Архив
Том 21, 2024
Том 20, 2023
Том 19, 2022
Том 18, 2021
Том 17, 2020
Том 16, 2019 г.
Том 15, 2018 г.
Том 14, 2017 г.
Том 13, 2016 г.
Том 12, 2015 г.
Том 11, 2014 г.
Том 10, 2013 г.
Том 9, 2012 г.
Том 8, 2011 г.
Том 7, 2010 г.
Выпуск 6, 2009 г.
Выпуск 5, 2008 г.
Выпуск 4, 2007 г.
Выпуск 3, 2006 г.
Выпуск 2, 2005 г.
Выпуск 1, 2004 г.
Поиск
Найти:
Подписка/отписка
на рассылку новостей
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.