СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В АТМОСФЕРЕ
METHOD FOR REMOTE DETERMINATION OF PARAMETERS OF ELECTRIC FIELDS IN ATMOSPHERE

Изобретение может быть использовано для дистанционного определения параметров электрических полей в атмосфере, в том числе над облаками, и локализации этих областей в газовых атмосферах планет, например атмосфере Земли.
Как известно, ионосфера Земли имеет положительный потенциал примерно в 350 кВ относительно земной поверхности: положительные заряды сосредоточены в нижней части ионосферы, а отрицательные - на земной поверхности, где вертикальный градиент потенциала составляет в среднем примерно 150-200 В/м. Градиент потенциала существует постоянно. Общепринятое мнение состоит в том, что положительные электрические заряды в ионосфере и атмосфере генерируются в грозовых очагах. Именно грозовые очаги рассматриваются в качестве своеобразных гигантских генераторов, в которых происходит разделение зарядов и отрицательные заряды сбрасываются на землю молниевыми разрядами. Три основных географических центра сосредоточения грозовых очагов расположены у экватора (Юго-Восточная Азия, Экваториальная Африка и бассейн реки Амазонки). Грозовые очаги и молниевые разряды неотделимы от процессов электрификации облаков, как следствие конвекции в верхней тропосфере.
Физические процессы внутри грозового облака приводят к значительному избытку положительных зарядов у вершины активной грозовой ячейки и  к избытку отрицательных зарядов у ее приземной части. Мощные электрические поля у вершин облаков непосредственно участвуют в создании и развитии не только молниевых разрядов [1, 2], но других экзотических явлений в атмосфере [3-6]. Однако механизмы разделения электрических зарядов в грозовом облаке остаются, во многом, непонятными. Поэтому определение истинных параметров электрических полей в атмосфере, в том числе у вершин грозовых облаков, является актуальной научной и прикладной задачей.
Известны активные и пассивные способы измерения параметров электрических полей атмосферы, при этом эти методы могут быть как контактными, так и дистанционными. При измерении контактными методами датчики электрического поля вносятся непосредственно в это поле. При дистанционных измерениях электрические параметры в исследуемой области вычисляются по характеристикам регистрируемых электромагнитных излучений области на основе различных физических эффектов.
Контактными методами измерения проводятся либо на земной поверхности, либо с борта метеозондов, ракет и специализированных самолетов с помощью датчиков разных типов и конструкций в составе аппаратуры измерений [7-14]. Контактным методам присущи логистические проблемы, связанные с запуском, эксплуатацией и восстановлением аппаратуры измерений. С их помощью трудноосуществим оперативный глобальный мониторинг электрических полей атмосферы.
Активные дистанционные методы измерения параметров электрических полей атмосферы чаще всего используют подсветку области измерений искусственным источником света, например лазером (лидарные либо на базе эффекта Штарка).
Использование эффекта Штарка состоит в освещении мишени искусственным источником света и наблюдении формы эмиссионных линий материала мишени с целью получения информации об электрическом поле на мишени. Этот метод широко используется в экспериментах с лабораторной плазмой [15]. Лидарные (лазерные) измерения электрических полей основаны на различных оптических эффектах таких полей, обычно связанных с генерацией высших гармоник в составляющих компонентах атмосферы [16] и их регистрацией  или использующих характеристики рассеянного линейно-поляризованного лазерного излучения [17].
В способе дистанционного измерения атмосферных параметров [17] для определения напряженности электрического поля в области атмосферы предлагается осуществлять посылку импульсов оптического лазерного излучения в исследуемую область поочередно с линейной и хаотической поляризацией на длине волны резонансного поглощения дипольных молекул атмосферных газов, например паров воды. По соотношению мощностей принятого излучения на каждой из поляризаций определяют напряженность электрического поля в атмосфере.
Основным недостатком активных дистанционных способов является необходимость использования активной подсветки исследуемой области атмосферы оптическим излучением с заданными характеристиками и наличие в этой области компонент атмосферы с подходящими физическими свойствами (эмиссионными линиями или другими характеристиками). Это не всегда осуществимо, особенно при глобальном мониторинге и в труднодоступных районах.
Наиболее близким к предложенному способу является способ дистанционного определения параметров электрических полей над облаками в атмосфере с поверхности Земли, предложенный в работе [18]. В данном способе-прототипе с помощью оптической поляриметрической аппаратуры на определенной длине волны измеряют интенсивности рассеянного поляризованного солнечного света, прошедшего путь сквозь область электрического поля. При этом используют электрооптический эффект Керра, когда по величине сдвига фаз между необыкновенной и обыкновенной волнами рассеянного поляризованного солнечного излучения регистрируют наличие электрических полей в атмосфере. Для реализации этого способа необходимо, чтобы оптическая ось поляриметрической аппаратуры лежала в плоскости, перпендикулярной к направлению падения солнечных лучей на исследуемую область атмосферы. При этом между входной апертурой поляриметрической аппаратуры и регистрируемой областью над грозовым облаком должно быть практически безоблачное небо во избежание помех и потерь мощности приходящего рассеянного поляризованного излучения.
Основными недостатками этого способа являются: недостаточная оперативность измерений параметров электрических полей в различных областях атмосферы, недостаточная точность измерений из-за местных искажений поля в плотной (приземной) атмосфере, невозможность и нерегулярность измерений при атмосферных осадках в приземной атмосфере, невозможность глобального мониторинга электрических полей атмосферы.
Целью заявленного изобретения является решение технической задачи оперативного, регулярного, глобального дистанционного мониторинга параметров электрических полей и определение параметров этих полей в атмосфере Земли, в том числе над облаками, или газовых атмосферах других планет и небесных тел Солнечной системы.
Для решения поставленной задачи с достижением технического результата в известном способе дистанционного определения параметров электрических полей над облаками, заключающемся в мониторинге характеристик рассеянного атмосферой поляризованного солнечного света в плоскости, нормальной к вектору, ориентированному от контролируемой области пространства в направлении на Солнце, и сравнении характеристик поляризованного света, регистрируемых аппаратурой мониторинга в двух взаимно ортогональных плоскостях, мониторинг осуществляют с платформы наведения, установленной на борту высотного летательного аппарата или естественного спутника планеты, и в процессе мониторинга для разных моментов времени синхронно вычисляют параметры двух векторов: вектора ориентированного от контролируемой области пространства в направлении на Солнце, и вектора, ориентированного от аппаратуры мониторинга в направлении на контролируемую область пространства,  ориентируют аппаратуру мониторинга по вектору, ориентированному в направлении на контролируемую область пространства, и осуществляют мониторинг характеристик рассеянного атмосферой поляризованного солнечного света в периоды, когда угол между синхронно вычисленными векторами находится в пределах не менее 45° и не более 135°;
мониторинг осуществляют не менее чем в одном диапазоне длин волн рассеянного атмосферой поляризованного солнечного света и исключают интенсивные линии излучения составляющих компонент атмосферы.
Технический результат достигается за счет того, что благодаря новым ранее неизвестным признакам предлагаемый способ позволяет получать информацию для расчета параметров электрических полей в атмосфере в областях наблюдения с орбиты высотного летательного аппарата, в том числе над облаками, которые не затенены атмосферой планеты. Это освобождает потребителя от необходимости согласования графика проведения исследований с погодными условиями и позволяет обеспечить возможность оперативного, регулярного, глобального дистанционного мониторинга параметров электрических полей.
Сущность заявленного изобретения поясняется чертежом (Фиг. 1), на котором схематично представлен один из вариантов (общий случай) ориентации аппаратуры мониторинга параметров поляризации солнечного света, рассеянного атмосферой.
На Фиг. 1 обозначены:
1 - Солнце;
2 - солнечный луч;
3 - рассеивающий центр (молекулы атмосферы);
4 - рассеянный линейно-поляризованный свет;
5 - плоскость, в которой степень поляризации рассеянного солнечного света максимальна;
6 - грозовой очаг (облако);
7 - область регистрируемого электрического поля грозового над облаком;
8 - оптическая измерительная поляриметрическая аппаратура;
9 - ось визирования оптической измерительной поляриметрической аппаратуры;
10 - направление на Солнце;
11 - угол 90°;
12 - угол захвата апертуры оптической измерительной поляриметрической аппаратуры.
Оптическую измерительную поляриметрическую аппаратуру мониторинга (8) устанавливают на летательном аппарате (или спутнике, или космическом аппарате, или другом устройстве), траектория полета которого (орбита) проходит выше верхней кромки грозовых облаков, и размещают на платформе наведения. Для примера рассмотрим общий случай произвольного наклона орбиты космического аппарата (КА) к экватору планеты (Фиг. 1) и, соответственно, оптической измерительной поляриметрической аппаратуры мониторинга (8), а плоскость экватора планеты лежит в плоскости эклиптики. Анализ показывает, что ось визирования аппаратуры (9) будет находиться в плоскости, нормальной к направлению на Солнце (угол (11) равен 90°), в те моменты времени наблюдения, когда Солнце появляется из-за лимба атмосферы или уходит за него при движении КА по орбите. В рассматриваемом здесь общем случае (угол наклона плоскости орбиты КА (траектории ЛА) к экватору отличен от 90°) таких точек две (два момента). Координаты точек наблюдения (3), куда должна быть направлена ось визирования аппаратуры мониторинга (9) для соблюдения условий наблюдения рассеянного линейно-поляризованного солнечного света, рассчитывают заранее. Они зависят от пространственно-временных параметров орбиты КА (траектории ЛА), угла наклона плоскости экватора планеты к плоскости эклиптики и угла Солнца к плоскости орбиты КА (траектории ЛА).
При угле наклона плоскости орбиты КА (траектории ЛА) к экватору, равном 90°, таких точек (моментов наблюдения) на лимбе атмосферы множество (Фиг. 3).
m
m
min
max
min
max
min
max
2
При изменении угла между осью визирования (8) и плоскостью (5), который обозначим как угол наблюдения α, интенсивность I поляризованного солнечного света меняется от максимальной I в зависимости: I=Icosα. Откуда половина от максимума интенсивности регистрируемого света будет наблюдаться при углах α=45° и α=135°. В реальности диапазон углов наблюдения α<α<α зависит от конструктивных особенностей аппаратуры мониторинга - угла захвата апертуры оптической измерительной поляриметрической аппаратуры мониторинга (12), чувствительности приемника, характеристик оптического тракта и т.п. Задавая диапазон углов наблюдения α<α<α, из пространственно-временных параметров орбиты КА (траектории ЛА) и угла Солнца вычисляют координаты точек наблюдения области атмосферы и рассчитывают длительность времени мониторинга. При таких расчетах для разных моментов времени синхронно вычисляют параметры двух векторов: вектора, ориентированного от контролируемой области пространства в направлении на Солнце,  и вектора, ориентированного от бортовой аппаратуры мониторинга в направлении на контролируемую область пространства. Ориентируют аппаратуру мониторинга по вектору,  ориентированному в направлении на контролируемую область пространства. Мониторинг характеристик рассеянного атмосферой поляризованного солнечного света осуществляют в периоды, когда угол между синхронно вычисленными векторами α находится в пределах α<α<α.
Схематически ситуация расположения контролируемой области пространства атмосферы и аппаратуры мониторинга, положения вычисленных векторов и заданных углов представлена на Фиг. 2. Ситуация дана в плоскости, проходящей через вектор направления на Солнце и вектор направления на контролируемую область пространства.
На Фиг. 2 обозначены:
1 - планета;
2 - грозовой очаг;
3 - контролируемая область пространства (область регистрируемого электрического поля);
4 - траектория летательного аппарата (орбита);
5 - положение аппаратуры мониторинга;
6 - другое положение аппаратуры мониторинга;
7 - векторы, ориентированные от контролируемой области пространства в направлении на Солнце при двух положениях аппаратуры мониторинга;
min
8 - минимальный угол (α) в процессе мониторинга между вектором, ориентированным от контролируемой области пространства в направлении на Солнце, и вектором, ориентированным от аппаратуры мониторинга в направлении на контролируемую область пространства;
min
9 - вектор, ориентированный от аппаратуры мониторинга в направлении на контролируемую область пространства при минимальном угле (α);
max
10 - максимальный угол (α) в процессе мониторинга между вектором, ориентированным от контролируемой области пространства в направлении на Солнце, и вектором, ориентированным от аппаратуры мониторинга в направлении на контролируемую область пространства;
max
11 - вектор, ориентированный от аппаратуры мониторинга в направлении на контролируемую область пространства при максимальном угле (α).
Операцию синхронного вычисления двух векторов: вектора, ориентированного от контролируемой области пространства в направлении на Солнце, и вектора, ориентированного от бортовой аппаратуры мониторинга в направлении на контролируемую область пространства, осуществляют стандартными методами небесной механики (см., например [24]).
Операцию вычисления параметров наведения аппаратуры мониторинга осуществляют до выхода КА из тени и/или до входа КА в тень. В расчетные точки нацеливают и удерживают оптическую ось (9) оптической измерительной поляриметрической аппаратуры до начала процесса измерения и после его окончания и осуществляют мониторинг рассеянного линейно-поляризованного солнечного света, приходящего из области наблюдения. Время одного измерения (регистрации) зависит от предела энергетической чувствительности приемника, размера входной апертуры аппаратуры мониторинга и других конструктивных характеристик.
Как известно [19], солнечный свет (2), рассеянный газовой атмосферой (3), практически полностью (на 80-95%) линейно поляризован (4) при регистрации его в плоскости (5), перпендикулярной к оси направления на Солнце (10). При прохождении потока линейно поляризованного света сквозь область электрического поля (7) возникает электрооптический эффект Керра - свет становится эллиптически поляризованным.
При регистрации потока света, прошедшего область электрического поля (7), поток разделяют на две волны - обыкновенную (плоскость поляризации параллельна полю) и необыкновенную (плоскость поляризации перпендикулярна полю). Измеряют разность сдвига фаз Δφ колебаний этих волн, которая будет равна:
2
||
⊥
||
⊥
||
⊥
где: d - длина пути света в области электрического поля; λ - длина волны регистрируемого света в вакууме; nKE=Δn=n-n - разность между показателями преломления составляющих волн света, поляризованных параллельно направлению внешнего электрического поля (n) и поляризованных перпендикулярно этому направлению (n); n=(n+n)/2; E - напряженность электрического поля; K - постоянная Керра.
2
2
-25
2
-2
Постоянная Керра водяного пара [20] много меньше постоянных Керра N и О, так что постоянная Керра атмосферного воздуха определяется этими двумя его основными молекулярными составляющими, прямо пропорциональна плотности воздуха, и на уровне моря K=2,3×10 мВ [21]. Малая величина постоянной Керра водяного пара и уменьшение его концентрации с высотой обеспечивает независимость эффекта от пространственно-временных вариаций влажности и тем самым принципиальную возможность его использования для дистанционной регистрации - мониторинга - параметров атмосферных электрических полей с траектории высотного летательного аппарата (ЛА). Этому же способствует уменьшение плотности атмосферы с высотой.
2
2
Аппаратура производит разделение регистрируемого потока света на две волны - обыкновенную (плоскость поляризации параллельна полю) и необыкновенную (плоскость поляризации перпендикулярна полю). Производит измерения характеристик поляризованных волн (параметров Стокса и/или интенсивностей (яркостей)). Если линейно-поляризованный солнечный свет, перед его регистрацией аппаратурой, проходит сквозь область электрического поля (7), то аппаратура фиксирует сдвиг фаз Δφ между разделяемыми волнами и по его величине вычисляет параметр dE электрического поля контролируемой области пространства. Регистрация параметра электрического поля dE в разные моменты времени дает информацию о его динамике за время мониторинга. Если аппаратуру мониторинга устанавливают на КА с орбитой вокруг Земли, близкой к круговой, с углом наклона плоскости орбиты θ градусов, то за определенное время может быть осуществлен мониторинг параметров поляризации солнечного света практически всех областей над грозовыми облаками атмосферы в полосе от θ градусов северной широты (СШ) до θ градусов южной широты (ЮШ). Как известно, в полосе от 30 градусов СШ до 30 градусов ЮШ происходит около 80% гроз Земли.
Параметры: угол захвата апертуры оптической измерительной поляриметрической аппаратуры мониторинга (12), координаты точки наблюдения (3), высота области наблюдения над поверхностью Земли определяют максимальные размеры области регистрации электрических полей, ее локализацию. Используют и/или дополнительную информацию о размерах и структуре грозовых облаков в области измерений, полученную известными методами (радиотехническими, фотографическими и прочими [22, 23]). По указанным данным определяют размер области мониторинга и размеры грозовых облаков в моменты измерений, вычисляют возможные пределы величины d и рассчитывают параметр Е (абсолютную величину напряженности электрического поля) в области мониторинга, в том числе над облаками, и динамику параметра Е за время мониторинга.
На Фиг. 3 рассмотрен другой частный случай угла наклона орбиты космического аппарата с аппаратурой мониторинга на борту, когда плоскость орбиты (1) космического аппарата (2) параллельна линии светораздела, отделяющей освещенную (светлую) часть небесного тела (3) от неосвещенной (темной) части (4) - линии терминатора.
На Фиг. 3 обозначены:
1 - плоскость орбиты космического аппарата;
2 - различные положения космического аппарата на орбите;
3 - поверхность небесного тела;
4 - линия терминатора небесного тела;
5 - верхняя граница газовой атмосферы небесного тела;
6 - поток солнечного света;
7 - различные направления оптической оси измерительной поляриметрической аппаратуры.
В этом случае возможен глобальный дистанционный мониторинг и локализация областей существования электрических полей указанным способом в газовых атмосферах планет и небесных тел Солнечной системы, в частности атмосфере Земли. Поскольку в этом случае угол потока солнечного света (6) к плоскости орбиты (1) космического аппарата (2) равен 90° и существуют моменты времени, когда условия измерений оптимальны для любой области атмосферы (5).
Для повышения эффективности дистанционного определения параметров электрических полей в атмосфере, в том числе над облаками, предложенный метод может быть дополнен следующими техническими решениями:
аппаратуру мониторинга оснащают входной апертурой с малым углом поля зрения,
выбирают для мониторинга диапазоны (один или более) длин волн рассеянного солнечного света с минимальным поглощением в атмосфере и исключают из них интенсивные (помеховые) линии излучения составляющих компонент исследуемой газовой атмосферы,
по параметрам траектории летательного аппарата вычисляют пространственно-временные координаты (локализуют) области регистрации параметров электрических полей, в которых выполняются условия для регистрации электрических полей по наличию электрооптического эффекта Керра в рассеянном поляризованном солнечном свете,
осуществляют наведение и удержание оси визирования оптической измерительной поляриметрической аппаратуры мониторинга на эту область,
осуществляют мониторинг и производят измерения характеристик поляризованных волн (параметров Стокса и/или интенсивностей (яркостей)) рассеянного поляризованного солнечного излучения,
вычисляют величину сдвига фаз между необыкновенной и обыкновенной волнами рассеянного поляризованного солнечного излучения,
по величине сдвига рассчитывают параметры электрических полей в данной локализованной области газовой атмосферы.
Таким образом, как следует из приведенного описания, предложенный способ благодаря новым, ранее неизвестным признакам обеспечивает глобальный дистанционный мониторинг, локализацию и регистрацию параметров электрических полей в атмосфере Земли, в том числе над облаками, и газовых атмосферах планет и других небесных тел Солнечной системы, что позволяет достичь цели предлагаемого изобретения.
Использованные источники
1. Мучник В.М. Физика грозы, ГМИ Л., 1974.
2. Marshall Т.С., Stolzenburg М., Maggio C.R., Coleman L.M., Krehbiel P.R., Hamlin Т., Thomas R.J., Rison W. Observed electric fields associated with lightning initiation, Geophys. Res. Lett, 2005, 32, L03813.
3. Fishman G.J., et al. Discovery of intense gamma-ray flashes of atmospheric origin., Science, 1994, 264(5163), 1313-1316.
4. Fukunishi H., Takahashi Y., Kubota M., Sakanoi K., Inan U.S., Lyons W.A. Elves: Lightning-induced transient humious events in the lower ionosphere., Geophys. Res. Lett, 1996, 23, 2157-2160.
5. Pasko V.P., Inan U.S., Bell T.F. Blue jets produced by quasi-electrostatic pre-discharge thundercloud fields., 1996, Geophys. Res. Lett, 23, 301-304.
6. Su H.T., Hsu R.R., Chen A.B., Wang Y.C., Hsiao W.S., Lai W.C., Lee L.C., Sato M., Fukunishi H. Gigantic jets between a thundercloud and the ionosphere., Nature, 2003, 423, 974-976.
7. Машуков X.X. Исследование электрических полей в грозовых облаках ракетным зондом, докторская диссертация, Нальчик, 2002 г., Научная библиотека диссертаций и авторефератов disserCat.
8. Способ измерения напряженности электрического поля - Патент РФ №2200330 (опубликован: 10.03.2003).
9. Способ измерения напряженности электрического поля - Патент РФ 2388003 (опубликован: 27.04.2010).
10. Устройство для измерения электрической проводимости атмосферы - Патент РФ 2397515 (опубликован: 20.08.2010).
11. Датчик электростатического поля и способ измерения электростатического поля -  Патент РФ №2414717 (опубликован: 20.03.2011).
12. Способ измерения напряженности электрических полей электронно-оптическим методом  - Патент РФ №2442182 (опубликован: 10.02.2012).
13. Способ измерения напряженности электрического поля - Патент РФ №2445639 (опубликован: 20.03.2012).
14. Компенсационный электростатический флюксметр - Патент РФ №2501029 (опубликован: 10.12.2013).
15. Гавриленко В.П. Спектроскопические методы измерения электрических полей в плазме - В кн.: Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Под ред. В.Е. Фортова, Вводный том II, М.: Наука, 2000, с. 559-563.
16. Gavrilenko V., Muraoka K., Maeda М., Proposal for remote sensing of electric fields under thunderclouds using laser spectroscopy., Jpn. J. Appl. Phys., 2000, 39, 6455-6458.
17. 3уев B.E., Макушкин Ю.С., Пономарев Ю.Н. и Тихомиров Б.Л. Способ дистанционного измерения атмосферных параметров, Авторское свидетельство СССР №1000984, кл. G01W 1/00, 1980.
18. Carlson В.Е., Inan U.S., A novel technique for remote sensing of thunderstorm electric fields via the Kerr effect and sky polarization., Geophysical Research Letters, 2008, 35, L22806.
19. Соболев В.В., Рассеяние света в атмосферах планет, М., 1972.
20. Bogaard H. Temperature dependence of the Kerr effect of dimethylether., J. Chem. Soc. Faraday Trans., 1981, II, 77, 1547-1551.
21. Stuart H.A. Molekulstruktur, Springer-Verlag, Berlin, 1967, 562 p.
22. Степаненко В.Д., Гальперин С.М. Радиотехнические методы исследования гроз, Л., ГМИ, 1983.
23. MacGorman D.R., Rust W.D. The electrical nature of storms. Oxford, 1998.
24. Брандин Б.Н., Разоренов Г.Н. Определение траекторий космических аппаратов, М., Машиностроение, 1978, с. 134-137.