуляции атмосферы по типизации Каца Л.Л., уточненной для Западной Сибири Храмцовой И.Г. Поскольку грозы развиваются преимущественно, в циклонических полях, были рассмотрены пути перемещения циклонов, связанных с грозами. Из восьми выделенных груші циклонов, наиболее грозоопасными для Томской области, согласно [18], были четыре группы циклонов: 1. Циклоны с запада (с центральных районов ETC, со среднего Урала) вдоль 60-65 параллели с.ш. Траектории циклонов чаще повторяются в июне и июле. Грозы возникают по всей территории при прохождении холодных и вторичных холодных фронтов. 2. Циклоны, образующиеся на волне полярного фронта в районе Екатеринбурга, Омска и Самары. Фронтальные разделы, расположенные в ложбине в широтном или юго-западном направлении почти всегда имеют волны. 3. Северные циклоны, сметающиеся с северных районов Западной Сибири к югу или с запада на восток вдоль побережья Северного Ледовитого океана. Грозы, отмечаются как с прохождением фронтов, так и внутримассовые. 4. Циклоны, образующиеся в районе междуречья Обь-Иртыш, обуславливают интенсивные и продолжительные грозы на основных и вторичных холодных фронтах.
Метод оценки плотности разрядов молнии по спутниковым данным
Для оценки вероятности поражения наземных объектов разрядами молнии необходима такая характеристика грозовой деятельности как средняя годовая плотность разрядов молнии в землю. Над значительной территорией нашей страны отсутствуют инструментальные наблюдения за грозами, и поэтому необходимы косвенные пути определения плотности разрядов молнии в землю. Одним из косвенных путей оценки плотности разрядов молний предлагаем корректировку спутниковых данных о количестве разрядов молнии. На первом этапе сравним данные спутниковых и наземных наблюдений за разрядами молний. В качестве полигона исследований выбрана южная Германия, для которой располагаем качественными данными как наземных, так и спутниковых наблюдений. На втором этапе приложим полученные результаты для равнинных участков южной Германии для территории Томской области, которая не имеет наземной системы местоонределения молний, но для которой располагаем данными спутниковых наблюдений за 5-летний период. Основные результаты исследований изложены в работах [92-94]. 2.2.1. Сравнительный анализ наземных и спутниковых данных наблюдений для южной Германии.
Исследовалась южная часть Германии, ограниченная 47- 51 с.ш. и 6-14 в.д. за летний период 1995-1999 гг. Для обработки данных наблюдения из космоса вся территория области была разбита меридианами и параллелями на трапеции, с интервалом в 1. Данные о количестве разрядов молний для каждой трапеции были доступны из [12]. Затем вычислялась плотность разрядов молнии на квадратный километр за год для каждой трапеции. Средняя плотность разрядов молнии для южной Германии по наблюдениям из космоса изменяется в интервале от 0.14 до 0.44 разр./100 км" год. Для сравнительного анализа плотности разрядов молнии со спутника и наземной системы, вычислили среднюю плотность разрядов по наземной системе для каждой трапеции со стороной в 1 по широте и долготе. Значения плотности разрядов молнии по наземной системе изменяются от 0.5 до 3 разр./ км" год. Таким образом, детектор OTD из космоса регистрировал на три порядка меньше разрядов молнии, чем наземная система. Значительные различия в значениях плотности разрядов молнии, полученные наземной и спутниковой системами, можно объяснить следующими причинами: Наземная система местоопределения молний регистрирует в основном наземные разряды (земля-облако и облако-земля), а спутник регистрирует все разряды, включая как наземные, так и межоблачные. Характер наблюдений из космоса - дискретный, за сутки спутник пролетал над исследуемой территорией 4 раза. За рассмотренный пятилетний период значительное количество дней (около 27,6%) исследуемая часть Германии не была доступны для спутника (в 1995 г. за лето пропущено 7 дней, в 1996 г.-7 дней, в 1997 г. - 39 дней, в 1998 г. и в 1999 г. по 37 дней). Спутниковые данные без дополнительной корректировки не могут быть использованы для описания пространственного распределения плотности разрядов молнии. Разделим всю исследуемую территорию южной Германии на две примерно равные части меридианом 10 в.д. Западную часть будем использовать для построения методики оценки плотности разрядов. Восточная часть будет служить для оценки полученной методики. Первоначально проанализировали связь между плотность разрядов по спутниковым и наземным измерениям для западной части исследуемой территории, без разделения по ландшафтам. Коэффициент корреляции между плотностью разрядов молнии по наземной и спутниковой системам равен 0,73 и значим с вероятностью 95%.
Для равнинных территорий с высотой не более 300 метров над уровнем моря (всего 6 трапеций) коэффициент корреляции между NllCli и Ncnym значим с вероятностью 95% и равен 0,93 (см. рисунок 2.7.). Сравним экспериментальное распределение с соответствующей серией Оценочных значений на независимом материале юго-восточной части Германии. В качестве критерия согласия между экспериментальными и оценочными результатами используем критерий у\ Нулевая гипотеза состоит в отрицании существенного различия между экспериментальными результатами и оценочными. Примем уровень значимости 0,05. Число расхождения между регистрируемыми и оценочными значениями обусловлены лишь случайностями. 2.2.3. Оценка плотности разрядов молнии в землю для Томской области Для территории Томской области плотность разрядов молнии в землю оценивалась по спутниковым данным за период 1995 - 1999 гг. Пример исходной информации приведен в Приложении Ж. Порядок обработки спутниковых данных Томской области аналогичен порядку для южной Германии. Согласно полученным результатам, средняя плотность разрядов молнии для Томской области по наблюдениям из космоса около 0.36 разр./ 100 км" год и изменяется в интервале от 0.12 до 0.69 разр./ 100 км2 год. Таким образом, за рассмотренный период над Томской областью и Южной Германией спутник фиксировал сравнимое количество разрядов. Результаты соотношения плотности разрядов молний но наземной и спутниковой системам, полученные для равнинных участков в Южной Германии в предыдущем подразделе, могут быть исполЕ зованы для оценки плотности разрядов для схожей равнинной территории Томской области. Для Томской области оценочная плотность разрядов молнии в землю (Npncm разр./км" год) рассчитывалась для каждой трапеции (со стороной в 1) из спутниковых данных плотности разрядов молнии (NCII 7, разр./км" год) по формуле: ,,,.=244,58 +0,46, (2.5.) Значения оценочной плотности разрядов нанесены на карту-схему (рисунок 2.8.). В результате проведенных оценок для Томской области плотность разрядов молнии в землю изменяется от 2,2 разр./км2 год до 0,8 разр./км" год, при среднем значении 1,3 разр./км" год.
Соотношение данных о плотности разрядов молнии в землю и числа дней с грозой
Для оценки возможных значений плотности разрядов молнии в землю (N) на территориях, не освещенных инструментальными наблюдениями, обычно используют эмпирическую формулу зависимости плотности разрядов молнии от среднего числа дней с грозой за год (Г), которая представляет собой следующее уравнение: N=a, (2.7.) где я и / - эмпирические коэффициенты. 2.3.1. Оценка эмпирических коэффициентов для отдельных метеостанций Рассчитаем коэффициенты а и b для территории Германии. Величины плотности разрядов вычислялись с помощью программы BIS II на основе базы данных фирмы Siemens для круга радиусом 10 км, в центре которого находилась метеостанция. Если рассматривать взаимосвязь Т и /V на каждой станции отдельно, то величина достоверности аппроксимации для 29% от всех рассмотренных станций статистически значима с вероятностью 95%. Согласно таблице 2.9., лучшие результаты аппроксимации получены для станций Нэд Херсфелл (коэффициент корреляции R равен 0.84), І Іьіохауз (R=0.82) и Мейненген (R = 0.77). Отметим, что эмпирический коэффициент b в формуле 2.7. имеет отрицательное значение для одиннадцати станций, большая часть которых расположена в восточной части Германии, и до установления в Мюнхене приемника, была плохо инструментально освещена. Иллюстрацией нашего предположения может являться следующее: до 1998 года средняя плотность разрядов молнии в землю для Мюльдорфа 0.6 разр/км2 год, а после 1998 , значения N возросли более чем в 5 раз и составили 3.2 разр/км2 год. Аналогичная ситуация складывалась и для станции Цинвапьд, если до 1998 N составляло 1 разр/км год, то после 1998 - 5.2 разр/км год.
Отмеченное увеличение плотности разрядов молнии после 1998 г. не может быть объяснено только климатическими причинами, потому что подобного увеличения не наблюдалось на метеорологических станциях западной части Германии, которые находились в центре системы местоопределения молний. 2.3.2. Проверка гипотезы о зоне "сильной" корреляции На следующем этапе исследований была рассмотрена взаимосвязь /V и Т для групп станций, принадлежащих к однородным зонам. Начало исследований было положено в дипломной работе, выполненной в лаборатории молниезащиты НИИ высоких напряжений [96]. Выделили на исследуемой территории зоны "сильной" корреляции, в основу методики положен метод коллективного принятия решения. Кратко рассмотрим основные его положения. Коллективом решающих правил называют некоторое конечное подмножество {F} множества всех возможных решающих правил U, {F} Є U, {F}={Ft}; 1=1,2, ...,Л/, образованное для выборки коллективного решения, где F/ - 1-е решающее правило. В задаче распознавания образов коллективное и индивидуальные решения, принимаемые членами коллектива, состоят в отнесении некоторой ситуации или объекта Л к одному из классов или множества Aj,j=l,2 J. Ситуация Л характеризуется вектором параметров или признаков Х={х/ ,х j ... xj. Величину Л/ будем называть порядком коллектива решающих правил. Решение S в задаче распознавания состоит в выборе номера одного из классов Aj, j=l,2 J, для каждой конкретной ситуации Л , для которой правила / ) принимают различные решения: Обычно статистическую неоднородность (стационарность) в широком смысле проверяют по среднему значению и среднеквадратичному отклонению, используя критерий серий и инверсий.
Однако применение этих критериев возможно только, когда выборка данных осуществляется в каждой точке наблюдения множество раз, так как только в этом случае можно определить наличие тренда или разрастание разброса (дисперсии)данных по пространству. Очевидно, что в случае единичных измерений вектора /3, проверка однородности сильно осложняется и не может быть основана на оценках среднего значения и дисперсии, так как они могут быть получены только усреднением по ансамблю и, следовательно, не содержат информации о трендах или изменчивости дисперсии. Исследование статистических свойств физико-географических характеристик территории с процессами грозовой активности в задаче выделения однородных зон сводится к исследованию статистических характеристик. Формулы, по которым производились оценки статистических характеристик приведены в Приложении 3. В нашем случае общее решение о принятии или отвержении гипотезы о "сильной" корреляции в зоне строится на индивидуальных решениях S,j по /-ой и у -ой характеристикам как проверка превышения коэффициентом корреляции некоторого порога
Анализ характеристик грозовой активности в зависимости от уровня радиоактивности
Проведенный в 1 главе обзор литературы показал, что существуют различные точки зрения о возможности влияния радиоактивности на грозовую деятельность. Для дальнейшего анализа этой проблемы были выполнены исследования, результаты которых изложены в [37, 104-107]. На первом этапе сравнивалось пространственное распределение фоновой радиоактивности (R.wtuJ и плотности разрядов молнии в землю (N), снятые с карт для квадратов со стороной 10 км. .Для значений плотности разрядов молнии в землю характерна значительная пространственная изменчивость (см. рисунок 2.4.). Средние значения плотности изменяются от 0.2 до 6 разр./км в год. Ее наибольшие значения - свыше 3 разр./км2 в год -зарегистрированы в районах Средних гор, а также Шварцвальда, Швабского и Франконского Альба, Альпах. Максимумы плотности, свыше 6 разр./км в год, отмечаются в районе г. Штутгарт и к северо-востоку от г. Франкфурт на Майне.
Главным источником поступления во внешнюю среду естественных радиоактивных элементов являются природные образования (месторождения радиоактивных и некоторых других полезных ископаемых, горные породы, содержащие естественные радиоактивные элементы в повышенных количествах, природные воды), а также промышленные предприятия по переработке урановых и некоторых других типов руд. Радиоактивность изверженных пород больше по сравнению с осадочными (по удельной радиоактивности различие на 1-2 порядка из-за перехода части радиоактивных веществ в воду). Наибольшей радиоактивностью обладают граниты, в которых содержание урана 3 10"4 гр/т. Среди осадочных пород наибольшей радиоактивностью обладают глины и глинистые сланцы, наименьшей — относительно чистые осадки: каменная соль, гипс, известняки [52]. Значения фонового радиоактивного излучения для исследуемой территории сняты с карты [108] масштаба 1:2 500 000. На территории южной части Германии значения фонового радиоактивного излучения земли изменяются от 35 до 125 нЗв/ч (1 нЗв/ч = 0.1 мкР/ч). Пространственное распределение этой характеристики неоднородно. На большей части территории регистрируются средние значения - 50-80 нЗв/ч. Наибольшие значения (больше 90 нЗв/ч) отмечаются в восточной и западной частях исследуемой территории. При сравнении определили, что местоположение очагов плотности разрядов молнии не совпадают с участками максимальных значений фонового радиоактивного излучения. Максимальные значения плотности разрядов молнии соответствуют средним значениям радиоактивного излучения (55-65 нЗв/ч). По геологической структуре район г. Штутгарт и к северо-востоку от г. Франкфурт-на-Майне районы вулканических туфов, базальта (содержание урана 1 10"4 гр/т).
Согласно рисунку 3.3., при значениях радиоактивного излучения от 35 до 65 нЗв/ч сложно говорить о корреляции между значениями плотности разрядов молнии в землю и уровнем радиоактивности. При значениях фоновой радиоактивности от 65 до 125 нЗв/ч можно предположить линейную корреляционную зависимость между рассмотренными величинами, коэффициент корреляции значим с вероятностью 95% и равен - 0,39. При сопоставлении карты радиоактивности с картой геологического строения [109] обнаружилось, что значения фонового уровня радиоактивности больше 65 нЗв/ч характерны для территории сформировавшейся в кембрийский период и нижний карбон (палеозойская эра), включает горные районы в западной и восточной части исследуемой территории. Для данной территории характерны зоны нарушения, выход гранита, графитных сланцев, порфира и мелафира, буроугольные и каменноугольные породы, а также гнездовый кварц. На втором этапе были проанализированы данные наблюдений метеостанций за числом дней с грозой (Г) за период 1951-2002 гг. со значениями фоновой радиоактивности (R) в радиусе 10 км от метеорологических станций.
Среднее за год число дней с грозой над территорией исследований изменялось от 18 до 37 дней. Среднее многолетнее значение - 29 дней с грозой за год. Пространственное изменение числа дней с грозой неоднородно (см. рисунок 2.3.). Для большей части исследуемой территории характерно 25-30 дней с грозой в год. Наименьшие значения числа дней с грозой (20-25) регистрируются в северо-западной части территории и междуречье рек Майн и Дунай. Очаг максимальных значений находится в предгорьях Альп и Шварцвальде (30-35 и более дней с грозой). Максимальное значение числа дней с грозой на метеостанции Фельдберг (39 дней с грозой) соответствует участку базальта на геологической карте. Согласно рисунку 3.4., множество точек можно аппроксимировать в виде прямой линии. Коэффициент корреляции между Т и R составляет - 0.34 и значим с вероятностью 95% (число степеней свободы 61). Максимшп.пые значения числа дней с грозой соответствуют средним значениям радиоактивного излучения (55-65 нЗв/ч). В результате проведенного исследования можно сделать следующие выводы: 1. Максимальные значения плотности разрядов молнии и числа дней с грозой соответствуют средним значениям радиоактивного излучения (55-65 нЗв/ч) и характерны для территории базальта и вулканического туфа. 2. При значениях фонового радиоактивного излучения от 65 до 125 нЗв/ч происходит уменьшение плотности разрядов молнии в землю и числа дней с грозой. 3. Падение плотности разрядов с ростом радиоактивности характерно для территорий, сформированных в палеозойскую эру (периоды кембрийский и нижний карбон). Если фоновая радиоактивность увеличится на 9 нЗв/ч, то можно ожидать уменьшение плотности на 1 разр. / км в год. 4. Полученные результаты позволяют сделать количественные оценки максимально возможных значений плотности разрядов молнии в землю по уровню фоновой радиоактивности для исследуемой территории.
