Обнаружение молнии - Lightning detection

Детектор молний в Космическом центре Кеннеди во Флориде.

Детектор молнии представляет собой устройство , которое обнаруживает молнию произведенного гроза . Существует три основных типа детекторов: наземные системы, использующие несколько антенн, мобильные системы, использующие направляющую и сенсорную антенну в одном месте (часто на борту самолета), и космические системы .

Первое такое устройство было изобретено в 1894 году Александром Степановичем Поповым . Это также был первый в мире радиоприемник .

Наземные и мобильные детекторы рассчитывают направление и силу молнии из текущего местоположения с использованием методов радиопеленгации и анализа характеристических частот, излучаемых молнией. Наземные системы используют триангуляцию из нескольких мест для определения расстояния, в то время как мобильные системы оценивают расстояние, используя частоту сигнала и затухание . Детекторы космического базирования на спутниках могут использоваться для определения дальности, пеленга и силы молнии путем прямого наблюдения.

Сети наземных детекторов молнии используются метеорологическими службами , как Национальная служба погоды в Соединенных Штатах , в метеорологической службы Канады , в Европейское сотрудничество по Lightning Detection (Евклид), Институт повсеместных метеорологии ( Ubimet ) и другими организациями , такими как электрооборудование и услуги по профилактике лесных пожаров.

Ограничения

Каждая система, используемая для обнаружения молний, имеет свои ограничения. Это включает

Единая наземная сеть молний должна быть способна обнаруживать вспышку с помощью как минимум трех антенн, чтобы определить ее местонахождение с приемлемой погрешностью. Это часто приводит к отклонению молнии от облака к облаку, поскольку одна антенна может определять положение вспышки на начальном облаке, а другая антенна - на приемной. В результате наземные сети имеют тенденцию недооценивать количество вспышек, особенно в начале штормов, когда преобладают молнии, переходящие из облака в облако.
Наземные системы, которые используют несколько местоположений и методы определения времени пролета, должны иметь центральное устройство для сбора данных о ударах и времени для расчета местоположения. Кроме того, каждая станция обнаружения должна иметь источник точного времени, который используется в расчетах.
Поскольку в них используется затухание, а не триангуляция, мобильные детекторы иногда ошибочно указывают на слабую вспышку молнии поблизости как на сильную, находящуюся дальше, или наоборот.
Космические молниеотводы не страдают ни одним из этих ограничений, но предоставляемая ими информация часто имеет возраст в несколько минут к тому времени, когда она становится широко доступной, что делает ее ограниченное использование для приложений реального времени, таких как аэронавигация.

Детекторы молний и метеорологический радар

Жизненный цикл грозы и связанные с ним коэффициенты отражения от метеорологического радара

Распределение электрических зарядов и ударов молний во время грозы и вокруг нее

Детекторы молний и метеорологический радар работают вместе, чтобы обнаруживать штормы. Детекторы молний указывают на электрическую активность, а метеорологический радар - на осадки. Оба явления связаны с грозами и могут указывать на силу шторма.

Первое изображение справа показывает жизненный цикл грозы :

Воздух движется вверх из-за нестабильности.
Происходит конденсация, и радар обнаруживает эхо-сигналы над землей (цветные области).
В конце концов, масса капель дождя становится слишком большой, чтобы выдержать восходящий поток, и они падают на землю.

Облако должно развиться до определенной вертикальной степени, прежде чем возникнет молния, поэтому, как правило, метеорологический радар будет указывать на приближающийся шторм раньше, чем это сделает детектор молний. Из ранних возвращений не всегда ясно, разовьется ли ливневое облако в грозу, а метеорологический радар также иногда страдает от маскирующего эффекта за счет ослабления , когда осадки вблизи радара могут скрывать (возможно, более интенсивные) осадки дальше. Детекторы молний не страдают от маскирующего эффекта и могут подтвердить, когда ливневое облако превратилось в грозу.

Молния также может располагаться вне зоны осадков, регистрируемых радаром. На втором изображении показано, что это происходит, когда удары происходят в наковальне грозовой тучи (верхняя часть сдувается перед кучево-дождевым облаком верхним ветром) или по внешнему краю дождевого вала. В обоих случаях где-то поблизости все еще есть зона эхосигналов радара.

Использование авиации

Большие авиалайнеры с большей вероятностью будут использовать метеорологический радар, чем детекторы молний, поскольку метеорологический радар может обнаруживать небольшие штормы, которые также вызывают турбулентность; однако современные системы авионики часто также включают обнаружение молний для дополнительной безопасности.

Для небольших воздушных судов, особенно в авиации общего назначения , существуют две основные марки детекторов молнии (часто называемые сфериков , короткие для атмосферики ): Stormscope , произведенные первоначально Ryan (позже BF Goodrich) и в настоящее время с помощью L-3 Communications, и Strikefinder , произведенный Insight. Strikefinder может обнаруживать и правильно отображать удары IC (внутри облаков) и CG (облака на землю), а также отличать реальные удары от отраженных от ионосферы сигналов. Детекторы молний недороги и легки, что делает их привлекательными для владельцев легких самолетов (особенно одномоторных самолетов, на носовой части которых нет возможности установки обтекателя ).

Портативные детекторы молний профессионального качества

Счетчик ударов молнии в музейном дворике

Недорогие портативные детекторы молний, а также другие устройства для сопоставления молний с одним датчиком , такие как используемые на самолетах, имеют ограничения, включая обнаружение ложных сигналов и низкую чувствительность , особенно для внутриоблачных (IC) молний . Портативные детекторы молний профессионального качества улучшают работу в этих областях за счет нескольких методов, которые взаимно дополняют друг друга, усиливая тем самым их эффект:

Устранение ложного сигнала: разряд молнии генерирует как радиочастотный (RF) электромагнитный сигнал, который обычно воспринимается как «статический» в AM-радио, так и световые импульсы очень короткой продолжительности, содержащие видимую «вспышку». Детектор молнии, который работает, воспринимая только один из этих сигналов, может неверно интерпретировать сигналы, исходящие от источников, отличных от молнии, что приводит к ложной тревоге. В частности, детекторы на основе радиочастот могут неверно интерпретировать радиочастотный шум, также известный как радиочастотные помехи или радиопомехи. Такие сигналы генерируются многими распространенными источниками окружающей среды, такими как автоматические зажигания, люминесцентные лампы, телевизоры, выключатели света, электродвигатели и высоковольтные провода. Точно так же детекторы на основе световых вспышек могут неверно интерпретировать мерцающий свет, генерируемый в окружающей среде, например отражения от окон, солнечный свет через листья деревьев, проезжающие машины, телевизоры и люминесцентные лампы.

Однако, поскольку радиочастотные сигналы и световые импульсы редко возникают одновременно, за исключением случаев, когда они генерируются молнией, радиочастотные датчики и датчики световых импульсов могут быть успешно соединены в « схему совпадения », которая требует одновременного получения обоих видов сигналов для получения выходного сигнала. Если такая система направлена на облако и в этом облаке происходит молния, будут приняты оба сигнала; схема совпадения выдаст выходной сигнал; и пользователь может быть уверен, что причиной была молния. Когда ночью в облаке происходит разряд молнии, кажется, что все облако светится. При дневном свете эти внутриоблачные вспышки редко видны человеческому глазу; тем не менее оптические датчики могут их обнаружить. В ранних миссиях, глядя в окно космического челнока, астронавты использовали оптические датчики для обнаружения молний в ярких залитых солнцем облаках далеко внизу. Это приложение привело к разработке портативного детектора молнии с двойным сигналом, который использует световые вспышки, а также « сферические » сигналы, обнаруживаемые предыдущими устройствами.

Повышенная чувствительность: в прошлом детекторы молний, как недорогие портативные для использования на земле, так и дорогие авиационные системы, регистрировали низкочастотное излучение, потому что на низких частотах сигналы, генерируемые молнией облако-земля (CG) , сильнее (имеют более высокие частоты ). амплитуда), и поэтому их легче обнаружить. Однако радиочастотный шум также сильнее на низких частотах. Чтобы минимизировать прием радиочастотного шума, низкочастотные датчики работают с низкой чувствительностью (порог приема сигнала) и, таким образом, не обнаруживают менее интенсивные сигналы молнии. Это снижает возможность обнаружения молний на больших расстояниях, поскольку интенсивность сигнала уменьшается пропорционально квадрату расстояния. Это также уменьшает обнаружение внутриоблачных (IC) вспышек, которые обычно слабее, чем вспышки CG.
Улучшенное обнаружение молний в облаке: добавление оптического датчика и схемы совпадения не только устраняет ложные срабатывания сигнализации, вызванные радиочастотным шумом; он также позволяет RF-датчику работать с более высокой чувствительностью и обнаруживать более высокие частоты, характерные для молнии IC, и позволяет обнаруживать более слабые высокочастотные компоненты сигналов IC и более далекие вспышки.

Описанные выше усовершенствования значительно расширяют возможности детектора во многих областях:

Раннее предупреждение: обнаружение вспышек IC важно, потому что они обычно происходят за 5–30 минут до вспышек компьютерной графики [источник?] И поэтому могут обеспечить более раннее предупреждение о приближающихся грозах [источник?], Что значительно повышает эффективность детектора с точки зрения личной безопасности и приложения для обнаружения штормов по сравнению с детектором только для компьютерной графики [источник?]. Повышенная чувствительность также обеспечивает предупреждение об уже начавшихся штормах, которые находятся на более отдаленном расстоянии, но могут приближаться к пользователю. [источник?]
Местоположение грозы: даже при дневном свете « преследователи бури » могут использовать направленные оптические детекторы, которые могут быть наведены на отдельное облако, чтобы различать грозовые облака на расстоянии. Это особенно важно для определения самых сильных гроз, вызывающих торнадо , поскольку такие штормы производят более высокую частоту вспышек с более высокочастотным излучением, чем более слабые, не связанные с торнадо бури.
Прогнозирование микропорывов : обнаружение вспышек IC также обеспечивает метод прогнозирования микропорывов . Восходящий поток в конвективных ячейках начинает электризоваться, когда достигает достаточно низких высот, чтобы гидрометеоры смешанной фазы (частицы воды и льда) могли существовать в одном объеме. Электрификация происходит из-за столкновений между частицами льда и каплями воды или частицами льда, покрытыми водой. Более легкие частицы льда (снега) заряжаются положительно и переносятся в верхнюю часть облака, оставляя после себя отрицательно заряженные капли воды в центральной части облака. Эти два центра заряда создают электрическое поле, приводящее к образованию молнии. Восходящий поток продолжается до тех пор, пока вся жидкая вода не превратится в лед, который выделяет скрытое тепло, приводящее в движение восходящий поток. Когда вся вода преобразуется, восходящий поток быстро ослабевает, как и скорость молнии. Таким образом, увеличение частоты молний до большого значения, в основном из-за разрядов IC, с последующим быстрым падением частоты, обеспечивает характерный сигнал обрушения восходящего потока, который уносит частицы вниз при нисходящем порыве. Когда частицы льда достигают более высоких температур вблизи нижней границы облаков, они тают, вызывая охлаждение атмосферы; аналогично, капли воды испаряются, вызывая охлаждение. Это охлаждение увеличивает плотность воздуха, которая является движущей силой микровзрывов. Холодный воздух на «фронтах порывов ветра», часто возникающих во время гроз, вызван этим механизмом.
Идентификация / отслеживание шторма: некоторые грозы, идентифицированные с помощью обнаружения и наблюдения IC, не производят вспышек компьютерной графики и не могут быть обнаружены системой зондирования компьютерной графики. Вспышки IC также во много раз чаще, чем CG, поэтому обеспечивают более надежный сигнал. Относительно высокая плотность (количество на единицу площади) вспышек IC позволяет идентифицировать конвективные ячейки при картировании молний, в то время как молнии CG слишком малочисленны и далеки друг от друга, чтобы идентифицировать ячейки, которые обычно имеют диаметр около 5 км. На поздних стадиях шторма активность вспышек CG утихает, и может показаться, что шторм закончился, но в целом активность IC все еще продолжается в остаточных средневысотных и более высоких перистых облаках наковальни, поэтому потенциал для молний CG все еще существует. .
Количественная оценка интенсивности шторма: Еще одно преимущество обнаружения IC состоит в том, что частота вспышек (число в минуту) пропорциональна 5-й степени конвективной скорости восходящих потоков в грозовой туче. Этот нелинейный отклик означает, что небольшое изменение высоты облака, едва заметное на радаре, будет сопровождаться большим изменением частоты вспышек. Например, едва заметное увеличение высоты облаков на 10% (мера силы шторма) приведет к изменению общей частоты вспышек на 60%, что легко заметить. «Полная молния» - это как обычно невидимые (при дневном свете) вспышки ИС, которые остаются в облаке, так и обычно видимые вспышки компьютерной графики, которые можно увидеть, распространяющиеся от основания облака до земли. Поскольку большая часть общего количества молний возникает из-за вспышек ИС, эта способность количественно определять интенсивность шторма происходит в основном за счет обнаружения разрядов ИС. Детекторы молний, которые воспринимают только низкочастотную энергию, обнаруживают только вспышки ИС, которые находятся поблизости, поэтому они относительно неэффективны для прогнозирования микровзрывов и количественной оценки интенсивности конвекции.
Прогнозирование торнадо: Известно, что у сильных штормов, вызывающих торнадо, очень высокая частота молний, и большая часть молний из самых глубоких конвективных облаков - это IC, поэтому способность обнаруживать молнии IC обеспечивает метод идентификации облаков с высоким потенциалом торнадо.

Оценка дальности действия молнии

Когда радиочастотный сигнал молнии обнаруживается в одном месте, его направление можно определить с помощью магнитного пеленгатора с перекрестным контуром, но определить расстояние до него сложно. Были предприняты попытки использовать амплитуду сигнала, но это не очень хорошо работает, потому что сигналы молнии сильно различаются по своей интенсивности. Таким образом, используя амплитуду для оценки расстояния, может показаться, что сильная вспышка находится поблизости, а более слабый сигнал от той же вспышки - или от более слабой вспышки от того же грозового очага - кажется более далеким. Можно сказать, где ударит молния в радиусе мили, измеряя ионизацию в воздухе, чтобы повысить точность прогноза.

Чтобы понять этот аспект обнаружения молнии, необходимо знать, что «вспышка» молнии обычно состоит из нескольких ударов, типичное количество ударов от вспышки компьютерной графики находится в диапазоне от 3 до 6, но некоторые вспышки могут иметь более 10 ударов. Первоначальный удар оставляет ионизированный путь от облака до земли, а последующие «обратные удары», разделенные интервалом примерно в 50 миллисекунд, проходят вверх по этому каналу. Полная последовательность разряда обычно составляет около ½ секунды, в то время как продолжительность отдельных ходов сильно варьируется от 100 наносекунд до нескольких десятков микросекунд. Штрихи в вспышке компьютерной графики можно увидеть ночью как непериодическую последовательность свечений канала молнии. Это также можно услышать на сложных детекторах молний в виде отдельных звуков стаккато для каждого удара, образующих характерный узор.

Детекторы молний с одним датчиком используются на самолетах, и хотя направление молнии может быть определено с помощью датчика с перекрестной петлей, расстояние не может быть надежно определено, поскольку амплитуда сигнала варьируется между отдельными ударами, описанными выше, и эти системы используют амплитуду для оценки расстояния. . Поскольку удары имеют разную амплитуду, эти детекторы обеспечивают отображение на дисплее линии точек, подобных спицам на колесе, идущих радиально от ступицы в общем направлении источника молнии. Точки находятся на разном расстоянии вдоль линии, потому что штрихи имеют разную интенсивность. Эти характерные линии точек на таких сенсорных дисплеях называются «радиальным разбросом». Эти датчики работают в диапазоне очень низких частот (VLF) и низких частот (LF) (ниже 300 кГц), который обеспечивает самые сильные сигналы молнии: те, которые генерируются обратными ударами от земли. Но если датчик не находится близко к вспышке, они не улавливают более слабые сигналы от разрядов микросхем, которые имеют значительное количество энергии в высокочастотном (ВЧ) диапазоне (до 30 МГц).

Еще одна проблема, связанная с приемниками ОНЧ-молний, заключается в том, что они улавливают отражения от ионосферы, поэтому иногда невозможно определить разницу в расстоянии между молнией на расстоянии 100 км и несколькими сотнями км. На расстояниях в несколько сотен км отраженный сигнал (называемый «небесной волной») сильнее прямого сигнала (называемого «земной волной»).

В волноводе Земля-ионосфера ловушки электромагнитной УНЧ - и ELF волны. Электромагнитные импульсы, передаваемые ударами молнии, распространяются в этом волноводе. Волновод дисперсионный, а это значит, что их групповая скорость зависит от частоты. Разница групповой задержки светового импульса на соседних частотах пропорциональна расстоянию между передатчиком и приемником. Вместе с методом пеленгации это позволяет определять местонахождение ударов молнии одной станцией на расстоянии до 10 000 км от места их возникновения. Кроме того, собственные частоты волновода Земля-ионосфера, резонансы Шумана на частоте около 7,5 Гц, используются для определения глобальной грозовой активности.

Из-за сложности определения расстояния до молнии с помощью одного датчика единственным надежным в настоящее время методом определения местоположения молнии является использование взаимосвязанных сетей разнесенных датчиков, охватывающих область поверхности Земли с использованием разницы во времени прихода между датчиками и / или пересекаемых -подшипники от разных датчиков. Несколько таких национальных сетей, которые в настоящее время работают в США, могут определять положение вспышек CG, но в настоящее время не могут надежно обнаруживать и позиционировать вспышки IC. Есть несколько небольших сетей (например, LDAR-сеть Космического центра Кеннеди, один из датчиков которой изображен в верхней части этой статьи), которые имеют системы времени прибытия на УКВ и могут обнаруживать и позиционировать вспышки IC. Они называются массивами Lightning Mapper . Обычно они покрывают круг диаметром 30–40 миль.

Смотрите также

Внешние ссылки

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

Languages

In other projects