Spatial and temporal dynamics of cloud lightning discharges

Гроза – опасное природное явление, оказывающее негативные воздействия на объекты жизнедеятельности и людей. Основными опасными факторами грозы являются разряды молнии и сильный ветер. Проблема электромагнитной совместимости с молнией актуальна в настоящее время, когда имеет место широкое использование цифровых технологий в промышленности и в объектах жизнедеятельности. Наблюдаемый переход к цифровым управляющим системам, основанным на smart-технике, требует принципиального повышения надежности функционирования при грозах не только силового электрооборудования, но и управляющего оборудования.

Молния – мощный электрический разряд в атмосфере. Разряды между заряженной областью в облаке и землей принято именовать наземными молниями. Они подразделяются на положительные, если нейтрализуется положительный электрический заряд в облаке и на отрицательные, если в облаке нейтрализуется отрицательный электрический заряд. Если происходит исковой разряд между электрически разноименно заряженными зонами в облаке или соседними облаками их именуют облачными молниями.

Наземные молниевые разряды изучены достаточно полно

В отличие от наземных молний, облачные молнии исследованы не в полной мере. Не получены данные нейтрализуемых, при разрядах, токов молнии, продолжительности разрядов и другие параметры. Хотя облачные молнии, как и наземные, являются факторами негативного воздействия на радиотехнические средства, в частности на летательные аппараты. При этом доля облачных молний в общем количестве всех разрядов составляет около 88%

Данная работа посвящена исследованию статистических и пространственно-временных распределений облачных молний.

Облачные разряды и разряды облако-земля излучают радиоволны в широком диапазоне частот. Стримеры – элементы наземных молний, прокладывающие электропроводящие каналы в атмосфере, создают сильные излучения в VHF (Very High Frequency) диапазоне. Во время прохождения больших токов по ранее созданным каналам (возвратные удары), наиболее сильные излучения происходят в LF (Low Frequency) и VLF (Very Low Frequency) диапазонах. В LF и VLF диапазонах излучения разрядов молнии облако-земля наиболее сильное

К настоящему времени в России и за рубежом широко используют грозопеленгационные сети (ГПС) для мониторинга молниевых разрядов и измерения параметров молний

Их использование позволили получить широкий спектр характеристик наземных разрядов молний. В частности для территории Северного Кавказа получены следующие данные

- Динамика сезонной грозовой активности характеризуется максимумом в летний период до 22 дней в июне и минимумом 2–3 дня в декабре.

- Соотношение между количеством облачных, наземных, наземных положительных и отрицательных молний характеризуются следующими значениями:

- Доли наземных и облачных в общем количестве всех разрядов составляют 12 и 88% соответственно.

- Доли положительных и отрицательных в общем количестве наземных разрядов составляют 23 и 77% соответственно.

- Среднее значение силы тока положительных молний равняется +10.6 кА. Медианное значение равно +7.6 кА.

- Среднее значение силы тока отрицательных молний составляет –13.5 кA. Медианное значение равно –9.8 кА.

В отличие от наземных молний, характеристики облачных разрядов молний не столь изучены. Это обусловлено отсутствием технических возможностей определения ряда параметров облачных разрядов: полярности, силы тока и др. Фирмой Earth Networks (США) разработана глобальная система сбора данных о местоположении молнии – Earth Networks Total Lightning Network (TLN) позволяет определять высоту формирования облачного разряда

В других широко используемых ГПС

Рисунок 1 - Датчик грозорегистратора Total Lightning Network фирмы Earth Networks, установленный в пункте Черкесск

DOI:10.60797/IRJ.2024.149.66.1

Координаты мест установок грозопеленгаторов ГРС Total Lightning Network на Северном Кавказе приведены в таблице 1.

На рисунке 2 показаны места установок этих датчиков на карте местности. Территория расположения датчиков ГРС составляет около 500 000 км2 и охватывает равнинную, предгорную и горные части Северного Кавказа. Согласно архивным данным ФГБУ «Высокогорный геофизический институт», на указанной территории часты опасные быстразвивающиеся явления погоды: шквалы, ливни, грозы, град и др. Здесь наблюдаются аномальные грозы. В частности, на рассматриваемой территории в 2023 году 27 июня имело место грозовой процесс, продолжительностью более 1,5 суток.

В течение года на территории исследования наблюдается более 30 дней с градовыми процессами. Суточный максимум осадков, согласно нормативному документу: СП Строительная климатология превышает более 100 мм.

Исходя из этих факторов, можно сделать вывод, что имело место хорошая возможность для исследования грозовых процессов.

Инновационный метод компании Earth Networks основан на получении данных с большего количества широкополосных датчиков, которые по ряду параметров не уступают более дорогим и сложным системам и позволяют осуществлять пространственно временную динамику облачных разрядов молний. Число сенсоров Earth Networks, участвующих в определении параметров молниевых разрядов, составляло 8 штук, в то время как минимально необходимое количество датчиков для фиксации молниевых разрядов в системе — 5 штук.

Рисунок 2 - Места установок датчиков ENTLS

DOI:10.60797/IRJ.2024.149.66.3

В таблице 2 и на рисунке 3 представлены распределения количества облачных молний на различных высотах по месяцам в 2023 году. Всего, как видно из таблицы, система грозопеленгации зарегистрировала 2 265 613 облачных молний. Всего зарегистрированы 2 832 016 молний, из них 566 403 классифицированы как наземные молнии. Анализ полученных данных позволяет сделать следующие выводы:

1. По высоте облака наибольшую плотность облачных молний имеет место на высоте 3 км – в зимний период от 70 молний/км до 1993 молний/км, в весенне-осенний период от 179 молний/км до 123720 молний/км и в летний период от 104 703 молний/км до 217 106 молний/км.

2. Наибольшее количество облачных молний в течение года наблюдалось в июне месяце – 720 879 молний. Сезонный ход распределения количества облачных разрядов молний представлен на рисунке 4. Как видно из рисунка 4, на Северном Кавказе даже в зимний период наблюдаются грозы слабой интенсивности.

3. Больше половины облачных молний происходит в облаке на уровнях от 3 км до 5 км, где по современным представлениям сосредоточен основной отрицательный электрический заряд

Рисунок 3 - Распределение количество облачных разрядов молний в зависимости от высоты (км) и сезона года

DOI:10.60797/IRJ.2024.149.66.5

Рисунок 4 - Сезонные распределения количества облачных разрядов молний в зависимости от высоты (км)

DOI:10.60797/IRJ.2024.149.66.6

Выполнен анализ пространственно-временной динамики облачных молниевых разрядов на Северном Кавказе за 2023 год по данным выше указанной грозопеленгационной сети компании Earth Networks. В течение 2023 года на территории исследования наблюдались 117 дней с грозовыми процессами. Более 80% гроз были связаны с фронтальными вторжениями воздушных масс, остальные были вызваны развитием внутримассовых процессов. При прогнозе гроз отмечалось, что в осенние и весенние периоды высота нулевой изотермы находилась на уровне от 1 км до 1,5 км. В летний период высота нулевой изотермы находилась на уровне от 3 км до 3,5 км. По данным радиолокационных станций МРЛ5 (ФГБУ «ВГИ») и ДМРЛ-С (Минеральные воды) вертикальные границы конвективных, грозовых облаков в весенние и осенние периоды находились на уровне от 1 км до 8 км. Вертикальные границы конвективных, грозовых облаков в летний период находились на уровне от 2 км до 12 км.

Анализ экспериментального материала показал, что электрические внутриоблачные молниевые разряды в конвективных облаках Северного Кавказа начинаются после достижения радиолокационной отражаемости около 40 dBZ. По мере дальнейшего развития облака и усиления процесса осадко-градобразования частота внутри облачных разрядов VHF. Это объясняется тем, что процессы роста дождевых капель, их разбрызгивание, образования и деления кристаллов, зарождение и рост града, приводят к электризации облачных частиц, пространственному разносу вертикальными потоками и мелких и крупных частиц, имеющих разноименные заряды, и росту зарядов напряженности электрического поля до пробойных значений.

Доли наземных и облачных в общем количестве всех разрядов составляют 12% и 88% соответственно. Основное количество облачных разрядов молний происходит в облаке на высотах от 3 км до 5 км в температурном интервале от 0оС до минус 10 оС, где формируется основной отрицательный электрический заряд за счет микрофизических и динамических процессов. Можно полагать, что подъем легких кристаллов и мелких частиц в верхнюю часть облака, где они попадают в сильный горизонтальный поток и выносятся на подветренный фланг, где отмечается высокие микрофизические и динамические неоднородности и повышенная турбулентность способствуют образованию положительно заряженных зон. Чем интенсивнее микрофизические и динамические процессы, тем больше частота молниевых разрядов между разноименно заряженными областями облака.

Сезонный ход распределения количества облачных разрядов молний на Северном Кавказе свидетельствует, что наибольшее месячное их количество имеет место в июне месяце. Даже в зимний период наблюдаются грозы слабой интенсивности.