Способ определения величины объемного заряда облаков Российский патент 2018 года по МПК G01S13/95 

Описание изобретения

Изобретение относится к метеорологии и, в частности, к дистанционным пассивным методам контроля электрического состояния облачности. Оно может быть использовано в системах мониторинга грозоопасных явлений погоды, а также в геофизических исследованиях.

Известен дистанционный активный способ измерения параметров электрических зарядов атмосферы [1. Патент РФ №2491574], при котором плотность электрического заряда облаков вычисляется с помощью специальных формул по регистрируемым параметрам отраженных электромагнитных волн от исследуемой области.

Основным недостатком способа является необходимость использования радиолокаторов для зондирования исследуемой области облаков электромагнитным излучением с заданными характеристиками. В труднодоступных районах и, особенно, при мониторинге за пределами страны возможности метода весьма ограничены.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу определения величины заряда облаков (прототипом к предлагаемому изобретению) является способ определения параметров заряда, вовлеченного в грозовой разряд [2. Авторское свидетельство СССР №1583908, приоритет от 23.08.88 г., Бюл. №29 от 07.08.1990 г.].

Данный способ заключается в том, что в двух и более разнесенных пунктах специальной сети наблюдений располагают датчики электрического и магнитного полей с приборами, регистрирующими скачки напряженности электрического и магнитного полей во время разрядов молний. Далее, решая сложную систему уравнений, определяют параметры заряда, вовлеченного в грозовой разряд.

Данный способ обладает некоторыми недостатками. Во-первых, он не позволяет определить величину потенциально опасного заряда облаков еще не вовлеченного в молниевый разряд. Во-вторых, данным способом невозможно определить движущийся в пространстве и изменяющийся во времени объемный заряд облаков, потенциально грозоопасный для района прохождения. В-третьих, в условиях начавшихся осадков невозможно корректно измерить напряженность вертикальной компоненты электрического поля Ez, поскольку осадки сильно искажают показания датчиков электрического поля (электростатических флюксметров). В итоге, этот способ работает только в периоды, когда осадки отсутствуют.

Цель изобретения - упрощение определения объемной плотности грозоопасного заряда на основе использования сетевых геомагнитных, метеорологических и спутниковых данных, а также расширение возможностей его определения на случай движущихся облаков по их собственному магнитному полю и на случай выпадения осадков.

Технический результат достигается следующим образом.

Среднюю высоту, скорость и направление движения облаков в районе наблюдения определяют по результатам измерения вертикального профиля скорости ветра на сетевых аэрологических станциях с помощью радиозондов.

Известно, что движущийся объемный заряд создает собственное магнитное поле, индукция которого пропорциональна произведению величины заряда на скорость его перемещения [3. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике - М., «Наука», 1974, 942 с.]. При отсутствии облачности или объемных зарядов в атмосфере разность текущих значений магнитной индукции, регистрируемой на двух ближайших сетевых геомагнитных обсерваториях, сохраняется близкой к нулю. При прохождении грозоопасной облачности над одной из обсерваторий магнитометры реагируют на изменение индукции геомагнитного поля, вызванное прохождением облачного заряда. Таким образом, величину индукции движущегося объемного заряда облаков можно определить по разности индукций геомагнитного поля ΔВ, регистрируемых на ближайшей (опорной) геомагнитной обсерватории, где по спутниковым снимкам не наблюдается облаков, и на геомагнитной обсерватории, где наблюдается прохождение потенциально опасной облачности.

Величину объемной плотности движущегося заряда облака определяют по величине скорости движения V, индукции его собственного магнитного поля ΔВ и по геометрическим параметрам расположения центральной части объемного заряда относительно точки регистрации магнитной индукции в соответствии с формулой:

,

где ρ - объемная плотность заряда облака (Кл/м);

ΔВ - магнитная индукция движущегося объемного заряда облака (Тл);

V - скорость движения объемного заряда (м/с);

H_h и - высоты верхней и нижней границ облаков, соответственно (м);

L - ширина массива движущихся облаков по линии, перпендикулярной вектору скорости (м);

α - угол между вертикалью и направлением на центр объемного заряда от точки регистрации магнитной индукции (рад);

μ₀ - магнитная постоянная, равная 4π×10^-7 (Гн/м).

В качестве примера рассмотрим применение предлагаемого способа для достижения технического результата на основе реальных данных.

Параметры мощного циклона, быстро перемещавшегося 4-5 апреля 2012 г. с запада на восток по Калужской (над Обнинском) и Московской областям с аномально сильным снегопадом и характеризовавшегося как опасное метеорологическое явление, подробно рассмотрены в статье [4. А.Ф. Нерушев, М.А. Новицкий, О.Ю. Калиничева, Л.К. Кулижникова, Л.И. Милехин, Д.Е. Чечин - Динамика атмосферных характеристик в период интенсивного снегопада в центральной части ЕТР в апреле 2012 года, «Метеорология и гидрология», 2013, №2].

На аэрологической станции (г. Долгопрудный, Московская обл.) в это время зарегистрирована средняя скорость перемещения средней части облачной толщи, с положительным зарядом, равная 22 м/с.

Разность индукций ΔВ геомагнитного поля, на обсерватории (Ярославская обл.), где отсутствовала облачность по спутниковым снимкам, и в Обнинске, Калужская обл., где за несколько часов до выпадения снега наблюдалась мощная облачность, предшествовшая снегопаду, равнялась 4 нТл.

Подставляя в вышеприведенную формулу высоту верхней границы облаков H_h=10000 м и ширину облачного массива L=3⋅10⁵ м по данным спутниковых наблюдений из [4], а также высоту нижней границы облачности по данным метеостанции в г. Малоярославце , величину магнитной индукции ΔВ=4⋅10^-9 Тл, скорость перемещения центральной части объемного заряда V=22 м/с и учитывая, что cosα=1 (середина облачного массива проходила над Обнинском), получим ρ=23⋅10^-10 Кл/м³.

Этот результат согласуется с данными непосредственных экспериментальных измерений величины плотности объемного облачного заряда в опасных метеорологических ситуациях [5. Имянитов И.М. Электрическая структура мощных конвективных облаков (Си cong.) и ее связь с движениями воздуха в облаках. - В кн.: Исследование облаков, осадков и грозового электричества. М., Гидрометеоиздат, 1961, с. 225-238].

Предлагаемое техническое решение применимо на практике, поскольку для его реализации могут быть использованы данные наблюдений сети стандартных аэрологических, метеорологических станций, геомагнитных обсерваторий, а также спутниковые снимки земной поверхности как на территории Российской Федерации, так и за рубежом.

Использованные источники

1. Патент РФ №2491574.

2. Авторское свидетельство СССР №1583908, приоритет от 23.08.88 г., Бюл. №29 от 07.08.1990 г. (прототип).

3. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике - М., «Наука», 1974, 942 с.

4. А.Ф. Нерушев, М.А. Новицкий, О.Ю. Калиничева, Л.К. Кулижникова, Л.И. Милехин, Д.Е. Чечин - Динамика атмосферных характеристик в период интенсивного снегопада в центральной части ЕТР в апреле 2012 года, «Метеорология и гидрология», 2013, №2.

5. Имянитов И.М. Электрическая структура мощных конвективных облаков (Си cong.) и ее связь с движениями воздуха в облаках. - В кн.: Исследование облаков, осадков и грозового электричества. М., Гидрометеоиздат, 1961, с. 225-238.

Изобретение относится к метеорологии и может быть использовано в системах мониторинга опасных явлений погоды, а также в исследованиях электрических процессов в атмосфере и геофизических исследованиях. Достигаемый технический результат – упрощение определения объемной плотности грозоопасного заряда на основе использования сетевых геомагнитных, метеорологических и спутниковых данных, а также расширение возможностей его определения в случае движущихся облаков по их собственному магнитному полю, что в свою очередь открывает возможность получения прогностических оценок развития грозы. Указанный результат достигается за счет того, что: величину объемной плотности движущегося на определенной высоте заряда облака определяют по величине скорости движения V, индукции его собственного магнитного поля ΔВ и по геометрическим параметрам расположения центральной части объемного заряда относительно точки регистрации магнитной индукции в соответствии с формулой:

,

где ρ - объемная плотность заряда облака (Кл/м³);

ΔВ - магнитная индукция движущегося объемного заряда облака (Тл);

V - скорость движения объемного заряда (м/с);

H_h и - высоты верхней и нижней границ облаков, соответственно (м);

L - ширина массива движущихся облаков по линии, перпендикулярной вектору скорости (м);

α - угол между вертикалью и направлением на центр объемного заряда от точки регистрации магнитной индукции (рад);

μ₀ - магнитная постоянная, равная 4π×10^-7 (Гн/м).

Среднюю скорость и направление движения облаков V в районе наблюдения определяют по результатам измерения вертикального профиля скорости ветра на сетевых аэрологических станциях с помощью радиозондов, а также по спутниковым наблюдениям. Величину индукции ΔВ движущегося объемного заряда облаков определяют по разности индукций геомагнитного поля, регистрируемых на ближайшей сетевой геомагнитной обсерватории, где по спутниковым снимкам не наблюдается облаков, и на аналогичной геомагнитной обсерватории, где наблюдается прохождение потенциально опасной облачности. Ширину облачного массива L по линии, перпендикулярной вектору скорости движения, и высоту верхней границы облаков H_h определяют по данным спутниковых наблюдений. Высоту нижней границы облаков определяют по данным измерителя нижней границы облачности на ближайшей метеостанции, входящей в состав гидрометеорологической сети.

Способ определения объемной плотности заряда облаков, заключающийся в том, что для упрощения определения величины объемной плотности грозоопасного заряда и расширения возможностей его определения на случай движущихся облаков по их собственному магнитному полю и на случай выпадения осадков, объемная плотность заряда определяется по величине скорости движения V, индукции его собственного магнитного поля ΔB и по геометрическим параметрам расположения центральной части объемного заряда относительно точки регистрации магнитной индукции в соответствии с формулой:

где ρ - объемная плотность заряда облака (Кл/м³);

ΔB - магнитная индукция движущегося объемного заряда облака (Тл);

V - скорость движения объемного заряда (м/с);

H_h и - высоты верхней и нижней границ облаков, соответственно (м);

L - ширина массива движущихся облаков по линии, перпендикулярной вектору скорости (м);

α - угол между вертикалью и направлением на центр объемного заряда от точки регистрации магнитной индукции (рад);

μ₀ - магнитная постоянная, равная 4π×10^-7 (Гн/м).