Исследование специфики спектральных характеристик электромагнитного излучения разряда между искусственным грозовым облаком и землей
Ключевые слова:
молния, искусственное грозовое облако, разряды, электромагнитное излучение, широкополосные антенны, вейвлетный анализ, спектральные характеристики
Аннотация
Представлены результаты экспериментальных исследований электромагнитного излучения разрядов между искусственным грозовым облаком и землей. Выявлено пять возможных вариантов формирования главной стадии разряда между искусственным грозовым облаком и землей: восходящий разряд, встречные и нисходящие разряды, в том числе с радиальной стримерной короной с канала разряда. Найдено, что разные по условиям формирования варианты главной стадии разряда между искусственной грозовой ячейкой и землей могут проявляться и в специфике создаваемого им электромагнитного излучения, регистрируемого широкополосными антеннами, и его спектра. На основе вейвлетного анализа найдены специфические особенности спектральных характеристик электромагнитного излучения выявленных вариантов разрядов и параметров импульса тока главной стадии разряда. Установлено, что для восходящих разрядов характерны относительно небольшие амплитуды и крутизны импульса тока, но сверхвысокие предельные частоты в вейвлетном спектре их электромагнитного излучения. Наибольшая интенсивность вейвлетного спектра электромагнитного излучения наблюдается для нисходящих разрядов. Найдено, что радиальная стри- мерная корона с участков канала разряда и/или взаимодействие восходящего и нисходящего лидеров могут приводить к более высоким значениям амплитуды и крутизны импульса тока разряда и характеристик вейвлетного спектра его электромагнитного излучения. Отмечено, что присутствие частотных диапазонов в десятки-сотни мегагерц в вейвлетном спектре электромагнитного излучения разрядов между искусственным грозовым облаком и землей необходимо учитывать при разработке и эксплуатации систем пеленгации молнии.
Литература
1. Cooray V. Lightning Electromagnetics. - IET Publishing, London, United Kingdom, 2012.
2. Nag A., Murphy M.J., Schulz W., Cummins K.L. Lightning location systems: insights on characteristics and validation technique. - Earth and Space Science 2 (2015), рр. 65-93.
3. Rakov V.A. A review of recent progress in studying physics of lightning. - Proc. of 7th All-Russian Conf. on Atmospheric Electricity, St. Petersburg, Russia, 2012.
4. Lightning: Principles, Instruments and Applications. Review of Modern Lightning Research. Eds.: H.D. Betz, U. Schumann, P. Laroche. Springer, 2009.
5. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Физика молнии и молниезащиты. М.: Физматлит, 2001, 320 с.
6. Rakov V.A., Uman M.A. Lightning: physics and effects. Cambridge University Press, 2003, 687 р.
7. Dong W., Liu H. Observation of compact intracloud discharges using VHF broadband interferometer.-Proc. of 31st Intern. Conf. on Lightning Protection, Vienna, Austria, 2012.
8. Takayanagi Y., Akita M., Nakamura Y., Yoshida S., Morimoto T., Ushio T., Kawasaki Z. Leader process in 3D observed by VLF/LF broadband mterferorneter. - Proc. of 31st Intern. Conf. on Lightning Protection, Vienna, Austria, 2012.
9. Rakov V.A. Electrornagnetic Methods of Lightning Detection, Surveys in Geophysics (Springer), vol. 34, No. 4, July 2013, DOI 10.1004/s10712-013-9251-1.
10. Руководство по метеорологическим приборам и методам наблюдений. Всемирная метеорологическая организация. ВМО-№8 (перевод. издание), Женева, Швейцария, 2017.
11. Makela J. Electrornagnetic signatures of lightning near the HF frequency band. - Helsinki, Finnish Meteorological institute, 2009.
12. Chen M., Du Y., Burnett J., Dong W. The electrornagnetic radiation frorn lightning in the interval of 10 kHz to 100 MHz. - Proc. of 12th Intern. Conf. on Atrnospheric Electricity, Versailles, France, 2003.
13. Temnikov A.G., Orlov A.V., Bolotov V.N., Tkach Y.V. Studies of the pararneters of a spark discharge between an artificial charged water-aerosol cloud and the ground. - Technical Physics, 2005, vol. 50 (7), pp. 868-875.
14. Maslowski G., Baramski P., Michnowski S. Analysis of electric field spectrograrns of lightning discharge cornponents. - Proc. of Intern. Syrnp. on Lightning Physics and Effects, Vienna, Austria, 2007.
15. Sharma S.R., Cooray V., Fernando M., Miranda F.J. Ternporal features of different lightning events revealed frorn wavelet transforrn. - Journal of Atrnospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2011, No. 73, pp. 507-515.
16. Esa M.R.M., Ahmad M.R., Cooray V. Wavelet analysis of the first electric field pulse of lightning flashes in Sweden. - Journal of Atrnospheric Research, 2014, No. 138, pp. 253-267.
17. Белова О.С., Темников А.Г., Черненский Л.Л. Исследование спектральных характеристик разряда из искусственного облака заряженного водного аэрозоля. - Энергетик, 2013, № 10, с. 42-43.
18. Temnikov A.G., Chernensky L.L., Belova O.S., Orlov A.V., Zimin A.S. Spectral characteristics of discharges frorn artificial charged aerosol cloud. - IEEE of 2014 Intern. Conf. on Lightning Protection (ICLP 2014). Article nurnber 6973333.
19. Темников А.Г., Орлов А.В., Черненский Л.Л., Белова О.С., Герастенок Т.К., Зимин А.С. Исследование систем определения места удара и параметров разряда молнии с использованием искусственного грозового облака. - Вестник МЭИ, 2015, № 6, с. 35-44.
20. Витязев В.В. Вейвлет - анализ временных рядов. Учебное пос. Изд-во С. Петербургского университета, 2001, 61 с.
21. Tran M.D., Rakov V.A., Mallick S. An unusual two-stroke negative cloud-to-ground flash showing profuse branching and corona-like forrnations. - Proc. of 2014 Intern. Conf. on Lightning Protection (ICLP 2014), Shanghai, China, pp. 1272-1281.
#
1. Cooray V. Lightning Electromagnetics. — IET Publishing, London, United Kingdom, 2012.
2. Nag A., Murphy M.J., Schulz W., Cummins K.L. Lightning location systems: insights on characteristics and validation technique. — Earth and Space Science 2 (2015), pp. 65—93.
3. Rakov V.A. A review of recent progress in studying physics of lightning. — Proc. of 7th All-Russian Conf. on Atmospheric Electricity, St. Petersburg, Russia, 2012.
4. Lightning: Principles, Instruments and Applications. Review of Modern Lightning Research /. Eds.: H.D. Betz, U. Schumann, P. Laroche. Springer, 2009.
5. Bazelyan E.M., Rayzer Yu.P. Fizika molnii i molniyezashchity (Physics of lightning and lightning protection). Moscow, Fizmatlit, 2001, 320 p.
6. Rakov V.A., Uman M.A. Lightning: physics and effects. Cambridge University Press, 2003, 687 p.
7. Dong W., Liu H. Observation of compact intracloud discharges using VHF broadband interferometer.—Proc. of 31st Intern. Conf. on Lightning Protection, Vienna, Austria, 2012.
8. Takayanagi Y., Akita M., Nakamura Y., Yoshida S., Morimoto T., Ushio T., Kawasaki Z. Leader process in 3D observed by VLF/LF broadband interferometer. — Proc. of 31st Intern. Conf. on Lightning Protection, Vienna, Austria, 2012.
9. Rakov V.A. Electromagnetic Methods of Lightning Detection, Surveys in Geophysics (Springer), vol. 34, No. 4, July 2013, DOI 10.1004/s10712-013-9251-1.
10. Rukovodstvo po meteorologicheskim priboram i metodam nablyudeniy. Vsemirnaya meteorologicheskaya organizatsiya. VMO-№8 (perevod. izdaniye) (Guide to meteorological instruments and methods of observation. World Meteorological Organization. WMO-No. 8 (transl. edition)), Geneva, Switzerland, 2017.
11. Makela J. Electromagnetic signatures of lightning near the HF frequency band. — Helsinki, Finnish Meteorological institute, 2009.
12. Chen M., Du Y., Burnett J., Dong W. The electromagnetic radiation from lightning in the interval of 10 kHz to 100 MHz. — Proc. of 12th Intern. Conf. on Atmospheric Electricity, Versailles, France, 2003.
13. Temnikov A.G., Orlov A.V., Bolotov V.N., Tkach Y.V. Studies of the parameters of a spark discharge between an artificial charged water-aerosol cloud and the ground. — Technical Physics, 2005, vol. 50 (7), pp. 868-875.
14. Maslowski G., Baramski P., Michnowski S. Analysis of electric field spectrograms of lightning discharge components. - Proc. of Intern. Symp. on Lightning Physics and Effects, Vienna, Austria, 2007.
15. Sharma S.R., Cooray V., Fernando M., Miranda F.J.
Temporal features of different lightning events revealed from wavelet transform. - Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2011, No. 73, pp. 507-515.
16. Esa M.R.M., Ahmad M.R., Cooray V. Wavelet analysis of the first electric field pulse of lightning flashes in Sweden. - Journal of Atmospheric Research, 2014, No. 138, pp. 253-267.
17. Belova O.S., Temnikov A.G., Chernenskiy L.L. Energetik — in Russ. (Power Engineer), No.10, 2013, pp. 42-43.
18. Temnikov A.G., Chernensky L.L., Belova O.S., Orlov A.V., Zimin A.S. Spectral characteristics of discharges from artificial charged aerosol cloud. — IEEE of 2014 Intern. Conf. on Lightning Protection (ICLP 2014). Article number 6973333.
19. Temnikov A.G., Orlov A.V., Chernensky L.L., Belova O.S., Gerastenok T.K., Zimin A.S. Vestnik MEI — in Russ. (Bulletin of Moscow Power Engineering Institute), 2015, No. 6, pp. 35—44.
20. Vityazev V.V. Veyvlet — analizvremennykh ryadov. Uchebnoye pos. (Wavelet — Time Series Analysis. Educational village) Uchebnoye pos. Izd-vo S. Peterburgskogo universiteta, 2001, 61 p.
21. Tran M.D., Rakov V.A., Mallick S. An unusual two-stroke negative cloud-to-ground flash showing profuse branching and corona-like formations. — Proc. of 2014 Intern. Conf. on Lightning Protection (ICLP 2014), Shanghai, China, pp. 1272—1281.
2. Nag A., Murphy M.J., Schulz W., Cummins K.L. Lightning location systems: insights on characteristics and validation technique. - Earth and Space Science 2 (2015), рр. 65-93.
3. Rakov V.A. A review of recent progress in studying physics of lightning. - Proc. of 7th All-Russian Conf. on Atmospheric Electricity, St. Petersburg, Russia, 2012.
4. Lightning: Principles, Instruments and Applications. Review of Modern Lightning Research. Eds.: H.D. Betz, U. Schumann, P. Laroche. Springer, 2009.
5. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Физика молнии и молниезащиты. М.: Физматлит, 2001, 320 с.
6. Rakov V.A., Uman M.A. Lightning: physics and effects. Cambridge University Press, 2003, 687 р.
7. Dong W., Liu H. Observation of compact intracloud discharges using VHF broadband interferometer.-Proc. of 31st Intern. Conf. on Lightning Protection, Vienna, Austria, 2012.
8. Takayanagi Y., Akita M., Nakamura Y., Yoshida S., Morimoto T., Ushio T., Kawasaki Z. Leader process in 3D observed by VLF/LF broadband mterferorneter. - Proc. of 31st Intern. Conf. on Lightning Protection, Vienna, Austria, 2012.
9. Rakov V.A. Electrornagnetic Methods of Lightning Detection, Surveys in Geophysics (Springer), vol. 34, No. 4, July 2013, DOI 10.1004/s10712-013-9251-1.
10. Руководство по метеорологическим приборам и методам наблюдений. Всемирная метеорологическая организация. ВМО-№8 (перевод. издание), Женева, Швейцария, 2017.
11. Makela J. Electrornagnetic signatures of lightning near the HF frequency band. - Helsinki, Finnish Meteorological institute, 2009.
12. Chen M., Du Y., Burnett J., Dong W. The electrornagnetic radiation frorn lightning in the interval of 10 kHz to 100 MHz. - Proc. of 12th Intern. Conf. on Atrnospheric Electricity, Versailles, France, 2003.
13. Temnikov A.G., Orlov A.V., Bolotov V.N., Tkach Y.V. Studies of the pararneters of a spark discharge between an artificial charged water-aerosol cloud and the ground. - Technical Physics, 2005, vol. 50 (7), pp. 868-875.
14. Maslowski G., Baramski P., Michnowski S. Analysis of electric field spectrograrns of lightning discharge cornponents. - Proc. of Intern. Syrnp. on Lightning Physics and Effects, Vienna, Austria, 2007.
15. Sharma S.R., Cooray V., Fernando M., Miranda F.J. Ternporal features of different lightning events revealed frorn wavelet transforrn. - Journal of Atrnospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2011, No. 73, pp. 507-515.
16. Esa M.R.M., Ahmad M.R., Cooray V. Wavelet analysis of the first electric field pulse of lightning flashes in Sweden. - Journal of Atrnospheric Research, 2014, No. 138, pp. 253-267.
17. Белова О.С., Темников А.Г., Черненский Л.Л. Исследование спектральных характеристик разряда из искусственного облака заряженного водного аэрозоля. - Энергетик, 2013, № 10, с. 42-43.
18. Temnikov A.G., Chernensky L.L., Belova O.S., Orlov A.V., Zimin A.S. Spectral characteristics of discharges frorn artificial charged aerosol cloud. - IEEE of 2014 Intern. Conf. on Lightning Protection (ICLP 2014). Article nurnber 6973333.
19. Темников А.Г., Орлов А.В., Черненский Л.Л., Белова О.С., Герастенок Т.К., Зимин А.С. Исследование систем определения места удара и параметров разряда молнии с использованием искусственного грозового облака. - Вестник МЭИ, 2015, № 6, с. 35-44.
20. Витязев В.В. Вейвлет - анализ временных рядов. Учебное пос. Изд-во С. Петербургского университета, 2001, 61 с.
21. Tran M.D., Rakov V.A., Mallick S. An unusual two-stroke negative cloud-to-ground flash showing profuse branching and corona-like forrnations. - Proc. of 2014 Intern. Conf. on Lightning Protection (ICLP 2014), Shanghai, China, pp. 1272-1281.
#
1. Cooray V. Lightning Electromagnetics. — IET Publishing, London, United Kingdom, 2012.
2. Nag A., Murphy M.J., Schulz W., Cummins K.L. Lightning location systems: insights on characteristics and validation technique. — Earth and Space Science 2 (2015), pp. 65—93.
3. Rakov V.A. A review of recent progress in studying physics of lightning. — Proc. of 7th All-Russian Conf. on Atmospheric Electricity, St. Petersburg, Russia, 2012.
4. Lightning: Principles, Instruments and Applications. Review of Modern Lightning Research /. Eds.: H.D. Betz, U. Schumann, P. Laroche. Springer, 2009.
5. Bazelyan E.M., Rayzer Yu.P. Fizika molnii i molniyezashchity (Physics of lightning and lightning protection). Moscow, Fizmatlit, 2001, 320 p.
6. Rakov V.A., Uman M.A. Lightning: physics and effects. Cambridge University Press, 2003, 687 p.
7. Dong W., Liu H. Observation of compact intracloud discharges using VHF broadband interferometer.—Proc. of 31st Intern. Conf. on Lightning Protection, Vienna, Austria, 2012.
8. Takayanagi Y., Akita M., Nakamura Y., Yoshida S., Morimoto T., Ushio T., Kawasaki Z. Leader process in 3D observed by VLF/LF broadband interferometer. — Proc. of 31st Intern. Conf. on Lightning Protection, Vienna, Austria, 2012.
9. Rakov V.A. Electromagnetic Methods of Lightning Detection, Surveys in Geophysics (Springer), vol. 34, No. 4, July 2013, DOI 10.1004/s10712-013-9251-1.
10. Rukovodstvo po meteorologicheskim priboram i metodam nablyudeniy. Vsemirnaya meteorologicheskaya organizatsiya. VMO-№8 (perevod. izdaniye) (Guide to meteorological instruments and methods of observation. World Meteorological Organization. WMO-No. 8 (transl. edition)), Geneva, Switzerland, 2017.
11. Makela J. Electromagnetic signatures of lightning near the HF frequency band. — Helsinki, Finnish Meteorological institute, 2009.
12. Chen M., Du Y., Burnett J., Dong W. The electromagnetic radiation from lightning in the interval of 10 kHz to 100 MHz. — Proc. of 12th Intern. Conf. on Atmospheric Electricity, Versailles, France, 2003.
13. Temnikov A.G., Orlov A.V., Bolotov V.N., Tkach Y.V. Studies of the parameters of a spark discharge between an artificial charged water-aerosol cloud and the ground. — Technical Physics, 2005, vol. 50 (7), pp. 868-875.
14. Maslowski G., Baramski P., Michnowski S. Analysis of electric field spectrograms of lightning discharge components. - Proc. of Intern. Symp. on Lightning Physics and Effects, Vienna, Austria, 2007.
15. Sharma S.R., Cooray V., Fernando M., Miranda F.J.
Temporal features of different lightning events revealed from wavelet transform. - Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2011, No. 73, pp. 507-515.
16. Esa M.R.M., Ahmad M.R., Cooray V. Wavelet analysis of the first electric field pulse of lightning flashes in Sweden. - Journal of Atmospheric Research, 2014, No. 138, pp. 253-267.
17. Belova O.S., Temnikov A.G., Chernenskiy L.L. Energetik — in Russ. (Power Engineer), No.10, 2013, pp. 42-43.
18. Temnikov A.G., Chernensky L.L., Belova O.S., Orlov A.V., Zimin A.S. Spectral characteristics of discharges from artificial charged aerosol cloud. — IEEE of 2014 Intern. Conf. on Lightning Protection (ICLP 2014). Article number 6973333.
19. Temnikov A.G., Orlov A.V., Chernensky L.L., Belova O.S., Gerastenok T.K., Zimin A.S. Vestnik MEI — in Russ. (Bulletin of Moscow Power Engineering Institute), 2015, No. 6, pp. 35—44.
20. Vityazev V.V. Veyvlet — analizvremennykh ryadov. Uchebnoye pos. (Wavelet — Time Series Analysis. Educational village) Uchebnoye pos. Izd-vo S. Peterburgskogo universiteta, 2001, 61 p.
21. Tran M.D., Rakov V.A., Mallick S. An unusual two-stroke negative cloud-to-ground flash showing profuse branching and corona-like formations. — Proc. of 2014 Intern. Conf. on Lightning Protection (ICLP 2014), Shanghai, China, pp. 1272—1281.
