Глобальная грозовая активность.

[наверх]

Как уже было сказано, использование резонанса Шумана в качестве источника данных для исследования глобальной грозовой активности явилось одной из первых областей его применения. Первоначально задача решалась путем пеленгации отдельных сверхмощных грозовых разрядов, для чего использовались сигналы резонанса во временнОй области и метод триангуляции (см. приложение A). Грозовая активность определялась как число зафиксированных разрядов, приходящихся на единицу площади в единицу времени. Район локализации разряда определялся как треугольник, образованный пересечением азимутов векторов Пойнтинга сигнала, порожденного данным разрядом, для трех точек наблюдения.

Первая карта глобальной грозовой активности была получена с помошью данного метода М.Фюллекругом и С.Констэблем в 1998 году (см. рис.5.2). Погрешность метода при этом по отношению к данными региональных станций Британской Метеослужбы, регистрирующих разряды в килогерцовом диапазоне, составила около 1000 км.

Рис. 5.2. Карта глобальной грозовой активности, полученная методом триангуляции

Источник иллюстрации: Martin Fullekrug, Steven Constable. Global Triangulation of Intense Lightning Discharges.

Недостатком метода является то, что выделить из общей массы можно только сигналы сверхмощных разрядов (т.н. Q-всплески), составляющие незначительную долю от общего числа (1 разряд приблизительно на 40.000 обычных) и не отражающие полной картины грозовой активности, а также недостаточная точность локализации. Поэтому некоторыми исследователями проводились работы по усовершенствованию метода триангуляции. Так, в работе K.Yamashita, Y.Takahashi, M.Sato, H.Kase. Improvement in lightning geolocation by time of arrival method using global ELF network data описывается метод, дополнительно учитывающий т.н. «время прибытия» сигнала (time of arrival), позволяющий почти в два раза снизить погрешность локализации (с 1000 км до 650 км) и энергетический порог регистрации разрядов (с 1000 К-км до 470 К-км). Пример карты грозовой активности, полученной с использованием данного метода, приведен на рис.5.3.

Рис. 5.3. Карта месячной глобальной грозовой активности, полученная усовершенствованным методом триангуляции (период - январь 2004 г., слева - отрицательные разряды, справа - положительные)

Параллельно разрабатывались и продолжают разрабатываться методики, оперирующие параметрами резонанса Шумана в частотной области. В простейшем случае они сводятся к решению обратной задачи (inverse problem), заключающейся в вычислении суммарной энергии грозовых разрядов по спектральной мощности первой моды порождаемого ими сигнала резонанса, регистрируемого на единственной станции наблюдения. Получаемые таким образом данные отражают динамику интегральной глобальной грозовой активности, что позволяет исследовать ее суточные, сезонные и многолетние вариации, а также ее корреляции с другими геофизическими и гелиокосмическими процессами

Более сложной является обратная задача с определением суммарной энергии разрядов в глобальных грозовых центрах. В простейшем виде она решается путем разложения вектора Пойнтинга на вектора по направлениям на эти центры. Однако такой подход достаточно груб, а также требует знания координат и размеров грозовых центров. Более продвинутые методы основаны на вычислении расстояний до центров грозовых разрядов на основании параметров их сигналов (частоты, амплитуды, поляризации) и модели волновода Земля-ионосфера, учитывающей его анизотропию. Однако все они также обладают значительной погрешностью.

По указанным причинам приемлемых результатов при работе в частотной области можно достичь только при замерах с двух и более станций. В этом случае вычисляют для каждой станции профиль «расстояние - интенсивность» и определяют зоны их пересечения (см. рис.5.4). Такой метод получил название метода «томографической реконструкции».

Рис. 5.4. Метод томографической реконструкции глобальной грозовой активности
(слева - принцип, справа - карта с профилями интенсивности по широте и долготе, полученная измерением с 3-х станций.)

Источник иллюстрации: A.Shvets, T.Serdyuk. Tomography Technique For Global Lightning Imaging From Ambient Elf Electromagnetic Noise

Для трех станций степень корреляции измеренных профилей грозовой активности по широте и долготе с профилями, полученными с помощью действующих метеорологических систем (оптических спутниковых и локальных низкочастотных) приближается к 0.8 - 0.98, что принципиально позволяет использовать метод томографической реконструкции для постоянного мониторинга глобальной грозовой активности.

Несмотря на исключительно большое число исследований и разработок в области использования резонанса Шумана для измерения глобальной грозовой активности, они пока не нашли применения в качестве средств постоянного метеорологического мониторинга. На практике для этих целей продолжают применяться как системы спутниковой оптической регистрации, так и системы, основанные на регистрации «атмосфериков» - электромагнитных импульсов, генерируемых грозовыми разрядами в килогерцовом диапазоне. Из числа последних наиболее известными являются международные глобальные сети WWLLN (World Wide Lightning Location Network), GLD360 (Global Lightning Dataset), европейская сеть LINET (Lightning Detection Network), американская сеть NLDN (National Lightning Detection Network), частные сети ZEUS, STARNET и др. Более подробно о данных и аналогичных системах см. в отдельном обзоре.