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. 2013. Т. 10. №3. С. 114-121

Анализ обобщенной масштабной инвариантности для 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, Москва, Россия
2 Российский университет дружбы народов; Институт космических исследований РАН, Москва, Россия
3 Институт космических исследований РАН, Москва, Россия
Как известно, ветровые потоки в интенсивных атмосферных вихрях типа тропических циклонов (ТЦ) обладают гидродинамической спиральностью, которая повышает их устойчивость и увеличивает время существования. Кроме того, в ТЦ имеются заряженные подсистемы, создающие большие напряженности электрического поля порядка 100 кВ/м, которые способствуют генерации в атмосфере ураганов и торнадо. Поэтому для корректного описания роли заряженных подсистем в формировании и последующей динамике спиральных ветровых потоков в мощном атмосферном вихре необходим анализ структурных характеристик электрической турбулентности в грозовой облачности. В работе на основе анализа структурных функций Sm (L) представлены результаты исследования возможности обобщенной масштабной инвариантности электрической турбулентности для экспериментальных данных по вертикальному профилю электрического поля Ez (z) в грозовой облачности на высотах z < 13 km. Рассмотрены инерционные интервалы электрической турбулентности, скейлинговые экспоненты, величины индекса Херста и куртозиса в них. В инерционных интервалах выявлены отклонения Sm (L) от степенного скейлинга. Показано, что для интервалов малых и средних масштабов приближенно выполняется обобщенная масштабная инвариантность электрической турбулентности. Наблюдаемые отклонения скейлинга структурных функций от соответствующего обобщенной масштабной инвариантности объясняются наличием перемежаемости электрической турбулентности и когерентных электрических структур. Полученные результаты могут быть использованы для последующих оценок роли электрических подсистем в формировании самосогласованной, существенно неоднородной структуры ветровых потоков в ТЦ, при численном моделировании их нелинейной динамики с использованием схем параметризации, учитывающих электрические подсистемы вихрей, а также для выявления возможности воздействия на ТЦ. Кроме того, это представляет интерес для дальнейшего развития методик обработки данных дистанционного зондирования атмосферных вихрей, более полной и корректной физической интерпретации результатов обработки экспериментальных данных.
Ключевые слова: структурные функции, инерционные интервалы, электрическая турбулентность, скейлинговые экспоненты, грозовая облачность, обобщенная масштабная инвариантность, высотные распределения, structure functions, inertial intervals, electric turbulence, scaling exponents, thunderstorm clouds, generalized scale invariability, altitude distribution
Полный текст

Список литературы:

  1. Артеха С.Н., Гольбрайх Е., Ерохин Н.С. О роли электромагнитных взаимодействий в динамике мощных атмосферных вихрей // Вопросы атомной науки и техники. 2003. № 4. С. 94–99
  2. Артеха С.Н., Ерохин Н.С. О связи крупномасштабных вихревых атмосферных процессов с электромагнитными явлениями // Электромагнитные явления. 2005. Т. 5. № 1(14). С. 3–11
  3. Бондур В.Г., Пулинец С.А. Воздействие мезомасштабных атмосферных вихревых процессов на верхнюю атмосферу и ионосферу Земли // Исследования Земли из космоса. 2012. № 3. C. 3–11
  4. Ерохин Н.С., Моисеев С.С. Некоторые общие характеристики и механизмы развития природных кризисных процессов // Проблемы геофизики XXI века. М.: Наука, 2003. Т. 1. С. 160–182
  5. Козак Л.В., Пилипенко В.А., Чугунова О.М., Козак П.Н. Cтатистический анализ турбулентности форшоковой области и магнитослоя Земли // Космические исследования. 2011. T. 49. № 3. C. 202–212
  6. Лидванский А.С., Хаердинов Н.С. Статистика вариаций мюонов космических лучей во время гроз // Известия РАН. Серия физическая. 2011. T. 75. № 6. C. 888–890
  7. Моисеeв С.С., Чхетиани О.Г. Спиральный скейлинг в турбулентности // ЖЭТФ. 1996. T. 110. Вып. 1(7). С. 357–370
  8. Фрик П.Г. Турбулентность: подходы и модели. Изд. 2-е, испр. и доп. М.; Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика». 2010. 332 с
  9. Branover H, Eidelman A., Golbraikh E. and Moiseev S. Turbulence and Structures. Chaos, Fluctuations and Self-organization in Nature and in the Laboratory. San-Diego: Academic Press, 1998. 270 р
  10. Byrne G.J., Few A.A. and Stewart M.F. Electric field measurements within a severe thunderstorm anvil // Journal of Geophysical Research. 1989. V. 94 (D5). P. 6297–6307
  11. Dubrulle B. Intermittency in fully developed turbulence: log-Poisson statistics and generalized scale covariance // Phys. Rev. Lett. 1994. V. 73. P. 959–967
  12. Horbury T.S., Balogh A. Structure function measurements of the intermittent MHD turbulent cascade // Nonlinear Processes in Geophysics. 1997. V. 4. № 3. P. 185–199
  13. Khaerdinov N.S., Lidvansky A.S., Petkov V.B. Electric field of thunderclouds and cosmic rays: evidence for acceleration of particles (runaway electrons) // Atmospheric Research. 2005. V. 76. Iss.1–4. P. 346–354
  14. Lazarev A.A., Moiseev S.S. Geophysical Precursors of Early Stages of Cyclogenesis: Preprint IKI RAS, Pr –1844, 1990. 13 p
  15. Litvinenko L.N., Ryabov V.B., Usik P.V. et al. Correlation Dimension // The New Tool in Astrophysics. Institute of Radio Astronomy, Academy of Sciences of Ukraine, Preprint № 64. Kharkov. 1992. 53 p
  16. Marsh E., Tu C.Y. Intermittency, non-Gaussian statistics and fractal scaling of MHD fluctuations // Nonlinear Processes in Geophysics. 1997. V. 4. № 1. P. 101–124
  17. Marshak A., Davies A., Wiscombe W. et al. Scale-invariance of liquid water distribution in marine stratocumulus. Part II. Multifractal properties and intermittency issues // Journal of Atmospherical Sciences. 1997. V. 54. № 11. P. 1423–1444
  18. Marshall T.C. and Rust W.D. Electrical structures and updrafts speeds in thunderstorms over the southern great-plains // Journal of Geophysical Research. 1995. V. 100 (D1). P. 1001–1015
  19. Osborne A.R., Provenzale A. Finite correlation dimension for stochastic systems with powerlaw spectra // Physica D. 1989. V. 35. № 2. P. 357–381
  20. Schertzer D., Lovejoy S., Schmitt F. et al. Multifractal cascade dynamics and turbulent intermittency // Fractals. 1997. V. 5. № 3. P. 427–471
  21. She Z., E. Leveque E. Universal scaling laws in fully developed turbulence // Phys. Rev. Lett. 1994. V. 72. P. 336–339
  22. Sura P. and Perron M. Extreme events and the general circulation: observations and stochastic model dynamics // Journal of the Atmospheric Sciences. 2010. V. 67. № 9. P. 2785–2804
  23. Zadorozhny A.M., A.A. Tyutin A.A. Effects of geomagnetic activity on the mesospheric electric fields // Ann. Geophysicae. 1998. V. 16. P. 1544–1551