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. 2015. Т. 12. № 5. С. 188-202

Исследование структурных характеристик электрической турбулентности в грозовой облачности и влияния электрических подсистем мощных атмосферных вихрей на их динамику

Н.С. Ерохин 1 , 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 атмосферы имеются заряженные подсистемы, создающие большие напряжённости электрического поля порядка (10-100) кВ/м, что обеспечивает перепад электрического потенциала между приземной тропосферой и ионосферой от сотен МэВ до ГэВ. Такие поля могут способствовать генерации интенсивных ветровых потоков, усилению слабых вихревых структур до уровня крупномасштабных вихрей. Исследования показывают, что электромагнитные взаимодействия в атмосфере могут влиять на генерацию мощных вихрей типа тропических циклонов (ТЦ) и на вертикальный профиль температуры атмосферы. В этой связи для корректного описания роли заряженных подсистем в формировании и последующей динамике атмосферных вихрей необходим анализ структурных характеристик электрических полей в грозовой облачности, определение параметров электрической турбулентности, их изменчивости в пространстве и времени. В данной работе на основе экспериментальных данных описаны результаты анализа структурных функций электрической турбулентности Sm(L) для различных вариантов вертикального профиля электрического поля (включая случаи сильного всплеска его амплитуды) для диапазона высот z < 16 км. Исследованы инерционные интервалы электрической турбулентности и получены характерные параметры: скейлинговые экспоненты, величины индекса Херста и куртозиса в них. В инерционных интервалах часто наблюдаются отклонения структурных функций (СФ) от степенного скейлинга. Анализ показал, что для интервалов малых и средних масштабов турбулентности может наблюдаться обобщённая масштабная инвариантность (ОМИ) электрической турбулентности. Однако в некоторых случаях ОМИ отсутствует, что может быть связано с перемежаемостью электрической турбулентности и присутствием когерентных электрических структур. Результаты данных исследований могут быть использованы для последующих оценок роли заряженных подсистем в формировании самосогласованной неоднородной структуры ветровых потоков в атмосферных вихрях, при моделировании их нелинейной динамики с использованием схем параметризации, учитывающих электрические подсистемы, для выявления возможности воздействия различных факторов, например, вариаций космических лучей на их генезис и динамику. Очевидно, что это представляет интерес для мониторинга ТЦ, включая космические методы зондирования, для дальнейшего развития методик обработки полученных экспериментальных данных, более полной и корректной физической интерпретации результатов их обработки, для разработки новых, современных методов прогнозирования кризисных природных явлений и численного моделирования динамики интенсивных крупномасштабных вихрей в атмосфере с учётом спиральности и наличия заряженных подсистем.
Ключевые слова: заряженные подсистемы атмосферы, грозовая облачность, инерционный интервал, турбулентность, структурные функции, перемежаемость, скейлинг, атмосферные вихри
Полный текст

Список литературы:

  1. Анисимов С.В., Мареев Е.А. Геофизические исследования глобальной электрической сети // Физика Земли. 2008. № 10. С.8-18.
  2. Артеха С.Н., Белян А.В., ЕрохинН.С. Проявления электромагнитных явлений в атмосферных процессах // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2013. Т. 10. № 2. С.225–233.
  3. 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.
  4. 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.
  5. Байбаков С.Н., Мартынов А.И. С орбиты спутника - в глаз тайфуна. М.: Наука. 1986.
  6. 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.
  7. Бондур В. Г., Пулинец С. А., Ким Г. А. О роли вариаций галактических космических лучей в тропическом циклогенезе на примере урагана Катрина // Доклады академии наук,
  8. Геофизика. 2008. Т. 422, С. 244-249.
  9. Добрышман Е.М. Некоторые статистические характеристики и особенности тайфунов // Метеорология и Гидрология. 1994. № 11, C. 83-99.
  10. 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.
  11. Лидванский А.С., Хаердинов Н.С. Статистика вариаций мюонов космических лучей во время гроз // Известия РАН. Серия физическая. 2011. Т. 75. № 6, 888-890.
  12. Моисеeв С.С., Чхетиани О.Г. Спиральный скейлинг в турбулентности // ЖЭТФ. 1996. Т. 110, Вып. 1(7). С. 357-370.
  13. Нерушев А.Ф., Нетреба С.Н., Свиркунов П.Н., Ярошевич М.И. Генерация возмущений геофизических полей при эволюции тропических циклонов // ДАН. 1997. Т. 354. № 1. С. 96-100.
  14. Пулинец С.А., Хегай В.В., Боярчук К.А., Ломоносов А.М. Атмосферное электрическое поле как источник изменчивости ионосферы // УФН. 1998. Т. 41. С. 515–522.
  15. Хаин А.П., Сутырин Г.Г. Тропические циклоны и их взаимодействие с океаном. Л: Гидрометеоиздат. 1983.
  16. Шарков Е.А. Аэрокосмические исследования тропических циклонов // Исследования Земли из Космоса. 1997. № 6. C. 87-111.
  17. Anisimov S.V., Bakastov S.S., Mareev E.A. Spatiotemporal structures of electric field and space charge in the surface atmospheric layer. // Journal of Geophysical Research. 1994. Vol. 99. P. 10603-10610.
  18. Anisimov S.V., Shikhova N.M. Intermittency of turbulent aeroelectric field // Atmospheric Research. 2014. Vol. 135-136. P. 255-262.
  19. Arteha S.N. and N.S.Erokhin. Electric Structures Influence on the Atmospheric Spiral Vortices Stability // International Journal Unconventional Electromagnetics and Plasmas (UEP). 2009. Vol. 2. № 1-2. P. 3-8.
  20. Arteha S.N. and Belyan A.V. On the role of electromagnetic phenomena in some atmospheric processes, Nonlinear Processes in Geophysics. 2013. Vol. 20. P. 293-304.
  21. Branover H, Eidelman A., Golbaikh 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.
  22. Byrne G.J., Few A.A., Stewart M.F. Electric Field Measurement within a Severe Thunderstorm Anvil // Journal of Geophysical Research. 1989. Vol. 94 (D5). P. 6297-6307.
  23. Dubrulle B. Intermittency in fully developed turbulence: log-Poisson statistics and generalized scale covariance // Physical Review Letters. 1994. Vol. 73. P. 959–967.
  24. Hegai V.V., Kim V.P., Illich-Svitych P.V. The formation of a cavity in the night-time midlatitude ionospheric E-region above a thundercloud // Planet. Space Sci. 1990. Vol. 38. P. 703-707.
  25. Horbury T.S., Balogh A. Structure function measurements of the intermittent MHD turbulent cascade // Nonlinear Processes in Geophysics. 1997. Vol. 4. № 3. P. 185-199.
  26. Kazimirovsky E., Herraiz M., De La Morena B.A. Effects on the ionosphere due to phenomena occurring below it // Surveys in Geophys. 2003. Vol. 24, P. 139-184.
  27. 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. Vol. 76. Iss. 1–4. P. 346–354.
  28. Lazarev A.A., Moiseev S.S. Geophysical Precursors of Early Stages of Cyclogenesis: Preprint IKI RAS. Pr -1844. 1990. 13 p.
  29. Leary L.A., Ritchie E.A. Lightning Flash Rates as an Indicator of Tropical Cyclone Genesis in the Eastern North Pacific // Month. Weather Rev. 2009. Vol. 137(10), P. 3456-3470.
  30. Litvinenko L.N., Ryabov V.B., Usik P.V. et al. Correlation Dimension // The New Tool in Astrophysics. Kharkov: Institute of Radio Astronomy, Academy of Sciences of Ukraine, Preprint № 64. 1992. 53 p.
  31. Marsh E., Tu C.Y. Intermittency, non-Gaussian statistics and fractal scaling of MHD fluctuations // Nonlinear Processes in Geophysics. 1997. Vol. 4. № 1. P. 101–124.
  32. 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 the Atmospheric Sciences. 1997. Vol. 54. № 11. P. 1423–1444.
  33. Marshall T.C. and Rust W.D. Electrical structures and updrafts speeds in thunderstorms over the southern great-plains // Journal of Geophysical Research. 1995. Vol. 100 (D1). P. 1001–1015.
  34. Merill R.T. A Comparison of Large and Small Tropical Cyclones // Mon. Weather Rev. 1984. Vol. 112. P. 1408–1418.
  35. Osborne A.R., Provenzale A. Finite correlation dimension for stochastic systems with power-law spectra // Physica D. 1989. Vol. 35. № 2. P. 357–381.
  36. Price C., Asfur M., Yair Yo. Maximum hurricane intensity preceded by increase in lightning frequency // Nature Geosci. 2009. Vol. 2(5). P. 329-332.
  37. Rodgers E.B., Stout J., Steranka J., Chang S.W. Tropical cyclone-upper atmospheric interaction as inferred from satellite total ozone observations // J. Appl. Meteorol. 1990, Vol. 29(9), P. 934-957
  38. Rycroff M.J., Israelsson S., Price C. The global atmospheric circuit, solar activity and climate change // J. Atmos. and Solar-Terr. Phys. 2000. Vol. 62. P. 1563-1576.
  39. Schertzer D., Lovejoy S., Schmitt F. et al. Multifractal cascade dynamics and turbulent intermittency // Fractals. 1997. Vol. 5. № 3. P. 427–471.
  40. Sorokin V.M., Chmyrev V.M., Yaschenko A.K. Electrodynamic model of the lower atmosphere and the ionosphere coupling // J. Atmos. and Solar-Terr. Phys. 2001. Vol. 63, P. 1681-1691.
  41. Stozhkov Y.I. The role of cosmic rays in the atmospheric processes // J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 2003. Vol. 29. P. 913-923.
  42. Zadorozhny A.M., A.A. Tyutin A.A. Effects of geomagnetic activity on the mesospheric electric fields // Annales Geophysicae. 1998. Vol. 16. P. 1544-1551.