Исследование грозовых электромагнитных полей

Внедрение: 2016 г.

В Институте космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера были использованы модули E14‑440 и E‑154 для проведения различных исследований грозовых электромагнитных полей [1].

Регистрация нейтронов

Для исследования всплесков регистрации нейтронов во время ближних гроз и определения возможного влияния электромагнитных помех от молнии на регистрацию нейтронов в 2013 г. на базе Якутского спектрографа космических лучей ИКФИА СО РАН был создан экспериментальный стенд, состоящий из двух стандартных нейтронных счетчиков СНМ‑15 (в свинце и без свинца), и комплекса из вертикальной штыревой антенны с усилителем, регистрирующего электромагнитные сигналы ближних молний. Запись сигналов с антенны и счетчиков осуществлялась через АЦП E14‑440 с частотой 100 кГц на канал посредством штатного ПО Lgraph2. В 2014 г. был добавлен третий, стандартный счетчик СНМ‑15, у которого отсутствует рабочий газ. Счетчик использовался в качестве контрольного. Схема включения третьего счетчика идентична схеме включения двух рабочих счетчиков, включая высокое напряжение, подаваемое на него.

Основным отличием описываемого экспериментального стенда от других установок для регистрации нейтронов во время молниевых разрядов является то, что аналоговые сигналы оцифровывались с помощью АЦП непосредственно со счетчиков СНМ‑15, без применения усилителей и формирователей. Такое решение позволило наблюдать форму импульсов на аноде (нить) счетчика и отличать сигналы единичных частиц и электромагнитных помех, наводимых от ближних молний на кабели и элементы схемы счетчика.

Также решалась задача по определению времени задержки прихода частиц относительно молниевого разряда. Схема включения счетчиков в данном эксперименте представлена на рисунке 1. 

Рисунок 1. Схема включения счетчиков в экспериментальном стенде: 1 – счетчик СНМ‑15 без газа (контрольный); 2 – счетчик СНМ‑15 в полиэтилене; 3 – счетчик СНМ‑15 в свинце и полиэтилене; 4 – вертикальная штыревая антенна; 5 – усилитель; 6 – АЦП L‑Card E14‑440; 7 – персональный компьютер; 8 – полиэтилен; 9 – свинец; 10 – фильтр по высокому напряжению. Примеч. от L‑Card: для правильной работы данной схемы, судя по всему, были применены нагрузочные резисторы на стороне входов АЦП.

Запись аналоговых сигналов с антенны и счетчиков производилась во время ближних гроз в «синоптическом» режиме: оцифрованные данные непрерывно сохранялись на жесткий диск компьютера. Запуск регистрации осуществлялся в автоматическом режиме или дистанционно, посредством программы для удаленного управления. Рассмотрена форма аналоговых сигналов в счетчике при прохождении частиц, которая существенно отличается от сигналов помех различного происхождения. Это дало возможность надежно различать их визуально или с помощью специально написанных программ.

Измерения напряженности поля

Регулярные наблюдения напряженности атмосферного электрического поля в Якутске были начаты с 2009 года [1]. Измерения напряженности поля осуществляются с помощью электростатического флюксметра, установленного на крыше главного здания ИКФИА СО РАН (62°1' N, E129°43' E).

Рисунок 2. Схема электростатического флюксметра (рисунок с сайта ИКФИА).

Рисунок 3. Флюксметр в г. Якутске на крыше здания ИКФИА (фото с сайта ИКФИА).

Также электростатические флюксметры были установлены еще в нескольких пунктах наблюдения: с 2011 г. – на территории спектрографа космических лучей высоких энергий ИКФИА СО РАН (пригород г. Якутск), с 2012 г. – в г. Нерюнгри, в 2009‑2012 гг. – на полигоне ШАЛ ИКФИА СО РАН в с. Октемцы, с 2013 г. – на полигоне Полярной геокосмофизической обсерватории ИКФИА СО РАН в п. Тикси.

Система регистрации данных напряженности электрического поля во всех пунктах выполнена на базе портативных компьютеров – нетбуков и АЦП Е14‑440 и Е‑154. Связь между флюксметром и системой сбора данных осуществляется посредством кабельной линии. Передача данных со всех пунктов наблюдения, а также удаленное управление регистрацией осуществляется по сети Internet. Регистрация поля во всех пунктах проводится непрерывно (круглосуточно и круглогодично).

В зависимости от электрической структуры облака у земли наблюдаются характерные вариации поля. По наблюдениям в Якутске, эти вариации были разделены на пять основных типов:

• 1 тип – в верхней части облака положительный заряд, в нижней – отрицательный. Облако с положительной поляризацией.
• 2 тип – в верхней части облака отрицательный заряд, в нижней – положительный. Облако с отрицательной поляризацией.
• 3 тип – облако имеет в верхней части положительный заряд, в нижней – отрицательный, имеющий компактный положительный заряд в основании облака.
• 4 тип – облако с положительной поляризацией, у которого положительный верхний заряд смещен относительно нижнего отрицательного.
• 5 тип - облако с отрицательной поляризацией, у которого отрицательный верхний заряд смещен относительно нижнего положительного.

Таким образом, наблюдаемые вариации электрического поля пяти типов можно классифицировать как разные стадии развития грозового облака. Типы 1 и 2 – недавно образовавшаяся гроза; 3 тип – гроза в максимальном развитии; 4 и 5 типы – грозы в стадии затухания, причем 5 тип можно считать финальной стадией облака как 1‑го типа, когда положительный заряд опускается ниже отрицательного, так и финальной стадией 2‑го типа (отрицательный верхний заряд смещается относительно нижнего положительного).

На рисунке 4 в стилизованном виде приведены значения частоты повторяемости типов вариаций напряженности поля за 5 лет наблюдений (2009‑2013 гг.). Сделан вывод, что наиболее часто наблюдаются вариации, соответствующие 3 и 4 типам облаков. Преобладают облака с положительной поляризацией.

Рисунок 4. Повторяемость типов электрической структуры грозовых облаков по наблюдениям вариаций напряженности электрического поля в 2009‑2013 гг.

Источник:
Торопов А.А. Исследование грозовых электромагнитных полей на северо-востоке Азии: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. – Якутск. – 2016. – 29 с.

Разработчик: Торопов А.А. (ФГБУН «Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера СО РАН»)