Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Wykład 11 Detekcja wyładowań atmosferycznych, pomiary potencjału elektrycznego Krzysztof Markowicz

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Wykład 11 Detekcja wyładowań atmosferycznych, pomiary potencjału elektrycznego Krzysztof Markowicz"— Zapis prezentacji:

1 Wykład 11 Detekcja wyładowań atmosferycznych, pomiary potencjału elektrycznego Krzysztof Markowicz

2 Elektryczność Atmosfery całokształt zjawisk elektrycznych zachodzących w atmosferze obejmuje m.in. elektryczne pole atmosfery, prądy elektryczne w atmosferze, przewodnictwo elektryczne powietrza, jonizację atmosfery, ładunki elektryczne chmur i opadów, wyładowania atmosferyczne oraz elektrometeory.

3 Gradient potencjału pola elektrycznego Ziemia V1 V2 V3 Powierzchnie stałego potencjału elektrycznego względem Ziemi Odległość, D

4 Gradient potencjału pola elektrycznego w czasie tzw. ładnej pogody

5 Globalny obwód elektryczny V=iR (prawo Oma Opór atmosfery R zmienia się szybko z wysokością i jest największy przy powierzchni ziemi. Stad też zmienia się potencjał pola elektrycznego V i mamy niezerowy gradient V. W kierunku ziemi płynie prąd o średniej gęstości około 2pA/m 2. Utrzymującą się różnice potencjałów wywołują wyładowania elektryczne ( burz w każdej sekundzie, około 100/sec pierunów uderza w powierzchni ziemi).

6 Wyładowania atmosferyczne Wyładowania atmosferyczne są bardzo silnym wyładowaniem elektrycznym, w czasie którego występuje transport ładunku dodatniego jak i ujemnego do powierzchni ziemi, pomiędzy chmurami czy też do jonosfery. Typy wyładowań: liniowe, perełkowe, kuliste, ognie św. Elma i inne. Franklin w 1752 roku przeprowadza doświadczenie z latawcem udowadniając, że chmury burzowe są naładowane.

7 Trójbiegunowa struktura chmury burzowej Cb Updraft Downdraft W chmurze konwekcyjnych, w wyniku skomplikowanych i nie do końca jeszcze poznanych procesów, może dochodzić to powstawania i separacji ładunków elektrycznych. Ładunek dodatni najczęściej gromadzi się w szczytowych partiach chmury, ładunek ujemny w dolnych. Niewielkie skupisko ładunku dodatniego może pojawić się także w podstawie chmury. Powstaje wtedy trójbiegunowa struktura elektryczna.

8 W czasie życia chmury burzowej występują na ogół wyładowania elektryczne różnego typu. Można wyróżnić dwa zasadnicze podziały: pierwszy ze względu na rodzaj ośrodków, między którymi następuje wyładowanie, oraz drugi – ze względu na rodzaj ładunku elektrycznego (dodatni lub ujemny) przenoszonego przez wyładowanie piorunowe Do pierwszej grupy należą: wyładowania chmura-ziemia, C- Z (cloud-to-ground discharges), wyładowania chmurowe obejmujące: wyładowania wewnątrzchmurowe (intra-cloud discharges); wyładowania chmura-chmura C-C (cloud-to-cloud discharges) oraz wyładowania chmura-powietrze (cloud-to-air discharges). Wśród tych typów wyładowania atmosferycznego największe zagrożenia dla człowieka niesie wyładowanie atmosferyczne typu chmura-ziemia. Wyładowania tego typu, trwające przeciętnie niespełna sekundę. Stosunek liczby wyładowań C-C do C-Z wynosi zazwyczaj 2-6 i maleje ze wzrostem szerokości geograficznej.

9 Drugim podziałem jest podział na wyładowania dodatnie i ujemne. Wyładowanie dodatnie to takie, w którym z chmury do ziemi jest przenoszony ładunek dodatni, w przypadku wyładowania ujemnego przenoszony jest ładunek ujemny. Oba rodzaje wyładowań mogą być inicjowane zarówno z chmury, jak i z ziemi. 90% wszystkich wyładowań doziemnych to wyładowania ujemnych. Występują one częściej podczas burz w zimie. Wyładowania dodatnie są zdecydowanie bardziej niebezpieczne. W ich przypadku prąd szczytowy jest rzędu kA podczas gdy dla wyładowań ujemnych tylko około 30 kA. Wylądowania dodatnie niosą do ziemi ładunek rzędu 80C zaś wylądowania ujemne -8C

10 Częstotliwość wyładowań atmosferycznych

11

12 Wyładowania w górnych warstwach atmosfery

13 PG drops before the sharp rise Observed PG for an individual Cumulonimbus Asymmetric PG change - Larger PG drop than rise Equivalent Distance (km) Rainfall (charged droplets)

14 Modelled cross section of PG around a tripole arrangement Height Horizontal distance (0-20km) Surface 5km

15 Gradient potencjału oraz temperatura powietrza podczas przechodzenia frontu chłodnego. Isolated Lightning (-ve) Temperature drop indicates arrival of front, with associated frontal cloud band and precipitation detected by PG

16 Cumulonimbus arrival Zmiany gradientu potencjału podczas dnia z konwekcją.

17

18 Wpływ mgły High PG due to water droplets (lowering air conductivity) Note: V=iR (Ohms Law) Saturated air (100% RH) during fog Fog dissipating, droplets reducing size, PG lowering RH <100% No fog, PG returns to normal

19 Peak due to increased aerosol (reducing air conductivity) Wpływ aerozolu na gradient potencjału elektrycznego Pollution from rush-hour traffic

20 Pomiary gradientu potencjału JCI 131 Electrostatic Field Mill (mounted on 3m mast) Vertical Potential Gradient

21

22 Zasada pomiaru Detektor (metalowa płytka) wystawiana jest okresowo na działanie pola elektrycznego. W czasie gdy pole elektryczne pada na nią dochodzi do przepływu ładunku elektrycznego pomiędzy detektorem a Ziemią za pośrednictwem opornika R. Gdy detektor jest przysłonięty przez obracające się wiatraczek dochodzi do rozładowania płytki. Przepływające w ten sposób prąd przemienny jest proporcjonalny do potencjału pola elektrycznego atmosfery.

23 EFM100 Monitor

24 Detekcja wyładowań Wyładowania generują fale elektromagnetyczne od kilku herców do GHz. Do detekcji używa się zazwyczaj jednego z trzech zakresów spektralnych. Im detekcja odbywa się na wyższej częstotliwości (fala krótsza w porównaniu z długością promieniującego kanału wyładowania) tym dokładniej możemy odwzorować cały kanał wyładowania. Jednak zasięg obserwacji zmniejsza się w tym przypadku. Stąd też techniki detekcji na małych częstotliwościach używa się do obserwacji o dużym zasięgu.

25 System SAFIR Jest systemem francuskim, który za pomocą elektromagnetycznej interferometrii w paśmie bardzo wysokich częstości VHF oraz detekcji fal w paśmie niskich częstości LF wykrywa i lokalizuje wyładowania elektryczne. W praktyce, w przypadku systemów detekcji wyładowań atmosferycznych, zmierzone zmiany pola elektrycznego porównuje się do wzorcowych charakterystyk otrzymanych doświadczalnie w wyniku wieloletnich pomiarów. Działa w Polsce od 2001 roku

26 System opiera się na interferometrycznym pomiarze różnicy faz fali elektromagnetycznej odbieranej przez dwie różne anteny. Różnica faz jest ściśle zależna od kierunku rozchodzenia się fali. Pomiaru różnicy faz dokonują dwie anteny prętowe. Do wyznaczenia jednoznacznej wartości kąta azymutu potrzeba 2 par anten. W celu zwiększenia dokładności lokalizacji stosuje się 5 par anten prętowych Różnica faz sygnałów wyindukowanych w antenach prętowych jest ściśle związana z kierunkiem propagacji fali wyemitowanej przez wyładowanie piorunowe.

27 Po wyznaczeniu różnicy faz sygnałów elektrycznych w dwóch antenach oblicza się kierunek rozchodzenia się fali. Dzięki wyznaczonym azymutom z kilku stacji można wyznaczyć dokładne położenie źródła emitującego fale– położenia wyładowania piorunowego. Sieć pomiarowa składa się z 9 stacji detekcyjnych rozmieszczonych na terenie całego kraju w taki sposób, aby uzyskać dokładność lokalizacji wyładowań atmosferycznych na poziomie do 1 km, a skuteczność detekcji ok. 95% dla terytorium Polski. Optymalną konfigurację uzyskano po symulacjach kilkunastu możliwych do wykorzystania lokalizacji stacji. Stacje zainstalowano w miejscowościach: Białystok, Olsztyn, Toruń, Gorzów Wlkp., Kalisz, Częstochowa, Sandomierz, Włodawa, Warszawa.

28 Stacje detekcji są synchronizowane czasowo za pomocą satelitarnego systemu GPS. Łączność w systemie zapewniają łącza satelitarne o przepustowości wystarczającej do przesyłania danych burzowych ze stacji, nawet w czasie intensywnych burz.

29 Przykładowa wizualizacja sytuacji burzowej 14 maja 2002 uzyskana z systemu SAFIR 3000

30 System LDAR (Lightning Detection and Ranging) System zlokalizowany jest w okolicach centrum lotów kosmicznych NASA na Florydze. Składa się ze zespołu 7 anten rejestrujących fale elektromagnetyczne o częstości 66 MHz. Pozwala na detekcje 99% wyładowań (zarówno miedzy chmurowych jak i chmura ziemia) w odległości 10 km Dokładność lokalizacji wyładowań w obszarze sieci pomiarowej wynosi około 100 metrów zaś 90 km od sieci wynosi 10 km.

31 Advanced Lightning Direction Finder Przyrząd umożliwia detekcje wyładowania chmura-ziemia. ALDF wykrywa ponad 90% wyładowań pojawiających się w odległości do 100 km od przyrządu. Pozostałe typy wyładowań są ignorowane. W ramach sieci NLDN (The National Lightning Detection Network) pracuje ponad 130 przyrządów.

32 Amatorskie detektory wyładowań atmosferycznych.

33

34


Pobierz ppt "Wykład 11 Detekcja wyładowań atmosferycznych, pomiary potencjału elektrycznego Krzysztof Markowicz"

Podobne prezentacje


Reklamy Google