Розвиток
гроз в конвективних хмарах
д.ф-м.н., проф. Аджиева А.Х.,
Калових Р.Х., Сіжажев С.М., Бжекшіев С.Л.
Високогірний геофізичний інститут
Нальчик, КБР, Росія
Вивчення
грозо-розрядних явищ у хмарах інтенсивно проводиться протягом тривалого
часу, що обумовлено науковим і прикладним значенням проблеми. До теперішнього
накопичено великий обсяг даних про електричні явища в хмарах, в
Зокрема, про процеси, що обумовлюють початок, інтенсивність і
тривалість гроз [1, 4, 6]. Однак задовільної відповідності між
експериментальними і теоретичними результатами не досягнуто, особливо для
процесів розділення електричних зарядів і розрядних явищ. Це,
очевидно, обумовлено відсутністю надійних експериментальних даних
комплексних досліджень розрядних явищ в хмарах.
Найбільшою
мірою сучасним вимогам в дослідженні грозового електрики хмар
задовольняють дані, що отримуються методами активної і пасивної радіолокації
грозових осередків у СВ-та УКХ-діапазонах радіохвиль у поєднанні зі звичайними
спостереженнями за хмарами за допомогою метеорадіолокаторов (МРЛ). Пріоритет у
розробці цих методів належить вітчизняним дослідникам [5, 6, 9].
Створений у високогірному геофізичного інституту комплекс активно-пасивної
радіолокації грозових і грозоопасних вогнищ [2,3], містить у собі
метеорологічний радіолокатор МРЛ-2П, штатні радіолокаційні станції (РЛС)
П-12, П-15, приймальні пристрої в спектрі частот від десятка кілогерців до сотень
мегагерц, грозопеленгатор-далекомір АГПД-2, електростатичний флюксіметр,
електрична і магнітна антени зі своїми підсилювальними пристроями,
пристрої селекції та вимірювання параметрів (УСІП) луна сигналів.
Зазначений
комплекс дозволяє вести безперервні спостереження за грозою в радіусі до 200 км,
докладно досліджувати структуру грозових осередків, їх трансформацію, визначати
інтенсивність грозового процесу в цілому по всьому вогнища і в окремих його
частинах.
Комплекс
дозволяє проводити синхронні вимірювання наступних параметрів:
- часовий хід
радіолокаційної отражаемості метеообразованій на довжині хвилі 3.2 см;
- швидкість
зміни і часовий хід верхньої межі зони відображення, висот областей
максимальної і підвищеної радіолокаційних отражаемостей;
- характер,
напрямок і швидкість переміщення хмари;
- час приходу
кожного імпульсу радіовипромінювання від досліджуваного хмари;
- тривалість
(тривалість) різних стадій грозової діяльності хмари;
- час
виникнення першого молніевого розряду в хмарі,
- частоту
появи розрядних явищ різних масштабів у хмарі,
- число
імпульсів і пакетів імпульсів радіовипромінювання на різних частотах;
--
амплітудно-частотні характеристики радіовипромінювання хмари;
- зміна
тривалості існування відображених радіолокаційних сигналів від
іонізованих каналів (блискавок) в хмарі,
- напруженості
електричного поля, обумовленого грозовими розрядами.
Вимірювання
параметрів грозовий активності виконувалися в спектрі частот від 10 кілогерців до
сотень мегагерц. Реєстрація та зберігання інформації проводилися за допомогою
ціфропечатающего пристрої з подальшою обробкою на ЕОМ.
Виконувані
нами дослідження показали, що на певній стадії розвитку конвективного хмари,
коли його верхня межа досягає рівня природній кристалізації крапель
води, у ньому спонтанно виникає передгрозове електромагнітне радіовипромінювання
(ЕМІ). На нашу думку, ЕМІ на цій стадії виникає в результаті розвитку
лавинних і лавинно-стримерного процесів між зонами електричних
неоднорідностей. Дослідження моменту переходу з передгрозовою стадії в стадію
грозовий активності в залежності від його термодинаміки показують, що найбільш
інформативним параметром є відношення переохолодженої частини хмари до його
теплою частини:
, (1)
де Нb
- Висота верхньої межі хмари, Але - висота нульовий
ізотерми, Нk - висота рівня конденсації.
Так, наприклад,
якщо це відношення менше 1.2, і максимальна отражаемость () хмари на
довжині хвилі 3.2 см не перевищує 4 10-8 см-1, то з
імовірністю 80% у конвективні хмарі відсутні електричні розряди,
здатні створити концентрацію вільних електронів та іонів з ефективною
відбиває поверхнею, достатньою для отримання відбитого сигналу на вході
приймача РЛС дециметрового діапазону, чутливість якого 2.8 10-14
Вт при максимумі отражаемості на довжині хвилі 3.2 см 4 10-8 см-1
і більше.
У 85% випадків
перехід конвективного хмари з передгрозовою стадії в стадію грозовий
активності відбувається якщо відношення товщини переохолодженої частини до товщини
теплою частини складає 1.2 ... 1.5. При К> 1.5 і 4 10-8
см-1 в хмарах, як правило відбуваються інтенсивні молніевие
розряди.
У початковій
стадії розвитку грозових явищ, коли розміри і щільність об'ємних зарядів у
неоднорідною електричної структурі хмари дуже малі, внутріоблачние розряди
між ними носять дрібномасштабні характер. Загальна тривалість пакета імпульсів
радіовипромінювання в цій стадії становить 10-15 мс з характерною частотою
проходження 3-4 імпульсу в хвилину. У міру розвитку конвективного хмари
відбувається поступове зростання щільності об'ємних зарядів і посилення грозовий
активності. Зокрема, збільшується інтенсивність і тривалість
радіовипромінювання, відбувається поступовий перехід конвективного хмари в грозове
стан. Дослідженнями 1984-1995 рр.. встановлено, що тривалість
передгрозове стану за часом може досягати 16 хв., з середнім
значенням 8 хвилин. У 75% випадків тривалість передгрозове стану
хмари знаходиться в інтервалі від 3 до 10 хвилин. Якщо за 14-16 хвилин хмара не
перейшло в грозове стан, то воно, як правило, розпадається.
У міру
подальшого розвитку конвективного хмари при досягненні верхньої межі
радіоеха температурного рівня -18 ... - 35о С і радіолокаційної
отражаемості на довжині хвилі 3.2 см значення 6 10-8 см-1
відбувається перехід хмари з передгрозове стану в стан грозовий
активності, тобто з'являються молніевие розряди, що фіксуються за допомогою
радіолокаційних станцій і в ряді випадків візуально.
На рис. 1
представлені результати синхронних досліджень радіолокаційних і
електричних параметрів конвективних хмар в процесі їх розвитку, побудовані
за вимірюваннями більше 200 країн, що розвиваються конвективних хмар.
Як правило,
тривалість грозовий активності конвективних хмар різна як у
протягом одного дня, так і в різні дні. Тому, щоб порівняти характер
зміни радіолокаційних і електричних параметрів в однакові періоди
розвитку хмари, по осі абсцис відкладено час зміни характеристик грозовий
діяльності хмари у відносних одиницях. Як показують дані,
наведені на рис.1, з розвитком хмари, зокрема зі зміною висоти
верхньої межі радіоеха Нb і отражаемості 3.2.
відбувається зростання його грозовий активності: числа імпульсів ЕМІ Nu і
числа грозових розрядів Np в одиницю часу. При цьому
радіолокаційні параметри ростуть швидше і досягають свого максимуму за 15-20
хв. до моменту часу, коли грозова активність досягає найбільшої
величини. Отже, грозо-розрядна діяльність є наслідком
розвитку хмари, зокрема, збільшення середнього розміру часток, водності і
ледності хмари.
Рис.
1 Зміна грозовий активності конвективних хмар із їх розвитком.
У період
дисипації хмари, внаслідок випадіння опадів і появи низхідних потоків
як правило утворюється кілька конвективних осередків. У цей період поряд з
розрядами в цих осередках з'являються розряди молніевие між ними. У результаті
цього і підтримується достатня грозова активність конвективного хмари.
Надалі, з
продовженням випадання опадів, осередки поступово розпадаються і відбувається
поступове зменшення їх грозовий активності.
При
сприятливих метеорологічних умовах спадні потоки в приземному шарі
створюють холодний мезофронт, який виштовхує вгору більш тепле повітря. Це
сприяє утворенню та росту нової конвективної осередку в міру руйнування
? старих | грозових осередків. Розвиток нового осередку і досягнення висоти верхньої
кордону зростаючої осередком рівня природній кристалізації крапель води
призводить до появи передгрозове радіовипромінювання. Тривалість
передгрозове радіовипромінювання у нової розвивається осередку значно коротший,
ніж у первісного конвективного хмари і триває приблизно 3-5 хв. Зі зростанням
? нової | комірки відбувається поступове збільшення інтенсивності і тривалості
радіовипромінювання і відбувається перехід? нової | конвективної клітинки в активну
грозове стан, з'являються молніевие розряди. З початком випадання опадів в
цій комірці зароджуються нові конвективні осередку, тобто відбувається повторне
розвиток грозового процесу як в первісній комірці. Таким чином,
грозова активність конвективних хмар носить циклічний характер. Кількість
циклів у даному хмарі, тривалість окремого циклу і тривалість
передгрозове стану залежать від метеоумов і орографії району розвитку
конвективного хмари. Аналізи експериментальних даних показують, що число
окремих циклів грозовий діяльності осередку становить 2 ... 5.
Тривалість грозовий активності окремих циклів різна, від декількох
хвилин до години, при середньому значенні 25 хв.
Нами також
проводилися дослідження зміни параметрів окремих молніевих розрядів з
розвитком конвективного хмари. Ці дослідження показують, що в процесі
зростання хмари відбувається зміна амплітуди сигналу, відбитого від
іонізованого каналу молніевого розряду і часу його існування, а також
часу, протягом якого іонізований канал після молніевого розряду
є ідеальною відображає поверхнею для електромагнітної хвилі РЛС
дециметрового діапазону довжин хвиль. Остання характеризує потужність молніевого
розряду і кількість зворотних ударів в ньому [5].
Рис. 2.
Зміни характеристик молніевого розряду з розвитком конвективних хмар. На рис.2 наведені результати дослідження
характеру зміни параметрів молніевих розрядів. Як показують дані,
наведені на цьому малюнку, у міру розвитку хмари, із зростанням верхньої межі
радіоеха, радіолокаційної отражаемості і грозовий активності відбувається зростання
середнього часу існування відбитого сигналу від іонізованого каналу
молніевого розряду.
В
початку грозового процесу тривалості існування відображених сигналів від
іонізованого каналу молніевого розряду складають 0.1 ... 0.3 сек. У
процесі розвитку хмари відбувається зростання його грозовий активності і в зрілої
стадії з'являються грозові розряди з більшою амплітудою і тривалістю
існування відбитого сигналу (0.4 ... 0.6 сек.), ніж на початку розвитку. У
це час від окремих розрядів з'являються відбиті сигнали з часом
існування до 0.8 сек.
З розвитком
хмари відбувається збільшення не тільки середнього часу існування
відбитого сигналу від іонізованого каналу молніевого розряду, а й
інтенсивності розрядів. Число грозових розрядів в одиницю часу, досягнувши
максимуму в середині розвитку грозового процесу, поступово зменшується. А
середній час існування відбитого сигналу від каналу молніевого розряду
поступово збільшується і досягає свого максимуму в стадії дисипації
хмари. Час існування відбитого сигналу від іонізованого каналу після
молніевого розряду є функцією потужності або числа розрядів, що проходять по
одного й того ж каналу. В тому і в іншому випадках збільшується кількість
електрики, нейтралізуемого при молніевом розряді, тобто збільшуються
масштаби розрядних проміжків в міру розвитку електричних явищ в
конвективної хмарі. Тому конвективні хмари в стадії дисипації більше
небезпечні для літальних апаратів, ніж у зрілої стадії, хоча вхід до них літальних
апаратів більш вірогідний через малу величину радіолокаційної отражаемості
цих грозових осередків.
Висока
чутливість приймального тракту і відносно вузька діаграма спрямованості
антени, яка використовується РЛС дециметрового діапазону в пасивному режимі, дозволяє
досліджувати характер зміни параметрів імпульсів ЕМІ в проміжку між
молніевимі розрядами.
радіовипромінювання
хмари між молніевимі розрядами по тривалості сигналів можна розділити на 2
групи:
а) випромінювання з
тривалістю імпульсів 20-150 мкс;
б) випромінювання з
тривалістю імпульсів понад 150 мкс.
Перший тип
випромінювання є характерним для внутріоблачних розрядів. Цей тип випромінювання
спостерігається з моменту виникнення грозового вогнища до його дисипації. Другий
тип випромінювання, на нашу думку, пов'язаний з розрядами між хмарами і розрядами
типу хмара-земля.
На рис. 3
наведені ймовірності появи розрядів з даною тривалістю радіовипромінювання
хмари в проміжках між молніевимі розрядами. Точками на графіку зазначено
середній час появи імпульсів радіовипромінювання заданої тривалості
щодо часу між молніевимі розрядами. Графік побудований на основі
аналізу більше 2000 межразрядних імпульсів радіовипромінювання.
Як показують
дані, наведені на рис. 3, тривалість імпульсів радіовипромінювання
збільшується з наближенням наступного молніевого розряду. Характерною у всіх
проміжках між молніевимі розрядами є пауза в кілька МЛС. перед
розрядом, коли з хмари практично не реєструються імпульси
радіовипромінювання.
Залежно
від стадії розвитку грозового процесу в конвективної хмарі число межразрядних
імпульсів випромінювання змінюється від 4 до 100 імпульсів і їхньої тривалості лежать в
інтервалі від 10 до 130 мкс. Максимум числа межразрядних імпульсів випромінювання
припадає на початковий період зрілої стадії грозового осередку.
Рис. 3 Імовірність (Р) появи межразрядних
імпульсів радіовипромінювання заданої тривалості в проміжках між молніевимі
розрядами
У ряді випадків
реєструються імпульси випромінювання з тривалістю до десятків МЛС. З'являються
вони рідко і лише в проміжках між потужними грозовими розрядами,
тривалість існування відбитого сигналу від іонізованого каналу
яких більше 0.4 с.
Виконані
нами дослідження показали, що ці типи радіовипромінювання істотно відрізняються
від розглянутих як за потужністю, так і за тривалістю і з'являються вони тільки
після потужних молніевих розрядів. Цілком ймовірно, при потужних молніевих
розрядах утворюються локальні невеликі довгоживучі плазмові освіти.
Процес розпаду цих утворень триває від частки до десятка МЛС. і
супроводжується радіовипромінювання. Дослідження параметрів цих типів радіовипромінювання
допоможуть глибше зрозуміти природу кульової блискавки.
Наведені
комплексні дослідження радіолокаційних і електричних параметрів
розвивається конвективного хмари показують, що з розвитком хмари
відбувається поступове збільшення масштабів грозових явищ у ньому, можливі
різномасштабні електричні розряди, обумовлені різномасштабних
електричних неоднорідностей в хмарі. Параметри ЕМІ можуть служити діагнозом
грозового стану конвективного хмари, а їх зміни можуть бути критерієм
оцінки фізичної ефективності результатів впливу на електричне
стан конвективного хмари і на процеси градообразованія.
Таким чином,
характерною особливістю розвитку грози в конвективних хмарах є
поступове збільшення лінійного розміру електричних розрядів. Про це
свідчить збільшення пакетів імпульсів радіовипромінювання молніевих розрядів,
частоти їх появи в хмарі та часу існування сигналів відбитих від
каналів блискавок. У результаті зміни мікроструктури хмари і турбулентних
пульсацій виникають електричні розряди різного лінійного розміру,
відповідальні за радіовипромінювання з відповідною тривалістю пакетів
імпульсів. Розрядні проміжки поступово збільшуються в міру наближення
наступного розряду.
Список літератури
Для підготовки
даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.laboratory.ru/
