Введение к работе
Состояние и актуальность проблеми
Проблема управления электрической активностью конвективных облаков является одной из актуальних и сложных проблем :овременной физики атмосферы. Нужды авиапии, метеорологии, юєнкого дела и ряда других областей науки и техники нераз-швно связаны с этой проблемой. Ба-кность этой задачи обусловила необходимостью обеспечения безопасности летательных іппаратоз и энергетические сооружений ог попадания молнии, предупреждения лесных покаров и ликвидации возможности воздействия тока «олнии на электрические сети. В последние годы інтенсивно осваивается воздушное пространство, бурно разви-іаетея строительство сооружений в горных районах, значительно гяеличиваетсл объем открытых горик разработок с применением прывов и т.д. Очевидно, что при всем этом происходит увели-ігшє вероятности попадания'молнии в летательные аппараты и !з."смные объекты, q также повышается опасность воздействия .ока молнии на электрические сети, что увеличивает ущерб и в зяде случаев приводит к катастрофическим последствиям. Так, кшример, в Нь»-1'!оркэ в IS82 году две молнии, каждая силой ;'ока более IOO кА, нарушили электрическое снабжение города. Стоимость причиненного ущерба превысила два миллиарда доллара.
Несмотря на более двухсотлетний истории исследования грозового электричества, вопрос еще далек от своего полного зазреаения. До сих пор нет обоснованной теории образования л развития грозовых явлений в облаках, которая включает, в зобя широкий диапазон процессов - от элементарных фазовых тревращений и разделения электрических' зарядов до крупномасштабных атмосферних явлений. Поэтому, многое в теории о [розовых явлениях, в том число и в физических основах спосо-Зов воздействия на них, развитых к настоящему времени, тостроено на недостаточно обоснованных гипотезах. Такой подход неразрывно связан со снижением строгости исследования, затрудняет развитие многих направлений исследований по электричеству облаков.
Разработке! научно-обоснованного метода подавления электрической активности облака является важной к необходимо; задачей, которая включает із себя ряд сложных нерешенных вопросов. Хотя в последние годы интенсивно развиваются исследования олектриэаши облаков и их слектричеакой структуры, еще нет единого мнения о причинах образования и развития электрических явлений в облаках. Оправциваемость существующих методов определения тенденции и стадии развития грозовых облаков не высока и окажется совершенно недостаточной в будущем. По-ейдикому, этик обусловлено отсутствие до настоящего времени надежных методов контроля результатов активных воздействий на электрическое состояние облаков. Тем нз менее, в последние годы в .ряде стран ставится задачей проведение целенаправленных ."экспериментов по воздействию на грозу. На основа физических представлений по электризации облаков, пол; чеиных в последние, годы, предложены возможные варианты подавления грозовой активности мощных конвективных облаков. Шогкі из них в настоящее время уже опробированы. Однако возможное?] анализа результатов этих опытов весьма ограничены. Во-первых в этих опытах не может быть речи о сравнении условий их проведения. Во-вторых, контроль за результатами воздействий осуществлялся разными методами и различными техническими средствами, а в ряде случаев для отоіі пели использовались примитивные устройства.!! косвенные способы. Поэтому, по результатам этих опытов невозможно судить о наиболее реальном и эффективном пути подавления грозовой активности облаков. Такой вывод может быть сделан только по данным целенаправлен них экспериментов, основанных на базе наиболее мощного механизма генерации грозового электричества и закономерности.изменения грозовой активности облаков при их естественном развитии. Причем, связь грозовой активности с другими неэлектри ческими процессами в облаках является существелной для сравнимости условий эксперимента.
В настоящее время многие научные коллективы прилагают значительные усилия для разработки аппаратуры и методики проведения комплексного эксперимента. При этом существенное внимание уделяется аппаратуре и методике оценки степени электрической активности естественного и искусственного per;/
5.
іуемого процесса развития грозы. Последние успехи в иссле-івнии грозового электричества связаны главным образом с ивно-пассивной радиолокацией облеков. Приоритет в этом юм направлении радиометеорологии принадлежит Высокогорно-геофизическому институту.
В предлагаемой работе обобщаются результаты лаборатор-: и натурных исследований разделения электрических зарядов іблаках, полученных в последние годы в ВГИ, а также приборы іетоди, которые были разработаны и использованы для оценки ізовой деятельности облаков при естественном их развитии штивных воздействиях. В работе большое внимание уделено іросу оперативной опенки степени электрической активности , іаков при переходе из одной, стадии в другую.
Вопросы, связанные с возможностью подавления грозовой 'ивности различных типов облаков рассматриваются совместно іезультагами комплексных исследований процессов облако- и іцкообразования, обуславливающих начало, интенсивность, ідолжитєльность грозы и разделение электрических зарядов і фазовых переходах воды.
Диссертация посвящена исследованию закономерностей раз-'ия электрических явлений в облаках, обусловленных фазовыми іехоцами воды, и разработке физических основ воздействия них.
С целью разработки рекомендаций для дифференцированного іения задач молниезациты различных объектов нами исследования территории Северного Кавказа особенности грозопора^ае-:ти земли в зависимости от орографии и времени года.
Ыетод исследования.
Решение задач, поставленных в роботе, потребовало:
-
Разработки методики и аппаратуры для лабораторных іледований особенностей разделения электрических зарядов [ фазовых переходах воды.
-
Разработки активно-пассивного радиотехнического іплекса для получения информации об электрическом состоянии ю сферы.
3. Проведения лабораторных исследований процессов
исталлизаіши перєохлежденнік капель воды, разделения
олектрических зарядов и влияния различных факторов на интенсивность электризации гидрометеоров (облачных частиц).
4. Исследования импульсно-вреыенных характеристик электромагнитного излучения и грозовых явлений в облаках.
5. Определения статистических характеристик комплекса параметров гроз.
6. Определения климатических и физико-географических характеристик гроз Северного Кавказа для практического использования данньк о грозопорат/саємости в народном хозяйств*
?. Проведения большого объема натурных экспериментов по определению влияния внесения льдообразующих веществ на грозовую деятельность облаков.
8. Выявления связи различных характеристик грозовой активности с параметрами конвективного облака, а также с образованием и выпадением града.
Проведенные в настоящей работе исследования позволили получить существенно новые цашше об электрических явлениях в облаках, о закономерностях пространственно-временного распределения гроз на Северном Кавказе и предложить способы регулирования грозовой активности облаков на.основе использования льдообразующих реагентов.
В работе впервые получены следующие результаты:
I. Разработан комплекс аппаратуры, включающий термобарокамеру для лабораторных исследований фазовых переходов воды и разделения электрических зарядов, измеритель параметров пикетов импульсов электромагнитного радиоизлучения облаков, аппаратуру для синхронной регистрации радиолокапионно-оспил-логрофическим способом координат места разрядов молний и обусловленных ими быстрых изменений напряженности электромагнитного поля, устройство для раздельной регистрации наземных и облачных разрядов, боевую часть ракеты "Облако" для доставки в атмосферу различных составов ВВ и льдообразующих реагентов. Ряд разработок защищен авторскими свидетельствами
7.
m изобретения.
2. На основе лабораторных исследований получены ста-
'истические данные ряда параметров, характеризующие процессы
(амероания капель воды, разделение электрически зарлцов
іри межфазных взаимодействиях облачнш элементов м влиянил га оти процессы различных химических примесей.
-
Получены вероятностные распределения продолчитель-гости существования грозовых явлений, максимальной частоти юзникновекия молний и общего числа грозовых разрядов, енерируемых за время жизни индивидуальных конвективных чеек для всех типов облачных процессов, а также статисти-(еские зависимости между этими характеристикам',! грозовой елтельности.
-
В.нлвлена зависимость характеристик излучения а деги-етровом диапазоне рациволн и быстрых изменений ншрятен-
ОСТИ ЭЛеКТрИЧеСКОГО ПОЛЯ, ОбуСЛОВЛеНННХ раярЛДНЕНИ ЯБЛЄНИЯ-
и, а также их охо-сигналов от расстояния до источника, ипа и пространственно-временной структури атмосферного раз-яда, интенсивности грозовой деятельности облачной ячейки
фази ее развития. Показана возможность контроля по сверх-ысокочастотному радиоизлучению электрического состояния отельной конвективной ячейки, Еходящей в облачную систему, и,
совокупности с радиолокационными параметрами, ее градо-ласности.
-
На основе данных, полученных с применением радко-зхнических средств, разработана методика оценки величин центрических зарядов, нейтрализуемых импульсами макскмаль-,гх токов молний, и построены вероятностные распределения зличкн максш/Ельинх токов и нейтрализуемое кии зарядов для злний г.озличных типов на территории, ограниченной радиусом jO км от пункта наблюдений.
-
Г'ипелзн ряд характеристик грозовой деятельности злаков, явлгчцкхся наиболее информативными для ссудествло-ія контроля эффективности активных воздействий, проводимте различных і/елях на грозо-грэцовые процессы.
-
Исследованы возможности истода активного воздействия дообраэугащими реагентами (йодистое серебро) с применением
лротивоградовых: средств в иелях подавления грозовой деятельности облаков различных типов на разных стадиях их развития. Показаны наличие положительного эффекта при засеве облаков в предгрозовой и в начале грозовой фаз развития, и возможность искусственного инициирования разрядных процессов в электрически нейтральной переохлажденной слоисто-дождевой облачности.
8. Определены параметры молниевых разрядов, используемых в грозозащите, а также закономерности пространственно-временного распределения гроз на Северном Кавказе.
Научная и практическая значимость работы.
Основная практическая ценность работы заключается в последовательном исследовании разделения электрических зарядов на гидрометеорах и развития электрических явлений в облаках при естественном их развитии и активных воздействиях.
Лолучешше закономерности развития электрических явлений в грозовых облаках, данные об электромагнитном радиоизлучении на различных стациях их развития могут способствовать улучшению диагностики процессов, происходящих в облаках, и повысить {эффективность метеообеспечения авиации, службы активных воздействий на грозо-градовые процессы и т.п. Они расширяют наши представления о процессах, происходящих в грозовых облаках. Ряд полученных в работе количественных характеристик радиоизлучения облаков, ранее не был известен. Другие ранее известные параметры излучения грозовых облаков в данной работе значительно дополнены и уточнены. В настоящее время некоторые результаты этих исследований внедрены Центральным НЩ судовой электротехники (г.Москва) при создании судовых анализаторов грозоопасносги, с годовым экономическим эффектом 300 тыс.руб. (акт внедрения от 12.06.1983 г.!
Данные об общих характеристиках гроз предгорных районов Северного Кавказа, вероятностные распределения амплитуды и крутизны фронта токов молний и нейтрализуемых ими зарядов, величіні электромагнитных наводок, вызываемых грозовыми явлениями в атмосфере рекомендованы для использования при проекті ровании грозозащиты объектов, расположенных как на этой территории, так и для других районов с подобными климатическ;
9.
физико-географическими условиями. Внедрение некоторых из
их результатов Министерством связи СССР при строительстве анскавказской телеграФнэ-телефонкой линии для Северного вказа дало экономический эффект около 100 тис.руб. (акт едрония от 09.1985 г.).
Исследования разрядной деятельности облаков позволили зработать рекомендации при создании грозопзленгатороэ-дально-ров повышенной точности типа Е-9І2 (акт внедрения от 20.02. 86 г.) Челябинским научко-производстсенным объединением мерительной техники.
Разработанный дистанционный метод наблюдения монет на";т.1 [рокое применение для оперативного определения степени грозо-іа лости в системах штормоповещения и оценки эффективности юводиыых в различных целях активных воздействии на грозо-задовие процессы, а также для оцзнки энергетических характе-істик процесса взрыва, основанных на регистрации электро-ігнитного радиоизлучения (сіШ). Последнее капшо внедрение при лзработке перспективное "'Я свой техники Центральным КИИ химии эханики и дало экономический эффект около 100 тыс.руб. (акт .чедрения - октябрь 1986 г., ноябрь 1939 г.).
Результаты эксперимента по воздействию на грозу и наблга-вниЯ за изменением характеристик молниевой деятельности обла-ов могут стать базой для практической реализации в народном оэяйстве эффективного метода подавления грозовых явлений.'
Способ В03ДЄЙСТЕИЯ На ГрОЗОВЫе ЯВЛеНИЯ Внедрен В ПрОТИБО-
радовых службах страны (акты от 20.10.89 г. и 25.01.90 г.)
Результаты исследований электрических характеристик обла-ов при искусственном воздействии использованы'ЦАО-(акт от 9.12.87 г.) по теме Ш.23.05 "Разработка методики комплексной цепки последствий активных воздействий на облачные системы, проводимые в интересах народного хозяйства".
ЛичньгН вклад автора
Основные научные результаты диссертации (Методика и ре-іультатн исследований закономерностей развития электрических івлений в облаках, климатические и *изико-гэогра#ические харак-геристики гроз получены автором лично.
Непосредственно автором диссертации или под его научным
руководством разработан комплекс аппаратуры для проведения ш следований электрических характеристик, включающий радиолокационные станции различных длин волн и аппаратуру регистрации и анализа электромагнитного излучения молний.
Натурные эксперименты по организации и проведению активных иоздействиЯ на электрическое состояние атмосферы были организованы и проведены под руководством и при непосредствег ном участии автора.
Предметом защиты является решение народнохозяйственной задачи по разработке и внедрению способов и средств активных воздействий на грозовое электричество, разработка нового направления науки - разработка физических основ регулирования электрического состояния облаков и его внедрение в практику.
Основные положения, выносиьалэ на защиту:
I. Методики и аппаратура для лабораторных исследований фазовых переходов воды и связанного с этими переходами разделения электрических зарядов и для совместного исследования характеристик грозовых явлении активно-пассивными радиолокационными и осциллограЛическими средствами.
Z. Результаты многолетних дистанционных измерений законо мерностей развития электрических характеристик грозовых оо'па-ков при естественной их развитии и активном воздействии.
-
Данные лабораторных и нолевых исследований, характеризующие взаимосвязь процессов грозо- и градообразования, приведшую к установлению возможности контроля градоопасносги облаков по электрическим явлениям.
-
Результаты разработки средств активно-пассивной радиолокации грозовых и грозоопасных очагов в облаках, позволяющие их использование как при контроле стадий и тенденций развития грозовых явлений, так и в качестве образцовых инструментов при определении метеорологической информативности гроз; пеленгаторов-дальномеров, счетчиков молний и проверках критериев гроэоопасносги. .
5. Закономерности пространственно-временного распределе
ния гроз на Северном Канкааа и характеристики разрядов мо.чнші,
II.
используемых в грозозащите.
6. Метод активных воздействия на электрическое состояние облаков и рекомендации для практической реализации способа регулирования грозовых явлений.
Апробация работы.
Основные результаты работы, а тагета отдельное этапы исследований докладывались и обсуждались: на Всесоюзной кочфе-ренции по Физике облаков и активним воздействиям на них (г.Нальчик, 1979), на П-м Всесоюзном симпозиуме по атмосферному электричеству (г.Ленинград, 1982 г.), на П-м Всесоюзном симпозиуме по атмосферному электричеству (г.Тарту, I9S5 г.), расширением заседании ІУ секции Научного Совета АН СССР по проблема "Теоретические к электрофизические проблемы молнии и молниезащиты" (г.Баку, I9S4 г.), на 9-й Международной конференции по физике облакоп (г.Таллин, 1984 г.), на У Всесоюзном совещании по радиометеорологии (г.Кишинев, 1978 г.), на УІ Всесоюзном совещании по радиометеорологии (г.Таллин, 1982 г.), на УП Всесоюзном совещании по радиометеорологии (г.Суздаль, 1986 г.), на Всесоюзной конференции.по актизкым воздействиям на гидрометеорологические процессы,(г.Киев, 1937 г.), на П-П Всесоюзной конференции "Прием и анализ сверхнизкочастотнчх колебаний естественного происхождения" (г.Воронеж, 1987 г.), на Международном симпозиуме "Взаимосвязь региональных и глобальных процессов п атмосфере и гидросфере" (г.Тбилиси, 1983 г.), на Х-Я Международной конференции по физике облаков (Еадгакбург, ФРГj 1988 г.), на ІУ Всесоюзном симпозиуме по атмосферному электричеству (г.Нальчик, 1990 г.), на IX Международной конфо-реь 11-и по атмосферному электричеству (г.Санкт-Петербург, 1992), на итоговых сессиях Ученого Совета и обцегеофизических семинарах вги.
Основные материалы диссертации опубликованы в работах /1-38/ и эацитлзнн свидетельствами на изобретения /39-4S/.
