Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Взаимодействие грозовых явлений на летательные аппараты 12
1.1 Влияние грозовой деятельности на полеты авиации 12
1.2 Взаимодействие между молнией и летательными аппаратами 17
1.3 Современные грозорегистрационные системы 27
Глава 2. Экспериментальное оборудование и методика исследования физико-статистических параметров молний и электрического поля атмосферы .. 41
2.1 Основные характеристики грозопеленгационной сети LS8000 для исследования физико-статистических параметров молний 41
2.2 Аппаратно-программный комплекс пространственно-временного мониторинга напряженности электрического поля атмосферы 46
2.3 Аппаратно-программный комплекс обработки и представления радиолокационной, грозопеленгационной и метеорологической информации 58
Глава 3. Экспериментальное и теоретическое исследования физико статистических параметров молний и электрического поля атмосферы 69
3.1 Исследования параметров молниевых разрядов на юге европейской части России 69
3.2 Взаимосвязь грозовых явлений в облаках и напряженности электрического поля атмосферы у поверхности земли 78
3.3 Воздействие разрядов молнии на электротехнический комплекс самолета 98
3.4 Предлагаемые форматы представления потребителям грозоразрядной информации 105
Глава 4. Рекомендации по применению грозо-разрядной информации 112
4.1 Применение радиолокационной и грозо-разрядной информации для контроля стадии и тенденции развития процессов облако- и осадкообразования (проект методики) 112
4.2 Рекомендации по использованию данных грозопеленгационной сети в работе ЦГМС 114
4.3 Методика предупреждения грозовой опасности для молниезависимых объектов на основе мониторинга молниевой активности и динамики напряженности электрического поля приземной атмосферы 118
Заключение 136
Список литературы 139
- Влияние грозовой деятельности на полеты авиации
- Аппаратно-программный комплекс обработки и представления радиолокационной, грозопеленгационной и метеорологической информации
- Воздействие разрядов молнии на электротехнический комплекс самолета
- Методика предупреждения грозовой опасности для молниезависимых объектов на основе мониторинга молниевой активности и динамики напряженности электрического поля приземной атмосферы
Влияние грозовой деятельности на полеты авиации
Воздушный транспорт - одна из наиболее молниезависимых объектов жизнедеятельности. Безопасность полетов летательных аппаратов обеспечивается полной, детальной и прогнозируемой информацией о погоде в зоне полетов. Метеорологические условия оказывают решающее влияние не только на экономические показатели работы транспортных средств, но и на безопасность движения; от состояния погоды и качества информации о ней нередко зависят жизнь и здоровье людей [15].
По данным Международной организации гражданской авиации ИКАО, за последние 25 лет неблагоприятные метеорологические условия были официально признаны причиной от 6 до 20% авиационных происшествий. Кроме того, еще в большем (в полтора раза) количестве случаев они явились косвенной или сопутствующей причиной таких происшествий. Таким образом, примерно в трети всех случаев неблагополучного завершения полетов, условия погоды сыграли непосредственную или косвенную роль.
Нарушение регулярности полетов приносит авиакомпаниям моральный ущерб, который в конечном итоге также оборачивается уменьшением доходов.
Наиболее опасным метеоявлением для авиации и летательных аппаратов являются грозовые явления. Физические процессы, происходящие в атмосфере при образовании грозовых облаков, оказывают существенное влияние на выполнение полетов вблизи этих облаков [16-18]. Условия полетов, как правило, очень сложные и опасные. Достаточно наглядные примеры, описанные в книге Шталя В.А. «Проблемы авиационной метеорологии» позволяют представить, что происходит с самолетом и экипажем при попадании в грозовые облака и насколько опасен полет в их зоне [19].
Для летательных аппаратов в зонах формирования облаков значительную опасность представляют следующие процессы:
- интенсивная турбулентность, обуславливающая очень сильную болтанку самолетов и вертолетов, угрожающую их прочности;
- порывистые восходящие и нисходящие воздушные потоки с большими скоростями, приводящими к внезапным броскам самолетов и вертолетов;
- интенсивное обледенение в облаках и осадках;
- электрические разряды в виде молний;
- шквалистый ветер под облаками;
- интенсивные ливневые осадки, град;
- сильные атмосферные помехи, нарушающие радиосвязь самолетов и вертолетов;
- смерчи;
- интенсивная турбулентность, неупорядоченные вертикальные движения воздуха - типичное для грозовых облаков явление.
Под действием этих процессов на самолете или вертолете могут наблюдаться значительные перегрузки до ± 2g. Они, опасны тем, что накладываясь на маневренные перегрузки, могут создать суммарную перегрузку, превышающую предельно допустимую, что способствует разрушению летательных аппаратов. Турбулентность представляет собой опасность и в верхней части кучево-дождевого облака, особенно если вершина облака располагается вблизи потолка самолета, где допустимые перегрузки для самолета гораздо меньше. Поэтому при сильной болтанке на этих высотах возникает опасность выхода самолета на закритический угол атаки, что в свою очередь ведет к остановке двигателя и потере управляемости самолетом (в худшем случае). Поражения летательных аппаратов молниями могут привести к тяжелым последствиям. Попадание молнии в самолет или вертолет наблюдается в том случае, когда они оказываются на пути молнии или когда напряженность электрического поля между облаком и самолетом превышает величину пробивного потенциала воздуха. Удар молнии может привести к разгерметизации кабины, пожару, травмированию экипажа, разрушению различных устройств и т. п. Вероятность поражения молнией в грозовых облаках равна примерно 10-2, т.е. в среднем один раз в 100 проходов самолета через облако. Меры безопасности полетов в условиях грозовой деятельности накоплены в процессе освоения авиации и обобщены в руководящих документах по организации и проведению полетов. В основу всех этих мероприятий положен тщательный анализ и оценка метеорологической обстановки, в ходе которого необходимо уточнить район (участок маршрута, территория), где ожидается грозовая деятельность, определить вид грозы, ее характеристики, направление и скорость смещения, возможное влияние на выполнение полетного задания. В дальнейшем, согласно, нормативных документов России летному составу и другим лицам, участвующим в организации и обеспечении полетов, необходимо руководствоваться следующим:
1. Полеты в зоне грозовой деятельности при отсутствии радиолокационного контроля наземными средствами за летательным аппаратом и наблюдения за очагами гроз, а также без бортовых радиолокационных систем (РЛС) обнаружения грозовых очагов - запрещается.
2. Экипажам летательных аппаратов преднамеренно входить в кучево-дождевые и мощно-кучевые облака запрещается (за исключением специальных полетов).
3. В полете экипаж летательного аппарата (ЛА) обязан контролировать метеорологическую обстановку, используя метеоинформацию органов управления воздушным движением (УВД), экипажи разведчиков погоды и метеоподразделений, данных РЛС. Органы УВД при этом информируют экипажи, находящиеся под их управлением о характере облаков, расположении грозовых очагов, направлении их смещения, и обеспечивать обход зон грозовой деятельности.
4. Обход грозовых зон, мощно-кучевых и кучево-дождевых облаков допускается с разрешения органа УВД при полетах по правилам приборного полета (ППП) по данным РЛС, а при полетах по правилам визуального полета (ПВП) - визуально, на удалении от одиночного облака не менее 10 км. Пролет между двумя облаками допускается, если расстояние между ними не менее 30 км.
5. При невозможности обойти зону грозовой деятельности, кучево дождевую и мощно-кучевую облачность на заданном эшелоне орган УВД обязан назначить экипажу безопасный эшелон полета, обеспечивающий превышение летательного аппарата над верхней границей облаков не менее 500 м. В противном случае необходимо дать команду о посадке на запасном аэродроме.
6. В зоне грозовой деятельности при крайней необходимости полеты над облаками могут выполняться только днем над равнинной местностью визуально, без входа в зону ливневых осадков, при этом высота полета должна быть не менее минимальной безопасной высоты, а вертикальное расстояние от летательного аппарата до нижней границы облачности не менее 200 м.
7. В условиях визуального полета обход грозовых облаков должен выполняться в направлении понижения рельефа местности.
8. В случае непреднамеренного попадания самолета (вертолета) в грозовые облака командир экипажа обязан принять меры к немедленному выходу из них: надо выключить радиооборудование и убрать выпускные антенны; включить освещение кабины и обогрев ПВД, привести в готовность другие противообледенительные системы; полет выполнить выше или ниже изотермы 00С, где меньше вероятность поражения молнией; избегать полета вблизи области усиления треска и шума в наушниках; уменьшить скорость полета до безопасной; опустить светофильтр на шлеме для избежания ослепления при вспышке молний.
9. Пересечение зоны грозовой деятельности целесообразно осуществлять под углом 900 (по кратчайшему пути) с соблюдением всех вышеперечисленных мер безопасности. Порядок обхода зон грозовой деятельности, опыт полетов и их метеорологического обеспечения в условиях грозовой деятельности показывает, что соблюдение всех правил безопасности, отличные знания, навыки и умения летного и обеспечивающего полеты состава способствуют безопасному осуществлению полетов.
Аппаратно-программный комплекс обработки и представления радиолокационной, грозопеленгационной и метеорологической информации
Проблема мониторинга и прогнозирования опасных природных процессов приобрела в настоящее время первостепенное значение для авиации [129, 130], что связано с ростом авиаперевозок и с резким обострением экологической обстановки в целом ряде регионов, происходящей на общем фоне деградации окружающей среды.
В России одним из наиболее опасных регионов с точки зрения возникновения чрезвычайных ситуаций для авиации является Северный Кавказ (Северо-Кавказский и Южный федеральные округа Российской Федерации). Ежегодно на территории Северного Кавказа происходят сотни природных, опасных для авиации явлений [131, 132]. По их повторяемости регион занимает одно из лидирующих положений в стране [133]. Таким образом, проблема комплексного мониторинга риска возникновения чрезвычайных ситуаций, вызванных опасными природными процессами и явлениями, является крайне актуальной для рассматриваемого района.
Повышение качества и эффективности исследования и мониторинга опасных природных процессов, как показывает зарубежный опыт (Швейцария, Франция и др.) [134, 135] и опыт эксплуатации передовых технологий в России [136- 139], позволяет снизить уровень рисков для экономики и содействует привлечению инвестиций.
Существующая на Северном Кавказе подсистема оповещения о развитии опасных природных явлений [140] отличается низкой эффективностью, что связано с современной технологией сбора, анализа и передачи геофизической информации. Многие работы по сбору данных ведутся вручную, методом визуального наблюдения.
В настоящей работе для мониторинга быстроразвивающихся опасных атмосферных явлений в целях обеспечения безопасности полетов авиации предполагается использовать данные дистанционного зондирования атмосферных процессов с применением активно-пассивного радиотехнического комплекса. Для этой цели предлагается аппаратура и методика синхронных регистраций микрофизических и электрических характеристик конвективных облаков.
Международный опыт работ в данной области [141,142] подтверждает, что получение достоверной информации о формирующемся геофизическом процессе или явлении, его типе и масштабах возможно только в случае привлечения всех современных методов исследований.
Подобные информационно-измерительные системы уже получили развитие в ФГБУ «ВГИ» [143, 144] в рамках уникальной научной мониторинга состояния атмосферы (АПКГМ ВГИ)» http://www.ckp f.ru/unique_displays_and_installations/?ELEMENT_ID=77736&sphrase_id=521.
Аппаратно-программный комплекс (АПК) предназначен для приема-стыковки и обработки радиолокационной (доплеровской), грозопеленгационной и спутниковой информации о погодных явлениях. Система имеет следующие функции:
прием данных измерений метеорологических радиолокаторов (МРЛ-5, ДМРЛ-С, ТРЛК «Сопка-2», WRM-200 и др.) с сервера, расположенного в ФГБУ «ВГИ», с периодичностью 1 - 10 минут;
измерения параметров облачности, тенденции ее развития, а также идентификации связанных с ней явлений погоды;
прием данных измерений системы грозорегистрации (LS8000, Vaisala), развернутой на территории юга России, по доступным каналам связи с сервера, расположенного в ФГБУ «ВГИ» с периодичностью 1 раз в минуту;
измерение параметров молниевых разрядов и их местоположения;
прием данных измерений геостационарных искусственных спутников Земли (ИСЗ), Метеосат-7, Метеосат-10, Электро-Л и др., по доступным каналам связи с сервера, расположенного в ФГБУ НИЦ «Планета» с периодичностью 15 или 30 минут;
построение композитных карт облачности по радиолокационным, грозорегистрационным и спутниковым данным;
обнаружение, распознавание и оповещение об опасных явлениях погоды для аэропортов и населенных пунктов;
прием и архивирование получаемых данных на сервере для их дальнейшего использования в прикладных и научных задачах;
визуализация этих данных.
Областью использования комплекса являются исследования электрических и микрофизических процессов в атмосфере, мониторинг и оповещение об опасных явлениях погоды (град, гроза, ливень, шквал, смерч), краткосрочный прогноз погоды на территории юга России, прокладка безопасных трасс для полета авиации.
Применение предлагаемой системы обеспечивает автоматизацию сопряжения разнородной метеорологической информации, повышение информативности и удобства работы с крупномасштабными картами облачности, повышение достоверности получаемой информации, качества документирования и архивирования информации, оптимизацию ее хранения и передачи потребителям и решение ряда прикладных задач, включая оповещение населенных пунктов об опасных явлениях погоды, метеорологическое обеспечение безопасности полетов авиации, создание метеорологической сети штормооповещения и активные воздействия на облачные процессы.
Информация такой системы может также использоваться для диагноза сверхкраткосрочного и краткосрочного прогноза погоды.
На рисунке 2.11 представлена блок схема АПК мониторинга опасных процессов в атмосфере.
Основными отличительными достоинствами интеграции разнородной метеорологической информации в предлагаемой на основе LS8000, МРЛ (ДМРЛ) и ИСЗ системы контроля электрического состояния конвективных облаков являются:
применение радиолокационной информации позволяет заглянуть внутрь конвективных облаков туда, куда не могут заглянуть никакие другие средства измерения, зафиксировав объемы облака, массу облачной воды в нем, максимальную радиолокационную отражаемость, высоту верхней границы радиоэха, косвенно идентифицировать явление погоды, расшифровать типы гидрометеоров в различных частях облака и др.;
применение грозорегистрационной информации позволяет прямым методом инструментально фиксировать точное время и географическое положение грозовых разрядов, определять их тип (облако-облако, облако-земля) и измерять силу токов положительного и отрицательного зарядов;
применение спутниковой информации позволяет охватывать большие территории и наблюдать за слабой облачностью, невидимой радиолокатором и не просматриваемой грозорегистратором из-за отсутствия грозовых разрядов в ней. Такой слабой облачностью могут быть различные части конвективного облака: длинный (20-100 км) слоистообразный вынос радиоэха, фидерные облака в обновляющейся части конвективного облака и периметр облака.
Основные технические характеристики составных частей АПК.
Воздействие разрядов молнии на электротехнический комплекс самолета
Воздействие разрядов молнии на электротехнический комплекс самолета (ЭТК) может привести к значительному ухудшению качества функционирования бортового оборудования самолета, потере работоспособности элементов управления самолетом, возникновению аварийных ситуаций на борту. Согласно ГОСТ 18311-80 [164] электротехнический комплекс самолета – это совокупность взаимосвязанных электротехнических устройств и изделий, предназначенных для производства, преобразования, передачи, распределения, потребления электрической энергии. На рисунке 3.13 представлена схема воздействия разряда молнии на электротехнический комплекс самолета через бортовую кабельную сеть (БКС), связывающую между собой электрические изделия и устройства самолета [165].
Грозовой разряд (молния) является естественным поражающим фактором. Наиболее опасными поражающими факторами молнии являются токи молнии и тепловое воздействие. Согласно инструкции [162] принята форма импульса тока молнии, представленная на рисунке 3.14. Как правило, при разряде молнии на землю, по-видимому, и при ударе в самолет, имеет место несколько подобных импульсов (ударов). Согласно исследованиям на Северном Кавказе [148] количество импульсов может доходить до 16.
Общепринятая форма импульса тока молнии имеет вид, представленный на рисунке 3.14. Она описывается выражением
Импульсы тока последующих компонентов молнии, как правило, существенно отличаются от первой компоненты. Во-первых, амплитуда токов последующих импульсов меньше, чем предыдущая. Во-вторых, длительность импульса последующих компонентов короче, чем первый импульс. В-третьих, время между импульсами для последующих компонентов уменьшается.
Длительность импульса тока тв так же важна для практической молниезащиты, как и параметры: амплитуда тока IМ и время нарастания волны тока. Продолжительность импульса тв принято характеризовать временем от его начала до момента снижения до половины амплитудного значения [167].
Особый интерес к характеристикам молнии (значениям тока молнии и времени их развития) обусловлен проблемами разработки эффективных средств молниезащиты различных объектов, а также технических средств обнаружения их местоположения.
Считается [167], что своевременное обнаружение молниевой активности и слежение за ее развитием в пространстве и во времени позволяет во многих случаях избежать ущерба или существенно снизить его.
Молния является наиболее мощным источником электромагнитных возмущений. Наиболее подверженными воздействию молнии являются линии электропередач, системы навигации летательных аппаратов, легковоспламеняющиеся среды. При эксплуатации систем электроснабжения самолета возможны случаи попадания молнии в воздушные линии, по которым осуществляется передача электричества. Результатом такого воздействия является бегущая волна, распространяющаяся по проводам.
При попадании молнии в самолет имеет место протекание тока вдоль фюзеляжа и других его частей [166]. Это приводит к возникновению вокруг самолета сильного электромагнитного поля, напряженность которого, приближенно вычисляется по формуле
Имеется аналитическое решение для распределения тока инициированный разрядом молнии в оболочке самолета в виде эллиптического сечения [146].
Форма крыла и фюзеляжа современного авиалайнера далека от идеально круговой. Тем самым распределение импульсного тока молнии становится неравномерным. В наибольшей степени неравномерность проявляется в обшивке крыла и хвостового оперения, а также в местах контакта канала молнии с внешней поверхностью его обшивки. Приближенную количественную оценку можно выполнить, представив поперечное сечение крыла в виде эллипсоида вращения, для которого существует точное аналитическое решение
Здесь: Iм – ток молнии, вошедший в самолет, J(х) – наводимый молнией ток на единицу длины, - большая и b – малая полуоси эллипса, x – расстояние от центра эллипсоида вдоль его большой оси. Максимальная погонная плотность тока характерна для вершины эллипсоида с малым радиусом кривизны, где она превышает минимальную плотность в плоской части обшивки в Jmax / Jmin = / b раз. Соответственно меняются и перенапряжения на изоляции внутреннего проводника относительно обшивки. Они могут многократно возрастать в случае прокладки жгута в месте максимальной крутизны обшивки, например в крыле самолета, где / b 100.
Разность потенциалов U12 между точками 1 и 2, находящиеся на расстоянии l на фюзеляже самолета можно определить по формуле (3.25). Невзирая на однородность оболочки по толщине и материалу стенки, погонные плотности импульсного тока в точках 1 и 2 принципиально различны. Отношение их величин равно отношению осей эллипса a/b, на которых они размещены. В результате для сильно вытянутой оболочки плотности тока могут отличаться в пределах порядка величины и даже больше. Столь же различными окажутся и напряжения между проводниками и оболочкой в точках 1 и 2, определяемые выражением
При расчете U12 по формуле (3.25) значение сопротивления фюзеляжа R0 принято равным 10-5 ом/м. Как видно из таблицы 3.8 большинство разрядов молний (более 70%), токи которых варьируются от 10 до 50 кА индуцируют потенциал от 0,05 В до 0,25 В. Такие напряжения в конструкции самолета не представляют серьезной опасности. Однако, токи молнии порядка 100 кА ….250 кА будут представлять серьезную опасность для элементов электроники самолета. При этом следует отметить, что с увеличением искривления фюзеляжа, крыльев, хвостовой части, когда 2 /b 100, наводимый молнией ток на единицу длины -J(х) превышает 4 кА/м, что является серьезной опасностью и для корпуса самолета.
Изложенное свидетельствует, что при ударе молнии в летательный аппарат или при разряде молнии вблизи него в системе в кабелях, расположенных в крыльях самолета наводится ЭДС. Согласно приведенным выкладкам, наводимое молнией ЭДС, прямо пропорционально значениям тока молнии, геометрическим размерам самолета и обратно пропорционально времени разряда. Исходя из этих параметров, для самолетов наиболее опасными являются разряды облако-земля.
Следует отметить, что сопротивление экрана провода по постоянному току, сопротивление металлизации экрана кабеля и индуктивность экрана кабеля являются факторами, снижающими воздействие молниевого разряда на летательный аппарат.
Методика предупреждения грозовой опасности для молниезависимых объектов на основе мониторинга молниевой активности и динамики напряженности электрического поля приземной атмосферы
С вопросами молниезащиты и мониторингом пространственного распределения молниевых разрядов приходится сталкиваться специалистам многих отраслей, таких как энергетика, связь, строительство, авиация, сельское и лесное хозяйство и др. Результатом их воздействия могут быть нарушения нормального функционирования производства, и, в отдельных случаях поражения молнией приводят к трагическим последствиям.
Правильная организация молниезащитных мероприятий и своевременное обнаружение местоположения опасного явления во многих случаях позволяет избежать ущерба или существенно снизить его.
Северный Кавказ в силу своего географического положения имеет высокую активность грозовой деятельности до 200-250 дней с грозой [148]. Несколько авторов получили для данной территории, что средняя плотность разрядов на землю в год составляет более 5 разрядов/км2.
Такая высокая молниевая активность представляет проблемы электромагнитной совместимости, а также в хозяйственной деятельности. К примеру, авиация, связь, система электроснабжения и другие сферы жизнедеятельности испытывают негативное воздействие грозовых явлений.
Создание методов комплексного мониторинга грозовых процессов предполагает наращивание геофизических исследований, создание стационарных и мобильных пунктов наблюдений.
В настоящее время в связи с развитием информационных технологий стали более доступны и дешевле данные о молниевых разрядах. Существуют системы локализации гроз, основанные на информации о молниях «облако-земля» [148-171], другие используют данные о полной молниевой активности [123, 172]. Часто информацию о напряженности электрического поля атмосферы включают в технологию предупреждения о грозах [173]. Для этих целей также используется радиолокационная и спутниковая информация [116,137].
Настоящая работа посвящена разработке методики предупреждения грозовой опасности, основанная на интегрированной информации значений напряженности электрического поля атмосферы в пункте мониторинга и данных грозорегестратора. Основные положения разработанной методики представлены в работах автора [9,12]. В качестве возможной области использования предлагаемой методики рассматривается авиация.
Созданы несколько международных стандартов систем грозового оповещения для авиации.
В частности Европейский Комитет Электротехнической Стандартизации – CENELEC (European Committee for Electro technical Standardization) опубликовал стандарт EN50536 [174]–Защита от молний – Система грозового оповещения (Protection Against Lightning–Thunderstorm Warning Systems). Цель стандарта заключается в предоставлении информации о характеристиках системы грозового предупреждения и информации для оценки полезности данных о молниях в режиме реального времени и/или данных о штормовой электрификации с целью реализации мер по предотвращению молниевой опасности.
В России действует нормативный документ [56] в котором регламентированы действия по метеорологическому обеспечению гражданской авиации. Увеличение интенсивности воздушных перевозок и частоты возникновения опасных метеорологических явлений, связанных с конвективной облачностью, наблюдающееся в последние годы, делает актуальной задачу создания системы оперативного мониторинга за их развитием по трассе движения воздушных судов. В соответствии с Транспортной стратегией Российской Федерации на период до 2030 года должны быть проведены работы по созданию системы раннего предупреждения и оповещения воздушных судов о формировании на пути их движения опасных атмосферных явлений.
Об особой уязвимости авиации от воздействия грозовых явлений свидетельствует ряд актуальных публикаций [27,128]. В частности, Федеральное управление авиации (Federal Aviation Administration - FAA) в докладе №8 [128] – Система оповещения о молниях для использования аэропортами (Lightning Warning System for Use by Airports), обобщили влияние полного прекращения работы аэропортов, безопасности, стоимости вынужденного простоя, задержки самолетов, сбоев расписания и самый тяжелый случай – фатальные человеческие жертвы. Исходя из проведенного анализа, делается вывод о необходимости разработки новых технологий грозового оповещения.
При организации предупреждений о грозах за рубежом реализована методология «метод двух зон».
Метод двух зон, представлен Муйпи и другими в работах [170,171]. Этот метод определяет две концентрические зоны у географической точки, именуемой «Точка Интереса» (Point of Interest - PI). Первая зона, которая окружает PI, называется Зона Касания (Area of Concern - AOC). На территории этой зоны сосредоточены высоко уязвимые любым разрядом молнии, объекты, в частности система посадки самолетов, хранилища топлива и др. Примерами такой зоны являются аэропорт, ракетно – пусковой комплекс, крупный нефтеналивной танкер и др. Второй район или Зона Оповещения (Warning Area - WA) окружает Зону Касания (AOC). Когда атмосферная активность возникает около второй зоны, должен быть запущен режим грозового оповещения и должны начаться меры предупреждения. В данной работе реализован аналогичный подход для мониторинга и оповещении о грозовых явлениях. Рисунок 4.5 показывает схему реализации метода двух зон, реализуемый в данной работе для мониторинга и оповещения о грозовой опасности.
Данный раздел (глава 4) посвящен разработке рекомендации по применению грозо-разрядной информации и характеристик электричества атмосферы для мониторинга грозовых явлений на территории расположения молниезависимых объектов. Заблаговременное предупреждение о возникновении грозы имеет важнейшее значение при обеспечении безопасности во многих областях деятельности человека. Успешное выведение на орбиту космических аппаратов различного назначения, а также обеспечение безопасности пилотируемых полетов напрямую связаны с грозовой деятельностью. Прогнозирование гроз важно для полетов авиации, проведения массовых мероприятий под открытым небом, обеспечения безопасности при погрузочных работах, транспортировании и испытаниях взрывчатых веществ.
В работе (раздел 3) показано, что разряды молний, как правило, в облаке происходят при фиксируемых у поверхности под облаком абсолютных значениях градиента потенциала электрического поля превышающих 2 кВ/м. При значениях градиента от – 2 до + 2 кВ/м. формируются только менее 20% от общего числа разрядов. В этом диапазоне градиентов разряды на землю, как правило, не отмечаются. Наибольшее количество наземных молний (более 60%) отмечаются при градиенте потенциала электрического поля от – 4 до + 4 кВ/м. Во всех исследованных облаках в части, касающейся молниевых разрядов, отмечены следующие закономерности:
- положительные молнии развиваются при больших абсолютных значениях градиента потенциала электрического поля, чем отрицательные;
- критическими значениями градиента потенциала электрического поля атмосферы при которых не отмечаются молнии всех типов является диапазон от – 0,2 до + 0,2 кВ/м.
Исходя из проведенных исследований и выявленных критических значений напряженности электрического поля атмосферы при грозах нами сформулирована методология предупреждения грозовой опасности на основе мониторинга указанных характеристик в двух зонах. Метод предполагает выделение двух концентрических зон у географической точки, именуемой «Точка Интереса» (PI). Первая зона, которая окружает PI, называется «Контролируемая зона». На территории этой зоны сосредоточены высоко уязвимые любым разрядом молнии, объекты, в частности система посадки самолетов, хранилища топлива и др. Примерами такой зоны являются аэропорт, ракетно – пусковой комплекс, крупный нефтеналивной танкер и др. Второй район или «Зона предупреждения» окружает Зону контроля.
Суть алгоритма автоматического предупреждения о грозоопасности на основе только данных грозопеленгационной сети состоит в формировании предупреждающего сигнала при условии обнаружения молниевых разрядов (МР) в областях предупреждения или контроля. Прекращение сигнала предлагается через 30 мин после регистрации последнего МР в данных областях.
Анализ эффективности алгоритма автоматического предупреждения на основе только данных грозопеленгационной сети производился исходя из трех вариантов развития событий:
1) МР обнаружен в области предупреждения, и в течение действия предупреждающего сигнала зафиксирован, по крайней мере, один МР в контролируемой области;
2) МР обнаружен в области предупреждения, и в течение времени действия предупреждающего сигнала не зафиксировано МР в контролируемой области;
3) первым обнаружен МР в контролируемой области при отсутствии сигнала предупреждения, т.е. ранее не было зафиксировано МР в области предупреждения.