2. Физика молнии и эффекты - Российская конференция по

О ЗАДАЧАХ И РЕЗУЛЬТАТАХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ПО МЕГАГРАНТУ «МОЛНИИ И ГРОЗЫ:
ФИЗИКА И ЭФФЕКТЫ»
Е.А. Мареев1, В.А. Раков1,2, Н.А. Богатов1, А.Ю. Костинский1,3, В.С.
Сысоев1,4, Ю.В. Шлюгаев1, М.Г. Андреев1,4, C.В. Анисимов1,5, М.У.
Булатов1,4, А.А. Булатов1, Е.М. Володин 1,6, В.М. Готлиб1,7, М.Е. Гущин1,
С.С. Давыденко1, С.О. Дементьева1, М.С. Долгоносов1,7, А.А. Евтушенко1,
Н.В. Ильин1, Д.И. Иудин1,8 , А.В. Калинин1,8, В.В. Клименко1, А.В.
Костров1, Ф.А. Кутерин1, Л.М. Макальский1,4, Н.Н. Слюняев1, С.П.
Смышляев1,9, Д.И. Сухаревский1,4,М.В. Шаталина1
1Институт
прикладной физики РАН, Нижний Новгород
2Университет Флориды, Гейнсвилл, США
3Высшая школа экономики, Москва
4Высоковольтный научно-исследовательский центр ВЭИ, Истра
5Геофизическая обсерватория «Борок» ИФЗ РАН, Борок
6Институт вычислительной математики РАН, Москва
7Институт космических исследований РАН, Москва
8Нижегородский государственный университет
9Российский государственный гидрометеорологический университет
Мотивация (фундаментальные проблемы)
 молния: проблема инициации;
 молния: формирование лидера, возвратный удар и Мкомпонента;
 молнии с экстремальными параметрами, оперативный
мониторинг (nowcasting) грозовой активности;
 рентгеновское и гамма излучение; мощные вспышки
радиоизлучения; данные микроспутника «Чибис»;
 высотные разряды: теоретическое и лабораторное
моделирование;
 формирование электрической структуры облаков и
мезомасштабных конвективных систем;
 глобальная электрическая цепь;
 атмосферное электричество и климат.
2
Фрактальные модели разряда: 3 D
Иудин Д.И., Трахтенгерц В.Ю., Григорьев А.Н., 2002, 2004
3
Зарождение лидера в облаке
Базелян Э.М., Райзер Ю.П., Физика молнии и молниезащиты, М., 2002
4
Negative leader steps. Space stem
Стекольников И.С., Шкилев А.В.,
ДАН СССР, 1962
Reess et al., J. Phys. D, 1995
Природа ступеней лидера
Biagi et al., JGR, 2010
V. A. Rakov, The Physics of Lightning,
Surveys in Geophysics, 2013
Petersen and Beasley, JGR, 2013
6
Заряженное аэрозольное облако; ГИН 6МВ
Верещагин И.П., Кошелев М.А., Макальский Л.М., Сысоев В.С. Труды 3-го всесоюзного
симпозиума по атмосферному электричеству, Тарту, 1986. Л., 1988, с.119-123.
Анцупов К.В., Верещагин И.П., Кошелев М.А., Лупейко А.В., Макальский Л.М., Сысоев В.С.,
Чернов Е.Н. Известия АН СССР, Энергетика и транспорт, 1990 г., №4, с.158-162.
7
Эксперименты по исследованию разрядов в
облаке с помощью СВЧ диагностики
1 – парогенератор, 2 – высоковольтный источник питания, 3 –
заряженное аэрозольное облако, 4 – СВЧ генератор, 5 – излучающий
рупор, 6 – линзы, 7 - СВЧ пучок, 8 – детектор, 9 – осциллографы, 10 –
измерительный шунт, 11 – искровой разряд облако-земля
8
а,b) осциллограммы: ток разряда I, протекающий через шунт (черная линия); ослабление
зондирующего СВЧ излучения ΔU/U0 (красная линия); сигнал ФЭУ-87 (синяя линия); время
экспозиции скоростной фотокамеры Picos (фиолетовая линия); c) первый кадр оптической камеры
Picos; d) второй кадр оптической камеры Picos.
9
Диагностические инструменты
Скоростная оптическая
камера 4 Picos
Скоростная ИК-камера
FLIR CS7700 M
Арбалет TenPoint TurboXLTII
с подвижной станиной для
крепления LeadSledDFT
10
Горячие плазменные структуры
11
Горячие плазменные структуры - сталкеры
12
Наблюдения в ИК и видимом диапазоне
Одновременно зарегистрированные ИК-изображение события (выдержка кадра
камеры FLIR 7700M — 8 мс) и фрагмент с изображением сталкеров в видимом
диапазоне (в левом верхнем углу). Видно, что контуры наиболее ярких
сталкеров сходны на обоих изображениях.
13
Горячие плазменные структуры: облако +
1 – центральный плазменный канал (сталкер), отрицательный лидер – 2;
ветвящейся вниз сталкер – 3, нисходящий положительный лидер 4,
положительная стримерная корона – 5. Большая часть разряда находится
внутри облака
14
Встреча нисходящего из облака
отрицательного лидера и восходящего с
плоскости положительного лидера
15
Осциллограмма тока (1), текущего через
шарик и шунт к осциллографу
16
Инициация разрядов болтом арбалета
17
Моделирование электрической структуры
униполярного аэрозольного облака
z, дм
ρ, Кл/м3
Представление электрической
структуры облака в виде
суперпозиции стационарной и
флуктуирующей частей:
1) стационарная часть рассчитывается
в приближении токостатики (ток
конусной струи аэрозоля 50÷100 мкА,
объём облака 10÷15 м3; электрическое
поле не превышает 106 В/м)
(Давыденко, Иудин, Костинский, Сысоев)
x, дм
Моделирование электрической структуры
униполярного аэрозольного облака
ρ, Кл/м3
Представление электрической структуры
облака в виде суперпозиции стационарной и
флуктуирующей частей:
z, дм
1) стационарная часть рассчитывается в
приближении токостатики (ток конусной
струи аэрозоля 50÷100 мкА, объём облака
10÷15 м3; электрическое поле не превышает
106 В/м)
2) флуктуирующая часть представляет собой
случайные гауссовы возмущения плотности
заряда с пространственными масштабами в
диапазоне от нескольких метров до нескольких
дециметров; спектр возмущений описывается
степенным законом
x, дм
(Давыденко, Иудин, Костинский, Сысоев)
y, дм
Моделирование электрической структуры
униполярного аэрозольного облака
E, В/м
Представление электрической структуры
облака в виде суперпозиции стационарной и
флуктуирующей частей:
z, дм
1) стационарная часть рассчитывается в
приближении токостатики (ток конусной
струи аэрозоля 50÷100 мкА, объём облака
10÷15 м3; электрическое поле не превышает
106 В/м)
2) флуктуирующая часть представляет собой
случайные гауссовы возмущения плотности
заряда с пространственными масштабами в
диапазоне от нескольких метров до нескольких
дециметров; спектр возмущений описывается
степенным законом
3) суммарное поле увеличивается в 2÷2.5 раза
по сравнению с невозмущённым значением
x, дм
y, дм
Результаты моделирования с самосогласованным полем
Данные РЧА (спутник Чибис)
22
Наблюдательная сеть в Нижегородском
регионе
23
Грозопеленгаторы, флюксметрына крыше
ИПФ РАН и ИФМ РАН
Фронтальная гроза 13 июня 2012
13.06.2012 01:00 UTC
13.06.2012 01:00 UTC
С 20.00 до 01.00 13.06 прошли МКК, они иногда
сливались в один. ТВГ ниже -60 грС
Радиолокационная диаграмма фронтального
грозового события 13 июня 2012 г. 00:10 LT.
Плотность разрядов в минуту во время
грозового события 13 июня 2012 года (по
данным флюксметра на АО НН) 25
Интенсивные грозы лета 2013
26
Lightning flash rate during severe storms
27
Особенности спектральных характеристик
возмущений поля грозовых облаков
Усредненные по 7 событиям спектральные плотности флуктуаций электрического поля:
1 – по данным флюксметра на крыше института; 2 – по данным флюксметра на здании АС «Н.Новогород»; индексом «а»
отмечены спектры во время гроз, без индекса – спектры в невозмущенные периоды в течение нескольких часов,
предшествовавших грозам; справа – те же спектральные плотности, сглаженные по 16 гармоникам.
28
Вклад грозовых разрядов
Фактор усиления спектральной плотности флуктуаций электрического поля во
время гроз по отношению к невозмущенным периодам в течение нескольких
часов, предшествовавших грозам: 1 – по данным флюксметра на крыше
института; 2 – по данным флюксметра на здании АС «Н.Новгород»; справа – те Средняя спектральная плотность по
данным обоих пунктов регистрации – 1;
же отношения, усредненные по обоим пунктам и сглаженные по 16
гармоникам.
расчетная
спектральная
плотность
пуассоновского потока импульсов с
экспоненциальным
затуханием
при
времени регенерации12 с - 2.
29
Флуктуации электрического поля в
окрестности грозовых облаков
Квазипериодические
колебания электрического
поля
30
Прогноз молниевой активности на основе
прямых расчетов электрических полей
в модели WRF
Weather Research and Forecasting (WRF) – система численного предсказания
погоды.
Разрабатывается и поддерживается как общедоступная модель (http://www.wrfmodel.org)
Примеры расчетов:
Радиолокационная отражаемость
Давление и осадки на территории США
тайфуна Мавар (Mawar)
Прогноз молниевой активности
index way
WRF
Output
parameters
microphysic
s
our way charge for graupel
 gr 
qgraupel
Q
max
gr
q gr
max
q gr
max
 Qgrmax  ngr
,
 110
11
max
ngr
 200 м 3
qice
Indexes:
LPI
CAPE
KI
CPTP
Кл,
charge for ice
 ice  
qice
max
qice
  neutrality factor,
-   gr dv    icedv
V
V
V
Poisson equation
  
1
0

gr
  ice 
Boundaries :
 ( z  0)  0
 ( z  z max )  250kV
x, y - periodic
Тестовый пример WRF: грозовая ячейка
Вертикальная компонента
электрического поля в зависимости
от высоты в центре грозовой ячейки
через 98 минут после начала расчета
Сравнение разности потенциалов (между высотами 0 и 7 км) и индекса грозовой
активности (LPI), усредненные за время расчетов
Индекс молниевой активности (LPI) на натурных данных значительно
недооценивает размеры возможных областей грозоопасных явлений
Recent progress on the global electrical circuit
(E.Williams and E.Mareev, Atm.Res., 2014,N1)
Баланс тока, заряда и энергии ГЭЦ
Is the Earth negatively charged?
 j ds   ( j
n
cond
n
j
prec
n
j
cor
n
j
conv
n
)ds  0
Q  QFW  QTh  QFW 1   0 / 1 
Electric energy balance in
GEC. Lifetime of electrical
energy in the circuit
 E  WE / PE  4 1013 J/(3 1011  3 1012 )W  100  10 s
35
Облако в глобальной цепи
Калинин А., Слюняев Н., Мареев Е., Жидков А., 2013
36
Параметризация ионосферного
потенциала
Vi 
I0SH 0
z 


z 
exp( 
) 1exp( 
)
 0S E
H0 
H0 


37
Публикации










V.A. Rakov. Electromagnetic methods of lightning detection. Surv. Geophys., 2013, DOI 10.1007/s10712-013-9251-1.
В.С. Сысоев, А.Ю. Костинский, Л.М. Макальский, В.А. Раков, М.Г. Андреев, М.У. Булатов, Д.И. Сухаревский,
М.Ю. Наумова. Исследование параметров встречного лидера и его влияния на молниезащищенность объектов
на основе лабораторного физического крупномасштабного моделирования. Изв. ВУЗов - Радиофизика, 2013,
Т.LVI, №11-12, с. 931-938.
A.A. Evtushenko, F.A. Kuterin, E.A. Mareev. A model of sprite influence on the chemical balance of mesosphere,
JASTP, V.102, 2013, p. 298-310.
А.Ю. Костинский. Вспышки в средней и верхней атмосфере, инициированные молниевыми разрядами:
последние результаты и будущее оптических и спектральных методов наблюдения. Изв. ВУЗов - Радиофизика,
2013, Т.LVI, №11-12, с. 939-946.
S. S. Davydenko, E. A. Mareev. Comment on “Charge transfer to the ionosphere and to the ground during
thunderstorms” by S. A. Mallios and V. P. Pasko. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2014, Vol. 119,
Issue 3, p. 2359–2362.
В.В. Клименко, Е.А. Мареев, М.В. Шаталина, Ю.В. Шлюгаев, В.В. Соколов, А.А. Булатов, В.П. Денисов. О
статистических характеристиках электрических полей грозовых разрядов в атмосфере, Изв. ВУЗов Радиофизика, 2013, Т.LVI, №11-12, с. 864-874.
N.N. Slyunyaev, E.A. Mareev, A.V. Kalinin, A.A. Zhidkov. Influence of Large-scale Conductivity Inhomogeneities in the
Atmosphere on the Global Electric Circuit. J. Atmos. Sci. 2014 (submitted).
Н.А. Богатов. Исследование пороговых характеристик разряда на аэрозольных частицах. Известия ВУЗов Радиофизика, 2013, Т.LVI, №11-12, с. 920-930.
А.А. Евтушенко, Ф.А. Кутерин. Одномерная самосогласованная модели влияния спрайта/гало на химию
мезосферы, Изв. ВУЗов - Радиофизика, 2013, Т.LVI, №11-12, с. 947-967.
А.В. Калинин, Е.Е. Григорьев, А.А. Жидков, А.М. Терентьев. Классификация и свойства решений системы
уравнений теории классического электродного эффекта. Изв. ВУЗов - Радиофизика, 2013, Т.LVI, №11-12, с.
829-852.
Публикации в трудах конференций
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Yury Shlyugaev,Vladimir Klimenko, Eugeny Mareev, Vladimir Sokolov, Study of lightnig
climatology in the upper Volga region, Davos Atmosphere and Cryosphere Assembly,
Davos, Switzerland, July 8-12, 2013.
Evgeny Mareev; Evgeny M. Volodin; Alexey Kalinin; Nikolay Slyunyaev Ionospheric potential
variability in global electric circuit models, Proceedings of «AGU Fall Meeting», 9–13
декабря 2013, Сан Франциско, США.
Ю.В.Шлюгаев Разнесенные наблюдения молниевых разрядов в широком диапазоне
частот, Материалы конференции «Глобальная электрическая цепь»Всероссийская
конференция, Борок, 28 октября – 1 ноября 2013 г.,с.91.
Давыденко С.С., Глобальные и региональные аспекты электрического отклика
атмосферы на молниевый разряд, Материалы конференции «Глобальная
электрическая цепь»Всероссийская конференция, Борок, 28 октября – 1 ноября 2013
г., с.21.
Н.Н.Слюняев, Е. А. Мареев, А. В. Калинин, А. А. Жидков О влиянии областей
повышенной проводимости в атмосфере на ионосферный потенциал, Тезисы
докладов 17-й Всероссийской конференции молодых ученых "Состав атмосферы.
Климатические эффекты. Атмосферное электричество", 23-25 сентября 2013 г., с.51.
Ф.А. Кутерин, Ю.В. Шлюгаев, В.Н. Якимов Применение многопунктовых
грозопеленгаторов для мониторинга грозоопасности, Тезисы докладов 17-й
Всероссийской конференции молодых ученых "Состав атмосферы. Климатические
эффекты. Атмосферное электричество", 23-25 сентября 2013 г., с.44/
Шаталина М.В., Клименко В.В., Шлюгаев Ю.В., Мареев Е.А. Статистика измерений
аэролектрического поля и особенности конвективного сезона 2013 года в Нижнем
Новгороде, Тезисы докладов 17-й Всероссийской конференции молодых ученых
"Состав атмосферы. Климатические эффекты. Атмосферное электричество", 23-25
сентября 2013 г., с.59.
39
Мотивация (практические приложения)
 изучение механизмов и пространственно-временных
характеристик опасных быстроразвивающихся
метеорологических явлений с целью оптимизации
технологий их мониторинга, предупреждения и
снижения негативных последствий;
 развитие методов дистанционной диагностики
опасных быстроразвивающихся явлений;
 геофизический мониторинг (ионосфера, космическая
погода, состояние глобальной цепи);
 параметризация конвекции;
 повышение качества математического
моделирования облаков и мезомасштабных
конвективных явлений;
 изучение механизмов адаптации атмосферных
электрических процессов к изменениям климата.
40