КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 16-19-00160

НазваниеРазработка научных основ способов искусственного инициирования молнии в грозовых облаках для предотвращения катастрофических последствий воздействия молнии на наземные объекты и летательные аппараты

РуководительТемников Александр Георгиевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2016 г. - 2018 г. 

Конкурс№11 - Конкурс 2015 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований» (11).

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-301 - Электрофизика, электрофизические системы

Ключевые словамолния, катастрофические последствия, гроза, искусственное инициирование, облака заряженного водного аэрозоля, гидрометеоры, молниезащита, экспериментальные исследования, наземные объекты, летательные аппараты, опасные воздействия, научные основы, методы активного воздействия на процессы инициирования молнии и поражения ею объектов

Код ГРНТИ81.93.21


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Решение проблемы активного воздействия на грозовые облака и управления процессами инициирования молнии, ее ориентировки и выбора ею места удара становится все более актуальным в связи с возросшими требованиями к молниезащите различных объектов (летательных аппаратов, пожаро- взрывоопасных объектов, атомных электростанций, центров управления и т.п.), воздействие грозовых облаков и молнии на которые может приводить к катастрофическим последствиям и неприемлемому ущербу. В такой ситуации идеальным было бы вообще не допускать формирования разряда молнии в месте расположения таких объектов, искусственно инициируя молнию вдали от них. Предлагаемые для этого способы инициирования молнии (ракетами или лазерами) имеют физические ограничения, проблемы технической реализации, очень дорогостоящи, ими сложно инициировать внутриоблачную или межоблачную молнию, при которой воздействие молнии на наземные объекты минимально. Поэтому перспективным направлением инициирования молнии в грозовых облаках является искусственное введение в них аналогов крупных гидрометеоров, которые предполагаются одним из возможных факторов инициирования природной молнии. Предлагаемый проект направлен на решение мало исследованной проблемы физики атмосферного электричества, молнии и молниезащиты, связанной с выяснением условий инициирования и развития разрядных явлений внутри грозового облака и между грозовым облаком и землей. Решение этой проблемы позволит разработать научные и инженерные основы методов активного и целенаправленного воздействия на электрические разряды в облаках и искусственного инициирования и управления молнией, прогнозировать последствия такого воздействия для наземных объектов и летательных аппаратов различного назначения с целью недопущения катастрофических последствий и минимизации ущерба. В ходе выполнения проекта будут впервые выявлены и обобщены ключевые физические механизмы и особенности инициирования и распространения разряда при активном воздействии модельными гидрометеорами на электрически активные облака, определены условия, при которых обеспечивается максимальная эффективность искусственного инициирования внутриоблачной молнии и молнии «облако – земля» и наибольшая степень разрядки ими электрически активного облака. В ходе выполнения проекта, используя уникальную экспериментальную установку, позволяющую создавать облака сильно заряженных капель воды отрицательной и положительной полярности (искусственные грозовые ячейки), будут исследованы физические процессы и механизмы искусственного инициирования молнии «облако – земля» и внутриоблачных разрядов с помощью гидрометеоров, выявлены ключевые механизмы, влияющие на инициирование и целенаправленное распространение канальных разрядов внутри облаков и между облаком и землей, предложены научно обоснованные способы искусственного инициирования молнии в грозовых облаках с помощью гидрометеоров. Будет исследовано влияние гидрометеоров на инициирование и стимулирование распространения разряда между облаками заряженного водного аэрозоля отрицательной или положительной полярности и между заряженным аэрозольным облаком и землей. Будут установлены взаимосвязи между характеристиками гидрометеоров и их способностью инициировать разряд между разноименно заряженными облаками и между облаком и землей. На основе полученных экспериментальных результатов и их анализа будут определены ключевые механизмы инициирования разряда между облаками заряженного аэрозоля различной полярности и между облаком и землей группами модельных гидрометеоров и разрядки заряженных аэрозольных облаков. Как обобщение, построена физическая картина влияния гидрометеоров различного вида на инициирование и распространение разряда в облаках заряженного аэрозоля и между облаком и землей. На основе ее интерпретации и масштабирования на естественную грозовую ситуацию, будут разработаны научные и инженерные основы способов искусственного инициирования внутриоблачной молнии в грозовых облаках и молнии «облако – земля» группами модельных гидрометеоров и методика их реализации, включая возможные алгоритмы, способы и средства доставки инициирующих гидрометеоров в грозовое облако для целенаправленной разрядки грозовых облаков и предотвращения катастрофических воздействий на наземные объекты и летательные аппараты.

Ожидаемые результаты
Ожидаемые результаты: 1. Банк экспериментальных данных по влиянию микроструктуры облака (гидрометеоров) на инициирование и распространение всех видов разрядных явлений, формирующихся в облаке заряженного водного аэрозоля и между облаком и землей и соответствующим им характеристикам вместе с параметрами облака заряженных капель воды. 2. Зависимости между параметрами модельных гидрометеоров и их способностью инициировать разряд между облаком и землей, и характеристиками разрядов, инициируемыми ими между заряженным аэрозольным облаком отрицательной или положительной полярности и землей. 3. Ключевые механизмы, особенности и условия инициирования разряда между облаком заряженного аэрозоля и землей группами модельных гидрометеоров и разрядки заряженного облака. 4. Физическая картина влияния гидрометеоров различного вида на инициирование и распространение разряда из искусственного облака заряженного водного аэрозоля к земле. 5. Результаты анализа возможностей и особенностей интерпретации и переноса полученных результатов, зависимостей и моделей на естественную грозовую ситуацию при формировании молнии «облако – земля». 6. Предложения по использованию полученных результатов на следующих этапах при разработке метода целенаправленного искусственного инициирования молнии между грозовым облаком и землей. 7. Банк экспериментальных данных по влиянию микроструктуры облака (гидрометеоров) на инициирование и распространение всех видов разрядных явлений, формирующихся между облаками отрицательной и положительной полярности и соответствующим им характеристикам вместе с параметрами облаков заряженного водного аэрозоля. 8. Зависимости между параметрами модельных гидрометеоров и их способностью инициировать разряд между разноименно заряженными облаками, между параметрами групп модельных гидрометеоров и характеристиками разрядов, инициируемыми ими между заряженными аэрозольными облаками отрицательной или положительной полярности. 9. Ключевые механизмы, особенности и условия инициирования разряда между положительно и отрицательно заряженными облаками группами модельных гидрометеоров и разрядки облаков заряженного аэрозоля различной полярности. 10. Физическая картина влияния гидрометеоров различного вида на инициирование и распространение разряда между искусственными облаками заряженного водного аэрозоля отрицательной и положительной полярности. 11. Результаты анализа возможностей и особенностей интерпретации и масштабирования полученных результатов, зависимостей и моделей на естественную грозовую ситуацию при формировании внутриоблачной молнии. 12. Предложения по использованию полученных результатов на следующем этапе при разработке метода целенаправленного искусственного инициирования молнии между разноименно заряженными грозовыми облаками и разноименно заряженными частями грозового облака. 13. Основные положения научных и инженерных основ способов искусственного инициирования внутриоблачной молнии в грозовых облаках и молнии «облако – земля» группами модельных гидрометеоров для предотвращения катастрофических последствий воздействия молнии на наземные объекты и летательные аппараты. 14. Варианты параметров групп модельных гидрометеоров и их размещения в электрически активных (грозовых) облаках, при которых обеспечиваются наиболее оптимальные условия для инициирования внутриоблачной молнии и молнии типа «облако – земля». 15. Требования к типоразмерам и параметрам семейств модельных гидрометеоров и местам их введения в грозовое облако для искусственного инициирования внутриоблачной молнии и молнии типа «облако-земля» обеих полярностей и целенаправленной разрядки грозового облака. 16. Результаты экспериментальной проверки разработанных основных положений и оптимальных вариантов способа инициирования внутриоблачной молнии и молнии «облако – земля» группами модельных гидрометеоров с использованием искусственных облаков заряженного водного аэрозоля. 17. Результаты анализа возможностей и путей масштабирования полученных результатов на естественную грозовую ситуацию с целью активного воздействия на процессы в электрически активных (грозовых) облаках и искусственного инициирования внутриоблачной молнии и молнии типа «облако-земля» в грозовом облаке. 18. Методика искусственного инициирования молнии в грозовых облаках группами модельных гидрометеоров, включая возможные алгоритмы введения групп инициирующих гидрометеоров в грозовое облако и перспективные способы и средства доставки гидрометеоров внутрь грозового облака или к его границам для целенаправленной разрядки грозовых облаков и предотвращения катастрофических воздействий молнии на объекты. Полученные в ходе выполнения проекта результаты помогут существенно продвинуться в решении существующей проблемы выявления ключевых механизмов, определяющих инициирование природной молнии в грозовых облаках. Разрабатываемые способы инициирования молнии могут найти применение для защиты от воздействия молнии наиболее важных и/или особо опасных объектов, на которых обычные средства молниезащиты не применимы или могут оказаться недостаточно эффективными (например, при защите ракетных стартов, аэродромов, крупных нефтяных и газовых месторождений, крупных резервуарных парков, атомных электростанций и т.п.). В этих случаях можно дистанционно организовывать своеобразную «разряжающую защиту» на пути грозового фронта, приближающегося к объекту. Более того, таким способом можно было бы прокладывать безопасные трассы для воздушных судов через грозовую облачность или обеспечивать коридоры для безопасного взлета или посадки самолетов в крупных авиационных узлах, что может дать большой экономический эффект.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Проведены комплексные экспериментальные исследования влияния модельных гидрометеоров (ГМ) на инициирование и стимулирование распространения разрядов между облаком заряженного аэрозоля отрицательной или положительной полярности и землей. Составлен обширный банк уникальных экспериментальных данных по влиянию гидрометеоров на инициирование и стимулирование распространения всех видов разрядных явлений, формирующихся в облаке заряженного водного аэрозоля отрицательной или положительной полярности и между облаком и землей и соответствующим им оптическим и электрическим характеристикам вместе с параметрами облака заряженных капель воды. Экспериментально установлено, что группы ГМ инициируют и стимулируют развитие между заряженным облаком и землей более широкого спектра разрядных явлений: при отрицательной полярности - облачные разряды на гидрометеорах, канальные разряды с участием гидрометеоров, канальные разряды, проходящие мимо гидрометеоров, при положительной полярности - облачные разряды на гидрометеорах, канальные разряды с участием гидрометеоров, диффузные разряды с участием гидрометеоров. Определены зависимости между параметрами ГМ и их способностью инициировать разряд и стимулировать его распространение между облаком заряженного аэрозоля и землей. Установлено, что массивы крупных ГМ существенно повышают вероятность инициирования и стимулирование распространения канального разряда между искусственной грозовой ячейкой и землей. Впервые показано, что условия инициирования гидрометеорами канального разряда между облаком и землей и его характеристики существенно зависят от полярности облака. Особенно существенно группы крупных гидрометеоров оказывали влияние на процессы инициирования канальных разрядов между облаком и землей при положительной полярности облака. Установлено существенное влияние формы ГМ и способа их объединения в группу на инициирование и стимулирование распространения группой гидрометеоров разряда между искусственной грозовой ячейкой и землей. Выявлено, что использование диэлектрической лески и ленты для объединения ГМ в группу увеличивает вероятность инициирования канального разряда между облаком и землей. При отрицательной полярности искусственной грозовой ячейки наиболее успешным для инициирования канальных разрядов между облаком и землей является использование диэлектрической лески для цилиндрических и ромбовидных ГМ. При положительной полярности облака наиболее успешным для инициирования канальных разрядов между облаком и землей является использование диэлектрической ленты для цилиндрических гидрометеоров. Выявлено, что увеличение числа гидрометеоров, образующих группу, приводит к росту вероятности инициирования канального разряда между заряженным облаком и землей. Увеличение общей протяженности массива гидрометеоров за счет увеличения расстояния между соседними модельными гидрометеорами в группе не приводит к росту вероятности инициирования канальных разрядов между облаком и землей. Расстояние между соседними гидрометеорами в группе 2,0-2,5 см является оптимальным для инициирования канального разряда между облаком заряженного аэрозоля и землей. Установлено существенное влияние места расположения группы гидрометеоров на вероятность инициирования облачных и канальных разрядов между облаком и землей. Вероятность инициирования канального разряда между отрицательно заряженным облаком и землей группами ГМ увеличивалась при их расположении частично в заряженном облаке. Вероятность инициирования канального разряда между положительно заряженным облаком и землей возрастала при расположении группы гидрометеоров непосредственно вблизи нижней границы облака. Установлены зависимости между параметрами ГМ и характеристиками разрядов, инициируемыми ими между заряженным облаком разной полярности и землей. Установлены близкие к линейной зависимости между амплитудой и крутизной импульса тока главной стадии разряда и между зарядом, нейтрализованным в течение главной стадии разряд, и амплитудой импульса тока. На основе вейвлетного анализа установлено, что спектральные характеристики электромагнитного излучения разрядов с участием массива гидрометеоров зависят от полярности облака. Предельные частоты и частоты, соответствующие максимальной интенсивности в вейвлетном спектре, облачных разрядов при отрицательно заряженном облаке могут достигать 1-2 ГГц и нескольких сотен МГц, соответственно. При положительно заряженном облаке аналогичные частоты облачных разрядов на массиве гидрометеоров в несколько раз меньше. Выявлены ключевые механизмы, особенности и условия инициирования разряда между облаком заряженного аэрозоля и землей группами ГМ и разрядки заряженного облака. Установлено, что само введение группы гидрометеоров приводит к существенному снижению заряда облака, при котором могут инициироваться канальные разряды между искусственной грозовой ячейкой и землей. Особенно существенно группы крупных ГМ оказывали влияние на процессы инициирования канальных разрядов между облаком и землей при положительной полярности облака. Установлено, что ключевым механизмом инициирования и распространения группой ГМ канального разряда между облаком и землей является формирование искрового разряда между соседними крупными гидрометеорами в группе. Развитие таких разрядов между гидрометеорами запускает старт разрядов с верхнего гидрометеора в массиве, направленных в область заряженного облака, и с нижнего гидрометеора в группе, направленных к земле, и стимулирует формирование канального разряда в промежутке. Вариант объединения ГМ в группу с использованием диэлектрической ленты лучше обеспечивал формирование искровых разрядов между соседними гидрометеорами в группе при положительной полярности искусственной грозовой ячейки. Установлено, что условия инициирования гидрометеорами искрового разряда между облаком и землей и его характеристики существенно зависят от локального места расположения массива гидрометеоров относительно облака. При отрицательной полярности облака наибольшая вероятность инициирования канальных разрядов между облаком и землей с участием гидрометеоров достигается в случае расположения части массива гидрометеоров в пределах облака. При положительной полярности облака наибольшая вероятность инициирования канальных разрядов между облаком и землей достигается при расположении гидрометеоров вблизи нижней границы облака. Построена многовариантная физическая картина влияния гидрометеоров различного вида на инициирование и распространение разряда из искусственного облака заряженного водного аэрозоля отрицательной или положительной полярности к земле, в зависимости от полярности облака, места нахождения группы гидрометеоров, формы и количества ГМ, способом их объединения. Определяющим фактором для формирования канального разряда между облаком и землей будет возникновение на концах группы гидрометеоров импульсной стримерной короны, которая дает старт формированию объемного лидера. Объединение гидрометеоров в группу диэлектрической леской или пленкой способствует ускоренному формированию искрового разряда между соседними гидрометеорами, особенно при положительной полярности облака. Выполнен анализ возможностей и особенностей интерпретации и переноса полученных результатов, зависимостей и моделей на реальную грозовую ситуацию при формировании молнии «облако – земля». Возможно, массивы крупных гидрометеоров в нижней части грозового облака, где располагается избыточный положительный заряд, играют ключевую роль в инициировании нисходящей молнии через формирование объемного лидера и последующего нисходящего лидера. Массивы крупных градин могут играть существенную роль для инициирования положительной молнии из основного положительного заряда грозового облака, где локальная концентрация градин может быть большой. Наличие в грозовом облаке областей с большой концентрацией крупных градин может существенно модифицировать спектр электромагнитного излучения разрядов, формирующихся внутри грозового облака, что может помочь корректно разделять облачные и наземные разряды молнии при работе систем пеленгации молнии. Подготовлены предложения по использованию полученных результатов на следующих этапах при разработке метода целенаправленного искусственного инициирования молнии между грозовым облаком и землей. Перспективны для искусственного инициирования молнии между грозовым облаком и землей цилиндрические и комбинированные ГМ, объединяемые в группу диэлектрической лентой или леской. Для отрицательно заряженных ячеек наиболее удачным местом для инициирования разряда между грозовым облаком и землей будет введение группы ГМ вблизи нижней границы ячейки. Для положительных ячеек наиболее удачным местом для инициирования разряда между грозовым облаком и землей будет введение группы ГМ так, что верхние гидрометеоры из группы частично находится в нижней части грозовой ячейки. Перспективным местом введения групп гидрометеоров для искусственного инициирования молнии между грозовым облаком и землей, могут быть области СВЧ излучения в грозовом облаке, где может быть значительная концентрация крупных градин.

 

Публикации

1. Белова О.С., Герастенок Т.К., Журавкова Д.С., Лысов Н.Ю., Орлов А.В., Темников А.Г., Черненский Л.Л. Исследование влияния гидрометеоров на инициирование разряда из искусственной грозовой ячейки и характеристики его электромагнитного излучения Журнал "Вестник МЭИ", 2016, № 6, с. 16-23 (год публикации - 2016)

2. Темников А.Г., Черененский Л.Л., Орлов А.В., Лысов Н.Ю., Белова О.С., Герастенок Т.К., Журавкова Д.С., Гундарева С.В., Калугина И.Е. Initiation of lightning in thunderclouds with the use of artificial clouds of charged aerosol Russian Electrical Engineering, Volume 87, Issue 8, 1 August 2016, Pages 457-461 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.3103/S1068371216080095

3. Темников А.Г., Черненский Л.Л., Орлов А.В., Лысов Н.Ю., Белова О.С., Калугина И.Е., Герастенок Т.К., Журавкова Д.С. Влияние полярности искусственной грозовой ячейки на инициирование разряда группами модельных гидрометеоров Журнал "Письма в журнал технической физики", 2017, т. 43, вып. 4, с. 32-38 (год публикации - 2017)

4. Белова О.С, Темников А.Г., Черненский Л.Л., Орлов А.В., Лысов Н.Ю., Герастенок Т.К., Журавкова Д.С. Исследование влияния параметров гидрометеоров на спектральные характеристики разрядов из искусственного заряженного аэрозольного облака Сборник докладов V Российской конференции по молниезащите, Санкт-Петербург, 2016, с. 57-66 (год публикации - 2016)

5. Темников А.Г, Черненский Л.Л., Орлов А.В., Белова О.С., Калугина И.Е., Герастенок Т.К., Гундарева С.В., Журавкова Д.С. Peculiarities of Electromagnetic Radiation Spectrum of Discharges Initiated by Hydrometeors between Artificial Thunderstorm Cell and Ground IEEE Conference Publications, 2016 International Conference on Lightning Protection (ICLP), - (год публикации - 2016)

6. Темников А.Г., Черненский Л.Л., Орлов А.В., Белова О.С., Лысов Н.Ю., Герастенок Т.К., Журавкова Д.С. Influence of Hydrometeors on Formation of Discharge between Artificial Thunderstorm Cell and Ground IEEE Conference Publications, 2016 International Conference on Lightning Protection (ICLP), - (год публикации - 2016)


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Проведены комплексные экспериментальные исследования влияния модельных гидрометеоров на инициирование и стимулирование распространения разрядов между облаками заряженного аэрозоля отрицательной или положительной полярности. Составлен обширный банк уникальных экспериментальных данных по влиянию гидрометеоров на инициирование и стимулирование распространения всех видов разрядных явлений, формирующихся между облаками заряженного аэрозоля различной полярности и соответствующим им характеристикам вместе с параметрами облаков заряженных капель воды. Экспериментальной установлено, что группы модельных гидрометеоров, размещаемые между искусственными грозовыми ячейками отрицательной и положительной полярности, инициируют и стимулируют распространение между облаками гораздо более широкого спектра разрядных явлений (от лавинной и факельной короны до диффузных и канальных разрядов). Выявлено существенное влияние ориентации разноименно заряженных искусственных грозовых ячеек относительно земли и формы модельных ГМ на инициирование гидрометеорами разрядных явлений между облаками. Определены зависимости между параметрами групп модельных ГМ и их способностью инициировать разряд и стимулировать его распространение между разноименно заряженными облаками. Установлено, что наибольшая вероятность формирования протяженных канальных разрядов между заряженными облаками наблюдается при использовании группы модельных ГМ цилиндрической и эллипсоидальной формы. Впервые показано, что группы гидрометеоров, характеризующиеся большим коэффициентом усиления электрического поля, оказались наименее эффективными для инициирования и стимулирования распространения разряда между облаками положительной и отрицательной полярности. Установлено существенное влияние способа объединения модельных ГМ в группу на вероятность инициирования и стимулирования распространения группой ГМ разряда между облаками отрицательной и положительной полярности. Применение для объединения гидрофобной диэлектрической лески или диэлектрической ленты наиболее эффективно для инициирования протяженных канальных разрядов между разноименно заряженными ячейками. Впервые показано, что одновременное использование нескольких групп модельных ГМ существенно повышает вероятность инициирование канальных разрядов между разноименно заряженными облаками и стимулирует их распространение и обеспечивает проникновение внутрь искусственных грозовых ячеек отрицательной и положительной полярности. При объединении этих групп в систему гидрофобной диэлектрической лентой вероятность инициирования канального разряда между облаками достигала 40-50 % при ориентации “искусственная грозовая ячейка отрицательной полярности – искусственная грозовая ячейка положительной полярности – земля”. Выявлено, что вероятность инициирования группой ГМ канального или диффузного разряда между разноименно заряженными ячейками растет с увеличением числа ГМ, образовывающих группу. Установлено, что при расстоянии между соседними ГМ, соизмеримом с размерами самих модельных гидрометеоров сантиметрового диапазона размеров, является оптимальным для инициирования и стимулирования распространения канального разряда между облаком заряженного аэрозоля положительной и отрицательной полярности. Установлено существенное влияние места расположения группы (групп) модельных ГМ в промежутке между разноименно заряженными облаками на вероятность инициирования разрядных явлений между ними. Вероятность инициирования модельными ГМ протяженных канальных и диффузных разрядов росла, когда возрастало расстояние между искусственными грозовыми ячейками, а группа ГМ располагалась или в середине промежутка, или несколько ближе к положительно заряженной ячейке. Установлены зависимости между параметрами групп модельных ГМ и характеристиками разрядов, инициируемыми ими между разноименно заряженными облаками. Найдено, что наибольшая интенсивность электромагнитного излучения, регистрируемого антеннами, наблюдалась для групп цилиндрических модельных ГМ. Выявлено, что при различных вариантах объединения в систему двух групп модельных ГМ, наибольшая интенсивность сигнала, регистрируемого антеннами, наблюдается при использовании диэлектрической ленты с очень низкой поверхностной проводимостью для объединения групп модельных ГМ. Для антенн, установленных на поверхности земли, найдена взаимосвязь между амплитудой сигнала и его длительностью практически для всех вариантов групп модельных ГМ. На основе вейвлетного анализа установлено, что спектральные характеристики разрядов, развивающихся в промежутке между искусственными грозовыми ячейками с участием массива ГМ, зависят от расположения этих ячеек относительно земли. Для облачных, в отличие от канальных, разрядов на группах ГМ предельные частоты и частоты, соответствующие максимальной интенсивности в вейвлетных спектрах сигналов, регистрируемых антеннами, при системе “положительно заряженное облако – отрицательно заряженное облако – земля” выше, чем при системе “отрицательно заряженное облако – положительно заряженное облако – земля”. Выявлены ключевые механизмы, особенности и условия инициирования разряда между положительно и отрицательно заряженными облаками группами модельных гидрометеоров и разрядки облаков заряженного аэрозоля различной полярности. Установлено, что появление группы ГМ в промежутке между заряженными облаками провоцирует формирование различного вида разрядных явлений, многие из которых проникали внутрь заряженных аэрозольных облаков, частично разряжая их. Установлено, что ключевыми механизмами и условиями в последовательности инициирования и стимулирования распространения группой модельных ГМ того или иного вида разрядного явления между разноименно заряженными искусственными грозовыми ячейками являются формирование искрового разряда между соседними крупными ГМ в группе и коронного разряда с крайних ГМ в группе в сторону верхнего и нижнего заряженного облака. Формирование искровых разрядов являлось необходимым, но не достаточным явлением для развития канального разряда между облаками и их интенсивной разрядки. Найдено, что формирование с концов группы ГМ диффузных и тем более мощных стримерных разрядов приводила к существенному увеличению общей длины продвижения разрядных явлений, их проникновения внутрь облаков заряженного аэрозоля и, соответственно, существенной их разрядке. Установлено, что условия инициирования группой ГМ того или иного вида разрядных явлений между разноименно заряженными облаками и их характеристики существенно зависят от места нахождения группы ГМ в промежутке между искусственными грозовыми ячейками. При относительно небольшом расстоянии между разноименно заряженными облаками, соизмеримым с размерами самой группы модельных ГМ вероятность формирования группой канальных или мощных диффузных разрядов существенно снижалась. Найдено, что с увеличением расстояния между искусственными грозовыми ячейками приоритетным направлением формирования разряда становилось направление с конца группы ГМ в сторону отрицательной искусственной грозовой ячейки, особенно для модельных ГМ, имеющих достаточно большой коэффициент усиления поля. Построена многовариантная физическая картина влияния гидрометеоров различного вида на инициирование и распространение разряда между искусственными облаками заряженного водного аэрозоля отрицательной и положительной полярности. Найдено, что на ГМ, имеющих большой коэффициент усиления поля формирование лавинной или факельной короны с концевых ГМ в группе может существенно граничит возможность перехода в канальную стадию, частично локально разряжая облако, что ведет к отсутствию формирования канального разряда между облаками. Показано, что использование групп модельных ГМ с небольшими коэффициентами усиления поля, объединенных в группу диэлектрической леской или лентой ведет к формированию мощной стримерной короны с концов группы, формированию канального разряда между разноименно заряженными облаками и их гораздо большей разрядке. Выполнен анализ возможностей и особенностей интерпретации и масштабирования полученных результатов, зависимостей и моделей на естественную грозовую ситуацию при формировании внутриоблачной молнии. Существенное влияние на интенсивное формирование и распространение разрядных явлений между заряженными облаками оказывали группы крупных модельных ГМ. Это коррелирует с результатами наблюдений за природной молнией, где резкое усиление активности молний в землю и внутриоблачных молний связывают с концентрацией в облаке массивов крупного града и считают, что именно присутствие крупных гидрометеоров в области между слоями положительного и отрицательного заряда, где плотность объемного заряда близка к нулю, может быть очень важным для инициирования молнии. Найдено, что диапазон размеров модельных ГМ, для которых при экспериментах наблюдалась наибольшая интенсивность разрядных явлений между искусственными грозовыми ячейками, соответствует характерным размерам града, при которых, согласно радарных и полевых наблюдений, наблюдается максимальная интенсивность внутриоблачных молний. Подготовлены предложения по использованию полученных результатов на следующем этапе при разработке метода целенаправленного искусственного инициирования молнии между разноименно заряженными грозовыми облаками и разноименно заряженными частями грозового облака. Определены параметры групп модельных ГМ, перспективные для целенаправленного искусственного инициирования межоблачной и внутриоблачной молнии в грозовых облаках. Использование одновременного введения в грозовое облако нескольких групп модельных ГМ может существенно повысить вероятность инициирования там разряда и значительно увеличить разряжаемую область грозового облака. Для инициирования внутриоблачной молнии перспективным местом введения групп модельных ГМ в промежуток между грозовыми ячейками разной полярности может быть область, прилегающая к границам положительно заряженной ячейки.

 

Публикации

1. Журавкова Д.С., Темников А.Г., Белова О.С., Черненский Л.Л., Герастенок Т.К., Калугина И.Е., Лысов Н.Ю., Орлов А.В. Parameters of Main Stage of Discharge Between Artificial Charged Aerosol Cloud and Ground in Presence of Model Hydrometeor Arrays Журнал "International Journal of Electrical, Computer, Energetic, Electronic and Communication Engineering", 2017, Vol. 11, N. 3, pp. 312-317 (год публикации - 2017)

2. Темников А.Г., Белова О.С., Черненский Л.Л., Герастенок Т.К., Лысов Н.Ю., Орлов А.В., Журавкова Д.С. Influence of model hydrometeor form on probability of discharge initiation from artificial charged water aerosol cloud Журнал "International Journal of Electrical, Computer, Energetic, Electronic and Communication Engineering", 2017, Vol. 11, N. 3, pp. 306-311 (год публикации - 2017)

3. Темников А.Г., Черненский Л.Л., Орлов А.В., Лысов Н.Ю., Белова О.С., Герастенок Т.К., Журавкова Д.С. The influence of model hydrometeor kind on the discharge formation between artificial thunderstorm cell and ground Журнал “Technical Physics Letters”, 2017, Vol. 43, No. 12, pp. 1105-1108 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1134/S1063785017120264

4. Темников А.Г., Черненский Л.Л., Орлов А.В., Лысов Н.Ю., Белова О.С., Герастенок Т.К., Журавкова Д.С., Гундарева С.В. Stimulation of discharge of an artificial thunderstorm cell by arrays of model hydrometeors Журнал “Russian Electrical Engineering”, 2017, Vol. 88, No. 8, pp. 520-523 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.3103/S1068371217080119

5. Темников А.Г., Черненский Л.Л., Орлов А.В., Лысов Н.Ю., Белова О.С., Герастенок Т.К., Журавкова Д.С., Калугина И.Е. Initiation of spark discharges between an artificial thunderstorm cell and the ground by hydrometeor groups Журнал “Russian Electrical Engineering”, 2017, Vol. 88, No. 8, pp. 515-519 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.3103/S1068371217080107

6. Темников А.Г., Черненский Л.Л., Орлов А.В., Лысов Н.Ю., Журавкова Д.С., Белова О.С., Герастенок Т.К. Применение искусственных грозовых ячеек для исследования проблем инициирования молнии между грозовым облаком и землей Журнал “Известия Академии наук. Энергетика”, 2017, № 2, с. 48-61 (год публикации - 2017)

7. Темников А.Г., Черненский Л.Л., Орлов А.В., Лысов Н.Ю., Журавкова Д.С., Белова О.С., Герастенок Т.К. Application of Artificial Thunderstorm Cells for the Investigation of Lightning Initiation Problems Between a Thundercloud and the Ground Журнал “Thermal Engineering”, 2017, Vol. 64, No. 13, pp. 994–1006 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1134/S0040601517130109

8. Темников А.Г., Журавкова Д.С., Черненский Л.Л., Лысов Н.Ю., Орлов А.В., Белова О.С., Герастенок Т.К., Гундарева С.В. Investigation of peculiarities of discharge between artificial thunderstorm cell and ground in presence of model hydrometeors array Proceedings of 9th European Conference on Severe Storms, Pula, Croatia, 2017, ECSS2017-58-1 (год публикации - 2017)

9. Темников А.Г., Черненский Л.Л., Лысов Н.Ю., Орлов А.В., Белова О.С., Герастенок Т.К., Журавкова Д.С., Калугина И.Е. Simulation of processes of artificial lightning initiation by model hydrometeors array using artificial thunderstorm cells Proceedings of 9th European Conference on Severe Storms, Pula, Croatia, 2017, ECSS2017-57-1 (год публикации - 2017)


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Разработаны основные положения научных и инженерных основ способов искусственного инициирования внутриоблачной молнии в грозовых облаках и молнии «облако – земля» группами модельных гидрометеоров для предотвращения катастрофических последствий воздействия молнии на наземные объекты и летательные аппараты. Установлено существенное влияние размеров и формы модельных гидрометеоров (ГМ) на вероятность инициирования стримерной короны, способной перейти в объемный лидер в электрических полях, характерных для грозовых облаков. Предложена методика определения напряженности поля грозового облака, требуемой для возникновения на модельных ГМ стримерной вспышки. Показано, что необходимым условием инициирования мощной стримерной короны, при которой возможен успешный стример-лидерный переход, является использование модельных ГМ сантиметрового диапазона. Найдено, что ключевыми параметрами, характеризующими возможность возникновения с модельных ГМ стримерной короны и вероятность ее перехода в объемный лидер, является коэффициент усиления электрического поля (Кус). С точки зрения влияния модельных ГМ на вероятность инициирования разряда в грозовых облаках предложено деление ГМ на пять классов, различающимися величиной Кус: Класс 1 (К1) - Кус ~ 3-4; Класс 2 (К2) - Кус ~ 5-9; Класс 3 (К3) - Кус ~ 10-19; Класс 4 (К4) - Кус ~ 20-49; Класс 5 (К5) - Кус > 50. Установлено, что одним из ключевых факторов для искусственного инициирования молнии в грозовых облаках модельными ГМ является наличие отрицательной обратной связи между начальными разрядными процессами на ГМ и характеристиками поля грозового облака в месте их расположения. Разрядка ближайших частей грозовой ячейки лавинной короной, формирующейся с этих ГМ, снижает напряженность поля в месте ГМ. При использовании модельных ГМ классов 1 и 2 и частично класса 3 такая отрицательная обратная связь будет гораздо менее выраженной и вероятность формирования с таких ГМ мощной стримерной вспышки, способной преобразоваться в объемный лидер, возрастает. Объединение модельных ГМ в единый массив через формирование искры между ГМ в группе является ключевым фактором для повышения вероятности перехода стримерной вспышки в объемный лидер и его успешного развития, так как ведет к росту Кус и снижению величины напряженности поля грозового облака, при которой может начаться формирование стримеров с концевых модельных ГМ в группе. Диэлектрическая леска (лента) стимулирует формирование искровых разрядов между модельными ГМ и наиболее эффективно для объединения ГМ классов 1-3, когда она стимулирует формирование направленных друг к другу стримеров. Использование ленты более эффективно для ГМ классов 3 и 4. Осаждающиеся на ней поверхностные заряды разного знака будут стимулировать формирование вдоль ленты мощного стримерного разряда. Эксперименты с использованием искусственных грозовых ячеек показали, что для инициирования нисходящей молнии минимальная протяженность группы модельных ГМ должна быть не менее 0,2-0,25 м. Для инициирования внутриоблачной молнии эти минимальные размеры массива модельных ГМ должны быть увеличены на 40-50 %. При искусственном инициировании молнии при введении группы модельных ГМ надо учитывать характер распределения поля в грозовом облаке и его многоячеистую структуру. При применении групп модельных ГМ для инициирования молнии «облако – земля» оптимальным будет их расположение вблизи нижней ячейки. При использовании групп модельных ГМ для инициирования внутриоблачной молнии оптимальным будет их расположение в области повышенной напряженности поля между двумя разноименными ячейками. При наличии в грозовом облаке массивов крупного града, небольшие группы модельных ГМ могут быть триггерным механизмом для инициирования разряда в таком массиве и его успешного развития. Вероятность инициирования в грозовых облаках нисходящей молнии и внутриоблачной молнии и степень разрядки облака могут быть значительно увеличены путем введения в облако нескольких массивов модельных ГМ. Определены перспективные варианты параметров групп модельных ГМ и их размещения в грозовых облаках, при которых обеспечиваются наиболее оптимальные условия для инициирования молнии типа «облако - земля» и внутриоблачной молнии. Разработаны требования к типоразмерам и параметрам семейств модельных ГМ и местам их введения в грозовое облако для искусственного инициирования внутриоблачной молнии и молнии типа «облако-земля» обеих полярностей и целенаправленной разрядки грозового облака: - использование модельных ГМ классов К2 и К3 размером 3-7 см, объединяемых в группу из 4-6 штук диэлектрической леской (лентой) с шагом от 0,75 до 1,25 продольного размера ГМ, линейные размеры группы ГМ не менее 20-25 см; - введение в грозовое облако нескольких групп модельных ГМ, объединяемых леской (1,2-2,5 размера самих групп ГМ) в протяженную систему длиной не менее 0,7-0,8 м; - наиболее перспективными местами в грозовом облаке для введения групп модельных ГМ при искусственном инициировании молнии «облако - земля»: - у нижней границы нижней ячейки и частично в самой ячейке; - в пространстве между нижним и верхним рядом униполярных ячеек; - у нижней границы верхней ячейки и частично в самой ячейке; - наиболее перспективными местами в грозовом облаке для введения групп модельных ГМ при искусственном инициировании внутриоблачной молнии: – частично в верхней части нижнего основного заряда облака и в области на границе с ним; – в пространстве между нижним и верхним рядом разноименно заряженных ячеек; – частично в нижней части верхнего основного заряда облака и в области на границе с ним. Проведены комплексные экспериментальные исследования для проверки разработанных основных положений и оптимальных вариантов способа инициирования внутриоблачной молнии и молнии «облако – земля» группами модельных гидрометеоров с использованием искусственных облаков заряженного водного аэрозоля. С ростом числа групп ГМ вероятность инициировании и распространения разрядов между облаком и землей с подключением верхней грозовой ячейки, и разряда между разноименными ячейками, степень разрядки облака росли. При объединении групп ГМ диэлектрической леской растет вероятность инициирования и стимулирования разрядов между искусственными грозовыми ячейками и землей, особенно для системы положительных грозовых ячеек. Проведен анализ возможностей и путей масштабирования полученных результатов на естественную грозовую ситуацию с целью активного воздействия на процессы в электрически активных (грозовых) облаках и искусственного инициирования внутриоблачной молнии и молнии типа «облако-земля» в грозовом облаке. Для искусственного инициирования молнии напряженность поля в грозовых облаках, перспективных для введения групп модельных ГМ с учетом изменения плотности воздуха с высотой, должна быть не менее 1-3 кВ/см. Варианты групп модельных ГМ классов К2 и К3 сантиметрового диапазона коррелируют с характеристиками массивов крупного града в грозовых облаках и их влияния на интенсивность молнии. Связь диэлектрической леской модельных ГМ в группе и самих этих групп позволяет поддерживать оптимальное расстояние между ГМ и определять направление распространения разряда. Факт, что введение в систему отрицательных ячеек групп модельных ГМ может стимулировать формирование повторных нисходящих разрядов и более полную разрядку облака, коррелирует с данными по возможному влиянию градовых массивов в грозовых облаках на формирование повторных разрядов нисходящей молнии. Разработана методика искусственного инициирования молнии различного вида в грозовых облаках группами модельных гидрометеоров, включая возможные алгоритмы введения групп инициирующих гидрометеоров в грозовое облако и перспективные способы и средства наземного и воздушного базирования доставки гидрометеоров внутрь грозового облака или к его границам для целенаправленной разрядки грозовых облаков и предотвращения катастрофических воздействий молнии на объекты. М1. Оценить состояние и характеристики грозовой обстановки и приближающегося грозового облака: - контролировать напряженность поля на поверхности земли (при превышении значений 0,2-0,3 кВ/см) и оценить напряженность поля в нижней части грозового облака (при превышении значений 1-3 кВ/см) – складываются условия для «запуска» с поверхности земли групп модельных ГМ для инициирования нисходящей молнии; - оценить напряженность поля внутри грозового облака, выделить локальные области более высокой напряженности, чтобы принять решение об искусственного инициировании внутриоблачной молнии; - определить интенсивность и характеристики начальных разрядов в приближающемся грозовом облаке на основе дистанционных систем; - определить, на основе наземных наблюдений и сканирования облаков, наличие, места и размеры массивов града в грозовом облаке, направления их перемещения внутри облаков и наличие тенденции выпадения крупных градовых образований на землю; - на основе полученных данных определить возможность и целесообразность искусственного инициирования молнии того или иного вида из приближающегося грозового облака: М2. На основе проведенных измерений и оценок провести выбор приоритетного варианта искусственного инициирования молнии из грозового облака: - инициирование нисходящей отрицательной молнии; - инициирование нисходящей положительной молнии; - инициирование внутриоблачной молнии; - стимулирование повторных ударов молнии из грозового облака и обеспечения максимальной разрядки грозового облака. М3. Для выбранного варианта искусственного инициирования молнии отбираются перспективные для этих целей групп модельных ГМ и возможных способов наземного и/или воздушного базирования для их доставки в нужную часть грозового облака. Для искусственного инициирования нисходящей отрицательной или положительной молнии, внутриоблачной молнии и для стимулирования отрицательных повторных разрядов и разрядки грозового облака может применен вариант введения групп модельных ГМ с использованием зондов или универсальные варианты последовательной реализации процессов искусственного инициирования внутриоблачной молнии и затем нисходящей молнии при введении групп модельных ГМ с использованием беспилотного летательного аппарата, артиллерийской установки со снарядами и малогабаритных ракет, снаряженных комплексами ГМ, в том числе, оборудованные достаточно простыми системами измерения и управления для направления их в части грозового облака, где наблюдается в данный период времени повышенные напряженности поля, скопления крупного града и повышается вероятность искусственного инициирования молнии.

 

Публикации

1. Темников А.Г., Белова О.С., Кившар Т.К., Черненский Л.Л. Investigation of influence of model hydrometeors on characteristics of electromagnetic radiation impulses registered near to artificial thunderstorm cells IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, Volume 698, Issue 4, 2019, 044040 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1088/1757-899X/698/4/044040

2. Темников А.Г., Журавкова Д.С., Орлов А.В., Лысов Н.Ю. Outlook Research of Application of Model Hydrometeor Arrays for Artificial Initiation of Lightning and Thundercloud Charge Reduction IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, Volume 698, Issue 4, 2019, 044039 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1088/1757-899X/698/4/044039

3. Темников А.Г., Черненский Л.Л., Орлов А.В., Кившар Т.К., Лысов Н.Ю., Белова О.С., Журавкова Д.С. Peculiarities of the electric field calculation of the artificial thunderstorm cells Журнал " International Journal of Circuits, Systems and Signal Processing", том 12, стр. 305-311 (год публикации - 2018)

4. Темников А.Г., Черненский Л.Л., Орлов А.В., Лысов Н.Ю., Белова О.С., Журавкова Д.С., Кившар Т.К. Initiation of Spark Discharges between Artificial Thunder Cells Using a Hydrometeor Журнал " Russian Electrical Engineering", том 89, выпуск 5, стр. 304-308 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.3103/S1068371218050097

5. Темников А.Г., Черненский Л.Л., Орлов А.В., Лысов Н.Ю., Белова О.С., Журавкова Д.С., Кившар Т.К. Artificial Initiation of Lightning in Thunderclouds by Model Hydrometeor Groups Журнал "Russian Electrical Engineering", том 89, выпуск 8, стр. 484-489 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.3103/S1068371218080096

6. Темников А.Г., Черненский Л.Л., Орлов А.В., Лысов Н.Ю., Белова О.С., Кившар Т.К., Журавкова Д.С. Physical Modeling of Processes Generating Subsequent Negative Lightning Strikes with the Use of Artificial Thunderstorm Cells Журнал "TECHNICAL PHYSICS LETTERS", том 44, выпуск 9, стр. 783-786 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1134/S1063785018090146

7. Темников А.Г., Черненский Л.Л., Орлов А.В., Лысов Н.Ю., Белова О.С., Кившар Т.К., Журавкова Д.С. Особенности искусственного инициировании молнии «облако-земля» и стимулирования разрядки грозового облака группами модельных гидрометеоров Известия РАН. Энергетика, 2019, № 2, с. 90-105 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1134/S0002331019020134

8. Темников А.Г., Черненский Л.Л., Орлов А.В., Лысов Н.Ю., Белова О.С., Журавкова Д.С., Кившар Т.К., Калугина И.Е., Воеводин В.В. Исследование влияния гидрометеоров на инициирование и распространение повторных разрядов из системы отрицательно заряженных искусственных грозовых ячеек Сборник докладов VI Российской конференции по молниезащите, 2018, Санкт-Петербург, стр. 89-96 (год публикации - 2018)

9. Темников А.Г., Черненский Л.Л., Орлов А.В., Лысов Н.Ю., Белова О.С., Кившар Т.К., Журавкова Д.С. Influence of Model Hydrometeors on Initiation of Discharge Phenomena between Artificial Thunderstorm Cells of Different Polarity IEEE Conference Publications, 2018 International Conference on Lightning Protection (ICLP), article number 8503304 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1109/ICLP.2018.8503286

10. Темников А.Г., Черненский Л.Л., Орлов А.В., Лысов Н.Ю., Журавкова Д.С., Белова О.С., Кившар Т.К., Калугина И.Е., Воеводин В.В. Investigation of Possible Role of Hydrometeor Arrays on Subsequent Stroke Initiation Using System of Artificial Thunderstorm Cells of Negative Polarity IEEE Conference Publications, 2018 International Conference on Lightning Protection (ICLP), article number 8503286 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1109/ICLP.2018.8503286


Возможность практического использования результатов
не указано