Yıldırım algılama - Lightning detection

Florida'daki Kennedy Uzay Merkezi'nde yıldırım dedektörü.

Bir yıldırım detektör tarafından üretilen yıldırım tespit eden bir cihazdır gök . Üç ana dedektör türü vardır: birden çok anten kullanan yer tabanlı sistemler , aynı konumda (genellikle bir uçakta) bir yön ve bir algılama anteni kullanan mobil sistemler ve uzay tabanlı sistemler .

Bu tür ilk cihaz 1894'te Alexander Stepanovich Popov tarafından icat edildi . Aynı zamanda dünyadaki ilk radyo alıcısıydı .

Yer tabanlı ve mobil dedektörler, yıldırımın yaydığı karakteristik frekansların analizi ile birlikte radyo yön bulma tekniklerini kullanarak mevcut konumdan yıldırımın yönünü ve şiddetini hesaplar . Yer tabanlı sistemler , mesafeyi belirlemek için birden çok konumdan nirengi kullanır , mobil sistemler ise sinyal frekansı ve zayıflatmayı kullanarak mesafeyi tahmin eder . Uydulardaki uzay tabanlı dedektörler, yıldırım menzilini, yönünü ve yoğunluğunu doğrudan gözlemle bulmak için kullanılabilir.

Toprak tabanlı yıldırım dedektörü ağları gibi meteorolojik hizmetler tarafından kullanılan Ulusal Hava Servisi de ABD , Kanada Meteoroloji Servisi , Yıldırım Algılama Avrupa İşbirliği (EUCLID) Ubiquitous Meteoroloji Enstitüsü ( Ubimet ) ve benzeri diğer kuruluşlar tarafından elektrik hizmetleri ve orman yangını önleme hizmetleri.

Sınırlamalar

Yıldırım tespiti için kullanılan her sistemin kendi sınırlamaları vardır. Bunlar şunları içerir:

  • Yer tabanlı tek bir yıldırım ağı, kabul edilebilir bir hata payı ile onu bulmak için en az üç antenli bir flaşı algılayabilmelidir. Bu genellikle buluttan buluta yıldırımın reddedilmesine yol açar, çünkü bir anten flaşın başlangıç ​​bulutundaki konumunu ve diğer anten alıcı olanı algılayabilir. Sonuç olarak, yer tabanlı ağlar, özellikle buluttan buluta yıldırımın yaygın olduğu fırtınaların başlangıcında, flaş sayısını hafife alma eğilimindedir.
  • Birden fazla konum ve uçuş süresi algılama yöntemlerini kullanan yere dayalı sistemler, konumu hesaplamak için çarpma ve zamanlama verilerini toplamak için merkezi bir cihaza sahip olmalıdır. Ek olarak, her algılama istasyonu, hesaplamada kullanılan hassas bir zamanlama kaynağına sahip olmalıdır.
  • Nirengi yerine zayıflatma kullandıklarından, mobil dedektörler bazen yanlışlıkla yakınlarda zayıf bir yıldırım flaşını daha uzakta güçlü bir flaş olarak gösterir veya tam tersi.
  • Uzay tabanlı yıldırım ağları, bu sınırlamaların hiçbirinden muzdarip değildir, ancak bunlar tarafından sağlanan bilgiler, yaygın olarak mevcut olduğunda genellikle birkaç dakika eskidir ve bu, onu hava navigasyonu gibi gerçek zamanlı uygulamalar için sınırlı bir kullanım alanı haline getirir.

Yıldırım dedektörleri ve hava durumu radarı

Bir gök gürültülü fırtına yaşam döngüsü ve bir hava durumu radarından alınan ilişkili yansımalar
Fırtına içinde ve çevresinde elektrik yüklerinin ve yıldırım çarpmalarının dağılımı

Yıldırım dedektörleri ve hava durumu radarı fırtınaları tespit etmek için birlikte çalışır. Yıldırım dedektörleri elektriksel aktiviteyi gösterirken, hava durumu radarı yağışları gösterir. Her iki olay da gök gürültülü fırtınalarla ilişkilidir ve fırtınanın gücünü göstermeye yardımcı olabilir.

Sağdaki ilk resim bir fırtınanın yaşam döngüsünü göstermektedir :

  • Kararsızlık nedeniyle hava yukarı doğru hareket ediyor.
  • Yoğuşma meydana gelir ve radar yerin üstündeki yankıları (renkli alanlar) tespit eder.
  • Sonunda yağmur damlalarının kütlesi yukarı yönlü hareket tarafından sürdürülemeyecek kadar büyüktür ve yere doğru düşer.

Bulut, yıldırım üretilmeden önce belirli bir dikey düzeye kadar gelişmelidir, bu nedenle genellikle hava durumu radarı, yıldırım dedektöründen önce gelişen bir fırtınayı gösterecektir. Bir yağmur bulutunun gök gürültülü fırtınaya dönüşüp dönüşmeyeceği erken dönüşlerden her zaman net değildir ve hava durumu radarı bazen radara yakın yağışların daha uzağa (belki daha yoğun) yağışları gizleyebileceği zayıflama yoluyla bir maskeleme etkisinden muzdariptir . Yıldırım dedektörleri maskeleme etkisine sahip değildir ve bir duş bulutu fırtınaya dönüştüğünde doğrulama sağlayabilir.

Yıldırım, radar tarafından kaydedilen yağışın dışında da bulunabilir. İkinci resim, şimşek bulutunun örsünden (üst kısım üst rüzgarlar tarafından kümülonimbus bulutunun önüne savrulan) veya yağmur şaftının dış kenarından çarpmalar başladığında bunun gerçekleştiğini göstermektedir . Her iki durumda da, yakınlarda bir yerde hala bir radar yankısı alanı var.

Havacılık kullanımı

Hava durumu radarı, türbülansa da neden olan daha küçük fırtınaları algılayabildiğinden, büyük yolcu uçakları yıldırım dedektörlerine göre hava durumu radarını kullanma olasılıkları daha yüksektir; bununla birlikte, modern aviyonik sistemler ek güvenlik için genellikle yıldırım algılamayı da içerir.

Özellikle daha küçük uçaklar için, genel havacılık , iki ana (genellikle şu şekilde de ifade yıldırım detektör markalar bulunmaktadır sferics kısa, radyo atmosferik :) Stormscope Ryan (daha sonra BF Goodrich) tarafından orijinal olarak üretilen şu anda, L-3 Communications tarafından ve Strikefinder Insight tarafından üretilen,. Strikefinder , IC (bulut içi) ve CG (buluttan yere) grevlerini algılayıp düzgün bir şekilde görüntüleyebilir, ayrıca gerçek vuruşlar ile İyonosferden yansıyan sinyal sekmeleri arasında ayrım yapabilir. Yıldırım dedektörleri ucuz ve hafiftir, bu da onları hafif uçak sahipleri için çekici kılar (özellikle uçak burnunun bir anten kaportasının montajı için mevcut olmadığı tek motorlu uçakların ).

Profesyonel kalitede taşınabilir yıldırım dedektörleri

Müze Avlusunda yıldırım sayacı

Pahalı olmayan taşınabilir yıldırım dedektörlerinin yanı sıra , uçakta kullanılanlar gibi diğer tek sensörlü yıldırım haritacıları , özellikle bulut içi (IC) yıldırım için yanlış sinyallerin algılanması ve zayıf hassasiyet gibi sınırlamalara sahiptir . Profesyonel kalitede portatif yıldırım dedektörleri, bu alanlardaki performansı, birbirini kolaylaştıran çeşitli tekniklerle iyileştirir ve böylece etkilerini büyütür:

  • Yanlış sinyal eliminasyonu: Bir yıldırım deşarjı, hem bir radyo frekansı (RF) elektromanyetik sinyalini - genellikle bir AM radyoda "statik" olarak deneyimlenir - hem de görünür "flaşı" içeren çok kısa süreli ışık atımları üretir . Bu sinyallerden yalnızca birini algılayarak çalışan bir yıldırım dedektörü, yıldırım dışındaki kaynaklardan gelen sinyalleri yanlış yorumlayarak yanlış alarm verebilir. Spesifik olarak, RF tabanlı dedektörler, RF Paraziti veya RFI olarak da bilinen RF gürültüsünü yanlış yorumlayabilir . Bu tür sinyaller, otomatik ateşlemeler, flüoresan ışıklar, TV setleri, ışık anahtarları, elektrik motorları ve yüksek voltaj kabloları gibi birçok yaygın çevresel kaynak tarafından üretilir. Benzer şekilde, ışık flaşı tabanlı dedektörler, pencerelerden yansımalar, ağaç yapraklarından geçen güneş ışığı, geçen arabalar, TV setleri ve flüoresan ışıklar gibi ortamda üretilen titreyen ışığı yanlış yorumlayabilir.

Bununla birlikte, RF sinyalleri ve ışık atımları, yıldırım tarafından üretilmedikçe nadiren aynı anda meydana geldiğinden, RF sensörleri ve ışık atımı sensörleri, bir çıktı üretmek için aynı anda her iki tür sinyali de gerektiren bir " çakışma devresine " bağlanabilir . Böyle bir sistem bir buluta yönlendirilirse ve o bulutta şimşek meydana gelirse, her iki sinyal de alınacaktır; çakışma devresi bir çıktı üretecektir; ve kullanıcı sebebin yıldırım olduğundan emin olabilir. Gece bir bulutun içinde şimşek boşalması meydana geldiğinde, bulutun tamamı aydınlanıyormuş gibi görünür. Gün ışığında bu bulut içi flaşlar nadiren insan gözü tarafından görülebilir; yine de optik sensörler bunları algılayabilir. İlk görevlerde uzay mekiğinin penceresinden bakan astronotlar, çok aşağıda parlak gün ışığı alan bulutlarda şimşeği algılamak için optik sensörler kullandılar. Bu uygulama , önceki cihazlar tarafından algılanan " sferik " sinyallerin yanı sıra ışık flaşlarını kullanan çift sinyalli taşınabilir yıldırım dedektörünün geliştirilmesine yol açtı .

  • Gelişmiş Hassasiyet: Geçmişte, hem yerde kullanım için ucuz taşınabilir hem de pahalı uçak sistemleri olan yıldırım dedektörleri, düşük frekanslı radyasyon tespit etti, çünkü düşük frekanslarda buluttan yere (CG) yıldırım tarafından üretilen sinyaller daha güçlüdür (daha yüksek genlik) ve bu nedenle tespit edilmesi daha kolaydır. Bununla birlikte, RF gürültüsü de düşük frekanslarda daha güçlüdür. RF gürültü alımını en aza indirmek için, düşük frekanslı sensörler düşük hassasiyette (sinyal alım eşiği) çalıştırılır ve bu nedenle daha az yoğun yıldırım sinyallerini algılamaz. Bu, uzaklığın karesiyle birlikte sinyal yoğunluğu azaldığından, yıldırımı daha uzun mesafelerde algılama yeteneğini azaltır. Ayrıca, genellikle CG flaşlarından daha zayıf olan bulut içi (IC) flaşların algılanmasını da azaltır.
  • Geliştirilmiş Intracloud Yıldırım Algılama: Optik sensör ve çakışma devresinin eklenmesi, yalnızca RF gürültüsünün neden olduğu yanlış alarmları ortadan kaldırmakla kalmaz; aynı zamanda RF sensörünün daha yüksek hassasiyette çalıştırılmasına ve IC yıldırımının daha yüksek frekans karakteristiğini algılamasına ve IC sinyallerinin daha zayıf yüksek frekans bileşenlerinin ve daha uzaktaki flaşların algılanmasına olanak tanır.

Yukarıda açıklanan iyileştirmeler, dedektörün birçok alanda kullanımını önemli ölçüde artırır:

  • Erken uyarı: IC yanıp sönmelerinin tespiti önemlidir, çünkü bunlar genellikle CG yanıp sönmeden [kaynak?] 5 ila 30 dakika önce meydana gelir ve bu nedenle gelişen fırtınalar için daha erken uyarı sağlayabilir [kaynak?], Dedektörün kişisel güvenlikteki etkinliğini büyük ölçüde artırabilir. ve fırtına tespit uygulamaları, yalnızca CG algılayıcısına [kaynak?] kıyasla. Artan hassasiyet, aynı zamanda, daha uzak olan ancak kullanıcıya doğru ilerleyebilecek halihazırda gelişmiş fırtınalar için uyarı sağlar. [kaynak?]
  • Fırtına konumu: Gün ışığında bile, " fırtına avcıları ", gök gürültüsü bulutlarını belirli bir mesafeden ayırt etmek için tek bir buluta yöneltilebilen yönlü optik dedektörleri kullanabilir . Bu, kasırga üreten en güçlü fırtınaların belirlenmesi için özellikle önemlidir , çünkü bu tür fırtınalar, daha zayıf kasırga olmayan fırtınalara göre daha yüksek frekanslı radyasyonla daha yüksek parlama hızları üretir.
  • Mikro patlama tahmini: IC flaş algılama ayrıca mikro patlamaları tahmin etmek için bir yöntem sağlar . Konvektif hücrelerdeki yukarı yönlü akım, aynı hacimde karışık fazlı hidrometörlerin (su ve buz parçacıkları) var olabilmesi için yeterince soğuk irtifalara ulaştığında elektriklenmeye başlar. Elektriklenme, buz parçacıkları ile su damlaları veya su kaplı buz parçacıkları arasındaki çarpışmalardan kaynaklanır. Daha hafif buz parçacıkları (kar) pozitif olarak yüklenir ve bulutun orta kısmında negatif yüklü su damlalarını geride bırakarak bulutun üst kısmına taşınır. Bu iki yük merkezi, yıldırım oluşumuna yol açan bir elektrik alanı oluşturur. Yukarıya doğru çekme, tüm sıvı su buza dönüşene kadar devam eder ve bu da yukarı yönlü hareketi süren gizli ısıyı serbest bırakır . Tüm su dönüştürüldüğünde, yukarı doğru çekilme, yıldırım hızında olduğu gibi hızla çöker. Böylelikle, çoğunlukla IC deşarjları nedeniyle yıldırım oranındaki büyük bir değere yükselme ve ardından hızdaki hızlı düşüş, parçacıkları aşağıya doğru bir patlamada aşağıya taşıyan yukarı yönlü hareketin çöküşünün karakteristik bir sinyalini sağlar. Buz parçacıkları bulut tabanının yakınında daha yüksek sıcaklıklara ulaştığında eriyerek atmosferik soğumaya neden olurlar; aynı şekilde su damlaları da buharlaşarak soğumaya neden olur. Bu soğutma, mikro patlamalar için itici güç olan hava yoğunluğunu arttırır. “Fırtınalı cephelerdeki” genellikle gök gürültülü fırtınaların yakınında yaşanan soğuk hava bu mekanizmadan kaynaklanır.
  • Fırtına tanımlama / izleme: IC tespiti ve gözlemiyle tanımlanan bazı gök gürültülü fırtınalar, CG flaşları yapmaz ve bir CG algılama sistemi ile tespit edilemez. IC flaşları da birçok kez CG kadar sıktır, bu nedenle daha sağlam bir sinyal sağlar. IC flaşlarının görece yüksek yoğunluğu (birim alan başına sayı), yıldırım haritalanırken konvektif hücrelerin tanımlanmasına izin verirken, CG şimşekleri, tipik olarak yaklaşık 5 km çapında olan hücreleri tanımlamak için çok az ve çok uzaktır. Bir fırtınanın son aşamalarında, CG flaş aktivitesi azalır ve fırtına sona ermiş gibi görünebilir - ancak genellikle orta irtifa ve daha yüksek sirrus örs bulutlarında kalıntıda hala IC aktivitesi vardır, bu nedenle CG yıldırım potansiyeli hala mevcuttur .
  • Fırtına yoğunluğu ölçümü: IC algılamanın bir başka avantajı, flaş hızının (dakika başına sayı) gök gürültüsü içindeki yukarı çekişlerin konvektif hızının 5. gücüyle orantılı olmasıdır. Bu doğrusal olmayan yanıt, bulut yüksekliğindeki, radarda neredeyse hiç gözlemlenemeyen küçük bir değişikliğin, flaş hızında büyük bir değişikliğin eşlik edeceği anlamına gelir. Örneğin, bulut yüksekliğinde neredeyse hiç fark edilmeyen% 10'luk bir artış (bir fırtına şiddeti ölçüsü), kolayca gözlemlenebilen toplam flaş oranında% 60'lık bir değişikliğe sahip olacaktır. "Tam şimşek" hem bulutun içinde kalan genel olarak görünmez (gün ışığında) IC flaşları hem de bulut tabanından zemine uzanan görülebilen genel olarak görülebilen CG flaşlarıdır. Toplam yıldırımın çoğu IC flaşlarından kaynaklandığı için, fırtına yoğunluğunu belirleme yeteneği çoğunlukla IC deşarjlarının tespiti yoluyla gerçekleşir. Yalnızca düşük frekanslı enerjiyi algılayan yıldırım dedektörleri, yalnızca yakınlardaki IC flaşlarını algılar, bu nedenle mikro patlamaları tahmin etmek ve konvektif yoğunluğu ölçmek için nispeten verimsizdirler.
  • Kasırga Tahmin: Kasırga üreten şiddetli fırtınaların çok yüksek yıldırım oranlarına sahip olduğu bilinmektedir ve en derin konvektif bulutlardan gelen yıldırımların çoğu IC'dir, bu nedenle IC yıldırımını algılama yeteneği, kasırga potansiyeli yüksek bulutları tanımlamak için bir yöntem sağlar.

Yıldırım menzili tahmini

Tek bir yerde bir RF yıldırım sinyali algılandığında, bir çapraz döngülü manyetik yön bulucu kullanarak yönünü belirleyebilir, ancak mesafesini belirlemek zordur. Sinyalin genliği kullanılarak girişimlerde bulunulmuştur, ancak bu çok iyi çalışmaz çünkü yıldırım sinyalleri yoğunlukları büyük ölçüde değişir. Bu nedenle, mesafe tahmini için genlik kullanıldığında, güçlü bir flaş yakında görünebilir ve aynı flaştan - veya aynı fırtına hücresinden gelen daha zayıf bir flaştan - daha zayıf bir sinyal daha uzakta görünebilir. Tahminin doğruluğunu artırmak için havadaki iyonlaşmayı ölçerek yıldırımın bir mil yarıçapında nereye çarpacağı söylenebilir.

Yıldırım tespitinin bu yönünü anlamak için, bir yıldırım 'flaşının' genellikle birkaç vuruştan oluştuğunun bilinmesi gerekir, bir CG flaşından tipik bir vuruş sayısı 3 ila 6 arasındadır, ancak bazı flaşlar 10 vuruştan fazla olabilir. İlk vuruş, buluttan yere iyonize bir yol bırakır ve ardından yaklaşık 50 milisaniyelik bir aralıkla ayrılan 'dönüş vuruşları' bu kanalın yukarısına çıkar. Tam deşarj dizisinin süresi tipik olarak yaklaşık saniyedir ve tek tek vuruşların süresi büyük ölçüde 100 nanosaniye ile birkaç on mikrosaniye arasında değişir. Bir CG flaşındaki vuruşlar, geceleri yıldırım kanalının periyodik olmayan aydınlatma dizisi olarak görülebilir. Bu aynı zamanda sofistike yıldırım dedektörlerinde her vuruş için ayrı ayrı staccato sesleri olarak duyulabilir ve farklı bir model oluşturur.

Uçakta tek sensörlü yıldırım dedektörleri kullanılmıştır ve yıldırım yönü çapraz döngü sensöründen belirlenebiliyorken, sinyal genliği yukarıda açıklanan bireysel vuruşlar arasında değiştiği için mesafe güvenilir bir şekilde belirlenemez ve bu sistemler mesafeyi tahmin etmek için genliği kullanır. . Vuruşların farklı genlikleri olduğundan, bu detektörler, yıldırım kaynağının genel yönünde göbekten radyal olarak uzanan bir tekerlek üzerindeki parmaklıklar gibi ekranda bir nokta çizgisi sağlar. Noktalar, çizgi boyunca farklı mesafelerdedir, çünkü konturların farklı yoğunlukları vardır. Bu tür sensör ekranlarındaki bu karakteristik nokta çizgileri "radyal yayılma" olarak adlandırılır. Bu sensörler, en güçlü yıldırım sinyallerini sağlayan çok düşük frekans (VLF) ve düşük frekans (LF) aralığında (300 kHz'nin altında) çalışır: yerden dönüş darbeleri ile üretilenler. Ancak sensör flaşa yakın olmadığı sürece, yüksek frekans (HF) aralığında (30 MHz'e kadar) önemli miktarda enerjiye sahip olan IC deşarjlarından daha zayıf sinyalleri almazlar.

VLF yıldırım alıcıları ile ilgili bir başka sorun da iyonosferden yansımaları almalarıdır, bu nedenle bazen 100 km uzaklıktaki yıldırım ile birkaç yüz km uzaktaki şimşek arasındaki uzaklık farkını anlayamazlar. Birkaç yüz km'lik mesafelerde yansıyan sinyal (“gökyüzü dalgası” olarak adlandırılır) doğrudan sinyalden (“yer dalgası” olarak adlandırılır) daha güçlüdür.

Dünya-iyonosfer dalga kılavuzu tuzakları elektromanyetik VLF - ve ELF dalgaları. Yıldırım çarpmalarıyla iletilen elektromanyetik darbeler bu dalga kılavuzunda yayılır. Dalga kılavuzu dağıtıcıdır, yani grup hızları frekansa bağlıdır. Bir aydınlatma darbesinin bitişik frekanslardaki grup zaman gecikmesinin farkı, verici ve alıcı arasındaki mesafeyle orantılıdır. Yön bulma yöntemiyle birlikte bu, yıldırım düşmelerinin orijinden 10000 km mesafeye kadar tek bir istasyondan tespit edilmesine olanak tanır. Ayrıca, Dünya-iyonosferik dalga kılavuzunun özfrekansları , yaklaşık 7.5 Hz'deki Schumann rezonansları , küresel fırtına aktivitesini belirlemek için kullanılır.

Tek bir sensörle yıldırım mesafesini elde etmenin zorluğu nedeniyle, yıldırımın konumlandırılması için mevcut tek güvenilir yöntem, sensörler arasındaki varış zamanı farklılıklarını kullanarak Dünya yüzeyinin bir alanını kaplayan birbirine bağlı aralıklı sensör ağlarıdır. -farklı sensörlerden rulmanlar. Şu anda ABD'de faaliyet gösteren bu tür birkaç ulusal ağ, CG flaşlarının konumunu sağlayabilir, ancak şu anda IC flaşlarını güvenilir bir şekilde algılayamaz ve konumlandıramaz. VHF varış zamanı sistemlerine sahip ve IC flaşlarını algılayıp konumlandırabilen birkaç küçük alan ağı (Kennedy Uzay Merkezi'nin LDAR ağı gibi, sensörlerinden biri bu makalenin başında resmedilmiştir) vardır. Bunlara yıldırım eşleyici dizileri denir . Genellikle 30-40 mil çapında bir daireyi kaplarlar.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar

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