1.4. Инструментальное изучение грозовых процессов

Следует отметить, что электрическая неоднородность грозовых облаков довольно давно изучалась наземной аппаратурой, с помощью приборов, поднимаемых на самолетах, и специальных радиозондах. В последние десятилетия идет интенсивное изучение грозовых обстановок и со спутников. Впервые мысль об измерении напряженности электрического поля в грозовых облаках с помощью радиозонда была высказана еще А.С. Поповым на заседании Русского географического общества 7 мая 1902 года (Арабаджи, 1960). Этот раздел хорошо освещен в специальной литературе.

Внимание к грозам особенно усилилось после изобретения радио. Поэтому первые приборы для наблюдения за грозовыми разрядами изобрели физики, а первый грозоотметчик А.С. Попова был увековечен в курсах радиотехники (Павлюченков, 1988). Он проработал безотказно 10 лет (с 1898 г.). Постепенная модернизация грозоотметчиков шла вслед за развитием соответствующих разделов радиотехники. Со времени их появления наметилось раздвоение исполняемых функций регистраторов среднего уровня грозовой активности и сигнализатора появления гроз. На рубеже XIX-XX веков ленты грозоотметчика еще не обрабатывались. Продолжительность гроз тогда не учитывалась, неясно было, что делать с числами зарегистрированных грозоотметок. И только когда обратились к статистической обработке регистрационных данных наблюдений (около 1960 года), возникла возможность ответить на вопрос о способе перехода от приемных характеристик грозоотметчика к параметру интенсивности грозовой активности (Павлюченков, 1988).

До 1970-х годов в литературе, посвященной грозовым процессам, рассматривались либо вопросы с чисто электрофизической точки зрения, либо давались метеорологические интерпретации. В последующем, статистика позволила проследить закономерности в развитии разнообразия грозовой активности и выявить ее связь с экзогенными и эндогенными геологическими процессами. С углублением изучения грозовых процессов появилось много работ, посвященных исследованию солнечно-земных связей, влиянию других планет на погоду и климат на Земле (Максимов, 1972; Мустель, 1974; Дерпгольц, 1979; Нургалиев, 1991; Пудовкин, 1992). Эти работы выполнялись на стыке разных научных направлений, а классическая метеорология лишь пыталась объяснить наблюдаемые изменения, используя ранее выявленные накопленные архивные данные и вскрытые закономерности. В 1987 году публикуется монография под ред. Хотона - в которой метеорологи пытаются объяснить влияние Космоса на "механизм формирования климата" (Глобальный климат, 1987).

В период с 1993-1994 гг. на востоке Сибири в Якутии с помощью однопунктового грозопеленгатора-дальномера проводились инструментальные наблюдения грозовой активности В.И. Козловым, В.А. Муллаяровым (1996). Было установлено, что максимум числа грозовых разрядов приходится на 17-18 часов местного времени, а минимум - на 12 часов. По мере исследований было выявлено, что спад грозовой активности состоит из двух фаз: относительно быстрого уменьшения числа разрядов (до 22-24 часов), затем более медленного. Построены также, для исследуемой территории, карты пространственной плотности грозовых разрядов как для дневных, так и ночных условий. Результаты наблюдений на протяжении двух сезонов указывают на низкую грозовую активность на северо-востоке Якутии в течение всех суток и повышенную на северо-западе в ночное время. Это распределение грозовой активности предположительно, связано с особенностями рельефа местности и гидрографического режима (Козлов, Муллаяров, 1996). Но в ключе нашего рассмотрения проблемы не следует забывать, что в Якутии северо-западная площадь контролируется напряженностью магнитного поля Мировой Восточно-Сибирской магнитной аномалией. Ее способность поглощать радиационный космический материал может создать электрический ток и зарядить Землю положительным знаком заряда электричества (Кузнецов, 1990).

В.А. Муллаяровым с соавторами (1998) была рассмотрена связь солнечной активности с грозовой деятельностью как на востоке Сибири, так и в Африканском Мировом грозовом очаге. Интенсивность и встречаемость гроз оценивалось по уровню регулярных, очень низкочастотных радиошумов, регистрируемых в г.Якутске. По мере накопления регистрационных данных была установлена высокая степень отрицательной корреляции (-0,83) интенсивности гроз на востоке Сибири (Якутия) с изменчивостью чисел Вольфа. Изучение радиошумов в указанном диапазоне в Африканском Мировом грозовом очаге (и на пути распространения низкочастотных сигналов от него) грозовая деятельность также находится в противофазе с солнечной активностью при среднем значении коэффициента корреляции, - 0,5. Проанализированы в последующем взаимные спектральные характеристики вариаций интенсивности гроз и чисел Вольфа выявили, что спектры вариаций грозовой деятельности в африканском очаге содержат достаточно длинный ряд периодов, причем этот ряд оказался когерентным изменениям солнечной активности. Около половины вариаций периодов интенсивности гроз на востоке Сибири совпадают с теми, которые характерны и для Африканского Мирового грозового очага (Муллаяров, Каримов и др. 1998). Следует отметить, что изучение связи грозовой активности с числами Вольфа не были соотнесены с четными и нечетными Солнечными циклами (Лихтер, 1969; Лесбридж, 1981; Марксон, 1982). Инверсия знака солнечных магнитных пятен, при переходе от четных к нечетным циклам, сказывается на протекании грозовой активности в обоих полушариях и проявляется с определенной спецификой.

Необходимо также отметить хорошую результативность работ, изложенных в коллективной монографии "Природные климатические изменения", выпущенную сотрудниками института оптического мониторинга СО РАН и Томского государственного университета (Региональный мониторинг атмосферы, 2000). В работе проанализированы закономерности грозовой активности в мире и в Западной Сибири. На основании исследований и анализа литературных источников сделаны выводы о том, что неоднородность грозовых источников над океанами и сушей связана (с.87):

• с меньшей турбулентностью воздуха над водой;

• большим влиянием орографических условий на процессы возникновения кучевых облаков;

• влиянием техногенных выбросов на процессы образования ядер конденсации;

• влиянием градиента температуры и влажности подстилающей поверхности по всей толщи тропосферы;

• влиянием неоднородностей геолого-геофизического строения.

Была также проанализирована грозовая активность над территорией Западной Сибири, при этом сформулированы основные закономерности проявления гроз, а также проведено районирование территории для характеристики физических условий развития гроз под воздействием локальных грозоэффективных факторов (рис. 2). Необходимо отметить, что по этим факторам, горный регион Алтая выделен в отдельный район, что, как будет показано дальше, также соответствует результатам наших исследований.

Рис. 2. Районы грозовой активности Западной Сибири (Региональный мониторинг..., 2000):
I - тундра и лесотундра, II - тайга, III - речные долины Обского бассейна, IV - лесостепи и степи,
V - предгорья и горы: V_a - предгорья Кузнецкого Алатау, Алтая, Салаирский кряж,
V_б - Горный Алтай, V_в - Зауралье.

Результаты инструментальных измерений плотности разрядов молний проведены по территории Томской области (Региональный мониторинг атмосферы, 2000) (рис. 3). Здесь зафиксировано, что наибольшие значения плотности разрядов молний (от 1,6 до 4,2 разрядов на 1 км² в год) приходится на долину р.Оби, что связывается с географическими и геологическими факторами.

Рис. 3. Среднегодовые значения плотности разрядов молнии в землю для территории
Томской области

Вопросы детального исследования грозовой активности Горного Алтая особенно в связи грозопожарами и грозоповреждениями линий электропередач неизбежно обострило проблему размещения грозорегистратора на исследуемой территории. Решение данного вопроса было осуществлено в 2001 году размещением комплекса регистрации молниевых разрядов "Верея-МР" на здании Алтайской авиалесоохраны.

С появлением грозорегистратора возникла возможность более глубоко и всесторонне изучать вопросы энергетики, картирования миграции очагов, реагирования грозовых очагов на процессы солнечно-земных связей с учетом частот ЭМИ при прохождении молниевых разрядов. Многопараметрические данные (табл.1) позволяют осуществить расчетные характеристики разрядов по их повреждающей способности (поджигание, аварии на ЛЭП). Кроме того, с учетом практической необходимости можно осуществить локальное попараметровое картирование исследуемой территории. Это картирование становится особенно значительным с учетом информационного обеспечения GPS-съемкой, в шкале единого времени.

Таблица 1

Регистрируемые параметры грозовых разрядов

В настоящее время, в связи с все более повсеместным мониторингом грозовой активности Земли космическими средствами регистрации электрических разрядов и скоростными процессами изменения климата (Клейменова, 1987; Дмитриев, Шитов, 2000; Дмитриев, Кочеева, Шитов, 2002), возникают новые направления исследований гроз. Причем эти направления разделяются на два основных русла:

• резкое разделение регистрационных средств грозовых разрядов от приземной атмосферы до ионосферных высот;

• расширение теоретических представлений и увеличение экспериментальных средств исследования гроз.

Возникли и новые подходы в решении проблемы с позиции выяснения причин крупномасштабной модификации грозовой активности и с учетом новейших разделов фундаментальной физики - например, модели модифицированного неоднородного физического вакуума (Баласанян, 1990; Дмитриев, Дятлов, 1998; Дмитриев, 1998; Дятлов, 1998).

Значительное обновление феноменологических характеристик грозовых процессов приводит к формулировке новых задач, что в свою очередь, усложняет аналитическое состояние средств решения поставленных задач "нового поколения". Появляются и новые названия и термины грозовых процессов в связи с расширением физического контекста этих явлений: спрайты, эльфы, четочные и шаровые, объемные, ленточные, шторовые разряды и др. Все эти факты и события отраженные в наименованиях разрядов, вывели проблему физики гроз в область космоземных взаимосвязей и энергоемких процессов во взаимодействии оболочек Земли (Кузнецов, 1992; Winckler et al, 1996; Дмитриев, 1998; Владимирский и др., 2004). В последние годы разновидность грозовых проявлений начинает частично совмещаться с другими проявлениями природных самосветящихся образований. В связи с этим в задаче регионального исследования грозовой активности Горного Алтая учитываются и новые модификации грозовой активности, и новые комплексные подходы по выяснению физики и функциональной роли гроз в конкретном изменении климатической машины исследуемой территории (Горного Алтая). Классическая метеорологическая трактовка энергоисточников гроз заменяются новым взглядом на поведение гроз во времени и пространстве. Все более полно и детально учитываются условия тех или иных качеств геолого-геофизической среды, и наличия зон вертикальных энергоперетоков (Баласанян, 1990; Дмитриев, Похолков, Протасевич, Скавинский, 1992), о чем в общем плане отмечал еще М.В. Ломоносов.