Радиолокационное исследование физических характеристик молнии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Михайлов, Михаил Степанович

  • Михайлов, Михаил Степанович
  • кандидат физико-математических науккандидат физико-математических наук
  • 1998, Москва
  • Специальность ВАК РФ01.04.03
  • Количество страниц 189
Михайлов, Михаил Степанович. Радиолокационное исследование физических характеристик молнии: дис. кандидат физико-математических наук: 01.04.03 - Радиофизика. Москва. 1998. 189 с.

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Михайлов, Михаил Степанович

ГЛАВА 1. ВВОДНАЯ

ГЛАВА. В

1.1.Обзор радиолокационных исследований молнии и измерения электромагнитного излучения от ее канала. ^

1.2.Математическая модель энерговыделения в канале молнии, газодинамического расширения и охлаждения газа.

1.3.Модель отражения радиоволн от ионизированного канала молнии.Щ

1.4.Тема диссертации. Постановка задачи.

ГЛАВА 2. СИНХРОННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ИМПУЛЬСОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И РАДИОЛОКАЦИОННОГО ОТРАЖЕНИЯ ОТ МОЛНИИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ КАНАЛА МОЛНИИ.

2.1 Схема эксперимента.

2.2 Краткое описание программы регистрации,.

2.3 Результаты измерений и их теоретическая обработка по определению энерговыделений и токов. 35""

2.4 Исследование зависимости длительности радиоотражения от длины волны радиолокатора. ¿ГЗ

2.5 Выводы по главе.

ГЛАВА 3. ДВУМЕРНОЕ ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИМПУЛЬСА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ И ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА.

3.1 Алгоритм распространения заряда.

3.2 Результаты расчета.

3.3 Аппроксимационные формулы для проводимости и диэлектрической проницаемости слабоионизированной плазмы воздуха.

3.4. Выводы по главе. $

ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ МОЛНИИ И ВОЗМОЖНОСТЬ ОЦЕНКИ ЕЕ РАСПОЛОЖЕНИЯ ПО ИЗМЕРЕНИЮ ИЗЛУЧЕНИЯ В ОДНОЙ ТОЧКЕ ПРОСТРАНСТВА. и

4.1 Основные уравнения.

4.2 Границы применимости основных уравнений.

4.3 Условие применимости приближения прямолинейного канала молнии. [0%

4.4 Оценка расположения молнии в пространстве.

4.5 Выводы по главе. |

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Радиофизика», 01.04.03 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Михайлов, Михаил Степанович

Основные результаты диссертации, выносимые на защиту.

1.Впервые измерены радиолокационным способом энерговыделения и токи молний, показано их соответствие теории.

2.Разработана программа регистрации радиоотражения от молниевого канала, позволяющая регистрировать молнии на фоне гор.

3.Разработана двумерная модель разряда молнии. На ее основе получены зависимости тока в канале и излучения от переносимого заряда.

4.Выведены аппроксимационные формулы для проводимости и диэлектрической проницаемости слабоионизированной плазмы

Г) —й воздуха в области температур 1500- 5000 ^К и плотностей 10 -101'5 от плотности воздуха при нормальных условиях, позволяющие сократить время численного расчета радиофизических эффектов и использовать их для физических оценок.

5.Получена формула для определения высоты расположения внутриоблачных разрядов по измерениям электрического и магнитного поля излучения в одной точке на поверхности земли .

В связи с широким распространением высокопроизводительных компьютеров, предложенная схема экспериментов может быть улучшена за счет регистрации всего отраженного сигнала и одновременной оцифровки и записи сигнала ЭМИ в более широкой 2 полосе частот за длительный промежуток времени (порядка 1 сек). При этом можно получить более полную картину связи радиолокационного отражения от каналов молнии с электромагнитным излучением на разных стадиях молниевой вспышки (лидер, возвратный удар и т.д.). Если регистрировать одновременно магнитное и электрическое поле излучения в нескольких точках на поверхности земли, то можно рассчитывать получить информацию о пространственном расположении молний с простой линейной структурой канала, на основе этой информации можно более точно определять токи из электромагнитного излучения. Дополнительную информацию можно получить, если проводить измерения одних и тех же молний одновременно двумя локаторами.

Результаты диссертационной работы могут быть использованы как в фундаментальных исследованиях (в геофизике, радиофизике), так и в прикладных, в частности, для управления воздушным движением и в метеорологии.

Результаты диссертации использовались в прикладных работах РТМ и были доложены на конференциях /19, 20, 23, 24, 45/ и опубликованы в статьях /21, 22, 46, 47/.

Автор благодарит научного руководителя доктора физ.-мат. наук, профессора Дубового Э.И.; доктора тех. наук, профессора Слоку В.К., Галкину Л.П. за поддержу работы, Левшина В.П. за консультации по программированию, соавторов Огонькова А.Л.,

Комарова В.Г. за изготовление аппаратуры, доктора физ.-мат. наук Аджиева А.Х., кандидата физ.-мат. наук Сижажева С.М., кандидата физ.-мат. наук Богаченко Е.М. за работу на радиолокаторах, Деркача В.М. за помощь в проведении электрических измерений.

Hi

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Михайлов, Михаил Степанович, 1998 год

1. Shono H.I. Reflection of microwaves accompanying lightning // Rep. Inst. Sci. Technol. Tokyo Univ., 1347, N1, pp. 184-190.• 2.Ligda M.G.H. Lightning detection by radar // Bull. Am. Meteorolog. Soc., 1950, N31, pp. 279-283.

2. Browne I.e. A radar echo from lightning // Nature, 1951, v.167, p.438.

3. Miles V.G. Radio echoes and lightning // Nature, 1952, v.170, pp.365-366.

4. Marshall J.S. frontal precipitation and lightning observed by radar // Can. J. Phys., 1953, N31, pp.194-203.

5. Ligda M.G.H. The radar observation of lightning // J. Atmos. Terr. Phys., 1956, N9, pp.329-346.

6. Hewitt F.J. Radar echoes from interstroke processes in lightning // Proc. Phys. Soc. London, Ser.B, 1957, v.70, pp.961-979.

7. Atlas D. Radar lightning echoes and atmospherics in vertical cross section // Recent advances in atmospheric electricity (L.G. Smith, ed.), 1958, Pergamon, Oxford, pp.441-459.

8. Williams E.R., Masur V., Geotis S.G. Lightning investigation with radar // Radar in meteorology: Battan Memorial and 40th anniversary radar meteorology conference, 1990, American Meteorological Society, Boston, pp.143-150.

9. Ю.Дивинский Л.И. Об эффективной отражающей поверхности канала молнии // Атмосферное электричество: Тр. 1 Все союз. симп. по атмосферному электричеству, Л.: Гидрометеоиздат, 1976, стр.177-185.1..Dawson G.A. Radar as a diagnostic tool for lightning, J.né

10. Geophys. Res., у.77, pp. 4518 4528, 1972.

11. Szymanski E.W., Rust W.D. Preliminary observations of lightning radar echoes and simultaneous electric field changes // Geophys. Res. Letts., 1979, v.6, pp.527-530.

12. Holmes C.R., Szymanskl E.W., Szymanskl S.J., Moore C.B. Radar and acoustic study of lightning // J. Geophys. Res., 1980, v.85, pp.7517-7532.

13. Гальперин С.M., Степаненко В.Д., Егоров В.Н., Гончар А.Ф. Радиолокационное обнаружение грозовых разрядов // Атмосферное электричество: Тр. 1 Всесоюз. симп. по атмосферному электричеству, Л.: Гидрометеоиздат, 1976, стр.170-177.

14. Дивинский Л.И., Мазур В.Д., Иванов Б.Д., Попова Л.К. Исследование временных характеристик сигнала, отраженного от канала молнии // Сборник трудов ЛГМИ, 1975, вып.54, стр.41-54.

15. Дубовой Э.И., Пряжинский В.И., Бондаренко В.Е. Численное моделирование газодинамических параметров канала молнии и радиолокационного отражения // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1991. Т. 27. N2. С.194-203

16. Дубовой Э.И., Пряжинский В.И., Читанава Г.И. Расчет энерговыделения в канале молнии // Метеорология и гидрология. 1991. N2. С.40-45.

17. Dubovoy E.I., likhailoy M.S., Ogonkov A.L., Pryazhinsky V.I. Measurement and numerical modeling of radio-sounding reflection from lightning channel // J. Geophys. Res., 1995, y.lOG, N Dl, pp. 1497-1502.

18. Dubovoy E.I., Mikhailov M.S. Remote determination of lightning energy releases and currents by means of radar in the vicinity of Elbrous // "Lightning and Mountains'97" Chamonixт

19. Mont-Blanc, Prance, 1-5 June 1997. Proceedings, pp. 107-109.

20. Дубовой Э.И. Синхронное измерение импульсов электрического поля и радиолокационного отражения от молнии и экспериментальная проверка результатов численного моделирования // Известия АН. Физика атмосферы и океана, 1997, т.33, N 1, с.122-131.

21. Юман М.А. Молния, М:"Мир\ 328 стр., 1972

22. Uman М.А. The lightning discharge. Academic, San Diego, Calif., 1987

23. Uman M.A., McLaln D.K., Plsher R.J., Krider E.P. Currents In Plorida lightning return strokes // J. Geophys. Res., 1973, v.78, pp.3530-3537.

24. Plooster M.N. Numerical model of the return stroke of the lightning discharge // Phys. Fluids, vol.14, N10, pp.2124-2133, 1971.

25. Кузнецов H.H. Термодинамические функции и ударные адиабаты воздуха при высоких температурах. М. .-Машиностроение, 1965. 463 с.

26. Plooster M.N. Numerical simulation of spark discharges in air // Phys. Fluids, vol.14, N10, pp.2111-2123, 1971.

27. Hill R.D. Channel heating in return-stroke lightning, J. Geophys. Res., vol. 76, N3, pp.637-645, 1971.

28. Handbuch der Physic, 455pp., Springer Verlag, Berlin, vol.22, 1956.1.O

29. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 198?.

30. Степаненко В.Д., Гальперин С.М. Радиотехнические методы исследования гроз. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 204 с.

31. Van Vleck J.H., Bloch Г., Hamermesh М. Theory of Radar Reflection from wires or thin metallic strips. J. Appl.Phys., v.18, N3, pp.274-294, 1947.

32. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Изд-во АН СССР, 1957. 502 с.

33. Гинзбург В. Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: ГФМЛ, 1960. 552 с.

34. Дубовой Э.М., Пряжинский В.И. Патент N1816121 на изобретение "Способ определения характеристик молний". Приоритет изобретения 5 декабря 1989 г.

35. Uman М.А., Brantley R.D., Lin I.Т., Tiller J.A., E.P. Krider E.P., McLain D.K. Correlated Electric and Magnetic Fields Prom Lightning Return Strokes // J. Geophys. Res., 1975, v.80, N 3, pp.373-376.

36. Diendorfer G., Uman M.A. An improved return stroke model with specified channel-base current // J. Geophys. Res., 1990, V.95, N D9, pp. 13,621-13,644.

37. Дубовой Э.И., Михайлов М.С. К расчету проводимости и диэлектрической проницаемости слабоионизированной плазмы воздуха // "Электричество", 1995, N 12, с.56-59.

38. Михайлов М.С., Дубовой Э.И. Возможность оценки положения молнии в пространстве по измерению ее электромагнитного излучения в одной точке // "Электричество", 1997, N 12, с.8-15.

39. Uman М.А., McLaln D.K., Krider E.P. The electromagnetic radiation from a finite antenna // Am. J. Phys., 1975, vol. 45, pp. 33-38

40. Uman M.A., Brantley R.D., Lin I.Т., Tiller J.A., E.P. Krider E.P., Mcbain D.K. Correlated Electric and Magnetic Fields From Lightning Return Strokes // J. Geophys. Res., 1975, v.80, N 3, pp.373-376.

41. Mantas G.P. Electron collision frequencies and energy transfer rates // J. Atmosph. Terr. Phys., 1974, Y.36, pp.1587-1600.

42. Дубовой Э.И., Подлипчук В.Ю. Ионизационный состав воздуха при температурах 1500-3000 К.: Препринт N 807. М.: РИАЛ, 1980, 72 стр.

43. Neynaber R.H., Marino L.L., Rothe E.W., Trujillo S.M. Low-energy electron scattering from atomic nitrogen // Phys.Rev.,1. HI1963, V.129, N.5, pp.2069-2071.

44. Neynaber R.H., Marino L.L., Rothe E.W., Trujillo S.M. Low-energy electron scattering from atomic oxygen // Pfrys. Rev., 1961, У.123, N.l, pp.148-152.

45. Крин0ерг M.A., Скочилов B.H. Сечения столкновения электронов с атомами и молекулами космической плазмы // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, М.:Наука, 1971, Вып. 16, стр.152-165.

46. Uman М.А. Lightning Return Stroke Electric and Magnetic Fields.// J. Geophys. Res., 1985, v.90, N D4, pp.6121-6130.

47. Ландау Л.Д., Лйфшиц Е.М. Теория поля.-М:"Наука", 1988, 512стр.

48. McLain D.K., Uman М.А. Exact Expression and Moment Approximation for the Electric Field Intensity of the Lightning Return Stroke // J. Geophys. Res., 1971, v.76, N 9, pp. 2101-2105.

49. Ландау, Л.Д. и Е.М. Лифшиц, Механика, М: "Наука", 216 стр,1988

50. Давыдов, А.С., Теория атомного ядра, М: Государственное издательство физико-математической литературы, 612 стр., 195861 .Беклемишев, Д.В., Курс аналитической геометрии и линейной алгебры, М: "Наука", 320 стр., 1984иг

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.