Обнаружение молнии - Lightning detection

Детектор молний в Космическом центре Кеннеди во Флориде.

А детектор молнии это устройство, которое обнаруживает молнию, производимую грозы. Есть три основных типа детекторов: наземный системы с использованием нескольких антенн, мобильные системы использование направляющей и сенсорной антенны в одном месте (часто на борту самолета), и космические системы.

Первое такое устройство было изобретено в 1894 г. Александр Степанович Попов. Это тоже был первый радиоприемник в мире.

Наземные и мобильные детекторы рассчитывают направление и силу молния из текущего местоположения, используя радиопеленгация методы наряду с анализом характеристических частот, излучаемых молнией. Использование наземных систем триангуляция из нескольких мест для определения расстояния, в то время как мобильные системы оценивают расстояние, используя частоту сигнала и затухание. Детекторы космического базирования на спутники может использоваться для определения дальности, направления и силы молнии путем прямого наблюдения.

Сети наземных детекторов молний используются такими метеорологическими службами, как Национальная служба погоды в Соединенные Штаты, то Метеорологическая служба Канады, то Европейское сотрудничество в области обнаружения молний (EUCLID), Институт повсеместной метеорологии (Убимет ) и другими организациями, такими как электроэнергетические компании и службы предотвращения лесных пожаров.

Ограничения

Каждая система, используемая для обнаружения молний, ​​имеет свои ограничения.[1] К ним относятся

  • Единая наземная сеть молний должна быть способна обнаруживать вспышку с помощью как минимум трех антенн, чтобы определить ее местонахождение с допустимой погрешностью. Это часто приводит к отклонению молнии от облака к облаку, поскольку одна антенна может определять положение вспышки на начальном облаке, а другая антенна - 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 столкновении 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 связанный с ним отражательная способность с метеорологического радара
Распределение электрических зарядов и ударов молнии во время грозы и вокруг нее

Детекторы молний и метеорологический радар работайте 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.
  • Возникает 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 обычно метеорологический радар будет указывать на приближающийся шторм раньше, чем это сделает детектор молнии. Из ранних возвращений не всегда ясно, перерастет ли ливневое облако в грозу, а метеорологический радар также иногда страдает от маскировка эффект от затухание, где осадки вблизи радара могут скрыть (возможно, более интенсивные) осадки дальше. Детекторы молний не страдают от маскирующего эффекта и могут подтвердить, когда ливневое облако превратилось в грозу.

Молния также может быть расположена за пределами осадков, регистрируемых радаром. На втором изображении показано, что это происходит, когда удары происходят в наковальне грозовой тучи (верхняя часть уносится впереди кучево-дождевое облако сильным ветром) или на внешнем крае дождевой шахты. В обоих случаях где-то поблизости все еще есть зона радарного эха.

Использование авиации

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

Для небольших самолетов, особенно в авиация общего назначения, существует две основных марки детекторов молний (часто называемых сферики, Короче для радиоатмосфера ): Stormscope, первоначально произведенный Райаном (позже Б.Ф. Гудричем), а в настоящее время - L-3 Communications, и Strikefinder, произведенный Insight. Strikefinder может обнаруживать и правильно отображать удары IC (внутри облаков) и CG (облака на землю), а также различать реальные удары и отраженные от ионосферы сигналы. Детекторы молний недороги и легки, что делает их привлекательными для владельцев легких самолетов (особенно однодвигательных самолетов, где в носовой части самолета нет возможности установить обтекатель ).

Портативные детекторы молний профессионального качества

Счетчик ударов молнии в музейном дворике

Недорогие портативные детекторы молний, ​​а также другие одиночные датчики картографы молний, например, используемые в самолетах, имеют ограничения, включая обнаружение ложные сигналы и бедный чувствительность, особенно для внутриоблачная (IC) молния. Портативные детекторы молний профессионального качества улучшают работу в этих областях за счет нескольких методов, которые взаимно дополняют друг друга, тем самым усиливая их влияние:

  • Устранение ложного сигнала: разряд молнии генерирует как радиочастотный (RF) электромагнитный сигнал - обычно воспринимаются как "статические" в AM-радио - и световые импульсы очень короткой продолжительности, содержащие видимую "вспышку". Детектор молний, ​​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, ВЧ-детекторы могут неверно интерпретировать ВЧ-шум, также известный как РЧ помехи или RFI. 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 вспышек света могут неверно интерпретировать мерцающий свет, генерируемый в окружающей среде, например отражения от окон, солнечный свет сквозь листья деревьев, проезжающие машины, телевизоры и флуоресцентные 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 полезно соединены в «схема совпадений ”, Который требует одновременного получения сигналов обоих типов.[2] 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 разряд молнии происходит в облаке ночью, 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 «сферики »Сигналы, обнаруженные предыдущими устройствами.

  • Повышенная чувствительность: в прошлом детекторы молний, ​​как недорогие портативные для использования на земле, так и дорогие авиационные системы, обнаруживали низкочастотное излучение, потому что на низких частотах сигналы, генерируемые молния облако-земля (CG) сильнее (имеют большую амплитуду) и поэтому их легче обнаружить. Однако радиочастотный шум также сильнее на низких частотах. Чтобы свести к минимуму 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 совпадений 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 грозе [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 большем расстоянии, но могут приближаться к пользователю. [источник?]
  • Место шторма: даже при дневном свете "штормовые охотники ”Может использовать направленные оптические детекторы, которые можно направлять на отдельное облако, чтобы различать грозовые тучи На расстоянии. Это особенно важно для определения самых сильных гроз, которые производят торнадо, поскольку такие штормы производят более высокие частоты вспышек с более высокочастотным излучением, чем более слабые неторнадические бури.[3]:248
  • Прогнозирование микропорывов: обнаружение вспышек IC также обеспечивает метод прогнозирования микровзрывы.[4]:46–47 Восходящий поток в конвективных ячейках начинает электризоваться, когда достигает достаточно холодной высоты, чтобы гидрометеоры смешанной фазы (вода и частицы льда) могли существовать в одном объеме. Электрификация происходит из-за столкновения частиц льда с каплями воды или покрытыми водой частицами льда. Более легкие ледяные частицы (снег) заряжаются положительно и переносятся в верхнюю часть облака, оставляя после себя отрицательно заряженные капли воды в центральной части облака.[5]:6014 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 высвобождает скрытая теплота управляя восходящим потоком. 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, дает характерный сигнал обрушения восходящего потока, который уносит частицы вниз в виде нисходящего потока. 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 грозы, вызван этим механизмом.
  • Идентификация / отслеживание штормов: некоторые грозы, идентифицированные с помощью обнаружения и наблюдения IC, не производят вспышек компьютерной графики и не могут быть обнаружены системой зондирования компьютерной графики. IC вспышки также во много раз чаще [3]:192 как CG, так обеспечивает более надежный сигнал. Относительно высокая плотность (количество на единицу площади) вспышек IC позволяет идентифицировать конвективные ячейки при картировании молний, ​​тогда 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 заключается в том, что частота вспышек (число в минуту) пропорциональна 5-й степени конвективной скорости восходящих потоков в грозовой туче.[5]:6018–6019[6] 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 IC, эта способность количественно определять интенсивность шторма происходит в основном за счет обнаружения разрядов IC. 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.
  • Предсказание торнадо: известно, что у сильных штормов, вызывающих торнадо, очень высокая частота молний.[4]:51 [7][8] и большая часть молний из самых глубоких конвективных облаков - это IC,[9] таким образом, способность обнаруживать молнии IC обеспечивает метод определения облаков с высоким потенциалом торнадо.

Оценка дальности действия молнии

Когда радиочастотный сигнал молнии обнаруживается в одном месте, его направление можно определить с помощью магнитный пеленгатор с перекрестной петлей но расстояние до него определить 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.[10]:18Первоначальный 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 по продолжительности, 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 использовались на самолетах, и хотя направление молнии можно определить с помощью датчика с перекрестной петлей, расстояние не может быть надежно определено, поскольку амплитуда сигнала изменяется между отдельными ударами, описанными выше,[10]:115и эти системы используют амплитуду для оценки расстояния. Поскольку удары имеют разную амплитуду, эти детекторы обеспечивают отображение на дисплее линии точек, похожих на спицы 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».[11]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 молний ОНЧ, заключается в том, что они улавливают отражения от ионосферы, поэтому иногда невозможно определить разницу в расстоянии между молнией в 100 км и несколькими сотнями км. На расстояниях в несколько сотен км отраженный сигнал (называемый «небесной волной») сильнее прямого сигнала (называемый «земной волной»).[12]

В Волновод Земля-ионосфера ловушки электромагнитные VLF - 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 обнаруживать удары молнии одной станцией на расстоянии до 10 000 км от места их возникновения. Кроме того, собственные частоты волновода Земля-ионосфера, Шумановские резонансы с частотой около 7,5 Гц используются для определения глобальной грозовой активности.[13]

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.[14]Есть несколько небольших сетей (например, сеть LDAR Космического центра Кеннеди, один из датчиков которой изображен в верхней части этой статьи), которые имеют системы времени прибытия в диапазоне УКВ и могут обнаруживать и определять местоположение IC-вспышек. Они называются картограф молний массивы. Обычно они покрывают круг диаметром 30–40 миль.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Ричард Китил (2006). «Обзор оборудования для обнаружения молний». Национальный институт молниезащиты. Получено 2006-07-07.
  2. ^ Brook, M .; Н. Китагава (1960). «Изменения электрического поля и конструкция счетчиков молний». Журнал геофизических исследований. 65 (7): 1927–1930. Bibcode:1960JGR .... 65.1927B. Дои:10.1029 / JZ065i007p01927.
  3. ^ а б MacGorman, Donald R .; Ржавчина, В. Дэвид (1998). Электрическая природа штормов. Издательство Оксфордского университета, Нью-Йорк. ISBN  978-0-19-507337-9.
  4. ^ а б Уильямс, Эрл Р. (1995). «Метеорологические аспекты гроз». В Волланде, Ганс (ред.). Справочник по электродинамике атмосферы, Vol. 1. CRC Press, Бока-Ратон. ISBN  978-0-8493-8647-3.
  5. ^ а б Уильямс, Эрл Р. (1985). «Крупномасштабное разделение зарядов в грозовых облаках». Журнал геофизических исследований. 90 (D4): 6013. Bibcode:1985JGR .... 90.6013W. Дои:10.1029 / jd090id04p06013.
  6. ^ Ёсида, Сатору; Такеши Моримото; Томоо Ушио и Зенитиро Кавасаки (2009). «Соотношение в пятой степени для грозовой активности по данным спутниковых наблюдений Миссии по измерению тропических осадков». Журнал геофизических исследований. 114 (D9): D09104. Bibcode:2009JGRD..114.9104Y. Дои:10.1029 / 2008jd010370.
  7. ^ Воннегут, Бернар; Мур, Си Би (1957). «Электрическая активность, связанная с торнадо Блэквелл-Удалл». Журнал метеорологии. 14 (3): 284–285. Bibcode:1957JAtS ... 14..284M. Дои:10.1175 / 1520-0469 (1957) 014 <0284: EAAWTB> 2.0.CO; 2.
  8. ^ Воннегут, Бернар; Джеймс Р. Вейер (1966-09-09). «Световые явления в ночных торнадо». Наука. 153 (3741): 1213–1220. Bibcode:1966Научный ... 153.1213В. Дои:10.1126 / science.153.3741.1213. PMID  17754241.
  9. ^ Ратледж, С.А., Э.Р. Уильямс и Т.Д. Кеннан (1992). «Эксперимент с доплеровским эффектом и электричеством (DUNDEE): обзор и предварительные результаты». Бюллетень Американского метеорологического общества. 73 (1): 3–16. Bibcode:1992БАМС ... 73 .... 3R. Дои:10.1175 / 1520-0477 (1992) 073 <0003: TDUDAE> 2.0.CO; 2.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  10. ^ а б Умань, Мартин А. (1987). Разряд молнии. Academic Press, N.Y. ISBN  978-0-12-708350-6.
  11. ^ Руководство пользователя датчика погодных карт WX-500 Stormscope Series II (PDF). BF Goodrich Avionics Systems, Inc. 1997. С. 4–2, 4–7. Архивировано из оригинал (PDF) на 21.08.2008.
  12. ^ Голде, Рудольф Х. (1977). Молния, Vol. 1. Academic Press, Нью-Йорк, стр. 368. ISBN  978-0-12-287801-5.
  13. ^ Волланд, Х. (редактор): "Справочник по атмосферной электродинамике", CRC Press, Бока-Ратон, 1995 г.
  14. ^ Мерфи Мартин Дж., Деметриадес, Николас В.С., Камминс, Кеннет Л. и Рональд Л. Холле (2007). Cloud Lightning от Национальной сети обнаружения молний США (PDF). Международная комиссия по атмосферному электричеству, 13-я Международная конференция по атмосферному электричеству, Пекин.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)

внешняя ссылка

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