Referaty i opracowania to dział, w którym znajdziesz interesujące opracowania geograficzne oraz referaty do wyboru - geografia. Opracowania poświęcone wielu zagadnieniom geograficznym.

	Login: Hasło:
	Mamy już 98127 użytkowników. [rejestracja]

Referaty i opracowania: Wyładowania atmosferyczne

Wyładowania atmosferyczne

Uwaga - integralną częścią referatu jest prezentacja Badania nad wyładowaniami atmosferycznymi.

Podstawowe pojęcia

burza - zjawisko meteorologiczne; wyładowanie elektryczne w atmosferze, któremu towarzyszy poza piorunami oraz grzmotami opady deszczu bądź deszczu i gradu.

wyładowanie atmosferyczne - zjawisko czysto fizyczne; przepływ ładunków elektrycznych (dodatnich bądź ujemnych) między czynnikami jonizującymi (chmurami, ziemią) w dielektryku (powietrzu).

Ze względu na rodzaj ośrodków, między którymi występują wyładowania, mogą one mieć różnoraki charakter. Najniebezpieczniejsze (bezpośrednio) dla człowieka są wyładowania typu chmura-ziemia, mniejsze niebezpieczeństwo (pośrednie) niosą za sobą wyładowania chmurowe, przy czym niebezpieczne (pośrednio - poprzez wytwarzanie silnego pola elektromagnetycznego) są wyładowania chmura-powietrze, minimalne niebezpieczeństwo niosą za sobą wyładowania wewnątrzchmurowe oraz wyładowania chmura-chmura.

Ze względu na rodzaj ładunku elektrycznego wyładowania wyróżniamy wyładowania dodatnie (positive) oraz ujemne (negative), przy czym dodatnie to takie wyładowanie, w którym z chmury do ziemi bądź innego ośrodka przenoszony jest ładunek dodatni, a wyładowanie ujemne - ładunek ujemny. Oba rodzaje wyładowań mogą być inicjowane zarówno z chmur jak i z ziemi.

wyładowanie pilotujące - (udar przewodni) (wg hipotezy zaproponowanej przez Alexa Gurevicha z Instytutu Lebiedewa w Rosji) jest to strumień naładowanych ujemnie elektronów, które powstały w wyniku zderzenia wysokoenergetycznych cząstek promieniowania kosmicznego z atomami powietrza w górnej części chmury. Cały proces wyładowania pilotującego trwa około 50 milisekund. Prędkość wyładowania pilotującego wynosi średnio 300000km/s (prędkość światła).

wyładowanie główne - (udar powrotny) następuje wówczas, kiedy strumień zjonizowanego powietrza zbliży się do powierzchni ziemi. Wówczas w "kanale" znacznie zmniejsza się opór powietrza, co pozwala na przepływ znacznych ilości ładunków. W momencie zbliżenia się wyładowania pilotującego do ziemi, od dołu zaczyna wyruszać ładunek dodatni, którego źródłami są zazwyczaj wysokie drzewa, maszty, ostro zakończone metalowe przedmioty. Prędkość wyładowania głównego wynosi średnio 100000km/s. Podczas jednego wyładowania atmosferycznego między ziemią a chmurą przepływają ładunki o całkowitej energii rzędu 140 kWh. Dla zobrazowania tej ilości energii dodam, że energia ta wystarczyłaby na oświetlenie 100 watowej żarówki przez około 2 miesiące.

piorun - wyładowanie elektryczne/lawina elektronów w atmosferze o bardzo dużym natężeniu, które przenosi w kierunku ziemi/wewnątrz chmury/ między różnymi jej warstwami ujemne/dodatnie ładunki elektryczne. Ma on średnio około 1-10 cm średnicy i trwa nie dłużej niż ułamek sekundy. Jego napięcie przekracza 300M-kV (?). Wszystkie pioruny są bezbarwne.

wartość szczytowa prądu - określa napięcie, które może zaindukować się wskutek uderzenia pioruna (maksymalnie wartość rzędu setek kA.

czas narastania prądu - informuje nas o czasie, jaki potrzeba do osiągnięcia maksymalnej wartości napięcia, jakie może zostać zaindukowane podczas przepływu fali elektromagnetycznej (pioruna).

LF - promieniowanie niskich częstotliwości rzędu poniżej 1 MHz,

VHF - promieniowanie wysokich częstotliwości powyżej 1 MHz, tzw. fale paczkowane, czas narastania prądu rzędu kilku nanosekund.

grzmot (grom dźwiękowy) - efekt akustyczny, który jest nieodłącznie związany z piorunem. Powstaje w momencie gwałtownego podnoszenia temperatury powietrza przez piorun (20-400[kA]) do niewyobrażalnej temperatury 30000 °C, zwiększa się gwałtownie objętość powietrza, przez co rozszerza się ono we wszystkich kierunkach z prędkością ponaddźwiękową. Efektem tego jest fala uderzeniowa, którą potocznie nazywamy grzmotem.

piorun kulisty - tajemnicze zjawisko fizyczne; polega na zgromadzeniu w małej objętości ośrodka znacznej ilości energii. O ile w piorunie liniowym ładunki przemieszczają się wzdłuż samego pioruna, o tyle tutaj ładunki krążą w kółko (w kuli). Wymiary pioruna kulistego wahają się od kilku mm do nawet 1,5 metra, przy czym o ile piorun (liniowy) wydaje przeraźliwy grzmot, to piorun kulisty warczy bądź też syczy. Czas trwania pioruna zawiera się w czasie od 1 do nawet kilkunastu sekund. Barwa pioruna kulistego to najczęściej biel, ale zdarzają się również pioruny żółte bądź bladoniebieskie. Według naocznych świadków piorun kulisty przechodzi bez problemu przez szkło oraz odbija się od innych przedmiotów. Teoretycznie może zabić? Co ciekawe, jest bardzo mało filmów, które ukazują ten rodzaj pioruna?

Systemy detekcji wyładowań atmosferycznych - rys historyczny

K. Newton, J.A. Nollet; J.H. Winkler

Pierwsze prace nad wyładowaniami atmosferycznymi przeprowadził już w XVIII w. amerykański uczony Beniamin Franklin. Dzięki butelce lejdejskiej zmagazynował on ładunki elektryczne spływające z chmur burzowych po wilgotnym sznurze. Był to pierwszy dowód na fakt, że wyładowaniom atmosferycznym towarzyszy przepływ ładunków między ziemią a atmosferą; uważany jest również za wynalazcę piorunochronu.

Kolejnym przełomowym momentem było odkrycie w XIX w. fal elektromagnetycznych oraz rozwój komunikacji radiowej. Dzięki nim zauważono, że podczas wyładowań atmosferycznych ("piorunów") generowane są impulsy elektromagnetyczna zakłócające normalną prace urządzeń opartych o fale elektromagnetyczna. Od tego momentu na całym świecie (również w Polsce - m.in. radiometeorolog Czesław Centkiewicz) zaczęto prowadzić badania nad tajemniczymi "radiotrzaskami", będącymi efektem akustycznym emisji fali elektromagnetycznej przez wyładowanie atmosferyczne. Poza tym wraz z rozwojem technik fotografii, przeprowadzano badania za pomocą aparatów ze stałym filmem, z filmem przesuwnym oraz z obiektywami wolno- oraz szybkobieżnymi.

Bardzo pożyteczne w badaniach piorunów okazały się także prace badawcze pręcików wykorzystaniem pręcików magnetycznych, do rejestracji maksymalnej wielkości napięcia w kanale wyładowania i klidonografów, do rejestracji maksymalnej wielkości natężenia prądu. Pozwalały one na masowe wykorzystanie ze względu na niskie koszty użycia oraz prostotę pomiaru. W przypadku pręcików magnetycznych umieszczano je w pobliżu masztów i wysokich budowli narażonych na uderzenie pioruna. Następnie w przypadku uderzenia pioruna pręcik magnesował się w polu magnetycznym wytwarzanym przez wyładowanie.

Informacje o wartości szczytowej prądu były uzyskiwane w wyniku obliczeń opartych o dane geometryczne pręcika oraz wielkości magnetyzmu szczątkowego. Po pomiarze pręciki były rozmagnesowywane w silnym polu magnetycznym i gotowe do ponownego użycia. W latach 1897-1900 w ten sposób niemiecki uczony F. Pockels analizował zmiany pola magnetycznego indukowanego przez pioruny, żeby oszacować wartości prądu przepływającego przez kanał pioruna. Były to pierwsze pomiary wielkości prądu w kanale wyładowania atmosferycznego.

Obydwie Wojny Światowe zahamowały prace nad charakterem wyładowań atmosferycznych. Ze względów ekonomicznych, bezpieczeństwa ludności, meteorologicznych, militarnych i innych w drugiej połowie XX w. (lata 70-te) wznowiono badania nad wyładowaniami atmosferycznymi, a zwłaszcza nad ich detekcją. W wyniku wzmożonych badań naukowych oraz ogromnych nakładów pieniężnych stworzono wówczas dwa skuteczne systemy detekcji i lokalizacji wyładowań atmosferycznych IMPACT i SAFIR (które obecnie są używane przez służby meteorologiczne w wielu krajach).

W Polsce pierwsze systemy lokalizacji wyładowań atmosferycznych CZAS zostały zainstalowane w połowie lat 80 (był to dodatek do radaru MRL 5, opierał się na zasadzie odbioru fal LF), jednakże ze względów technicznych zastosowanie powyższego systemu było mocno ograniczone. Duża wrażliwość aparatury na zakłócenia pochodzące od instalacji i urządzeń technicznych (spawarki, linie tramwajowe, samochody itp.) sprawiało błędne wyniki pomiarów, toteż w krótkim czasie zrezygnowano z eksploatacji tego urządzenia.

W latach 90 ubiegłego wieku Andrzej Maciążek (późniejszy "autor" Systemu) wraz z przedstawicielami Politechniki Warszawskiej zabiegał o możliwość instalacji nowoczesnego systemu rejestracji i lokalizacji wyładowań atmosferycznych w Polsce, jednakże wysokie koszty instalacji nie pozwoliły na to przedsięwzięcie.

Po katastrofalnych powodziach, jakie miały miejsce w Polsce w 1997 roku, IMGW dostało "zielone światło" na instalacje Systemu. System wykrywania i lokalizacji wyładowań atmosferycznych SAFIR 3000 swoją gotowość uzyskał w drugiej dekadzie 2001r.

DF - Direction Finding (technika znajdowania kierunku) - technika lokalizacji wyładowań atmosferycznych polegająca na wyznaczeniu kierunku (azymutu), względem kierunku odniesienia - zazwyczaj północy geograficznej, z jakiego nadeszła fala elektromagnetyczna wygenerowana przez wyładowanie. Dzięki dwóm azymutom poprzez triangulacje można jednoznacznie wyznaczyć położenie wyładowania.

TOA - Time-of-Arrival (technika czasu przybycia) - technika lokalizacji wyładowań atmosferycznych polegająca na wyznaczeniu położenia wyładowania poprzez porównywanie czasów rejestracji fali wygenerowanej przez wyładowanie atmosferyczne na różnych stacjach detekcji.

Zasada działania Systemów detekcji wyładowań atmosferycznych

Idea systemów detekcji wyładowań atmosferycznych sprowadza się do obserwacji zmian pole elektrycznego atmosfery Ziemi. Podczas wyładowań głównych (zwrotnych) przez kanał wyładowania pilotującego przepływa prąd o bardzo wysokim napięciu rzędu setek kV, co wywołuje silne zakłócenia pola elektrycznego atmosfery. Obecnie na świecie wszystkie detektory wyładowań opierają się o tą zasadę. Różnią się one jedynie zakresem pomiarowym pasm częstotliwości (od kHz do MHz). Zmierzone wartości zmiany pola elektrycznego porównuje się do wzorcowych charakterystyk otrzymanych doświadczalnie w wyniku wieloletnich pomiarów.

ALDF (zaawansowany czujnik znajdowania kierunku, z ang. Advanced Lightning Direction Finder) - detekcja tylko wyładowań doziemnych, zadawalającą dokładność uzyskujemy instalując minimum 3 czujniki, max zasięg detekcji wynosi około 600 km, przy zasięgu 100 km dokładność pomiaru wynosi 90%; był pierwszym czujnikiem wykorzystywanym do naziemnej detekcji i lokalizacji wyładowań atmosferycznych,

ATD (różnica czasu przybycia, z ang. Arrival Time Difference) system, który wykrywa i lokalizuje wyładowania atmosferyczne, dzięki obserwacji i rejestrowaniu tzw. radiotrzasków; wykorzystuje się tutaj technikę czasu przybycia TOA. Domyślna lokalizacja wyładowań to obszar od północnego Atlantyku po Morze Śródziemne, przy korzystnych warunkach wykrywa wyładowania w Ameryce Południowej, Afryce oraz wschodniej części Rosji; ilość detektorów - 7; ważnym elementem jest synchronizacja przesyłu danych z detektorów; został uruchomiony w 1986 roku jako następca pracującego od 1940 roku systemu CRDF (Cathode Ray Direction Finding); pojemność detekcyjna jednego sensora wynosi 4000 wyładowań na godzinę;

(patrz - prezentacja Badania nad wyładowaniami atmosferycznymi) Na zaprezentowanej stronie widać dane pochodzące z pomiarów wykonywanych przez system ATD zarządzany przez brytyjski UK Met-Office. Rozdzielczość mapy jest ograniczona do 0,5 stopnia tak dla szerokości jak i długości geograficznej. Dla obszaru Europy Środkowej jest to w przybliżeniu rozdzielczość 40 km x 40 km. Mapa jest odświeżana co 30 minut. Kolorowe kółka przedstawiają wykryte, zsumowane wyładowania atmosferyczne. Kolorem jest kodowana intensywność aktywności piorunowej, od barwy zielonej - mała aktywność do granatowej - aktywność intensywna. Ze względu na ograniczenia systemu ATD wyładowania są wykrywane z mała dokładnością, a ze względu na pojemność systemu zdarza się, że system wykrywa dużo mniej wyładowań niż rzeczywiście miało to miejsce.

(prezentacja - cd) Druga mapa również generowana jest w oparciu o dane z systemu ATD. Przedstawia stopień aktywności piorunowej, bez pokazywania lokalizacji poszczególnych wyładowań.

Kolorami jest kodowany czas wystąpienia wyładowania.

IMPACT (wykorzystuje technikę magnetycznego znajdowania kierunku MDF i technikę czasu przybycia TOA),protoplasta czujników ALDF; zasada działania opiera się na pomiarze indukowanej siły elektromotorycznej w antenie ramowej wywołanej zewnętrznym polem elektromagnetycznym; minimum 2 czujniki; czujniki IMPACT ES (wyładowania doziemne) i IMPACT ESP (wyładowania doziemne i chmurowe); synchronizacja rzędu 300-100 ns; na początku wykorzystywane przede wszystkim przez leśnictwo USA; zakres pomiarowy fal 1-350 kHz;

LDAR (z ang. Lightning Detection and Ranging) LDAR II; zaprojektowany i wykonany w NASA (osłona meteorologiczna dla lotów kosmicznych); w skład jego wchodzi 7 stacji pracujących w paśmie VHF (na częstotliwości 66MHz), z czego jedna to stacja centralna, gdzie spływają informacje z pozostałych sześciu, przy czym średnia odległość od stacji wynosi 10 km, technika TOA; możliwość rejestracji nawet do 6000 zdarzeń na s; dokładność systemu w odległości 10 km od stacji centralnej wynosi około 50 metrów;

LPATS (z ang. Lightning Positioning and Tracking System) II, III, IV (mała skuteczność, duże błędy pomiaru); to system wykorzystujący technikę czasu przybycia TOA w paśmie VLF i LF w oparciu o indukcje sygnałów elektrycznych w antenie odbiorczej stacji detekcji; min ilość stacji to 3 szt., wykrywa fale elektromagnetyczna wygenerowana przez wyładowanie atmosferyczne w paśmie częstotliwości do 2 do 500 kHz; pojemność systemu wynosi do 50 wyładowań na minutę;

Radiotrzaski - (spherics), wykorzystywane mogą być tzw. młynki elektrostatyczne (amerykańskie KSC na Florydzie) oraz płaskie, talerzowe anteny pole elektrycznego (ośrodek badawczy w Los Almos LANL w USA; wspomaga on satelitarny program badawczy FORTE;

LASA (z ang. Los Alamos Spherics Array); funkcjonuje jako wspomagające i weryfikujące satelitarny program badawczy pod nazwą FORTE; w sumie rozmieszczonych jest 11 stacji, przy czym odzielone są one na dwie podsieci (Texas oraz Floryda), idea systemu opiera się o zasadę rejestracji radiotrzasków, dokładność lokalizacji wyładowań jest mniejszy od 500 m (2 km) przy skuteczności wynoszącej 80% (70%; porównanie danych z LASA z danymi z systemu NLDN - National Lightning Detection Network);

SAFIR (z franc. Surveillance et d’Alerte Foudre par Interferometrie Radioelectrique) wykrywa wyładowania atmosferyczne przy pomocy interferometrii w paśmie bardzo wysokich częstotliwości VHF; system wykorzystuje głównie technika znajdowania kierunku DF;

TS 7000 i TS 8000 TS - z ang. Thunderstorm System; detekcja wyładowań doziemnych (TS7000) i całkowitej aktywności piorunowej (TS8000); wykorzystuje technikę znajdowania kierunky, czasu przybycia oraz interferometrii w paśmie VHF, dokładność systemu lokalizacji nie jest mniejsza niż 500m, skuteczność detekcji powyżej 90%, najmłodsze dziecko Dimensions (SAFIR) oraz GAI (IMPACT i LPATS); TS8000 są jedynymi czujnikami na świecie umożliwiającymi wykrywanie wszystkich typów wyładowań z taką skutecznością,

Międzynarodowe systemy detekcji i lokalizacji wyładowań atmosferycznych

Na dzień dzisiejszy na świecie działają 2 międzynarodowe stacje detekcji i lokalizacji wyładowań atmosferycznych o dużym zasięgu. Pierwsza z nich - EUCLID (European Cooperation for Lightning Detection) działająca w krajach europejskich swoim zasięgiem obejmuje obszar od Atlantyku po Morze Śródziemne, druga sieć działa w Ameryce Północnej - NALDN (North American Lightning Detection Network) swoim zasięgiem obejmuje USA oraz Kanadę.

EUCLID - powstała w 2000 roku sieć składa się z innych mniejszych sieci (m.in. BLDN- Benelux Lightning Detection Network; CELDN-Central European Lightning Detection Network); W skład sieci wchodzi 13 państw (m.in. Niemcy, Austria, Francja, Włochy, Norwegia, Szwecja Polska), przy czym sieci wchodzące w skład systemu zarządzane są przez różne instytucje ( w Polsce jest to SIEMENS). System europejski obecnie bazuje na 75 czujnikach różnych typów (m.in. IMPACT, IMPACT ES, IMPACTESP, LPATS etc.), z czego 3 zlokalizowane są z Polsce (LPATS IV), wszystkie detektory zsynchronizowane są przez satelitarny system GPS. Dane ze stacji przesyłane są do 2 jednostek centralnego przetwarzania danych w Karlsruhe (BLIDS, Niemcy) oraz w Wiedniu (ALDIS, Austria). Z każdego czujnika odo jednostki centralnej spływają następujące parametry:

czas wystąpienia wyładowania;
pozycja geograficzna wystąpienia wyładowania (długość i szerokość geograficzna);
prąd w kanale wyładowania;
polarność i krotność wyładowania;

Dokładność detekcji i lokalizacji wyładowań doziemnych Systemu EUCLID w porównaniu do Systemu PERUN jest porównywalna w zachodniej i południowo-zachodniej części Polski, przy czym pogarsza się w miarę oddalania od ów obszaru. Jeśli wziąć pod uwagę wyładowania chmurowe, System PERUN wypad tu znacznie lepiej.

(patrz - prezentacja Badania nad wyładowaniami atmosferycznymi) Strona prezentuje dane z sieci EUCLID za okres dwóch ostatnich godziny, z opóźnieniem jednogodzinnym. Obraz jest aktualizowany co 15 minut, a dane animowane.
Dodatkowo za pomocą krzyżyków (wyładowania dodatnie) i kresek (ujemne) jest przedstawiona polaryzacja wykrytych wyładowań. Jest to oficjalna strona sieci EUCLID.

NALDN - międzynarodowa sieć składająca się dwóch sieci krajowych - CLDN (Canadian Lightning Detection Network) oraz amerykańskiej NLDN (National Lightning Detection Network). Sieć pomiarowa składa się z 199 czujników różnych typów (głównie IMPACTES, IMPACT ESP, LPATS IV). Łączność pomiędzy poszczególnymi stacjami i jednostką centralną zapewniają łącza satelitarne o dużej przepustowości. Centrum przetwarzania danych znajduje się w Tucson, skąd dane rozsyłane są do użytkowników. Idea sieci oparta jest o technikę znajdowania kierunku DF oraz czasu przybycia TOA.

Sieć NALDN została specjalnie zaprojektowana do wykrywania wyładowań doziemnych; wyładowania chmurowe są wykrywane z małą skutecznością.

Dzięki ostatnim modernizacjom, jakom poddana została sieć NALDN, znacznie poprawiono detekcje słabych sygnałów (sygnałów o niskiej amplitudzie), zmniejszono czas bezwładności (czas na przetworzenie zarejestrowanych danych) czujników do 1 milisekunda, przez co czujnik może rejestrować więcej wyładowań (podczas przetwarzania danych czujniki nie mogły rejestrować nowych wyładowań). Wprowadzono w stacji detekcji definiowanie kryteriów wyboru, dzięki czemu można zmieniać definicje fali wzorcowej, do której jest porównywana wykryta fala elektromagnetyczna.

Średnia skuteczność detekcji sieci NLDN wynosi ok. 90% przy dokładności lokalizacji około 500 metrów, w założeniu sieć powinna wykrywać do 45000 wyładowań atmosferycznych na godzinę, choć po kilku latach eksploatacji stwierdzono, że maksymalna liczba wyładowań na godzinę nie przekraczała 25000.

Systemy satelitarne

Pierwsze systemy satelitarne dokonujące detekcji oraz lokalizacji wyładowań atmosferycznych zaczęły swoje obserwacje w latach 60 ubiegłego wieku. Idea działania opierała się na technikach detekcji promieniowania optycznego i elektromagnetycznego.

Przy detekcji promieniowania optycznego zaletą była prosta budowa czujnika oraz sprawdzona i niezawodna technologia w przypadku pracy operacyjnej, wadą natomiast duża niepewność pomiaru, brak możliwości wyznaczania charakterystyk (parametrów) wyładowania atmosferycznego oraz brak możliwości dyskryminacji pomiędzy wyładowaniami różnych typów. Poza tym w dzień przy ograniczonej widoczności detekcja wyładowań po prostu była niemożliwa.

Problem czujników optycznych z detekcją w ciągu dnia został rozwiązany przez czujniki detekcji fal elektromagnetycznych. Zaletą tych czujników jest niezakłócona przez chmury detekcja sygnałów elektromagnetycznych wywołanych przez wyładowania atmosferyczne (naturalnie również w dzień) oraz możliwość dyskryminacji ze względu na rodzaj wyładowania (doziemne, chmurowe). Poza tym detektory fal elektromagnetycznych umożliwiają określenie długości kanału wyładowania oraz stałą i jednolitą skuteczność detekcji. Wadą tego rodzaju systemu jest konieczność umieszczania na orbicie rozbudowanych anten oraz konieczność silnego wzmacniania słabego natężenia sygnałów, przez co system musi prowadzić silną dyskryminację odbieranych fal elektromagnetycznych (wywołanych innymi urządzeniami).

OTD (Optical Transient Detector) - pierwszy czujnik optycznego wykrywania wyładowań atmosferycznych poprzez detekcje promieniowani optycznego wyniesiony na orbitę dnia 3 kwietnia 1995 roku. Pracował on na satelicie okrążającym Ziemie na wysokości 740 km z inklinacja 70 stopni względem równika.

Główna zaleta OTD, w stosunku do poprzednich generacji czujników, była możliwość obserwacji wyładowań zarówno w dzień jak i w nocy. Poprzednie generacje czujników mogły wykrywać wyładowania atmosferyczne tylko nocą. Poza tym w stosunku do swoich poprzedników OTD odznaczał się wyższą skutecznością detekcji i wyższą przestrzenną rozdzielczością prowadzonych obserwacji. Elementem centralnym sensora był czujnik optyczny podobny w działaniu do kamery telewizyjnej, ale unikalny dzięki konstrukcji i przeznaczeniu. Wysokość orbity, na jakiej został umieszczony czujnik OTD oraz ogniskowa systemu soczewek pozwalały na jednoczesna obserwacje na powierzchni Ziemi obszaru o wymiarach 1300x1300 km. W rezultacie otrzymywano obraz o rozdzielczości 128x128 pikseli, dzięki czemu osiągano rozdzielczość przestrzenna ok. 10 km. Rozdzielczość czasowa wynosiła ok. 2 ms. Szacowana skuteczność detekcji wynosiła od ok. 40% do ok. 65 %.
Zaprojektowany z myślą o dwuletnich pomiarach przebywał na orbicie do 23 marca 2000 roku.

LIS (Ligthtning Imaging Sensor). Został zaprojektowany głównie do badania zmienności rozkładu całkowitej aktywności piorunowej (wyładowań chmurowych i doziemnych) w obszarach tropikalnych. Został wyniesiony na orbitę 28 listopada 1997 roku na pokładzie satelity TRMM (z ang. Tropical Rainfall Measuring Mission). Satelita TRMM porusza się na wysokości 350 km, przy inklinacji 30 stopni względem równika. Czujnik składa się z optycznego elementu wizualizującego, zoptymalizowanego do wykrywania i lokalizacji wyładowań atmosferycznych przy rozdzielczości przestrzennej od ok. 4 do ok. 7 km. Obszar jednocześnie pokrywany przez czujnik wynosi na powierzchni Ziemi 600x600 km. Satelita TRMM przemieszcza się z prędkością 7 km na sekundę, dlatego maksymalny czas obserwacji danego punktu wynosi 90 sekund. Jest to czas wystarczający do oszacowania całkowitej aktywności burzowej. LIS rejestruje czas wystąpienia wyładowania, wypromieniowaną energię oraz lokalizacje wyładowania. Dzięki zaawansowanym technikom przetwarzania obrazu LIS rejestruje wyładowania także w dzień, dzięki czemu osiąga około 90% skuteczności detekcji. Dane z sensora służą głównie do badań zjawisk mezoskalowych takich jak: konwekcja, dynamika i mikrofizyka burz.

LMS (Lightning Mapper Sensor) Kolejny projekt NASA, którego celem jest praca nad nowej generacji czujnikiem do optycznego obrazowania aktywności wyładowań atmosferycznych.

FORTE (Fast Onboard Recording of Transient Events); pierwszy detektor aktywności atmosferycznej, który poza obrazowaniem optycznym dokonywał również detekcji zaburzeń pola elektrycznego atmosfery ziemskiej. Został wyniesiony na orbitę ziemską dnia 19 sierpnia 1997 roku. Głównym celem projektu było opracowanie detektora do celów naukowych badań wyładowań atmosferycznych oraz do badania jonosfery. Mimo to, fundusze na projekt poszły z Ministerstwa Obrony Narodowej USA. Detektor pracuje na wysokości 825 km i przy inklinacji 70 stopni w stosunku do równika obejmuje on swoją detekcja prawie cały Glob.

W skład modułu FORTE wchodzi:

Szerokopasmowy odbiornik VHF do detekcji promieniowania radiowego (zaprojektowany i zbudowany w LANL. Składa się z dwóch niezależnych odbiorników. Do wykrywania wyładowań stosuje się zazwyczaj pasma 26-48 MHz oraz 118-140 MHz.
Szerokopasmowa fotodioda do detekcji promieniowania optycznego (zaprojektowana i zbudowana przez SNL. Pracuje ona w paśmie podczerwonym o długości fali od 400 do 1100 nm, rejestruje fale optyczne z podczas 2 ms (podczas jednego wyładowania). Kąt obserwacji wynosi około 80 stopni, co odpowiada obszarowi obserwacji na powierzchni Ziemi o rozmiarach 1200x1200 km.
Waskopasmowa matryca CCD; detekcja promieniowania optycznego (zaprojektowana i zbudowana przez SNL). Matryca o rozmiarach 128x128 pikseli pracująca na fali o długości 777,6 nm. Jeden piksel odpowiada obszarowi obserwacji na powierzchni Ziemi o rozmiarach 10x10 km. Czujniki optyczne zostały opracowane z wykorzystaniem doświadczeń nabytych przy budowie czujników OTD i LIS, przy czym elektronika została opracowana przez SNL.

Detektory zainstalowane na satelicie FORTE wykrywają, rejestrują oraz analizują krótkotrwałe sygnały o częstotliwościach radiowych i optycznych, generowane przez wyładowania atmosferyczne, pochodzące z powierzchni Ziemi. Dane uzyskiwane z pomiarów były porównywane z wieloma naziemnymi systemami (niektóre zostały zbudowane specjalnie z myślą o weryfikacji wyników FORTE) takimi jak: NLDN, LASA (z ang. Los Alamos Sferics Array), ATD. Dzięki kombinacji technik wykrywających, w paśmie optycznym i radiowym, sygnały elektromagnetyczne pochodzące od wyładowań atmosferycznych możliwa jest dyskryminacja pomiędzy typami wyładowań, a nawet miedzy poszczególnymi etapami danego wyładowania.

ORAGES (Observation Radioélectrique et Analyse Goniométrique des Eclairs par Satellite) projekt francuskiego Centrum Badań Kosmicznych ONERA rozpoczęty w 1998 roku. Celem projektu było opracowanie i zbudowanie detektora wykrywającego wyładowania atmosferyczne przez detekcję fal elektromagnetycznych.

Detektor ma zostać wyniesiony na orbitę ziemską przy współpracy z francuską agencjąlotów kosmicznych CNES.

Główne założenia projektu:

Detekcje, lokalizacje i próbkowanie czasowe źródeł fal elektromagnetycznych pochodzących od wyładowań atmosferycznych w paśmie VHF;
Pole obserwacji 1000x1000 km, przy rozdzielczości przestrzennej lepszej niż 15x15 km.;
Rekonstrukcja kanału wyładowania oparta na lokalizacji serii źródeł spełniających progi czasowe i przestrzenne;
Szacowanie całkowitej długości kanału wyładowania;
Dyskryminacja pomiędzy różnymi typami wyładowań oraz fazami poszczególnych wyładowań;

Wg planów satelita będzie poruszał się po orbicie na wysokości 750-850 km i z inklinacją 20-25 stopni względem równika. Planowany czas pracy czujnika na orbicie wynosi 2 lata. Generalnie sposób i ideologia pomiaru jest podobna jak dla naziemnych, interferometrycznych systemów SAFIR. Prototypowy detektor składa się z pięciu anten rozmieszczonych w układzie gwiazdy, przy czym pracuje on na częstotliwości 120 MHz i ma średnicę 3 metrów. W październiku 2001 roku wykonano próbne pomiary wynosząc prototyp na balonie gondolowym. Pozwoliło to na sprawdzenie poprawności pracy układu antenowego, odbiornika analogowego, przetwarzania sygnałów itp. Główne zadania badawcze dla ORAGES to wykrywanie wszystkich typów wyładowań, a dzięki temu badanie układów konwekcyjnych, badania klimatologiczne, badania produkcji tlenków azotu

NOx, analiza promieniowania elektromagnetycznego generowane przez wyładowania atmosferyczne.

Zasada działania system detekcji i lokalizacji wyładowań elektrycznych SAFIR

System detekcji i lokalizacji wyładowań elektrycznych 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.

System bazuje 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 teoretycznie dwie anteny prętowe. Do wyznaczenia jednoznacznej wartości kąta azymutu potrzeba 2 par anten. W celu zwiększenia dokładności lokalizacji stosuje się w praktyce 5 par anten prętowych. Ponieważ amplitudy sygnałów są równe, więc różnią się tylko fazą. Różnica faz sygnałów wyidukowanych 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 (kierunki rozchodzenia się fal w stosunku do kierunku północnego) z kilku stacji detekcji można wyznaczyć przez triangulację dokładne położenie źródła emitującego fale - położenia wyładowania piorunowego. W skład systemu SAFIR (rysunek obok) wchodzi sieć stacji detekcji, centralny system przetwarzania danych CPS oraz terminale użytkowników. 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 rozmieszczając stacje w miastach: Białystok, Olsztyn, Toruń, Gorzów Wlkp., Kalisz, Częstochowa, Sandomierz, Włodawa i Warszawa. System SAFIR w Polsce uruchomiono w 2002 roku.

Ponieważ średnia odległość między dwoma najbliższymi stacjami lokalizacyjnymi wynosi ok. 200 km (waha się od 145 km do 225 km), ważnym dopełnieniem całego układu systemu detekcji wyładowań atmosferycznych była synchronizacja czasowej poszczególnych stacji. Dokonano tego za pomocą satelitarnego systemu GPS. Każda stacja wykonuje kątową, interferometryczną lokalizację wyładowania atmosferycznego. Dane wyładowania z każdej stacji przesyłane są łączami satelitarnymi (w Białymstoku i Warszawie przez sieć IMGW) do CPS, gdzie grupuje się dane z odpowiednich przedziałów czasowych z poszczególnych stacji w celu uzyskania lokalizacji oraz parametrów wyładowania atmosferycznego oraz oblicza dokładne położenie wyładowania za pomocą techniki triangulacyjnej i jego parametry (wyładowania).

W celu zapewnienia odpowiedniej łączności w systemie korzysta się z łącz WAN o przepustowości wystarczającej do przesyłania danych burzowych ze stacji, nawet w czasie intensywnych burz (do niedawna korzystano z łączności satelitarnej, ale przez zbyt wysokie koszty eksploatacji oraz względu na mniejszość praktyczność połączenia zaniechano tego typu łączności). Do podstawowych informacji przesyłanych przez każdą stację lokalizacyjną należą m.in. data i dokładny czas wyładowania, lokalizacja, czas narastania i czas zaniku impulsu prądowego, amplituda pola elektromagnetycznego i inne. Dane poddawane są analizie poprzez specjalny program.

Po przetworzeniu otrzymujemy lokalizację wyładowania (długość i szerokość geograficzna), wartość prądu w kanale wyładowania, czasy narastania i zaniku impulsu prądowego, typ wyładowania, polaryzację i inne.

Odbierane i przetwarzane dane są archiwizowane w dwojaki sposób: jako dane pierwotne (dane źródłowe ze stacji detekcji) oraz jako wtórne (obliczone lokalizacje i parametry wyładowania atmosferycznego). Zgromadzone dane są archiwizowane w IMGW na płytach CD oraz DVD. Archiwizacja umożliwia późniejsze wykorzystanie danych piorunowych zarówno do ekspertyz, jak i do dalszych badań, m.in. aktywności piorunowej i innych. Przetworzone dane są wysyłane do użytkowników końcowych systemu, tj. biur prognoz IMGW, oraz innych użytkowników. Do wizualizacji danych wykorzystuje się program PDM.

Stacja detekcji

Stacja detekcji wykrywa fale elektromagnetyczne generowane przez wszystkie typy wyładowań (chmurowe i doziemne) oraz mierzy parametry elektryczne. Każda ze stacji detekcyjnych składa się z:

zestawu anten prętowych,
skrzynki z elektroniką sterującą pracą stacji oraz wykonującą podstawowe pomiary i obliczenia,
konwertera optycznego,
modemu wysyłającego dane,
zestawu do transmisji i odbioru sygnałów przez satelitę (opcjonalnie).

ALDF (z ang. Advanced Lightning Detection Finder) - system detekcji i lokalizacji wyładowań atmosferycznych pracujący w częstotliwościach 1 kHz - 1 MHz, wykrywający głównie wyładowania doziemne w oparciu o technikę magnetycznego znajdowania kierunku. Protoplasta systemów IMPACT, wykorzystywany jeszcze w wielu krajach, jak np.: USA, Brazylia, Hiszpania i inne.

ATD (z ang. Arrival Time Difference) - brytyjski system detekcji i lokalizacji wyładowań atmosferycznych pracujący w paśmie bardzo niskich częstotliwości VLF, wykrywający głównie wyładowania doziemne w oparciu o technikę czasu przybycia

CAPE (ang. Convective Available Potential Energy) - wskaźnik dostępnej, potencjalnej energii konwekcyjnej. Definiuje ilość energii dostępnej dla konwekcji. Bezpośrednio związany z potencjalna prędkością pionową w prądach wznoszących, dlatego wysokie wartości CAPE wskazują na wyższe prawdopodobieństwo wystąpienia groźnych zjawisk.

EUCLID (z ang. European Cooperation for Lightning Detection) - europejska siec wykrywania i lokalizacji wyładowań atmosferycznych zrzeszająca kilka innych mniejszych sieci, jak m.in.: CELDN, BLDN, ALDIS, NORDLIS i inne. Wykrywa głównie wyładowania doziemne.

IMPACT (z ang. Improved Performance from Combined Technology) - system detekcji i lokalizacji wyładowań atmosferycznych pracujący w niskich częstotliwościach LF (poniżej 1 MHz), wykrywający wyładowania doziemne w oparciu o połączoną technikę magnetycznego znajdowania kierunku i czasu przybycia. Systemy tego typu są szeroko rozpowszechnione na świecie i pracują m.in. w USA, Chinach, Norwegii, Szwecji i innych krajach.

LDAR (LDAR II, z ang. Lightning Detection and Ranging) - system detekcji i lokalizacji wyładowań atmosferycznych pracujący w częstotliwościach VHF (50-120 MHz), wykrywający wyładowania doziemne i chmurowe w oparciu o technikę TOA. Systemy tego typu pracują obecnie głównie w USA.

LPATS (LPATS III, LPATS IV, z ang. Lightning Positioning and Tracking System) - systemy detekcji i lokalizacji wyładowań atmosferycznych pracujące w niskich częstotliwościach LF i VLF, wykrywający wyładowania doziemne w oparciu o technikę czasu przybycia. Systemy tego typu pracują obecnie w m.in.: USA, Australii, Austrii, Szwajcarii i innych.

NALDN (z ang. North American Lightning Detection Network) - północnoamerykańska (międzynarodowa) sieć detekcji i lokalizacji wyładowań atmosferycznych składająca się z dwóch sieci: amerykańskiej NLDN i kanadyjskiej CLDN.

PERUN - zbudowany w 2001 roku system detekcji i lokalizacji wyładowań atmosferycznych pracujący w IMGW, typu SAFIR 3000.

SAFIR - system detekcji i lokalizacji wyładowań atmosferycznych pracujący w wysokich częstotliwościach VHF (110 - 118 MHz). Wykrywa, w oparciu o technikę interferometrycznego znajdowania kierunku wyładowania doziemne i chmurowe. Systemy tego typu pracują obecnie m.in. w: Polsce (PERUN), Rumunii, Chinach, USA, Francji, Węgrzech i innych krajach.

ELF (z ang. Extremely Low Frequency) - ekstremalnie niskie częstotliwości - zakres fal radiowych (pasmo radiowe) o częstotliwości: 30-300 Hz i długości 1000-10 tys. km.

LF (z ang. Low Frequency) - fale długie (fale kilometrowe), zakres fal radiowych (pasmo radiowe) o częstotliwości: 30-300 kHz i długości 10-1 km.

VHF (z ang. Very High Frequency) - zakres fal radiowych (pasmo radiowe) o częstotliwości: 30-300 MHz i długości 10-1 m.

VLF (z ang. Very Low Frequency) - Fale bardzo długie (fale myriametrowe), zakres fal radiowych (pasmo radiowe) o częstotliwości: 3-30 kHz i długości 10-100 km.

DF z ang. Direction Finding - technika lokalizacji wyładowań atmosferycznych polegająca na wyznaczeniu kierunku (azymutu), względem kierunku odniesienia - zazwyczaj północy geograficznej, z jakiego nadeszła fala elektromagnetyczna wygenerowana przez wyładowanie. Dzięki dwóm azymutom poprzez triangulacje można jednoznacznie wyznaczyć położenie wyładowania.

TOA z ang. Time-of-Arrival - technika lokalizacji wyładowań atmosferycznych polegająca na wyznaczeniu położenia wyładowania poprzez porównywanie czasów rejestracji fali wygenerowanej przez wyładowanie atmosferyczne na różnych stacjach detekcji.

Pojemność detekcji stacji, systemu - liczba wyładowań, jaka może być wykryta i zlokalizowana przez system w jednostce czasu. Im wyższa tym więcej wyładowań można wykryć i zlokalizować w jednostce czasu. Uzależniona głównie od generacji i typu czujnika tj. wersji sprzętu oraz oprogramowania. W przypadku czujników uzależniona -ciśle od rodzaju łączności i szybkości transmisji łącza.

Źródło:

Autor: Noe_83.

(

Tematy pokrewne:

Referaty i opracowania: Wyładowania atmosferyczne.
GeoZone.pl © 2004-2025 Damian Nowak i Rafał Czerwonka. [polityka prywatności] [kontakt]