Содержание к диссертации
Стр.
Введение 4
Характеристики грозовых процессов во Вьетнаме 12
Региональные особенности грозовых процессов 12
Влияние грозовых процессов на экономику Вьетнама 22
Электрические процессы в облаках и особенности радиоизлучения, возкающего при атмосферных электрических
разрядах 28
Структура электрически активных облаков 28
Электрические разряды в облаках , 38
Радиоизлучение электрически активных облаков 42
Радиоизлучение при атмосферных электрических разрядах ... 42
Модель процессов при атмосферном электрическом разряде 45
Дипольные моменты различных типов атмосферных разря
дов и токи в каналах разрядов 49
Электрические и магнитные поля, генерируемые мелкомас
штабными атмосферными разрядами 53
Структурные особенности потока сигналов, излучаемых при
атмосферных электрических разрядах 58
Аппаратура для проведения экспериментальных исследова
ний и методика проведения экспериментов 60
Выбор рабочих частот для аппаратуры, обеспечивающей
прием сигналов, излучаемых электрически активными обла
ками 60
Радиоприемное устройство на 35 МГц 63
Быстродействующий параллельный аналого-цифровой пре
образователь NVL32 69
Функции устройства 69
Технические характеристики устройства 69
Структурная схема устройства NVL3 2 70
Программирование устройства NVL32 72
Методика проведения экспериментальных исследований 76
Результаты экспериментальных исследований и алгоритмы
выявления полезных сигналов 79
Требования к алгоритму выявления полезных сигналов и по
давления помех 80
Свойства полезных сигналов и напряжений помех, наблю
даемых в условиях северо-западного региона Российской
Федерации 81
Алгоритм выявления полезных сигналов 90
Выводы 98
Обнаружение и определение координат каналов атмосфер
ных электрических разрядов 102
Измерение координат каналов атмосферных электрических
разрядов 104
Погрешности оценок координат каналов мелкомасштабных
атмосферных 108
Параметры системы и их влияние на погрешность оценки
координат каналов атмосферных разрядов 109
Погрешность оценок координат каналов атмосферных разря
дов при совокупном влиянии всех воздействующих факторов 113
Анализ погрешностей оценок координат канала атмосферно
го электрического разряда с использованием метода Монте-
Карло 118
Заключение 142
Список использованных источников 152
Приложение А. Листинг подпрограммы распознавания ра
диоизлучения молниеопасных облаков и классификации сиг
нала помех 158
Приложение Б. Обоснование алгоритма определения трех декартовых координат источника излучения методом четы-рехпунктной системы разностно-дальномерной пеленгации .. 164
Введение к работе
Задача выявления электрически активных облаков, способных поразить молниевым разрядом подлетающий к ним самолет, представляется весьма актуальной. Сложность этой задачи связана с тем обстоятельством, что достаточно часто наблюдаются случаи поражение самолетов молниевыми разрядами при их подлете к облакам, которые ни по каким признакам не могут быть отнесены к молниеопасным. Как правило, облака, в которьж происходят грозовые процессы, сопровождающиеся молниевыми разрядами, хорошо обнаруживаются на далеких расстояниях. Они обладают значительной радиолокационной отражаемостью и хорошо видны на экранах бортовых радиолокаторов на большом удалении. В темное время суток происходящие в облаках молниевые разряды могут просматриваться на десятки-сотни километров. Такие облачные образования по существующим инструкциям пилоты должны облетать, не приближаясь к ним ближе, чем на 20 км.
Однако, как отмечается в [1], в 82 процентах случаев поражение самолетов молниевыми разрядами происходит при их подлете к облакам, которые ни по каким признакам не могут считаться молниеопасными, и лишь в 18 процентах случаев поражение самолетов молниями происходит при ошибочных действиях экипажа и приближении к грозовым облакам на недопустимо близкое расстояние. Отмечаются [2, 3, 4] многочисленные случаи поражения молниевыми разрядами самолетов в зимнее время года, когда грозовые процессы практически не наблюдаются.
Анализируя различные ситуации поражения самолетов молниевыми разрядами можно отметить, что, как ни странно, более безопасными являются грозовые процессы фронтального происхождения. Как правило, грозовые очаги фронтального происхождения хорошо наблюдаются экипажем самолета. Они обнаруживаются на больших расстояниях и с большой заблаговременностыо. Это позволяет принять решение об облете грозового очага или о посадке на запасном аэродроме, или о возврате самолета в аэропорт вылета. Зачастую при прохождении фронта через трассу полета наиболее рациональным решением может оказаться задержка вылета на несколько часов.
Существенно сложнее принимать правильные решения при развитии гроз в результате внутримассовых процессов. При внутримассовых процессах развитие грозового облака распределено во времени и пространстве. На начальных стадиях развития облака в нем появляются разделенные в пространстве электрические заряды и связанные с ними электростатические поля. По мере развития облака возрастает объем, занятый электрическими зарядами, усиливается электростатическое поле облака. Однако, молниевые разряды в развивающемся облаке начинают происходить лишь после того, как будут сформированы достаточно большие объемы электрических зарядов, когда произойдет заметное пространственное разделение зарядов разных знаков, когда в больших объемах облака будут наблюдаться электростатические поля, величина которых превосходит [5] примерно 105 В/и. Такие значения электростатических полей в приемлемо больших объемах достигаются лишь через некоторое время после начала развития облака. Кроме того, процесс развития может пойти так, что в облаке будут разделенные электрические заряды, но их объемы и величина электростатического поля окажутся недостаточными для перехода облака в активную грозовую стадию развития, при которой начнут возникать молниевые разряды. Такие негрозовые, но электрически активные облака, особенно часто могут наблюдаться в холодное время года, в условиях пониженной конвекции.
Подобные негрозовые, но электрически активные облака могут представлять опасность для подлетающих к ним самолетам. Это связано с особенностями электрической структуры заряженных облаков и с тем обстоятельством, что летящий самолет, как правило также имеет электрический заряд.
Электрически активное облако имеет сложную структуру разделенных электрических зарядов. Экспериментальные исследования структуры электрических зарядов, выполнялись при пролете самолета через вершину электрически активного облака (облака, в котором незадолго до пролета через него самолета прекратился грозовой процесс [6]), а также с помощью ракетных электрозондов [7 - 10], которые запускались в облако с помощью ракеты. Исследования показали, что электрические заряды в облаке распределены крайне неравномерно и в локальном объеме облака наблюдается преобладание зарядов одного знака над зарядами другого знака. В результате образуются зоны неоднородностей электрических зарядов. Эти зоны неод-нородностей имеют характерное преобладание зарядов одного знака и характеризу-
ются размерами в несколько десятков метров (по данным ракетного зондирования) и до 200 - 400 метров (по данным самолетного зондирования в вершинах распадающихся облаков). Именно такие локальные неоднородности одного знака, преобладая в какой-либо части облака, определяют крупномасштабное разделение электрических зарядов, без которых невозможно формирование каналов молний и развитие грозового процесса.
Самолет в процессе полета электризуется, т. е. обретает положительный или отрицательный электрический заряд. Это происходит по нескольким различным причинам. В основном электризация самолета происходит из-за его соударений с пылевыми частицами, с частицами облаков и осадков. Кроме того в двигателе самолета происходит неполное сгорание топлива и из-за соударений несгоревших частиц топлива с элементами двигателя также происходит электризация самолета. За счет имеющихся на самолете разрядников, часть накопленного электрического заряда стекает. Однако, как правила самолет остается заряженным.
В результате при подлете самолета к неоднородности электрического заряда облака, имеющей противоположный знак заряда, происходит локальное усиление электростатического поля, и его величина может превысить критическую, достаточную для возникновения разрядного процесса. Условия разряда облака на самолет облегчаются еще и, вследствие того, что за самолетом тянется шлейф горячих выхлопных газов, в котором имеются токопроводящие частицы углерода-частицы не-сгоревшего топлива. Струя горячего, а следовательно и несколько ионизированного газа, содержащего токопроводящие частицы значительно упрощает условия возникновения сильноточного атмосферного разряда, и самолет поражается молнией. Самолет, подлетая к электрически активному облаку, как бы провоцирует разряд, который, может быть, и не произошел, если бы самолет не приблизился к облаку.
Эти обстоятельства определяют актуальность задачи выявления таких облачных систем, которые, не будучи грозовыми, все таки являются молниеопасными для подлетающих к ним самолетам. Особенностью таких облаков является наличие областей с разделенными электрическими разрядами, между которыми имеются интенсивные электростатические поля. Даже если области разделенных электрических зарядов недостаточно обширны, а напряженности электростатических полей еще далеки от тех значений, которые достаточны для появления молниевых разрядов,
облако, с учетом вышеизложенного может быть потенциально опасным для приближающихся самолетов.
Выделение подобных негрозовых, но потенциально молниеопасных, областей пространства представляется возможным, если определять координаты областей пространства, в которых возникают мелкомасштабные атмосферные электрические разряды, не переходящие в многокилометровые каналы молний.
Впервые о возможности обнаружения подобных разрядных процессов было сообщено в 1966 году в статье [11] Зонге К. Л. и Эванса В. Г. По результатам экспериментальных наблюдений, выполненных в 1964 - 1966 годах, авторы обнаружили, что радиоизлучение конвективных облаков начинает наблюдаться еще до появления первого молниевого разряда в облаке. По их наблюдениям за 8 - 16 минут до первого молниевого разряда из облака, в широком диапазоне частот начинают излучаться сигналы, имеющие форму пакетов кратковременных импульсов. По мере приближения облака к грозовому состоянию, когда в нем происходят молниевые разряды, частота следования пакетов импульсов, несвязанных с молниевым разрядом, возрастает.
Последующие исследования в этом направлении [12 - 19] были выполнены в Высокогорном Геофизическом институте (ВГИ, г. Нальчик) Аджиевым А. X., Бей-тугановым М. Н., Богаченко Е. М., Кармовым М. И., Медалиевым X. X., Сижаже-вым С. М. и другими авторами, а также в Ленинградском гидрометеорологическом институте (ЛГМИ) под руководством Заслуженного деятеля науки СССР Л. Г. Качурина, Л. И. Ливийским, Б. Д. Ивановым, Ю. Г. Осиповны и др. Исследования радиоизлучения облаков проводились также и зарубежными авторами. Можно отметить работы [20 - 24], в которых приведены различные аспекты исследований процессов, происходящих в грозовых и грозоопасных облаках.
Ориентируясь на выполненные исследования можно сделать следующие выводы:
1) В развивающихся конвективных облаках происходит разделение электрических зарядов и формируются области пространства, в которых наблюдаются достаточно интенсивные электростатические поля и в которых, при определенных условиях, становится возможным появление мелкомасштабных электрических разрядов, не перерождающихся в многокилометровые молниевые разряды. При мелкомас-
штабных электрических атмосферных разрядах возникает генерируемое разрядом радиоизлучение.
На самых ранних стадиях развития облака генерируется очень слабое, так называемое "непрерывно-шумовое" излучение. Оно плохо обнаруживается даже современными высокочувствительными радиоприемными устройствами даже при использовании антенных систем с большим коэффициентом направленного действия. Его можно зарегистрировать только когда облако находится в непосредственной близости от пункта наблюдения. Оно проявляется в виде некоторого (3 - 5 кратного) увеличения шумовой дорожки и слабо отличается по форме от собственного шумового напряжения радиоприемного устройства. Если расстояние до облака превышает примерно 25-30 км, то этот компонент радиоизлучения практически необнаружим.
При последующем развитии облака возникает радиоизлучение, которое на первых стадиях исследования было названо "предгрозовым". Оно имеет форму кратковременных пакетов импульсов. Это радиоизлучение наблюдается на фоне непрекращающегося непрерьгоно-пгумового излучения. Однако наблюдать обе компоненты можно лишь в том случае, если развивающееся облако находиться на незначительном расстоянии от пункта наблюдения. Импульсное излучение гораздо более мощное и оно обнаруживается на значительно большем расстоянии от облака. Частота следования пакетов импульсов возрастает по мере того, как увеличивается объем области разделенных электростатических зарядов и возрастает напряженность электрического поля в облаке. В пакете излученных сигналов может наблюдаться от нескольких десятков до небольшого числа сотен импульсов. По результатам наблюдений, выполненных на Северном Кавказе в ВГИ, число импульсов в пакете радиоизлучения равно в среднем 71. По результатам наблюдений, выполненных в Алазан-ской долине сотрудниками ЛГМИ (РГГМУ), среднее число импульсов в пакете излученных сигналов равно 55 ± 5 при среднеквадратическом отклонении 33+4.8 (доверительные интервалы при доверительной вероятности 0.8). Распределение числа импульсов в пакете хорошо описывается функцией распределения Вейбулла. По мере приближения облака к грозовому состоянию частота потока пакетов излученных сигналов увеличивается.
Последующее развитие процессов в облаке приводит к его переходу к грозовой стадии, при которой начинают наблюдаться молниевые разряды. Молниевые разряды сопровождаются радиоизлучением, спектральная плотность которого на два - три порядка превышает спектральную плотность сигналов, генерируемых мелкомасштабные разряды. Радиоизлучение молниевых разрядов наблюдается на фоне непрекращающегося непрерьшно-шумового радиоизлучения и "предгрозового" излучения в форме кратковременных пакетов импульсов. Это впоследствии дало основание отказаться от термина "предгрозовое" и заменить его названием "немолниевое". С учетом различия спектральной плотности мощности излученных сигналов разных типов, справедливо утверждение, что молниевое радиоизлучение обнаруживается наиболее просто, немолниевое излучение обнаруживается, если облака располагаются на расстоянии до 60 - 100 км от пункта приема и на еще более близких расстояниях от облака обнаруживаются источники сигналов непрерывно-шумового типа. Зачастую оказывается, что на выходе высокочувствительного приемника, настроенного на прием сигналов немолниевого излучения, при появлении молниевого разряда уровень сигнала столь велик, что наблюдается насыщение приемного тракта. Но если снизить чувствительность приемника, настроив его на нормальный (не насыщающий приемный тракт) прием сигналов, сопровождающих молниевый разряд, то сигналы немолниевого радиоизлучения на его выходе будут просто не видны.
После завершения грозового процесса в облаке остается достаточно большое количество разделенных зарядов, и в отдельных зонах облака наблюдаются достаточно интенсивные электростатические поля. И, хотя для формирования молниевых разрядов дипольного момента разделенных зарядов и напряженности электрического поля недостаточно, условия для формирования мелкомасштабных разрядов сохраняются. Поэтому на стадии дисситгации облака в течении некоторого времени сохраняется возможность наблюдения сигналов немолниевого и непрерывно-шумового радиоизлучения.
Потенциально молниеопасными для самолетов являются облака, в которых имеются разделенные в пространстве электрические заряды, даже в том случае, когда эти заряды недостаточны для формирования каналов молниевых разрядов. Самолет, как правило, несущий электрический заряд и обладающий длинным шлей-
фом горячих выхлопных газов, в составе которых имеются токопроводящие частицы несгоревшего топлива, может спровоцировать разрядный процесс, т.е. быть поряженным молнией. Поэтому для предотвращения случаев поражения самолетов молниевыми разрядами необходимо выявлять электрически активные, потенциально молниеопасные облака, в которых имеются области разделенных электрических зарядов и интенсивные электрические поля. Исходя из статистики поражения самолетов молниевыми разрядами, можно сделать вывод, что облака, в которых наблюдаются грозовые процессы, сопровождаемые молниевьми разрядами, менее опасны для самолетов, нежели электрически активные, но негрозовые облака. Пилоты самолетов, наблюдая с больших расстояний грозовые облака, могут влететь в них лишь в результате ошибочных действий, нарушая установленные инструкции по полетам. При подлете к электрически активным, но негрозовым облакам, пилот не осознает опасности поражения самолета молнией. Такие облака ни по каким признакам не классифицируются как молниеопасные. Поэтому представляется актуальной и своевременной задача поиска методов и средств выявления электрически активных облаков, потенциально молниеопасных для подлетающих к ним самолетам.
7) Выявление подобных облаков может быть основано на определении местоположения источников сигналов радиоизлучения, вызванного атмосферными электрическими разрядами. Сейчас в различных странах [25 - 30] используются системы многопунктной пеленгации молниевых разрядов. В этих системах несколькими пунктами принимаются сигналы, излучаемые каналами молниевых разрядов. Как правило, на каждом пункте, принявшем сигнал, определяется направление на источник излучения. Все данные передаются на центральный пункт приема, где вычисляются координаты источника излучения, оценивается ток в канале молнии, нейтрализованный заряд и направление протекания тока (облако-Земля или Земля-облако). Достоинство подобной системы в том, что она ориентировано на прием только очень мощных сигналов, обладающих большой энергией. Это делает ее очень помехоустойчивой. Она не воспринимает многочисленные слабые сигналы, связанные со сторонними источниками излучения естественного и антропогенного происхождения. Однако и нее есть и тот недостаток, что она не реагирует на слабые сигналы, связанные с мелкомасштабными электрическими разрядными процессами в атмосфере. Таким образом с помощью подобных систем нет возможности своевременно-
го обнаружения облачных систем, находящихся в начальной стадии электризации, когда молниевые разряды в них еще не возникают, но в то же время в них уже имеются области разделенных электрических зарядов и сильных электростатических полей.
8) В связи с вышеизложенным представляется рациональным исследование особенностей сигналов радиоизлучения атмосферных разрядов, связанных не только с молниевыми разрядами, но и с мелкомасштабными разрядами немолниевого типа. Необходимо установить особенности этих сигналов и выявить возможность их использования для создания многопунктной системы пеленгации, обеспечивающей своевременное выявление не только грозовых но и негрозовых, электрически активных, потенциально молниеопасных для самолетов облачных систем. Одной из сложных проблем, возникающих на пути создания подобной системы многопунктной пеленгации, является наличие мешающих сигналов. Поскольку полезные сигналы могут быть достаточно слабыми, особенно на ранних стадиях электризации развивающегося облака, то нужно найти алгоритмы выделения из общей совокупности сигналов, принимаемых на каждом пункте приема, полезных сигналов, связанных с атмосферными электрическими разрядами. Кроме того, необходимо создать приемный комплекс, который бы мог одинаково успешно принимать как слабые сигналы мелкомасштабных электрических разрядов, так и гораздо более мощные сигналы, генерируемые молниевыми разрядами. Необходимо найти рациональные алгоритмы вычислительных процессов, позволяющие достаточно быстро определять координаты источников излучения в условиях естественно допускаемых погрешностях измерений. Получаемые результата должны легко сопрягаться с теми данными о полях облачности, которые получаются современными метеорологическими радиолокаторами, которые работают в аэропортах и обеспечивают заинтересованные службы информацией об опасных полях облачности.
Этому кругу вопросов и посвящена данная диссертация.
