Концентрація

електронів, 1/см³ 10¹³ 10¹² 10¹⁰ 3 ∙ 10 ⁹ 5 ∙ 10 ⁸

Дані таблиці розраховані за формулою

, (4.2)

де - частота (кГц), ;

- кількість вільних електронів у см³.

Формула (4.2) і дані таблиці показують, що на більш довгих хвилях потрібна менша концентрація вільних електронів для відбиття радіоімпульсу.

Згідно з попереднім теоретичним дослідженням Д. Атласа та інших авторів, при розряді блискавки іонізований канал має поперечний розмір у кілька сантиметрів і початкову концентрацію вільних електронів 10¹² см ^{- 3}. Тривалість існування радіолуни однієї блискавки дуже мала і складає 0,3 - 0,5 с. Враховуючи такий обмежений час спостережень, антену РЛС часто буває вигідно встановлювати нерухомо в напрямку очікуваного розряду блискавки. Варто вказати, що луно-сигнали інтенсивних дощів часто маскують відбиття від розрядів блискавки між хмарою і земною поверхнею.

У режимі кругового огляду забезпечується краще виявлення розрядів між хмарами, тому що їхня орієнтація часто буває близька до горизонтальної. До того ж довжина каналів блискавки в цьому випадку досягає 2-3 десятків кілометрів, і радіолуна зон дощу не завжди маскує луно-сигнали блискавки (рис.4.15). На цьому рисунку радіолокаційне зображення блискавки між хмарами розташовується на дальностях 25 - 35 км у секторі, обмеженому азимутами . По зовнішньому вигляду воно істотно відрізняється від радіолуни хмар і опадів, тому що являє собою тонкі звивисті смуги.

Рис.4.15 Радіолуна блискавки на ІКО

У зв'язку з малим часом існування іонізованих каналів блискавки і можливим їхнім маскуванням зонами дощів луно-сигнали блискавки спостерігаються досить рідко на екранах індикаторів РЛС. Тому метод безпосереднього використання відбитих сигналів від каналів блискавок для розпізнавання грозових осередків від зливових у наш час мало ефективний. Ефективність цього методу можна підвищити, використовуючи в РЛС метеорологічного призначення дециметрові діапазони хвиль і підвищуючи швидкість обертання антени.

Іншим більш раціональним і надійним в наш час способом поділу зон опадів на зливові і грозові є спосіб, заснований на прийомі власного радіовипромінювання грозових розрядів (атмосфериків) моноімпульсним радіопеленгатором, сполученим з радіолокаційною станцією.

При такому способі, розробленому С. М. Гальперіним, індикатор кругового огляду РЛС є одночасно індикатором радіопеленгатора атмосфериків. Пеленгатор забезпечує пеленг незалежно від напрямку антени РЛС. Спостереження лінії пеленга на ІКО полегшується тривалим післясвітінням екрана.

При наявності зображень зливових і грозових осередків на ІКО тільки в напрямку грозових осередків на екрані індикатора будуть спостерігатися лінії пеленга (рис.4.16).

Рис.4.16 Пеленг на грозовий розряд на ІКО

Пеленгатор працює на частоті 6 - 10 кГц, тому що саме в цьому діапазоні є характерний максимум випромінювання електромагнітної енергії.

Як правило, блискавка являє собою багаторазовий розряд. Іноді при фронтальних грозах вона може містити до 20 окремих розрядів, частіше 5-6.

Важливою характеристикою атмосфериків є форма прийнятого імпульсу, випромінюваного грозовим розрядом. Форма прийнятого імпульсу залежить від відстані між грозовим розрядом і точкою "прийому. Численні спостереження показують, що на відстанях до 200 - 300 км від джерела випромінювання найчастіше реєструються імпульси, форма яких показана на рис.4.17. У міру віддалення атмосфериків від місця їхнього виникнення на первинний імпульс у точці прийому накладаються відбиття від іоносфери і Землі. Крім того, відбувається селективне поглинання енергії імпульсу при розповсюдженні радіохвиль. У результаті прийнятий сигнал набуває квазіперіодичної форми.

Е, в/м

4

3

2

1

0

-1

-2

-3

- 4

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 м/с

Рис.4.17 Типова форма приймального імпульсу атмосфериків

Напруженість поля випромінювання грозових розрядів може бути розрахована за наступною емпіричною формулою:

, (4.3)

де - потужність випромінювання (кВт),

- довжина хвилі (км),

Н - висота іоносфери (км),

- відстань від джерела випромінювання (км),

Е - напруженість поля (мВ/м).

За допомогою зазначеної формули можна зокрема визначити Е. Припускаючи, що R =100 км, W = 10⁶ кВт, = 30 км і H = 60 км, то значення Е буде дорівнювати:

, мВ/м, = 2,73 В/м.

Пеленгатори гроз мають значно більшу дальність виявлення, ніж радіолокаційні станції, у яких дальність до того ж обмежується радіогоризонтом і з урахуванням вертикальної довжини грозових осередків не перевищує 300 - 350 км. Тому для реєстрації грозових розрядів у межах радіуса дії РЛС необхідно застосовувати калібровану зміну чутливості приймального тракту пеленгатора. При цьому однозначність пеленгування забезпечується досить високою стабільністю потужності первинного випромінювання розряду W.

Зазначена обставина також дозволяє по потужності випромінювання приблизно визначати дальність до грози.

Експериментальні дані С.М. Гальперіна та інших показують, що використовуючи пеленгатор, сполучений із РЛС, і непрямі ознаки, можна забезпечити досить високу надійність розпізнавання грозових осередків (не менше 70-80%).

Велику практичну цінність має можливість радіолокаційного виявлення граду в грозових хмарах. Проте така можливість обмежується тим, що типові РЛС не дозволяють безпосередньо встановлювати, яким видом опадів викликається радіолуна.

У Новій Англії, наприклад, близько 10% гроз супроводжується випаданням граду. Непрямою ознакою, що дозволяє визначати райони випадання граду, є наявність пальцевидних виступів або гребеневидних протуберанців у радіолуни грозових осередків на ІКО. Проте для районів, де град випадає рідко, ці критерії не дуже надійні.

Дослідження гроз, проведені Дональдсоном, показали, що чим більше грозова хмара, тим більше її відбиваність, і тим більша ймовірність випадання граду (рис.4.18). З рисунка видно, що при висоті вершини грозового осередку близько 13 км і максимальній відбиваності мм⁶/м³ ймовірність випадання граду складає 50 %.

Дослідження характеристик радіолокаційних відбиттів зливових і градових хмар у Грузії, виконані Боровиковим А.М., Бичиашвілі А.Д., Костаревим В.В., Доруелі Р.И., Шупяцьким А.Б. та іншими, дозволили визначити деякі попередні ознаки, які допомагають розрізняти зазначені хмари. Ці ознаки для градових хмар такі: величина Z повинна бути більше 10³ мм⁶/м³; вертикальна довжина зони підвищеної відбиваності повинна бути не менше 3 - 3,5 км, а її відношення до товщини всієї зони радіолуни – 45 - 50%; зазначена зона повинна розташовуватися в середній чи верхній частині радіолуни; уся зона чи більша її частина повинна розташовуватися в області негативних температур; радіолуна повинна мати товщину не менше 6 км і досягати висот більше 9 км над рівнем моря. Для надійного розпізнавання градових хмар необхідно, щоб спостерігалася вся сукупність зазначених ознак.

Н, км

20

15

67 %

50 %

12

33 %

9

6

10 ³ 10 ⁴ 10 ⁵ 10 ⁶ , мм⁶/м³

Рис.4.18 Ймовірність випадання граду з купчасто-дощової хмари в

залежності від висоти радіолуни та її відбиваності

У принципі для безпосереднього виявлення граду можна використовувати спеціальні метеорологічні радіолокаційні станції, які мають антени з круговою поляризацією. При цьому луно-сигнали від сферичних дощових крапель будуть істотно подавлені, і на екранах індикаторів повинні бути чітко видні зображення областей випадаючого граду, оскільки форма градин відрізняється від сфери.

Для своєчасного попередження про таке небезпечне атмосферне утворення, яким є грозовий осередок, необхідне досить точне визначення його швидкості і напрямку руху і залежності цих характеристик від швидкості і напрямку вітру.

На практиці швидкість і напрямок руху зон опадів, у тому числі і грозових осередків, визначається за рухом центру тяжіння площі зазначених атмосферних утворень. Однак варто мати на увазі, що центр тяжіння за час спостережень може рухатися за дуже складними траєкторіями, які нерідко ніякого зв'язку з вітром не мають. Це пояснюється тим, що загальна картина радіолуни грозового осередку дуже сильно змінюється за рахунок злиття або зникнення окремих конвективних осередків, або виникнення нових осередків. Складова руху центру тяжіння радіолуни, викликана зміною його площі, називається складовою розповсюдження. Інша складова, обумовлена вітром, називається складовою переносу. При малих швидкостях вітру переважає перша складова руху, а при великих - друга.

Шляхом радіолокаційних спостережень за окремими добре розвиненими грозовими осередками Д. Баттаном був вивчений рух цих осередків і зв'язок параметрів цього руху з вітром на різних висотах.

Зокрема, було встановлено, що при середній швидкості вітру в шарі від 0,6 до 6 км, що перевищує 16 км/год, спостерігається високий кореляційний зв'язок між рухом радіолуни і вітром у шарі від 1,5 до 6 км (рис.4.19). Як видно з рисунка, кореляція між напрямком руху радіолуни і напрямком вітру досить висока. Для модуля швидкості цей зв'язок виражений гірше. При цьому швидкість руху радіолуни звичайно менше швидкості вітру на усіх висотах, за винятком вітру в приземному шарі.

Для випадків, коли середня швидкість вітру в нижньому 6-кілометровому тропосферному шарі була менше 16 км/год, кореляційний зв'язок між рухом радіолуни і вітром майже був відсутній. Очевидно, при малих швидкостях вітру рух центру тяжіння радіолуни, визначений оператором, викликаний в основному ефектом розповсюдження.

К

80

40

0

- 40

1,2 2,4 3,6 4,8 6,0 7,2 8,4 9,6 10,8 Н, км

а)

, м/с

20 10

0 0

- 20 -10

- 40

1,2 2,4 3,6 4,8 6,0 7,2 8,4 9,6 10,8 Н, км

б)

Рис.4.19 Кореляційний зв’язок між характеристиками руху грозових

осередків і вітром.

Швидкість радіолуни фронтальних опадів тісно зв'язана з вітром на поверхні 700 мб.