(5 оценок, среднее: 4,80 из 5)
Загрузка...
Учебная работа. Реферат: Развитие гроз в конвективных облаках
Высокогорный геофизический институт
Нальчик, КБР, Наша родина
исследование грозо-разрядных явлений в облаках активно проводится в течение долгого времени, что обосновано научным и прикладным значением трудности. К истинному времени накоплен большенный размер данных о электронных явлениях в облаках, а именно, о действиях, обуславливающих начало, интенсивность и длительность гроз [1, 4, 6]. Но удовлетворительного соответствия меж экспериментальными и теоретическими плодами не достигнуто, в особенности для действий разделения электронных зарядов и разрядных явлений. Это, по-видимому, обосновано отсутствием надежных экспериментальных данных всеохватывающих исследовательских работ разрядных явлений в облаках.
В большей степени современным требованиям в исследовании грозового электро энергии туч удовлетворяют данные, получаемые способами активной и пассивной радиолокации грозовых очагов в СВ- и УКВ-диапазонах радиоволн в сочетании с обыкновенными наблюдениями за тучами при помощи метеорадиолокаторов (МРЛ). Ценность в разработке этих способов принадлежит российским исследователям [5, 6, 9]. Сделанный в Высокогорном геофизическом институте комплекс активно-пассивной радиолокации грозовых и грозоопасных очагов [2,3], содержит в себе метеорологический радиолокатор МРЛ-2П, штатные радиолокационные станции (РЛС) П-12, П-15, приемные устройства в диапазоне частот от 10-ка килогерц до сотен мгц, грозопеленгатор-дальномер АГПД-2, электростатический флюксиметр, электронная и магнитная антенны со своими усилительными устройствами, устройства селекции и измерения характеристик (УСИП) эхо сигналов.
Обозначенный комплекс дозволяет вести непрерывные наблюдения за грозой в радиусе до 200 км, тщательно прослеживать структуру грозовых очагов, их трансформацию, определять интенсивность грозового процесса в целом по всему очагу и в отдельных его частях.
Комплекс дозволяет создавать синхронные измерения последующих характеристик:
— временной ход радиолокационной отражаемости метеообразований на длине волны 3.2 см;
— скорость конфигурации и временной ход верхней границы зоны отражения, высот областей наибольшей и завышенной радиолокационных отражаемостей;
— нрав, направление и скорость перемещения облака;
— время прихода всякого импульса радиоизлучения от исследуемого облака;
— продолжительность (длительность) разных стадий грозовой деятель облака;
— время появления первого молниевого разряда в облаке;
— частоту возникновения разрядных явлений разных масштабов в облаке;
— число импульсов и пакетов импульсов радиоизлучения на разных частотах;
— амплитудно-частотные свойства радиоизлучения облака;
— изменение продолжительности существования отраженных радиолокационных сигналов от ионизированных каналов (молний) в облаке;
— напряженности электронного поля, обусловленного грозовыми разрядами.
Измерения характеристик грозовой активности производились в диапазоне частот от 10 килогерц до сотен мгц. Регистрация и хранение инфы проводились при помощи цифропечатающего устройства с предстоящей обработкой на ЭВМ (Электронная вычислительная машина — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач).
Выполняемые нами исследования проявили, что на определенной стадии развития конвективного облака, когда его верхняя граница добивается уровня естественной кристаллизации капель воды, в нем спонтанно возникает предгрозовое электромагнитное радиоизлучение (ЭМИ). По нашему воззрению, ЭМИ на данной нам стадии возникает в итоге развития лавинных и лавинно-стримерных действий меж зонами электронных неоднородностей. Исследования момента перехода из предгрозовой стадии в стадию грозовой активности зависимо от его термодинамики демонстрируют, что более информативным параметром является отношение переохлажденной части облака к его теплой части:
,(1)
где Нb
— высота верхней границы облака, Но
— высота нулевой изотермы, Нk
— высота уровня конденсации.
Так, к примеру, если это отношение меньше 1.2, и наибольшая отражаемость (
) облака на длине волны 3.2 см не превосходит 4 10-8
см-1
, то с вероятностью 80 % в конвективном облаке отсутствуют электронные разряды, способные сделать концентрацию вольных электронов и ионов с действенной отражающей поверхностью, достаточной для получения отраженного сигнала на входе приемника РЛС дециметрового спектра, чувствительность которого 2.8 10-14
Вт при максимуме отражаемости на длине волны 3.2 см 4 10-8
см-1
и наиболее.
В 85 % случаев переход конвективного облака из предгрозовой стадии в стадию грозовой активности происходит если отношение толщины переохлажденной части к толщине теплой части составляет 1.2 … 1.5. При К > 1.5 и 
4 10-8
см-1
в облаках, как правило происходят интенсивные молниевые разряды.
В исходной стадии развития грозовых явлений, когда размеры и плотность больших зарядов в неоднородной электронной структуре облака весьма малы, внутриоблачные разряды меж ними носят мелкомасштабный нрав. Продолжительность пакета импульсов радиоизлучения в данной нам стадии составляет 10-15 мс с соответствующей частотой следования 3-4 импульса за минуту. По мере развития конвективного облака происходит постепенный рост плотности больших зарядов и усиление грозовой активности. А именно, возрастает интенсивность и продолжительность радиоизлучения, происходит постепенный переход конвективного облака в грозовое состояние. Исследовательскими работами 1984-1995 гг. установлено, что длительность предгрозового состояния по времени может достигать 16 мин., со средним значением 8 минут. В 75 % случаев длительность предгрозового состояния облака находится в интервале от 3 до 10 минут. Если за 14-16 минут скопление не перебежало в грозовое состояние, то оно, обычно, распадается.
По мере предстоящего развития конвективного облака при достижении верхней границы радиоэха температурного уровня -18 … — 35о
С и радиолокационной отражаемости на длине волны 3.2 см значения 6 10-8
см-1
происходит переход облака из предгрозового состояния в состояние грозовой активности, т.е. возникают молниевые разряды, закрепляемые при помощи радиолокационных станций и в ряде всевозможных случаев зрительно.
На рис. 1 представлены результаты синхронных исследовательских работ радиолокационных и электронных характеристик конвективных туч в процессе их развития, построенные по измерениям наиболее 200 развивающихся конвективных туч.
Как правило, длительность грозовой активности конвективных туч различна как в течение 1-го денька, так и в различные деньки. Потому, чтоб сопоставить нрав конфигурации радиолокационных и электронных характеристик в схожие периоды развития облака, по оси абсцисс отложено время конфигурации черт грозовой деятельности облака в относительных единицах. Как демонстрируют данные, приведенные на рис.1, с развитием облака, а именно с конфигурацией высоты верхней границы радиоэха Нb
и отражаемости 3.2.
происходит рост его грозовой активности: числа импульсов ЭМИ Nu
и числа грозовых разрядов Np
в единицу времени. При всем этом радиолокационные характеристики вырастают резвее и добиваются собственного максимума за 15-20 мин. до момента времени, когда грозовая активность добивается большей величины. Как следует, грозо-разрядная деятельность является следствием развития облака, а именно, роста среднего размера частиц, водности и ледности облака.
Рис. 1 Изменение грозовой активности конвективных туч с их развитием.
В период диссипации облака, вследствие выпадения осадков и возникновения нисходящих потоков как правило появляется несколько конвективных ячеек. В этот период вместе с разрядами в этих ячейках возникают молниевые разряды меж ними. В итоге этого и поддерживается достаточная грозовая активность конвективного облака.
В предстоящем, с продолжением выпадения осадков, ячейки равномерно распадаются и происходит постепенное уменьшение их грозовой активности.
При подходящих метеорологических критериях нисходящие потоки в приземном слое делают прохладный мезофронт, который выталкивает ввысь наиболее теплый воздух. Это содействует образованию и росту новейшей конвективной ячейки по мере разрушения ?старенькых¦ грозовых ячеек. Развитие новейшей ячейки и достижение высоты верхней границы возрастающей ячейкой уровня естественной кристаллизации капель воды приводит к возникновению предгрозового радиоизлучения. Длительность предгрозового радиоизлучения у новейшей развивающейся ячейки существенно короче, чем у начального конвективного облака и продолжается приблизительно 3-5 мин. С ростом ?новейшей¦ ячейки происходит постепенное повышение интенсивности и продолжительности радиоизлучения и происходит переход ?новейшей¦ конвективной ячейки в активное грозовое состояние, возникают молниевые разряды. С началом выпадения осадков в данной нам ячейке зарождаются новейшие конвективные ячейки, т.е. происходит повторное развитие грозового процесса как в начальной ячейке. Таковым образом, грозовая активность конвективных туч носит повторяющийся нрав. количество циклов в данном облаке, длительность отдельного цикла и продолжительность предгрозового состояния зависят от метеоусловий и орографии района развития конвективного облака. Анализы экспериментальных данных демонстрируют, что число отдельных циклов грозовой деятель ячейки составляет 2…5. Длительность грозовой активности отдельных циклов разная, от нескольких минут до часа, при среднем значении 25 мин.
Нами также проводились исследования конфигурации характеристик отдельных молниевых разрядов с развитием конвективного облака. Эти исследования демонстрируют, что в процессе роста облака происходит изменение амплитуды сигнала, отраженного от ионизированного канала молниевого разряда и времени его существования, также времени, в течение которого ионизированный канал опосля молниевого разряда является безупречной отражающей поверхностью для электромагнитной волны РЛС дециметрового спектра длин волн. Крайнее охарактеризовывает мощность молниевого разряда и количество оборотных ударов в нем [5].
Рис. 2. конфигурации черт молниевого разряда с развитием конвективных туч. На рис.2 приведены результаты исследования нрава конфигурации характеристик молниевых разрядов. Как демонстрируют данные, приведенные на этом рисунке, по мере развития облака, с ростом верхней границы радиоэха, радиолокационной отражаемости и грозовой активности происходит рост среднего времени существования отраженного сигнала от ионизированного канала молниевого разряда.
Сначала грозового процесса продолжительности существования отраженных сигналов от ионизированного канала молниевого разряда составляют 0.1 … 0.3 сек. В процессе развития облака происходит рост его грозовой активности и в зрелой стадии возникают грозовые разряды с большей амплитудой и продолжительностью существования отраженного сигнала (0.4 … 0.6 сек.), чем сначала развития. В это время от отдельных разрядов возникают отраженные сигналы со временем существования до 0.8 сек.
С развитием облака происходит повышение не только лишь среднего времени существования отраженного сигнала от ионизированного канала молниевого разряда, да и интенсивности разрядов. Число грозовых разрядов в единицу времени, достигнув максимума посреди развития грозового процесса, равномерно миниатюризируется. А среднее время существования отраженного сигнала от канала молниевого разряда равномерно возрастает и добивается собственного максимума в стадии диссипации облака. время существования отраженного сигнала от ионизированного канала опосля молниевого разряда является функцией мощности либо числа разрядов, проходящих по одному и тому же каналу. В том и другом вариантах возрастает количество электро энергии, нейтрализуемого при молниевом разряде, т.е. растут масштабы разрядных промежутков по мере развития электронных явлений в конвективном облаке. Потому конвективные облака в стадии диссипации наиболее небезопасны для летательных аппаратов, чем в зрелой стадии, хотя вход в их летательных аппаратов наиболее возможен из-за малой величины радиолокационной отражаемости этих грозовых ячеек.
Высочайшая чувствительность приемного тракта и относительно узенькая диаграмма направленности антенны, применяемой РЛС дециметрового спектра в пассивном режиме, дозволяет изучить нрав конфигурации характеристик импульсов ЭМИ в промежутке меж молниевыми разрядами.
Радиоизлучение облака меж молниевыми разрядами по продолжительности сигналов можно поделить на 2 группы:
а) излучение с продолжительностью импульсов 20-150 мкс;
б) излучение с продолжительностью импульсов выше 150 мкс.
1-ый тип излучения является соответствующим для внутриоблачных разрядов. Этот тип излучения наблюдается с момента появления грозового очага до его диссипации. 2-ой тип излучения, по нашему воззрению, связан с разрядами меж тучами и разрядами типа облако-земля.
На рис. 3 приведены вероятности возникновения разрядов с данной продолжительностью радиоизлучения облака в промежутках меж молниевыми разрядами. Точками на графике отмечено среднее время возникновения импульсов радиоизлучения данной продолжительности относительно времени меж молниевыми разрядами. График построен на базе анализа наиболее 2000 межразрядных импульсов радиоизлучения.
Как демонстрируют данные, приведенные на рис. 3, продолжительность импульсов радиоизлучения возрастает с приближением последующего молниевого разряда. Соответствующей во всех промежутках меж молниевыми разрядами является пауза в несколько млс. перед разрядом, когда из облака фактически не регистрируются импульсы радиоизлучения.
Зависимо от стадии развития грозового процесса в конвективном облаке число межразрядных импульсов излучения изменяется от 4 до 100 импульсов и их продолжительности лежат в интервале от 10 до 130 мкс. Максимум числа межразрядных импульсов излучения приходится на исходный период зрелой стадии грозового очага. 
Рис. 3 Возможность (Р) возникновения межразрядных импульсов радиоизлучения данной продолжительности в промежутках меж молниевыми разрядами
В ряде всевозможных случаев регистрируются импульсы излучения с продолжительностью до 10-ов млс. Возникают они изредка и лишь в промежутках меж сильными грозовыми разрядами, продолжительность существования отраженного сигнала от ионизированного канала которых наиболее 0.4 с.
Выполненные нами исследования проявили, что эти типы радиоизлучения значительно различаются от рассмотренных как по мощности, так и по продолжительности и возникают они лишь опосля массивных молниевых разрядов. По всей вероятности, при массивных молниевых разрядах образуются локальные маленькие долгоживущие плазменные образования. процесс распада этих образований продолжается от толики до 10-ка млс. и сопровождается радиоизлучением. Исследования характеристик этих типов радиоизлучения посодействуют поглубже осознать природу шаровой молнии.
Приведенные всеохватывающие исследования радиолокационных и электронных характеристик развивающегося конвективного облака демонстрируют, что с развитием облака происходит постепенное повышение масштабов грозовых явлений в нем, вероятны разномасштабные электронные разряды, обусловленные разномасштабностью электронных неоднородностей в облаке. характеристики ЭМИ могут служить диагнозом грозового состояния конвективного облака, а их конфигурации могут быть аспектом оценки физической эффективности результатов действия на электронное состояние конвективного облака и на процессы градообразования.
Таковым образом, соответствующей индивидуальностью развития грозы в конвективных облаках является постепенное повышение линейного размера электронных разрядов. О этом свидетельствует повышение пакетов импульсов радиоизлучения молниевых разрядов, частоты их возникновения в облаке и времени существования сигналов отраженных от каналов молний. В итоге конфигурации микроструктуры облака и турбулентных пульсаций появляются электронные разряды различного линейного размера, ответственные за радиоизлучение с соответственной продолжительностью пакетов импульсов. Разрядные промежутки равномерно растут по мере приближения последующего разряда.
]]>