Пространственно-временные характеристики электромагнитного поля, создаваемого молниевым разрядом в атмосфере

• Автор: Петров, Николай Иванович
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1997
• Место защиты: Истра
• Количество страниц: 68 с. : ил.; 20х15 см

Актуальность работы
Молниевые разряды - наиболее распространенный источник мощных электромагнитных полей естественного происхождения. Известно, что в каждую секунду на земную поверхность ударяет около 100 молний. Молния оказывает прямое и косвенное воздействие на окружающую среду, электротехнические сооружения, средства связи, радиоэлектронные системы. Исследованию молниевых разрядов посвящено большое количество экспериментальных и теоретических работ. Специально выделенным является исследование характеристик создаваемого молниевым разрядом электромагнитного поля. При этом является важным определение пространственно-временной динамики напряженности электрического поля как вблизи канала разряда, так и вдали от него. Решение этой задачи важно прежде всего для электромагнитной совместимости и молниезащиты различных объектов. Если оказывается известным пространственно-временное распределение электрического поля вблизи канала разряда, то становится возможным рассчитать пространственный заряд, внедренный разрядом и оценить значения токов при обратном ударе. С другой стороны, если оказываются известными характеристики электромагнитного поля в дальней зоне, то возникает возможность решения обратной задачи -определить параметры канала молнии.
Одним из факторов, зачастую оказывающих определяющее влияние на характер поведения электромагнитного поля молнии, являются эффекты распространения, обусловленные дифракцией и поляризацией, а также влиянием поверхности Земли и ионосферы. Эта проблема приобретает особую значимость в связи с задачами определения координат точки удара молнии, характеристик атмосферы и ионосферы. Для задач расчета электромагнитного поля вдали от канала молнии оказывается важным нахождение волновых пакетов, сохраняющих свои параметры -при распространении. Получение таких волновых пакетов важно также для задач распространения радиоволн и при расчете полей методом суммирования. Эффекты распространения в волноводе земля-ионосфера обычно исследуются а рамках геометрической оптики на основе численных методов. Аналитические методы исследования, учитывающие дифракционные эффекты, в основном ограничиваются параксиальным приближением. Поэтому представляет интерес развитие теоретических методов, позволяющих учесть эффекты непараксиальности. Нахождение Эолитических решений, описывающих непараксиальное распространение волновых пучков, позволяет определить границы применимости лучевого тисания и длину формирования модовой структуры поля. Значительный ‘фес представляет выяснение механизмов изменения поляризации излучения в неоднородных средах. Поляризационные свойства излучения

широко используются в различных задачах диагностики и определения параметров источника и среды. Обычно в качестве механизма, приводящего к изменениям состояния и степени поляризации в ионосферных каналах и в волноводе Земля-ионосфера, рассматривается двулучепреломление,
обусловленное анизотропией среды. Однако существенные изменения поляризации имеют место также в изотропных неоднородных средах
вследствие дифракционных эффектов при распространении излучения.
Изучение распространения электромагнитных волн в ионосферных каналах и волноводе Земяя-ионосфера требует знания параметров
источников. В настоящее время отсутствуют измерения пространственно-временного поведения электрического поля* создаваемого молнией
непосредственно в области разряда. Традиционные методы измерения напряженности электрического поля не позволяют получать достоверную информацию в условиях разряда. В последние годы в связи с развитием волоконно-оптической техники стало возможным проводить измерения электрических полей, искаженных объемным зарядом лидерного разряда. К началу настоящей работы существовали измерения поля в объеме лишь в коротких воздушных промежутках1. Измерения электрического поля в длинных разрядных промежутках в атмосфере отсутствовали.
Важную проблему составляет изучение статистических свойств электромагнитного поля молниевого разряда. Знание корреляционных функций поля позволяет определить характеристики канала молнии и расстояние до него. Особый интерес представляет выяснение природы случайных осцилляций электромагнитного поля молнии. При этом представляется интересным рассмотреть влияние нелинейных эффектов в канале молниевого разряда и случайных искривлений й ветвлений канала пробоя на характеристики электромагнитного поля. Влияние искривлений канала молнии на создаваемое ею электромагнитное поле рассматривалось различными авторами. Так, в2 было показано, что влияние искривлений канала на поле в ближней зоне не существенно-; Недавние эксперименты3 показали, что осцилляции электромагнитного поля молнии в дальней зоне обусловлены, геометрией канала разряда. Для учета случайных искривлений и ветвлений канала молнии эффективным оказывается фрактальная модель. Такая модель использовалась в4 для моделирования искривлений и ветвлений канала пробоя стримерного разряда. Измерения амплитудно-частотных характеристик излучения молнии показывают5, что спектральная плотность в диапазоне частот от 10 кГц до 10 МГц характеризуется степенной
’ Hidaka K., Murooka Y.// ШЕЕ Proc.- 1985,-V.132.-Pt.A.No.3.-P.139.
2 Pearlman R.A.//Proc.ffiEEInt.Symp.onEMC, 1979, P.68-71.
3 Le Vine D.M., Willett J.C.// 25th GA URSI, Lille, France, 1996. Abstracts. P.218.
4 Niemeyer L., Piotronero L., Wiesmann H.J.// Phys.Rev.Lett.- 1984,- V.52.- P.1033.
5 Utnan M.A., Krider E.P.// ШЕЕ Trans. - 1982.- V.EMC-24.-No.2.-P.79.
физические параметры, характеризующие распределение объемного заряда и электрического поля, непосредственно не измерялись.
2.1.1.Измерение напряженности электрического поля, создаваемого лидерным разрядом в атмосфере
Существуют различные способы измерения напряженности электрического поля, в частности, в работе34 для исследования коронного разряда использовались флкжсметры. Однако измерения с помощью традиционных методов в основном ограничиваются исследованием электрического поля на поверхности металлического электрода и не позволяют получать достоверную информацию о распределении поля, искаженного объемным зарядом, в межэлектродном пространстве. В последние годы в связи с развитием волоконно-оптической техники стало возможным проводить непосредственные измерения электрического ПОЛЯ в объеме, искаженного пространственным зарядом лидерного разряда. Оптический метод позволяет измерять электрическое поле практически не искажая измеряемое поле, причем при этом обеспечивается оптическая развязка электронно-измерительной аппаратуры от высоковольтного 'оборудования. В35 такой метод, основанный на эффекте Поккельса, был применен для измерения электрического поля искрового разряда положительной полярности в воздушных промежутках, длиной 1 и 3 м. Было показано, что максимальное значение электрического поля вблизи высоковольтного электрода составляет 8-14 кВ/см, в чехле канала лидера 1-5 кВ/см,
В настоящей работе электроохггический датчик используется для исследования пространственно-временной динамики объемного заряда в стримерной зоне и чехле канала лидера в длинных воздушных промежутках при воздействии апериодических импульсов напряжения как положительной, так и отрицательной полярности.
Измерения проводились в промежутке стержень-плоскость при воздействии импульсов напряжения с соотношением длительностей фронта и
импульса Г/ = 300/7500 и 15/7500 мкс. Импульсы формировались на выходе
генератора импульсного напряжения ГИН-9МВ наружной установки с суммарным зарядным напряжением 9 МВ и энергоемкостью 1.35 МДж36. Высоковольтный электрод стержень выполнен из алюминиевой трубы диаметром 10 см и длиной б м с полусферическим окончанием. Датчик представляет собой первичный преобразователь, оптически связанный волоконными световодами длиной 150 м с источником света и
34 Waters R.T.//J.Phys.E.-1972.-V.5.-P.475.
35 Hidaka K., Murooka Y./ЛЕЕЕ Proc.-1985.-V.132.-Pt.A.No.3.-P. 139.
36 Фотин В.П., Бондалетов B.H., Шерсткж Ю.Л., Чернов Е.Н.//Электротехника.-1983.-№8.-С.60.