3.10. РАДИАЦИОННЫЕ ПОЛЯ МОЛНИИ

В разд. 3.7.2 мы упомянули радиационные поля (поля излучения), связанные со ступенчатым лидером. Радиационные импульсы ступенчатого лидера приведены на рис. 3.14, г. Эти данные получены Кларенсом и Маланом [14]

с помощью измерительном системы с верхней граничной частотой 20 кГц. Таким образом, их данные представляют несколько искаженную картину действительных радиационных полей.

Рис. 3.22. Изменение электростатического поля и соответствующих радиационных полей на различных частотах для типичной вспышки на землю и типичной внутри облачной вспышки на расстоянии около 20 км. Масштаб амплитуды для разных частот различен [47, 48].

На рис. 3.22 схематически показаны радиационные поля вспышки молнии в зависимости от времени и частоты. Данные рис. 3.22 были получены Маланом [47, 48] при настройке антенны с помощью фильтров, помещенных между антенной и регистрирующим осциллографом. Электростатическое и радиационное поля наблюдались одновременно на двухлучевом осциллографе. Важно помнить, что радиация, детектируемая на данной частоте настроенной антенной, может обусловливаться не только сигналом от процесса разряда, но и серия

радиационных импульсов может привести систему в состояние вынужденных колебаний, даже если частота колебаний не присуща ни одному из радиационных импульсов. Учитывая это, рассмотрим наблюдения Малана.

В диапазоне преобладающая радиация во вспышках облако — земля испускается возвратным ударом. В облачных разрядах источником низкочастотной радиации являются -изменения. На частоте 100 кГц возвратный удар вспышки на землю и -процесс в облачном разряде все еще приводят к наибольшим радиационным полям, но уже заметная радиация излучается во время пробоя и межимпульсных процессов вспышки на землю и на протяжении облачной вспышки. При частоте 100 кГц амплитуды радиационных полей от облачных вспышек и вспышек на землю приблизительно равны. (При частоте 1 кГц амплитуда радиационного поля от вспышки на землю примерно в 40 раз больше, чем от облачной вспышки; при 10 кГц - примерно в 10 раз.) На частоте 1 МГц радиационная картина подобна Картине на частоте 100 кГц, за исключением того, что относительная интенсивность -полей меньше. На частоте 10 МГц радиация почти непрерывна как для облачного разряда, так и для разряда на землю, хотя наблюдается заметное уменьшение радиации в интервале от 2 до 15 мс после возвратного удара в разряде на землю. Этот промежуток времени грубо соответствует -фазе изменения поля возвратного удара (разд. 3.7.4).

Брук и Китагава [7] измерили радиационные поля на частотах 420 и 850 МГц от вспышек молнии, находившихся на расстояниях от 10 до 30 км. Одновременно проводились измерения электростатических полей. Они сообщают, что ступенчатый лидер является источником сильного микроволнового излучения. Вообще все большие импульсы ступенчатого лидера, записанные измерителем изменения электрического поля (разд. 3.5.1), сопровождались радиационными импульсами. Продолжительность импульса много меньше времени между ступенями. Установлено, что стреловидный лидер является одним из мощнейших источников микроволнового излучения. Продолжительность микроволновой радиации во время фазы стреловидного лидера короче, чем продолжительность изменения

электрического поля, вызванного стреловидным лидером. Часто случалось, что радиация стреловидного лидера прекращалась за 50 - 150 мкс до фазы возвратного удара. Радиация стреловидного лидера была обычно непрерывной со случайными сильными импульсами продолжительностью 50 - 80 мкс. Радиация возвратного удара на микроволновых частотах изменялась в широких пределах. Примерно в половине исследованных случаев микроволновая радиация не совпадала с возвратным ударом и появлялась через 60-100 мкс после зарождения возвратного удара. Безимпульсный период в интервале от 2 до 15 мс после возвратного удара не был особенно заметен для частоты 10 Мгц в микроволновом диапазоне частот [47, 48]. Весь период между возвратными ударами относительно спокоен, если не появляются -изменения. Процесс -изменения как в облачных разрядах, так и в разрядах на землю является мощным источником микроволновой радиации, -изменения, продолжительность которых составляла обычно приводили к нескольким кратковременным импульсам, а также к непрерывному излучению низкой амплитуды.

Микроволновая радиация облачного разряда, по-видимому, настолько же сильна или даже сильнее, чем радиация разряда на землю. Начальная часть облачного разряда имеет непрерывную микроволновую радиацию, так же как и сильные импульсы излучения. Очень активной части соответствуют большие и частые радиационные импульсы. Часть -типа приводит к радиационным импульсам -изменения такой же величины, как и микроволновая радиация -изменения разрядов на землю.

Предполагают [7], что измеренная микроволновая радиация возникает преимущественно при процессах пробоя, и, за исключением ступенчатого лидера, эти процессы протекают в облаке. Эти предположения подтверждаются следующими наблюдениями. Микроволновая радиация часто отсутствует во время распространения волнового фронта возвратного удара от земли к облаку, и, следовательно, возвратный удар не является существенным источником микроволновой радиации. Микроволновая радиация почти всегда отсутствует в последние фазы стреловидного лидера. Это говорит о том, что

вершины стреловидного лидера или канала не являются основным источником микроволновой радиации, появляющейся во время фазы стреловидного лидера. С другой стороны, микроволновая радиация, которая может быть связана с процессом ступенеобразования, присутствует во время всего периода, предшествующего первому возвратному удару.

Зависимость электрических компонентов радиационного поля, обусловленного возвратным ударом, от времени показана на рис. 3.11. Если зависимость от времени измерена или получена теоретически, анализ Фурье временной зависимости позволит получить амплитудный спектр частот, присутствующих в импульсе. Обычно используется теоретическое приближение, чтобы 1) рассчитать эффективный электрический дипольный момент возвратного удара, 2) вывести напряженность электрического поля из используя последний член в правой части (3.24), и 3) с помощью анализа Фурье получить частотный спектр зависящей от времени напряженности электрического поля. Анализы такого типа даны Хилом [25] и Денисом и Пайерсом [15]. Электрический дипольный момент вычисляется при заданной функции изменения тока молнии в зависимости от времени и высоты канала. На основании разных скоростей нарастания тока (разд. 4.3) можно получить теоретические различия между радиационными полями (частотные спектры) первого и последующих импульсов. Некоторые экспериментальные данные относительно различия в спектрах первого и последующих импульсов привели Харт [21] и Бредли [5]. Вообще экспериментальный и теоретический частотные спектры находятся в хорошем согласии. Максимальная амплитуда для частотного спектра возвратного удара обычно появляется между 5 и 10 кГц. Амплитуда частотного спектра типичного возвратного удара относительно мала: ниже 1 и выше 30 кГц.

Арнольд и Пайерс [3] вычислили, что последовательности импульсов ступенчатого лидера или импульсов -изменения будут иметь частотный спектр с максимальными амплитудами в области очень низких частот Они нашли, что максимальные амплитуды частотных спектров радиации ступенчатого лидера,

радиации -изменения и радиации возвратного удара равны соответственно и относятся как Арнольд и Пайерс сравнили свои вычисления с экспериментами Степто [79].

Обзорные работы, содержащие ссылки на измерения электромагнитного излучения, испускаемого молнией и грозами в диапазоне частот от герц до сотен мегагерц, опубликовали Хорнер [28], Тейлор Кимпара [35] и Пайерс [64]. Очевидны следующие общие черты. На очень низких частотах испускается несколько дискретных радиационных импульсов, и они связаны с макроскопическими характеристиками (возвратныйудар, -изменение и т. д.) разряда молнии. При увеличении частоты число импульсов в разряде возрастает, а максимальная амплитуда импульсов уменьшается. Примерно от 10 кГц до 100 МГц и выше максимальная напряженность электрического поля изменяется приблизительно обратно пропорционально частоте.

В табл. 3.1 приведены величины максимальной напряженности электрического поля в зависимости от частоты. Величины получены Пайерсом [64] путем усреднения результатов различных исследователей. Результаты любого отдельного исследования могут отличаться от среднего значения более чем на порядок. Хорнер [28] и Кимпара [35] представили измерения частотного спектра различных исследователей в графическом виде.

Таблица 3.1 (см. скан) Максимальная напряженность электрического поля вертикально поляризованной радиации от молнии

Напряженность нормирована относительно расстояния 10 км и ширины полосы пропускания детектора 1 Гц. Чтобы получить напряженность поля для ширины полосы пропускания детектора В в герцах, необходимо умножить данные величины на для частот выше 50 кГц и на В для частот ниже 50 кГц. По всему частотному интервалу этой таблицы напряженность электрического поля изменяется примерно обратно пропорционально частоте, однако могут быть большие отклонения от этой зависимости в ограниченных спектральных зонах.

Хорнер [28] дал обзор литературы, касающейся отражения электромагнитных сигналов (радиолокация) от разряда молнии. Особый интерес представляют данные Хевита [24]. Он нашел, что отраженный от последовательных внутриоблачных межимпульсных процессов сигнал приходит со все больших и больших высот облака, подтверждая идею -процессов. Кроме того, увеличение высоты межимпульсных разрядов было непрерывным в интервале между импульсами, и появление нового импульса только повышало некоторые или все ранее присутствовавшие отражения. Отраженные сигналы были получены с высот вплоть до 10 км. Наиболее интенсивными и наиболее продолжительными были сигналы, отраженные от нижней части облака. Предельная нижняя высота, с которой был получен отраженный сигнал, оставалась по существу постоянной во время всей данной вспышки. Горизонтальная протяженность разрядной активности в нижних областях (4-7 км по высоте) облака часто составляла от 1 до 2 км. Было установлено, что отражающая способность межимпульсных разрядов уменьшается во время последней части межимпульсного периода, и следующий импульс не появляется до тех пор, пока не произойдет это уменьшение. Хевит утверждает, что отраженные от воздушных разрядов и внутриоблачных межимпульсных процессов сигналы удивительно похожи.

Лигда [42] сообщил о радиолокационных наблюдениях очень длинных горизонтальных разрядов молнии. Эти разряды сильно ветвятся. Сообщалось, что самый длинный наблюдавшийся разряд превышал 150 км.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)