Радиолокационное исследование физических характеристик молнии

Основные результаты диссертации, выносимые на защиту.

1.Впервые измерены радиолокационным способом энерговыделения и токи молний, показано их соответствие теории.

2.Разработана программа регистрации радиоотражения от молниевого канала, позволяющая регистрировать молнии на фоне гор.

3.Разработана двумерная модель разряда молнии. На ее основе получены зависимости тока в канале и излучения от переносимого заряда.

4.Выведены аппроксимационные формулы для проводимости и диэлектрической проницаемости слабоионизированной плазмы.

Г) —й воздуха в области температур 1500- 5000^К и плотностей 10 -101'5 от плотности воздуха при нормальных условиях, позволяющие сократить время численного расчета радиофизических эффектов и использовать их для физических оценок.

5.Получена формула для определения высоты расположения внутриоблачных разрядов по измерениям электрического и магнитного поля излучения в одной точке на поверхности земли .

В связи с широким распространением высокопроизводительных компьютеров, предложенная схема экспериментов может быть улучшена за счет регистрации всего отраженного сигнала и одновременной оцифровки и записи сигнала ЭМИ в более широкой 2 полосе частот за длительный промежуток времени (порядка 1 сек). При этом можно получить более полную картину связи радиолокационного отражения от каналов молнии с электромагнитным излучением на разных стадиях молниевой вспышки (лидер, возвратный удар и т. д.). Если регистрировать одновременно магнитное и электрическое поле излучения в нескольких точках на поверхности земли, то можно рассчитывать получить информацию о пространственном расположении молний с простой линейной структурой канала, на основе этой информации можно более точно определять токи из электромагнитного излучения. Дополнительную информацию можно получить, если проводить измерения одних и тех же молний одновременно двумя локаторами.

Результаты диссертационной работы могут быть использованы как в фундаментальных исследованиях (в геофизике, радиофизике), так и в прикладных, в частности, для управления воздушным движением и в метеорологии.

Результаты диссертации использовались в прикладных работах РТМ и были доложены на конференциях /19, 20, 23, 24, 45/ и опубликованы в статьях /21, 22, 46, 47/.

Автор благодарит научного руководителя доктора физ.-мат. наук, профессора Дубового Э.И.- доктора тех. наук, профессора Слоку В. К., Галкину Л. П. за поддержу работы, Левшина В. П. за консультации по программированию, соавторов Огонькова А. Л.,.

1Н.

Комарова В.Г. за изготовление аппаратуры, доктора физ.-мат. наук Аджиева А. Х., кандидата физ.-мат. наук Сижажева С. М., кандидата физ.-мат. наук Богаченко Е. М. за работу на радиолокаторах, Деркача В. М. за помощь в проведении электрических измерений.

Hi.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Shono H.I. Reflection of microwaves accompanying lightning // Rep. Inst. Sci. Technol. Tokyo Univ., 1347, N1, pp. 184−190.• 2. Ligda M.G.H. Lightning detection by radar // Bull. Am. Meteorolog. Soc., 1950, N31, pp. 279−283.

2. Browne I.e. A radar echo from lightning // Nature, 1951, v.167, p.438.

3. Miles V.G. Radio echoes and lightning // Nature, 1952, v.170, pp.365−366.

4. Marshall J.S. frontal precipitation and lightning observed by radar // Can. J. Phys., 1953, N31, pp.194−203.

5. Ligda M.G.H. The radar observation of lightning // J. Atmos. Terr. Phys., 1956, N9, pp.329−346.

6. Hewitt F.J. Radar echoes from interstroke processes in lightning // Proc. Phys. Soc. London, Ser. B, 1957, v.70, pp.961−979.

7. Atlas D. Radar lightning echoes and atmospherics in vertical cross section // Recent advances in atmospheric electricity (L.G. Smith, ed.), 1958, Pergamon, Oxford, pp.441−459.

8. Williams E.R., Masur V., Geotis S.G. Lightning investigation with radar // Radar in meteorology: Battan Memorial and 40th anniversary radar meteorology conference, 1990, American Meteorological Society, Boston, pp.143−150.

9. Ю. Дивинский Л. И. Об эффективной отражающей поверхности канала молнии // Атмосферное электричество: Тр. 1 Все союз. симп. по атмосферному электричеству, Л.: Гидрометеоиздат, 1976, стр.177−185.1.Dawson G.A. Radar as a diagnostic tool for lightning, J.ne.

10. Geophys. Res., у.77, pp. 4518 4528, 1972.

11. Szymanski E.W., Rust W.D. Preliminary observations of lightning radar echoes and simultaneous electric field changes // Geophys. Res. Letts., 1979, v.6, pp.527−530.

12. Holmes C.R., Szymanskl E.W., Szymanskl S.J., Moore C.B. Radar and acoustic study of lightning // J. Geophys. Res., 1980, v.85, pp.7517−7532.

13. Гальперин С.M., Степаненко В. Д., Егоров В. Н., Гончар А. Ф. Радиолокационное обнаружение грозовых разрядов // Атмосферное электричество: Тр. 1 Всесоюз. симп. по атмосферному электричеству, Л.: Гидрометеоиздат, 1976, стр.170−177.

14. Дивинский Л. И., Мазур В. Д., Иванов Б. Д., Попова Л. К. Исследование временных характеристик сигнала, отраженного от канала молнии // Сборник трудов ЛГМИ, 1975, вып.54, стр.41−54.

15. Дубовой Э. И., Пряжинский В. И., Бондаренко В. Е. Численное моделирование газодинамических параметров канала молнии и радиолокационного отражения // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1991. Т. 27. N2. С.194−203.

16. Дубовой Э. И., Пряжинский В. И., Читанава Г. И. Расчет энерговыделения в канале молнии // Метеорология и гидрология. 1991. N2. С.40−45.

17. Dubovoy E.I., likhailoy M.S., Ogonkov A.L., Pryazhinsky V.I. Measurement and numerical modeling of radio-sounding reflection from lightning channel // J. Geophys. Res., 1995, y. lOG, N Dl, pp. 1497−1502.

18. Dubovoy E.I., Mikhailov M.S. Remote determination of lightning energy releases and currents by means of radar in the vicinity of Elbrous // «Lightning and Mountains'97» Chamonixт.

19. Mont-Blanc, Prance, 1−5 June 1997. Proceedings, pp. 107−109.

20. Дубовой Э. И. Синхронное измерение импульсов электрического поля и радиолокационного отражения от молнии и экспериментальная проверка результатов численного моделирования // Известия АН. Физика атмосферы и океана, 1997, т.33, N 1, с.122−131.

21. Юман М. А. Молния, М:" Мир 328 стр., 1972.

22. Uman М.А. The lightning discharge. Academic, San Diego, Calif., 1987.

23. Uman M.A., McLaln D.K., Plsher R.J., Krider E.P. Currents In Plorida lightning return strokes // J. Geophys. Res., 1973, v.78, pp.3530−3537.

24. Plooster M.N. Numerical model of the return stroke of the lightning discharge // Phys. Fluids, vol.14, N10, pp.2124−2133, 1971.

25. Кузнецов H.H. Термодинамические функции и ударные адиабаты воздуха при высоких температурах. М. .-Машиностроение, 1965. 463 с.

26. Plooster M.N. Numerical simulation of spark discharges in air // Phys. Fluids, vol.14, N10, pp.2111−2123, 1971.

27. Hill R.D. Channel heating in return-stroke lightning, J. Geophys. Res., vol. 76, N3, pp.637−645, 1971.

28. Handbuch der Physic, 455pp., Springer Verlag, Berlin, vol.22, 1956.1.O.

29. Райзер Ю. П. Физика газового разряда. М.: Наука, 198?.

30. Степаненко В. Д., Гальперин С. М. Радиотехнические методы исследования гроз. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 204 с.

31. Van Vleck J.H., Bloch Г., Hamermesh М. Theory of Radar Reflection from wires or thin metallic strips. J. Appl.Phys., v.18, N3, pp.274−294, 1947.

32. Бреховских Л. М. Волны в слоистых средах. М.: Изд-во АН СССР, 1957. 502 с.

33. Гинзбург В. Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: ГФМЛ, 1960. 552 с.

34. Дубовой Э. М., Пряжинский В. И. Патент N1816121 на изобретение «Способ определения характеристик молний». Приоритет изобретения 5 декабря 1989 г.

35. Uman М.А., Brantley R.D., Lin I.Т., Tiller J.A., E.P. Krider E.P., McLain D.K. Correlated Electric and Magnetic Fields Prom Lightning Return Strokes // J. Geophys. Res., 1975, v.80, N 3, pp.373−376.

36. Diendorfer G., Uman M.A. An improved return stroke model with specified channel-base current // J. Geophys. Res., 1990, V.95, N D9, pp. 13,621−13,644.

37. Дубовой Э. И., Михайлов М. С. К расчету проводимости и диэлектрической проницаемости слабоионизированной плазмы воздуха // «Электричество», 1995, N 12, с.56−59.

38. Михайлов М. С., Дубовой Э. И. Возможность оценки положения молнии в пространстве по измерению ее электромагнитного излучения в одной точке // «Электричество», 1997, N 12, с.8−15.

39. Uman М.А., McLaln D.K., Krider E.P. The electromagnetic radiation from a finite antenna // Am. J. Phys., 1975, vol. 45, pp. 33−38.

40. Uman M.A., Brantley R.D., Lin I.Т., Tiller J.A., E.P. Krider E.P., Mcbain D.K. Correlated Electric and Magnetic Fields From Lightning Return Strokes // J. Geophys. Res., 1975, v.80, N 3, pp.373−376.

41. Mantas G.P. Electron collision frequencies and energy transfer rates // J. Atmosph. Terr. Phys., 1974, Y.36, pp.1587−1600.

42. Дубовой Э. И., Подлипчук В. Ю. Ионизационный состав воздуха при температурах 1500−3000 К.: Препринт N 807. М.: РИАЛ, 1980, 72 стр.

43. Neynaber R.H., Marino L.L., Rothe E.W., Trujillo S.M. Low-energy electron scattering from atomic nitrogen // Phys.Rev., 1. HI1963, V.129, N.5, pp.2069;2071.

44. Neynaber R.H., Marino L.L., Rothe E.W., Trujillo S.M. Low-energy electron scattering from atomic oxygen // Pfrys. Rev., 1961, У.123, N. l, pp.148−152.

45. Крин0ерг M.A., Скочилов B.H. Сечения столкновения электронов с атомами и молекулами космической плазмы // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, М.:Наука, 1971, Вып. 16, стр.152−165.

46. Uman М.А. Lightning Return Stroke Electric and Magnetic Fields.// J. Geophys. Res., 1985, v.90, N D4, pp.6121−6130.

47. Ландау Л. Д., Лйфшиц Е. М. Теория поля.-М:" Наука", 1988, 512стр.

48. McLain D.K., Uman М.А. Exact Expression and Moment Approximation for the Electric Field Intensity of the Lightning Return Stroke // J. Geophys. Res., 1971, v.76, N 9, pp. 2101−2105.

49. Ландау, Л.Д. и Е. М. Лифшиц, Механика, М: «Наука», 216 стр, 1988.

50. Давыдов, А.С., Теория атомного ядра, М: Государственное издательство физико-математической литературы, 612 стр., 195 861. Беклемишев, Д.В., Курс аналитической геометрии и линейной алгебры, М: «Наука», 320 стр., 1984иг.