Исследование спектральных характеристик разряда из

искусственного облака заряженного водного аэрозоля для уточнения

параметров разряда молнии

Белова О.С., Зимин А.С., Козлов Д.А., Орлов А.В., Темников А.Г., Черненский Л.Л.

НИУ «МЭИ»

Рассматриваемые задачи физики молнии

• Недостаточная база накопленных сведений о параметрах разрядных процессов.

• Развитие дистанционных методов измерения параметров разрядов молний и систем пеленгации молнии.

• Связь между параметрами регистрируемого электромагнитного излучения и импульсами токов разрядов молний.

• Отстройка измерительных приборов от внутриоблачных разрядов.

• Изучение параметров электромагнитного излучения разрядов молнии.

2

•Потенциал искусственного облака заряженного водного аэрозоля достигает 1,5 МВ.•Создается электрическое поле

напряженностью до 12 кВ/см вблизи заземленной плоскости и до 22 кВ/см на границе облака заряженного аэрозоля.•На высотах до 0,4 м над горизонтальной

заземленной плоскостью электрическое поле имеет практически квазиоднородный характер

Экспериментально-измерительный комплекс «ГРОЗА»

1 – генератор заряженного аэрозоля, 2 – заземленные электростатические экраны, 3 – облако заряженного

аэрозоля, 4 – стержневой электрод, 5 – искровой разряд, 6 – шунты, 7,14 – плоская антенна, 8 – цифровые

запоминающие осциллографы, 9 – цифровой фотоаппарат, 10 – система ФЭУ, 11 – электронно-оптическая камера, 12 –

датчик сцинтилляционный с ФЭУ, 13 – рамочная антенна

3

14

6

Применение вейвлет-анализа для исследования спектральных характеристик физических процессов и явлений

• В данной работе анализ спектральных характеристик разрядов и их электромагнитного излучения проводился с использованием двух типов вейвлет-функций: «Мексиканская шляпа» и «Морле».

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

t,c

psi

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

t,c

psi

«Мексиканская шляпа» «Морле»

ψ (𝑡 )=𝑒− 𝑡2

2 cos (5 𝑡 )ψ (𝑡 )= 1

√2𝜋(𝑡 2−1 )𝑒

− 𝑡2

2

ψ(t), о.е. ψ(t), о.е.

4

Спектрограммы тока разряда и его ЭМ-излучения

5

Ток разряда ЭМ-излучение с антенны (7)

ЭМ-излучение с антенны (14) ЭМ-излучение с антенны (13)

Спектральные характеристики разрядов

6

Стадия разряда Ток разряда Электромагнитное излучение

Стримерная корона•до 0,2 МГц (слабая

вспышка) •до 3 МГц (мощная

вспышка)До 11 МГц

Восходящий лидер от 0,03 МГц до 0,2 МГц 0,02-0,04 МГц

Финальная стадия• до 98 МГц (вейвлет «Мексиканская шляпа») • до 46 МГц (вейвлет

Морле)

• 80-250 МГц (вейвлет «Мексиканская шляпа») • 50-160 МГц (вейвлет

Морле)Максимальная

интенсивность сигнала 1-4 МГц От 5 до 22 МГц

Характерные частоты ЭМ-излучения

7

Формирование радиальной стримерной короны с большей части канала финальной стадии

Характерная картина финальной стадии разряда, когда взаимодействие нисходящего и восходящего лидеров не приводит к

формированию мощной плазменной перемычки

Характерные частоты ЭМ-излучения

8

0-25 25-50 50-75 75-100 100-125

125-150

150-175

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

Распределение максимальных частот на фронте импульса тока разряда

fmax, МГц

Частота попадания в

данный диапазон, о.е.

0-25 25-50 50-75 75-100 100-125 125-150 150-1750

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

Распределение максимальных частот в максимуме импульса тока разряда

fmax, МГц

Частота попадания в

данный диапазон, о.е.

0-25 25-50 50-75 75-100 100-125

125-150

150-175

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

Распределение максимальных частот на спаде импульса тока разряда

fmax, МГц

Частота попадания в

данный диапазон, о.е.

Частотные спектры реальных молний

9

Источник данных Измеряемая величина Fmin, МГц Fmax, МГц Fср, МГц

Исследования, проводимые в данной работеdE/dt 0,001 250 1,2 – 10,8

dI/dt 0,001 170 5,1 - 14,5

Sharma S.R. et al., 2011. Temporal features of different lightning events revealed from wavelet transform. J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 73, 507-515.

E 0,002 0,1 0,0028 - 0,04

Analysis of electric field spectrograms of lightning discharge components / Maslowski G.,

Baramski P., Michnowski S. International Symposium on Lightning Physics and Effects,

Vienna, Austria, 2007

dE/dt 10 50

Параметры импульсов токов разрядов и их электромагнитных излучений

10

0 10 20 30 400

4

8

12

16

am ax (0 3 _ 0 9 ) d isch a rg e cu rren t, k A /s

Im ax s ig n a l an t_ 1 , A

0 2 0 4 0 6 0 8 00

4

8

1 2

1 6

I m a x d i s c h a r g e , A

I m a x s i g n a l a n t _ 1 , A

0 20 40 60 800

2

4

6

Im ax d isch a rg e , A

Im ax s ig n a l an t_ 2 , A

0 2 0 4 0 6 0 8 00

5

1 0

1 5

2 0

2 5

I m a x d i s c h a r g e , A

I m a x s i g n a l a n t _ 3 , V

Взаимосвязь частотного спектра и параметров импульсов токов разрядов

11

0 20 40 60 800

1

2

3

4

Im ax d isch a rg e , A

F m ax s ig n a l d isch a rg e cu rren t, M H z

0 10 20 30 400

100

200

300

400

500

am ax (0 3 _ 0 9 ) d isch a rg e cu rren t, k A /s

F p red e l w av e le t s ig n a l an t_ 1 , M H z

0 2 4 60

40

80

120

160

200

am ax (0 3 _ 0 9 ) d isch a rg e cu rren t (Im p u lse fo rm 1 ), k A /s

F p red e l w av e le t s ig n a l an t_ 1 , M H z

0 20 40 60 800

100

200

300

400

Im ax d isch a rg e , A

F p red e l w av e le t s ig n a l an t_ 3 , M H z

Взаимосвязь частотного спектра и параметров импульсов токов разрядов

12

0 20 40 60 800

1000

2000

3000

4000

5000

Im a x d isch a rg e , A

W m a x w a v e le t s ig n a l an t_ 1

0 20 40 60 800

100

200

300

400

Im a x d isch a rg e , A

W m ax w av e le t s ig n a l an t_ 2

0 20 40 60 800

20000

40000

60000

Im ax d isch a rg e , A

W m ax w av e le t s ig n a l an t_ 3

0 20 40 60 800

100000

200000

300000

400000

500000

Im ax d isch a rg e , A

W m ax s ig n a l d isch a rg e cu rren t

Частотный спектр сигналов, полученный при вейвлет-анализе и при Фурье-анализе

13

0 10 20 30 400

40

80

120

160

am a x (0 3 _ 0 9 ) d isc h a rg e c u rre n t, k A /s

F m a x F u r s ig n a l a n t_ 2 , M H z

0 10 20 30 400

40

80

120

am a x (0 3 _ 0 9 ) d isc h a rg e c u rre n t, k A /s

F m a x w a v e le t s ig n a l a n t_ 2 , M H z

Заключение

• В регистрируемом ЭМ-излучении тока разряда присутствуют два диапазона характерных частот: до 80-90 МГц (вейвлет «Мексиканская шляпа»); до 50-60 МГц (вейвлет Морле) и до 250-350 МГц (для плоской антенны); до 120-200 МГц (для рамочной антенны).

• Установлено наличие корреляции между спектральными характеристиками ЭМ-излучения и параметрами импульса тока финальной стадии разряда.

• Дальнейшие задачи: выполнить регистрацию одновременно электрических характеристик разряда и его ЭМ-излучения и подробной картины формирования разряда во времени, использую ЭОК и систему ФЭУ для того, чтобы отделить внутриоблачную часть разрядов от разрядов в землю.

14

Спасибо за внимание!

15