Введение ВВЕДЕНИЕ Исследование гроз связано, прежде всего, с обеспечением безопасности
advertisement
Введение ВВЕДЕНИЕ Исследование гроз связано, прежде всего, с обеспечением безопасности жизнедеятельности человека. С развитием человеческой цивилизации и технической оснащенности жизни человека, явления природы несут угрозу и для человека и для его искусственной среды. В том числе, это относится и к грозам. В первую очередь, грозы угрожают линиям электропередач. Также известны поражения ударом молнии летательных аппаратов, что, в лучшем случае, приводило к выходу из строя системы навигации. Были зафиксированы случаи потери спутников во время их запуска. Особо опасны грозы в Сибири и на Дальнем Востоке. Это проявляется в том, что значительная часть лесных пожаров происходит из-за разрядов молний. Учитывая огромную территорию и малонаселенность региона, такие пожары обнаруживаются очень поздно, и наносится огромный ущерб лесным массивам и экологической обстановке. По результатам исследований в России и за рубежом установлено, что в зависимости от местности и сезона до 50 % лесных пожаров может быть обусловлено грозовыми разрядами на малонаселенных территориях Российской Федерации. На территории же Якутии отмечаются годы с существенно большей вероятностью возгорания лесов от гроз. Можно отметить, например, что в 1991 году свыше 60% лесных пожаров имели грозовую природу, а в 1995 году - почти 70%. Все это определяет проблему изучения грозовой активности, как одну из важнейших в экологии и рациональном природопользовании. Поэтому большое внимание уделяется средствам наблюдения и прогнозирования грозовых явлений. Актуальность работы: Грозы относятся к опасным природным явлениям с широким воздействием на деятельность человека и наносят значительный материальный ущерб различным отраслям хозяйства. Особенную опасность представляют грозы для энергосистем и различных коммуникаций. Для отключений, отнесенных к грозовым, с помощью сети SUNYA обнаружены разряды в землю в пределах 16 км от линии и в пределах ± 1 мин от времени отключения. Такие разряды были зарегистрированы также для отключений по неизвестным причинам. Поэтому изучение грозовой деятельности является важным для обеспечения грозозащиты различных объектов и в первую очередь энергосистем. Особо актуальна проблема лесных пожаров, возникающих из-за разрядов молний. Грозы на территории Якутии, несмотря на то, что они проявляются только в течение трех летних месяцев, приносят значительный ущерб хозяйству региона. Большинство лесных пожаров в труднодоступных районах происходят из-за гроз. Пожары в этом случае обнаруживаются очень поздно и поэтому занимают большие площади. Экологический ущерб от лесных пожаров усугубляется также продуктами горения биомассы, приводящими к значительному загрязнению атмосферы и изменению ее химического состава. До настоящего времени для пространственного и временного распределения гроз на территории Якутии построены только фоновые карты. Существующие данные по распределению гроз были получены по визуальным и слуховым наблюдениям на метеостанциях и метеопостах Гидрометеослужбы. Радиус площади при визуальном наблюдении составляет до 15 км. Для районов, где нет метеостанций, проводятся интерполяционные оценки грозовой активности. Следовательно, затрудняется получение объективной картины грозовой активности на обширной территории. Перед автором стояли задачи - изучить пространственное распределение грозовых разрядов на территории Якутии и исследовать параметры и поведение грозовых очагов. Конкретные задачи сводились к следующему: - создание методики дальнометрии до грозовых разрядов от пункта наблюдения и разделения межоблачных и разрядов облако - земля; - построение пространственного распределения грозовых разрядов на территории Якутии в период наблюдений 1993-2003 гг.; - пространственно-временная кластеризация грозовых разрядов и изучение параметров и поведения мезо-масштабных грозовых комплексов; - изучение связи между грозовой активностью и вариациями космических лучей (КЛ). Научная новизна: Впервые обобщены длительные исследования распределения гроз на территории Якутии с помощью однопунктового грозопеленгатора-дальномера и построены карты пространственного распределения плотности грозовых разрядов на территории Якутии по инструментальным наблюдениям. Исследованы такие параметры мезо-масштабных грозовых комплексов, как интенсивность грозовых разрядов, скорость перемещения центра, занимаемая площадь и продолжительность жизни. Впервые для Якутии рассмотрена связь между интенсивностью атмосфериков и вариациями космических лучей. Научная и практическая ценность работы: Разработана методика определения местоположения разряда молнии для дальностей до 1500 км, основанная на комбинировании амплитудных и спектральных методов дальнометрии и методика выделения наземных разрядов. По десятилетним наблюдениям построена карта распределения плотности грозовых разрядов на территории Якутии. Исследованы параметры мезо-масштабных грозовых комплексов. Наблюдения за грозовой деятельностью имеет огромную практическую значимость. Полученные карты распределения гроз могут найти применение в различных службах, обеспечивающих безопасность в таких областях, как корректировка полетов авиации, защита коммуникаций, линий электропередач и др. Использование оперативных данных наблюдений за грозами повышает эффективность работ по предупреждению опасных последствий гроз. Организована оперативная передача данных мониторинга гроз заинтересованным ведомствам (Авиалесоохране и МЧС). На защиту выносятся: - Методика локализации молниевого разряда в пределах 1500 км с помощью однопунктового пассивного грозопеленгатора-дальномера. - Результаты инструментальных наблюдений грозовой активности, которые выявили неоднородности распределения плотности грозовых разрядов на территории Якутии. - Результаты регистрации грозовых разрядов, позволившие выделить мезо-масштабные грозовые комплексы и определить их параметры: длительность, интенсивность разрядов, скорость перемещения в пространстве и охватываемая площадь. Обнаружено, что при движении грозового фронта образуются новые грозовые очаги, составляющие мезомасштабные комплексы, а предыдущие медленно затухают. - Результаты исследования связи числа грозовых разрядов с вариациями космических лучей, заключающиеся в установлении эффекта понижения количества грозовых разрядов после усиления интенсивности КЛ и повышения числа разрядов - при ее ослаблении (Форбуш-эффектах). Личный вклад автора: Автор принимал участие в постановке задачи и наблюдениях, осуществил обработку экспериментального материала и провел научный анализ полученных результатов. Апробация работы: Материалы диссертации были доложены на Международной конференции "Интеркарто5": ГИС для устойчивого развития территорий (Якутск, 1999); Лаврентьевских чтениях (Якутск, 2001, 2002); Всероссийской конференции «Проблемы физики космических лучей и солнечно-земных связей» (Якутск. 2002); Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Фундаментальные и прикладные проблемы физики на Севере» (Якутск, 2003); «Пятой Российской конференции по атмосферному электричеству» (Владимир, 2003); конференции «Современные проблемы физики и высокие технологии» (Томск, 2003). По теме диссертации опубликовано 7 статей и 10 тезисов докладов конференций. Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, насчитывающего 106 наименований. Работа содержит 147 страниц, в том числе 83 рисунка, 8 таблиц, 29 страниц приложения. В первой главе приведен литературный обзор условий возникновения гроз, их физические характеристики и методы наблюдений за грозами. Также изложены основные результаты печатных работ по исследованию грозовой деятельности на Востоке Сибири, включая территорию Якутии. Во второй главе описывается грозопеленгатор-дальномер и использованные методики исследования параметров грозовых очагов. В третьей главе даны результаты наблюдения и исследования грозовой деятельности в Якутии в период 1993-2003 гг. ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. 1.1. Гроза. Физика формирования грозы. Исследование грозы В первой главе приведен литературный обзор условий возникновения гроз, их физические характеристики и методы наблюдений за грозами. Также изложены основные результаты печатных работ по исследованию грозовой деятельности на Востоке Сибири, включая территорию Якутии. 1.1.1. Физика формирования грозы Важнейшим условием возникновения грозовых облаков является наличие влажного и теплого неустойчивого воздуха. Для образования грозового облака необходимо развитие восходящих воздушных потоков. Они возникают, например, днем над более нагретыми солнечными лучами склонами гор и возвышенностей, по соседству с которыми находятся более холодные участки, например склоны, находящиеся в тени, над освещенными скалистыми участками и т. п. Пересеченная местность (холмистая), поэтому всегда сравнительно благоприятна для развития таких гроз. Их называют "местными" или "тепловыми", и они обычно к ночи кончаются. Очевидно, и грозовая активность, и вероятность разрядов молнии больше в горных районах по сравнению с равнинными. Возникновению и развитию грозовой ситуации в целом благоприятствуют следующие условия [1]: - высокое влагосодержание воздуха у поверхности земли и на высотах; - неустойчивость воздушных масс; - низкое положение изотермы минус 10° С, возле которой располагается уровень интенсивной кристаллизации. - большая вертикальная протяженность кучево-дождевых облаков (верхняя граница выше изотермы минус 20° С); - наличие неоднородностей подстилающей поверхности, обеспечивающих развитие динамической и термической конвекции. Процесс образования мощных объемных электрических зарядов в кучево-дождевых облаках весьма сложен и до настоящего времени изучен недостаточно. Принято считать, что электризация облачных элементов происходит в результате дробления капель воды, их замерзания и трения твердых частиц. [2] У большинства грозовых облаков наверху положительный заряд, а ниже отрицательный. Причем, часто также наблюдается, что в области отрицательного заряда присутствует область с положительными зарядами. Различают фронтальные (при прохождении теплого или холодного фронта) и внутримассовые грозы (в результате местного прогревания воздуха). Внутримассовые грозы - местные грозы, образуются в пределах данной теплой влажной воздушной массы при сильно развитой конвекции. Наиболее распространенной внутримассовой грозой является тепловая гроза. Тепловая гроза возникает в кучеводождевых облаках обычно летом в дневное время и прекращается вечером. Перемещаются такие грозы по направлению, близкому к направлению ветра на средних высотах, со скоростью 5-20 км/ч. Для этого типа гроз характерно то, что, перемещаясь над землей, нагретой солнцем, они усиливаются, а попадая в районы с более холодной подстилающей поверхностью, ослабевают или совсем прекращаются. Особенно сильные тепловые грозы наблюдаются во влажных субтропиках и в экваториальной полосе. Внутримассовые грозы редко продолжаются более 2 ч., генерируя менее 100 разрядов на площади около 450 кв.км [3]. Разновидностью внутримассовых гроз также является орографические грозы, обусловленные подъемом неустойчивого воздуха вдоль склонов гор. Эти грозы наблюдаются в определенных географических районах и возникают чаще всего на наветренных склонах гор. Турбулентность, вызванная такой грозой, усиливается механической турбулентностью, возникающей при переваливании воздушным потоком горного хребта. Такой эффект называется эффектом подпруживания. Фронтальные грозы в большинстве случаев образуются на холодных фронтах, движущихся с севера, северо-запада, запада, реже, преимущественно в ночные часы, над теплыми фронтами. Иногда, в основном при прохождении быстро развивающихся холодных фронтов, возможны так называемые сухие грозы, не сопровождающиеся выпадением осадков. Сухие грозы и вызывают чаще всего лесные пожары. Грозы на холодных фронтах - наиболее частые, возникают в результате интенсивного вытеснения теплого воздуха подтекающим под него холодным воздухом. При этом холодный воздух поступает на более теплую подстилающую поверхность, увеличивая свою неустойчивость. В результате на холодном фронте в теплое время года образуются мощные грозовые облака. Грозы на холодных фронтах на суше усиливаются во второй половине дня, а также при подходе фронта к горному хребту, и ослабевают во второй половине ночи и утром. Также существуют грозы на вторичных холодных фронтах. Вторичный фронт поверхность раздела внутри горизонтально неоднородной холодной воздушной массы, за которой вторгается более холодная часть этой массы. Вторичный холодный фронт наблюдается в тылу циклона за основным холодным фронтом. В различных районах соотношение фронтальных и внутримассовых гроз не одинаковое. Для европейской части России и Сибири 2/3 гроз являются фронтальными [4]. В работе [1] было определено, что наибольшая повторяемость гроз для Западной Сибири связана с фронтами (57-73%), чаще всего с холодными (35-43%). Исследования гроз показало, что характерным единичным образованием в них является отдельная «ячейка», являющаяся локализованной областью с большим электрическим потенциалом. Грозовое облако обычно состоит из нескольких таких отдельных ячеек. Средний радиус основания такой ячейки 10 приблизительно составляет 2 км [5]. Вершина ячейки в средних широтах расположена на высотах 8-12 км. Полный цикл жизни конвективной ячейки составляет около часа, длительность стадии зрелости равна 15-30 мин, стадии затухания около 30 мин. Гроза, продолжающаяся несколько часов, является результатом деятельности нескольких конвективных ячеек. Кононов в [6] предлагает считать грозовой ячейкой область, в которой наблюдаются молниевые разряды, расстояние между которыми не превышает 3-5 км. Грозовым очагом предлагается называть облачную систему, включающую одну или несколько ячеек, расстояние между которыми не превышает 30 км. Процесс развития ячейки состоит из трех хорошо различимых стадий. На первой «кучевой» - стадии вертикальные воздушные токи направлены повсюду вверх, и облака претерпевают отчетливое вертикальное развитие. Скорости вертикальных воздушных потоков могут при этом достигать 15 м/с. На этой стадии из облака не выпадают никакие осадки, даже если процесс зарождения осадков уже начался. Вторая стадия - «стадия зрелости» - начинается, когда частицы осадков вырастают до таких размеров, что начинают выпадать из облака. Скорости восходящих воздушных потоков заметно превышают скорости, соответствующие кучевой стадии, и в центре ячейки могут достигать 30 м/с. Разумеется, частицы осадков не могут падать вниз внутри таких потоков и выпадают только в тех областях, где восходящие потоки слабее. Осадки по мере выпадения все более увлекают за собой воздух, так что наряду с восходящими потоками образуются и нисходящие токи. Именно на этой стадии происходят разряды молний и достигают максимальной интенсивности другие грозовые явления. На конечной стадии - «диссипации» - восходящие потоки воздуха исчезают, и нисходящие движения воздуха охватывают всю ячейку. Полное время жизни ячейки обычно несколько меньше 30 мин, причем, за это время 11 исчезают все эффекты, как электрические, так и другие, хотя одновременно может возрастать активность другой ячейки [2]. В работе [7] предложен физический механизм зарождения и развития грозового облака. Отличительной особенностью механизма является то, что основным генератором разноименных электрических разрядов в облаке являются сильно разветвленные и сильно ионизированные каналы молний, а необходимые для зарождения облака и первых молний разноименные заряды образуются в воздухе космическими лучами и естественной радиоактивностью земли. Зарождение и развитие грозовых облаков происходит в тропосфере, которая всегда ионизирована. Основным источником ионов являются галактические космические лучи. На высотах до ~3 км воздух ионизируют радиоактивные элементы, находящиеся на поверхности земли и в приземном слое атмосферы. [8] Прохождение грозы над местностью, как правило, сопровождается довольно значительными изменениями в ходе метеорологических элементов в приземном слое воздуха. Это выражается в падении температуры, повышении влажности воздуха, резких изменениях атмосферного давления, силы и направления ветра. В 1978 г. были проведены наблюдения за грозовой деятельностью с помощью сети грозорегистраторов ГГО [9]. Радиус действия составлял 100 км. Среднее число разрядов в час на одну станцию составляло для всей сети 15. Основная доля всех гроз имела продолжительность от 4 до 9 ч. Было обнаружено усиление грозовой активности с увеличением толщины облаков, понижением температуры на верхней границе облака и возрастанием вертикального потока. Также усиление происходило при возрастании удельной влажности у поверхности земли и на уровнях 850 и 700 мбар. Обобщенные данные по грозовой активности в Якутии изложены в ряде монографий [10, 11, 12, 13]. 12 1.1.2. Пространственное распределение гроз Грозы как и облачный покров, имеют широтную зависимость. Наибольшее количество гроз приходится на тропические районы. С продвижением к полюсам число гроз уменьшается [14], но при этом увеличивается относительное количество разрядов на землю. Формула для доли разрядов на землю в зависимости от широты имеет следующий вид:0.1 + 0.35sin<р, где ср- широта. В работе [15] была предложена эмпирическая формула, характеризующая зависимость процента облачных разрядов р0 от широты <р: ;?0«90-- , в которой ср выражено в градусах, а величина р0 берется по отношению к общему числу разрядов обоих типов. Дальнейшее уточнение формулы , которое было сделано Прентисом и Макеррасом [16], для интервала 0 < ^ < 60" привело к следующему выражению: г(о/з)& 4.16 + 3.16cos3 >25 >50 >100 >150 >200 >300 >400 >500 >7S0>1000 количество разрядов 12 апреля, 1995 - 31 декабря, 1999 Рис. 1.1. Карта распределения грозовых разрядов на Земле по данным спутника OTD (NASA) (США) [18]. 13 Места с повышенным уровнем грозовой деятельности называют грозовыми очагами. Различают мировые и местные грозовые очаги. В мировых очагах грозовая деятельность имеет наиболее высокую на Земле интенсивность. В год более 100 дней с грозой. В местных же очагах число дней меньше 100, но превышает уровень грозовой деятельности на остальной территории не менее, чем на 10 дней с грозой за год. Существует несколько мировых очагов. Они расположены в экваториальной части Африки, Южной Америки и Юго-Восточной Азии. Местоположение грозовых центров меняется в зависимости от времени года, смещаясь на более высокие широты (см. рис 1.1, 1.2 [18]). В умеренных широтах в течение года грозы наблюдаются 10-30 дней над сушей и 5-10 дней над морем. В полярных широтах - грозы единичное явление. Наблюдения за грозовой активностью с помощью прибора OTD Сентябрь, Октябрь, Ноябрь 1995 Декабрь 1995, Январь 1996, Февраль 1996 -...<. асе* o.*i sплотность рюрлдор ^ р«зрлд/>м /м«сщ ) вз си Брики >.&> аЖ эЖ Рис. 1.2. Сезонные изменения в распределении гроз на Земле по данным спутниковых наблюдений числа грозовых разрядов OTD (NASA) (США) в 1995-1999 гг. [18]. В [19] выявлены особенности географического распределения гроз в Якутии. Повторяемость гроз уменьшается с юга на север (широтная 14 зависимость). Были выделены три района повышенной грозовой деятельности (Рис 1.3): а) южная горная часть Якутии; усиление грозовой активности определяется орографическими эффектами и относительно высоким радиационным балансом (широтный эффект) (18-19 дней с грозой в год) б) горная и предгорная части Верхоянского хребта (9-10 дней) в) юго-восточная горная часть Якутии; увеличение гроз связывается с влиянием орографии при восточном переносе воздушных масс (9-10 дней). Два района с относительно малым числом гроз. Они связаны с пониженными формами рельефа (высотная поясность) и расположены по долинам рек: а) средняя часть долины р. Лены (5-8 дней) б) район Оймяконской впадины (6 дней) Грозовая деятельность в этих районах обусловлена орографическими эффектами. Следует отметить, что в работе [19] для составления грозовых карт были использованы не только наблюдения, но и расчетные значения числа гроз. Это обусловлено низкой плотностью метеорологической сети в Якутии. Рис. 1.3. Карта распределения годового числа дней с грозой в Якутии [19]. 15 Рис. 1.4. Траектории движения циклонов. Группа 1 - циклоны, смещающиеся с запада на восток с Карского моря на побережье моря Лаптевых. Группа 2 -циклоны, смещающиеся вдоль 60-й и 65-й параллелей со среднего течения Енисея к Верхоянскому хребту. Группа 3 - циклоны, движущиеся с верховьев Оби на север Байкала. Группа 4 - циклоны, смещающиеся с Казахстана на север Байкала и далее на юг Якутии. Грозы, связанные с фронтами этих циклонов, наблюдаются в Иркутской области и в южных районах Якутии. Группа 5 - циклоны, движущиеся с районов Алма-Аты вдоль 45-й параллели. Группа 6 циклоны, перемещающиеся с юга Байкала на юг Якутии, где в тыловой части на вторичных холодных фронтах развивается грозовая деятельность. В этой работе также представлены основные траектории движения циклонов по Восточной Сибири (рис 1.4). В северную часть Якутии циклоны в основном приходят с северо-запада. В центральную - с запада, северо-запада и юго-запада. А в южную - с запада и юго-запада. Циклоны с южного и восточного направления редки из-за горных хребтов, расположенных в восточной Якутии и препятствующих прохождению воздушных масс с Охотского моря, как отмечено в [20], где также приведены траектории движения циклонов в Восточной Сибири, аналогичные описанным выше. Увеличение повторяемости гроз в предгорьях Верхоянского хребта объясняется 16 Список литературы
