Диссертация (1149467), страница 16
Текст из файла (страница 16)
2.44 приведены типовые формы (тонкие линии) и их аппроксимациис подобранными параметрами (жирные линии).94Ez, отн.ед.1000Ez, отн.ед.1000ExpCalc500ExpCalc500t, мксt, мкс0002004000-500-500-1000-1000Ez, отн.ед.1000500400Ez, отн.ед.1000ExpCalc200ExpCalc500t, мксt, мкс0002004000-500-500-1000-1000200400600800Рис. 2.44. Аппроксимации типовых форм атмосфериков.Тип 3 можно также аппроксимировать производной от функции Гаусса:f ' (x ) = −1 x−μeσ 2π σ 2−( x − μ )22σ 2. Добавляя к ней множитель e − at , позволяющийучесть несимметрию амплитуд полуволн, аппроксимация принимает вид:−(t − t 0 )21 t − t02σ 2 e − at . Путем подбора параметров t = 109 мкс,e0σ 2π σ 2σ = 18 мкс, a = 150 с–1, было получено хорошее соответствие с типовойE z (t ) = −формы № 3 (Рис.
2.45).E, отн.ед.1000ExpCalc500t, мкс00200-500-1000Рис. 2.45. Аппроксимация типовой формы № 3.95400Комментируя результаты анализа волновых форм импульсов ОНЧ–сигналов, следует отметить следующее:– значения амплитуд (приведенных к 100 км), усредненные по всемсигналам от разрядов ОЗ типа, зависят от типа грозового процесса;– распределения амплитуд сигналов для выделенных кластеров имеют, какправило, многомодальный характер и отличаются от логарифмическинормального;– можно выделить два основных типа форм сигналов сильноточныхразрядов ОЗ типа, отличающихся соотношением амплитуд первых двухполуволн, а также абсолютным значением амплитуды первой полуволны(это различие может достигать 3…5);– наблюдается значительная межочаговая изменчивость средних значенийамплитуд сигналов, а также в процессе развития грозового очага,обусловленная перераспределением соотношения двух основных типовволновых форм.2.4.
Наблюдаемое различие горизонтальных ортогональныхкомпонент магнитного поляПри обработке сигналов в ближней зоне (до 20…30 км) нередки случаиразличия временных форм сигналов магнитных компонент, которые не могутбыть объяснены в рамках дипольного представления излучателя. На Рис. 2.46-Рис.2.47(слева)зарегистрированныхпредставленысигналов,образцыразличиеформэкспериментальномагнитныхкомпонентнаглядно иллюстрируют годографы (справа).HyH, отн.ед.1000HxHy500t,мкс0-50001000200030004000-1000Рис. 2.46. Пример атмосферика и годограф.965000HxHyH, отн.ед.2500HxHy1500-500Hxt,мкс5000500100015002000-1500-2500Рис.
2.47. Пример атмосферика и годограф.Объяснение таких особенностей может быть получено с использованиемболее сложной модели разряда, учитывающей возможные вариации егогеометрии. Обсуждение этой модели приведено в следующей главе.В средней зоне различие между горизонтальными ортогональнымикомпонентамимагнитногополяобъясняетсявлияниеанизотропииионосферы. Примером может служить Рис. 2.48.300H, отн.ед.HxHyHyHx200100t,мкс0500-10070090011001300150017001900-200Рис.
2.48. Экспериментально зарегистрированный сигнал и его годограф.В начальной части сигнала (580…680 мкс) фазовый сдвиг отсутствует, илиния пеленга представляется в виде прямой (жирная линия на годографе).Во время первого отражения (680…900 мкс) уже заметно различие междукомпонентами, и линия пеленга представляется в виде эллипса (тонкаясплошная линия). В последующих отражениях (900…2000 мкс) присутствует97существенное различие между магнитными компонентами поля, и линияпеленга представляется в виде окружностей (тонкая пунктирная линия).На Рис. 2.49 приведен пример сигнала, где влияние анизотропииионосферы практически не сказывается (дневные условия распространения),и пеленг преимущественно имеет одно направление.
На Рис. 2.50 приведенпример осциллирующего «хвостатого» атмосферика (ночные условияраспространения), где анизотропия ионосферы проявляется во всей своейполноте.500H, отн.ед.HxHyHyt,мкс0250030003500Hx4000-500Рис. 2.49. Пример зарегистрированного сигнала и его годограф (дневныеусловия распространения).H, отн.ед.150100500-50 02000-100-150-200HxHyHyt, мкс4000Hx6000Рис. 2.50. Пример зарегистрированного сигнала и его годограф (ночныеусловия распространения).Выводы к главеВ данной главе анализируется экспериментально зарегистрированноеэлектромагнитное излучение грозового процесса.
По данным УКВ системыSAFIR исследуется интенсивность грозовой активности, распределениядлительностейипротяженностеймолниевых98вспышек.Поданнымрегистратора атмосфериков в СДВ диапазоне анализируются формыэлектромагнитного излучения, оцениваются их параметры.Разрабатывается методика классификации форм атмосфериков по типамна основе экспериментальных данных регистрации в ближней зоне приограничениях на пространственное расположение молниевых разрядов ивременной интервал обработки атмосферика. Эти условия позволяют доминимума уменьшить влияние индукционного и статического членов,кривизны и конечной проводимости земной поверхности, а также наличиеионосферных отражений.Приведены формы сигналов ближней зоны (до 20…30 км), различиявременных форм магнитных компонент которых не могут быть объяснены сиспользованием выражений для дипольного представления излучателя.Различие в средней зоне объясняется влиянием анизотропии ионосферы.993.
Модельное исследование электромагнитного излучения грозРазличие горизонтальных ортогональных магнитных компонент поля вближней зоне не может быть объяснено в рамках дипольных представлений.Для этого в данной главе рассматривается более сложная модель,учитывающаявозможныепространственныеизменениягеометриипротяженного молниевого канала.Для расчетов импульсных сигналов в средней зоне задействуетсяпрограммный комплекс, разработанный на кафедре радиофизики СПбГУ,исследуются особенноститрансформацииформ атмосфериков и ихпараметров при распространении в волноводном канале Земля-ионосфера.3.1.
Модель протяженного молниевого разряда произвольнойпространственной конфигурацииСредиразличныхрассматриваемыхимоделейсильноточныхобсуждаемыхвнаучноймолниевыхразрядов,литературе,наиболееизученными и в достаточной мере полно представленными являются модели,относящиеся к разрядам, видимая часть которых развивается между облакоми землей (разряды ОЗ типа). Адекватные модели сильноточных разрядов,развивающихся внутри облаков или между ними (разряды типов ВО и МО), внастоящее время практически отсутствуют.В свою очередь, среди моделей разрядов ОЗ типа, которые, следуяопределениям работы [Rakov, Uman, 1998а], можно подразделить на четыреосновныхкласса,изкоторыхнаибольшеераспространениедляиспользования при расчете электромагнитных полей гроз получил класс такназываемых "инженерных" моделей.
В этом классе моделей физическаясторона разрядных явлений сознательно не рассматривается. Разряд задаетсяв виде нестационарной волны тока заданной формы, распространяющейся спостояннойсантиметров)илипеременнойлинейногоскоростьюканала,видимаявдольтонкого(единицычастькоторого,имеющаяпреимущественно вертикальную ориентацию, для сильноточных ОЗ разрядов100можетдостигать3…5км.пространственно-временногоЭтамодельраспределенияпредполагаеттокаразрядазаданиеввиденестационарной волны, стартующей от основания линейного молниевогоканала и бегущей вдоль него с постоянной или переменной скоростью.Форма и параметры тока в основании канала подбираются и оцениваются наоснове данных экспериментальных измерений с помощью датчиков,регистрирующих токи прямых ударов молний.
Их реализация возможна вгорных обсерваториях, на высотных объектах (чаще всего телебашнях), либопривозбужденииинициируемыхтакназываемыхвыносимойвверхстриггерныхпомощьюмолний,обычнонебольшойракетыметаллической проволоки. Точная фиксация координат места возникновенияразряда и параметры скорости продвижения его фронта находятся по даннымоптической регистрации светимости молниевого канала. Форма и параметрыэкстраполируемойволнытока,распространяющейсявдольканала,недоступные прямым измерениям (например, затухание волны тока при еераспространениивдольканала),подбираютсяпутемсопоставлениярасчетных и экспериментально зарегистрированных полей на различныхудалениях от основания разряда. Таким образом, инженерные модели, привсей своей упрощенности, являются в то же время наиболее согласованнымис измеряемыми электрическими и магнитными полями, возбуждаемыхтриггерными молниями.Большинство приводимых и обсуждаемых в литературе результатоврасчетов полей разрядов над земной поверхностью с использованием"инженерных моделей" получены в предположении, что разряд являетсяпрямолинейным и вертикальным, а точка наблюдения находится на плоскойповерхности земли с бесконечной проводимостью.В обсуждаемой модели нестационарная волна тока заданной формыраспространяется вдоль молниевого канала, представляемого в видеконечного набора смежных произвольно ориентированных линейныхотрезков конечной длины (Рис.
3.1).101Рис. 3.1. Геометрия и обозначенияzθiдля наклонного сегмента молниевогоканала, расположенного над плоскойliyxидеальнопроводящейземнойповерхностью.ϕiОтдельные сегменты канала "включаются" в моменты достиженияволнойтокаконцапредыдущегосегмента.Наличиеплоскойидеальнопроводящей земли учитывается введением зеркального источника.Полное поле находится суммированием полей, возбуждаемых отдельнымисегментами. Расчетные соотношения в локальной системе координат, ось zкоторой направлена вдоль сегмента, а начало совмещено с его основанием,имеют вид:z1z1⎛ 3ρ 2⎞ dz '1 ⎧⎪ ∂I [Tv ( z ')] ρ 2 dz '⎜⎟[]()ITz+−Ez = −2'⎨v⎜ R 2 ( z ')⎟ cR 2 ( z ') +∂Tv c 2 R 3 ( z ')4πε o ⎪⎝⎠0⎩0∫z1 ⎡Tv ( z')∫2⎫⎤⎛ ρ⎞ dz' I[T (z )]ρ ⎪+ ⎢ I (s)ds⎥⎜⎜ 2 − 2⎟⎟ 3 − 2 v 3 1⎬,⎥⎢()()()Rz'Rz'cRzG⎠1 ⎪0⎣ 0⎦⎝⎭∫ ∫2zz1(z '− z P )ρ dz '1 ⎧⎪ 1 ∂I [Tv ( z ')] ( z '− z P )ρ dz '[]()++Eρ =3ITz'⎨∫v∫2 344πε 0 ⎪⎩ 0 ∂Tvc R ( z ')cR ( z ')0()⎤ (z'−zP )ρdz' I[Tv (z')] z1 − z p ρ⎫⎪+ 3∫ ⎢ ∫ I(s)ds⎥−⎬,52 3()()'RzcRzG⎪⎭0⎢1⎣ 0⎦⎥z1⎡Tv ( z')1μ 0 ⎧⎪ 1 ∂I [Tv ( z ')] ρ dz 'I [Tv ( z1 )]⎫⎪ρ[]()''Hϕ =ITzdz+−⎨∫⎬.∫ v R34π ⎪⎩ 0 ∂Tv cR 2 ( z ') 0cR( z1 )G ⎪⎭zЗдесь(3.1)(3.2)zρ = x 2 + y 2 ; R(z') = ρ 2 + (zP − z')2 , G =z1 − zP1+,cR( z1) v( z1)(3.3)xP , y P , z P–декартовы координаты точки наблюдения P.
Аргумент Tv(z') описывается ввиде: Tv ( z ') = t −R ( z ')− t v ( z ' ) . Для произвольной скорости v значение t v (z ' )c102tvможет быть определено из выраженияz ' = v(τ )dτ . Верхний предел∫0интегрирования z1 является решением уравненияTv ( z1 ) = 0 .(3.4)Для экспоненциально убывающей скорости v, аппроксимируемой функциейv = v0 e −γt , уравнение для z ' принимает вид:t−γR( z1) 1+ ln(1 − z1) = 0 .γcv0(3.5)Для постоянной скорости v = v0 = const это выражение упрощается:t=R ( z1 ) z1− .cv0(3.6)Следует заметить, что положение z1, которое видно из пункта регистрации вмомент времени t и определенное из выражений (3.4), (3.5) или (3.6), зависитот положения самого пункта регистрации P.Преобразования координат описываются матричными соотношениями:⎛ x − xi ⎞⎛ x1 ⎞⎛ cos ϕ i cosθ i⎜⎟⎜ ⎟⎜A==−yAyy,⎜ 1⎟⎜ − sin ϕ iii⎜i⎟⎜ cosϕ sin θ⎜z − z ⎟⎜z ⎟ii⎝⎝ 1 ⎠ii ⎠i⎝sin ϕ i cosθ icos ϕ isin ϕ i sin θ i− sin θ i ⎞⎟0 ⎟,cosθ i ⎟⎠где Ai –матрица поворота i-го сегмента.В результате таких преобразований задача сводится к нахождению полялинейного излучателя в свободном пространстве.Поле в исходной системе координат для точки наблюдения P(xp1,yp1,zp1)находится путем преобразований:⎛Hρ ⎞⎜⎟⎜ H ϕ ⎟ = Bi Ai−1 Bi−1⎜⎟⎝ H z ⎠i⎛0 ⎞⎜⎟⎜ Hϕ1 ⎟ ,⎜⎜⎟⎟0⎝⎠i⎛ Eρ ⎞⎜ ⎟⎜ Eϕ ⎟ = Bi Ai−1 Bi−1⎜ ⎟⎝ E z ⎠i⎛ E ρ1 ⎞⎜⎟⎜0 ⎟ ,⎜⎟⎝ E z1 ⎠iгде B есть матрица трансформации из декартовой системы координат вцилиндрическую:⎛ cos ϕ i ' sin ϕ i ' 0 ⎞y pi⎜⎟B = ⎜ − sin ϕ i ' cosϕ i ' 0 ⎟ , ϕ i ' = arctg,xpi⎜ 001 ⎟⎠⎝103A-1 и B-1 – обратные матрицы.Вычисления для зеркального источника выполняются по той же самойсхеме, только в этом случае угол θ заменяется на π − θ, а направление токапротивоположно направлению в прямом источнике.Приведем некоторые результаты вычисления магнитной составляющейполя для разных конфигураций молниевого канала и положения точкинаблюдения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
