Введение к работе
Актуальность темы
Грозовые процессы во все времена привлекали внимание исследователей в силу их большой важности в жизни человека, многообразия и сложности физических явлений, их определяющих. Большой вклад в развитие теории грозового электричества и разработку ее физических основ внесли ученые ГГО, РГГМУ (ЛГМИ), ВГИ, ЭНИН, ВЭО и др.
В последнее время, с появлением исследовательской аппаратуры нового поколения, в физике грозового электричества наибольший интерес исследователей вызывают инструментальные исследования параметров молний и грозовой активности активно-пассивными радиотехническими средствами, сочетающимися с современными информационно-аналитическими средствами. Это связано с возрастанием требований к эффективности защиты объектов жизнедеятельности человека от воздействия грозовых явлений: разрядов молний, повышенных электрических полей, электромагнитного излучения и т.д. В этой связи представляются актуальными исследования, направленные на установление закономерностей формирования грозового электричества, определения основных физико-статистических параметров молний, пространственно-временных вариаций грозовой активности над различными территориями. Для решения практических задач по организации защиты различных объектов от воздействия молний важны для конкретных территорий точные значения токов молний, крутизны токов молний и удельная грозопоражаемость территории молниями. Практическая ценность таких работ вполне очевидна, так как с развитием наукоемких технологий в различных отраслях: авиации, энергетики, информации и др. - растет зависимость эффективности бесперебойной работы современного оборудования от воздействия внешних факторов, обусловленных опасными метеорологическими явлениями. Общетеоретическая значимость исследований в этом направлении заключается в формировании нового взгляда на сущность грозовых явлений, что позволит углубить знания о них, возможно, перейти на качественно новую ступень их изучения.
Изложенные факты подтверждают актуальность предложенной темы диссертационной работы и позволяют утверждать, что исследования параметров молнии представляют как общенаучный, так и прикладной интерес для решения задач молниезащиты. Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию некоторых из обозначенных выше вопросов грозового электричества.
Работа выполнена в ФГБУ «Высокогорный геофизический институт» в 2009-2013 годах в соответствии с планами НИОКР и послевузовской подготовки.
Цель работы: экспериментальное и теоретическое исследование физико-статистических параметров молний, характерных для юга Европейской части России.
Выделены следующие задачи исследования:
1. Систематизировать и проанализировать основные из применяемых в современной метеорологии активно-пассивных радиотехнических средств контроля грозовых явлений и параметров молний.
2.Выполнить анализ суточных и сезонных вариаций грозовой активности на территории юга Европейской части России на основе инструментальных наблюдений.
3. Провести физико – статистический анализ модели временных изменений токов наземных разрядов молний.
4. Выявить закономерности распределения токов различных типов молний и количественных соотношений между различными характеристиками грозовой активности.
5. Разработать рекомендации по проведению молниезащитных мероприятий различных объектов для территории Северного Кавказа.
6. Исследовать ориентацию каналов наземных молний в атмосфере.
Научная новизна диссертационного исследования состоит в следующем:
1. Предложен новый подход к использованию грозорегистрационной системы LS 8000 для определения используемых в грозозащите параметров молний, характерных для территории Северного Кавказа.
2. Впервые построены физико - статистические модели временных изменений значений токов наземных разрядов молний разной полярности.
3.Впервые получены аналитические выражения, описывающие вероятности распределений значений токов наземных положительных и отрицательных молний.
4. Разработаны рекомендации по молниезащите различных объектов на территории Северного Кавказа с учетом выявленных среднестатистических параметров молний.
5. Оценены отклонения от вертикали каналов распространения наземных разрядов молний.
Апробация полученных результатов
Основные результаты диссертационной работы представлялись и обсуждались на следующих научно-практических конференциях:
1. III Российская конференция по молниезащите, г.С.-Петербург, 2012.
2. VII Всероссийский симпозиум по атмосферному электричеству, г.С.-Петербург, 2012.
3. Международная научно - практическая конференция «Проблемы развития современного общества. Экономика. Социология. Философия. Право». (Саратов, 2010 г.).
4. Итоговая (межвузовская) научная конференция студентов и молодых ученых, Терскол, 2011.
5. Конференция молодых ученых ФГБУ «ВГИ» 2013г.
6. Семинары ФГБУ «ВГИ» и ФГАОУ ВПО «КБГУ».
Публикации по теме диссертации:
По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, 4 из которых – в центральных рецензируемых журналах «Известия вузов Северного Кавказа», «Доклады адыгской международной академии наук», «Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН», «Всероссийский Научно – Аналитический Журнал. Инженерные Изыскания».
В 2010–2012 годах исследование было поддержано Минобрнаукой РФ грантом «Изучение взаимосвязи процессов облако - и осадкообразования с электрическими явлениями в конвективных облаках активно-пассивными радиотехническими средствами» Государственного контракта № П782 от 24 мая 2010 г.
Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс в Кабардино-Балкарском Государственном университете в рамках преподавания на кафедре МА курса математического анализа.
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
1. Результаты исследования суточных и сезонных вариаций грозовой активности на территории юга Европейской части России с использованием грозопеленгационной сети LS8000.
2. Построенная физико - статистическая модель временных изменений значений токов наземных разрядов молний.
3. Выявленные закономерности распределения значений различных типов молний и количественных соотношений между различными характеристиками грозовой активности.
4. Результаты определения отклонения от вертикали каналов распространения наземных разрядов молний.
5.Разработанные рекомендации по проведению молниезащитных мероприятий различных объектов на территории Северного Кавказа.
Соответствие диссертации Паспорту научной специальности
Отраженные в диссертации научные положения соответствуют п.п. 5 и 8 области исследования специальности 25.00.30 – «Метеорология, климатология, агрометеорология»:
- опасные и особо опасные явления погоды: тропические циклоны, тромбы (торнадо), засухи, наводнения;
- облака, аэрозоли, осадки; спутниковые и радиолокационные исследования.
Степень достоверности и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается одновременным использованием комплекса взаимодополняющих экспериментальных методов и теоретических расчетов, согласием результатов, полученных различными методами, применением апробированных методик экспериментальных исследований, использованием метрологически аттестованной технологической и измерительной аппаратуры, проведением анализа статистически обеспеченных рядов наблюдений (более 3000) за различными процессами в атмосфере, показавших хорошую воспроизводимость полученных распределений, применением современных информационных технологий при обработке экспериментальных данных, осуществлением анализа и описанием полученных экспериментальных результатов с привлечением современных теоретических представлений.
Научное и практическое значение диссертационной работы.
-
Полученные физико-статистические характеристики значений и распределений амплитуд токов молний различных полярностей, характерных для территории Северного Кавказа могут быть использованы:
а) в расчетах внутренних перенапряжений в электрических сетях, 6–750 кВ, обусловленных грозовыми явлениями для выбора характеристик нелинейных ограничителей перенапряжения;
б) при разработке рекомендаций по защите различных зданий и сооружений от поражения молниевыми разрядами.
2. Выявленные в диссертации закономерности удельной поражаемости поверхности земли молниями различной полярности в зависимости от орографии местности и периода года может быть использованы при прогнозах опасных явлений погоды, связанные с грозами.
3. Полученные численные соотношения между количеством отрицательных наземных разрядов и количеством положительных наземных разрядов могут быть использованы для исследований по физике конвективных облаков и грозовому электричеству.
4. Практическую и научную значимость для работ по молниезащите и по моделировании облако- и осадкообразовании представляют полученные в диссертации аналитические выражения статистических распределений амплитуд токов молний и временного изменений импульса тока при разрядах различной полярности.
5. Теоретические результаты работы, представленные аналитическими выражениями времени нарастания волны для токов молний различной полярности, а также распределения значений токов и времени нарастания и спада волны токов молний могут быть использованы для дальнейших исследований в области физике грозового электричества.
6. Результаты работы использованы при выполнении научно-исследовательских работ по грантам Министерства образования и науки РФ:
1. Государственный контракт от «28» октября 2011 г. № 16.518.11.7102 «Развитие методов прогнозирования и контроля особо опасных стихийных явлений (паводков, гроз и града) на основе использования уникальной установки «Активно-пассивный комплекс геофизического мониторинга состояния атмосферы (АПКГМ ВГИ)»»;
2. Государственный контракт от «19» июля 2012 г. № 14.518.11.7052 «Исследование особенностей формирования опасных электрических полей в атмосфере с использованием УСУ «Активно-пассивный комплекс геофизического мониторинга состояния атмосферы (АПКГМ ВГИ)»».
Личный вклад соискателя
Автором самостоятельно проведен сбор экспериментальных многолетних данных, характеризующих грозовую активность на Северном Кавказе и параметры молний различных типов и все представленные в диссертационной работе расчеты. Проведено сравнение полученных результатов экспериментальных исследований, с результатами выполненных автором теоретических расчетов. Основные выводы и положения диссертационной работы сформулированы лично автором.
Структура и объем диссертации
