Исследования грозовых процессов представляют особый интерес, поскольку грозы наносят существенный ущерб многим отраслям экономики, сельскому хозяйству, авиации и объектам энергетики. Часто вследствие удара молнии возникают лесные пожары, отключение высоковольтных линий электропередач. Поэтому определение характеристик молнии, таких как координаты разрядов молнии, сила тока, время нарастания тока молнии до пикового значения, количество поражений земли молниями, являются необходимыми при организации молниезащитных мероприятий [1]. Также важным при проведении таких мероприятий является учет влияния особенностей орографии местности на развитие грозовых явлений. В данной работе показано, что на Северном Кавказе по субъектам федерации наблюдается существенное различие в значениях тока в канале молниевого разряда «облако-земля».
Быстрые и достоверные сообщения о характеристиках гроз и параметрах молний для определенных территорий дадут возможность решить многие вопросы метеорологии, физики приземного слоя атмосферы, авиации и др.
Целью работы являлось определение среднестатистических значений токов молний «облако-земля» на различных территориях юга европейской части России.
Задачами исследований были:
- оценка соотношений количества молний «облако-земля» положительной и отрицательной полярности на территориях субъектов федерации юга европейской части России;
- определение территориальных особенностей распределения токов молний «облако-земля» различной полярности на юге европейской части России.
Материалы и методы исследования
Молнии разделяют на несколько типов [2]:
- облачные, иногда называют внутриоблачные – это разряды, встречающиеся в конвективном облаке между зонами, заряженными разноименно;
- межоблачные – это разряды, происходящие между двумя облаками с разноименно заряженными областями;
- наземные – разряды между облаком и землей. Наземные молнии также разделяют на положительные и отрицательные, в зависимости от нейтрализуемого заряда. То есть при нейтрализации отрицательного заряда получаем отрицательную молнию и при нейтрализации положительного заряда – положительную.
Характеристики и частота молниевых разрядов имеют связь и с рельефом местности, составом подстилающей поверхности. Токи молний могут изменяться в зависимости от высоты над уровнем моря.
В настоящее время существует ряд источников информации о грозах: визуально-слуховые наблюдения на метеостанциях, счетчики разрядов молний, активные радиотехнические методы локации грозовых очагов, пассивные радиотехнические системы грозопеленгации и спутниковые наблюдения. Из перечисленных наиболее распространенными для мониторинга гроз являются визуально-слуховой метод и использование радиолокаторов [3]. Обоим методам присущи некоторые недостатки: это ограниченность территории обзора (визуально-слуховой метод может охватывать от 13 до 20 км, а радиолокационный – около 200 км), отсутствие в поступаемых материалах данных об электрических процессах в токах молний, отсутствие возможности прогнозирования опасных явлений погоды [4].
Для определения параметров молний «облако-земля» в данной работе использовалась грозопеленгационнная сеть (ГПС) LS8000 фирмы Vaisala. Эта система была впервые в России развернута в 2008 г. на Северном Кавказе, ФГБУ «ВГИ». Она состояла из четырех грозопеленгаторов и центрального пункта приема и обработки информации от грозопеленгаторов [5]. Грозопеленгаторы LS8000 находятся недалеко от населенных пунктов: Кызбурун (КБР), Черкесск (КЧР), Ставрополь и Зеленокумск (Ставропольский край). В 2020 г. ГПС дополнена двумя грозопеленгаторами той же фирмы, которые установлены в Краснодарском крае вблизи населенных пунктов Туапсе и Кореновск. Такое расположение способствует высокой эффективности работы системы. Данные принимаются со всей территории Северного Кавказа и Черноморского побережья России.
Для задач, поставленных в данной работе, были отобраны значения токов молний «облако-земля» за период наблюдения с 2009 по 2015 г. Полученные среднестатистические значения токов наземных молний по субъектам федерации приведены в табл. 1 и на рис. 1.
Таблица 1
Сводная таблица значений токов молний различной полярности по субъектам юга России
|
Субъекты |
Токи в канале молнии |
||||
|
Iср +, кА |
Iср – , кА |
Iмед+, кА |
Iмед-, кА |
|Iср |, кА |
|
|
Кр. край и Адыгея |
32,72 |
-24,04 |
30,21 |
-22,67 |
25,23 |
|
КЧР |
28,47 |
-16,1 |
15,96 |
-11,67 |
17,31 |
|
КБР |
31,88 |
-12,45 |
15,46 |
-6,75 |
14,04 |
|
Северная Осетия |
31,89 |
-16,54 |
14,25 |
-11,38 |
18,44 |
|
Ставропольский край |
30,61 |
-12,79 |
21,17 |
-11,33 |
14,45 |
|
Ростовская область |
33,72 |
-17,11 |
17,75 |
-13,08 |
18,11 |
|
Калмыкия |
31,07 |
-22,63 |
24,17 |
-23,25 |
23,5 |
|
Чечня и Ингушетия |
45,13 |
-23,61 |
15,5 |
-12,08 |
27,23 |
|
Дагестан |
47 |
-29,5 |
24,04 |
-23,63 |
33,82 |
Рис. 1. Гистограмма распределения средних значений тока в канале молнии по субъектам юга России
Средние абсолютные значения токов молний определялись по данным ГПС с использованием выражения
Iср+ – среднее значение тока положительной полярности, Iср – это среднее значение тока отрицательной полярности, Iмед+ – медиана положительных токов, Iмед- – медиана отрицательных токов, |Iср| – средние значения тока по модулю, N- – количество зарегистрированных молний «облако-земля» отрицательной полярности, N+ – количество зарегистрированных молний «облако-земля» положительной полярности.
Построена гистограмма распределений средних абсолютных значений тока в канале молнии по субъектам юга России (рис. 1).
Из рис. 1 видно, что средние значения токов в канале молнии за семилетний промежуток времени варьируются от 14 кА до 34 кА. Наименьшее значение 14,4 кА определено для территории КБР, наибольшее значение 34 кА на территории Республики Дагестан. Исследования разных авторов [6] показали, что пространственная неоднородность характеристик грозовой активности имеет место как для территорий со сложным рельефом, так и для равнинных территорий.
По нашему мнению, значительная неоднородность по территории Северного Кавказа распределений средних значений токов молний «облако-земля» обусловлены неоднородностью орографии и особенностями увлажнения земли (количеством осадков).
Орографию местности можно отнести к основным факторам, оказывающим существенное влияние на метеорологический режим в пограничном слое атмосферы. В ряде работ отмечалась зависимость гроз от высоты местности над уровнем моря. Было выявлено, что высокие горы оказывают существенное влияние, под их действием имеют место динамическая турбулентность и восходящие потоки по склону. Отсюда и создаются импульсы мощных конвективных токов, содействующих усилению грозовых процессов [7]. Авторы показывают, что роль рельефа является одним из основных факторов образования гроз.
Для субъектов юга России были найдены минимальные (Нmin,), максимальные (Hmax) и средние значения (Hср) высоты местности над уровнем моря (табл. 2) и построена диаграмма (рис. 2).
Таблица 2
Высота местности над уровнем моря для субъектов юга России
|
Субъекты |
Высота над уровнем моря |
||
|
Нmin, м |
Hmax, м |
Hср, м |
|
|
Кр. край и Адыгея |
-2 |
3591 |
304 |
|
КЧР |
0 |
5593 |
1154 |
|
КБР |
82 |
5581 |
1198 |
|
Северная Осетия |
59 |
5091 |
1127 |
|
Ставропольский край |
17 |
1400 |
429 |
|
Ростовская область |
2 |
253 |
112 |
|
Калмыкия |
-30 |
211 |
193 |
|
Чечня и Ингушетия |
-29 |
4451 |
704 |
|
Дагестан |
-30 |
4466 |
494 |
Рис. 2. Диаграмма распределения средней высоты над уровнем моря
Сравнения рис. 1 и 2 показывают:
- с увеличением средней высоты местности над уровнем моря среднее значение токов молний «облако-земля» на территории субъекта уменьшается. Так, например, средняя высота территории Краснодарского края с Адыгеей составляет 304 м над уровнем моря, а среднее значение тока молнии – 25,23 кА. Территория КБР характеризуется средней высотой 1198 м и токами 14,04 кА. Аналогично и по другим субъектам федерации на рассматриваемой территории;
- при рассмотрении значений токов молнии в целом по территории Северного Кавказа наименьшие их значения (14,04 кА) наблюдаются на территориях Центрального Кавказа (КЧР, КБР, Северная Осетия). Наибольшие значения (25,23 кА и 33,82 кА) имеют место на территориях Западного Кавказа (Краснодарский край) и Восточного Кавказа (Республика Дагестан). При этом доля отрицательных молний в общем количестве молний «облако-земля» на территории Центрального Кавказа больше, чем на территориях Западного и Восточного Кавказа. Это соотношение Центрального Кавказа составляет 8,9 для Западного и Восточного Кавказа соответственно 3,5 и 3,8 (рис. 3).
Рис. 3. Гистограмма распределения долей молний разной полярности по субъектам юга России. Цвета обозначают: красный – доля молний отрицательной полярности, % синий – доля молний положительной полярности, %
Заключение
Определены среднестатистические значения токов молний «облако-земля» на территориях субъектов федерации юга европейской части России. Показано, что на рассматриваемой территории средние значения токов в канале молнии по данным за семилетний промежуток времени варьируются от 14 кА до 34 кА. Наименьшее значение 14,4 кА определено для территории КБР, наибольшее значение 34 кА – на территории Республики Дагестан.
Выполнен анализ соотношений количества молний «облако-земля» положительной и отрицательной полярности на территориях субъектов федерации юга европейской части России. Показано, что доля наземных молний отрицательной полярности в среднем в 6 раз больше, чем доля молний положительной полярности.