Детектор молний — это устройство, которое обнаруживает молнии, возникающие во время грозы . Существует три основных типа детекторов: наземные системы, использующие несколько антенн, мобильные системы , использующие направленную и сенсорную антенны в одном и том же месте (часто на борту самолета), и системы космического базирования . Первое такое устройство изобрел в 1894 году Александр Степанович Попов . Это был также первый радиоприемник в мире.
Наземные и мобильные детекторы рассчитывают направление и силу молнии по текущему местоположению, используя методы радиопеленгации, а также анализируя характерные частоты, излучаемые молнией. Наземные системы могут использовать триангуляцию из нескольких мест для определения расстояния, а мобильные системы могут оценивать расстояние, используя частоту сигнала и затухание . Детекторы космического базирования на спутниках могут использоваться для определения дальности, направления и интенсивности молний путем прямого наблюдения.
Сети наземных детекторов молний используются метеорологическими службами, такими как Национальная метеорологическая служба США , Метеорологическая служба Канады , Европейское сотрудничество по обнаружению молний (EUCLID), Институт повсеместной метеорологии ( Ubimet ) и другими организациями, такими как электроснабжение и услуги по предотвращению лесных пожаров.
Один из семи детекторов молний в сети обнаружения и определения местоположения молний (LDAR) в Космическом центре Кеннеди во Флориде.
Ограничения
Каждая система, используемая для обнаружения молний, имеет свои ограничения. [2] К ним относятся
Единая наземная сеть молний должна иметь возможность обнаруживать вспышку как минимум с помощью трех антенн, чтобы определить ее местонахождение с приемлемой погрешностью. Это часто приводит к отказу от межоблачной молнии, поскольку одна антенна может определять положение вспышки на исходном облаке, а другая антенна — на принимающем. В результате наземные сети имеют тенденцию недооценивать количество вспышек, особенно в начале грозы, когда преобладают межоблачные молнии.
Наземные системы, использующие несколько мест и методы обнаружения времени полета, 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 расчетах.
Поскольку мобильные детекторы используют затухание, а не триангуляцию, они иногда ошибочно принимают слабую вспышку молнии поблизости за сильную вдали, или наоборот.
Космические сети молний не страдают ни от одного из этих ограничений, но информация, предоставляемая ими, часто устаревает к тому времени, когда она становится широко доступной, что делает ее ограниченной для использования в приложениях реального времени, таких как аэронавигация.
Детекторы молний и метеорологические радары работают вместе для обнаружения штормов. Детекторы молний указывают на электрическую активность, а метеорологический радар указывает на 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 дождевых капель становится слишком большой, чтобы их мог удержать восходящий поток, и они падают на землю.
Прежде чем возникнет молния, облако должно достичь определенной вертикальной протяженности, поэтому, как правило, метеорологический радар укажет на развивающуюся грозу раньше, чем это сделает детектор молний. Из ранних возвратов не всегда ясно, перерастет ли ливневое облако в грозу, а метеорологический радар также иногда страдает от маскирующего эффекта затухания , когда осадки вблизи радара могут скрыть (возможно, более интенсивные) осадки дальше. Детекторы молний не страдают от маскирующего эффекта и могут подтвердить, что ливневое облако превратилось в грозу.
Молния также может располагаться за пределами осадков, регистрируемых радаром. На втором изображении видно, что это происходит, когда удары возникают в наковальне грозового облака (верхняя часть уносится ветром выше кучево -дождевого облака ) или на внешнем краю дождевого вала. В обоих случаях где-то поблизости все еще существует область радиолокационных эхо-сигналов.
Использование авиации
Большие авиалайнеры с большей вероятностью будут использовать метеорадиолокаторы, чем детекторы молний, поскольку метеорадиолокаторы могут обнаруживать небольшие штормы, которые также вызывают турбулентность; однако современные системы авионики часто включают в себя также обнаружение молний для дополнительной безопасности.
Для небольших самолетов, особенно в авиации общего назначения , существуют две основные марки детекторов молний (часто называемые сфериками , сокращением от радиоатмосферики ): Stormscope , первоначально производимый Ryan (позже BF Goodrich), а в настоящее время L-3 Communications, и Strikefinder производства Insight . Strikefinder может обнаруживать и правильно отображать удары IC (внутри облака) и CG (облако-земля), а также различать реальные удары и отраженные сигналы, отраженные от ионосферы. Грозодетекторы недороги и легки, что делает их привлекательными для владельцев легких самолетов (особенно одномоторных самолетов, у которых носовая часть самолета недоступна для установки обтекателя ) .
Портативные детекторы молний профессионального качества.
Счетчик ударов молний во внутреннем дворике музея
Недорогие портативные детекторы молний, а также другие картографы молний с одним датчиком, например те, которые используются на самолетах, имеют ограничения, включая обнаружение ложных сигналов и низкую чувствительность , особенно для внутриоблачных (IC) молний. Портативные грозовые детекторы профессионального качества улучшают работу в этих областях за счет нескольких методов, которые взаимно дополняют друг друга и тем самым усиливают эффект:
Устранение ложных сигналов: разряд молнии генерирует как радиочастотный (РЧ) электромагнитный сигнал , который обычно воспринимается как «статический» на AM-радио, так и световые импульсы очень короткой продолжительности, включающие видимую «вспышку». Детектор молний, который работает путем обнаружения только одного из этих сигналов, может неправильно интерпретировать сигналы, исходящие от источников, отличных от молнии, вызывая ложную тревогу. В частности, радиочастотные детекторы могут неправильно интерпретировать радиочастотный шум, также известный как радиопомехи или радиочастотные помехи. Такие сигналы генерируются многими распространенными источниками окружающей среды, такими как автоматическое зажигание, люминесцентные лампы, телевизоры, выключатели света, электродвигатели и провода высокого напряжения. Аналогично, детекторы на основе световых вспышек могут неправильно 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 производятся молнией, радиочастотные датчики и датчики световых импульсов можно с пользой соединить в « схему совпадений », которая требует одновременного получения обоих типов сигналов для получения выходного сигнала. [3] Если такая система направлена на облако и в этом облаке возникает молния, будут приняты оба сигнала; схема совпадений выдаст выходной сигнал; и пользователь может быть уверен, что причиной стала молния. Когда ночью в облаке происходит разряд молнии, кажется, что все облако светится. При дневном свете эти внутриоблачные вспышки редко видны человеческому глазу; тем не менее, оптические датчики могут их обнаружить. В первых миссиях астронавты использовали оптические датчики для обнаружения молний в ярких, освещенных солнцем облаках далеко внизу. Это приложение привело к разработке портативного детектора молний с двойным сигналом, который использует световые вспышки, а также «сферические» 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, поскольку на низких частотах сигналы, генерируемые молниями от облака к земле (CG), сильнее (имеют более высокую чувствительность). амплитуда) и, следовательно, 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 способность обнаруживать молнию на больших расстояниях, поскольку интенсивность сигнала уменьшается пропорционально квадрату расстояния. Это также уменьшает обнаружение внутриоблачных (IC) вспышек, которые обычно слабее, чем вспышки компьютерной графики.
Улучшенное внутриоблачное обнаружение молний: добавление оптического датчика и схемы совпадений не только устраняет ложные срабатывания сигнализации, вызванные радиочастотным шумом; это также позволяет радиочастотному датчику работать с более высокой чувствительностью и воспринимать более высокие частоты, характерные для молнии IC, а также позволяет обнаруживать более слабые высокочастотные компоненты сигналов IC и более удаленные вспышки.
Описанные выше улучшения существенно расширяют возможности детектора во многих областях:
Раннее предупреждение: обнаружение вспышек IC важно, поскольку они обычно происходят за 5–30 минут до вспышек CG [ нужна ссылка ] и, таким образом, может обеспечить более раннее предупреждение о развитии грозы [ нужна ссылка ] , что значительно повышает эффективность детектора в плане личной безопасности. и приложения для обнаружения штормов по сравнению с детектором, работающим только с компьютерной графикой . Повышенная чувствительность также обеспечивает предупреждение об уже развившихся штормах, которые находятся дальше, но могут приближаться к пользователю. [ нужна цитата ]
Местоположение грозы: даже при дневном свете « охотники за штормами » могут использовать направленные оптические детекторы, которые можно направить на отдельное облако, чтобы различить грозовые тучи на расстоянии. Это особенно важно для выявления самых сильных гроз, вызывающих торнадо , поскольку такие штормы производят более высокую частоту вспышек и более высокочастотное излучение, чем более слабые неторнадические штормы. [4] : 248
Прогнозирование микровсплесков: обнаружение вспышек IC также обеспечивает метод прогнозирования микровсплесков . [5] : 46–47 Восходящий поток в конвективных ячейках начинает электризоваться, когда достигает достаточно холодных высот, чтобы гидрометеоры смешанной фазы (частицы воды и льда) могли существовать в одном и том же объеме. Электрификация происходит из-за столкновений частиц льда с каплями воды или частицами льда, покрытыми водой. Более легкие частицы льда (снег) заряжаются положительно и переносятся в верхнюю часть облака, оставляя после себя отрицательно заряженные капли воды в центральной части облака. [6] : 6014 Эти два зарядовых центра создают электрическое поле, приводящее к образованию молнии. Восходящий поток продолжается до тех пор, пока вся жидкая вода не превратится в лед, который высвобождает скрытое тепло, вызывающее восходящий поток. Когда вся вода преобразуется, восходящий поток быстро падает, 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 о коллапсе восходящего потока, который несет частицы вниз в нисходящем порыве. Когда частицы льда достигают более высоких температур у основания облаков, они тают, вызывая охлаждение атмосферы; аналогичным образом капли воды испаряются, что также вызывает охлаждение. Это охлаждение увеличивает плотность воздуха, что является движущей силой микровзрывов. Прохладный воздух во «фронтах порывов ветра», часто возникающий вблизи гроз, вызван этим механизмом.
Идентификация/отслеживание шторма: некоторые грозы, выявленные с помощью обнаружения и наблюдения IC, не вызывают вспышек компьютерной графики и не могут быть обнаружены системой определения компьютерной графики. Мигания IC также 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 молний CG слишком мало и они расположены далеко 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, как правило, активность IC все еще продолжается в остаточных перистых облаках-наковальнях средней высоты и выше, поэтому вероятность возникновения 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 конвекционной скорости восходящих потоков в грозовом облаке. [6] : 6018–6019 [7] Эта нелинейная реакция означает, что небольшое изменение высоты облаков, едва заметное на радаре, будет сопровождаться большим изменением частоты вспышек. Например, едва заметное увеличение высоты облаков на 10% (показатель силы шторма) приведет к изменению общей частоты вспышек на 60%, что легко наблюдать. «Полная молния» — это как обычно невидимые (при дневном свете) IC-вспышки, которые остаются внутри облака, так и обычно видимые компьютерные вспышки, которые можно увидеть, простирающиеся от основания облака до земли. Поскольку большая часть общего количества молний возникает в результате вспышек IC, такая возможность количественной оценки интенсивности грозы возникает в основном за счет обнаружения разрядов IC. Детекторы молний, которые улавливают только низкочастотную энергию, обнаруживают только вспышки IC, находящиеся поблизости, поэтому они относительно неэффективны для прогнозирования микропорывов и количественной оценки интенсивности конвекции.
Прогноз торнадо: известно, что сильные штормы, вызывающие торнадо, характеризуются очень высокой частотой молний [5] : 51 [8] [9] , и большая часть молний из самых глубоких конвективных облаков является IC, [10] поэтому способность обнаруживать IC-молнии обеспечивает метод идентификации облаков с высоким потенциалом торнадо.
Оценка дальности грозы
Когда радиочастотный сигнал молнии обнаруживается в одном месте, можно определить его направление с помощью магнитного пеленгатора с перекрестной петлей, но определить расстояние до него сложно. Были предприняты попытки использовать амплитуду сигнала, но это работает не очень хорошо, поскольку сигналы молнии сильно различаются по своей интенсивности. Таким образом, используя амплитуду для оценки расстояния, сильная вспышка может оказаться поблизости, а более слабый сигнал от той же вспышки – или от более слабой вспышки от той же грозовой ячейки – окажется дальше. Можно определить, куда ударит молния в радиусе мили, измеряя ионизацию воздуха, чтобы повысить точность прогноза.
Чтобы понять этот аспект обнаружения молнии, необходимо знать, что «вспышка» молнии обычно состоит из нескольких ударов, типичное количество ударов компьютерной вспышки находится в диапазоне от 3 до 6, но некоторые вспышки могут иметь более 10 ударов. [11] : 18
Первоначальный удар оставляет ионизированный путь от облака к земле, а последующие «обратные удары», разделенные интервалом около 50 миллисекунд, идут вверх по этому каналу. Полная последовательность разрядов обычно длится около ½ секунды, тогда как продолжительность отдельных ударов сильно варьируется от 100 наносекунд до нескольких десятков микросекунд. Удары компьютерной вспышки можно увидеть ночью как непериодическую последовательность освещений канала молнии. Это также можно услышать на сложных детекторах молний, поскольку при каждом ударе звучат отдельные стаккато, образующие характерный узор.
На самолетах использовались детекторы молний с одним датчиком, и хотя направление молнии можно определить с помощью датчика с перекрестной петлей, расстояние не может быть надежно определено, поскольку амплитуда сигнала варьируется между отдельными ударами, описанными выше, [11] : 115
и этими системами. используйте амплитуду для оценки расстояния. Поскольку удары имеют разную амплитуду, эти детекторы создают на дисплее линию точек, подобную спицам на колесе, идущим радиально от ступицы в общем направлении источника молнии. Точки находятся на разном расстоянии вдоль линии, поскольку штрихи имеют разную интенсивность. Эти характерные линии точек на таких сенсорных дисплеях называются «радиальным распространением». [12]
Эти датчики работают в очень низкочастотном (ОНЧ) и низкочастотном (НЧ) диапазоне (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 ИС, которые имеют значительную энергию в высокочастотном (ВЧ) диапазоне (до 30 МГц).
Другая проблема с приемниками молний ОНЧ заключается в том, что они улавливают отражения от ионосферы, поэтому иногда не могут определить разницу в расстоянии между молниями на расстоянии 100 км и нескольких сотен км. На расстояниях в несколько сотен километров отраженный сигнал (называемый «небесной волной») сильнее прямого сигнала (называемого «земной волной»). [13]
Волновод Земля -ионосфера улавливает электромагнитные ОНЧ- и СНЧ- волны. Электромагнитные импульсы, передаваемые ударами молнии, распространяются внутри этого волновода. Волновод является дисперсионным, что означает, что их групповая скорость зависит от частоты. Разница групповой задержки светового импульса на соседних частотах пропорциональна расстоянию между передатчиком и приемником. В сочетании с методом пеленгации это позволяет одной станцией локализовать удары молний на расстояниях до 10 000 км от их источника. Кроме того, собственные частоты волновода Земля-ионосфера — резонансы Шумана
на частоте 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 позиционирования молнии в настоящее время является использование взаимосвязанных сетей разнесенных датчиков, охватывающих область поверхности Земли, с использованием разницы во времени прибытия между датчиками и/или пересечения молний. -подшипники от разных датчиков. Несколько таких национальных сетей, действующих в настоящее время в США, могут определять положение вспышек компьютерной графики, но в настоящее время не могут надежно обнаруживать и позиционировать вспышки 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 УКВ и могут обнаруживать и позиционировать вспышки IC. Они называются массивами картографов молний . Обычно они охватывают круг диаметром 30–40 миль.
^ «Инструмент: Массив картирования молний (LMA) | Глобальный ресурсный центр по гидрометеорологии (GHRC)» . ghrc.nsstc.nasa.gov . Проверено 29 августа 2022 г.
^ Ричард Китил (2006). «Обзор оборудования для обнаружения молний». Национальный институт молниезащиты . Проверено 7 июля 2006 г.
^ Брук, М.; Н. Китагава (1960). «Изменения электрического поля и конструкция счетчиков молний». Журнал геофизических исследований . 65 (7): 1927–1930. Бибкод : 1960JGR....65.1927B. дои : 10.1029/JZ065i007p01927. Архивировано из оригинала 6 июня 2011 г. Проверено 14 июля 2009 г.
^ Аб МакГорман, Дональд Р.; Раст, В. Дэвид (1998). Электрическая природа штормов . Издательство Оксфордского университета, Нью-Йорк. ISBN978-0-19-507337-9.
^ аб Уильямс, Эрл Р. (1995). «Метеорологические аспекты гроз». В Волланде, Ганс (ред.). Справочник по атмосферной электродинамике, Том. 1 . CRC Press, Бока-Ратон. ISBN978-0-8493-8647-3.
^ аб Уильямс, Эрл Р. (1985). «Крупномасштабное разделение зарядов в грозовых облаках». Журнал геофизических исследований . 90 (D4): 6013. Бибкод : 1985JGR....90.6013W. дои : 10.1029/jd090id04p06013. Архивировано из оригинала 6 июня 2011 г. Проверено 14 июля 2009 г.
^ Ёсида, Сатору; Такеши Моримото; Томоо Ушио и ДзенИчиро Кавасаки (2009). «Отношения пятой степени для активности молний по данным спутниковых наблюдений Миссии по измерению тропических осадков». Журнал геофизических исследований . 114 (Д9): D09104. Бибкод : 2009JGRD..114.9104Y. дои : 10.1029/2008jd010370 . Архивировано из оригинала 6 июня 2011 г. Проверено 14 июля 2009 г.
^ Воннегут, Бернард ; Мур, CB (1957). «Электрическая активность, связанная с торнадо Блэквелл-Удалл». Журнал метеорологии . 14 (3): 284–285. Бибкод : 1957JAtS...14..284M. doi : 10.1175/1520-0469(1957)014<0284:EAAWTB>2.0.CO;2 .
^ Воннегут, Бернард; Джеймс Р. Вейер (9 сентября 1966 г.). «Световые явления в ночных смерчах». Наука . 153 (3741): 1213–1220. Бибкод : 1966Sci...153.1213V. дои : 10.1126/science.153.3741.1213. ПМИД 17754241.
^ Ратледж, SA; Э. Р. Уильямс; ТД Кеннан (1992). «Эксперимент по доплеровскому допплеру и электричеству (ДАНДИ): обзор и предварительные результаты». Бюллетень Американского метеорологического общества . 73 (1): 3–16. Бибкод : 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 августа 2008 г.
^ Гольде, Рудольф Х. (1977). Молния . Том. 1. Нью-Йорк: Академик Пресс. п. 368. ИСБН978-0-12-287801-5.
^ Волланд, Х. (редактор): «Справочник по атмосферной электродинамике», CRC Press, Бока-Ратон, 1995.
^ Мерфи Мартин Дж.; Деметриадес, Николас WS; Камминс, Кеннет Л.; Рональд Л. Холле (2007). Облачная молния из Национальной сети обнаружения молний США (PDF) . Международная комиссия по атмосферному электричеству, 13-я Международная конференция по атмосферному электричеству, Пекин.[ мертвая ссылка ]
Внешние ссылки
Викискладе есть медиафайлы, связанные с детекторами молний .
Обнаружение молний Vaisala. Архивировано 7 марта 2016 г. на Wayback Machine от Vaisala.
Недавняя молниеносная активность StrikestarUS в Северной Америке
