Детектор молний — это устройство, которое обнаруживает молнии, возникающие во время гроз . Существует три основных типа детекторов: наземные системы, использующие несколько антенн, мобильные системы, использующие направляющую и чувствительную антенны в одном и том же месте (часто на борту самолета), и космические системы . Первое такое устройство было изобретено в 1894 году Александром Степановичем Поповым . Это был также первый радиоприемник в мире.
Наземные и мобильные детекторы вычисляют направление и интенсивность молнии из текущего местоположения, используя методы радиопеленгации вместе с анализом характерных частот, излучаемых молнией. Наземные системы могут использовать триангуляцию из нескольких мест для определения расстояния, в то время как мобильные системы могут оценивать расстояние, используя частоту сигнала и затухание . Космические детекторы на спутниках могут использоваться для определения дальности, пеленга и интенсивности молнии путем прямого наблюдения.
Наземные сети молниеотводов используются метеорологическими службами, такими как Национальная метеорологическая служба США , Метеорологическая служба Канады , Европейское сотрудничество по обнаружению молний (EUCLID), Институт повсеместной метеорологии ( Ubimet ), а также другими организациями, такими как электроэнергетические компании и службы по предотвращению лесных пожаров.
Один из семи сетевых детекторов молний LDAR (обнаружения и определения дальности молний) в Космическом центре Кеннеди во Флориде.
Ограничения
Каждая система, используемая для обнаружения молний, имеет свои собственные ограничения. [2] К ним относятся:
Одна наземная сеть молний должна быть способна обнаружить вспышку с помощью по крайней мере трех антенн, чтобы локализовать ее с приемлемым пределом погрешности. Это часто приводит к отклонению молнии от облака к облаку, поскольку одна антенна может обнаружить положение вспышки на стартовом облаке, а другая — на принимающем. В результате наземные сети имеют тенденцию недооценивать количество вспышек, особенно в начале гроз, когда преобладают молнии от облака к облаку.
Наземные системы, использующие несколько местоположений и методы обнаружения по времени пролета, должны иметь центральное устройство для сбора данных о ударе и времени для расчета местоположения. Кроме того, каждая станция обнаружения должна иметь источник точного времени, который используется в расчете.
Поскольку мобильные детекторы используют затухание, а не триангуляцию, иногда они ошибочно принимают слабую вспышку молнии поблизости за сильную вдали, и наоборот.
Космические сети молний не страдают ни от одного из этих ограничений, но информация, предоставляемая ими, часто устаревает на несколько минут к моменту ее широкого распространения, что ограничивает ее применение в приложениях реального времени, таких как аэронавигация.
Детекторы молний и метеорологические радары работают вместе, чтобы обнаруживать штормы. Детекторы молний показывают электрическую активность, а метеорологические радары показывают осадки. Оба явления связаны с грозами и могут помочь определить силу шторма.
Воздух движется вверх из-за нестабильности.
Происходит конденсация, и радар обнаруживает эхо-сигналы над землей (цветные области).
В конце концов масса капель дождя становится слишком большой, чтобы удерживаться восходящим потоком воздуха, и они падают на землю.
Облако должно развиться до определенной вертикальной протяженности, прежде чем произойдет молния, поэтому, как правило, метеорологический радар укажет на развивающийся шторм раньше, чем это сделает детектор молний. Не всегда ясно из ранних возвратов, перерастет ли ливневое облако в грозу, и метеорологический радар также иногда страдает от маскирующего эффекта затухания , когда осадки вблизи радара могут скрывать (возможно, более интенсивные) осадки дальше. Детекторы молний не страдают от маскирующего эффекта и могут предоставить подтверждение, когда ливневое облако переросло в грозу.
Молния может также располагаться за пределами осадков, зафиксированных радаром. Второе изображение показывает, что это происходит, когда удары возникают в наковальне грозовой тучи (верхняя часть, выдуваемая перед кучево -дождевым облаком верхними ветрами) или на внешнем крае дождевого вала. В обоих случаях где-то поблизости все еще есть область эхо-сигналов радара.
Использование в авиации
На крупных авиалайнерах чаще используются метеорологические радары, чем детекторы молний, поскольку метеорологические радары способны обнаруживать небольшие грозы, которые также вызывают турбулентность. Однако современные системы авионики часто включают в себя также и обнаружение молний для дополнительной безопасности.
Для небольших самолетов, особенно в авиации общего назначения , существуют две основные марки детекторов молний (часто называемых сфериками , сокращение от радиоатмосферики ): Stormscope , первоначально выпускаемый Ryan (позже BF Goodrich), а в настоящее время L-3 Communications, и Strikefinder , выпускаемый Insight. Strikefinder может обнаруживать и правильно отображать разряды IC (внутриоблачные) и CG (облако-земля), а также способен различать реальные разряды и отражения сигнала от ионосферы. Детекторы молний недороги и легки, что делает их привлекательными для владельцев легких самолетов (особенно одномоторных самолетов, где нос самолета недоступен для установки обтекателя ) .
Портативные грозодетекторы профессионального качества
Счетчик ударов молнии в музейном дворике
Недорогие портативные детекторы молний, а также другие односенсорные картографы молний, такие как те, что используются на самолетах, имеют ограничения, включая обнаружение ложных сигналов и плохую чувствительность , особенно для внутриоблачных (IC) молний. Портативные детекторы молний профессионального качества повышают производительность в этих областях с помощью нескольких методов, которые облегчают друг друга, тем самым усиливая их эффекты:
Устранение ложных сигналов: разряд молнии генерирует как радиочастотный (РЧ) электромагнитный сигнал — обычно воспринимаемый как «статический» на AM-радио — так и очень короткие световые импульсы, включающие видимую «вспышку». Детектор молний, который работает, считывая только один из этих сигналов, может неправильно интерпретировать сигналы, поступающие из других источников, нежели молния, выдавая ложную тревогу. В частности, детекторы на основе РЧ могут неправильно интерпретировать РЧ-шум, также известный как РЧ-помехи или РЧИ. Такие сигналы генерируются многими распространенными источниками окружающей среды, такими как автозажигания, люминесцентные лампы, телевизоры, выключатели света, электродвигатели и высоковольтные провода. Аналогичным образом детекторы на основе световых вспышек могут неправильно интерпретировать мерцающий свет, создаваемый в окружающей среде, такой как отражения от окон, солнечный свет через листья деревьев, проезжающие автомобили, телевизоры и люминесцентные лампы.
Однако, поскольку радиочастотные сигналы и световые импульсы редко происходят одновременно, за исключением случаев, когда они производятся молнией, радиочастотные датчики и датчики световых импульсов могут быть с пользой соединены в « схему совпадений », которая требует обоих видов сигналов одновременно для получения выходного сигнала. [3] Если такая система направлена на облако и в этом облаке происходит молния, будут получены оба сигнала; схема совпадений выдаст выходной сигнал; и пользователь может быть уверен, что причиной была молния. Когда разряд молнии происходит внутри облака ночью, все облако кажется освещенным. Днем эти внутриоблачные вспышки редко видны человеческому глазу; тем не менее, оптические датчики могут их обнаружить. В ранних миссиях астронавты использовали оптические датчики для обнаружения молний в ярких, освещенных солнцем облаках далеко внизу. Это применение привело к разработке двухсигнального портативного детектора молний, который использует как световые вспышки, так и сигналы «сферики», обнаруженные предыдущими устройствами.
Улучшенная чувствительность: в прошлом детекторы молний, как недорогие портативные для использования на земле, так и дорогие авиационные системы, обнаруживали низкочастотное излучение, поскольку на низких частотах сигналы, генерируемые молнией облако-земля (CG), сильнее (имеют большую амплитуду) и, таким образом, их легче обнаружить. Однако радиочастотный шум также сильнее на низких частотах. Чтобы минимизировать прием радиочастотного шума, низкочастотные датчики работают на низкой чувствительности (порог приема сигнала) и, таким образом, не обнаруживают менее интенсивные сигналы молний. Это снижает возможность обнаружения молний на больших расстояниях, поскольку интенсивность сигнала уменьшается пропорционально квадрату расстояния. Это также снижает обнаружение внутриоблачных (IC) вспышек, которые, как правило, слабее вспышек CG.
Улучшенное обнаружение внутриоблачных молний: добавление оптического датчика и схемы совпадений не только устраняет ложные срабатывания, вызванные радиочастотным шумом, но и позволяет радиочастотному датчику работать с более высокой чувствительностью и определять более высокие частоты, характерные для молний IC, а также обнаруживать более слабые высокочастотные компоненты сигналов IC и более удаленные вспышки.
Описанные выше усовершенствования значительно расширяют возможности детектора во многих областях:
Раннее предупреждение: обнаружение вспышек IC важно, поскольку они обычно происходят за 5–30 минут до вспышек CG [ требуется ссылка ] и, таким образом, могут обеспечить более раннее предупреждение о надвигающихся грозах [ требуется ссылка ] , что значительно повышает эффективность детектора в приложениях для обеспечения личной безопасности и обнаружения штормов по сравнению с детектором только CG [ требуется ссылка ] . Повышенная чувствительность также обеспечивает предупреждение об уже надвигающихся штормах, которые находятся на большем расстоянии, но могут приближаться к пользователю. [ требуется ссылка ]
Местоположение шторма: Даже при дневном свете « охотники за штормами » могут использовать направленные оптические детекторы, которые можно направить на отдельное облако, чтобы различать грозовые облака 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 неторнадо-штормы. [4] : 248
Прогнозирование микровсплесков: обнаружение вспышек IC также обеспечивает метод прогнозирования микровсплесков . [5] : 46–47 Восходящий поток в конвективных ячейках начинает электризоваться, когда он достигает высот, достаточно холодных, чтобы смешанные фазы гидрометеоров (частицы воды и льда) могли существовать в одном и том же объеме. Электризация происходит из-за столкновений между частицами льда и каплями воды или покрытыми водой частицами льда. Более легкие частицы льда (снег) заряжаются положительно и переносятся в верхнюю часть облака, оставляя отрицательно заряженные капли воды в центральной части облака. [6] : 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 выделяет скрытое тепло , движущее восходящий поток. Когда вся вода преобразуется, восходящий поток быстро разрушается, как и скорость молнии. Таким образом, увеличение частоты молний до большого значения, в основном из-за разрядов IC, за которым следует быстрое падение частоты, дает характерный сигнал о коллапсе восходящего потока, который переносит частицы вниз в нисходящем порыве. Когда частицы льда достигают более высоких температур вблизи основания облаков, они тают, вызывая охлаждение атмосферы; аналогично, капли воды испаряются, также вызывая охлаждение. Это охлаждение увеличивает плотность воздуха, что является движущей силой микропорывов. Холодный воздух во «фронтах порывов», часто наблюдаемых вблизи гроз, вызван этим механизмом.
Идентификация/отслеживание штормов: некоторые грозы, идентифицированные с помощью обнаружения и наблюдения IC, не производят вспышек CG и не будут обнаружены с помощью системы обнаружения CG. Вспышки IC также происходят во много раз чаще [4] : 192, чем CG, поэтому обеспечивают более надежный сигнал. Относительно высокая плотность (количество на единицу площади) вспышек IC позволяет идентифицировать конвективные ячейки при картировании молний, тогда как молнии CG слишком мало и расположены далеко друг от друга, чтобы идентифицировать ячейки, которые обычно имеют диаметр около 5 км. На поздних стадиях шторма активность вспышек CG спадает, и шторм может показаться окончившимся, но, как правило, активность IC все еще продолжается в остаточных облаках средней высоты и выше перистых облаков, поэтому потенциал для молний CG все еще существует.
Количественная оценка интенсивности шторма: Еще одним преимуществом обнаружения IC является то, что частота вспышек (количество в минуту) пропорциональна 5-й степени конвективной скорости восходящих потоков в грозовом облаке. [6] : 6018–6019 [7] Этот нелинейный отклик означает, что небольшое изменение высоты облака, едва заметное на радаре, будет сопровождаться большим изменением частоты вспышек. Например, едва заметное увеличение высоты облака на 10% (мера интенсивности шторма) приведет к изменению общей частоты вспышек на 60%, что легко наблюдается. «Общая молния» — это как обычно невидимые (при дневном свете) вспышки IC, которые остаются внутри облака, так и обычно видимые вспышки CG, которые можно увидеть простирающимися от основания облака до земли. Поскольку большая часть общей молнии происходит от вспышек IC, эта способность количественной оценки интенсивности шторма в основном происходит за счет обнаружения разрядов IC. Детекторы молний, которые считывают только низкочастотную энергию, обнаруживают только близкие вспышки разрядов IC, поэтому они относительно неэффективны для прогнозирования микровсплесков и количественной оценки конвективной интенсивности.
Прогнозирование торнадо: Известно, что сильные штормы, вызывающие торнадо, характеризуются очень высокой частотой молний [5] : 51 [8] [9], и большинство молний из самых глубоких конвективных облаков являются молниями IC, [10] поэтому способность обнаруживать молнии IC дает метод идентификации облаков с высоким потенциалом торнадо.
Оценка дальности молнии
Когда радиочастотный сигнал молнии обнаруживается в одном месте, можно определить его направление с помощью магнитного пеленгатора с перекрестной петлей, но трудно определить расстояние. Были предприняты попытки использовать амплитуду сигнала, но это не очень хорошо работает, поскольку сигналы молнии сильно различаются по своей интенсивности. Таким образом, используя амплитуду для оценки расстояния, сильная вспышка может казаться близкой, а более слабый сигнал от той же вспышки — или от более слабой вспышки из той же грозовой ячейки — казаться дальше. Можно определить, где ударит молния в радиусе мили, измеряя ионизацию в воздухе для повышения точности прогноза.
Чтобы понять этот аспект обнаружения молнии, нужно знать, что «вспышка» молнии обычно состоит из нескольких ударов, типичное число ударов от вспышки CG находится в диапазоне от 3 до 6, но некоторые вспышки могут иметь более 10 ударов. [11] : 18
Первоначальный удар оставляет ионизированный путь от облака до земли, а последующие «возвратные удары», разделенные интервалом около 50 миллисекунд, идут по этому каналу. Полная последовательность разряда обычно длится около ½ секунды, в то время как длительность отдельных ударов сильно варьируется от 100 наносекунд до нескольких десятков микросекунд. Удары во вспышке CG можно увидеть ночью как непериодическую последовательность освещений канала молнии. Это также можно услышать на сложных детекторах молний как отдельные отрывистые звуки для каждого удара, образуя отличительный рисунок.
Детекторы молний с одним датчиком использовались на самолетах, и хотя направление молнии можно определить с помощью датчика с перекрестной петлей, расстояние невозможно определить надежно, поскольку амплитуда сигнала различается между отдельными ударами, описанными выше, [11] : 115
, и эти системы используют амплитуду для оценки расстояния. Поскольку удары имеют разные амплитуды, эти детекторы обеспечивают линию точек на дисплее, как спицы на колесе, простирающиеся радиально от ступицы в общем направлении источника молнии. Точки находятся на разных расстояниях вдоль линии, поскольку удары имеют разную интенсивность. Эти характерные линии точек на таких сенсорных дисплеях называются «радиальным распространением». [12]
Эти датчики работают в диапазоне очень низких частот (ОНЧ) и низких частот (НЧ) (ниже 300 кГц), что обеспечивает самые сильные сигналы молнии: те, которые генерируются обратными ударами от земли. Однако если датчик не находится близко к вспышке, он не улавливает более слабые сигналы от разрядов ИС, которые имеют значительное количество энергии в диапазоне высоких частот (ВЧ) (до 30 МГц).
Другая проблема с приемниками молний VLF заключается в том, что они улавливают отражения от ионосферы, поэтому иногда невозможно определить разницу в расстоянии между молнией в 100 км и в несколько сотен км. На расстоянии в несколько сотен км отраженный сигнал (называемый «небесной волной») сильнее прямого сигнала (называемого «земной волной»). [13]
Волновод Земля-ионосфера улавливает электромагнитные волны ОНЧ и СНЧ . Электромагнитные импульсы, передаваемые разрядами молнии, распространяются внутри этого волновода. Волновод является дисперсионным, что означает, что их групповая скорость зависит от частоты. Разница групповой задержки импульса молнии на соседних частотах пропорциональна расстоянию между передатчиком и приемником. Вместе с методом пеленгации это позволяет локализовать разряды молнии одной станцией на расстоянии до 10000 км от их источника. Более того, собственные частоты волновода Земля-ионосфера, резонансы Шумана
около 7,5 Гц, используются для определения глобальной грозовой активности. [14]
Из-за сложности определения расстояния до молнии с помощью одного датчика единственным надежным методом определения местоположения молнии в настоящее время является использование взаимосвязанных сетей разнесенных датчиков, покрывающих область поверхности Земли, используя разницу во времени прибытия между датчиками и/или перекрестные пеленги от разных датчиков. Несколько таких национальных сетей, работающих в настоящее время в США, могут предоставить положение вспышек CG, но в настоящее время не могут надежно обнаруживать и определять положение вспышек IC. [15]
Существует несколько небольших сетей (например, сеть LDAR Космического центра Кеннеди, один из датчиков которой изображен в верхней части этой статьи), которые имеют системы времени прибытия VHF и могут обнаруживать и определять положение вспышек IC. Они называются массивами картографов молний . Они обычно покрывают круг диаметром 30–40 миль.
^ "Инструмент: массив картографирования молний (LMA) | Глобальный центр гидрометеорологических ресурсов (GHRC)". ghrc.nsstc.nasa.gov . Получено 29-08-2022 .
^ Ричард Китил (2006). «Обзор оборудования для обнаружения молний». Национальный институт молниезащиты . Получено 07.07.2006 .
^ Брук, М.; Н. Китагава (1960). «Изменения электрического поля и конструкция счетчиков молний». Журнал геофизических исследований . 65 (7): 1927–1930. Bibcode : 1960JGR....65.1927B. doi : 10.1029/JZ065i007p01927. Архивировано из оригинала 2011-06-06 . Получено 2009-07-14 .
^ ab MacGorman, Donald R.; Rust, W. David (1998). Электрическая природа штормов . Oxford University Press, NY. ISBN978-0-19-507337-9.
^ ab Williams, Earle R. (1995). "Метеорологические аспекты гроз". В Volland, Hans (ред.). Справочник по атмосферной электродинамике, т. 1. CRC Press, Бока-Ратон. ISBN978-0-8493-8647-3.
^ ab Williams, Earle R. (1985). "Крупномасштабное разделение зарядов в грозовых облаках". Journal of Geophysical Research . 90 (D4): 6013. Bibcode : 1985JGR....90.6013W. doi : 10.1029/jd090id04p06013. Архивировано из оригинала 2011-06-06 . Получено 2009-07-14 .
^ Ёсида, Сатору; Такеши Моримото; Томоо Ушио и ЗенИтиро Кавасаки (2009). "Соотношение пятой степени для грозовой активности по данным спутниковых наблюдений миссии Tropical Rainfall Measuring Mission". Журнал геофизических исследований . 114 (D9): D09104. Bibcode : 2009JGRD..114.9104Y. doi : 10.1029/2008jd010370 . Архивировано из оригинала 2011-06-06 . Получено 2009-07-14 .
^ Воннегут, Бернард ; Мур, К. Б. (1957). «Электрическая активность, связанная с торнадо Блэквелл-Удолл». Журнал метеорологии . 14 (3): 284–285. Bibcode : 1957JAtS...14..284M. doi : 10.1175/1520-0469(1957)014<0284:EAAWTB>2.0.CO;2 .
^ Воннегут, Бернард; Джеймс Р. Вейер (1966-09-09). «Световые явления в ночных торнадо». Science . 153 (3741): 1213–1220. Bibcode :1966Sci...153.1213V. doi :10.1126/science.153.3741.1213. PMID 17754241.
^ Ратледж, SA; ER Уильямс; TD Кеннан (1992). «Эксперимент Допплера и электричества в Даун-Андере (ДАНДИ): Обзор и предварительные результаты». Бюллетень Американского метеорологического общества . 73 (1): 3–16. Bibcode : 1992BAMS...73....3R. doi : 10.1175/1520-0477(1992)073<0003:TDUDAE>2.0.CO;2 .
^ Руководство пользователя датчика картографирования погоды WX-500 Stormscope Series II (PDF) . BF Goodrich Avionics Systems, Inc. 1997. стр. 4–2, 4–7. Архивировано из оригинала (PDF) 21-08-2008.
^ Голд, Рудольф Х. (1977). Молния . Т. 1. Нью-Йорк: Academic Press. С. 368. ISBN978-0-12-287801-5.
^ Фолланд, Х. (ред.): «Справочник по атмосферной электродинамике», CRC Press, Бока-Ратон, 1995
^ Murphy Martin J.; Demetriades, Nicholas WS; Cummins, Kenneth L.; Ronald L. Holle (2007). Cloud Lightning от Национальной сети обнаружения молний США (PDF) . Международная комиссия по атмосферному электричеству, 13-я Международная конференция по атмосферному электричеству, Пекин.[ мертвая ссылка ]
Внешние ссылки
На Викискладе есть медиафайлы по теме «Датчики молний» .
Vaisala Lightning Detection Архивировано 2016-03-07 на Wayback Machine от Vaisala
Недавняя активность молний в Северной Америке от StrikestarUS
