Detectarea fulgerelor - Lightning detection

Detector de fulgere la Centrul Spațial Kennedy din Florida.

Un detector de fulgere este un dispozitiv care detectează fulgerele produse de furtuni . Există trei tipuri principale de detectoare: sistemele de la sol care utilizează mai multe antene, sistemele mobile care utilizează o direcție și o antenă de detectare în aceeași locație (adesea la bordul unei aeronave) și sistemele bazate pe spațiu .

Primul astfel de dispozitiv a fost inventat în 1894 de Alexander Stepanovich Popov . De asemenea, a fost primul receptor radio din lume.

Detectoarele mobile și de la sol calculează direcția și severitatea fulgerului de la locația curentă utilizând tehnici de găsire a direcției radio împreună cu o analiză a frecvențelor caracteristice emise de fulgere. Sistemele de la sol folosesc triangulația din mai multe locații pentru a determina distanța, în timp ce sistemele mobile estimează distanța utilizând frecvența și atenuarea semnalului . Detectoarele bazate pe spațiu pe sateliți pot fi utilizate pentru a localiza raza de trăsnet, rulmentul și intensitatea prin observare directă.

Rețelele de detectoare de fulgere de la sol sunt utilizate de servicii meteorologice precum Serviciul Meteorologic Național din Statele Unite , Serviciul Meteorologic din Canada , Cooperarea Europeană pentru Detecția Fulgerelor (EUCLID), Institutul de Meteorologie Omniprezentă ( Ubimet ) și de alte organizații precum utilități electrice și servicii de prevenire a incendiilor forestiere.

Limitări

Fiecare sistem utilizat pentru detectarea fulgerului are propriile limitări. Acestea includ

  • O singură rețea de fulgere la sol trebuie să fie capabilă să detecteze un bliț cu cel puțin trei antene pentru a-l localiza cu o marjă de eroare acceptabilă. Acest lucru duce adesea la respingerea fulgerului nor-la-nor, deoarece o antenă ar putea detecta poziția blițului pe norul de pornire și cealaltă antenă pe cea primitoare. Drept urmare, rețelele de la sol au tendința de a subestima numărul de blițuri, în special la începutul furtunilor unde fulgerul nor-la-nor este predominant.
  • Sistemele de la sol care utilizează mai multe locații și metode de detectare a timpului de zbor trebuie să aibă un dispozitiv central pentru a colecta date privind greva și sincronizarea pentru a calcula locația. În plus, fiecare stație de detectare trebuie să aibă o sursă de sincronizare de precizie care este utilizată în calcul.
  • Deoarece utilizează atenuarea mai degrabă decât triangularea, detectoarele mobile indică uneori în mod eronat un fulger slab din apropiere ca unul puternic mai departe, sau invers.
  • Rețelele de trăsnet bazate pe spațiu nu suferă de niciuna dintre aceste limitări, dar informațiile furnizate de acestea au de multe ori o vechime de câteva minute până când sunt disponibile pe scară largă, făcându-le de utilizare limitată pentru aplicații în timp real, cum ar fi navigația aeriană.

Detectoare de fulgere vs. radar meteo

Un ciclu de viață furtună și reflectivități asociate de la un radar meteo
Distribuția încărcăturilor electrice și a fulgerelor în și în jurul unei furtuni

Detectoarele de fulgere și radarul meteo lucrează împreună pentru a detecta furtunile. Detectoarele de fulgere indică activitatea electrică, în timp ce radarul meteo indică precipitațiile. Ambele fenomene sunt asociate cu furtuni și pot ajuta la indicarea forței furtunii.

Prima imagine din dreapta arată ciclul de viață al unei furtuni :

  • Aerul se mișcă în sus din cauza instabilității.
  • Se produce condens și radarul detectează ecouri deasupra solului (zone colorate).
  • În cele din urmă, masa picăturilor de ploaie este prea mare pentru a fi susținută de curentul ascendent și acestea cad spre pământ.

Norul trebuie să se dezvolte într-o anumită măsură verticală înainte ca fulgerul să fie produs, așa că, în general, radarul meteo va indica o furtună în curs de dezvoltare înainte ca un detector de fulgere să se producă. Nu este întotdeauna clar de la revenirile timpurii dacă un nor de duș se va transforma într-o furtună, iar radarul meteo suferă uneori și de un efect de mascare prin atenuare , unde precipitațiile apropiate de radar pot ascunde precipitațiile (poate mai intense) mai departe. Detectoarele de trăsnet nu suferă un efect de mascare și pot oferi confirmare atunci când un nor de duș a evoluat într-o furtună.

Fulgerele pot fi, de asemenea, situate în afara precipitațiilor înregistrate de radar. Cea de-a doua imagine arată că acest lucru se întâmplă atunci când loviturile au originea în nicovală a fulgerului (partea de sus suflată în fața norului cumulonimbus de vânturile superioare) sau pe marginea exterioară a puțului de ploaie. În ambele cazuri, există încă o zonă de ecouri radar undeva în apropiere.

Utilizarea aviației

Avioanele mari sunt mai susceptibile de a utiliza radar meteo decât detectoarele de fulgere, deoarece radarul meteo poate detecta furtuni mai mici, care provoacă și turbulențe; cu toate acestea, sistemele moderne de avionică includ deseori și detectarea fulgerelor, pentru siguranță suplimentară.

Pentru aeronavele mai mici, în special în aviația generală , există două mărci principale de detectoare de trăsnet (adesea denumite sferice , prescurtarea radio atmosferică ): Stormscope , produs inițial de Ryan (mai târziu BF Goodrich) și în prezent de L-3 Communications și Strikefinder , produs de Insight. Strikefinder poate detecta și afișa corect greve IC (intracloud) și CG (nor-sol), precum și posibilitatea de a face diferența dintre greve reale și salturi de semnal reflectate de ionosferă. Detectoarele de trăsnet sunt ieftine și ușoare, ceea ce le face atractive pentru proprietarii de aeronave ușoare (în special a aeronavelor cu un singur motor, unde nasul avionului nu este disponibil pentru instalarea unui radome ).

Detectoare portabile de trăsnet de calitate profesională

Ghișe de trăsnet într-un patio de muzeu

Detectoarele de trăsnet portabile ieftine, precum și alte mapere de trăsnet cu un singur senzor , cum ar fi cele utilizate pe aeronave, au limitări, inclusiv detectarea semnalelor false și sensibilitate slabă , în special pentru fulgerele intracloud (IC) . Detectoarele de trăsnet portabile de calitate profesională îmbunătățesc performanța în aceste zone prin mai multe tehnici care se facilitează reciproc, mărind astfel efectele lor:

  • Eliminarea semnalului fals: o descărcare de trăsnet generează atât un semnal electromagnetic cu frecvență radio (RF) - în mod obișnuit experimentat ca „static” pe un radio AM -, cât și impulsuri luminoase de durată foarte scurtă, care cuprind „blițul” vizibil. Un detector de trăsnet care funcționează prin detectarea doar a unuia dintre aceste semnale poate interpreta greșit semnalele provenite din alte surse decât fulgerul, dând o alarmă falsă. Mai exact, detectoarele bazate pe RF pot interpreta greșit zgomotul RF, cunoscut și sub denumirea de interferență RF sau RFI. Astfel de semnale sunt generate de multe surse de mediu comune, cum ar fi aprinderea automată, luminile fluorescente, televizoarele, întrerupătoarele de lumină, motoarele electrice și firele de înaltă tensiune. De asemenea, detectoarele bazate pe blițul luminii pot interpreta greșit lumina pâlpâitoare generată în mediu, cum ar fi reflecțiile de la ferestre, lumina soarelui prin frunzele copacilor, mașinile care trec, televizoarele și luminile fluorescente.

Cu toate acestea, deoarece semnalele RF și impulsurile luminoase apar rar simultan, cu excepția cazului în care sunt produse de fulgere, senzorii RF și senzorii de impulsuri luminoase pot fi conectați în mod util într-un „ circuit de coincidență ” care necesită ambele tipuri de semnale simultan pentru a produce o ieșire. Dacă un astfel de sistem este îndreptat spre un nor și fulgerul apare în acel nor, ambele semnale vor fi recepționate; circuitul de coincidență va produce o ieșire; iar utilizatorul poate fi sigur că cauza a fost fulgerul. Când se produce o descărcare de trăsnet într-un nor noaptea, întregul nor pare să se lumineze. La lumina zilei, aceste sclipiri intracloud sunt rareori vizibile pentru ochiul uman; totuși, senzorii optici îi pot detecta. Privind prin fereastra navetei spațiale în misiunile timpurii, astronauții au folosit senzori optici pentru a detecta fulgerele din nori strălucitori luminați de soare, mult dedesubt. Această aplicație a condus la dezvoltarea detectorului de trăsnet portabil cu semnal dual, care utilizează blițuri de lumină, precum și semnalele „ sferice ” detectate de dispozitivele anterioare.

  • Sensibilitate îmbunătățită: În trecut, detectoarele de trăsnet, atât portabile ieftine pentru utilizare la sol, cât și sistemele scumpe de aeronave, detectau radiații de joasă frecvență, deoarece la frecvențe joase semnalele generate de fulgerul nor-sol (CG) sunt mai puternice amplitudine) și astfel sunt mai ușor de detectat. Cu toate acestea, zgomotul RF este și mai puternic la frecvențe joase. Pentru a minimiza recepția de zgomot RF, senzorii de joasă frecvență sunt acționați la o sensibilitate redusă (pragul de recepție a semnalului) și, astfel, nu detectează semnale de trăsnet mai puțin intense. Acest lucru reduce capacitatea de a detecta fulgerul la distanțe mai mari, deoarece intensitatea semnalului scade odată cu pătratul distanței. De asemenea, reduce detectarea blițurilor intracloud (IC) care, în general, sunt mai slabe decât blițurile CG.
  • Detectare îmbunătățită a fulgerului intracloud: adăugarea unui senzor optic și a unui circuit de coincidență nu numai că elimină alarmele false cauzate de zgomotul RF; de asemenea, permite senzorului RF să funcționeze la o sensibilitate mai mare și să sesizeze frecvențe mai mari caracteristice fulgerului IC și să permită detectarea componentelor mai slabe de înaltă frecvență ale semnalelor IC și a blițurilor mai îndepărtate.

Îmbunătățirile descrise mai sus extind semnificativ utilitatea detectorului în multe domenii:

  • Avertizare timpurie: detectarea flash-urilor IC este importantă, deoarece acestea apar de obicei între 5 și 30 de minute înainte ca CG să clipească [sursă?] Și astfel pot oferi avertizare mai timpurie cu privire la furtuni în curs de dezvoltare [sursă?], Sporind foarte mult eficiența detectorului în siguranța personală și aplicații de detectare a furtunilor în comparație cu un detector numai CG [sursă?]. Sensibilitatea crescută oferă, de asemenea, avertizare cu privire la furtunile deja dezvoltate, care sunt mai îndepărtate, dar se pot deplasa spre utilizator. [sursă?]
  • Locația furtunii: chiar și în lumina zilei, „ furtunii de furtună ” pot utiliza detectoare optice direcționale care pot fi îndreptate către un nor individual pentru a distinge norii de furtună la distanță. Acest lucru este deosebit de important pentru identificarea celor mai puternice furtuni care produc tornade , deoarece astfel de furtuni produc rate mai mari de fulgere cu radiații de frecvență mai mare decât furtunile mai slabe non-tornadice.
  • Predicția microburstului: detectarea blițului IC oferă, de asemenea, o metodă de predicție a microburstelor . Curentul ascendent din celulele convective începe să devină electrificat când atinge altitudini suficient de reci, astfel încât hidrometeorii în fază mixtă (particule de apă și gheață) să poată exista în același volum. Electrificarea are loc datorită coliziunilor dintre particulele de gheață și picăturile de apă sau particulele de gheață acoperite cu apă. Particulele mai ușoare de gheață (zăpada) sunt încărcate pozitiv și transportate către porțiunea superioară a norului, lăsând în urmă picăturile de apă încărcate negativ din partea centrală a norului. Aceste două centre de încărcare creează un câmp electric care duce la formarea de fulgere. Curentul continuu continuă până când toată apa lichidă este convertită în gheață, care eliberează căldură latentă conducând curentul curent. Când toată apa este convertită, curentul ascendent se prăbușește rapid, la fel ca și rata fulgerului. Astfel, creșterea ratei fulgerului la o valoare mare, în mare parte datorată descărcărilor IC, urmată de o scădere rapidă a ratei, oferă un semnal caracteristic al prăbușirii curentului ascendent care transportă particulele în jos într-o explozie descendentă. Când particulele de gheață ating temperaturi mai calde în apropierea bazei norilor, acestea se topesc provocând răcirea atmosferică; în mod similar, picăturile de apă se evaporă, provocând și răcirea. Această răcire crește densitatea aerului, care este forța motrice a microbuzelor. Aerul rece din „fronturile de rafală”, adesea experimentat în apropierea furtunilor este cauzat de acest mecanism.
  • Identificarea / urmărirea furtunilor: Unele furtuni, identificate prin detectarea și observarea IC, nu produc blițuri CG și nu ar fi detectate cu un sistem de detectare CG. Blițurile IC sunt de multe ori mai frecvente ca CG, astfel încât să ofere un semnal mai robust. Densitatea relativ ridicată (număr pe unitate de suprafață) a flash-urilor IC permite identificarea celulelor convective atunci când cartografiați fulgerul, în timp ce fulgerele CG sunt prea puține și distante între ele pentru a identifica celulele care au de obicei aproximativ 5 km în diametru. În stadiile târzii ale unei furtuni, activitatea flash-ului CG scade și furtuna poate părea că s-a încheiat - dar, în general, există încă activități IC în reziduurile de la altitudinea medie și în nori de nicovală de cirus mai mari, astfel încât potențialul fulgerului CG există încă .
  • Cuantificarea intensității furtunii: Un alt avantaj al detecției IC este că rata de bliț (număr pe minut) este proporțională cu puterea a 5-a a vitezei convective a curentului ascendent în norul de tunete. Acest răspuns neliniar înseamnă că o mică modificare a înălțimii norilor, greu observabilă pe radar, ar fi însoțită de o schimbare mare a ratei de aprindere. De exemplu, o creștere dificilă de 10% a înălțimii norilor (o măsură a severității furtunii) ar avea o modificare de 60% a ratei totale a blițului, care este ușor de observat. „Fulgerul total” este atât blițurile IC în general invizibile (la lumina zilei) care rămân în nor, cât și blițurile CG vizibile în general, care pot fi văzute extinzându-se de la baza norului la sol. Deoarece cea mai mare parte a fulgerului total provine de la blițuri IC, această abilitate de a cuantifica intensitatea furtunii apare mai ales prin detectarea descărcărilor IC. Detectoarele de trăsnet care detectează doar energia de joasă frecvență detectează numai blițurile IC care sunt în apropiere, deci sunt relativ ineficiente pentru prezicerea microbuzelor și cuantificarea intensității convective.
  • Predicție pentru tornadă: se știe că furtunile severe care produc tornade au rate de fulgere foarte mari, iar cele mai multe fulgere de la cei mai adânci nori convectivi sunt IC, prin urmare, capacitatea de a detecta fulgerele IC oferă o metodă pentru identificarea norilor cu potențial ridicat de tornadă.

Estimarea razei de trăsnet

Atunci când un semnal de trăsnet RF este detectat într-o singură locație, se poate determina direcția acestuia folosind un cercător de direcție magnetică cu buclă încrucișată, dar este dificil să se determine distanța acestuia. S-au încercat folosind amplitudinea semnalului, dar acest lucru nu funcționează foarte bine, deoarece semnalele fulgerului variază foarte mult în intensitate. Astfel, folosind amplitudinea pentru estimarea distanței, un bliț puternic poate părea a fi în apropiere și un semnal mai slab de la același bliț - sau de la un bliț mai slab din aceeași celulă de furtună - pare a fi mai departe. Se poate spune unde va trece fulgerul pe o rază de mile, măsurând ionizarea în aer pentru a îmbunătăți precizia predicției.

Pentru a înțelege acest aspect al detectării fulgerului, trebuie să știm că un „fulger” fulger constă în general din mai multe curse, un număr tipic de curse dintr-un flash CG este cuprins între 3 și 6, dar unele flash-uri pot avea mai mult de 10 curse. Cursa inițială lasă o cale ionizată de la nor la sol și „curse de întoarcere” ulterioare, separate de un interval de aproximativ 50 de milisecunde, urcă pe acel canal. Secvența completă de descărcare are de obicei o durată de aproximativ ½ secundă, în timp ce durata curselor individuale variază foarte mult între 100 nanosecunde și câteva zeci de microsecunde. Loviturile dintr-un bliț CG pot fi văzute noaptea ca o secvență neperiodică de iluminări ale canalului de trăsnet. Acest lucru poate fi auzit și pe detectoarele de trăsnet sofisticate ca sunete individuale staccato pentru fiecare lovitură, formând un model distinctiv.

Detectoarele de trăsnet cu senzor unic au fost utilizate pe aeronave și, deși direcția fulgerului poate fi determinată de la un senzor de buclă încrucișată, distanța nu poate fi determinată în mod fiabil, deoarece amplitudinea semnalului variază între cursele individuale descrise mai sus, iar aceste sisteme folosesc amplitudinea pentru a estima distanța . Deoarece cursele au amplitudini diferite, acești detectoare oferă o linie de puncte pe afișaj, precum spițe pe o roată care se extinde radial din butuc în direcția generală a sursei de trăsnet. Punctele sunt la distanțe diferite de-a lungul liniei, deoarece cursele au intensități diferite. Aceste linii caracteristice de puncte din astfel de afișaje de senzori sunt numite „răspândire radială”. Acești senzori funcționează în frecvența foarte joasă (VLF) și frecvența joasă (LF) (sub 300 kHz), care furnizează cele mai puternice semnale de trăsnet: cele generate de cursele de întoarcere de la sol. Dar, cu excepția cazului în care senzorul este aproape de bliț, acesta nu preia semnalele mai slabe de la descărcările IC care au o cantitate semnificativă de energie în gama de frecvență înaltă (HF) (până la 30 MHz).

O altă problemă a receptoarelor de trăsnet VLF este că acestea captează reflexii din ionosferă, astfel încât uneori nu pot face diferența de distanță dintre fulgerele aflate la 100 km distanță și la câteva sute de km distanță. La distanțe de câteva sute de km, semnalul reflectat (denumit „unda cerului”) este mai puternic decât semnalul direct (denumit „unda solului”).

Ghidul de undă Pământ-ionosferă captează undele electromagnetice VLF și ELF . Pulsurile electromagnetice transmise de fulgere se propagă în acel ghid de undă. Ghidul de undă este dispersiv, ceea ce înseamnă că viteza grupului depinde de frecvență. Diferența de întârziere de timp a unui impuls de iluminare la frecvențe adiacente este proporțională cu distanța dintre emițător și receptor. Împreună cu metoda de găsire a direcției, aceasta permite localizarea loviturilor de trăsnet de către o singură stație până la distanțe de 10000 km de la originea lor. Mai mult decât atât, frecvențele proprii ale ghidului de unde ionosferice ale Pământului, rezonanțele Schumann la aproximativ 7,5 Hz, sunt utilizate pentru a determina activitatea furtunii globale.

Datorită dificultății de a obține distanța de trăsnet cu un singur senzor, singura metodă actuală fiabilă pentru poziționarea trăsnetului este prin rețelele interconectate de senzori distanțați care acoperă o zonă a suprafeței Pământului utilizând diferențe de timp de sosire între senzori și / sau traversate - rulmenți de la diferiți senzori. Mai multe astfel de rețele naționale care operează în prezent în SUA pot furniza poziția flash-urilor CG, dar în prezent nu pot detecta și poziționa în mod fiabil blițurile IC. Există câteva rețele de suprafață mică (cum ar fi rețeaua LDAR a Kennedy Space Center, unul dintre ai cărui senzori este ilustrat în partea de sus a acestui articol) care au sisteme de sosire VHF și pot detecta și poziționa blițurile IC. Acestea sunt numite matrice de fulger . Ele acoperă de obicei un cerc cu diametrul de 30-40 mile.

Vezi si

Referințe

linkuri externe

https://www.nowcast.de/de/blitzortung/3d-messung-der-emissionshoehe/