CC BY
60МОДЕЛЬ ЗАРОЖДЕНИЯ ТОРНАДО И ПРОТИВОДЕЙСТВИЕ ЭТОМУ ЯВЛЕНИЮ
Карельский В. Г., Марин М.Ю. ([email protected]) Институт высоких температур РАН
В настоящее время усиливается понимание того, что Земля в целом представляет собой чрезвычайно сложную, динамичную и энергонасыщенную систему [1]. В этой связи все более актуальной задачей становится создание обобщенной физической модели атмосферы. Чтобы такая модель отвечала современным требованиям и представлениям, в ней необходимо учитывать термо-, электро- и гидродинамические механизмы атмосферных процессов, влияние солнечно-земных связей, унитарных геополей и их локальных возмущений, в том числе, техногенного характера. Имеющихся данных для создания подобной модели еще явно недостаточно, поэтому всестороннее исследование спектра атмосферных явлений остается наиболее интересной и слабоизученной проблемой современной геофизики.
В частности, многочисленные катастрофы, вызванные смерчами - торнадо, постоянно привлекают к этому явлению внимание ученых и специалистов. Однако, несмотря на все усилия исследователей, торнадо до последнего времени остается чрезвычайно опасным и загадочным природным феноменом.
В настоящей статье авторы предлагают для обсуждения собственные подходы к описанию процессов зарождения торнадо с учетом электромагнитных сил и рассматривают некоторые возможности противодействия этому опасному явлению.
1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
Мы не останавливаемся на феноменологии торнадо, подробно описанной в многочисленных публикациях. Любое обобщение наблюдений за этим феноменом в полной мере демонстрирует его необычную сущность.
События, подобные возникновению торнадо, являются лишь звеном в чреде взаимосвязанных атмосферных процессов. Истинную роль, которую играет атмосферное электричество в этих процессах, еще предстоит разгадать. В силу определенных причин (в том числе еще до конца не исследованных и непонятных) накопление электрических зарядов в атмосфере происходит неравномерно и сопровождается их разделением по полярности. Как показывают многочисленные метеонаблюдения, локализация атмосферных зарядов (в том числе, формирование грозовых облаков) происходит в областях
с наибольшим содержанием влаги [2]. Установлено также, что возникновение торнадо находится в прямой зависимости от развития исключительных по мощности грозовых процессов.
Многочисленные эксперименты по измерению электрических полей в атмосфере представлены в обобщенном виде В. Мучником [3] и Н. Красногорской [12]. В этих монографиях приведены результаты измерений, показывающие наличие в атмосфере областей локализации объемных электрических зарядов различной полярности (с плотностью заряда до 10-6 Кл/м3) и значительных градиентов электрического поля (до 106 В/м) в вертикальном и горизонтальном направлениях.
Однако, как отмечают сами исследователи, измерение структуры полей является сложной задачей даже в стационарных условиях. Проведение подобных измерений во время полета самолета или аэродинамического зонда, в динамичных натурных условиях еще более проблематично и не обеспечивает необходимой точности. Поэтому имеющейся информации об электрическом строении атмосферы явно недостаточно для решения важнейших научных и практических задач.
Для объяснения причин возникновения торнадо в настоящий момент используются как термо- и гидродинамические модели процессов в атмосфере [4], так и электрогра-видинамическая (ЭГД) теория Хевисайда [5]. Однако, в первом случае гидродинамическая модель устойчивости атмосферных вихрей позволила только объяснить образование смерчей, возникающих в восходящих потоках нагретого воздуха - "пыльных дьяволов", но такой подход не привел ни к достаточно глубокому пониманию проблемы торнадо, ни к реальным возможностям ее решения.
Предлагаемая ЭГД-теория Хевисайда, несмотря на привлекательность используемого теоретического аппарата, пока не имеет реального подтверждения и не дает никаких практических результатов.
Можно уверенно утверждать, что возможности существующей системы фундаментальных знаний для описания атмосферных феноменов еще далеко не исчерпаны. Это подтверждает, например, статья Е. Красильникова [6], где продемонстрирован подход к проблеме возникновения тропических ураганов и торнадо на основе известных законов электромагнитогидродинамики (ЭМГД). В этой статье показано, что одной из причин возникновения торнадо может служить взаимодействие электрических и магнитных полей с электрически заряженной средой материнского облака. В пользу такого подхода говорят многочисленные наблюдения, которые свидетельствуют о протекании интенсивных электрических процессов в воронке торнадо и вблизи неё [7], [8].
Измерения электрических параметров атмосферы и различные природные явления, например, "сухие грозы" и грозы во время снегопадов свидетельствуют о протекании активных электрических процессов в самых различных условиях, при различных состояниях атмосферной влаги. С учетом этого одним из подтверждений участия элек-
тромагнитных сил в образовании торнадо могло бы служить возникновение воронки в отсутствии материнского облака. И такие факты существуют. Так, например, в обзоре работы [5] приведено описание случая возникновения воронки над морем при ясной погоде. При этом материнское грозовое облако сформировалось сразу после образования смерча.
Разработка физически непротиворечивой модели, учитывающей ЭМГД-механизмы, для описания различных атмосферных явлений, включая торнадо, начаты сравнительно недавно, но уже сейчас данный подход позволяет вести поиск эффективных средств
и /-Ч и
противодействия этим явлениям. С этой целью попытаемся проанализировать некоторые атмосферные ЭМГД-процессы, которые могли бы способствовать зарождению торнадо.
2. МОДЕЛЬ ЗАРОЖДЕНИЯ ТОРНАДО
Авторы предлагают следующую модель зарождения торнадо.
Важную роль в образовании торнадо играют особо возмущенные участки атмосферы, в которых искажения электрического поля достигают критических значений. Для определенности рассмотрим возникновение в атмосфере локальных областей с предельными градиентами поля, сопоставимыми по величине с напряжением пробоя воздуха. Об обнаружении в атмосфере подобных областей Имянитовым и Лободиным упоминается в [3]. Будем называть такие области экстремальными. Среда в них может оказываться в сильно неравновесном состоянии и испытывать многообразные изменения, сопровождаемые интенсивными перемещениями масс и объемных зарядов. Интерес представляют естественные процессы, приводящие к возникновению критических значений градиента потенциала электрического поля не только по вертикали (что является нормальным предгрозовым признаком и может длительное время не нарушать равновесных условий), но и в горизонтальном направлении. Проанализируем возможные ситуации с этой точки зрения.
Расчет неравномерности электрического поля однородных и поляризованных облаков, представленный Н. Красногорской [12], проводился для неподвижного облака и давал значения градиентов поля по вертикали, удовлетворительно согласующиеся с экспериментальными измерениями. Однако в горизонтальном направлении результаты расчетов не имели ничего общего с измерениями, выполненными различными авторами, например, Филипсом и Кинцером (по данным, приведенным в [3]) или Фитцджеральдом [2] при облете грозовых облаков. Это расхождение можно объяснить помехами, возникающими при измерениях напряжения поля в условиях экспериментов, а также большой неравномерностью распределения объемного заряда реального облака.
Отметим, что сопоставление расчетных и экспериментальных данных еще возможно в отношении электрически малоактивных кучевых облаков. Нас же больше интересуют зрелые, исключительно мощные грозовые облака, порождающие торнадо. По понятным причинам обнаружить достаточно точные, воспроизводимые экспериментальные данные для этих образований оказалось невозможно, хотя некоторые попытки соответствующих измерений предпринимались [11]. Поэтому ограничимся анализом самых общих представлений.
Считается, что материнское облако торнадо имеет трехслойную структуру с вращением слоев в горизонтальной плоскости [9], [10]. При этом нижний, отрицательно заряженный слой и средний слой вращаются в противоположных направлениях. Формирование воронки происходит, как правило, в нижней части облака.
Рассмотрим упрощенную модель облака, показанную на рис. 1а. Отрицательно заряженную нижнюю часть материнского грозового облака представим в форме вращающегося диска с радиусом Я и центром в точке (20, к0). Будем считать, что объемный заряд распределен равномерно по горизонтальным слоям и уменьшается при переходе от нижних слоев к верхним. На границе облака плотность объемного заряда плавно снижается, по крайней мере, в десятки раз.
Оценим влияние индуцированного магнитного поля на распределение электрического потенциала в трех горизонтальных сечениях этой части облака: в средней плоскости (на высоте ко), вблизи нижнего края (Н1) и вблизи верхнего края (к2).
Вращение объемного заряда с угловой скоростью О можно представить в виде кругового тока 1=ю(/2т, где Q - объемный заряд облака. Индуцированное этим током тороидальное магнитное поле играет роль "ловушки" для заряженных частиц, участвующих в общем, круговом движении (аналогично принципу "Токамака").
Силовые линии магнитного поля показаны на рис. 1а тонкими линиями. Такое поле, в принципе, способствует концентрации носителей тока в кольцевой области, сечения которой на рисунке заштрихованы.
Величину магнитной индукции в центре облака можно оценить по формуле
В = 2• ¡0 • ц• к•(• Я , (1)
где ¡Л0 = 4гс10" гн/м - магнитная проницаемость вакуума; ц - объемная плотность заряда; к, Я - высота и радиус облака.
Подставляя в формулу (1) характерные для крупных грозовых облаков параметры
6 8 3
(ц = 10 10 Кл/м , к ~ Я =5 10 км), получаем, что величина магнитной индукции
2 3
облака при угловой скорости О = 10 ^ 10 рад/с, может достигать величин всего лишь порядка 1 нТл (миллиардная доля Тесла). Может ли такое поле повлиять на распределение объемного заряда?
Аэрозольные частицы воды размером ~ 1 мкм могут иметь заряд порядка 10"" Кл [11] и испытывают в таком поле ускорение всего ~ 10-6 м/с2. Таким образом, воздействие магнитного поля на диспергированную среду пренебрежимо мало.
Рассмотрим воздействие того же поля на более мелкие частицы типа (Н2О )
(п = 1^3) и радикал-ионы О- в центральной области, где магнитная индукция имеет
наибольшее значение. Влияние этих частиц на перераспределение объемного заряда можно оценить, зная их концентрации и кинетику процессов сорбции и десорбции на аэрозольных частицах. Однако таких данных найти не удалось. Тем не менее, по расчету, любое упорядоченное движение подобных частиц со скоростями порядка 1 0 м/с в рассматриваемой области приводит к их смещению под действием силы Лоренца с ускорением порядка 1 м/с . При этом частицы, участвующие в общем, вихревом движении, испытывают действие сил, направленных к центру области, заштрихованной на рис. 1а. Если предположить, что данные частицы играют заметную роль в формировании и переносе объемного заряда, то при длительности формирования материнского облака более 104 с такое воздействие поля вполне может привести к постепенному смещению зарядов и искажению электрического поля.
Качественно возможные искажения электрического потенциала в результате вращения облака показаны на рис.1б. Объемная плотность заряда под действием магнитного поля возрастает в кольцевой области вблизи средней плоскости, где и происходит наибольшее возмущение поля. При этом в центре вихря (20, к0) плотность заряда и, следовательно, потенциал поля значительно снижается, а в средней части - возрастает. Профили потенциалов в сечениях ^ и ^ остаются практически такими же, как в неподвижном облаке.
Пока не представляется возможным дать количественные оценки образующихся в этой ситуации значений градиентов поля. Поэтому не будем спешить с выводами о прямой связи между вращением облака и возникновением торнадо, но некоторые предпосылки этого явления нельзя не заметить.
Основной причиной образования экстремальной области может служить разряд молнии. Возникновению разряда предшествует образование электропроводящего канала -стримера, по которому развивается пробой. Сам разряд проходит обычно в несколько стадий [13]. Ширина токопроводящего канала достигает десятков см, и, очевидно, сам по себе этот канал или его след вряд ли способны породить воронку торнадо диаметром около ста метров. Рассмотрим эту ситуацию иначе.
В момент пробоя "стартовая" точка стримера в нижней части облака как бы "заземляется". К этой точке из толщи облака устремляются вторичные разряды, порождающие наблюдаемый обычно цуг импульсов тока. В области, охватываемой этими разрядами, происходит перезаряд среды с резким изменением её потенциала. Размеры этой
области зависят от проводимости среды и напряжения пробоя в ней. По данным Эванса в грозовых облаках имеются зоны повышенной проводимости [14]. В ходе проводимых им измерений получено 1 0-ти и даже 1 00-кратное превышение проводимости внутри облака по сравнению с её значениями вне облаков.
Кроме того, значение порогового напряжения в облаке оказывается намного ниже, чем в обычном воздухе из-за пониженного давления, влажности и ионизации среды. К тому же, стример может создавать дополнительную предионизацию среды за счет своего электромагнитного импульса, в состав которого входит ультрафиолет и даже мягкое рентгеновское излучение. Из данных различных авторов, приведенных Мучником [3], можно считать, что напряжение пробоя в грозовом облаке составляет 3х105-106 в/м, то есть в десятки раз меньше, чем для сухого воздуха при нормальных условиях. При потенциале облака 108^109 в получается характерный размер рассматриваемой области от сотен метров до километра. Таким образом, вершина грозового разряда может значительно превышать по размерам разрядный канал. Возникающие в этой области искажения электрического поля показаны на рис.2. В месте разряда (Х\ кх) потенциал поля снижается до минимального остаточного значения (не исключено даже в отрицательной области), а возникшая в облаке экстремальная область охватывает сотни метров и обладает огромной потенциальной энергией. Подобное локальное возмущение, особенно в сочетании с ранее возникшей неравномерностью поля и нарушением равновесных условий в среде, может иметь самые различные последствия.
В этой ситуации возникновение экстремальной области можно представить как внезапное появление в точке (21 к1) положительного заряда (+, эквивалентного затраченному при разряде количеству электричества. В результате искажений электрического поля под экстремальной областью может образоваться зона, в которой электрическое поле вообще исчезнет.
Все это отчасти напоминает взрыв "вакуумной бомбы" и сопровождается интенсивным смещением отрицательно заряженных частиц к центру экстремальной области. В это движение вовлекается среда внутри облака и вытесняемые атмосферные массы под ним.
Можно оценить кулоновскую силу действующую на единицу объема заряженной среды облака, на расстоянии г от центра экстремальной области. Учитывая суперпозицию полей объемного заряда облака и эквивалентного заряда экстремальной области (+, получим соотношение
Рк = 4- ^ + , (2)
4п г2
где ц - объемный заряд среды; Ег - напряжение собственного поля облака в рассматриваемой точке.
Для упрощения задачи будем оценивать Е2, как напряжение внутри сферы равномерно заряженной по объему, т.е.
Е2 = Т^Л •_. (3
4к£о Я3
После подстановки (3) в (2) получим окончательное выражение
Рк = Я •
к 4к
О . г_д_Л
V Г2 Яъ ,
V /
или , учитывая, что _<<Я,
1 я • 0+
,2
Рк -■ (
Подставив в формулу (4) значения 0+ = 100 Кл, я =10 6 ■ 10 8 Кл/м3, взятые из [3], и
2
г =10 м, получим значение ^ - 1 ■ 100 Н. Поскольку плотность среды составляет р -1 кг/м , такие силы приведут к весьма интенсивному движению масс в экстремальной области и вокруг неё. Скорость движения среды при "схлопывании" экстремальной области будет постепенно нарастать во времени по нелинейному закону от нулевого значения, приближаясь к скорости звука. Это объясняется тем, что среда с начальной плотностью заряда после перезарядки экстремальной области останется сравнительно далеко за её пределами и сначала испытывает, в основном, действие "выталкивающих" сил - второе слагаемое в формуле (2). По мере смещения заряженной среды к вершине прошедшего разряда определяющими становятся более мощные кулоновские силы притяжения - первое слагаемое формулы (2), возрастающие по квадратичному закону, что приводит к нелинейному ускорению движения атмосферных масс. При этом движущиеся к общему центру потоки неминуемо образуют вихрь, поскольку только сближение зарядов по спирали не противоречит запрету на существование монополя.
Достоверные сведения о действительных величинах и отклонениях параметров среды, которые можно было бы связать с появлением торнадо, нам, к сожалению, еще неизвестны. Поэтому приведенные оценки соответствуют скорее обычным, сильным грозовым явлениям и дают лишь качественное представление о возможно происходящих процессах. Тем не менее, эти оценки показывают огромные возможности ЭМГД-механизма. К счастью, подавляющее большинство экстремальных областей в процессе диссипации разрушается, что приводит только к дополнительной турбулизации среды.
Возникает вопрос, почему искажения поля в экстремальных областях не регистрировались в ходе исследований релаксации поля после грозовых разрядов? Например, Та-мура (по данным, приведенным в[3]) и И. Имянитов (см., например, [15]) получили времена релаксации поля в пределах не более 1 минуты (в большинстве случаев - порядка 1 0 сек). Для диссипации же экстремальной области требуется в десятки раз большее время. Исследователи наблюдали только релаксацию следа разрядного канала линейной молнии, расположенного вне облака, и, следовательно намного в меньшей
степени экранированного объемным зарядом. Поля экстремальной области локализованы внутри облака, более экранированы, имеют совсем другие пространственно - временные рамки, поэтому используемые методики просто не позволяли их надежно идентифицировать. Кроме того, мы рассматриваем грозовые процессы с исключительными параметрами, которые лишь изредка возникают случайным образом и поэтому не поддаются регулярным наблюдениям существующими методами.
Перечень событий, которые могут деформировать электрическое поле и сформировать экстремальную область, не исчерпывается вращением облака и молниевым разрядом. Можно рассмотреть ситуации с внутренним пробоем между слоями облака, различные виды объемных разрядов, локальные возмущения геополей и прочее. Все эти процессы неизбежно сопровождаются сильнейшими искажениями поля, что так или иначе, в определенных условиях, может либо предшествовать, либо способствовать возникновению торнадо.
Используя выше описанную модель, попробуем смоделировать дальнейшую последовательность формирования воронки.
Ускоренное движение среды в экстремальной области и вблизи неё сначала приводит к образованию вихревых потоков, сходящихся в горизонтальной плоскости. Такого рода потоки неоднократно наблюдались при возникновении торнадо [16]. Дальнейшее скручивание этих потоков и их разворот в вертикальном направлении можно объяснить гидродинамическими эффектами и влиянием магнитного поля, как это было показано, например, Красильниковым [6]. Мы не будем подробно останавливаться на всех этих аспектах, поскольку они выходят за рамки настоящей статьи, и рассмотрим возможности профилактики и противодействия торнадо на стадии его зарождения.
Возможно, главную роль в формировании устойчивой воронки играет возникновение положительной обратной связи между гидродинамикой вихревого потока, изменениями заряда среды и искажениями полей в экстремальной области. Необходимость достоверного описания всех процессов образования торнадо требует проведения целенаправленного мониторинга атмосферы, включая контроль электрических полей, прежде всего, в районах формирования сильных гроз. Данная задача тесно смыкается с существующей проблемой своевременного обнаружения потенциально опасных атмосферных объектов и может быть решена с использованием современных технических средств.
3. ВОЗМОЖНОСТИ МОНИТОРИНГА
Принимая в основе атмосферных процессов ЭМГД-механизм, можно считать, что главная задача мониторинга этих процессов заключается в обнаружении характерных искажений электрических и магнитных полей и их динамики. По понятным причинам необходимые для этого измерения должны осуществляться исключительно дистанци-
онно и, поэтому, сверхвысокочувствительными методами. Чтобы мониторинг мог охватывать достаточно большие территории необходимо использование мобильных технических средств. От средств мониторинга требуется оперативное получение качественной и цельной картины искажений поля в определенных областях атмосферы, зачастую расположенных в зоне облачности или атмосферных фронтов.
Все это делает нецелесообразным проведение мониторинга путем прямых регулярных измерений, например, с использованием зондов или стационарных наблюдательных станций. Обычно наблюдение электрических параметров атмосферы включает в себя измерение местных значений электропроводности воздуха, токов смещения и напряженности поля [17]. Для дистанционного контроля атмосферы на значительных площадях этих методов становится недостаточно.
Выполнение указанных требований может обеспечить широкополосная локация атмосферы, при которой активно-пассивные методы радиолокации сочетаются с оптическим зондированием зрелых и наиболее опасных грозовых облаков. Радиолокация атмосферы в метровом и сантиметровом диапазонах дает пространственно-временное распределение грозовой активности (панораму) на большой площади, выявляя очаги с наибольшей электрической активностью [18]. Участки со значительными искажениями электрических полей, возникновение экстремальных областей с наибольшей вероятностью будут регистрироваться в непосредственной близости от этих очагов с помощью специальных оптических методов.
К достоинствам оптических методов можно отнести их полную нечувствительность к электрическим помехам, дальнодействие, высокую информативность, оперативность получения и обработки информации с использованием современной электронной и вычислительной техники.
Обнаружение экстремальных областей в атмосфере может осуществляться по наведенной оптической анизотропии влажного воздуха в сильных электрических полях. Подобная анизотропия проявляется при прохождении через исследуемую область определенным образом поляризованного света. В воздухе этот эффект чрезвычайно слаб, но, учитывая ожидаемые масштабы флюктуаций и возможности современных приборов, обнаружить его можно за счет известных в оптике эффектов Керра и Коттона.
Нам не удалось найти сообщений о каких бы то ни было исследованиях или наблюдениях эффекта Коттона в зоне облачности атмосферы, хотя некоторые из опубликованных данных могут быть истолкованы, как косвенное подтверждение его действия (например, [19] - опыты по рассеянию ИК-излучения в безоблачной атмосфере). Напомним, что данный эффект может наблюдаться в различных оптически активных средах на длинах волн, близких к полосам поглощения, и заключается в трансформации линейно поляризованного излучения в эллиптически поляризованное.
Поэтому ограничимся рассмотрением только эффекта Керра, который приводит к
возникновению в электрических полях двойного лучепреломления среды
2
Апе = п • к • Е [20], где п - показатель преломления среды, к - постоянная Керра, Е -напряженность электрического поля.
Соответственно, изменение оптической длины пути ортогонально поляризованных лучей в оптически активной области протяженностью / составит
А/е = п • к • Е2 • /. (5)
Подставляя в (5) следующие характерные значения п = 1,00029; к ~ 10-15 ед. СОСБ;
4 5 7
Е ~ 10 в/см; / = 10 см, получим А/е — 10 см.
Обнаружить подобную наведенную анизотропию можно с помощью зондирующего излучения с длиной волны X, при условии А/е/А>10 "4. Это условие будет выполняться при зондировании атмосферы в средней ИК - области (1 мкм< X < 10 мкм).
Индуцированные магнитные поля оказывают на среду аналогичное действие, но мы не будем останавливаться на этом подробно, полагая, что неоднородности различного рода только усиливают анизотропию среды в экстремальной области.
На практике зондирование должно осуществляться с использованием достаточно мощной подсветки поляризованным излучением. Участки с характерными неоднород-ностями поля будут заметны при их наблюдении через полярископ и могут быть зарегистрированы. Источником ИК-подсветки может служить импульсный лазер, длина волны которого попадает в "окно прозрачности" атмосферы и достаточно хорошо проходит через аэрозольную среду облачности.
Излучение подсветки должно проникать достаточно глубоко внутрь облака с минимальным рассеянием, при котором структура полей внутри облака не экранируется в результате интенсивного рассеяния света на его периферии. При этом выделение кросс-компоненты света происходит на фоне, обусловленном деполяризацией эхо-сигнала в результате рассеяния на аэрозолях облака. Поляризационная селекция сигналов в этом случае может быть эффективной при условии заметного отличия в поляризационных характеристиках зондируемого объекта и помехи обратного рассеяния [21].
Приведенным выше требованиям в наибольшей степени удовлетворяет излучение импульсных и импульсно-периодических СО2-лазеров (X = 10,6 мкм), а также ББ- и (ББ-СО2)- химических лазеров (X =3,8^4,2 мкм и 10,6 мкм, соответственно).
Выбор того или иного источника зависит от характеристик оптико-электронных приемников, уровня потерь излучения на атмосферной трассе с учетом различных, в том числе неблагоприятных, условий; характеристик атмосферных аэрозолей, минимизации фоновых помех, стоимости, компактности, возможности размещения на мобильных средствах и других факторов. Не исключено, что в некоторых условиях наблюдения наиболее эффективной окажется подсветка от Кд-лазера (Х=1,06 мкм).
Лазерное зондирование, в принципе, позволяет получать информацию не только о структуре полей, но и о некоторых физико-химических параметрах среды, что необходимо для химического, дисперсионного анализов и при изучении возможных неравновесных процессов в атмосфере.
Сравнительный анализ источников подсветки показывает большие возможности и высокую эффективность химического лазера, излучение которого попадает в различные спектральные диапазоны [22]. Установки такого типа различной мощности на основе ИБ(БР)-лазеров были созданы в Институте Химической Физики РАН [23], причем они использовались не только в лабораторных, но и в полевых условиях, при их размещении на борту обычного автомобильного прицепа.
Проведем численную оценку мощности, необходимой для подсветки.
Мощность принимаемого на фотоприемное устройство (ФПУ) сигнала Рпр можно рассчитать по формуле, используемой в локации [24]:
р _ Т1 • T2 'Л0 •ГХ • Dn . р (6)
Г"Р _ ^2 г 4 Р0, (6)
р > ч с ш, и-L^ (7)
пР тл * у '
2
Б
4п02 •Ь,'
п
где гх - коэффициент отражения (рассеяния) объекта; Dп - диаметр приемной апертуры; Ьп - расстояние до объекта; Т1 - пропускание атмосферного канала; Т2 -пропускание оптического тракта информационного канала; Р0 - мощность импульса подсветки; 0 - ширина диаграммы направленности источника подсветки; Л0 -эффективная площадь рассеяния (ЭПР) объекта.
С учетом чувствительности ФПУ должно выполняться условие:
Б
где (ис/иш) - превышение мощности принимаемого сигнала над собственным шумом ФПУ; / - ширина полосы пропускания приемного тракта; ^ - площадь приемного элемента; Б* - обнаружительная способность фотоприемника; N - число элементов (пикселей) фотоприемника, формирующих изображение объекта.
Приравняв правые части уравнений (6) и (7), получим выражение для минимальной мощности источника подсветки
р _ 4п(а>ш2''Ь (8)
0 Ло ГхТ • Т2 'Б *Бп2
Рассчитаем мощность подсветки при следующих параметрах: ис/иш = 10; / =100 Гц; Л =9' 10-12 м2; Б* = 107 ВтмГц12; гх =0,01; Т1 =0,3; Т2 = 10-4; Ьп = 104 м; Бп =0,2 м; N = 104; Ло = 102 м2.
После подстановки выбранных параметров в (8) получим Р0 ~ 108 Вт. Импульсы такой мощности могут быть получены на различных длинах волн (X =10,6 мкм и X =3,8^4,2 мкм) в существующих компактных моделях ББ- и СО2-лазеров.
Выбор оптимальной схемы мониторинга, обеспечение необходимой чувствительности ФПУ и снижение фона потребует больших усилий при экспериментальной отработке аппаратуры и разработке методов математической обработки результатов измерений.
Для проверки применимости предлагаемого способа мониторинга и демонстрации его возможностей возможна постановка специальных экспериментов с использованием уже существующих приборов и оборудования.
4. ВОЗМОЖНОСТИ ПРОФИЛАКТИКИ.
По мере создания и развития средств мониторинга, встанет вопрос о максимальном использовании получаемой информации для уменьшения ущерба от прогнозируемых стихийных бедствий. Для этого должны приниматься все возможные меры, включая оповещение соответствующих служб и профилактическое воздействие на потенциально опасные атмосферные объекты.
Если предполагаемое значение ЭМГД-механизма в возникновении торнадо соответствует действительности, то автоматически напрашивается использование специальных мер грозозащиты для воздействия на аномально мощные грозовые облака, способные порождать торнадо. В США и Японии, например, разрабатываются методы искусственной стимуляции грозовых разрядов путем запуска специальных ракет или лазерными импульсами.
Однако, использование такой грозозащиты без контролирующих средств мониторинга может привести к случайному формированию критической экстремальной области, что, наоборот, будет способствовать возникновению торнадо. Безопасные методы грозозащиты и профилактики торнадо еще предстоит разработать на основе более глубокого понимания атмосферных процессов.
Тем не менее, уже сейчас использование лазерных комплексов для активной грозозащиты признается весьма перспективным [25]. Создание подобных комплексов и их оснащение информационными технологиями мониторинга открывает большие возможности для противодействия образованию потенциально опасных объектов в атмосфере.
Такое противодействие может заключаться в заблаговременном изменении электрического потенциала определенных участков атмосферы путем "пробивания" разрядных каналов к ним мощными лазерными импульсами.
Один из эффективных способов инициирования стримера в заданном направлении может быть создан на основе использования протяженного оптического пробоя в так называемых бесселевых лазерных пучках.
Методы формирования бесселевых пучков впервые были использованы в России [26] для создания протяженного сплошного токопроводящего канала. Протяженные лазерные искры, создаваемые обычно при фокусировке лазерного излучения длиннофокус-
ной оптикой, имеют дискретную структуру (очаги плазмы чередуются областями холодного газа), а их протяженность, в принципе, ограничена вследствие торцевого подвода световой энергии [27]. Преодоление этих недостатков приводит к переусложнению системы генерации импульсов и дополнительным расходам энергии.
Оптический разряд в бесселевых лазерных пучках имеет боковой энергоподвод и, поэтому, в пределах зоны дифракции Френеля, не имеет принципиальных ограничений по длине при соответствующем увеличении эффективности и мощности используемого лазерного излучения накачки [28]. Технология получения протяженных плазменных каналов отработана настолько, что их применение для целей грозозащиты на практике зависит только от возможности создания лазера необходимой мощности. Указанный метод позволяет равномерно распределить энергию лазерного импульса по всему искровому промежутку, протяженность которого зависит от характеристик формирующей оптической системы и мощности импульса.
Необходимо отметить, что бесселевы пучки могут быть получены не только в лазерах оптического и ИК-диапазонов, но и в СВЧ- технике. Это обстоятельство привлекает интерес в связи с тем, что в СВЧ-поле пробой атмосферного воздуха происходит при сравнительно более низких напряжениях.
Для оценки требуемого уровня мощности импульса была получена зависимость этого параметра от характеристик излучающей системы.
В случае формирования бесселевых пучков излучателем кольцевого сечения эта зависимость имеет вид
P = k • К • ^ X 1п • L , (9)
где k — 0,8 - численный коэффициент, K1 - коэффициент ослабления пучка, учитывающий дифракцию, распределение поля, волновые аберрации и поглощение в атмосфере; K2 =1 - - коэффициент формы пучка; X- длина волны; Ь - протяженность
Dн
оптического пробоя; 1п - пороговое значение плотности излучения; Бв и Бн -внутренний и наружный размеры сечения пучка.
Для проверки данной формулы проводился расчет протяженности зоны пробоя в тех условиях эксперимента, которые были ранее опубликованы [28].
Полученные расчетные значения Ь почти совпали с экспериментальными данными и давали несколько заниженные результаты. Такое отклонение могло быть обусловлено влиянием не учитываемых в расчете особенностей получения бесселевых пучков в данном случае и недостаточно полной информацией о параметрах пучка.
Формула (9) позволяет сопоставить различные виды электромагнитного излучения. При этом преимущество СВЧ- излучения за счет минимального, по сравнению с оптическим диапазоном, значения 1п, полностью аннулируется сравнительно большими
длинами волн X и сложностью получения СВЧ-пучков необходимой мощности в реальных условиях. Кроме того, рассеянное СВЧ-излучение представляет реальную опасность для живых существ, в то время, как ИК-излучение из-за сильного поглощения в конденсированной влаге совершенно безвредно (если нет опасности термического поражения).
Наиболее приемлемым представляется применение компактных, автономных лазерных устройств в средней ИК-области (X = 1^4 мкм), излучение которых обладает достаточной мощностью и имеет хорошее прохождение через атмосферу.
В настоящее время в России существует задел, необходимый для создания соответствующих лазерных установок, которые, позволяют получать импульсы мощностью до
12
10 Вт в указанном спектральном диапазоне.
По оценкам, проведенным с помощью формулы (9), такая мощность позволяет получить в воздухе оптический пробой протяженностью порядка километра.
На основе таких установок могут быть разработаны мобильные лазерные грозозащитные комплексы, в функции которых войдет и профилактика торнадо.
Схематично такой комплекс показан на рис.3.
Разрядный канал между объектом 1 в атмосфере и землей простреливается лазерным импульсом, генерация которого осуществляется в модуле излучателя 2.
Необходимая конфигурация пучка формируется в блоке 3, далее пучок по атмосферной трасе попадает в камеру управляемого зеркала 4 и отражается в заданном направлении. В области 5 по ходу луча образуется протяженная лазерная искра, вдоль которой развивается стример. Возникающий при этом молниевый разряд образует собственные разрядные каналы 6, попадающие в специальные громоотводы 7, установленные на безопасном расстоянии от служебных модулей с персоналом и других уязвимых элементов комплекса.
Громоотводы установлены на легко монтируемых разборных мачтах 8, оснащенных заземлением 9. Управление комплексом, связь, обработка данных по мониторингу атмосферы осуществляется в служебном модуле 4.
Все элементы комплекса могут быть выполнены достаточно компактно и транспортироваться автомобильным или авиационным транспортом.
Обнаружение очагов (зародышей) торнадо задолго до образования воронки, в принципе, позволяет рассматривать применение не только лазерных, но и других, более отработанных и достаточно эффективных методов воздействия.
В свете анализа и численных оценок, выполненных в процессе подготовки данной статьи, представляется, что проблема противодействия опасным атмосферным явлениям, при всей своей нетривиальной сложности и многогранности, может оказаться не такой безнадежной, как кажется на первый взгляд.
Дальнейшее развитие научных представлений об атмосферных процессах с учетом ЭМГД-механизма позволяет надеяться на создание в недалеком будущем математической модели торнадо и требует внедрения нетрадиционных, более эффективных средств мониторинга для проверки имеющихся предположений и получения необходимых экспериментальных данных. Современный уровень лазерной техники уже сейчас позволяет обсуждать возможности создания специальных защитных комплексов. Объединение всех этих работ в рамках единой концепции может существенно повысить их эффективность по каждому направлению в отдельности и позволит получить важную информацию об атмосферных процессах.
Авторы готовы продолжить работу в данной области для более глубокого теоретического рассмотрения проблемы, экспериментальной проверки сделанных ими предположений и проведения соответствующих разработок и исследований. В этой связи мы были бы весьма признательны предложениям от заинтересованных сторон.
В заключении авторы выражают искреннюю благодарность доктору Васильеву Г.К. за проявленный интерес и полезное обсуждение, а также Алексеевой Н.Б. за большую помощь при оформлении статьи.
+ + (2,-К) + + ЗЕМЛЯ
^-1—
+ + (2 +К) + +
о
о
а) Модель облака (га>0).
б) Зависимость потенциала электрического поля ф от к,^
Рис. 1.
Рис. 2.
Искажение поля Е в результате грозового разряда в т. 2, (Н=Н]).
Рис. 3
Схема лазерного грозозащитного комплекса
ЛИТЕРАТУРА
1. Дода Л.Н. Энерго - полевая структура Земли, Хартия Земли, М., 1997.
2. Фитцджеральд Д. Методы измерения электричества облаков. В. кн. Проблемы атмосферного электричества. Л. Гидрометеоиздат, 1969, с. 132-145.
3. Мучник В.М. Физика грозы. Л., Гидрометеоиздат, 1974.
4. Плешанов А. С. К теории гидродинамической устойчивости смерчей (торнадо) - Москва., Информэнерго, 1993.
5. Меркулов В.И. Электрогравидинамическая модель НЛО, торнадо и тропического урагана, Новосибирск, Издательство Института математики, 1998 г.
6. Journal Geophysical Research-Atmosphere, vol. 102, №D12, 1997, p. 13571.
7. Jones H.L. The tornado pulse generator. Weatherwise, v. 18, №2, 1965, pp78-79, 85.
8. Vonnegut B. and Meyer J.R. Luminois phenomena Aerocompahing tornadoes. Weather-wise, v. 19, №2, 1966, pp66-68.
9. Wobus H.B. Tornado from cumulo-nimbus. Bull.Amer.Met. Soc., v21, № 9, 1940. pp367-368.
10. Fujuta T. A detalied analysis of the Fargo tornadoes of June, 1957. Res Pap., №42 Weather Bur. Onit. Stat., 1960. 67 pp.
11. Имянитов И.М., Михайловская В.В. Опыт исследования зарядов частиц осадков в свободной атмосфере. Тр. ГГО, 1960, с. 16-33.
12. Красногорская Н.В. Электричество нижних слоев атмосферы и методы его наблюдения. Л., Гидрометеоизат, 1972.
13. Арабажи В.Н. Гроза и грозовые процессы. Минск, Изд. Белгородского университета, 1 960.
14. Evans W.H. Electric fields and conductivity in thunderclouds. J. Geophys. Res. 1960, v. 74, №4, p. 939-948.
15. Имянитов И.М. К вопросу об электризации и проводимости грозовых облков. ДАН СССР, 1958, т. 121, №1, с. 93-96.
16. Wegener A. Wind und Wasserhosen in Europa. In: Die Wisseenschaft, Bd 60, Braunschweig, 1917, 301SS.
17. Колоколов В.П., Шварц Я.Н. Методы наблюдения элементов атмосферного электричества. Обнинск, Информ. центр, 1 976.
1 8. Активно-пассивная радиолокация грозовых и грозоопасных очагов в облаках. Под ред. Л.Г. Качурина и Л.И. Дивинского. С.-Пб. Гирометеоиздат. 1992.
19. Глушко В.Н., Иванов А.И., Лившиц Г.Ш. и др. Рассеяние инфракрасного излучения в безоблачной атмосфере, Алма-Ата, Наука, 1 974.
20. Волькенштейн М.В. Молекулярная оптика. М.-Л-д, 1951.
21. Элементы теории светорассеяния и оптическая локация. Под ред. В.М. Орлова. Но-восиб., Наука, 1982.
22. Agroskin V.Ya., Vasiliev G.K., Guriev V.I., Zhitov A.N. Multichannel local and remote control of atmospheric gas and aerosol contaminations by HF(DF)-laser radiation lines. BRAS Physics / Supplement Physics of Vibrations, vol. 60, No 2. 1996.
23. Braviy B.G., Vasiliev G.K., Kirianov V.I., Makarov E.F., Chernishov Yu.A. Pulse chemical fluorine-hydrogen lasers: problems, working out and applications. 8-th Laser Optics Conference, techn. Digest, vol.1, St.-Petersburg, 1995.
24. Арсеньев В.В., Давыдов Ю.Т. Приемные устройства оптического диапазона, М., Изд. МАИ, 1992.
25. Lightning Control with Lasers, Scientific American, Aug. 1997.
26. Зворыкин В.Д., Николаев Ф.А., Холин И.В., Чугунов А.Ю., Шелоболин А.В. Физика плазмы, 5, 1979 г., стр. 1140
27. Марин М.Ю., Пильский В.Н., Полонский Л.Я., Пятницкий Л.Н. Исследование сплошных протяженных лазерных искр в воздухе. Тезисы доклада на VI Всесоюзной конференции, Паланга, 1984.
28. Бычков С.С., Марин М.Ю., Пятницкий Л.Н. Непрерывная лазерная искра. Труды института общей физики РАН, том 50, 1995.
