A Детектор молний - это устройство, которое обнаруживает молнию, создаваемую грозы. Существует три основных типа детекторов: наземные системы, использующие несколько антенн, мобильные системы, использующие направляющую и чувствительную антенну в одном месте (часто на борту самолета), и космические системы.
Первое такое устройство было изобретено в 1894 году Александром Степановичем Поповым. Это также был первый радиоприемник в мире.
Наземные и мобильные детекторы вычисляют направление и силу молнии из текущего местоположения с использованием методов радиопеленгации вместе с анализом излучаемых характеристических частот молнией. Наземные системы используют триангуляцию из нескольких мест для определения расстояния, в то время как мобильные системы оценивают расстояние, используя частоту сигнала и затухание. Детекторы космического базирования на спутниках могут использоваться для определения дальности, пеленга и силы молнии путем прямого наблюдения.
Наземные сети обнаружения молний используются такими метеорологическими службами, как Национальная метеорологическая служба в США, Метеорологическая служба Канады, (EUCLID), Институтом повсеместной метеорологии (Ubimet ) и другими организациями, такими как электроэнергетические компании и службы предотвращения лесных пожаров.
Каждая система, используемая для обнаружения молний, имеет свои ограничения. К ним относятся
Детекторы молний и метеорологический радар работают вместе для обнаружения штормов. Детекторы молний указывают на электрическую активность, а метеорологический радар - на осадки. Оба явления связаны с грозами и могут указывать на силу шторма.
Первое изображение справа показывает жизненный цикл грозы :
Облако должно развиться до определенной вертикальной степени, прежде чем возникнет молния, поэтому обычно метеорологический радар укажет на приближающийся шторм раньше, чем это сделает детектор молний. Из ранних возвращений не всегда ясно, перерастет ли ливневое облако в грозу, а метеорологический радар также иногда страдает от маскирующего эффекта за счет затухания, когда осадки вблизи радара могут скрываться (возможно, более интенсивные) осадки дальше. Детекторы молний не страдают от маскирующего эффекта и могут подтвердить, когда ливневое облако превратилось в грозу.
Молния также может быть расположена за пределами осадков, регистрируемых радаром. На втором изображении показано, что это происходит, когда удары происходят в наковальне грозовой тучи (верхняя часть сдувается перед кучево-дождевым облаком сильным ветром) или по внешнему краю дождевого вала. В обоих случаях где-то поблизости все еще есть зона радарного эха.
Большие авиалайнеры с большей вероятностью будут использовать метеорологический радар, чем детекторы молний, поскольку метеорологический радар может обнаруживать небольшие штормы, которые также вызывают турбулентность; однако современные системы авионики часто также включают обнаружение молний для дополнительной безопасности.
Для небольших самолетов, особенно в авиации общего назначения, есть две основные марки детекторов молний (часто называемые sferics, сокращенно от радиоатмосферические ): Stormscope, первоначально произведенный Райаном (позже Б.Ф. Гудрич), а в настоящее время - L-3 Communications, и Strikefinder, произведенный Insight. Strikefinder может обнаруживать и правильно отображать удары IC (внутри облаков) и CG (облака на землю), а также отличать реальные удары от отраженных от ионосферы сигналов. Детекторы молний недороги и легки, что делает их привлекательными для владельцев легких самолетов (особенно однодвигательных самолетов, где в носовой части самолета нет возможности установки обтекателя ).
Недорогие портативные детекторы молний, а также другие однодатчики картографы молний, например, используемые в самолетах, имеют ограничения, включая обнаружение ложных сигналов и плохую чувствительность, особенно для внутриоблачных (IC) молний. Портативные детекторы молний профессионального качества улучшают характеристики в этих областях за счет нескольких методов, которые взаимно дополняют друг друга, тем самым усиливая их влияние:
Однако, поскольку радиочастотные сигналы и световые импульсы редко происходят одновременно, за исключением случаев, когда они генерируются молнией, радиочастотные датчики и датчики световых импульсов могут быть с успехом соединены в «схему совпадения », которая требует одновременного получения обоих видов сигналов для получения выходного сигнала. Если такая система направлена на облако и в этом облаке происходит молния, будут приняты оба сигнала; схема совпадения выдаст выходной сигнал; и пользователь может быть уверен, что причиной была 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 ранних миссиях, глядя в окно космического челнока, астронавты использовали оптические датчики для обнаружения молний в ярких залитых солнцем облаках далеко внизу. Это приложение привело к разработке портативного детектора молнии с двойным сигналом, который использует световые вспышки, а также сигналы «sferics », обнаруживаемые предыдущими устройствами.
Описанные выше усовершенствования значительно расширяют возможности детектора полезность во многих областях:
Когда сигнал молнии RF обнаружен в 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 не очень хорошо работает, потому что сигналы молнии сильно различаются по своей интенсивности. Таким образом, используя амплитуду для оценки расстояния, может показаться, что сильная вспышка находится поблизости, а более слабый сигнал от той же самой вспышки - или от более слабой вспышки от той же грозовой ячейки - кажется более далеким. Можно сказать, где ударит молния в радиусе мили, измеряя ионизацию в воздухе, чтобы повысить точность прогноза.
Чтобы понять этот аспект обнаружения молнии, необходимо знать, что «вспышка» молнии обычно состоит из нескольких ударов, типичное количество ударов от вспышки компьютерной графики находится в диапазоне от 3 до 6, но некоторые вспышки могут иметь более 10 ударов. Первоначальный удар оставляет ионизированный путь от облака до земли, а последующие «обратные удары», разделенные интервалом примерно в 50 миллисекунд, проходят вверх по этому каналу. Полная последовательность разряда обычно составляет около ½ секунды по продолжительности, в то время как продолжительность отдельных ходов сильно варьируется от 100 наносекунд до нескольких десятков микросекунд. Штрихи в вспышке компьютерной графики можно увидеть ночью как непериодическую последовательность свечений канала молнии. Это также можно услышать на сложных детекторах молний в виде отдельных звуков стаккато для каждого удара, образующих характерный узор.
Детекторы молний с одним датчиком использовались на самолетах, и хотя направление молнии может быть определено с помощью датчика с перекрестной петлей, расстояние не может быть надежно определено, поскольку амплитуда сигнала изменяется между отдельными ударами, описанными выше, и эти системы используют амплитуду для оценки расстояния. Поскольку удары имеют разную амплитуду, эти детекторы обеспечивают отображение на дисплее линии точек, похожих на спицы на колесе, идущих радиально от ступицы в общем направлении источника молнии. Точки находятся на разном расстоянии вдоль линии, потому что штрихи имеют разную интенсивность. Эти характерные линии точек на таких сенсорных дисплеях называются «радиальным разбросом». Эти датчики работают в диапазоне очень низких частот (VLF) и низких частот (LF) (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 микросхем, которые имеют значительное количество энергии в высокочастотном (ВЧ) диапазоне (до 30 МГц).
Еще одна проблема с приемниками молний ОНЧ заключается в том, что они улавливают отражения от ионосферы, поэтому иногда невозможно определить разницу в расстоянии между молнией на расстоянии 100 км и несколькими сотнями км. На расстояниях в несколько сотен км отраженный сигнал (называемый «небесной волной») сильнее прямого сигнала (называемого «земной волной»).
Волновод Земля-ионосфера улавливает электромагнитные волны СНЧ и СНЧ. Электромагнитные импульсы, передаваемые ударами молнии, распространяются в этом волноводе. 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. Вместе с методом пеленгации это позволяет определять местонахождение ударов молнии одной станцией на расстоянии до 10 000 км от места их возникновения. Кроме того, собственные частоты земно-ионосферного волновода, резонансы Шумана примерно на 7,5 Гц, используются для определения глобальной грозовой активности.
Из-за сложности определения расстояния до молнии с помощью единственный датчик, единственный надежный в настоящее время метод определения местоположения молнии - это использование взаимосвязанных сетей разнесенных датчиков, покрывающих область поверхности Земли, с использованием разницы во времени прибытия между датчиками и / или перекрестных пеленгов от разных датчиков. Несколько таких национальных сетей, которые в настоящее время работают в США, могут определять положение вспышек CG, но в настоящее время не могут надежно обнаруживать и позиционировать вспышки IC. Есть несколько небольших сетей (например, сеть LDAR Космического центра Кеннеди, один из датчиков которой изображен в верхней части этой статьи), которые имеют системы времени прибытия в диапазоне УКВ и могут обнаруживать и определять местоположение IC-вспышек. Они называются массивами lightning mapper. Обычно они покрывают круг диаметром 30–40 миль.
Викискладе есть медиафайлы, связанные с детекторами молний. |