Гроза Горный Алтай. Закономерности и особенности Допустить к защите в гэк
 Скачать 5.15 Mb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ГОРНО-АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Естественно-географический факультет Кафедра географии и природопользования Миклюшев Яков Витальевич ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ (БАКАЛАВРСКАЯ) ГРОЗЫ АЛТАЕ-САЯНСКОГО РЕГИОНА ЗАКОНОМЕРНОСТИ И ОСОБЕННОСТИ «Допустить к защите в ГЭК» Декан факультета, к.г.н., доцент________О.В. Климова «___»_________20__г. Заведующий кафедрой к.э.н., доцент _____________Е.В. Мердешева «_____»__________2017 г. Научный руководитель к.г.н., доцент________А.М. Маринин Работа защищена «8 »_июля___________ 2017 г. с оценкой _хорошо__________________ председатель ГЭК ____________ (подпись) Горно-Алтайск 2017
ВВЕДЕНИЕ Грозу наблюдал каждый человек. У каждого она остается в памяти. Сегодня публикуется множество фотографий этого явления. Также много в настоящее время исследований гроз, которые связаны, прежде всего, с обеспечением безопасности жизнедеятельности человека. С развитием человеческой цивилизации и технической оснащенности, явления природы несут угрозу и для человека и для среды его обитания, как правило, искусственной. Особо опасны грозы в Сибири и на Дальнем Востоке. Это проявляется в том, что значительная часть лесных пожаров происходит из-за разрядов молний. Учитывая огромную территорию и малонаселенность региона, такие пожары обнаруживаются очень поздно, и наносится огромный ущерб лесным массивам и экологической обстановке. По результатам исследований в России и за рубежом установлено, что в зависимости от местности и сезона до 50 % лесных пожаров может быть обусловлено грозовыми разрядами на малонаселенных территориях Российской Федерации. Отмечаются годы с существенно большей вероятностью возгорания лесов от гроз. Можно отметить, например, что в 1991 году свыше 60% лесных пожаров имели грозовую природу, а в 1995 году - почти 70%. Все это определяет проблему изучения грозовой активности, как одну из важнейших в экологии и рациональном природопользовании. Поэтому большое внимание уделяется средствам наблюдения и прогнозирования грозовых явлений. Актуальность работы: В настоящее время цивилизация испытывает возрастающее количество кризисов, которые все больше зависят от изменчивости ресурсов увлажнения и других компонентов экосферы. Все климатические процессы имеют свойство цикличности, следовательно, обществу необходимо знание факторов заблаговременно предсказывать, характер предстоящих перемен. Одним из этих факторов может служить грозопроявление. Вопросами грозового электричества и пространственного распределения характеристик грозовой активности в нашей стране занимаются во многих исследовательских центрах. Например, для территории Западной Сибири изучение пространственного распределения гроз началось сотрудниками Томского Государственного Университета. В дальнейшем совместно с учеными Томского Государственного Политехнического Университета они были продолжены. Этими же вопросами занимались сотрудники Горно-Алтайского госуниверситета применительно к территории Республики Алтай. Интересные инструментальные данные получают в Якутске. Данная дипломная работа является продолжением, начатых исследований сотрудников Горно-Алтайского университета и развитием их с применением новых данных. Таким образом, остается и увеличивается необходимость детального учета гроз для установления закономерностей в их распределении и для решения конкретных задач отдельных отраслей хозяйственной деятельности. В настоящее время при изучении гроз на территориях различного масштаба используются стандартные климатологические характеристики гроз, либо данные конкретных инструментальных наблюдений. При оценке по климатологическим характеристикам на больших площадях существуют серьезные трудности интерпретации этих данных, особенно для площадей, которые не просматриваются наблюдательной сетью метеорологических станций. Характер грозовой активности Горного Алтая представляет особый интерес: в связи с возрастанием понимания значения горных систем в экологическом состоянии Земли; в связи со скоростными климатическими переменами; в связи с попытками прогноза неблагоприятных явлений, в связи с развитием промышленности, а также в связи с ростом числа гостей территории. Почти все перечисленные факторы мотивации изучения гроз проявляются в районе Телецкого озера Республики Алтай. Однако в рамках настоящей работы весьма трудно реализовать поставленные задачи для всей территории. Поэтому был выбран участок, на котором располагается гидрометеорологическая станция (ГМС). Эта территория располагается в основании субширотной излучины озера и характеризуется наибольшей площадью обзора для наблюдателей ГМС. Однако крутизна склонов ближайших хребтов и их пространственная приближенность ограничивают возможности наблюдения гроз. Цель и задачи работы Целью работы является выявление особенностей в проявлении гроз на отдельных участках Алтае-Саянского региона (АСР). Задачи: выбрать гидрометеостанцию на примере которой можно было бы сопоставить данные о грозах двух источников; на примере выбранной ГМС рассмотреть характер распределения гроз; сделать выборку данных по той же территории из архива сети Word Wide Lighting Location Network (WWLLN); сопоставить результаты изучения грозовой активности двумя методами: с помощью сети ГМС и сети WWLLN. Объект и предмет исследования Объектом исследования являются грозы на одном из более интересных участков Алтае-Саянского Региона - окресстности села Яйлю. Предмет исследования состоял в выявлении возможности использования данных WWLLN на основе их сопоставления с данными сети ГМС.В качестве репрезентативного участка была выбрана территория ГМС Яйлю. Методы которые использовались в данной работе состояли из: сравнительно - географический, картографический, ГИС, описательный. Использовались программные продукты Exel и QGIS, а также космические снимки в видимом диапазоне, доступные на https://earthexplorer.usgs.gov и https://www.google.ru/maps. Материалами послужили данные ГМС Яйлю за 2011 и 2012 гг. и данные архива WWLLN (http://wwlln.net) за тот же период. Научная новизна работы По результатам аналитической обработки фактического материала были построены карты, впервые обобщены данные ГМС и WWLLN для участка Республики Алтай — ГМС Яйлю. Практическая значимость Построенные карты будут служить базой для дальнейшего анализа распределения гроз по данному участку. Личный вклад автора: Автор принимал участие в постановке задач; самостоятельно построил карты, а так же анализировал особенности распределения гроз. Структура и объем работы Диссертация объемом 92 страниц машинописного текста состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы. Текст иллюстрирован 2 таблицами, 19 рисунками. Библиография включает 67 наименований списка литературы. Благодарности. Автор выражает благодарность студентке ЕГФ ОЗО Дубровиной О.В. за предоставленные данные ГМС Яйлю, а также сотрудникам ГАГУ Беликовой М.Ю., Крараниной С.Ю., Каранину А.В. за консультации в области работы с данными http://wwlln.net ГРОЗА. ПРИРОДА, ПРОЯВЛЕНИЕ И ГЛОБАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ. 1.1 Электричество в атмосфере и электрическое состояние приземного слоя атмосферы В атмосфере всегда существуют подвижные электрические заряды, связанные с ионами, а также с элементами облаков и осадков. Заряды эти – обоих знаков, причем преобладают положительные, так что суммарный заряд атмосферы – положительный. При этом с высотой он растет. Сама Земная поверхность также обладает электрическим зарядом, притом в сумме отрицательным [1]. В результате атмосфера обладает электрическим полем, в каждой точке которого есть то или иное значение потенциала. Это значит, что электрический заряд, помещённый в любой точке атмосферы, будет испытывать силу, действующую на него в направлении, нормальным к поверхности равного потенциала, проходящей через эту точку. Эту силу на единицу положительного электрического заряда называют напряженностью атмосферно-электрического поля. Она направлена в отсутствии облаков сверху вниз и измеряется изменением потенциала поля на единицу расстояния, т.е. в вольтах на метр (в/м) [23]. В приземном слое атмосферы напряжённость поля в среднем для всего Земного шара около 100 в/м. в промышленных районах с сильно загрязнённым воздухом она значительно больше. С высотой напряжённость поля уменьшается: на высоте 10 км она всего около 5 в/м. Выше 20 км напряженность поля очень мала; проводимость воздуха в этих слоях достаточно для выравнивания разностей потенциала [1]. Напряженность электрического поля атмосферы испытывает изменения в суточном и годовом ходе, а также очень большие возмущения, связанные с развитием облаков, особенно в кучево-дождевых (грозовых). В грозовых облаках происходит сильная электризация облачных элементов и разделение положительных и отрицательных зарядов по отдельным частям облака. Вследствие этого в облаках, а также между облаками и землей возникают огромные разности потенциалов, при которых напряженность поля доходит до десятков тысяч вольт на метр. При этом в атмосфере возникают не только положительные, но и отрицательные заряды, индуцирующие положительный заряд на земной поверхности. Напряженность поля между облаком и землей может даже изменить свое направление, т.е. получить направление вверх. В связи с указанными огромными разностями потенциалов в атмосфере возникают искровые электрические разряды, молнии, как в облаках, так и между облаками и землей. При напряженности поля, направленной вверх, молнии могут переносить к земной поверхности очень большие отрицательные заряды, которые и компенсируют потерю отрицательного заряда земной поверхности в спокойную погоду [23]. Многочисленные исследования земной коры обнаружили, что в коре содержится значительное количество радиоактивных элементов (Ra, Th, Ac и др.); продукты распада их попадают в атмосферу и ионизируют ее. Находящийся в почве воздух тоже оказывается сильно ионизированным. При постоянном обмене почвенного и атмосферного воздуха в атмосферу проникает значительное количество положительно-заряженных ионов, в то время как отрицательное поглощается земной корой. Таким образом, в атмосфере всегда имеются ионизированные молекулы, причем количество положительных ионов превосходит число отрицательных электронов; это обстоятельство обусловливает положительный потенциал атмосферы [1]. Атмосферные осадки, выпадение водяных паров, содержащихся в атмосфере, может происходить или в виде росы, или в виде дождя, снега, инея, или, наконец, в виде града. Конденсация может происходить под влиянием самых разнообразных причин: от соприкосновения влажного воздуха с поверхностью почвы, охлажденной ночным лучеиспусканием (роса) или предшествующими холодами (иней); при испарении с поверхности, имеющей более высокую t°, в среду с низкой t° или при смешении двух масс (близких к насыщению), имеющих различную t°; при лучеиспускании влажных масс к сильно охлажденной земле или вообще к среде с более низкой t°. Количество атмосферных осадков характеризуют толщиной слоя воды, который они могли бы образовать при отсутствии стока и испарения. Максимальное суточное количество осадков наблюдается в Индии, где достигает 12 тыс. мм [1]. Наименьшее количество атмосферных осадков зарегистрировано в Аравийских пустынях, около 25 мм в год [2]. Количество осадков измеряется толщиной слоя в мм, который образовался бы при отсутствии стока, просачивания или испарения воды. Распределения осадков на Земле зависит от целого ряда причин: От размещения поясов высокого и низкого давления. На экваторе и в умеренных широтах, где формируются области низкого давления, осадков, выпадает много. В этих областях нагретый от Земли воздух становится легким и поднимается вверх, где он встречается более холодными слоями атмосферы, охлаждается, и водяной пар превращается в капельки и выпадает на Землю в виде осадков [2]. В тропиках и полярных широтах, где образуется области высокого давления, преобладают нисходящие воздушные токи. Холодный воздух, опускающийся из верхних слоев тропосферы, содержит мало влаги. При опускании он сжимается, нагревается и становится еще суше. Поэтому в областях повышенного давления над тропиками и у полюсов осадков выпадет мало; Распределение осадков зависит также и от географической широты. На экваторе и в умеренных широтах выпадает много осадков. Однако земная поверхность на экваторе прогревается больше, чем в умеренных широтах, поэтому восходящие потоки на экваторе значительно мощнее, чем в умеренных широтах, а следовательно, сильнее и обильнее осадки; Распределение осадков зависит от положения местности относительно Мирового океана, так как именно оттуда приходит основная доля водяных паров. Например, в Восточной Сибири осадков выпадает меньше, чем на Восточно-Европейской равнине, так как Восточная Сибирь удалена от океанов; Распределения осадков также зависит от рельефа. На склонах горных цепей, обращенных к влажным ветрам с океана, влаги выпадает заметно больше, чем на противоположных, - это ясно прослеживается в Кордильерах Америки, на восточных склонах гор Дальнего Востока, на южных отрогах Гималаев. Горы препятствуют движению влажных воздушных масс, а равнина способствует этому [2]. Одним из физических факторов воздушной среды является атмосферное электричество. В это понятие входят ионизация воздуха, электрическое и магнитное поле земной атмосферы [3]. Основными ионизаторами являются излучения радиоактивных веществ, находящихся в почве, воде и воздухе, а также проникающие из мирового пространства рентгеновские и космические лучи. Образование ионов воздуха может происходить также при распылении воды у водопадов, фонтанов, при действии грозовых разрядов, под влиянием ультрафиолетовых лучей и т. п.[3]. Ионизированный воздух оказывает на многие физиологические функции организма влияние, зависящее от полярности и подвижности ионов, их концентрации, продолжительности действия и др. [3]. Электрическое поле атмосферысуществует между воздухом и земной поверхностью. Оно характеризуется напряженностью, измеряемой величиной потенциала (Вольт) на единицу длины (метр) [3]. Эта величина называется градиентом электрического потенциала. У поверхности Земли его среднее значение составляет 120В/м, с высотой величина градиента уменьшается. Обычно отмечаются значительные колебания напряженности электрического поля атмосферы в зависимости от времени года, состояния погоды, атмосферного давления, скорости движения воздуха, географических и других факторов. В электрическом поле Земли человек подвергается воздействию разности потенциалов между уровнем головы и подошвами примерно в 200—250 вольт [3]. Целый ряд атмосферных процессов: конвекция, осадки и другие — приводят к частичному разделению разноимённых зарядов и возникновению атмосферных электрических полей. Атмосферные процессы в тропосфере: все облака и осадки, туманы, пыль обычно несут на себе электрический заряд; даже в чистой атмосфере постоянно существует электрическое поле. Вследствие наличия сил вязкого трения у поверхности земли турбулентный режим приземного слоя характеризуется газодинамическими течениями, со скоростями, превышающими критические. Режим непрерывного движения атмосферы, обусловленный влиянием трения, нагрева и испарения с подстилающей поверхности, приводит к эффективному перемешиванию аэрозолей, радиоактивных газов и объемных зарядов. Эти процессы определяют многообразие электрического состояния приземного слоя в течение даже небольших промежутков времени [4]. У земной поверхности существует стационарное электрическое поле с напряжённостью около 120 в/м (часто встречается цифра 100 в/м). Земля имеет отрицательный заряд, а атмосфера в целом заряжена положительно [5]. Атмосферное электрическое поле составляет неотъемлемую часть электромагнитного поля Земли, являющегося частью глобальной электрической цепи как замкнутого токового контура. Электрическое состояние приземного слоя атмосферы определяется действием глобальных, региональных и локальных генераторов электрических полей и токов [5]. |