Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2014. Т. 11. №2. С. 111-120
Структурные характеристики электрической турбулентности при вертикальном профиле электрического поля с сильным всплеском
Л.А. Михайловская
1 , Н.С. Ерохин
1,2 , И.А. Краснова
2 , С.Н. Артеха
1 1 Институт космических исследований РАН, Москва, Россия
2 Российский университет дружбы народов, Москва, Россия
Как известно, в грозовой облачности имеются заряженные подсистемы, создающие большие напряжённости электрического поля порядка 100 кВ/м. Такие поля могут способствовать генерации интенсивных ветровых потоков в атмосфере и усилению слабых вихрей. Поэтому для корректного описания роли заряженных подсистем в формировании и последующей динамике атмосферного вихря необходим анализ структурных характеристик электрических полей в грозовой облачности. В работе на основе экспериментальных данных проведён анализ структурных функций электрической турбулентности Sm(L) в случае большого всплеска вертикального профиля электрического поля Ez(z) грозовой облачности на высотах z < 12 км. Исследованы инерционные интервалы электрической турбулентности, получены скейлинговые экспоненты, величины индекса Херста и куртозиса в них. В инерционных интервалах выявлены отклонения структурных функций Sm(L) от степенного скейлинга. Анализ показал, что для интервалов малых и средних масштабов не выполняется обобщённая масштабная инвариантность электрической турбулентности, что может быть связано с перемежаемостью электрической турбулентности, присутствием когерентных электрических структур. Полученные результаты могут быть использованы для последующих оценок роли заряженных подсистем в формировании самосогласованной, существенно неоднородной структуры ветровых потоков в атмосферных вихрях, моделировании их нелинейной динамики с использованием схем параметризации, учитывающих электрические подсистемы вихрей, а также для выявления возможности воздействия на их динамику. 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: заряженные подсистемы атмосферы, грозовая облачность, инерционный интервал, турбулентность, структурные функции, перемежаемость, скейлинг.
Полный текстСписок литературы:
- Артеха С.Н., Гольбрайх Е., Ерохин Н.С. О роли электромагнитных взаимодействий в динамике мощных атмосферных вихрей // Вопросы атомной науки и техники. 2003. № 4. C. 94-99.
- Артеха С.Н., Ерохин Н.С. О связи крупномасштабных вихревых атмосферных процессов с электромагнитными явлениями // Электромагнитные Явления. 2005. Т. 5. № 1(14). C. 3-20.
- Бондур В.Г., Пулинец С.А. Воздействие мезомасштабных атмосферных вихревых процессов на верхнюю атмосферу и ионосферу земли // Исследования Земли из космоса. 2012. № 3. С. 3-11.
- 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.
- Козак Л.В., Пилипенко В.А., Чугунова О.М., Козак П.Н. Статистический анализ турбулентности форшоковой области и магнитослоя Земли // Космические исследования. 2011. Т. 49. № 3, С. 202-212.
- Лидванский А.С., Хаердинов Н.С. Статистика вариаций мюонов космических лучей во время гроз // Известия РАН. Серия физическая. 2011. Т. 75. № 6, 888-890.
- Моисеeв С.С., Чхетиани О.Г. Спиральный скейлинг в турбулентности // ЖЭТФ. 1996. Т. 110, Вып. 1(7). С. 357-370.
- Фрик П.Г. Турбулентность: подходы и модели. М. - Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", 2010. 332 с.
- 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 p.
- Byrne G.J., Few A.A., Stewart M.F. Electric Field Measurement within a Severe Thunderstorm Anvil // Journal of Geophysical Research. 1989. V. 94 (D5). P. 6297-6307.
- Dubrulle B. Intermittency in fully developed turbulence: log-Poisson statistics and generalized scale covariance // Physical Review Letters. 1994. V. 73. P. 959–967.
- 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.
- 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.
- Lazarev A.A., Moiseev S.S. Geophysical Precursors of Early Stages of Cyclogenesis: Preprint IKI RAS. Pr –1844, 1990. 13 p.
- Litvinenko L.N., Ryabov V.B., Usik P.V., Vavriv D.M. Correlation Dimension // The New Tool in Astrophysics. Institute of Radio Astronomy, Academy of Sciences of Ukraine, Preprint № 64. Kharkov. 1992. 53 p.
- 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.
- Marshak A., Davies A., Wiscombe W. Cahalan R. Scale-invariance of liquid water distribution in marine stratocumulus. Part II. Multifractal properties and intermittency issues // Journal of the Atmospheric Sciences. 1997. V. 54. № 11. P. 1423–1444.
- 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.
- Osborne A.R., Provenzale A. Finite correlation dimension for stochastic systems with power-law spectra // Physica D. 1989. V. 35. № 2. P. 357–381.
- Schertzer D., Lovejoy S., Schmitt F. Chigirinskaya Y., Marsan D. Multifractal cascade dynamics and turbulent intermittency // Fractals. 1997. V. 5. № 3. P. 427–471.
- She Z., Leveque E. Universal scaling laws in fully developed turbulence // Physical Review Letters. 1994. V. 72. P. 336–339.
- 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.
- Zadorozhny A.M., Tyutin A.A. Effects of geomagnetic activity on the mesospheric electric fields // Annales Geophysicae. 1998. V. 16. P. 1544–1551.