ISSN 2070-7401 (Print), ISSN 2411-0280 (Online)
Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса
физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений
и объектов

  

Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. Т. 9. №3. С. 137-141

Исследование с высоким пространственным разрешением структурных функций электрической турбулентности в грозовой облачности

И.А. Краснова 1, Н.С. Ерохин 2, Н.Н. Зольникова 3, Л.А. Михайловская 3
1 Российский университет дружбы народов, 115419, Москва, Орджоникидзе, 3
2 Российский университет дружбы народов Институт космических исследований РАН, 115419, Москва, Орджоникидзе, 3 117997, Москва, Профсоюзная, 84/32
3 Институт космических исследований РАН, 117997, Москва, Профсоюзная, 84/32
Выполнен анализ структурных функций (СФ) Sm(L) электрической турбулентности в грозовой облачности на основе экспериментальных данных измерения высотного профиля вертикальной компоненты электрического поля E(z) в области высот атмосферы 0,239…11,248 км, напряженности электрического поля диапазоне -96,61…147,46 кВ/м; в верхней части области измерений поле на уровне E(z) ≈ 13,8 кВ/м. Проведена оцифровка экспериментальных профилей E(z) с использованием системы локализованных по высоте функций. Для экспериментальной выборки E(z) разработана аналитическая аппроксимация Ea(z). Проведены расчеты СФ электрической турбулентности Sm(L) для значений порядка структурной функции m в диапазоне 0,1 < m < 7 с шагом по высоте dz = 2 м. Анализ графиков СФ показал наличие двух интервалов (малые и средние масштабы) L, в которых наблюдались степенные скейлинги Sm(L). Для этих степенных интервалов определены скейлинговые экспоненты g(m), отличающиеся от колмогоровского gk(m) = m/3 и спирального gh(m) = 2m/3 скейлингов в случае однородной, изотропной, гидродинамической турбулентности. Скейлинговая экспонента для малых масштабов (десятки метров) g1(m) больше таковой для средних масштабов g2(m). Для средних масштабов имеются заметные отличия от чисто степенного скейлинга, что может быть обусловлено присутствием в электрической турбулентности когерентных структур умеренной амплитуды. Выполнены расчеты высотных профилей электрического потенциала U(z) и объемной плотности электрического заряда r(z) в грозовой облачности, показано наличие значительных флуктуаций r(z). Результаты проведенного исследования представляют интерес для последующего анализа вклада заряженных подсистем мощных атмосферных вихрей в генерацию гидродинамической спиральности атмосферы H = VrotV и формирование неоднородной, самосогласованной структуры ветровых потоков в вихре. Кроме того это весьма важно также для дальнейшего развития методик обработки данных дистанционного зондирования атмосферных вихрей, более полной и корректной физической интерпретации результатов обработки экспериментальных данных, разработки новых, современных методов прогнозирования кризисных природных явлений и для численного моделирования динамики интенсивных крупномасштабных вихрей в атмосфере.
Ключевые слова: структурные функции, инерционные интервалы, электрическая турбулентность, скейлинговые экспоненты, грозовая облачность, когерентные структуры, высотные распределения
Полный текст

Список литературы:

  1. Будаев В.П. Обобщенная масштабная инвариантность и лог-пуассоновская статистика турбулентности краевой плазмы в токамаке Т-10 // Физика плазмы. 2008. T. 34. № 9. C. 867-884.
  2. Ерохин Н.С., Моисеев С.С. Некоторые общие характеристики и механизмы развития природных кризисных процессов // Проблемы геофизики XXI века. М.: Наука, 2003. Т. 1. 160 с.
  3. Краснова И.А., Ерохин Н.С. Анализ структурных характеристик электрического поля в грозовой облачности // 56-я Всерос. конф. по проблемам математики, информатики, физики и химии. Москва, РУДН: Тез. докл. 2010. С. 17.
  4. Моисеeв С.С., Чхетиани О.Г. Спиральный скейлинг в турбулентности // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1996. Т. 110. Вып. 1(7). С. 357.
  5. Arteha S.N., Golbraikh E., Erokhin N.S. О роли электромагнитных взаимодействий в динамике мощных атмосферных вихрей // Problems of Atomic Science and Technique. 2003. N. 4. P. 94.
  6. Branover H., Eidelman A., Golbaikh E., Moiseev S. Turbulence and Structures. Chaos, Fluctuations and Self-organization in Nature and in the Laboratory. San-Diego: Academic Press, 1998. 270 p.
  7. Byrne G.J., Few A.A., Stewart M.F. Electric Field Measurement within a Severe Thunderstorm // J. Geophysical Research. 1989. V. 94. N. D5. P. 6297.
  8. Horbury T.S., Balogh A. Structure function measurements of the intermittent MHD turbulent cascade // Nonlinear Processes in Geophysics. 1997. V. 4. N. 3. P. 185.
  9. Lazarev A.A., Moiseev S.S. Geophysical Precursors of Early Stages of Cyclogenesis: Preprint. M.: IKI AN USSR, 1990. Pr-1844.
  10. Litvinenko L.N., Ryabov V.B., Usik P.V. et al. Correlation Dimension: The New Tool in Astrophysics: Preprint. Kharkov: Inst. Radio Astronomy Academy of Sciences of Ukraine, 1992, N. 64. 53 p.
  11. Marsh E., Tu C.Y. Intermittency, non-Gaussian statistics and fractal scaling of MHD fluctuations in the solar wind // Nonlinear Processes in Geophysics. 1997. V. 4. N. 1. P. 101.
  12. Marshak A., Davies A., Wiscombe W. et al. Scale-invariance of liquid water distribution in marine stratocumulus. Part II. Multifractal properties and intermittencly issues // J. Atmospherical Sciences. 1997. V. 54. N. 11. P. 1423.
  13. Marshall T.C., Rust W.D. Electrical structure and updraft speeds in thunderstorms over the southern Great Plains // J. Geophysical Research. 1995. V. 100. P. 1001.
  14. Osborne A.R., Provenzale A. Finite Correlation Dimension for Stochastic. Systems with Power-law Spectra // Physica D. 1989. V. 35. N. 2. P. 357.
  15. Schertzer D., Lovejoy S., Schmitt F. et al. Multifractal cascade dynamics and turbulent intermittency // Fractals. 1997. V. 5. N. 3. P. 427.