Введение к работе
Актуальность работы. Среди разнообразна опасных природных влениГі можно выделить связанные с электрически активными облака-и, к которым отнесены облака, пмеетпие области разделенных элект-ическкх зарядов и, следовательно, электростатических полей. В астности к.электрически активным относятся грозовые облака.
Распознавание электрически активних облаков, опроделонге ме-п интенсивности электрических процессов в них, особенно в тех ' блаках, в которых не наблюдаются молниевые разряд, представля-тся актуальной задачей. Зто объясняется значительным числом лет-ых происшествии, связанных с поражением .'.этательннх аппаратов юлниевнми разрядами. Как показывает анализ летных происшествий по данным, приведенным сотрудниками Главіїоіі геофизически обсер-атории (ГГО) им.А.И.Воеіікова Г.Б. Брыле вил, С.Б.ГашиноВ, Е.Ф.Ев-еевнм к К.И.КамаддиноА) в странах бывшего СССР ежегодно происходи; (60+80) случаев поражения самолетов молниевыми разрядами, ричем лишь (12+18) процентов случаев можно объяснить ошибочными ;е;'1стЕЕями экипажа или наземных служб. Остальные случаи связаны с юраженпем самолета молниевым разрядом при подлете к облакам, ко-орне ни по каким признакам не классифицируются, как молниеопас-:ые для летательных аппаратов.
Применяемые сейчас методы локализации электрически опасных юн основаны на выявлении опасных облачных систем по характерис-икам радиолокационной отражаемости и на обнаружении грозовых ічагов путем определения координат молниевых разрядов с помощью геленгаторов-далыгомеров. Однако исследования, выполненные в ГГО м.А.И.Воейкова и в ГосНИИ гражданской авиации (ГосНШ ГА) (по ;анным, приведенным И.М.Имянитовш, Б.С.Евгеевнгл д ИЛТ.Камалди-гой) показывают, что "... в 46 % случаев поракашк самолетов моделями на экране самолетного радиолокатора засветок вообще не наблюдалось , в 13 % случаев наблюдались засветки негрозозого харак-ера, в 37 % - засветки в стороне от трассы более чем в 10 км и только в 4 % случаев самолет 'был поражен в зоне засветки,". Отпэ-гаются многочисленные случал поражения самолетов молниями в осен-ге-зимний период года, когда грозовые явления практически не наб-пвдаются.
Опасно не только прямое поражение летательного аппарата мол— гаевым разрядом. Даже близкий молниевый разряд, являщийся источенном мощного широкополосного электромагнитного излучения и бнет-
ро моняпі'ихся электричоского и магнитного полей, «го-кет, возденет пул на электронные ітепя летатольнощ аппарпта, нндугліРОЕать в ни напряжения и токи, сопоставш.ше по уровню с полезными сигналами. Результати таких воздействии непредсказуем, и их последствия мо гут бить катастрофическими.
Развитие ашіяішонноі'і техники характеризуется общеі" тсндошти ей увеличения габаритов самолетов к скоростей их полета. Б то по время установлено (Г.МЛ'мшитов, Г.Ф.Евтрєв, К.И.Камаддина) , что с ростов скорости полота и габаритов самолета возрастает пс|юят-ность поражения самолета молниевым разрядом, в частности, самоло FJI-ГЭ поражается в среднем в 9,9 раз vane, чем ЛК-40. Причина по ратонил летательного аппарата при его подлете к облаку видится зз электрической активности облака и его взаимодействии с самолеток
Представляется логичной предпосилка*, что пронесе разделения зарядов и облаке не во всех случаях завершится его попеходом к грозовому состоянию. Возмо>::нл такие схеми развития проттессов в облаках, при которых в облако появляется области разделенных эле ктричосіг/х зарядов и иитенсиших электростатических полей, но ме ра разделеппости зарядов, объемы области, в которой опк разделены, напряженность электростатического поля в облаке недостаточны для поддеряэтния процесса формирования молний. По-видимому по такой схеме достаточно часто происходит развитие в осенне-зимний период года, в условиях недостаточной копвпкпии.
В процессе разделения зарядов мо^ет быть достигнуто таиоо состояние, при котором облако оказывается на грани перехода к гг. зоьоі-у, ко но переходит тот рубе;;; развития, за которым начинают возникать молниевые разряды. Появление самолета в районе такого облика может привести к инициированию молниевого разряда. Действительно, часто в пропеесс полета самолет сильно электризуется. Собственное электрическое поле самолета, взаимодействуй с электрическим полем облака, мо*ет привести к усилению суммарного пол/; которое до подлета самолета не достигало критического, пробойної значения. Если суммарное поле превнеит критический уроіень, то обл?ко, подготовленное к электрическому разряду, может поразить самолет молнией. Самолет, подлетая к подготовленному ос лаку, как бн пропогирует разряд, который может быть и не произошел, если б самолет не подлетел к облаку.
Обнаружение по крайней мере какой-то части негрозевых, элек трически активных облаков, наиболее близко подошедших } порогу,
за которым начинается грозовой пропэсс, а, следовательно, и наиболее опасных для подлетекста к ним летательных аппаратов, представляется возможным. Такие облака, находящиеся в сво?н то з пи ті": в предельной близости к грозозш, является источника:.!!і радиоизлучения, но связанного с молниевыми разрядам-; к получившего название "немолниевого".
Все эти обстоятельства объясняют актуальность работ, направленных на развитие методов и сродстз обнаружения подобных ;,х>лнке-опасннх для летательных аппаратов, негрозовых, электрически активных облаков.
Исследования электрически активных облаков начались з 7ТГ.Ш с конго 1966 г. по инициативе про;Т).Л.Г.тСачурпна. С 1971 г. экспериментальные работы проводились на учебно-каучном полигоне РГТТ.1И, развернутом в поселке Руиспири, Телавского района Грузии, в котором находилась Военизированная служба борьбы с градом. Это один их самых грозоактизных регионов в стране. Научные исследования проводились в содружестве с сектором Физики облаков к активных . воздействий Института Геофизики АН Грузки (ИГАН), возглавляема! А.П.Карпивадзе. Ответственным исполнителем работ являлся Л.И.Ди-винский. 3 работах участвовали сотрудники РГИ/И И.К.йхатеринкчо-ва, Е.Л.Иванов, З.Д.Г.Іазуз (до 1976 г.), Г.Г.Оскпоз, Е.З.Осокина, З.С.Соболев и другие, сотрудники ИГАН В.Г.Еухадвили, Р.И.Дореу-ли, Т.Г.Салуквадзе л другие, а такче студенты РГШИ.
Аппаратура, применявшаяся при исследованиях, методики проведения экспериментов и полученные результат:! этого направления научных исследований будут подробно описаны пине, при изложении основного содержания работы.
Цель работы.
-
Поиск и исследование явлений, происходящих в облаках и способных служить предикторами при' обнаружении электрически активных облаков, определении их координат и тенденпий развития.
-
Исследование особенностей радиолокационных методов конт-ролч грозовых пропессов в электрически активній облаках.
-
Исследование немояниевого радиоизлучения электрически активных облаков на разннх стадиях их развития и механизмов генерации сигналов немолниевого радиоизлучения.
-
Исследование принципов построения наземной и бортовой аппаратуры, обеспечивяюпей выявление электрически активных, молнке-опаснчх областей пространства.
Научная новизна.
-
Рассмотрел пронесе формирования радиолокационного отраже юш от канала атмосферного электрического разряда на основе аналитически строгого решения задачи о рассеянии радиоиолн цилиндр» ческим телом с известными электродинамическими характеристиками срэдн отрачсателя. Для определсннл электродинам'лческих характерне тик ионизированной среды остнващего канала атмосферного злектрі чесного разряда учитывалась: газовый состав атиооТирн на разных высотах; потенциалы тонизации (вплоть до четырехкратной) основш газових компонент воздуха; частоти столкновения свободннх электронов с атомами и ионами газа. Установлена зависимость дизлектрі ческей проницаемости ионизированной среды канала разряда и её волнового сопротивления от температуры газа в канале, высоты ра: ряда и частоти зондирующего импульса.
-
Определены стохастические характеристики эффективной от-ратаотеи поверхности канапа молнии. При этом учитывалось, что к* нал молния имеет большое число ответвлений, непостоянный вдоль длины канала диаметр, произвольную ориентацию в пространстве эл< ментов канала и его ответвление.
-
Ксследоваїш сигнали неиолниового радиоизлучения и проані лиэирована внутренняя структура пакетов импульсов немолниевого радиоизлучения. Установлены условия, необходимые и достаточные для «їорі.іировппня сигналов немолниевого радиоизлучения. Установлена неоднородность структуры naiteTCB кіігульсов немолниевого радиоизлучения. Рассмотрены теоретические модели, объясняйте мехі низмы генерации сигналов немолниевого радиоизлучения разных типов. Определены статистические характеристики сигналов немолние-вого радиоизлучения и особенности трансформации характеристик в процессе эволюции электрически активного облака.
-
Исследованы особенности обработки сигналов ненолнпевого радиоизлучения в наземной и бортовой аппаратуре, предназначений: для определения местоположения электрически активных облаков и опенки моры интенсивности электрических процессов в них.
Обоснованность и достоверность результатов.
ДостоворносгЬ-реззгльтатов теоретических исследований особе: ностей формирования радиолокационных сигналов, отраженных от каналов молниевгос разрядов подтверждается близостью колкчостеєрцц опенок основных параметров радиолокационного сигнала к экспериментально наблюдаемым значениям. Такими параметрами являются эф
фектишая отражающая поверхность капала молниевого разряда и длительность существования сигнала, отражашюго от каната молнии. Наблюдается количественное и качественное согласование динамики параметров физической модели процесса формирования радколокатлюя-ного отражения от канала молнии с результатами экспериментальных наблюдений, проведенных как автором, так и другими исследователями, в том числе зарубежными.
Достоверность результатов теоретических исследований процессов генераттаи сигналов немолкиевого радиоизлучения электрически активний» облаками подтверждается соответствием основных параметров импульсов при теоретическом анализе (физических моделей процессов излучения импульсов, не связанных с молниевыми разрядами, результатам вмлолнешшх под руководством автора экспериментальных исследование радиоизлучения электрически активних облаков. Результати экспериментальных исследований, полученные автором, находятся в близком соответствии с даншляї экспериментов, проведенных 3 Высокогорном геофизическом институте (ЗГГС)(г.Нальчик). Анализ со-отноиений мегду энергией электростатического поля, реализуемой' при мелкомасштабном электрическом разряде и энергией разогретого газа канала разряда, определяют условия, при которых возможно возникновение мелкомасштабных внутриоблачных разрядов. Эти условия не противоречат наблвдаемш в облаке на стадиях, предшествующей грозово' у процессу, во время грозы и в послегрозовой стадии развития облака.
Достоверность анализа статистических характеристик радиолокационных сигналов, отраженных от каналов молний, и сигналов немолниевого радиоизлучения обеспечивается репрезентативностью выборок и подтверждается проверкой соответствующих статистических гипотез.
Апптюбаїтя работ.
Основные результата исследований, приведенные в диссертации, докладывались на заседаниях Ученого Совета Российского государственного гидрометеорологического института, ІЬститута Геофизики All Грузии, при защите отчетов по хоздоговорной научно-исследовательской тематике в ГГО им.А.И.Воейкова, в Летно-исследовательс-ком институте Министерства авиационной промышленности (г.Жуковский), в ВГИ (г.Нальчик), на четвертом (г.Москва, Г574 г.), пятом (г.Кишенев, 1978 г.) и шестом (г.Таллинн, Г382 г.). Всесоюзных совещаниях по радиометеорологии, на Всесоюзном симпозиуме по атмос-
ферному влектричеству (г.Ленинград, 1973 г.). на первом, втором, третьем, четвертом, пятом, седьмом, восьмом, девятом и десятом ежегодных Ленинградских (десятый состоялся в 1992 г.) сюлпозиумах "Радиолокационное исследование природных сред", организуемых Ленинградским областным правлением Всесоюзного научно-технического общества Радиотехники, Электроники и Связи им.проф.А.С.Попова,
В I9P9 г. результати научно-исследовательской работы, связанной с разработкой методов активно-пассивной радиолокации грозовых очагов, в том числе на предгрозовой стадии их развития, были рассмотрены Научным Советом АН СССР по проблеме "Статистическая радиофизика", признаны важными и включены в "Отчет о важных и важнейших результатах научных исследований в области статистической радиофизики за 1989 год".
Целесообразность продолжения работ, направленных на создание аппаратуры обнаружения молниеопасных областей пространства методами активно-пассивной радиолокации, обсуждалась и была подтверждена 23 марта 1990 г. на Межведомственном совещании представителей Минвуза РСФСР (ИШ, ЛГУ), Госкомгидромета СССР (ГГО им.А.И. Воейкова), Минрадиопрома СССР (НПО "Радиус" и ШО "Вектор"), проведенном во ВГОШ .Ргоиюаппаратуры по инициативе Минвуза РСФСР.
Материалы диссетрании опубликованы в монографии, 18 статьях, 5 тезисах докладов и представлены в 10 научно-исследовательских отчетах.
Личный вклад автора.
Личный вклад автора в исследованиях электрически активных облаков радиотехническими средствами заключался в постановке рассмотренных задач, теоретическом и методическом обосновании направлений работ, организации экспериментальных исследований процессов, происходящих в электрически активных облаках, разработке методики анализа материалов экспериментальных исследований и организации работ по анализу материалов экспериментов.' Автором'разработаны: теоретическая модель процесса формирования радиолокационного отражания от канала молниевого разряда; теоретические модели генерации сигналов немолниевого радиоизлучения разных типов; некоторые принципы обработки сигналов немолниевого радиоизлучения облаков в аппаратуре, предназначенной длч обнаружения и определения координат областей пространства, в которых набладаются электрически активные облака, представляюцие потенциальную опасчость для летательных аппаратов.
На защиту выносятся:
-
Разработанный в диссертации комплекс вопросов, посвящении: исследованиям особенностей «юрмкровгния радиолокационных сиг-тлов, отраженных от каналов молнии.
-
Результаты исследований параметров радиолокационных отражений от каналов молний в грозовых процессах различной интенсив-юсти.
-
Результаты исследований условий формирования каналов мелкомасштабных атмосферных электрических разрядов, ответственных за генерацию сигналов неїлолнпевого радиоизлучения, а тагяе физических явлений, приводящих к разнообразию форм (и спектральных особенностей) импульсов немолниевого излучепия.
-
Результаты исследований характеристик сигналов лемолние-эого радиоизлучения различных типов и трансформации характеристик т динамике грозового процесса.
-
Принципы приема и обработки сигналов немолниового излуче-іия радиотехническими устройствами, обеспечивающими обнаружение и определение электрически активных облаков, потенциально опасных тля летательных аппаратоз, а также оттенку меры активности электрических процессов в облаках по интенсивности потока импульсов темолнпевого радиоизлучения.
Структура диссертации.
