Экспериментальное исследование распространения атмосфериков и динамики мировой грозовой активности

Экспериментальное исследование распространения атмосфериков и динамики мировой грозовой активности

Т = 0.25 + 0.04 + 0.25 = 0.54 сек.

Таким образом, в зависимости от предыстории, минимальные интервалы между соседними зарегистрированными импульсами могут лежать в пределах от Т = 0.29 сек до Т = 0.54 сек.

Полученные значения мертвого времени приемника, равное минимум 0.29 сек можно использовать, чтобы сделать вывод о возможности регистрации повторных возвратных разрядов в молнии. Медианные значения времен задержки между последовательными ударами в многократных возвратных разрядах, лежат в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен миллисекунд [76, 52, 44], следовательно, наша система регистрирует молнию, как единичное событие, независимо от количества пробоев в ней.

Известно, что поток естественных электромагнитных импульсов хорошо описывается пуассоновской моделью, имеющей распределение Эрланга для интервалов между моментами прихода соседних импульсов. Следовательно, приведенные выше величины мертвого времени не годятся для прямой оценки процента потерь во входном потоке. Чтобы рассчитать процент потерь, необходимо учитывать случайный характер входного потока импульсов, а также двухступенчатую схему работы регистрирующей аппаратуры (ввод-обработка). В связи со сложностью теоретического анализа такого процесса было проведено моделирование на ЭВМ, при котором логика взаимодействия буферного устройства и компьютера была реализована программным способом. Входным потоком служили предварительно сформированные массивы случайных задержек между импульсами, имеющих экспоненциальное распределение и различные средние значения.

В Табл.3.2.1. приведены результаты модельного эксперимента. Здесь в первой колонке указаны величины выходного потока (т.е. количество зарегистрированных импульсов), во второй колонке - процент потерь, соответствующий пуассоновскому входному потоку атмосфериков.

Приведенные выше результаты численного эксперимента дают оценки количества пропущенных импульсов при регистрации модельного пуассоновского потока с помощью аппаратуры с буферизацией входных импульсов, характеризующейся конечной скоростью обработки каждого импульса. Как правило величины выходных потоков, наблюдавшиеся в эксперименте, составляли от 2000 до 4000 имп/час, что отвечает потерям от 10% до 23%. Учитывая представленные в Табл. 3.2.1 значения систематических погрешностей, можно "достроить" верхнюю границу потока.

Оценим теперь влияние величины выбранного порога на вид суточного хода интенсивности реального потока атмосфериков.

Зависимости регистрируемых потоков импульсов от величины порога срабатывания приемника изучались многими авторами ( см. [44, 52, 28, 35] и литературу к ним). Данные в этих работах представляют собой усредненные интегральные распределения и относятся к различным географическим регионам, разным временам суток и сезонам. К сожалению, литературные данные, как правило, не содержат интересующего нас параметра, здесь обычно используются координаты порог - вероятность превышения сигналом этого порога. Исключение составляет только [35], где проводился подсчет числа принятых импульсов. Однако, прямые сопоставления с нашими данными затруднены из-за того, что в этой работе для измерений применялась аппаратура с различными параметрами (такими, как постоянная времени регистрации dt, полоса частот и т.п.). Например, значения dt составляли 10 мксек, 1 мсек или 10(14) мсек. Эти значения dt, естественно, не гарантируют отсутствие срабатываний от повторных ударов в молнии, средние интервалы между которыми по данным [69] лежат в пределах от 50 до 200 мсек.

Пользуясь упомянутыми литературными данными, очень сложно провести прямое сопоставления соотношений величин потоков и порогов для конкретной обстановки, ожидаемой в акватории Индийского и Атлантического океанов. Поэтому нами в ходе измерений был проведен двухпороговый эксперимент, в результате которого были построены суточные вариации потока атмосфериков при двух различных порогах: Е - стандартном и Е = Е /4 - редуцированном значениях.

Для оценки значений N(t,Е ) применялась методика, исключающая пропуски импульсов, которые возрастают при уменьшении порога. Методика измерений заключалась в следующем. Вначале, в течение десяти минут для каждого сорокаминутного отсчета в суточном ходе строилась гистограмма амплитудного распределения J(Е) атмосфериков при редуцированном пороге срабатывания E . При измерении амплитудного распределения брались максимальные по модулю значения в каждом импульсе. Следующие 30 минут поток измерялся в стандартном режиме, т.е. при Е . При этом предполагалось, что в течение сорокаминутного интервала времени статистические параметры потока атмосфериков остаются неизменными. Оценку ожидаемого уровня потока атмосфериков при редуцированной величине порога срабатывания Е можно получить по следующей формуле:

N(t,E )= N(t,E ) I /I ,

где N(t,E ), N(t,E ) - значения потока для стандартного и редуцированного порогов; I , I - количества атмосфериков, амплитуда которых превышает соответственно E и E . Значения I , I вычисляются с помощью измеренной функции амплитудного распределения J(Е) через определенные интегралы вида :

I = J(Е)dЕ; I = J(Е)dЕ.

Результаты измерений, проведенных 21 апреля 1991 г., полученные вблизи западного побережья Африки, приведены на Рис.3.4. Здесь по оси абсцисс отложено московское время t, по оси ординат - количество импульсов N(t,Е) в логарифмическом масштабе, зарегистрированных за получасовой интервал. Нижняя кривая соответствует реально измеренному потоку при стандартном значении порога Е . Верхняя кривая, обозначенная значками ++, соответствует оценкам значений потока при редуцированном пороге Е . Видно, что по форме полученные зависимости отличаются незначительно. Величина сдвига вдоль ординаты между отсчетами приблизительно постоянна и равна ``= 3, т.е., при уменьшении порога срабатывания в 4 раза оценка ожидаемого потока дает трехкратное увеличение потока. Проведенные модельные эксперименты, подкрепленные результатами измерений реальных потоков импульсов позволили оценить погрешность регистрации потока атмосфериков за счет ограниченного быстродействия регистрирующей аппаратуры. Максимальная погрешность, соответствующая выходному потоку в 6000 имп/час, который достигался в измерениях, не превышала 32 % .

3.3 Постановка эксперимента

Измерения азимутальных распределений и вариаций интенсивности потока СДВ-атмосфериков проводились на борту научно-исследовательского судна (НИС) "Академик Вернадский" в 42-ом рейсе в период с февраля по апрель 1991 г. Вертикальная электрическая антенна была вынесена на верхнюю точку грот-мачты судна. Две ортогональные магнитные экранированные воздушные рамочные антенны, укрепленные на станине высотой 2.5м. были установлены на верхней (пеленгаторной) палубе по правому борту судна и ориентированы соответственно вдоль и перпендикулярно курсу судна. По кабелям длиной около 100 м. сигналы с электрической и магнитных антенн подавались на вход приемника универсального комплекса, установленного в лаборатории.

Измерение пеленгов велось круглосуточно. Зарегистрированные данные обрабатывались с помощью компьютера и по результатам обработки строились гистограммы азимутальных распределений, накопленных в течение часового (с 12 по 17 февраля) или получасового интервала (все остальное время). Всего за сутки получалось 24 или 48 гистограмм азимутальных распределений и столько же отсчетов в зависимости количества принятых атмосфериков. Пеленг определялся с помощью вектора Умова - Пойнтинга по наиболее мощной высокочастотной начальной части зарегистрированного атмосферика длительностью 2.56 мсек в широкой полосе. Разрешение по азимуту при построении гистограмм составляло 5 . Путем подсчета общего количества зарегистрированных импульсов за те же стандартные интервалы времени измерялись вариации интенсивности потока атмосфериков. Полученные гистограммы и значения потока записывались в виде файлов данных на гибкие магнитные диски и использовались для дальнейшей обработки. Информация о курсе и координатах корабля, необходимая для вычисления азимута прихода атмосферика в географической системе координат, поступала от штурманской службы и регистрировалась в лабораторном журнале.

В Табл.3.3.1 приведены основные данные, описывающие условия проведения морских измерений на борту научно-исследовательского судна "Академик Вернадский". В первой колонке приведены даты наблюдений. Две последующие колонки содержат координаты судна на 12 часов московского времени, причем сначала идет широта (градусы и минуты), а затем - долгота точки наблюдения в тех же единицах измерения. В двух последних колонках приведены моменты локальных восходов и заходов солнца над пунктом приема. Временные данные Табл.3.3.1 приведены в московском декретном (а не летнем) времени.

Табл. 3.3.1. Координаты моменты восходов и заходов по маршруту НИС "Академик Вернадский" в 42 рейсе.

3.4 Результаты измерений вариаций плотности потока СДВ-атмосфериков

На Рис.3.5.а, приведен пример суточного хода интенсивности потока атмосфериков, зарегистрированных в течение 30 и 31 марта 91 г. Здесь вдоль оси х отложено московское время, а по оси y - количество импульсов. Нижняя кривая на графике соответствует реально измеренному потоку, в то время, как верхняя построена с учетом максимальных потерь при регистрации за счет ограниченного быстродействия регистрирующей аппаратуры (см. Табл.3.2.1). Таким образом, истинное значение плотности потока лежит между этими двумя кривыми.

В это время корабль находился в непосредственной близости от юго-восточного побережья Африки и Мадагаскара (см. карту с маршрутом судна, Рис.3.1). В этом фрагменте наблюдаются хорошо выраженные повторяющиеся от суток к суткам максимумы в плотности потока атмосфериков, приходящиеся на 18 часов Мск. Это время согласуется с максимумом активности Африканского мирового грозового центра согласно данным на Рис.3.6, где приведены усредненные по многолетним метеонаблюдениям суточные кривые интенсивности мировых грозовых центров [34]. Временная зависимость потока СДВ импульсов отличается наличием плато, следующего после главного максимума. Положение этого плато совпадает с американским максимумом, тем не менее, как будет показано ниже измерениями азимутов прихода атмосфериков, оно относится к ночной грозовой активности Африки. Минимум активности приходится на период с 6 до 13 часов Мск.

Вариации интенсивности потока атмосфериков, измеренные в другой точке ( вблизи Конакри, Гвинея ) за период 17-19 апреля, приведены на Рис. 3.5.б. По сравнению с графиками на Рис. 3.5.а эти зависимости имеют более сложную структуру, обусловленную влиянием не одного, а двух мировых грозовых центров - Африканского и Американского.

Обзорные графики вариаций интенсивности общего потока атмосфериков за весь период наблюдений приведены на Рис. 3.7 а-ж в верхней части. Цифры между графиками указывают дату измерений. В данных, измеренных за период 12-17 февраля (Рис.3.7.а) наблюдается ограничение уровня потока, вызванное низкой скоростью алгоритма обработки данных. Начиная с марта эта скорость была увеличена почти на порядок, что позволило в дальнейшем достоверно оценивать динамику вариаций потока. Именно для этого случая в п. 3.2 были приведены оценки потерь. На этих же рисунках приведены зависимости парциальных потоков из секторов, охватывающих мировые грозовые центры, а на нижних графиках - суточные зависимости азимутальных центров тяжести потоков из этих секторов. Чтобы не загромождать графики, на них приведены нижние оценки интенсивности потока, т.е. значения, полученные в измерениях.

Из проведенных измерений можно сделать следующий вывод: потоки варьируют в течение суток; эти вариации легко интерпретируются изменением активности континентальных грозовых центров; иных грозовых центров, кроме континентальных не наблюдается.

Известно, что в области сверхнизких частот (СНЧ) ( Шумановские резонансы и выше) уровень шума вследствие малого затухания определяется глобальной грозовой активностью Земли. В связи с этим, представляет интерес сравнить вариации интенсивности потока СДВ атмосфериков с вариациями уровня шума на СНЧ. Такие измерения были проведены 1 и 4 апреля 1991г. на участке маршрута " Академика Вернадского ", охватывающем южную оконечность Африки. Данные по уровням СНЧ шумов были предоставлены П.Г.Фурманом и В.К.Муштаком из исследовательской группы Санкт-Петербургского университета, работавшими по собственной программе одновременно с автором на борту НИС "Академик Вернадский" и любезно согласившимися провести совместные измерения в течение указанных суток.

На Рис.3.8 жирной кривой в относительных единицах представлены графики суточных вариаций амплитуды электрического поля в атмосфере <|E(t)|> вблизи 100 Гц, а тонкой линией интенсивность потока СДВ- атмосфериков N(t) за 1 и 4 апреля 1991г. Отсчеты <|Е(t)|> и N(t) представляют собой усредненные за 24 минуты значения. Время t - московское, которое 1.4.91 совпадает с местным, а 4.4.91 - на 1 час отстает от местного времени.

Из сравнения кривых видно, что в вечерние и утренние часы (период активности Африканских мировых грозовых центров) наблюдается хорошее совпадение хода средней спектральной плотности шума на СНЧ и плотности потока атмосфериков. Для оценки связи были рассчитаны коэффициенты линейной регрессии.

Сравнение коэффициента пропорциональности A между уровнем СНЧ шума и интенсивностью потока СДВ-атмосфериков за разные периоды измерений указывает на стабильность линейной связи от суток к суткам. В то же время, из графиков видно, что эта пропорциональность нарушается в периоды минимальной интенсивности потока атмосфериков. Это нарушение пропорциональности объясняется тем, что за счет малого затухания при распространении в полости Земля - ионосфера уровень регистрируемого шума на СНЧ определяют области грозовой активности, охватывающие всю Землю, в то время , как на СДВ дальность приема ограничена большим затуханием, а также фиксированным уровнем срабатывания входного порогового устройства и ограниченной скоростью регистрации. Таким образом, проведенные сопоставления показывают, что в течение суток существуют периоды в течение которых наблюдается значительная корреляция между интенсивностью потока СДВ атмосфериков и уровнем естественных электромагнитных полей СНЧ диапазона. Это обстоятельство позволяет прогнозировать величину СНЧ шума по измерениям потока СДВ атмосфериков.

По результатам измерений вариаций интенсивности общего потока атмосфериков можно сделать следующие выводы:

Интенсивность потока СДВ атмосфериков может варьировать в течение суток от 2 до 10 раз.

Максимальные значения интенсивности потока за весь период измерений, с учетом систематической погрешности, находились в пределах от 1100 (открытый океан)до 3800 (Гвинейский залив, Конакри) импульсов за получасовой интервал.

Положение пиков интенсивности общего потока в суточных вариациях хорошо привязывается к периодам максимальной активности континентальных мировых грозовых центров.

Суточный ход интенсивности потока, формируемого Африканским центром, отличается наличием плато, характеризующего ночную континентальную грозовую активность.

3.5 Вариации пеленгов источников СДВ атмосфериков

Данные о направлениях прихода атмосфериков накапливались в виде гистограмм. Пара гистограмм W(A), которые проясняют вклад в общий поток атмосфериков (Рис. 3.5.б, стр. 108), приходящих с различных направлений, приведена на Рис. 3.9. Моменты времени измерений помечены стрелками (1 и 2) на Рис. 3.5.б. Вдоль оси х на гистограммах отложен географический азимут прихода атмосфериков ( с учетом ориентации судна) и отмечены направления сторон света. По оси y отложено количество импульсов, принятых в каждом из 72 стандартных секторов шириной 5 градусов. Из сопоставления рисунков видно, что утренний пик в зависимости N(t) на Рис.3.5.а (помеченный цифрой 2) порожден американскими грозами, в то время, как вечерний максимум (помеченный цифрой 1) обусловлен источниками африканского континента.

Результаты измерений пеленгов в Индийском океане показали, что постоянно существуют два преобладающих направления прихода атмосфериков, которые согласуются с местоположением континентальных мировых грозовых центров. Этот факт демонстрируется на Рис.3.10, где приведены усредненные за сутки азимутальные распределения в полярной системе координат, построенные по результатам измерений 14-17 февраля и 12-15 марта. Видно, что хотя основная часть потока сосредоточена в достаточно узких секторах, структура азимутальных распределений имеет многомодовый характер. Тем не менее, чтобы оценить пеленги и характерные размеры мировых грозовых центров, определим средние значения и их дисперсии по азимутальным распределениям за указанные интервалы времени. Средние значения пеленгов <A > и дисперсии s для k-го сектора вычислялись из полученных экспериментально гистограмм W(A) по следующим формулам:

Суммирование по i производилось в пределах соответствующего сектора. Полученные результаты усреднения гистограмм азимутальных распределений представлены на Рис.3.11. Стрелками здесь отмечены средние направления на мировые грозовые центры и их угловые размеры, характеризуемые среднеквадратичными отклонениями.

Чтобы проследить динамику угловых распределений направлений прихода атмосфериков в течение суток и более, были построены трехмерные профили азимутальных распределений, показанные на Рис.3.12 и 3.13.

Специфической особенностью этих азимутальных распределений является очень высокая стабильность расположения максимумов W(A) относительно оси направлений. В течение суток могут наблюдаться изменения уровня максимумов и даже их исчезновение, однако, временные изменения в их угловом положении очень малы. Здесь азимутальные распределения за 15 февраля 1991 г. построены в координатах азимут, время и W(A). Направления на север, восток, юг, запад помечены вдоль абсциссы, метки вдоль ординаты соответствуют 6-часовым интервалам времени. Как можно видеть, максимумы в распределениях W(A) занимают одни и те же угловые положения в течение всего дня, в то время как их амплитуда существенно изменяется.

Азимутальная стабильность еще более заметна на длительных интервалах времени,(см. данные с 14 по 17 февраля, приведенные на Рис.3.13). Данные на этом рисунке представлены в том же виде, что и на Рис.3.12., только каждая кривая соответствует азимутальному распределению источников, усредненному за четырехчасовой период. Результаты четырех последовательных суток показаны вместе с датами.

Из приведенных графиков видно, что основная часть потока атмосфериков сосредоточена в секторах, охватывающих континентальные и островные области, а в течение суток происходит перераспределение активности между ними. Чтобы оценить динамику активности мировых грозовых центров, была проведена обработка данных, с помощью которой общий поток был разделен по этим секторам и парциальные значения потока представлены на обзорных графиках 3.7 а-ж наряду с общим потоком (Общий) кривыми, помеченными соответственно Африка, Америка, Азия, Мадагаскар. В нижней части этих рисунков изображены графики вариаций азимутов, указывающих направление на центры тяжести азимутальных распределений, ограниченных соответствующими секторами и их среднеквадратичных отклонений.

3.6 Интерпретация полученных результатов

Результаты морских измерений убедительно показывают, что глобальная грозовая активность порождена источниками, которые располагаются на суше, при этом доминирующая роль в формировании электромагнитного фона в изучаемом диапазоне частот переходит от одного континентального грозового центра к другому, "перепрыгивая" через океаны. Физически эти результаты не соответствуют модели единого движущегося планетарного грозового центра, представление о котором явилось результатом анализа данных по шумановским резонансам [8].

Дополнительная информация об источниках была получена за счет движения приемного пункта. Навигационные данные позволяют вычислить суточные изменения положения судна, которые в совокупности с измерениями азимутов прихода атмосфериков могли бы дать оценку размера площади, где сконцентрированы континентальные грозы.

Результаты такого анализа, которые были выполнены по данным, полученным в окрестности Мыса Доброй Надежды, представлены на Рис.3.14. В течение этого времени от суток к суткам происходило существенное изменение наблюдаемых азимутов прихода атмосфериков, вызванное движением пункта наблюдения. В целом, измеренные профили углов прихода интерпретировать весьма затруднительно. Оказалось, что гораздо проще сравнить вычисленные пеленги Мадагаскарских, Африканских и Американских источников с экспериментальными результатами. Кривые на Рис.3.14. были вычислены с помощью формул сферической тригонометрии [6] для координат компактных грозовых центров, которые взяты из Справочника по геофизике [34] и приведены в Табл.3.6.1. Точки и стрелки представляют собой результаты измерений и демонстрируют хорошее согласие с рассчитанными кривыми.

Табл.3.6.1. Координаты основных грозовых центров из Справочника по геофизике [34].

---------------------------------------

Название Март Апрель

---------------------------------------

Мадагаскар 18 S 48 E 15 S 48 E

Африка 11 S 35 E 8 N 7 W

5 N 6 W 7 N 8 E

1 S 32 E

1 S 55 W

Америка не учитыв. 17 S 57 W

8 S 62 W

---------------------------------------]

Данные, полученные на достаточном удалении от африканского континента оказалось интерпретировать гораздо легче. На участках маршрута судна 14-17 февраля и 12-15 марта, были получены оценки среднего направления на африканский центр грозовой активности (Рис.3.11.) Для февральского периода среднее значение равно А =260 , для марта оно составило А = 265 . Поскольку проекция данных участков на меридиональное сечение континента составила приблизительно 15 , оценка смещения областей грозовой активности с юга на север в Африке за указанный месячный период, охвативший смену сезона, дает величину около 1500 км, что находится в хорошем соответствии с климатологическими данными [34].

3.7 Основные результаты и выводы главы

Результаты измерений и анализа данных, проведенные в настоящей главе, позволяют сделать следующие выводы:

Разработана и апробирована методика определения пеленгов импульсных сигналов, основанная на вычислении средних компонент вектора Умова-Пойнтинга во временном представлении, позволившая провести измерения азимутальных распределений и вариаций интенсивности потока СДВ-атмосфериков с помощью аналого-цифрового комплекса в реальном масштабе времени при интенсивности потока до 6000 событий в час.

Длительные непрерывные морские измерения показали, что основной вклад в мировую грозовую активность дают континентальные и островные мировые грозовые центры.

Вариации интенсивности потока СДВ-атмосфериков N(t) хорошо коррелируют по времени с максимальной активностью известных мировых грозовых очагов.

Азимутальные распределения СДВ-атмосфериков W(A) согласуются с вариациями потока N(t) и интерпретируются той же моделью континентальных источников.

По сезонным измерениям пеленгов W(A) отмечен сезонный дрейф африканских грозовых источников с юга на север, что согласуется с геофизическими данными, измерена его величина: 1500 км. за период с февраля по март.

Все данные о континентальных грозах хорошо интерпретируются и в том случае, когда смещение приемника относительно источника является существенным.

Результаты морских измерений показывают, что глобальная грозовая активность может рассматриваться, как порожденная источниками, расположенными на суше в континентальных грозовых центрах. Доминирующая роль в глобальной грозовой активности переходит от одного грозового центра к другому, "перепрыгивая" через океаны, вслед за движением границы день - ночь (терминатора).

Сопоставление суточных вариаций интенсивности потока атмосфериков и уровня шума в СНЧ диапазоне, (по результатам измерений вблизи южной оконечности Африки) указывает на линейную связь между ними. Данное обстоятельство может быть использовано для оценки уровня поля на СНЧ с помощью простой методики счета СДВ-атмосфериков.

Страницы: 1, 2, 3