Введение к работе
Актуальность темы. Методы исследования в метеорологии с течением ремени претерпевали существенные изменения. На первых этапах преобладали изуальные наблюдения и эпизодические измерения. Далее широкое развитие олучили исследования атмосферы радиозондами, самолетами, аэростатами, акетами, искусственными спутниками земли и радиолокационными средствами.
Наиболее широкое распространение получили дистанционные методы исследования атмосферы. Этому способствовало то, что радиолокационные пособы исследования являются наиболее мобильными и имеют большую альность действия, что позволяет провести обзор пространства за очень короткое ремя без каких-либо нарушений естественной структуры полей метеоэлементов: аспределения гидрометеоров, воздушных потоков, температуры, влажности и т.п. адиолокационное зондирование можно проводить в любое время суток и при юбой погоде.
В настоящее время в области радиолокационного исследования ведутся аботы по следующим основным направлениям:
-совершенствование математических моделей построения адиолокационных характеристик зондируемого объекта и восстановление ее шкроструктуры по радиолокационной отражаемости;
развитие технических средств метеорадиолокационного исследования;
интеграция различных радиолокационных средств и методов в единую іепрерьівную исследовательскую систему.
Одной из целей этих работ является своевременное и точное определение
роцессов и стадий развития облаков, особенно наиболее разрушительного для
ародного хозяйства градового облака. -
Надежность обнаружения градовых облаков зависит от точности атематических моделей, учитывающих различные факторы, влияющие на еличину радиолокационной отражаемости. Одним из таких факторов является вободный заряд, который может находиться на поверхности облачных частиц.
В диссертационной работе приводятся статьи из журнала «Известия высших чебных заведений», где авторами отмечено, что заряженные аэрозольные бразования могут рассеивать излучения на много порядков сильнее, чем езаряженные. Известно, что статический заряд на частицах не приводит к ополнительному усилению рассеяния электромагнитных волн, а в отношении вободного поверхностного заряда сделана попытка лабораторного исследования роцессов взаимодействия электромагнитной волны с заряженными аэрозольными астицами. Экспериментально показано, что существенный вклад в рассеяние олн заряженными аэрозольными образованиями вносит явление дипольного езонанса избыточных зарядов на поверхности частицы. Избыточные электроны и оны на частице могут попасть в не заполненную зону, где они могут свободно ередвигаться. Также заряды могут находиться вне частицы и удерживаться близи ее поверхности силами взаимодействия со своим зеркальным зображением.
В работах Сенова Х.М. были выведены математические модели, читывающие влияние свободного заряда, находящегося на плоской границе
раздела двух сред, цилиндрической и сферической поверхностях частиц. Проведены исследования, где в качестве свободного поверхностного заряда рассматривался заряд, образованный электронами. Получены результаты, показывающие значительное влияние свободного поверхностного заряда, образованного электронами, на радиолокационные характеристики гидрометеора. Существенная зависимость отражающих свойств облаков, состоящих из гидрометеоров со свободными поверхностными зарядами, образованными электронами, от величины заряда, также прослеживается в итоговых расчетах. Сделаны выводы о том, что игнорирование наличия и влияния свободного заряда, образованного электронами и находящегося на поверхности облачных частиц, может привести к ошибочной оценке размеров гидрометеоров, стадии развития и других метеорологических характеристик облаков.
Предложенные математические модели станут основой проводимых в настоящей диссертационной работе исследований. В качестве свободного поверхностного заряда, в отличии от ранее проведенных исследований, будет рассматриваться заряд, образованный ионами. Зарядообразующим ионом возьмем ион водорода, так как он обладает наименьшей массой среди ионов, благодаря чему все зависимости от свободного поверхностного заряда, образованного ионами, будут проявляться наиболее ярко. Вычисление параметров математических моделей будут проводиться по алгоритмам, дающим высокую точность, что гарантирует качество итоговых расчетных данных.
Целью работы является исследование влияния свободного заряда, образованного ионами и находящегося на поверхности гидрометеоров, на радиолокационные характеристики облаков.
Комплекс решаемых задач.
Определение степени влияния свободного поверхностного заряда, образованного ионами и находящегося на плоской границе раздела двух сред, на коэффициенты отражения и преломления электромагнитной волны.
С использованием математических моделей, учитывающих наличие свободного заряда на поверхности сферического гидрометеора, выявление величины влияния свободного заряда на сечения рассеяния гидрометеора.
Исследование математических моделей расчета коэффициентов отражения и преломления электромагнитной волны, падающей на плоскую границу раздела двух сред со свободным поверхностным зарядом, на предельные значения поверхностной проводимости и относительного показателя затухания.
Численное моделирование интегральных характеристик облаков, состоящих из полидисперсного спектра размеров гидрометеоров со свободными поверхностными зарядами, образованными ионами, с целью оценки влияния свободного заряда на отражаемость облаков.
Создание прикладных программ автоматизации вычислительных процессов математических моделей, использованных по существу проведенных в диссертационной работе исследований.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые проведена оценка влияния на коэффициенты отражения и
преломления электромагнитной волны свободного поверхностного заряда,
образованного ионами и находящегося на плоской границе раздела двух сред.
Впервые проанализировано влияние свободного поверхностного заряда, бразованного ионами, на сечения рассеяния, ослабления, поглощения и адиолокационного отражения сферической частицы.
Впервые проведен численный анализ радиолокационных характеристик блаков, состоящих из полидисперсного спектра гидрометеоров со свободными оверхностными зарядами, образованными ионами.
Проведено исследование математических моделей расчета коэффициентов тражения и преломления электромагнитной волны, падающей на плоскую
іаницу раздела двух сред со свободным поверхностным зарядом, на предельные начения поверхностной проводимости и относительного показателя затухания.
5. В релеевских областях исследованы соотношения параметров
атематической модели расчета радиолокационных характеристик сферической
астицы с целью определения значений, приводящих к резонансным всплескам
тражаемости.
Обоснованность и достоверность результатов.
Достоверность результатов работы обеспечена корректностью постановки ассмотренных задач, подбором оптимальных методов их решения, проведением естовых расчетов с контролем результатов и сверкой с известными еоретическими и экспериментальными данными, представленными в научной итературе.
Количественные оценки проведены с использованием надежных алгоритмов, етодов вычислений с высокой точностью и сопоставлением результатов с ычислениями различных авторов из литературных источников.
Положения, выносимые на защиту:
Расчетные значения коэффициентов отражения и преломления лектромагнитнои волны, падающей на плоскую границу раздела двух сред со вободным поверхностным зарядом, образованным ионами.
Результаты исследования математических моделей расчета коэффициентов тражения и преломления электромагнитной волны, падающей на плоскую
аницу раздела двух сред со свободным поверхностным зарядом, на предельные начения поверхностной проводимости и относительного показателя затухания.
Полученные соотношения значений длины электромагнитной волны, иаметра сферического гидрометеора и плотности свободного поверхностного аряда, приводящие к резонансу отражаемости в релеевских областях.
Выявленные зависимости сечений рассеяния, ослабления, поглощения и адиолокационного отражения сферической частицы со свободным
поверхностным зарядом, образованным ионами, от плотности этого заряда.
5. Расчетные данные, показывающие зависимость интегральных
характеристик облаков от свободного заряда, образованного ионами и
находящегося на поверхностности облачных частиц.
6. Исследования совокупного влияния относительного показателя затухания и свободного поверхностного заряда на отражающие свойства частицы.
Практическая ценность:
Получена численная оценка влияния свободного заряда, образованного ионами и находящегося на поверхности гидрометеоров различных форм, на радиолокационные характеристики гидрометеоров.
Проведено исследование математических моделей вычисления коэффициентов отражения и преломления электромагнитной волны, падающей на плоскую границу раздела двух сред со свободным поверхностным зарядом, на предельные значения поверхностной проводимости и относительного показателя затухания.
Найдены в релеевских областях соотношения значений дины волны, диаметра и плотности свободного поверхностного заряда, приводящие к резонансному всплеску отражаемости сферического гидрометеора.
Реализована численная модель интегральных характеристик облаков, состоящих из непрерывного спектра размеров гидрометеоров со свободными поверхностными зарядами, образованными ионами.
Полученные в диссертационной работе результаты исследований, использованные математические модели и алгоритмы, созданные прикладные программы могут быть использованы в изучении метеорологических параметров облаков радиолокационными методами зондирования.
Личный вклад автора.
Постановка задачи осуществлена совместно с руководителем. Автором лично:
осуществлен сбор из литературных источников теоретических и эмпирических данных, которые использовались в проводимых исследованиях и расчета;
созданы прикладные программы автоматизации вычислительных процессов математических моделей, использованных в диссертационной работе;
проведен расчет и анализ результатов исследования влияния свободного поверхностного заряда, образованного ионами, на радиолокационные характеристики гидрометеора и облака;
исследованы математические модели на предельные значения поверхностной проводимости и относительного показателя затухания.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на Международной научно-технической конференции, посвященной системным проблемам качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий (г. Сочи, 2003 г.); IV Всероссийской научной конференции «Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред» (г. Муром, 2009г.); итоговых сессиях ученого Совета Высокогорного геофизического института (г. Нальчик).
По теме диссертации опубликовано 7 работ в научных журналах и сборниках.
Структура и объем диссертации.
Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем составляет 233 страница машинописного текста, включая 40 таблиц, 19 рисунков, список используемой литературы из 216 наименований, из них 70 на иностранных языках, и приложение на 60 страницах.
