Study of the structure of the main charges of a thundercloud based on rocket sounding results

Развитие конвективных облаков приводит к целому ряду опасных для людей и объектов явлений: ливни, грозы, град, шквалы, смерчи. В связи с этим изучение электризации конвективных облаков имеет не только фундаментальное, но и прикладное значение. Исследование конвективных облаков с учётом электрических факторов имеет важное значение для решения проблем управления и регулирования электрического состояния облаков.

Исследования электрической структуры грозовых облаков и динамики ее формирования являются необходимыми для понимания физических процессов, обуславливающих возникновение основных электрических зарядов в них, позволяют локализовать зоны, подлежащие активному воздействию для регулирования грозоопасности и градоопасности облака, а также для задач по защите летательных аппаратов и других объектов от поражения молнией в сложных метеорологических условиях.

Существующие методы непосредственных измерений объемных зарядов не позволяют проводить такие измерения в грозовых облаках, для определения его макроэлектрической структуры, из-за непреодолимых трудностей, возникающих при этом. В связи с этим предлагается метод расчета электрической структуры грозового облака, описываемая с помощью уравнения Пуассона, при этом величины основных объемных зарядов и их пространственное распределение, определяются по изменению напряженности электрического поля с высотой в грозовом облаке. Анализ существующих методов расчета электрической структуры показал, что по результатам измерений напряженности электрического поля за пределами грозовых облаков не может быть установлена действительная электрическая структура этих облаков

Несмотря на отсутствие регулярных натурных измерений электрических характеристик в грозовых облаках с конца 90-х годов, в настоящее время достигнуты определенные успехи в понимании процессов электризации грозового облака и численного моделирования конвективных облаков с учетом происходящих в них электрических процессов. В нашей стране и за рубежом разработаны модели различной размерности и различной степени детальности учета микрофизических, динамических и электрических процессов в облаках. В частности, результаты исследования электрической структуры конвективного облака, по данным численной нестационарной трехмерной модели с параметризованным описанием микрофизических процессов и с учетом процессов электризации

Также другими авторами отмечаются, что по результатам численных экспериментов, проведенных разными авторами, основные электрические параметры облака, такие как значение напряженности электрического поля, вертикальный профиль, пространственная электрическая структура облака и ее эволюция на разных стадиях жизни, хорошо согласуются между собой и с данными натурных исследований. Также эти модели позволяют хорошо воспроизвести взаимосвязь между динамическими, микрофизическими и электрическими параметрами облака, оценить грозовую активность облака, осуществлять прогноз молниевой активности, на основе модельного расчета электрического поля облака

Вместе с тем авторами этих моделей отмечаются, что есть трудности, связанные с неполной ясностью физических основ некоторых процессов в облаках, с несовершенством выбранной параметризации микрофизики, с выбором класса носителей заряда в облаке, с проблемами в реализации модели на ЭВМ.

Вопрос о необходимости непосредственных измерений напряженности электрического поля (НЭП) внутри грозовых облаков, поставленный в работе

Целью настоящей статьи является восстановление макроэлектрической структуры реального грозового облака по измерениям вертикальной составляющей НЭП внутри грозового облака, полученным с помощью ракетного зондирования. Для достижения этой цели предложен метод определения количества, знака, размера основных объемных зарядов, высоты расположения центра зарядов, а также метод расчета величин основных объемных зарядов грозового облака, моделируя их равномерно заряженными сферами.

Сведения о величине напряженности электрического поля внутри облака и ее пространственно-временном распределении, привязанные к макро- и микрофизическим характеристикам облака, позволяют восстановить электрическую структуру основных объемных зарядов облака. В связи с этим наибольший интерес представляют прямые измерения электрических характеристик внутри облаков методом их вертикального зондирования. Для этих целей использовалась разработанная в Высокогорном геофизическом институте радиотелеметрическая система (РТС), включающая в себя ракетный зонд, приемный наземный комплекс и аппаратуру наблюдения и выбора цели. При разработке и создании ракетного зонда было уделено серьезное внимание обоснованию достоверности измерений

Ракетный зонд, входящий в состав радиотелеметрической системы (РТС), для исследования грозовых облаков, представляет собой модернизированную противоградовую ракету «Облако», в головной части которой установлена научно-исследовательская аппаратура, предназначенная для измерения, обработки и передачи по радиоканалу телеметрической информации о напряженности электрического поля внутри облака и других электрических параметров, с помощью модернизированного метеорологического радиозонда 1Б25-2 на наземную радиолокационную станцию (РЛС) «Шквал» 1Б18.

Приемный наземный комплекс, состоящий из РЛС «Шквал»1Б18, которая обеспечивает приемтелеметрической информации с ракетного зонда иавтосопровождение зонда в радиусе 150 км с одновременной регистрацией текущих координат, а также из устройства приема и преобразования информации (УППИ-9к), которое обеспечивает прием, дешифровку, регистрацию, запись и воспроизведение информации, поступающей по радиоканалу с ракетного зонда, параллельно по девяти каналам. Основные характеристики ракетной радиотелеметрической системы (РТС) приводятся в табл.1

Модернизированная метеорологическая радиолокационная станция «Гроза-26» использовалась для обнаружения облака, синхронных измерений его радиолокационных характеристик, динамики его развития и выбора зоны облака, подлежащей ракетному зондированию. Подробное описание ракетного зонда, РТС и его метрологических характеристик приведены в работах

При обнаружении начала развития кучево-дождевой облачности в радиусе 100 км проводились непрерывные радиолокационные наблюдения и измерения радиолокационных параметров облака с помощью модернизированной РЛС «Гроза-26». На основании анализа эволюции радиолокационных параметров облака: максимальной радиолокационной отражаемости; высоты верхней границы радиоэха; высоты зоны повышенного радиолокационного отражения, а также данных вертикальных и горизонтальных сечений радиоэха облака, выбирается объект для ракетного зондирования, с учетом его стадии развития. При подходе облака, с необходимыми параметрами, в зону досягаемости пусковых установок ракетного зонда, весь комплекс аппаратуры для ракетного зондирования приводится в полную готовность и выбирается траектория зондирования облака относительно его радиоэха и осуществляется запуск ракетного зонда. Перед запуском ракетного зонда наземный комплекс радиотелеметрической системы переводится в режим автосопровождения зонда и запускается вся регистрирующая аппаратура. В течение всего времени полета ракетного зонда осуществляется автоматическая регистрация информации, поступающей по радиоканалу с ракетного зонда. Были проведены комплексные эксперименты в грозовых облаках, в которых одновременно с ракетным зондированием вертикального профиля трех компонент напряженности электрического поля, синхронно регистрировались радиолокационные характеристики этих грозовых облаков.

Анализ результатов 27 ракетных зондирований грозовых облаков показал, что в таких облаках обычно формируются 2–3 основных центра зарядов и большое число мезомасштабных неоднородностей. Электрическое поле основных зарядов и его изменение обычно наблюдается при наземных исследованиях или ракетных зондирований электричества грозовых облаков. Однако в грозовом облаке, особенно в стадии его развития, существуют сильные турбулентные движения, которые должны, уменьшая создающееся макроразделение зарядов поддерживать существование хаотически расположенных по облаку зарядов, способные формировать значительные электрические поля, характерные для активных зон грозовых облаков. На основании измерений изменения электрического заряда самолета определены размеры мезонеоднородностей в грозовых облаках. При этом сопоставление кривых распределения размеров зон неоднородностей в мощных кучевых и грозовых облаках показывает, что по мере развития облаков зоны неоднородностей становятся существенно больше, возрастая 50–100 м до 200–400 м в стадии зрелости

Взаимное расположение и количество основных зарядов зависит, по-видимому, от стадии и индивидуальных особенностей развития облака. Полученные в ходе экспериментов профили вертикальной компоненты вектора напряженности электрического поля (Ez) в грозовых облаках отличаются значительным разнообразием в зависимости от метеорологических условий района возникновения облака, взаимного расположения системы основных зарядов в облаке и траектории его зондирования

Измеренная напряженность электрического поля в каждой точке вдоль траектории ракетного зонда рассматривалась как случайная величина, состоящая из детерминированной (создаваемой основными зарядами) и случайной (создаваемой местными флюктуациями плотности объемного заряда) составляющих, а профиль вертикальной компоненты электрического поля как реализация случайного процесса. Для выделения детерминированной составляющей профиля, по которой производился расчет структуры основных электрических зарядов, осуществлялось сглаживание измеренного профиля вертикальной компоненты поля, измеренной внутри облака с помощью ракетного зонда. Максимальный интервал сглаживания выбирался из условий необходимости сглаживания флюктуаций поля мезомасштабных зарядов и сохранения профиля поля от основных зарядов грозового облака, который может меняться в зависимости от результатов, полученных при ракетном зондировании конкретного грозового облака

 По профилю детерминированной составляющей вертикальной компоненты электрического поля можно определить количество, знаки, радиусы сфер и высоты расположения в облаке основных электрических зарядов. Моделируя основные электрические заряды облака равномерно заряженными сферами, можно произвести электростатический расчет величин основных зарядов в грозовых облаках

Профиль вертикальной компоненты напряженности электрического поля Еz по высоте вблизи вертикали, соединяющей эти заряды, обычно имеет вид ломаной кривой, что указывает на наличие в облаке нескольких основных зарядов различных знаков: число основных зарядов в облаке на единицу меньше числа экстремальных точек на профиле вертикального хода значений Ez; центры зарядов расположены в горизонтальных плоскостях, равноудаленных от экстремальных точек профиля Ez; диаметры сфер, занимаемых зарядами, равны расстоянию между горизонтальными плоскостями, проходящими через экстремумы профиля значений Ez; знаки зарядов указываются характером изменения Ez(z), если при движении вверх по оси z напряженность поля Ez(z) переходит от положительных к отрицательным значениям, то пересекаемый заряд положительный, при обратном характере перехода — отрицательный

Уравнение Пуассона, позволяет рассчитать величины основных объемных зарядов, если пренебречь влиянием горизонтальных компонент напряженности электрического поля:

где ρ — плотность объемного заряда, E — напряженность электрического поля, z — высота, ε0 — электрическая постоянная. Решение уравнения Пуассона, для расчета величины напряженности электрического поля, в случае равномерно заряженной сферы радиусом R, вдоль вертикальной оси z, во внутренней области сферы будет иметь вид:

Величину напряженности электрического поля за пределами заряженной сферы можно рассматривать, как поле точечного заряда, равного по величине заряду сферы и размещенного центре сферы, тогда формула для расчета напряженности электрического поля будет иметь вид:

где Qi — величина i-го основного заряда;

Ri — радиус i-ой сферы;

zi —удаленность по оси z от центра i-ой сферы;

ε0=8,85∙10-12 Ф/м — электрическая постоянная.

Исходя из (2) и (3), для структуры стремя центрами зарядов – Q1, Q2, Q3 cоставляется система из трех уравнений, относительно этих зарядов, для произвольных точек А, В, С, на траектории измерения с учетом знаков зарядов и принципа суперпозиции, производится электростатический расчет и определяются значения величин основных зарядов грозового облака

В качестве примера на рис. 1, приводится реальный профиль вертикальной компоненты напряженности электрического поля Ez, на основе которого восстановлена электрическая структура и рассчитаны значения величин основных зарядов для грозового облака, находящегося в стадии зрелости, за 18 июня 1987 года, где напряженность электрического поля Ez достигала более 200 кВ/м и эта структура представляет собой грозовое облако с тремя основными объемными зарядами:

– нижний положительный заряд Q1 = +7 Кл, занимает объем радиусом R1= 0,5·103 м и с центром заряда на высоте h1= 2,7∙103 м;

– средний отрицательный заряд Q2 = -18 Кл, занимает объем радиусом R2 =1,5∙103 м, и с центром заряда на высоте h2=4,8∙103 м;

– верхний положительный заряд Q3 = + 1Кл, занимает объем радиусом R3= 0,3∙103 м и с центром заряда на высоте h3=6,7∙103 м.

Рисунок 1 - Структура основных зарядов и профиль вертикальной компоненты напряженности электрического поля реального грозового облака

Примечание: 18.06.1987 г

DOI:10.60797/IRJ.2025.158.102.2

Результаты расчета и определения структуры основных электрических зарядов 27 грозовых облаков, подвергнутых ракетному зондированию показывают, что униполярные объемные заряды значительны по величине и принимают значения 1–48 Кл со средним значением — 24,5 Кл. Радиусы сфер объемных зарядов принимают значения 0,3–1,8 км со средним значением 1,05 км. Средние значения вертикальной составляющей максимальной напряженности электрического поля, находились в среднем на высотах 3,1 км и 6,7 км и составили 135 кВ/м и 220 кВ/м соответственно.

В случаях с тремя центрами зарядов: центры верхнего положительного заряда расположены на высотах 6,5–7,8 км со средним значением — 7,15 км; центры среднего отрицательного заряда расположены на высотах 3.5–5.8 км со средним значением — 4,55 км; центр нижнего положительного заряда расположен на высотах 1,2–3,2 км со средним значением — 2,2 км.

В случаях дипольной структурой зарядов наблюдается реверс знака заряда, где в 9 случаях сверху расположен отрицательный заряд, а в 5 случаях — положительный заряд: центр верхнего заряда расположен на высотах 3,8–6,8 км со средним значением — 5,2 км; центр нижнего заряда расположен на высотах 1,9–4,8 км со средним значением — 3,35 км.

В случаях с тремя центрами зарядов составляет около 48% (13 шт.) от всех облаков, подвергнутых ракетному зондированию, из них 9 облаков находились в стадии зрелости и 4 облака находились в стадии диссипации по радиолокационным характеристикам этих облаков. Соответствущие этому случаю средние значения величин зарядов составляют: верхний +20,8 Кл, средний -29,4 Кл, нижний +10,1 Кл.

Случаи с дипольной структурой зарядов составляет около 52% (14 шт.) от всех облаков, подвергнутых ракетному зондированию, из них 9 облаков находились в стадии зрелости и 5 облаков находились в стадии диссипации, по радиолокационным характеристикам этих облаков. Для положительной дипольной структуры облаков средние значения величин зарядов составляют: +14 Кл и -30 Кл и высоты расположения центров основных зарядов составляют в среднем 6,3 км и 4,2 км, а для отрицательной дипольной структуры зарядов средние значения величин зарядов составляют: -29 Кл и +14 Кл и высоты расположения центров основных зарядов составляют в среднем 5,9 км и 3,5 км. Среднее значение величин отрицательного объемного заряда почти в 2 раза больше положительного объемного заряда в случаях как положительного, так и отрицательного диполя.

Очевидно, что объемы, занятые основными зарядами не имеют правильную геометрическую форму и объемный заряд распределен в них не строго равномерно, центры зарядов располагались не строго, по вертикали и траектория зондирования проходила, как можно ближе, через центры этих зарядов. Однако такие допущения не могут, по нашему мнению, внести существенные искажения в оценке количества, знака, размера основных объемных зарядов, высоты расположения центра зарядов и расчета величины зарядов в решении задачи по восстановлению макроэлектрической структуры реального грозового облака.

Предложенный метод позволяет по данным вертикального профиля напряженности электрического поля в грозовых облаках, восстановить пространственную структуру основных зарядов, рассчитать на основе простой модели величины основных объемных зарядов реального грозового облака. Ракетные зондирования грозовых облаков позволили уточнить значения величин напряженности электрического поля, характерные для активной зоны грозовых облаков и составляют (100–200) кВ/м и более, а экстремальные значения могут достигать 1000 кВ/м, вертикальная протяженность таких зон составляют 500 м и более. Данные по электрической структуре и величине напряженности электрического поля на практике можно применять для решения задач по защите жизненно важных объектов инфраструктуры, летательных аппаратов от поражения молнией, путем создания безопасных коридоров для полета в сложных метеорологических условиях, а также для локализации зоны на грозоградового облака, подлежащее активным воздействиям, с целью регулирования их осадкообразущей и электрической активности.