Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Wykład 11 Detekcja wyładowań atmosferycznych, pomiary potencjału elektrycznego Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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.

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

Gradient potencjału pola elektrycznego w czasie tzw. „ładnej pogody”

Globalny obwód elektryczny 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/m2. V=iR (prawo Oma Utrzymującą się różnice potencjałów wywołują wyładowania elektryczne (1500-2000 burz w każdej sekundzie, około 100/sec pierunów uderza w powierzchni ziemi).

Wyładowania atmosferyczne Franklin w 1752 roku przeprowadza doświadczenie z latawcem udowadniając, że chmury burzowe są naładowane. 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.

Trójbiegunowa struktura chmury burzowej Cb 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. + - - + Downdraft Updraft

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.

Drugim podziałem jest podział na wyładowania dodatnie i ujemne 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 200-300 kA podczas gdy dla wyładowań ujemnych tylko około 30 kA. Wylądowania dodatnie niosą do ziemi ładunek rzędu 80C zaś wylądowania ujemne -8C

Częstotliwość wyładowań atmosferycznych

Wyładowania w górnych warstwach atmosfery

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

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

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

Zmiany gradientu potencjału podczas dnia z konwekcją. Cumulonimbus arrival

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

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

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

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.

EFM100 Monitor

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.

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

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.

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.

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.

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

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.

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.

Amatorskie detektory wyładowań atmosferycznych.