Экспериментальные исследования взаимосвязи молниевой активности и приземного электрического поля

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и
задачи исследования, аргументирована новизна научной работы и приведены основные
положения, выносимые на защиту.
В первой главе приведен обзор экспериментальных и теоретических работ,
посвященных грозовому электричеству. В этом разделе значительное внимание уделено
анализу работ, посвященных грозовому электричеству, параметрам молниевых разрядов,
методам измерения различных характеристик грозового электричества. Показано, что
природа грозового электричества и выявление причин его воздействия на объекты
являются фундаментальными для грозового электричества и остаются актуальными на
протяжении многих десятков лет.
Выполнен анализ и выделены основные тенденции в разработке пассивных средств
обнаружения и локации гроз, используемых как в научных целях, так и для
многочисленных приложений. Приведена краткая информация о тактико-технических
характеристикахсистемгрозопеленгации:зарубежные–«TOA»,«VAISALA»,
«Earth Networks» и отечественные «Верия – МР», «Алвес».
На основе проведенного обзора сделан вывод, что определение грозоопасности над
ограниченной территорией до появления первых молниевых разрядов является
актуальной задачей и требует применения средств, позволяющих непосредственно
регистрировать нарастающую электрическую активность облако. Для этого в работе
предлагается использовать систему контроля электрического состояния приземной
атмосферы путем измерения напряженностиэлектрического полясинхронно с
регистрацией координат и времени разрядов молний на контролируемой территории.
Порезультатаманализасостоянияпроблемысформулированызадачи
диссертационного исследования.
Вовторойглавепредставленоописаниеиспользованноговработе
экспериментального оборудования и методики исследования физико-статистических
параметров молний и электрического поля атмосферы. Для проведения комплексных
синхронных измерений молниевых разрядов различных типов (облачных, наземных
положительных и наземных отрицательных) и временного хода напряженности
электрического поля приземной атмосферы на репрезентативной территории были
использованыаппаратно-программныекомплексыФГБУ«ВГИ»,включающие
грозорегистратор LS8000 и измерители напряженности электрического поля атмосферы
EFM550 (АПК), обеспечивающий сбор, анализ и архивирование следующей информации:
– начало, окончание и продолжительность грозовых явлений на юге европейской
части России, а также динамика их развития и траектория перемещения;
– пространственное местоположение разрядов молний, их классификацию по типам и
полярностям (знак переносимого молнией на землю электрического заряда);
– значения амплитуды токов в каналах наземных разрядов молний и временные
характеристики нарастания и спада импульсов токов;
– значения напряженности электрического поля атмосферы с частотой 2 Гц, т.е.
каждые 0,5 секунды. Максимальные и минимальные значения напряженности, которые
может измерить EFM550, составляют ±10 000 В/м. Репрезентативной территорией сбора
информации является круг радиусом не менее 15 км. Измеренные значения сохраняются
на жестком диске компьютера. Пункты измерения напряженности электрического поля
расположены: на здании ВГИ, на научно-исследовательской базе ВГИ «Кызбурун», на
станции СКВС «Урвань» и на метеостанции «Пик Чегет».
Предусмотрены совмещение данных напряженности электрического поля атмосферы
с количеством молниевых разрядов над выбранной территорией (рисунок 1). Как видно из
рисунка 1, имеют место резкие скачки напряженности электрического поля приземной
атмосферы под воздействием разрядов молний.
В работе использована разработанная с участием автора программа сбора, обработки
ипредставленияинформации,поступающейотсетиустройствмониторинга
электрического поля [Кузьмин и др. 2014], позволяющая изучать роль различных
факторов в динамике электрического поля приземной атмосферы.

Рисунок 1  Ход напряженности электрического поля и количества разрядов
«облако-облако» и «облако-земля» 28 июля 2016 г.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных и теоретических
исследований физико-статистических параметров молний и приземного электрического
поля. Собранная информация показывает, что для юга Европейской части России
характерно значительное преобладание облачных (межоблачных) разрядов молний,
которые составляют до 87% от общего числа регистрируемых грозорегистратором LS8000
молний. При этом доля положительных разрядов от общего числа наземных молний
составляет около 23%. Полученные статистические распределения токов положительных

разрядов молний F ( J ) и отрицательных разрядов молнии F_ ( J ) и линии тренда

(сплошная линия) по Северному Кавказу представлены на рисунках 2 и 3.
Рисунок 2  Распределение значений токов молнии положительной полярности.

Рисунок 3  Распределение значений токов молнии отрицательной полярности.

За период выполнения диссертационной работы удалось получить следующие
статистические характеристики разрядов молнии.
Положительные разряды: Объем исследуемой выборки 31376 разрядов молний. На
основе экспериментальных данных в работе получено распределение значений тока
наземных молний положительной полярности в виде выражения:

F ( J )  1,01109 J 6  3, 226 106 J 5  1, 222 103 J 4 11,3J 2  396,5J  5,702 J 3.(1)

Самый слабый и частый (2688 случая) импульс измеренной силы тока составляет 10
kA. Самый сильный 311 kA. Мода равна 10 kA, медиана равна 17 kA, среднее значение
силы тока соответствует 22,9 kA. Дисперсия исследуемых сигналов равна 304,05 (kA)2, а
среднеквадратическое отклонение 17,458 kA. Сумма всех положительных сигналов
выборки составляет 722901 kA. Размах выборки равен 301 kA. Погрешность
аппроксимации распределения тока функцией (1) равна 16,786.
Отрицательныеразряды:Объемисследуемойвыборкисоставляет31534
регистраций. Распределение значений тока наземных молний отрицательной полярности
представлено в виде выражения:

F ( J )  2,3 106 J 6  6, 2 104 J 5  0,066 J 4  3, 43J 3  90 J 2 1,02 103 J  2, 21103. (2)
Самый слабый импульс измеренной силы тока составляет 4 kA. Самый сильный 210
kA. Мода равна 9 kA, медиана равна 14 kA, среднее значение силы тока соответствует
16,8019kA.Дисперсияисследуемыхсигналовравна140,648(kA)2,а
среднеквадратическое отклонение 11,595 kA. Сумма всех отрицательных сигналов
выборки составляет 530287 kA. Размах выборки равен 206 kA. Погрешность
аппроксимации распределения тока функцией (2) равна 28,652.
Важнойклиматическойхарактеристикойгрозовыхявленийявляетсяих
продолжительность. Количество часов грозовой активности в целом на территории юга
европейской части России составило 5000 часов в год. В среднем молниевая активность
грозового дня продолжается в течение 240 минут. Продолжительность грозового цикла
одной облачной ячейки в среднем составляет около 31,2 минут (стандартное отклонение
±20,2 мин), генерируют при этом около 235 молний (стандартное отклонение ±392).
Найдена взаимосвязь между продолжительностью грозовых явлений в отдельной
грозовой ячейке (облака) Т (мин) и интенсивностью молниевых разрядов F (молн./мин)
разрядов в виде:
T  0,965 F  20,8при F  0 ,(3)

F  1, 04T  21, 6 при T  20,8 .(4)

Выражения (3) и (4) можно использовать при теоретических расчетах процессов
облако- и осадкообразованиях, а также при соответствующих климатических оценках
территорий. Грозовая активность на юге европейской части России выше, чем на севере.
Удельная поражаемость поверхности земли молниями в год на юге составляет 5 на 1 км2,
а на севере около 2 на 1 км2.
Проведенные эксперименты по мониторингу электрического поля приземной
атмосферы при грозовой активности в облаках над точкой контроля напряженности
электрического поля, показали:
1. Наблюдается скачок напряженности поля, вызванный разрядами молний. При этом
знак наведенного облачными разрядами поля может быть как положительным, так и
отрицательным.Отношениеположительныхизмененийполякотрицательным
изменениям составляет 1,23 по результатам анализа более 30000 регистраций молний.
Результаты свидетельствуют, что при отсутствии молний «облако-земля» облачные
разряды в большинстве случаев приводят к изменению поля от -4 кВ/м до +4 кВ/м.
2. Значительные скачки напряженности поля вызывают молнии «облако-земля», до
±10 кВ/м. Результаты свидетельствуют, что наземные молнии в равных случаях приводят
к увеличению поля, как в положительную, так и в отрицательную полярности. Отношение
количество положительных изменений поля к отрицательным составляет 0,99.
3. По сравнению с фоновым полем (значения напряженности электрического поля
атмосферы при «хорошей погоде») при грозах напряженности электрического поля
атмосферы принимает значения от 200 В/м до ±10000 В/м, следовательно, скачок поля
может составлять в 50 раз как положительную, так в отрицательную полярности.
Величина скачков напряженности электрического поля атмосферы зависит также и от
количества разрядов молний.
Выполнена оценка корреляционных взаимосвязей количества молний: «облако–

облако» и «облако–земля» (облачных N , наземных положительных N  и наземных

отрицательных N  ) со значениями напряженности поля приземной атмосферы ( E –

абсолютноезначениенапряженностиполя,E –значенияполяотрицательной
полярности, E  – значения поля положительной полярности).
Из рассмотренных взаимосвязей наибольшее значение корреляции отмечается между
облачными молниями и абсолютным значением напряженности поля приземной
атмосферы (рисунок 5в)

Рисунок 5 – Связь между количествами молний с линейным трендом и 95%
доверительными границами: а – положительные молнии «облако-земля», б –
отрицательные молнии «облако-земля», в – облачные молнии и абсолютной величины
напряженности – E .
Получены уравнения линейной регрессии, связывающие количество положительных,
отрицательныхмолний«облако-земля»иоблачныхмолнийсотрицательной
напряженностью в виде:

N  ( E  )  9 E   15,64,(5)

N  ( E  )  18E   26,8,(6)

N ( E  )  140E   58,6.(7)
Диапазон независимых переменных в приведенных выше уравнениях регрессии: для

N –10 кВ/м ≥ E > 0,5 кВ/м, для N  и N  –10 кВ/м ≥ E > 4 кВ/м. При E < 4 кВ/м значения N  и N  равны нулю. Качество модели оценивается коэффициентом детерминации R2 и коэффициентом Дарбина-Уотсона DW, из которых следует, что полученные модели объясняют от 76,9% до 97,3% дисперсии и автокорреляция остатков отсутствует. При 95%-ном доверительном интервале среднее значение искомой величины лежит в интервале 2 . Из уравнений (5) – (7) следует, что увеличение на 1 кВ/м отрицательной напряженности обусловлено либо ростом количества положительных молний «облако- земля» на 9 (±4 молнии), либо ростом количества отрицательных молний «облако-земля» на 18 (± 6 молний), или же увеличением количества облачных молний на 140 (±24 молнии). Коэффициент детерминации R2 имеет максимальное значение для третьего случая (облачные молнии), регрессионная модель объясняет 97,3% данных. Критерий Дарбина- Уотсона DW=2,269 показывает отсутствие автокорреляции между остатками. Для количества различных типов молний и положительной напряженности (градиента потенциала у поверхности земли) получены следующие уравнения регрессии: N  ( E  )  6 E   11,9,(8) N  ( E  )  25E   37,5,(9) N ( E  )  134 E   1, 4.(10) Диапазон независимых переменных в приведенных выше уравнениях регрессии: для N –10 кВ/м ≥ E > 0,5 кВ/м, для N  и N  –10 кВ/м ≥ E > 4 кВ/м. При E < 4 кВ/м значения N  и N  равны нулю. Из уравнений (8)-(10) следует, что увеличение положительной напряженности на 1 кВ/м обусловлено либо ростом количества положительных молний на 6 (±4 молнии), либо ростом количества отрицательных молний на 25 (±8 молний), или же увеличением количества облачных молний на 134 (±12 молний). Получены выражения, связывающие абсолютную напряженность E с количеством положительных молний «облако-земля» N  ; с количеством отрицательных молний «облако-земля» N  и с количеством облачных молний N (рисунок 4): N   15 E  27,5,(11) N   43 E  27,5,(12) N  274 E  57,3.(13) Рисунок 4 – Связь между количеством молний различных типов и абсолютной величиной напряженности электрического поля. В регрессионной модели для положительнойнапряженности коэффициенты корреляции равны 0,856; 0,950 и 0,995, а коэффициенты детерминации (%)  73,3; 90,3 и 99,1 соответственно. В случае регрессионной модели для абсолютной напряженности коэффициенты корреляции равны 0,856; 0,950 и 0,995, а коэффициенты детерминации (%)  73,3; 90,3 и 99,1 соответственно. Из уравнений регрессии (11) – (13) следует, что увеличение абсолютной величины напряженности на 1 кВ/м вызвано ростом количества облачных молний от 250 до 298 (274 2 ), либо ростом количества отрицательных молний от 29 до 57 (43 2 ), или же увеличением положительных молний от 7 до 23 (15 2 ), при 95%-ном доверительном интервале. Зависимость абсолютных значений напряженности поля от количества молний с линейным трендом и 95%-ми доверительными границами представлены на рисунке 5. Полученные выражения представляют важную информацию для параметризации конвективных облаков и их можно использовать для численных расчетов при моделировании процессов облако – и осадкообразования с учетом электрических факторов. Рассмотрено воздействие разрядов молнии, с полученными характеристиками, на электротехнический комплекс самолета. При попадании молнии в самолет имеет место протекание тока вдоль фюзеляжа и других его частей. Это приводит к возникновению вокруг самолета сильного электромагнитного поля, напряженность которого приближенно вычисляется по формуле: I м (t ) H м (t ) ,(14) 2 rф где I м – максимальный ток молнии, протекающий по фюзеляжу самолета; rф – эффективный радиус фюзеляжа самолета. Возникшее под действием молнии, магнитное поле создает электродвижущую силу (ЭДС) в кабелях, расположенных в крыльях самолета. Эквивалентная схема воздействия такой электрической цепи представлена на рисунке 6. Рисунок 6  Эквивалентная схема воздействия электрического и магнитного полей на экран кабеля в крыле самолета: e(t ) – ЭДС, наводимая на экране кабеля под воздействием магнитного поля тока молнии; Z э  сопротивление экрана кабеля; Z з  сопротивление заземления экрана кабеля; J (t )  Z  источник тока, эквивалентный воздействию электрического поля на экран кабеля. Напряжение тока, наводимое на кабель (экраны кабеля), вычисляется по формуле: dH (t ) U (t )  2 0lh,(15) dt где l – длина кабеля в крыле самолета; h – среднее расстояние между экраном кабеля и конструкционными металлическими элементами крыла; t – время;  0 – магнитная проницаемость. После преобразований (18) ток электрического поля, воздействующий на экраны кабеля равен: 2 0lh dE (t ) J (t ) ,(16) ln(2h / r ) dt где r – радиус экрана провода. Приближенную количественную оценку можно выполнить, представив поперечное сечение крыла в виде эллипсоида вращения, для которого существует точное аналитическое решение: Iм J ( x) ,(17)  b2  2 a 2  x 2 1  2   a  где I м – ток молнии, вошедший в самолет; J ( x) – наводимый молнией ток на единицу длины; a – большая и b – малая полуоси эллипса; x – расстояние от центра эллипсоида вдоль его большой оси. Разность потенциалов U 12 между двумя точками, находящимися на расстоянии l на фюзеляже самолета можно определить по формуле: U12  R0l I м  1  b / a  .(18) В таблице 1 приведены расчетные значения электромагнитных помех молний, формируемые молниями при различных характеристиках самолета. Таблица 1 – Расчетные значения электромагнитных помех, формируемых молниями при различных характеристиках самолета I м ,кА rф , м b , мa, мH м , А/м J ( x) , А/м l , м x,м U 12 , В 10110,51,60,8120,05 50110,57,94,0120,25 1002217,96,1522,50 1003315,34,51025,0 20033110,69,010210,0 200530,56,47,620320,0 250630,056,69,510325,0 Как видно из таблицы 1, токи молнии 100÷250 кА будут представлять серьезную опасность для элементов электроники самолета. При этом следует отметить, что с увеличением искривления фюзеляжа, крыльев, хвостовой части, когда 2< a / b <100, наводимый молнией ток на единицу длины  J ( x) превышает 4 кА/м, что является серьезной опасностью и для корпуса самолета. Глава4посвященаразработкерекомендации(метода)поприменению грозоразрядной информации и характеристик приземного электрического поля атмосферы для мониторинга грозовых явлений на территории расположения объектов. Метод предполагает выделение двух концентрических зон у географической точки, именуемой«ТочкаИнтереса»(PI).Зона,котораяокружаетPI,называется «Контролируемая зона» (рисунок 7). На территории этой зоны сосредоточены высоко уязвимые любым разрядом молнии объекты, в частности, система посадки самолетов, хранилища топлива и др. Суть алгоритма автоматического предупреждения о грозоопасности на основе только данных грозопеленгационной сети состоит в формировании предупреждающего сигнала при условии обнаружения молниевых разрядов (МР) в областях предупреждения или контроля. Прекращение сигнала предлагается через 30 мин после регистрации последнего МР в данных областях. Рисунок 7  Двухзонный мониторинг грозовой опасности. PI  точка Интереса; ЗК  Зона Касания; ЗО – границы зоны ответственности. Анализ эффективности алгоритма автоматического предупреждения на основе только данных грозопеленгационной сети производился исходя из трех вариантов развития событий: 1. МРобнаруженвобластипредупреждения,ивтечениедействия предупреждающего сигнала зафиксирован, по крайней мере, один МР в контролируемой области (ЗК); 2. МР обнаружен в области предупреждения (ЗП), и в течение времени действия предупреждающего сигнала не зафиксировано МР в контролируемой области; 3. первым обнаружен МР в контролируемой области при отсутствии сигнала предупреждения, т.е. ранее не было зафиксировано МР в области предупреждения. Если наблюдается первый вариант, рассчитывается время предупреждения (интервал времени между началом оповещения о грозоопасности и первым МР в контролируемой области). При превышении времени предупреждения в 10 мин фиксируется факт корректного предупреждения. Значение 10 мин выбрано исходя из скорости движения грозовых облаков и возможности принятия оперативных решений. Если время предупреждения меньше 10 мин, фиксируется факт отсутствия заблаговременного предупреждения.Приразвитиивтороговариантаотмечаетсяфактложного предупреждения. В случае образования кучево-дождевых облаков и их развития до грозовой стадии непосредственно над контролируемой областью может наблюдаться третий вариант, при котором первый МР обнаружен в области контроля. При этом фиксируется факт отсутствия заблаговременного предупреждения. Определение частоты корректного предупреждения осуществляется из отношения числа случаев корректного предупреждения к числу случаев предупреждения с МР в контролируемой области: P  S / C,(19) где S – число случаев корректного предупреждения; C – число случаев предупреждения с МР в контролируемой области. Частота пропуска опасного явления определяется из выражения: F  1  P либо F  (C  S ) / C.(20) Частота ложных срабатываний A связана с частотой корректного предупреждения выражением: R  A / ( A  S ).(21) Расчет статистических вероятностей применения разработанной методики выполнен на примере данных о координатах МР за период с 01.08.2016 по 01.10.2017 относительно точки расположения ФГБУ «ВГИ». Всего за данный период было отмечено 38 случаев грозовой активности в контролируемой области. По этим данным при использовании только данных грозопеленгационной сети частота корректного предупреждения P составляет значение 0,87, значит, частота пропуска опасного явления F в соответствии с формулой (20) достигает 0,13. Частота ложных срабатываний R , получаемая из выражения (21), имеет значение 0,49. Использование данных измерителя напряженности электрического поля приземной атмосферы совместно с данными грозорегистратора в алгоритме двухзонного автоматического предупреждения о грозоопасности позволяет существенно повысить точность мониторинга и прогнозирования грозы. Частота корректного предупреждения P при совместном использовании данных измерителя напряженности электрического поля и грозопеленгационной сети согласно выражению (20) составляет значение 1, что говорит об отсутствии случаев возникновения МР в контролируемой области без предварительного предупреждения. Значения характеристик поля Е в предлагаемой методологии предупреждения грозовой опасности представлены в таблице 2. Из таблицы следует, что если фиксируемые градиенты не превышают абсолютных значений от –0,2 до +0,2 кВ/м, то в облаке молнии не фиксируются. При значениях градиента от –0,2 кВ/м и менее и при +0,2 кВ/м и более следует ожидать облачные молниевые разряды, при их значениях от –2 кВ/м и мене и при +2 кВ/м и больше наземные молнии. Таблица 2  Характерные значения E и информация о молниевой активности для оценки грозоопасности в «Зоне 1» Значение E в0< E <200-200< E <200-400< E <400E >400
точке PI(В/м)(В/м)(В/м)
(В/м)
Грозовая0Разряды:Разряды:Разряды:
деятельность воблачные – да облачные – да облачные – да
«Зоне 2»наземные – нет наземные – да наземные – да
Грозовая0маловероятноРазряды:Разряды:
деятельность воблачные – да облачные – да
«Зоне 1»наземные -нет наземные – да
Дополнительные_dEdN 0dN н
характеристики 0 00
dtdtdt
ОценкаНе опасно Не опасноСлабаяВысокая
грозоопасностиопасностьопасность
в «Зоне 1»
С ростом абсолютных значений градиента потенциала электрического поля
атмосферы, вначале имеют место разряды отрицательной полярности, при дальнейшем
росте градиента при значениях больше (меньше) +3 кВ/м (–3 кВ/м) наряду с облачными и
отрицательными молниевыми разрядами фиксируются и положительные. Указанные
закономерности можно использовать для мониторинга грозовых явлений над особо
важными объектами.
Заключение
1. Получены аналитические уравнения распределений значений токов молний
«облако-земля». Определены их минимальные, максимальные, средние и модальные
значения. Для юга европейской части России характерно значительное преобладание
облачных (межоблачных) разрядов молний до 87% от общего числа регистрируемых
грозорегистратором LS8000 молний. При этом доля положительных разрядов от общего
числа наземных молний составляет около 23%, что соответствует значениям для средних
широт (20 %).
2. Имеет место скачок напряженности поля, вызванный разрядами молний. Знак
наведенного облачными разрядами поля может быть как положительным, так и
отрицательным. Результаты свидетельствуют, что при отсутствии наземных молний
облачные разряды в большинстве случаев приводят к увеличению положительного поля.
Такое увеличение, как правило, не превышает ±4 кВ/м.
3. Значительные скачки напряженности поля вызывают наземные разряды молний.
Такое увеличение, как правило, может доходить до ±10 кВ/м.
По сравнению с фоновым полем (значения напряженности электрического поля
атмосферы при «хорошей погоде») при грозах напряженности электрического поля
атмосферы принимает значения от 200 В/м до ±10000 В/м, следовательно, скачок поля
может составлять в 50 раз как положительную, так в отрицательную полярности.
Амплитуда скачков напряженности электрического поля атмосферы зависит также и от
интенсивности (частоты) разрядов молний.
4. Выполнены количественные оценки корреляционных взаимосвязей между
интенсивностью молний различных типов (облачных, наземных положительных и
наземных отрицательных) и значениями напряженности электрического поля приземной
атмосферыпригрозахввиделинейныхвыражений.Рассчитанныезначения
коэффициентовкорреляцииуказанныхпараметровсоставили0,8;0,9и0,8
соответственно.
5. Предложена методология оповещения о грозовой опасности, основанная на
измерениях напряженности электрического поля приземной атмосферы и данных о
молниевой активности для обеспечения безопасности самолетов при взлете и посадки в
аэропортах и для защиты особо важных объектов от молниевых разрядов. По
регистрациям у поверхности земли градиента потенциала электрического поля
атмосферы, можно судить о подготовленности условий в облаке для развития разрядов
молний. В частности, если фиксируемые градиенты не превышают абсолютных значений
от –0,2 до +0,2 кВ/м, то в облаке молнии не фиксируются. При значениях градиента от –
0,2 кВ/м и менее и при +0,2 кВ/м и более следует ожидать облачные молниевые разряды,
при их значениях от –2 кВ/м и мене и при +2 кВ/м и больше наземные молнии.