Розвиток гроз у конвективних хмарах

Развитие гроз в конвективных облаках

д.ф-м.н., проф. Аджиев А. Х., Калов Р. Х., Сижажев С. М., Бжекшиев С.Л.

Высокогорный геофізичний институт Нальчик, КБР, Россия Изучение грозо-разрядных явищ в хмарах інтенсивно проводиться протягом тривалого часу, що з науковим і прикладним значенням проблеми. До нинішнього часу нагромаджено великий обсяг даних про електричних явищах в хмарах, в частковості, про процеси, які обумовлюють початок, інтенсивність і тривалість гроз [1, 4, 6]. Проте задовільного відповідності між експериментальними і теоретичними результатами що немає, особливо процесів поділу електричних зарядів і розрядних явищ. Це, очевидно, зумовлено відсутністю надійних експериментальних даних комплексних досліджень розрядних явищ в хмарах.

В найбільшої ступеня сучасним вимогам у дослідженні грозового електрики хмар задовольняють дані, одержувані методами активної наукової та пасивної радіолокації грозових осередків в СВі УКХ-діапазонах радіохвиль разом із звичайними спостереженнями за хмарами з допомогою метеорадиолокаторов (МРЛ). Пріоритет в розробці цих методів належить вітчизняним дослідникам [5, 6, 9]. Створений Високогірному геофизическом інституті комплекс активно-пассивной радіолокації грозових і грозоопасных осередків [2,3], включає у собі метеорологічний радіолокатор МРЛ-2П, штатні радіолокаційні станції (РЛС) П-12, П-15, прийомні влаштування у спектрі частот від десятка кілогерц до сотень мегагерц, грозопеленгатор-дальномер АГПД-2, електростатичний флюксиметр, електрична і магнітна антени відносини із своїми усилительными пристроями, устрою селекції й вимірювання параметрів (УСИП) відлуння сигналів.

Указанный комплекс дозволяє вести безперервні контролю над грозою в радіусі до 200 км, докладно простежувати структуру грозових осередків, їх трансформацію, визначати інтенсивність грозового процесу взагалі з усього осередку в окремих його частях.

Комплекс дає можливості виробляти синхронні виміру наступних параметров:

— тимчасової хід радіолокаційної отражаемости метеообразований на довжині хвилі 3.2 см;

— швидкість зміни і тимчасової хід верхньої межі зони відображення, висот областей максимальної та підвищеної радіолокаційних отражаемостей;

— характер, напрям і швидкість переміщення облака;

— час приходу кожного імпульсу радіовипромінювання від досліджуваного облака;

— тривалість (тривалість) різних стадій грозової діяльності облака;

— час виникнення першого блискавичного розряду в облаке;

— частоту появи розрядних явищ різних масштабів в облаке;

— число імпульсів і пакетів імпульсів радіовипромінювання в різних частотах;

— амплитудно-частотные характеристики радіовипромінювання облака;

— зміна тривалості існування що проглядали радіолокаційних сигналів від іонізованих каналів (блискавок) в облаке;

— напруженості електричного поля, обумовленого грозовими разрядами.

Измерения параметрів грозової активності виконувалися в спектрі частот від 10 кілогерц до сотень мегагерц. Реєстрація і збереження інформації проводилися з допомогою цифропечатающего устрою із подальшою обробкою на ЭВМ.

Выполняемые нами засвідчили, що у певної стадії розвитку конвективного хмари, що його верхня межа сягає рівня природною кристалізації крапель води, у ньому спонтанно виникає передгрозове електромагнітне радіовипромінювання (ЭМИ). На думку, ЭМИ в цій стадії виникає й унаслідок розвитку лавинних і лавинно-стримерных процесів між зонами електричних неоднородностей. Дослідження моменту переходу із передгрозової стадії до стадії грозової активності у залежність від його термодинаміки показують, що інформативним параметром є ставлення переохолодженої частини хмари для її теплою части:

, (1).

где Нb — висота верхньої межі хмари, Але — висота нульової ізотерми, Нk — висота рівня конденсации.

Так, наприклад, якщо цей показник менше 1.2, та максимальна отражаемость () хмари на довжині хвилі 3.2 див вбирається у 4 10−8 см-1, те з ймовірністю 80% в конвективном хмарі відсутні електричні розряди, здатні створити концентрацію вільних електронів і іонів з ефективної що відбиває поверхнею, достатньої щоб одержати відображеного сигналу на вході приймача РЛС дециметрового діапазону, чутливість якого 2.8 10−14 Вт за максимуму отражаемости на довжині хвилі 3.2 див 4 10−8 см-1 і более.

В 85% випадків перехід конвективного хмари з передгрозової стадії до стадії грозової активності відбувається якщо ставлення товщини переохолодженої частини до товщині теплою частини становить 1.2 … 1.5. При До > 1.5 і 4 10−8 см-1 в хмарах, зазвичай відбуваються інтенсивні блискавичні разряды.

В початковій стадії розвитку грозових явищ, коли розміри і щільність об'ємних зарядів в неоднорідною електричної структурі хмари дуже малі, внутриоблачные розряди з-поміж них носять дрібномасштабний характер. Тривалість пакета імпульсів радіовипромінювання у цій стадії становить 10−15 мс з характерною частотою прямування 3−4 імпульсу на хвилину. З розвитком конвективного хмари відбувається поступове зростання щільності об'ємних зарядів й пожвавлення грозової активності. Зокрема, збільшується інтенсивність і тривалість радіовипромінювання, відбувається поступовий перехід конвективного хмари в грозове стан. Дослідженнями 1984;1995 рр. встановлено, що тривалість передгрозового стану за часом може становити 16 хв., із середнім значенням 8 хвилин. У 75% випадків тривалість передгрозового стану хмари перебуває у інтервалі від 3 до 10 хвилин. Якщо за 14−16 хвилин хмару не перейшов у грозове стан, воно, зазвичай, распадается.

По мері її подальшого розвитку конвективного хмари під час досягнення верхньої межі радиоэха температурного рівня -18 … — 35о З повагою та радіолокаційної отражаемости на довжині хвилі 3.2 див значення 6 10−8 см-1 відбувається перехід хмари з передгрозового стану до стану грозової активності, тобто. з’являються блискавичні розряди, фиксируемые з допомогою радіолокаційних станцій та часом визуально.

На рис. 1 представлені результати синхронних досліджень радіолокаційних і електричних параметрів конвективных хмар у процесі їх розвитку, побудовані з вимірювань більш 200 та розвитку конвективных облаков.

Как правило, тривалість грозової активності конвективных хмар різна як і протягом дня, і у різні дні. Тому, щоб порівняти характер зміни радіолокаційних і електричних параметрів в однакові періоди розвитку хмари, по осі абсцис відкладено час зміни характеристик грозової діяльності хмари в відносних одиницях. Як свідчать дані, наведені на мал.1, з недостатнім розвитком хмари, зокрема зі зміною висоти верхньої межі радиоэха Нb і отражаемости 3.2. відбувається зростання його виробництва грозової активності: числа імпульсів ЭМИ Nu і числа грозових розрядів Np в одиницю часу. У цьому радіолокаційні параметри мають зростати швидше і досягають свого максимуму за 15−20 хв. досі часу, коли грозова активність сягає найбільшої величини. Отже, грозо-разрядная діяльність є наслідком розвитку хмари, зокрема, збільшення середнього розміру частинок, водності і ледности хмари.

.

Рис. 1 Зміна грозової активності конвективных хмар зі своїми развитием.

В період диссипации хмари, внаслідок випадання осадів та появи спадних потоків зазвичай утворюється кілька конвективных осередків. У цей час поруч із розрядами у тих осередках з’являються блискавичні розряди з-поміж них. Через війну цього й підтримується достатня грозова активність конвективного облака.

В подальшому, з продовженням випадання опадів, осередки поступово розпадаються й відбувається поступове зменшення їх грозової активности.

При сприятливих метеорологічних умовах спадні потоки в приземному прошарку створюють холодний мезофронт, який виштовхує вгору тепліший повітря. Це сприяє утворенню відкладень і зростанню нової конвективного осередки принаймні руйнації ?старих¦ грозових осередків. Розвиток нової чарунки й досягнення висоти верхньої кордону зростання осередком рівня природною кристалізації крапель води призводить до появи передгрозового радіовипромінювання. Тривалість передгрозового радіовипромінювання нової що розвивається осередки значно коротші, ніж в початкового конвективного хмари й триває приблизно 3−5 хв. Зі збільшенням ?нової¦ осередки відбувається поступове збільшення інтенсивності і тривалості радіовипромінювання й відбувається перехід ?нової¦ конвективного осередки в активне грозове стан, з’являються блискавичні розряди. Із початком випадання опадів на цьому осередку зароджуються нові конвективные осередки, тобто. стається повторний розвиток грозового процесу як і початкової осередку. Отже, грозова активність конвективных хмар носить циклічний характер. Кількість циклів у даному хмарі, тривалість окремого циклу і тривалість передгрозового стану залежить від метеоумов і орографии району розвитку конвективного хмари. Аналізи експериментальних даних показують, що кількість окремих циклів грозової діяльності осередки становить 2…5. Тривалість грозової активності окремих циклів різна, і від кількох хвилин до години, за середнього значенні 25 мин.

Нами також проводили дослідження зміни параметрів окремих блискавичних розрядів з розвитком конвективного хмари. Ці дослідження свідчать, у процесі зростання хмари відбувається зміна амплітуди сигналу, відображеного від іонізованого каналу блискавичного розряду і час його існування, і навіть часу, протягом якого іонізований канал після блискавичного розряду є ідеальної що відбиває поверхнею для електромагнітної хвилі РЛС дециметрового діапазону довжин хвиль. Останнє характеризує потужність блискавичного розряду і кількість зворотних ударів у ньому [5].

.

Рис. 2. Зміни характеристик блискавичного розряду з недостатнім розвитком конвективных хмар. На мал.2 наведено результати дослідження характеру зміни параметрів блискавичних розрядів. Як свідчать дані, наведені у цьому малюнку, з розвитком хмари, зі зростанням верхньої межі радиоэха, радіолокаційної отражаемости і грозової активності відбувається зростання середнього часу існування відображеного сигналу від іонізованого каналу блискавичного разряда.

В початку грозового процесу тривалості існування що проглядали сигналів від іонізованого каналу блискавичного розряду становлять 0.1 … 0.3 сік. У процесі розвитку хмари відбувається зростання його виробництва грозової активності й у зрілої стадії з’являються грозові розряди з більшою амплітудою і тривалістю існування відображеного сигналу (0.4 … 0.6 сік.), ніж на початку розвитку. У це від окремих розрядів з’являються відбиті сигнали згодом існування до 0.8 сек.

С розвитком хмари відбувається збільшення як середнього часу існування відображеного сигналу від іонізованого каналу блискавичного розряду, а й інтенсивності розрядів. Кількість грозових розрядів в одиницю часу, досягнувши максимуму у середині розвитку грозового процесу, поступово зменшується. А середнє час існування відображеного сигналу від каналу блискавичного розряду поступово зростає й сягає свого максимуму на стадії диссипации хмари. Час існування відображеного сигналу від іонізованого каналу після блискавичного розряду є функцією потужності чи числа розрядів, що проходять у одному й тому каналу. Зокрема й іншому випадку зростає кількість електрики, нейтрализуемого при блискавичнім розряді, тобто. збільшуються масштаби розрядних проміжків з розвитком електричних явищ в конвективном хмарі. Тому конвективные хмари на стадії диссипации більш небезпечні для літальних апаратів, ніж у зрілої стадії, хоча вхід у яких літальних апаратів більше ймовірний через малої величини радіолокаційної отражаемости цих грозових ячеек.

Высокая чутливість приймального тракту і щодо вузька діаграма спрямованості антени, використовуваної РЛС дециметрового діапазону в пасивному режимі, дозволяє досліджувати характер зміни параметрів імпульсів ЭМИ у проміжку між блискавичними разрядами.

Радиоизлучение хмари між блискавичними розрядами за тривалістю сигналів можна розділити на 2 групи:

а) випромінювання з тривалістю імпульсів 20−150 мкс;

б) випромінювання з тривалістю імпульсів понад 150 мкс.

Первый тип випромінювання є характерною для внутриоблачных розрядів. Цей тип випромінювання починається з моменту виникнення грозового вогнища до його диссипации. Другий тип випромінювання, на погляд, пов’язані з розрядами між хмарами і розрядами типу облако-земля.

На рис. 3 наведено ймовірності появи розрядів з цією тривалістю радіовипромінювання хмари у проміжку між блискавичними розрядами. Точками на графіці зазначено середнє час появи франкової імпульсів радіовипромінювання заданої тривалості щодо часу між блискавичними розрядами. Графік побудований з урахуванням аналізу понад 2.000 межразрядных імпульсів радиоизлучения.

Как показують дані, наведені на рис. 3, тривалість імпульсів радіовипромінювання збільшується тільки з наближенням наступного блискавичного розряду. Характерною переважають у всіх проміжках між блискавичними розрядами є пауза на кілька млс. перед розрядом, коли із хмари мало реєструються імпульси радіовипромінювання.

В залежності від стадії розвитку грозового процесу у конвективном хмарі число межразрядных імпульсів випромінювання змінюється від 4 до 100 імпульсів та його тривалості лежать у інтервалі від 10 до 130 мкс. Максимум числа межразрядных імпульсів випромінювання посідає початковий період зрілої стадії грозового вогнища. .

Рис. 3 Можливість (Р) появи межразрядных імпульсів радіовипромінювання заданої тривалості у проміжку між блискавичними разрядами В деяких випадках реєструються імпульси випромінювання з тривалістю до десятків млс. З’являються вони рідко й лише у проміжках між потужними грозовими розрядами, тривалість існування відображеного сигналу від іонізованого каналу яких понад 0.4 з.

Выполненные нами засвідчили, що це типи радіовипромінювання істотно відрізняється від розглянутих як у потужності, і за тривалістю і вони лише після потужних блискавичних розрядів. Цілком імовірно, при потужних блискавичних розрядах утворюються локальні невеликі довгоживучі плазмові освіти. Процес розпаду цих утворень триває від частки з десяток млс. і супроводжується радиоизлучением. Дослідження параметрів цих типів радіовипромінювання допоможуть глибше зрозуміти природу кульової блискавки.

Приведенные комплексні дослідження радіолокаційних і електричних параметрів що розвивається конвективного хмари показують, що з недостатнім розвитком хмари відбувається поступове збільшення масштабів грозових явищ у ньому, можливі разномасштабные електричні розряди, зумовлені разномасштабностью електричних неоднородностей в хмарі. Параметри ЭМИ можуть бути діагнозом грозового стану конвективного хмари, які зміни може бути критерієм оцінки фізичної ефективності результатів на електричне стан конвективного хмари й до процесів градообразования.

Таким чином, характерною рисою розвитку грози в конвективных хмарах є поступове збільшення лінійного розміру електричних розрядів. Про це свідчить збільшення пакетів імпульсів радіовипромінювання блискавичних розрядів, частоти появи в хмарі і часу існування сигналів що проглядали від каналів блискавок. Через війну зміни мікроструктури хмари й турбулентных пульсацій виникають електричні розряди різного лінійного розміру, відповідальні радіовипромінювання із відповідною тривалістю пакетів імпульсів. Розрядні проміжки поступово збільшуються з наближенням наступного разряда.

Список литературы

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із російського сайту internet.