УДК 699.887.2

ЕРМАКОВ К.В., РЯБОВ Ю.Г.

Новые подходы к механизмам развития и формирования
энергетики молниевых разрядов

Рассматриваются новые подходы к известным механизмам развития и формирования внутриоблачных, нисходящих и восходящих молниевых разрядов, включающие энергетически значимые факторы: восходящие потоки влажного воздуха, ветер, силы тяжести (гравитация) и физические процессы фазовых превращений влаги. Предложенные механизмы подтверждены результатами инструментальных наблюдений. Показано, что роль потоков космических частиц менее значима, чем воздействия климатических факторов.

Ключевые слова : грозовая туча, молниевые разряды, механизмы развития, формирования, природные факторы, физические превращения, инструментальные наблюдения.

Введение.

Атмосфера Земли представляет собой сложную многоуровневую иерархическую систему, подверженную воздействию множества нестационарных приземных и солнечно-космических фак- торов. Однако, электродинамика нижних слоёв атмосферы во многом определяется турбулентными аэродинамическими процессами, формирующими развитие грозового электричества и молниевых разрядов (МР). Несмотря на многочисленные теоретические и экспериментальные работы, посвященные проблемам электрических процессов, происходящих в атмосфере, до сих пор в классических и релятивистских интерпретациях отсутствуют убедительные подходы к механизмам электризации грозовой тучи до пробойных состояний, развитию и формированию именно механизмов энергетики МР. Стримерные вспышки, рентгеновские и нейтронные импульсы, «убегающие электроны» и др. являются следствиями, а не причинами формирования механизмов энергетики МР.

В настоящее время большинство ученых, занимающихся проблемой электризации облаков как в РФ, так и за рубежом, до сих пор считают трибоэлектричество основным механизмом электризации облака: заряды образуются за счёт столкновения крупных и мелких ледяных частиц в присутствии переохлажденной воды. Особенно это относится к предфазовой стадии развития облака в грозовую тучу [1]. Теория физики процессов, происходящих на микро - уровне и приводящих к заряжению сталкивающих частиц сложна и не исследована окончательно [2]. Несмотря на то, что в лабораторных экспериментах доказана возможность электризации ледяных частиц при столкновениях, этот механизм не является основным для объяснения развития МР облако-земля (О-3) и земля-облако (3-О).

Влияние нерегулярных внеатмосферных источников (солнечного ветра, космических излучений и др.), и других ионных источников [3] на вершину облака вызывает изменение проводимости и механизма аккумулирования зарядов только верхнего электрического слоя (области) тропосферы. Но энергия электризации от этих процессов незначительна по сравнению с известными приземными физическими механизмами заряжения среды облака и превращения его в грозовую тучу. Наиболее значимые из них являются следующие основные природные механизмы, действующие в условиях протекающих сверху вниз токов замыкания атмосферного электрического поля в зарождающейся туче:

-превращение влаги в ледяную фазу;

-порывы (прорывы) ветра, вызывающие разделение заряженных слоев тучи в результате локального снижения давления воздуха и завихрения частиц среды;

-разделение водных и ледяных частиц по их подвижности (по массе) под воздействием сил восходящих потоков воздуха, ветра, силы тяжести (гравитации);

-турбулентные столкновения частиц и другие процессы фазовых превращений влаги облака.

В работе [1] активную грозовую стадию разделяют на три следующих периода:

1. Период роста. В этот период имеет место внутриоблачная молниевая активность. Наблюдаются сильные восходящие потоки.

2. Период зрелости. Отмечается интенсивная внутриоблачная активность. Облако достигает максимального вертикального развития. Наблюдается интенсивная конвективная деятельность.

3. Период диссипации. Характеризуется уменьшением числа внутриоблачных разрядов. Наблюдается сильная молниевая активность разрядов типа О-З. Фиксируются нисходящие воздушные потоки-прорывы.

Там же отмечается, что запаздывание разрядов типа О-З относительно внутриоблачных разрядов (ВО) в грозовом облаке может достигать 10–15 минут.

Механизмы развития и формирования внутриоблачных разрядов в туче.

В жаркий летний день каждый квадратный метр поверхности земли обогревается лучистой энергией Солнца мощностью до 1,3кВт. Тепловая энергия поверхности земли вызывает интенсивное испарение влаги с поверхности водоёмов, рек и т. п., а также испарение (транспирации) влаги растениями. Превращение летнего серого облака в грозовую черную тучу (далее-туча) происходит за счет испарения и накопления влаги, доставляемой в перемещаемое ветром облако конвективными теплыми воздушными потоками, собираемой с большой площади поверхности земли. Передвигаясь в электрическом поле (ЭП) Земли напряженностью E=500-1000В/м (и более) выше 1км облако поляризуется по направлению вектора напряженности ЭП (НЭП): отрицательные заряды у основания облака, положительные – в вершине облака. Между вершиной и основанием облака действует потенциал U_п=d×E. Для зарождающегося облака, например, глубиной d=3км U_п=3000м×1кВ=3МВ.

По составу воздуха, температурному режиму, проводимости, степени ионизации атмосфера облака в вертикальном направлении неоднородна. Приложенный потенциал U_п вызывает в облаке токи в средах высокой проводимости и падения напряжения на отдельных слоях среды с низкой проводимостью. Именно воздействие энергии механизмов природных принудительных сил, фазовых превращений среды на эти токи и заряженные слои и происходит стремительный процесс нарастания электризации тучи.

Прилегающий к земле слой атмосферы, где формируется и проявляется грозовая активность (1–12 км), характеризуется снижением температуры воздуха с увеличением высоты около 6 °C/км. На высоте 3 км можно ожидать снижение температуры воздуха на 18 °C , что недостаточно для образования ледяной фазы. Замерзанию препятствует большая энергия тепла, выделяющаяся (скрытая теплота) из паровой фазы восходящего потока при начальном образовании капель влаги (1–10 мкм). Замерзание уже коагулированных капель (0,1–1,0 мм) при низких значениях НЭП происходит при температурах минус (5–10)⁰С [1] .

Энергия восходящих потоков и выделяющаяся скрытая теплота при каплеобразовании увлекает массу влаги вверх (до высоты 8–12 км). В процессе движения влаги вверх происходит разделение частиц по их подвижности (по массе). В результате легкие частицы быстрее поднимаются вверх, приобретая положительный заряд за счет меньшей энергии работы выхода и индукции от верхнего положительного пространства, а нижние – тяжелые, заряжаются отрицательным зарядом.

Таким образом, в облаке формируются разнополярные слои (области) и происходит усиление НЭП между этими образованиями. Увеличение НЭП между заряженными слоями (областями), содержащих переохлажденную смесь пара и влаги, понижает температуру замерзания влаги до минус (10–40) °C .

Скачкообразное образование ледяных частиц в процессе замерзания влаги вызывает резкое повышение потенциала U между разнополярными слоями в результате уменьшения электрической емкости С₀ и существенного снижения проводимости между ними. Уменьшение емкости С₀ вызвано соответствующим резким снижением относительной диэлектрической проницаемости ε_r ледяной фазы (ε_r=3-4) при замерзании относительно показателя конденсированной воды (ε_r=80).

По определению: С₀= ε_r*ε_о*S/d между эквивалентными заряженными слоями. Энергию эквивалентного конденсатора можно представить в виде: W_c=C_0*U²/2=q²/2_*С₀, где, ε₀= 8,84∙10^-12 Ф/м – электрическая постоянная; S – эквивалентная площадь взаимодействующих слоев, м²;

d – расстояние между эквивалентными слоями, м; q – заряд, Кл. Из выражения W_C следует, что уменьшение емкости C₀ при постоянном заряде q вызывает увеличение напряжения U между слоями.

При замерзании сопротивление ледяной массы увеличивается на пять-семь порядков по сравнению с сопротивлением насыщенной водяной фазы (среды). В результате резко снижается конкурентный процесс релаксации (утечки) зарядов. Стремительно нарастают полярные потенциалы на обеих сторонах ледяных образований, индуцированные процессом замерзания и турбулентным движением образованной ячейки под воздействием вынуждающих сил в условиях НЭП. Интенсивное повышение потенциалов происходит за счет одновременно действующих механизмов: электризации (увеличения q), снижения С₀ и увеличения сопротивления утечки зарядов. Процесс замерзания, образования ледяных частиц, вызывающих интенсивную электризацию среды, происходит сначала в верхней, холодной части тучи. При замерзании влаги из паровой фазы лед приобретает положительный заряд.

Потенциал между заряженными ячейками повышается до уровней начала ионизации, при которых происходят внутриоблачные разряды (ВО). Начальное инициирование ВО разряда определяется величиной потенциала в условиях сниженного атмосферного давления воздуха (АДВ), уменьшающегося с повышением высоты относительно уровня моря (101 кПа). Например, на высоте 3 км АДВ составляет 70 кПа (525 мм. рт. ст.), т. е, снижено в 1,45 раза; На высоте 5 км – в 1,9 раза; на высоте 7 км – снижено в 2,5 раза. Пониженное АДВ и солнечная фотоионизация стимулируют развитие ВО разрядов именно в верхней части тучи. Согласно закону Пашена порог напряжения искрового пробоя между заряженными телами (кроме других показателей) изменяется пропорционально АДВ. Чем ниже АДВ, тем ниже порог начала ВО разряда.

Не исключено инициирование ВО разрядов в верхней части тучи высокоэнергетическими частицами солнечного и космического излучений. В средних и нижних частях тучи эти факторы неэффективны из-за снижения ионизационной энергии этих излучений (частиц), при их движении через многокилометровые водно-ледяные образования.

Первые искровые ВО разряды между заряженными ячейками в туче начинают ионизировать окружающее пространство в местах пробоев. Акустическая волна и излучения искрового разряда ускоряют процесс ионизации и разделения зарядов, вызывая повышение скорости электризации ячеек в среде. В результате постепенно возрастает интенсивность ВО разрядов, захватывая среднюю и нижнюю часть тучи. Далее, процесс генерации в туче ВО происходит лавинообразно.

Интенсивность ВО разрядов достигает максимального значения, когда процесс генерации зарядов в среде тучи, вызванных различными факторами, будет нейтрализоваться повышением частоты ВО разрядов, препятствуя дальнейшему повышению разности потенциалов выше определенного уровня, соответствующего АДВ и проводимости ионизированной среды. Поэтому, мгновенные значения потенциалов отдельных ячеек среды могут достигать сотни киловольт – единицы мегавольт. Но таких уровней потенциалов недостаточно для развития и формирования нисходящего МР О-З от основания тучи и развития восходящего МР З-О. ВО разряды ускоряют рост тучи благодаря возрастанию НЭП, которое способствует усилению процесса конденсации влаги не только на заряженных, но и на нейтральных частицах влаги. Выделение в процессе конденсации влаги энергии скрытой теплоты повышает интенсивность восходящих потоков, усиливает электрическую активность заряженных областей и увеличивает водосодержание в развивающейся туче.

Новые подходы к механизмам развития и формирования МР О-З и З-О 1,Ветровая модель электризации

Из результатов экспериментальных исследований известно, что для образования МР О-З необходимо, чтобы мгновенное значение потенциалов в основании грозовой тучи повышалось до значений 100–300 МВ [4]. Только при таких потенциалах происходит развитие и формирование нисходящих и восходящих МР.

Маловероятной причиной накопления зарядов у основания тучи до потенциалов сотен мегавольт являются процессы, описанные выше. Анализ различных эффектов заряжения нижней части (основания или кромки) тучи до пробойных потенциалов показал, что наиболее возможным физически эффективным способом является механизм разделения слоев полярных зарядов. Но для эффективного разделения двойных электрических слоев у основания тучи необходимо воздействие сторонней принудительной силы.

Такую силу под тучей создает область пониженного на величину ΔP АДВ, которая отрывает заряженный слой основания тучи вниз в сторону земли, разделяя полярные заряды. Механизм электризации подобен процессу при отрыве диэлектрической пленки от изоляционной поверхности. Этот процесс вызывает мгновенное повышение потенциала слоев основания тучи до значений сотни мегавольт, до величины, необходимой для первичного искрового пробоя вниз и достаточной для эмиссии восходящих зарядов с возвышений на поверхности земли. Порывы (прорывы) ветра высокой скорости понижают под тучей АДВ, которые и создают необходимую силу для разделения заряженных слоёв.

Во время циклонических явлений скорость ветра в верхних слоях атмосферы достигает значений от 50 до 100 (150) м/с. Ветер перед фронтом тучи, высота которой в стадии зрелости составляет 8–12 км, создает локальную область высокого АДВ из-за инерции большой массы тучи. (Содержание воды в средней грозовой туче оценивают в 2∙10⁵ тонн [2]). Из этой области высокого давления, расположенной перед фронтом тучи, под основание тучи с высокой скоростью прорывается воздух, который вызывает под ней область пониженного на ΔP АДВ, создавая силу, тянущую кромку тучи вниз. Как на крыле самолета, только наоборот.

Именно образование под тучей сниженного АДВ вызывает ряд очевидных физических процессов, инициирующих механизмы развития и формирования энергии тучи и первичных лидерных разрядов О-З и З-О:

-электризация основания тучи за счет разделения заряженных слоев (областей);

-охлаждение водяных структур и образование ледяных частиц в верхней части тучи, вызывающие повышение разности потенциалов между краями тучи и локальными частями;

-снижение напряжения начального лидерного искрового пробоя за счет повышения ионизации среды, вызванной ВО разрядами;

-инициирование появления коронных разрядов, переходящих в искровой пробой О-З при резком снижении АДВ, вызванного порывами ветра под тучей;

-индуцирование в поверхностном слое земли зарядов обратной полярности основанию тучи.

Первичный искровой пробой, так называемая лидерная стадия (автоэлектронная эмиссия или стримерная вспышка), первоначально инициируется электронами из-за их высокой подвижности и меньшей ионизационной энергии, чем у ионов. Ионизационный пробой также может быть вызван тяжёлыми частицами, например, при движении лидера в длинных искрах, формирование которого связано с разогревом газа в канале. Лидер является началом развития нисходящего и восходящего МР О-З и З-О.

Лидерный (называемый ступенчатым) разряд первой компоненты молнии О-З (или З-О) продвигается толчкообразно, параллельными каналами – ступенями, каждый из которых длиннее предыдущего на десятки метров. Ступенчатый разряд, достигая земли (нисходящий) или тучи (восходящий), завершается обратным (главным) разрядом униполярных токов по созданному им плазменному каналу. Далее по одному и тому же плазменному каналу развиваются несколько (2-10-30) стреловидных единичных МР. Средняя продолжительность главного разряда 20–50 мкс; интервал времени между повторными разрядами 0,001–0,5 с.

Развитие и формирование восходящих МР происходит в результате действия высокой НЭП в пространстве О-З [E= 5–20(30) кВ/м], вызывая вокруг вершины объекта разность потенциалов , где h – высота объекта, м. Это напряжение и вызванные им токи смещения, формируют вверху молниеотвода объекта коронный разряд, переходящий в интенсивный восходящий поток зарядов (автоэлектронная эмиссия, туннельный эффект, стримерная вспышка). Чем выше объект, тем больше скорость и плотность восходящих зарядов, тем более вероятен восходящий лидер, достигающий основания тучи и инициирующий МР в этот объект. По образовавшемуся ионизированному каналу от тучи через объект в землю будет происходить главный и последующие (стреловидные) разряды.

Процесс ионизации грозовой среды первичными ВО разрядами так же воздействует на поляризацию зарядов основания тучи. Как правило, перед началом МР О-З около (80 – 90)% состояний основания тучи имеют отрицательный потенциал, а (20 – 10)% – положительный, регистрируемых в равнинных районах. При этом на поверхности земли индуцируются заряды противоположных основанию тучи полярностей [5] .

2.Гравитационная модель электризации

Ледяные структуры в верхней части тучи будут сохранять свое положение, пока действует восходящий поток. При ослаблении силы восходящего потока положительно заряженная ледяная масса будет опускаться вниз под действием силы тяжести (гравитации) к отрицательно заряженному основанию тучи, где уже происходят процессы МР О-З.

Опускаясь от положительно заряженного верха тучи, ледяная масса будет стремительно повышать свой высоковольтный потенциал за счет тормозного эффекта в силовом электрическом поле, совершаемой работой силы тяжести. По закону индукции на верхней стороне ледяного образования будут возрастать отрицательные, а на нижней стороне –положительные заряды. Быстрая зарядка ледяной массы обусловлена ее низкой электрической емкостью С₀ по сравнению с водными образованиями, и низкой проводимостью льда, существенно снижающей релаксацию зарядов.

При приближении к основанию тучи заряжаемая ледяная масса, сначала связывает отрицательный заряд нижнего слоя, ослабленного МР О-З, затем его нейтрализует, меняя полярность основания. Соответственно, на земле происходит изменение направления (инверсия) вектора НЭП О-З. На поверхности земли индуцируются отрицательные заряды. Высокие локальные НЭП под тучей инициируют с наземных возвышений вверх излучения потоков электронов конкурирующих каналов. Как правило, по одному из этих, проросших до основания тучи каналов, и происходит главный МР О-З положительной полярности.

При ударе МР в наземный объект, когда по каналу разряда из области основания тучи уходят положительные заряды (ионы), то в слоях над основанием тучи формируются области отрицательного потенциала за счет индукции и протекания униполярного электронного тока. Повышение НЭП между этими полярными слоями после каждого МР вызывает ледообразование переохлажденной массы коагулированных капель влаги и увеличивает потенциал отрицательно заряженной ледяной массы.

Под действием силы тяжести этот слой отрицательно заряженных ледяных частиц опускается вниз, увеличивая свой потенциал до пробойных значений за счет: индукции при движении в тормозном поле и процесса таяния льда при встрече с влагой в паровой фазе. Положительный слой основания тучи, ослабленный предшествующими МР, нейтрализуется. Смена полярности основания тучи приводит к изменению направления вектора НЭП в пространстве О-З и смене знака зарядов на положительные на поверхности земли под тучей. Дальнейшее повышение потенциала основания тучи вызывает развитие и формирование отрицательного МР О-З по одному из приведенных выше механизмов. Изменение полярности ЭП на поверхности земли может быть вызвано не только сменой знаков зарядов основания тучи, но и передвижением составных частей тучи (или другой тучи), находящихся в другом электрическом состоянии, отличным от предыдущей полярности.

Подтверждение заявленных моделей по результатам экспериментальных работ, приведенных в других источниках.

Развитие представленных моделей МР О-З следует из рис. 1, где приведены результаты инструментальной регистрации электромагнитных излучений молниевых вспышек (МВ) в УКВ и СДВ диапазонов частот на местности радиусом около 300 км в окрестности г. Марселя (Франция) в мае–июне 2001 г. (31-05-01 и 28-06-01) [5].

Рисунок 1 - Временные вариации интенсивности молниевых вспышек (I, мин-1) внутриоблачного типа (тонкие линии) и типа облако-земля (жирные линии)
за дневные интервалы регистрации 31-05-01 (а) и 28-06-01 (5).

Характерной особенностью этих кривых является доминирующее преобладание ВО МР на начальной стадии грозовой активности для 31-05-01 (гравитационная модель). Длительность этой стадии превышает 3 часа, в то время как, для 28-06-01 она значительно короче (ветровая модель).

Механизм развития ветровой модели МР подтверждают наблюдаемые на земле процессы, происходящие в начале грозы. После медленного продвижения громыхающей черной тучи в спокойной холодающей атмосфере вдруг налетает порыв ветра, скорость которого достигает 30–50 м/с (и выше). Такие порывы ветра, продолжающиеся 20–40 секунд, успевают повредить воздушные линии электропередачи, деревья, крыши домов и т.п. Затем следуют резкие струи крупных капель косого (под углом 45⁰) дождя или града, падающие с большой скоростью.

МР О-З иногда следуют до дождя, иногда после, каждый раз сопровождаются последующими порывами осадков. Эти процессы, наблюдаемые на земле, согласуются с ветровой моделью МР, вызванной прорывами ветра под тучу из области высокого давления на фронте тучи. Поэтому, на наветренной стороне тучи (уплотненной части) интенсивность МР меньше, чем на подветренной. Например, в работе [6] приведено, что повторяемость молний над 19-ти большими городами в центральной части США больше на подветренной стороне, чем на наветренной.

Характерные осциллограммы вариаций интенсивности и инверсии полярности НЭП в атмосфере (Field EFM) и над крышей дома (Roof EFM) в грозовой период приведены на рис.2а и 2б. Эти результаты представлены на презентации устройств молниезащиты компанией «Lightning Eliminators & Consultants, 9no» (США в 2009 г.).

а)

б)

Рисунок 2 (а, б ). Характерные вариации интенсивности и инверсии полярности НЭП в атмосфере (Field EFM) и над крышей дома (Roof EFM) в грозовой период.

Из массива измерений выбраны два наиболее характерных результата ( рис.2), из которых следует, что грозы развиваются и происходят во второй половине дня, когда в приземной атмосфере возрастает температурный градиент, инициирующий восходящие потоки. Изменение знака поляризации основания тучи над местом контроля во время грозы составляет около 60 мин. Длительность грозы повышается в дни продолжительного солнечного освещения.

Инициирование экстремальных природных явлений, таких как вихри, торнадо, вызывают также турбулентные ветровые процессы. Порывы ветра, прорываясь под кромкой низкой тучи, создают под ней область низкого АДВ, закручивая насыщенный влагой воздух, образуя вихревой столб, двигающейся вниз под воздействием сил гравитации и напряженности ЭП промежутка земля – головка вихря. Когда столб достигает поверхности земли, то по нему будет протекать ток О-З, вызывая в столбе вихревую составляющую магнитного поля и ЭП высокой напряженности.

Вихревое вращение масс воздуха внутри столба и в окружающем пространстве создает область пониженного давления, затягивая частицы и предметы с поверхности земли вверх. Высокая НЭП в окрестности столба индуцирует заряды во всех незаземленных проводящих и диэлектрических частицах и предметах, вызывая их перемещение за счет действия кулоновских сил. В заземленных металлоконструкциях и электросетях индуцируются заряды, инициирующие протекание паразитных токов. По наблюдениям очевидцев, вихри воздействуют на электросети, вызывая загорание выключенных приборов освещения, перегорание предохранителей, отключение устройств защиты, отказы электронных средств и т.п.

4.Электрофизический механизм развития МР

В типичном канале МР ток обусловлен не только свободными электронами и однократно заряженными положительными ионами, но и ионами обеих знаков большой массы. Полная плотность тока равна сумме плотностей токов всех сортов частиц с учетом величины и знака их подвижностей. Подвижность электронов в тысячи раз превышает подвижность элементарного положительного заряда. Поэтому электроны являются инициаторами начала процесса ионизации, сопровождаемого так называемым электронным ударом, введенным Таунсендом.

Энергия ионизации воздуха составляет 30-40 эВ. Положительные ионы также могут вызвать ударную ионизацию (при энергиях более 200 эВ) нейтральных молекул воздуха за счет энергии, приобретенной от НЭП. Поэтому, в (80-90)% случаев отрицательный МР (О-З ) (ток до 70 кА) инициируется электронным ударом от заряженного основания тучи к положительной поверхности земли под тучей. Нисходящий положительный МР (О-З) (ток до 200 кА ) инициируется также электронным ударом, но от высокого объекта на поверхности земли восходящим лидером, прорастающим толчками до основания положительной тучи. Чем выше объект, тем чаще происходят МР положительного знака.

Волны фронта ионизации со скоростями распространения 10³ – 10⁵ м/с определяет дрейф электронов, участие которых проявляется в процессе развития ионизационного пробоя тяжелых частиц, например, при движении лидера в длинных искрах, разогревающих канал. Ток такого канала составляет единицы – десятки ампер. Волны фронта ионизации, движущиеся со скоростями 10⁶ – 10⁸ м/с, часто возникают на завершающих стадиях искрового пробоя, когда в разрядном промежутке уже существует плазма. Токи в таком канале могут достигать сотни килоампер, как, например, при движении волны обратного удара МР [7].

Высоковольтные искровые разряды вызывают рентгеновские излучения, а при высоких энергиях искры появляются гамма-вспышки. Рентгеновские излучения ионизируют окружающий воздух, создавая пары разнополярных ионов. Процесс торможения гамма-квантов в воздухе вызывает попутный поток электронов (комптоновский ток) и ионный ток проводимости обратного направления. В среде тучи все эти излучения усиливают локальную ионизацию пространства в области искровых пробоев, повышают интенсивность ВО разрядов. Но их роль не является определяющей в механизме развития и формирования энергетики МР.

В процессе движения лидер МР О-З или З-О может встретить локальное препятствие в виде водяного облачка, сгустков пыли, аэрозоля, ионизированной области, диэлектрическая проницаемость которых отличается от среды движения. В результате действия энергии тормозного излучения на неоднородности воздушной среды может изменяться траектория движения лидера или происходит ветвление его разряда.

Энергетика зимнего облака существенно снижена, так как отсутствуют фазовые процессы превращений воды в лед, несмотря на наличие тех же воздействующих факторов, что и летом: космических излучений, турбулентных, ветровых и восходящих движений воздуха. В результате циклонических процессов в нижних слоях атмосферы зимой регистрируют НЭП обеих полярностей до ±1 кВ/м, реже до ±2 кВ/м, что ниже на порядок значений НЭП во время грозы летом (см. рис. 2).

Заключение

Существующие гипотезы механизмов развития и формирования энергетики грозовой тучи противоречивы и не всегда подтверждаются результатами наблюдений. Рассмотрены новые подходы к механизмам развития и формирования энергетики грозовой тучи путем разделения полярных объемных областей в электрических полях высокой напряженности, за счет воздействия атмосферных вынуждающих сил и физических процессов. Такими воздействиями являются: восходящие вертикальные потоки теплого воздуха, ветер, силы тяготения (гравитации), а так же сопутствующие физические процессы фазовых превращений воды: выделение энергии скрытой теплоты, конденсация влаги, коагуляция капель, ледообразование, снижающее конкурентную скорость утечки генерируемых зарядов и т. п.

Приведенные механизмы развития и формирования МР ВО, О-З и З-О подтверждаются результатами, показанными на рис. 1 и рис. 2, фрагментами видео замедленной съемки развития МР, представленными в интернете, а так же практическим отсутствием МР в холодные периоды года [8].

Анализ карты грозовой активности на Земле подтверждает климатический механизм формирования энергетики МР (см. интернет):

- повышенная интенсивность МР наблюдается именно в районах с жарким – влажным - ветреным климатом в основном на нижних широтах;

- и наоборот, в районах высоких (северных и южных) широт, где космические излучения максимальны, интенсивность МР минимальна.

Представленные материалы определяют новый взгляд на механизмы развития и формирования МР и будут полезны при разработке и проведении мероприятий по снижению ущерба от МР путем:

1. диагностики потенциально опасных мест и объектов к воздействию грозовых явлений;

2. оценки объективной надёжности действующих систем и средств молниезащиты;

3. применения рациональной системы молниезащиты для каждого объекта;

4. активных воздействий на предгрозовое облако и т. п.

Литература

1. Стасенко В.Н., Гальперин С.М. Степаненко В.Д., Щукин Г.Г. «Методология исследований грозовых облаков и активных воздействий на них». (Филиал ГГО–НИЦ ДЗА). Сборник научных трудов 5-ой Российской конференции по атмосферному электричеству. 21-26 сентября 2003г. Том I. Владимир:(издательство), 2003.–340, с.4-7.

2. Климин Н. Н., Шварц Я.М. «Оценка трендов в рядах данных приземного атмосферного электричества за 1916 – 1992г.г.» // Метеорология и гидрология.1996, №11, с.20 – 28.

3. Ермаков В. И., Стожков Ю. И., Свиржевский Н. С. «Основные источники ионизации атмосферы». Сборник научных трудов 5-ой Российской конференции по атмосферному электричеству. 21-26 сентября 2003г. Том I. Владимир:(издательство), 2003, с. 63–65.

4..Резичкина М. М., Князев Н. Н., Кравченко В. И. «Расчетное определение вероятности поражения молнией наземных объектов». Институт «Молния». ХПИ, Украина. Журнал технической физики, том 77, вып. 7, 2007, с. 63–68.

5.Кононов И. И., Юсупов И. Е. «Вариации параметров электромагнитного излучения молниевых вспышек в процессе эволюции грозовых очагов». Сборник научных трудов 5-ой Российской конференции по атмосферному электричеству. 21-26 сентября 2003г. Том I. Владимир:(издательство), 2003, с. 305–308.

6.Westcott N. E. Preliminary examination of urban/rural differences in cloud-to ground lightning frequency for 19 central United States cities. Preprints, 17^th Conf. on Severe Local storms and conf. atmospheric Electricity, October 4–8, AMS, Boston.1993, pp. 752–755.

7.Василяк Л.М., Костюченко С.В. и др. «Высокоскоростные волны ионизации при электрическом пробое».\\УФН. 1994. Т.164, №3. С.263-285.

8.Сухоруков С.А, «Электромагнитная совместимость: сверхмощные электромагнитные воздействия». ЗАО «Гриф и К», Калуга, 2013. – С.448, ил.

K. V. YERMAKOV, RYABOV Y.G.

New approaches to development and formation mechanisms of energy molnievyh level explores.

New approaches to the known mechanisms of development and formation of vnutrioblačnyh, top-down and bottom-up molnievyh bits that include energy-relevant factors: rising currents of moist air, wind, gravity (gravitation), and the physical processes of phase transitions. The proposed arrangements are confirmed by the results of instrumental observations. It is shown that the role of cosmic particle flows, less important than the impact of climatic factors.

Key words: lightning cloud, molnievye level, mechanisms of development, formation, natural factors, physical transformations, instrumental observations.

Information about authors

Konstantin Vasilyevich Yermakov. Head of EMC «Ènergodiagnostika». Tel.: + 7 (499) 127-25-37, fax: + 7 (499) 125-74-66, E-mail: ermkv@mail.ru.

Ryabov Yurij Georgievich, Moscow, Ph.d., senior researcher, "honored Radioman USSR". Tel./fax: (499) 616-15-43, E-mal: riabovug@mail.ru.