Москва
17 июня 2019
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
Национальный исследовательский университет
«Высшая школа экономики»
ФАКУЛЬТЕТ ФИЗИКИ
Исследование мелкомасштабных внутриоблачных разрядов в громовом облаке по данным УКВ интерферометра
Выполнил:
Клевцов Алексей Александрович
Оглавление
Введение
1. Терминология и структура
1.1 Трудности проведения измерений
1.2 Искусственное инициирование молнии
1.3 Эксперименты и данные
1.4 Основные вопросы физики молний
2. Постановка задачи
2.1 Данные
2.2 Экспериментальные установки
2.3 Используемое программное обеспечение
3. Эксперимент
3.1 Реализация методов EMD и CEEMDAN
3.2 Построение карты эволюции молнии
3.3 Корреляция между количеством событий и их масштабом
4. Результаты
Список литературы
Аннотация
Введение
Обзор
Молнии - природные явления, порождающие самый яркий свет и самый громкий звук на Земле. В мире каждую секунду в среднем возникает от 30 до 100 разрядов в грозовых облаках [1, 2], или порядка 9 миллионов разрядов в каждый день. Вероятнее всего, в мире не найдется человека, который ни разу в жизни не видел молнию и не знает, что это за явление и когда оно возникает.
Поскольку эти ярчайшие вспышки на небосводе появляются повсеместно и довольно часто, может показаться, что о молниях все известно и они детально изучены. Однако это очень далеко от истинны: молнии - самые загадочные явления физики атмосферы и одни из самых малоизученных феноменов на Земле. Более того, молнии можно также наблюдать на других планетах Солнечной Системы: на Юпитере, его спутнике Ио, Венере, Уране и Сатурне [1]. Можно выделить 10 важнейших вопросов, связанных с молниями [2] . Они будут рассмотрены в разделе 1.6 Основные вопросы физики молний.
Какие-то вопросы сейчас активно обсуждаются и имеют много версий для решения, какие-то имеют лишь один предположительный ответ, а некоторые остаются абсолютными загадками для ученых. Что же изучено достаточно точно, так это структура грозовых облаков и существование различных типов разрядов, поэтому для начала стоит разобраться с терминологией.
1. Терминология и структура
Молнию можно охарактеризовать, как очень длинную (больше, чем 1 км) электрическую искру, рожденную в грозовом облаке. Считается, что первичный заряд в облаке образуется в результате движения и трения друг о друга капель воды и маленьких кристаллов льда в восходящих потоках облака [3, 1]. В результате, положительно заряженные легкие кристаллы льда, поднявшись в восходящих потоках, образуют основную положительную область в верхней части грозового облака (на высотах около 10 км), в то время как отрицательно заряженные капли воды остались на высоте 6-8 км, образовав главную отрицательно заряженную область.
В типичном грозовом облаке, ниже основного отрицательного заряда, на высотах, где температура близка или выше температуры замерзания, находится небольшой положительный заряд. Для создания этого положительного заряда было предложено множество механизмов, включая коронный разряд, исходящий из земли, и столкновения между различными типами осажденных частиц при температурах, превышающих 0 ° C. Приблизительная структура грозовых облаков, а также некоторые основные разряды, представлены на Рис. 1. Стоит помнить, что указанная структура лишь приблизительная, поскольку в реальных облаках измерены гораздо более сложные структуры с разделением по регионам восходящих и нисходящих потоков, экранируемыми слоями на границе облака, многократно чередующимися положительными и отрицательными слоями и многим другим.Все разряды в грозовых облаках можно разделить на две категории: те, в результате которых образуется проводящий канал между облаком и поверхностью Земли и те, в результате которых подобного канала не образуется (см. Рис. 1). Последняя категория образует группу так называемых «облачных разрядов», которые составляют большую часть всех разрядов во время грозы. Подобные разряды могут происходить как внутри одного облака, так и между двумя разными облаками, а также между облаком и воздухом (например, разряды в верхние слои атмосферы). Те же разряды, которые переносят ток на поверхность Земли и ассоциируются у большинства людей с термином «молния», оставляют лишь малую часть всех разрядов.
Рис. 1: Приблизительная структура зарядов в двух простых грозовых облаках. На рисунке также изображены некоторые основные разряды. Источник: [2]
Так как же происходит процесс переноса заряда из облака на поверхность Земли? В природе встречаются разряды со всех слоев облака (главного отрицательного, главного положительного, нижнего положительного и т. д.), а также наблюдаются разряды, распространяющиеся из поверхности Земли вверх, в сторону облака. Однако 90% всех разрядов происходят между главным отрицательным слоем облака и Землей, направлены от облака к поверхности Земли, и переносят колоссальное количество отрицательного заряда в Землю. Образующийся при этом распространяющийся древовидный проводящий канал, так называемый «лидер», может начинаться как локальный разряд между низом главного отрицательного слоя и нижним положительным слоем. Образующиеся в результате этого разряда свободные электроны, главные переносчики отрицательного заряда, проходят сквозь нижний положительный слой и продолжают свое движение в направлении Земли.
Физический механизм распространения заряда в сторону земли называется “ступенчатый лидер” (см. Рис. 2). Ступенчатый, потому что движение лидера не постоянное, а дискретное, разбитое на сегменты длиной порядка десятков метров. Каждый новый шаг появляется за время порядка микросекунды, а пауза между шагами от 10 до 50 микросекунд в зависимости от удаленности ступенчатого лидера от поверхности Земли (чем ближе, тем чаще происходят шаги). Средняя скорость движения к земле ступенчатого лидера составляет 2 х 105 м/с, поэтому разряд из облака в землю распространяется примерно за 20 миллисекунд. Ступенчатый лидер, как правило, переносит порядка 5 Кл электрического заряда, или около 10-3 Кл/м. Чтобы обеспечить такую величину заряда, величина тока, протекающего по каналу лидера в течении всего процесса его распространения к земле, должна составлять в среднем 100-200 ампер.
Когда ступенчатый лидер достигает области около земли (или возвышающегося объекта), на её поверхности индуцируется положительный заряд. В результате, когда электрическое поле становится достаточно большим, из поверхности земли инициируется положительный лидер, распространяющийся наверх, навстречу ступенчатому отрицательно заряженному лидеру. Как только эти два лидера соприкоснутся и создадут проводящий канал между облаком и землей, произойдет удар молнии, огромный ток потечет в поверхность Земли, а проводящий канал станет очень ярким. Существует распространенное мнение, что молния бьёт снизу вверх, из земли в облако. С одной стороны, это верно, поскольку “информация” о том, что образовался проводящий канал между облаком и землей, распространяется от точки соприкосновения положительного и отрицательного лидеров, находящейся около поверхности Земли, вверх по главному каналу и вниз по ветвям ступенчатого лидера.
Рис. 2: Процесс развития ступенчатого лидера во времени с последующим образованием обратного хода. Источник: [2]
Вместе с “информацией”, со скоростью от 1/3 до 1/2 скорости света, распространяется яркое свечение и ток, создавая ощущение удара молнии снизу вверх. Данный процесс называется “обратный ход” молнии. Однако, с другой стороны, в каждой точке ступенчатого лидера электроны текут вверх и к главному каналу по ветвям и вниз по главном каналу лидера, перемещаясь в Землю.
1.1 Трудности проведения измерений
Поскольку теоретические модели, объясняющие процессы образования и распространения молнии, существуют, почему же это явление остается самым необъяснимым явлением физики атмосферы? Все дело в том, что все измерения, которые проводятся в экспериментах по изучению молний, очень сложно произвести и не менее сложно интерпретировать. Например, полученные при измерениях значения электрических полей в облаке недостаточны для формирования искры пробоя, или лидера. Это означает, что либо физическая модель неверна, либо полученные данные неправильно интерпретируются, и последнее утверждение на данный момент доминирует среди ученых.
Рис. 3: Структура зарядов и потоков воздуха в грозовом облаке, восстановленная по измерениям методом воздушных шаров. Источник: [2]
Тогда, если придерживаться этого мнения, объяснить формирование лидера можно тремя способами: (1) где-то в грозовом облаке поля действительно намного больше, чем мы получаем; (2) лидер формируется из стримеров, инициированных заряженными гидрометеорами; (3) в формировании молнии играют роль высокоэнергичные заряженные частицы, локально усиливающие электрическое поле до необходимых значений. На самом деле, все эти три модели не противоречат друг другу, однако до сих пор невозможно получить достаточно точный результат измерения значений полей и зарядов внутри облака. На Рис. 3 изображена структура облака, полученная в результате измерений с использованием воздушных шаров. Как видно, она оказывается намного более сложная чем ранее обсуждаемая трехслойная структура.
Знания о полях внутри грозовых облаков являются ключевыми данными к пониманию процессов инициации и распространения молний. К сожалению для экспериментаторов, существует ряд факторов, которые очень затрудняют не только интерпретацию, но и сами измерения:
1) Грозовые облака -- это структуры, занимающие колоссальные объемы. Более того, запуски самолетов или воздушных шаров в грозовые облака могут быть не просто трудновыполнимыми, но еще и очень опасными. Но даже запуская самолет, воздушные шары или ракеты в облако, нет никакой вероятности, что измерения будут проводиться именно в том регионе, где будут происходить исследуемые процессы, поскольку активное ядро облака относительно малых размеров;
2) Параметры полей в грозовых облаках меняются очень быстро, имея характерные времена меньше единиц секунд. Вполне очевидно, что измерительные приборы не способны менять свою локацию на подобных временных отрезках;
3) Если следовать самой популярной модели инициирования лидера, молния формируется из миллиметровых капель воды или кристаллов льда. В таком случае сам факт измерения массивным объектом (воздушным шаром, ракетой) будет вносить большие погрешности в данные, тем самым искажая истинную физическую картину процесса;
4) При измерениях электрического поля необходимо также знать и высоту, на которой данное поле зафиксировано. Это необходимо, поскольку, как упоминалось раньше, поля пробоя зависят от плотности воздуха, которое уменьшается с увеличением высоты. В связи с этим ввели понятие, называемое эквивалентным значением на уровне моря (sea-level equivalent, или SLE). Эквивалентное значение поля на уровне моря получается путем деления напряженности поля на значение плотности воздуха на уровне моря при стандартных условиях. Введенная таким образом величина позволяет избежать зависимости значения поля пробоя от высоты.
В связи с перечисленными факторами, прямые измерения становятся достаточно сложно осуществимы в естественных условиях. Это привело к необходимости создавать искусственные условия для развития молнии, о которых будет подробно сказано в разделе 1.4 Искусственное инициирование молнии.
Кроме того, дешевым и эффективным способом изучения молний стало компьютерное моделирование различных процессов. Сейчас данный подход стал одним из основных методов изучения молний.
1.2 Искусственное инициирование молнии
Образование молнии - крайне непредсказуемый процесс. В естественной среде практически невозможно определить, в какой момент времени и в какой точке пространства начнется развитие канала лидера. Поэтому экспериментаторы решили вмешаться в ход событий развития молнии, разработав методы искусственной инициации молнии. Один из таких методов -- это инициация молнии при помощи ракеты и провода [4, 5, 6].
Ракета поднимает заземленный провод на высоту порядка нескольких сотен метров, где электрические поля имеют достаточную величину, чтобы на верхнем конце провода начал образовываться положительный ступенчатый лидер, распространяющийся вверх. Как правило, спустя 10 миллисекунд после образования этого лидера, провод плавится, однако успевает сформироваться проводящий канал, который переносит положительный заряд из земли в облако. После этого процесс может прекратиться, или, что более предпочтительно для исследования молний, по этому каналу распространится отрицательный лидер, после которого последует обратный ход, как это и происходит при естественном ударе молнии. Механизм данного метода изображен на Рис. 4.
Инициируемая таким образом молния имеет много общих черт с восходящей молнией, инициируемой из высоких конструкций. В подобной искусственной молнии несколько сотен метров вертикальной заземленной проводящей проволоки выполняют ту же функцию, что и высокая стационарная проводящая конструкция. В обоих случаях за восходящим лидером от заземленного объекта следует начальный ток, поэтому эти два процесса заменяют процесс нисходящего ступенчатого лидера и восходящего обратного удара молнии в естественных условиях. В обоих случаях повторное формирование лидера может как произойти, так и не произойти: оно присутствует примерно в половине как естественных, так и инициированных молний.
Фундаментальная разница между этими двумя случаями заключается в том, что инициирующее внешнее электрическое поле для запуска ракеты должно быть относительно большим и устойчивым (например, 20 кВ м-1 на высоте 500 м), тогда как поле для возвышающегося объекта должно быть либо также высоким и устойчивым, либо быть результатом быстрого изменения поля примерно такой же амплитуды.