О ЗАДАЧАХ И РЕЗУЛЬТАТАХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО МЕГАГРАНТУ

«МОЛНИИ И ГРОЗЫ: ФИЗИКА И ЭФФЕКТЫ»

Е.А. Мареев 1 , В.А. Раков 1,2 , Н.А. Богатов 1 , А.Ю. Костинский 1,3 , В.С. Сысоев 1,4 , Ю.В. Шлюгаев 1 , М.Г. Андреев 1,4 , C.В. Анисимов 1,5 , М.У. Булатов 1,4 , А.А. Булатов 1 , Е.М. Володин 1,6 , В.М. Готлиб 1,7 , М.Е. Гущин 1 , С.С. Давыденко 1 , С.О. Дементьева 1 , М.С. Долгоносов 1,7 , А.А. Евтушенко 1 , Н.В. Ильин 1 , Д.И. Иудин 1,8 , А.В. Калинин 1,8 , В.В. Клименко 1 , А.В. Костров 1 , Ф.А. Кутерин 1 , Л.М. Макальский 1,4 , Н.Н. Слюняев 1 , С.П. Смышляев 1,9 , Д.И. Сухаревский 1,4 ,М.В. Шаталина 1

1 Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород 2 Университет Флориды, Гейнсвилл, США 3 Высшая школа экономики, Москва 4 Высоковольтный научно-исследовательский центр ВЭИ, Истра 5 Геофизическая обсерватория «Борок» ИФЗ РАН, Борок 6 Институт вычислительной математики РАН, Москва 7 Институт космических исследований РАН, Москва 8 Нижегородский государственный университет 9 Российский государственный гидрометеорологический университет

Мотивация (фундаментальные проблемы)

        молния: проблема инициации; молния: формирование лидера, возвратный удар и М компонента; 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

ρ, Кл/м 3 z, дм

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 м 3 ; электрическое поле не превышает 10 6 В/м)

(Давыденко, Иудин, Костинский, Сысоев

) x, дм

Моделирование электрической структуры униполярного аэрозольного облака

ρ, Кл/м 3

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 м 3 ; электрическое поле не превышает 10 6 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

z, дм x, дм y, дм

(Давыденко, Иудин, Костинский, Сысоев)

Моделирование электрической структуры униполярного аэрозольного облака

E, В/м

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 м 3 ; электрическое поле не превышает 10 6 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

z, дм y, дм x, дм

Результаты моделирования с самосогласованным полем

Данные РЧА (спутник Чибис) 22

Наблюдательная сеть в Нижегородском регионе 23

Грозопеленгатор ы, флюксметры на 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 же отношения, усредненные по обоим пунктам и сглаженные по 16 гармоникам.

Средняя спектральная плотность по данным обоих пунктов регистрации – 1; 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.wrf model.org) Примеры расчетов: Давление и осадки на территории США Радиолокационная отражаемость тайфуна Мавар (Mawar)

Прогноз молниевой активности

index way WRF Output parameters microphysic s our way q graupel charge for graupel



gr



q gr

max

q gr

max

Q gr

 max

Q gr

 max

n gr

,  1  10  11

Кл

,

n

max

gr

 200

м

 3

charge for ice

 

ice

 

q ice q

max

ice

 neutrality factor, 

V



gr

dv  

V



ice

dv

q ice V Indexes: LPI CAPE KI CPTP Poisson equation

    1  0  

gr

 

ice

 Boundaries  (

z

 (

z

 0 )  0  :

z

max )  250 kV 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 n

  (

j n cond



j n prec



j n cor



j n conv

)

ds

 0

Q



Q

FW 

Q

Th 

Q

FW  1    0 / 1 

Electric energy balance in GEC. Lifetime of electrical energy in the circuit



E



W E

/

P E

   11    35

Облако в глобальной цепи

Параметризация ионосферного потенциала

V i

  0

S E

0 exp(  

z H

0      

z H

0 )  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