Грозовое электричество и мониторинг опасных метеоявлений

В ИПФ РАН в тесной кооперации с научными учреждениями Росгидромета изучаются универсальные механизмы и пространственно-временные характеристики быстроразвивающихся явлений в атмосфере (разрушительные ливни, грозы, град) с целью оптимизации технологий их предупреждения путем оперативного анализа данных различных систем дистанционного зондирования атмосферы.

В последнее время проблема построения систем предупреждения об опасных атмосферных явлениях, и в частности грозовых явлениях, привлекает повышенный интерес геофизиков и метеорологов. Наряду с традиционными проблемами, создаваемыми грозовым электричеством (выведение из строя систем электронного обеспечения, воздействие на авиацию, пожароопасность), и совершенствованием методов их контроля все большее внимание привлекают проблемы электромагнитного загрязнения и его воздействия на экосистемы и человека. Существенно меняются представления о роли электрических процессов в динамике и формировании состава атмосферы. Появились экспериментальные данные, полученные с помощью баллонного зондирования облаков, измерений на борту самолетов, наблюдений посредством наземных и спутниковых радарных систем, экспериментов по инициированию грозового разряда, лабораторного моделирования процессов электрификации облачных частиц. Получены обширные данные по динамике и заряду осадков, выпадающих из грозовых облаков. Теоретический анализ этой новой информации требует и новых подходов, базирующихся на современных методах электродинамики, нелинейной динамики, фрактальной и дискретной математики.

В рамках данного направления решаются следующие основные задачи:

• изучение взаимосвязи атмосферного электричества с частотой и интенсивностью экстремальных климатических явлений (ливни, шквалы, ураганы, пожары);
• создание моделей, позволяющих описывать динамику грозовой облачности и формирование зон интенсивных осадков в облачных системах на основе анализа данных радиолокационного (активного) зондирования;
• создание моделей, позволяющих описывать развитие разряда молнии в грозовом облаке на основе анализа радиоизлучения грозового облака на различных стадиях молниевого разряда, регистрируемого системами пассивной КВ- и УКВ-радиолокации;
• исследование корреляционных связей между режимом устойчивости атмосферы, динамикой выпадения осадков и эволюцией электрического состояния атмосферы с помощью применения методов фрактального анализа и самоорганизованной критичности;
• разработка методов мониторинга грозовой активности в региональном масштабе путем приема СДВ- и КВ-излучения гроз и измерения квазистатического электрического поля в атмосфере.

В последние годы сотрудниками ИПФ (Е. А. Мареев, Д. И. Иудин, Ю. В. Шлюгаев, В. В. Клименко и др.) в широкой кооперации с российскими коллегами получены новые результаты.

На основе длительных (в течение конвективных сезонов 2005–2010 гг.) наземных измерений электрического поля в разнесенных пунктах изучены основные особенности спектральных характеристик возмущений поля грозовых облаков. Выявлено, что по спектрам возмущений поля грозового облака на земле можно определять среднее время релаксации поля внутриоблачной среды (типичное значение составило 10 с) и ее эффективную проводимость.

Обнаружены квазимонохроматические (с периодами 10–20 мин.) составляющие в частотных спектрах флуктуаций электрического поля мощных грозовых облаков, дрейфующие по частоте в процессе зарождения, активизации и распада облака. В спектрах флуктуаций частоты электрических разрядов также присутствуют квазимонохроматические компоненты, коррелирующие с колебаниями электрического поля. Количество монохроматических компонент в спектре связано с числом конвективных ячеек, что открывает возможность дистанционной диагностики электроактивных зон мощных грозовых облаков.

Большое внимание уделяется изучению интенсивных грозовых явлений, сопровождаемых ливнями, шквалами и градом. Наряду с непрерывными измерениями электрического поля в трех пунктах использована оригинальная методика измерения числа грозовых часов в сутках, основанная на регистрации радиоизлучения СДВ-диапазона (сфериков) ближних и дальних гроз. Наблюдения, проведенные в 2009–2011 гг., показали, что число грозовых часов в сутках коррелирует со средней температурой воздуха и служит количественным показателем интенсивности конвективных процессов в атмосфере как в среднеклиматических условиях, так и в условиях аномально жаркой и сухой погоды.

В последнее время особое внимание уделяется изучению климатических трендов грозовой активности. Наблюдения сезонов 2009–2011 гг. подтверждают гипотезу о том, что средний рост температуры воздуха в тропосфере приводит к усилению интенсивности гидрологического цикла, но при этом общий рост количества осадков над сушей проявляется, прежде всего, в увеличении количества интенсивных ливней, гроз и шквалов.

Разработана модель, позволяющая описывать динамику электрической структуры и формирование интенсивных зарядовых слоев в облачных системах. Модель основана на системе уравнений квазигидродинамики основных фракций системы с учетом электризации при таянии облачных частиц. Полученные решения описывают структуру и динамику областей электрического заряда в стратифицированной области слоисто-дождевых облаков и мезомасштабных конвективных систем.

Разработаны основы модели, позволяющей описывать динамику грозовой облачности и формирование зон интенсивных осадков с использованием данных радиолокационного зондирования и пассивной СДВ- и КВ-радиолокации атмосферы. Выявлено, что изменения фрактальной размерности радиолокационного изображения имеют высокий уровень корреляции с вариациями интенсивности радарного эха и грозовой активностью, и это может быть использовано для оперативного мониторинга зон интенсивных осадков и электроактивных зон в облачных системах.

Проанализированы физические механизмы, приводящие к генерации оксидов азота в атмосфере во время грозовых разрядов в тропосфере и средней атмосфере, и выполнены оценки влияния этого процесса на состояние климатической системы. С помощью химико-климатической модели высокого разрешения и с учетом обратных связей между изменениями состава и структуры атмосферы доказана климатологическая значимость грозовой продукции окислов азота. Показано, что содержание озона меняется в несколько раз при изменении скорости грозового образования окислов азота в рамках естественной неопределенности. Увеличение окислов азота грозового происхождения ведет к существенному увеличению гидроксильного радикала в тропосфере.

Разработана трехмерная модель фрактальной динамики микроразрядов в грозовом облаке, образующих дренажную систему для сбора электрического макрозаряда и определяющих формирование лидерного канала молнии. Модель позволяет количественно объяснить динамику электрических полей и токов, а также характеристики радиоизлучения на предварительной стадии грозового разряда.

Методы, разрабатываемые в рамках данного направления, необходимы для решения многих практических задач, включая внедрение новых систем мониторинга окружающей среды, совершенствование систем молниезащиты, создание новых энергосберегающих технологий, решение задач электромагнитной совместимости, совершенствование методов долгосрочного и краткосрочного прогноза и др.