Systémy detekce a lokalizace blesků Petr Novák petr.novak@chmi.cz a Milan Šálek salek@chmi.cz Český hydrometeorologický ústav Globální elektrický obvod •podmínky pěkného počasí – 500kV, při zemi 130-140 V/m • potenciálový spád – vybíjecí proud 2pA/m2 •dobíjení – hrotové a bleskové výboje + + + - + - - - - Zemský kondenzátor Elektrické pole a nosiče elektrických nábojů v atmosféře •Intenzita elektrického pole: běžně + à - •v atmosféře - à + •za podmínek pěkného počasí: „kladné elektrické pole“ (nahoře: +) •za bouřek: „záporné elektrické pole“ (nahoře: -) •nosiče elektrických nábojů v atmosféře: ionty (vznikají hlavně kosmickým zářením) •malé ionty (shluky několika molekul, z nichž aspoň jedna je ionizovaná) – nejvýznamnější nositelé el. proudu ve vzduchu •velké ionty (vznikají zachycením malých iontů na aerosolech) fair Elektrický model Cb •Tvorba center náboje •Kolize hydrometeorů – menší částice mají při srážkách tendenci získávat kladný náboj (velké částice – záporný náboj), jistá role fáze srážek •Oddělení nábojů: vlivem výstupných proudů a gravitace Marek Franc, ČHMÚ Blesk •elektrický výboj, který vzniká mezi centry kladných a záporných nábojů uvnitř oblaků (IC, CC výboj), mezi oblakem a zemským povrchem (CG +/-) nebo mezi oblakem a bezoblačnou atmosférou (CA) • Cloud negative charge center – ground = CG – • Cloud positive charge center (minor) – ground = CG + • Cloud negative charge center – cloud positive charge center = CC •vůdčí výboj blesku (zpravidla větvený),mající většinou „stupňový“ nebo „krokový“ charakter •- vstřícný výboj •- hlavní výboj (jednoduchý, vícenásobný) Fáze CG blesku flash Fáze blesků plane_fast Fáze blesků plane_slow 5 CG blesk • předpoklad: int. el. pole cca 500 kV/m • teplota bleskového kanálu až 25000 K • proud až 200 kA • rychlost až 150 tis. km/s • energie průměrně 250 kWh • délka 600-2000 m (oblak-země), až 5000 m • (oblak-oblak) • doprovodné efekty: světelné (do několika set km), • akustické (do cca 10-15 km) a elektromagnetické • (cca 0,001 Hz až 1 GHz) • následky v zasaženém objektu: tepelné, mechanické • a indukční • Detekce blesků •Akusticky •Opticky – princip detekce z vesmíru •globální informace, špatné prostorové rozlišení a efektivita detekce Detekce blesků •Analýza elektromagnetického pole – lze v různých frekvenčních pásmech (VDV, DV, VKV) •1 sensor nebo (většinou) síť senzorů Důležité: čím vyšší frekvence měření (kratší vlnová délka), tím větší citlivost na zakřivení zemského povrchu a orografii !!! Principy lokalizace blesků •Time of arrival (TAO) method – porovnání přesného času detekce výboje na jednotlivých senzorech – synchronizace pomocí GPS •analýza elektrické složky elmg. VKV/DV pole •je třeba detekce alespoň třemi senzory Principy lokalizace blesků •Magnetic directional finding (MDF) method – porovnání směrů výboje vyhodnocených jednotlivými senzory pomocí interferometrie •analýza magnetické složky elmg. VKV/DV pole •je třeba detekce alespoň dvěma senzory •též časová synchronizace UK MetOffice detection system •metoda TOA na VDV •velmi velký dosah, menší efektivita detekce Safir – Vaisala-Dimensions (Fr) VHF antenna LF discriminator electronics communication •VKV interferometrie (MDF – vždy pouze 2 sensory) •krátký dosah – nutnost přímé viditelnosti, lepší citlivost na slabší vyboje (především CC/IC) •problémy s falešnou detekcí rušivých signálů (letecké navigační systémy,..) • vyvinuto a vhodné pro lokalizaci na menší ploše (letiště, kosmodrom, ….) IMPACT/LPATS – Vaisala-GAI (USA) •detekce v oblasti DV – kombinace TOA a MDF •při výpočtu polohy jsou uvažovány všechny senzory – výsledná poloha v těžišti, možnost váhování dle kvality senzoru (vzdálenost od výboje) •není problém s přímou viditelností •vhodné pro rozsáhlé detekční sítě – NLDN(USA+CA), CELDN-EUCLID(Europe) LS-8xxx - Vaisala •nejnovější nabídka •modulární systém •společný software (upravený GAI), telekomunikace, GPS, stožár •zákazník si může vybrat mezi použitým detekčním čidlem (DV, VKV nebo kombinace obojího) •kombinace TOA a MDF EUCLID -European Cooperation for Lightning Detection •založeno na LPATS/IMPACT sensorech – GAI •mezinárodní výměna informací ze senzorů CELDN - Central European Lightning Detection Network •založeno na LPATS/IMPACT sensorech – GAI •provozováno Blids-Siemens (Karlsruhe) / GAI •Sensory •BLIDS (Germany) •ALDIS (Austria) •sensory instalované GAI • (nyní vlastněné Vaisala) • v CZ,SK,HU,PL •výpočet lokalizace - Karlsruhe •od května 1999 využíváno v ČHMÚ • GAI3 GAI1 Logo_CHMU Instalace čidla IMPACT-ESP na pracovišti ODMI v Praze - Libuši Data CELDN v ČHMÚ •data přijímána pomocí vyhraženého internetového SOCKET spojení •binární data jsou dekódována a ukládána do SQL databáze (MySQL) – jednoduchý přístup k datům Data CELDN v ČHMÚ •grafický výstup pro veřejný www server – blesky za posledních 90 minut – barvy vyznačují čas výboje (časový vývoj) •2km prostorové rozlišení • Data CELDN pro vnitřní využití v ČHMÚ - JSMeteoView 24h zobrazení výbojů 24h zobrazení hustoty blesků 24h statistika výpadků dat 2002-07-30 11:54 2002-07-30 11:57 VYPADEK 3 min 2002-07-30 12:11 2002-07-30 12:14 VYPADEK 3 min 2002-07-30 12:20 2002-07-30 12:24 VYPADEK 4 min