낙뢰 검출

Lightning detection
플로리다 케네디 우주 센터의 낙뢰 탐지기입니다.

낙뢰 탐지기는 뇌우에 의해 발생하는 번개를 탐지하는 장치이다.검출기에는 세 가지 주요 유형이 있다. 여러 안테나를 사용하는 지상 시스템, 동일한 위치(종종 항공기 탑승)에 있는 방향 및 감지 안테나를 사용하는 이동 시스템 및 공간 기반 시스템이다.

최초의 그러한 장치는 1894년 알렉산더 스테파노비치 포포프에 의해 발명되었다.그것은 또한 세계 최초의 라디오 수신기였다.

지상 및 이동 감지기는 번개에 의해 방출되는 특성 주파수 분석과 함께 무선 방향 탐지 기술을 사용하여 현재 위치에서 번개의 방향과 심각도를 계산한다.지상 시스템은 여러 위치에서 삼각측량을 사용하여 거리를 결정하는 반면 모바일 시스템은 신호 주파수와 감쇠를 사용하여 거리를 추정합니다.인공위성의 우주 기반 검출기를 사용하여 직접 관측을 통해 번개 범위, 방위 및 강도를 파악할 수 있다.

지상 기반 낙뢰 탐지 네트워크는 미국 국립 기상국, 캐나다 기상청, 유럽 낙뢰 탐지 협력국(EULID), 유비쿼터스 기상연구소(Ubitiquitous Metorology, Ubimet)와 같은 기상 서비스 및 전기 및 산불 방지 시설과 같은 기타 기관에서 사용한다.레볼루션 서비스

제한 사항

낙뢰 감지에 사용되는 각 시스템에는 고유한 [1]제한이 있습니다.여기에는 다음이 포함됩니다.

  • 단일 지상 번개 네트워크에서 허용 오차 범위 내에서 플래시를 찾으려면 적어도3개의 안테나가 있는 플래시를 검출할 수 있어야 합니다.이는 종종 클라우드 간 번개가 거부되는 결과로 이어집니다. 한 안테나는 시작 클라우드에서 플래시의 위치를 감지하고 다른 안테나는 수신하는 안테나의 위치를 감지할 수 있기 때문입니다.그 결과 지상 네트워크는 특히 클라우드 간 번개가 만연하는 폭풍우가 시작될 때 플래시 수를 과소평가하는 경향이 있습니다.
  • 여러 위치와 비행 시간 탐지 방법을 사용하는 지상 기반 시스템은 위치를 계산하기 위해 타격 및 타이밍 데이터를 수집하는 중앙 장치가 있어야 한다.또한 각 검출 스테이션에는 계산에 사용되는 정밀 타이밍 소스가 있어야 합니다.
  • 이들은 삼각측정이 아닌 감쇠를 사용하기 때문에 이동식 검출기는 종종 근처의 약한 번개 섬광을 멀리 떨어진 강한 번개 섬광으로 잘못 표시하거나 그 반대로도 마찬가지이다.
  • 우주 기반 번개 네트워크에는 이러한 제한이 없습니다.그러나 이들 네트워크에 의해 제공되는 정보는 일반적으로 널리 이용될 때까지 몇 분 정도 경과되어 항공 항법 등의 실시간애플리케이션에는 제한적으로 사용됩니다.

낙뢰 감지기 대 기상 레이더

기상 레이더의 뇌우 수명 주기 및 관련 반사율
전하의 분포와 뇌우 주변 낙뢰

번개 감지기와 기상 레이더는 폭풍을 감지하기 위해 함께 작동한다.낙뢰 탐지기는 전기 활동을 나타내며 기상 레이더는 강수량을 나타냅니다.두 현상 모두 뇌우와 관련이 있으며 폭풍의 강도를 나타내는 데 도움이 될 수 있습니다.

오른쪽 첫 번째 이미지는 뇌우의 수명 주기를 보여줍니다.

  • 공기는 불안정하게 상승하고 있다.
  • 응결이 발생하고 레이더가 지면 위의 에코(색상 영역)를 감지합니다.
  • 결국 빗방울의 덩어리가 너무 커서 상승 기류에 의해 지탱되지 못하고 지상으로 떨어집니다.

구름은 번개가 발생하기 전에 일정한 수직 범위까지 발달해야 하므로 일반적으로 기상 레이더는 번개 감지기가 발생하기 전에 발달 중인 폭풍을 나타낸다.소나기 구름이 뇌우로 발전하는 것이 항상 이른 귀환에서 확실한 것은 아니며, 기상 레이더는 때때로 감쇠에 의한 마스킹 효과로 인해 레이더에 가까운 강수량이 더 멀리(아마도 더 강한) 강수량을 숨길 수 있다.낙뢰 감지기는 마스킹 효과를 겪지 않으며 소나기 구름이 뇌우로 진화했을 때 확인할 수 있다.

번개는 레이더가 기록한 강수량 밖에 위치할 수도 있다.두 번째 이미지는 뇌운의 모루(상류에 의해 적란운보다 먼저 날아간 상부) 또는 빗줄기의 바깥쪽 가장자리에서 충돌이 발생할 때 이러한 현상이 발생한다는 것을 보여준다.두 경우 모두 근처 어딘가에 레이더 에코 영역이 있습니다.

항공 용도

기상 레이더가 난류를 일으키는 작은 폭풍을 탐지할 수 있기 때문에 대형 여객기는 낙뢰 탐지기보다 기상 레이더를 사용할 가능성이 높다. 그러나 현대의 항전 시스템은 종종 추가적인 안전을 위해 낙뢰 탐지도 포함하고 있다.

소형 항공기, 특히 일반 항공의 경우, 두 가지 주요 낙뢰 감지기 브랜드가 있다(종종 전파 대기학의 줄임말인 sferics로 불린다).Ryan(나중에 B.F.)이 제작한 Stormscope.현재 L-3 Communications와 Insight가 제작한 Strikefinder에서 제작하고 있습니다.스트라이크파인더는 IC(Intracloud)와 CG(Cloud to Ground) 공격을 감지하고 적절하게 표시할 수 있을 뿐만 아니라 이온층에 반사된 실제 타격과 신호 반사를 구분할 수 있습니다.낙뢰 검출기는 저렴하고 가벼워서 경비행기 소유자에게 매력적이다(특히 단일 엔진 항공기의 경우, 항공기 기수를 라돔 설치에 사용할 수 없다).

전문가 품질의 휴대용 낙뢰 감지기

파티오 박물관의 낙뢰 카운터

저렴한 휴대용 낙뢰 검출기뿐만 아니라 항공기에 사용되는 기타 단일 센서 낙뢰 측정기에는 특히 구름 내(IC) 낙뢰의 경우 잘못된 신호 감지 및 감도 저하 등의 한계가 있다.전문가 품질의 휴대용 낙뢰 검출기는 서로 촉진하는 여러 가지 기법으로 이러한 영역의 성능을 개선하여 그 효과를 확대한다.

  • 잘못된 신호 제거:번개 방전은 AM 라디오에서 일반적으로 "정적"으로 나타나는 무선 주파수(RF) 전자파 신호와 가시적인 "플래시"로 구성된 매우 짧은 시간 광 펄스를 모두 생성합니다.이러한 신호 중 하나만 감지하여 작동하는 번개 감지기는 번개가 아닌 다른 소스로부터 오는 신호를 잘못 해석하여 잘못된 경보를 제공할 수 있습니다.특히 RF 기반 디텍터는 RF 간섭 또는 RFI라고도 하는 RF 노이즈를 잘못 해석할 수 있습니다.이러한 신호는 자동 점화, 형광등, TV 세트, 라이트 스위치, 전기 모터, 고전압 와이어와 같은 많은 일반적인 환경 소스에 의해 생성됩니다.마찬가지로, 빛 섬광 기반 검출기는 창문으로부터의 반사, 나무 잎을 통한 햇빛, 지나가는 자동차, TV 세트 및 형광등과 같이 환경에서 발생하는 깜박이는 빛을 잘못 해석할 수 있다.

그러나 번개에 의한 경우를 제외하고는 RF 신호와 광펄스가 동시에 발생하는 경우가 거의 없기 때문에 출력을 [2]내기 위해 두 가지 신호를 동시에 사용해야 하는 '동시회로'에 RF 센서와 광펄스 센서를 유용하게 연결할 수 있다.이러한 시스템이 구름을 가리키고 해당 구름에서 번개가 발생하면 두 신호가 모두 수신되고 일치 회로가 출력을 생성합니다. 사용자는 그 원인이 번개였다고 확신할 수 있습니다.밤에 구름 안에서 번개 방전이 일어나면 구름 전체가 빛을 발하는 것처럼 보입니다.대낮에는 이러한 구름 내 섬광이 인간의 눈에 거의 보이지 않습니다. 그럼에도 불구하고 광학 센서가 이를 감지할 수 있습니다.초기 임무에서 우주왕복선의 창문을 통해 우주인들은 훨씬 아래의 밝은 태양빛 구름 속에서 번개를 감지하기 위해 광학 센서를 사용했다.이 응용 프로그램은 이전 장치에서 감지된 "Sferics" 신호뿐만 아니라 섬광을 이용한 듀얼 신호 휴대용 낙뢰 탐지기의 개발로 이어졌다.

  • 감도 향상:과거에는 지상에서 사용하기 위한 저렴한 휴대용 및 고가의 항공기 시스템인 낙뢰 검출기가 저주파 방사선을 검출했다. 왜냐하면 저주파에서는 구름 대 지상(CG) 번개에 의해 생성된 신호가 더 강하기 때문이다(따라서 더 높은 진폭을 가지기 때문이다.단, 저주파수에서는 RF 노이즈도 강합니다.RF 노이즈 수신을 최소화하기 위해 저주파 센서는 낮은 감도(신호 수신 임계값)로 작동하므로 강도가 낮은 번개 신호를 감지하지 않습니다.이것은 거리의 제곱에 따라 신호 강도가 감소하기 때문에 먼 거리에서 번개를 탐지하는 능력을 감소시킵니다.또한 일반적으로 CG 플래시보다 약한 인트라클라우드(IC) 플래시 검출도 감소합니다.
  • 확장 인트라클라우드 번개 검출 기능 강화:광학 센서와 일치 회로를 추가하면 RF 노이즈로 인한 잘못된 경보가 제거될 뿐만 아니라 RF 센서를 더 높은 감도로 작동하고 IC 번개의 더 높은 주파수 특성을 감지할 수 있으며 IC 신호의 더 약한 고주파 성분과 더 먼 거리의 섬광을 감지할 수 있습니다.

위에서 설명한 개선사항은 많은 영역에서 검출기의 효용을 크게 확장한다.

  • 조기 경고:왜냐하면 그들은 일반적으로 5CGflashes[표창 필요한]기 전에 30분까지로 그리고 그래서는 CG-only 검출기 경우에는 표창 필요성에 비해 검출기의 personal-safety과 storm-spotting 응용 프로그램에서 효과성 제고 thunderstorms[표창 필요한]개발의 경고를 제공할 수 있는 발생하는 IC안에서 큰 탐지 중요하다.교육을 뻗는다.감도가 높아지면 [citation needed]더 멀리 있지만 사용자를 향해 이동할 수 있는 이미 발달한 폭풍에 대한 경고도 제공됩니다.
  • 스톰 위치:"폭풍 추적기"는 낮에도 개별 구름을 가리킬 수 있는 지향성 광학 탐지기를 사용하여 먼 곳의 뇌운을 구별할 수 있습니다.이러한 폭풍은 약한 비토네이성 [3]: 248 폭풍보다 더 높은 주파수 방사선으로 섬광 속도를 생성하기 때문에 토네이도를 생성하는 가장 강력한 뇌우를 식별하는 데 특히 중요하다.
  • 마이크로버스트 예측:IC 플래시 검출은 마이크로 [4]: 46–47 버스트를 예측하는 방법도 제공합니다.대류 전지의 상승 기류는 혼합상 하이드로메터(물과 얼음 입자)가 같은 부피로 존재할 수 있도록 충분히 차가운 고도에 도달하면 전기가 흐르기 시작합니다.전기화는 얼음 입자와 물방울 또는 수분이 코팅된 얼음 입자의 충돌로 인해 발생합니다.가벼운 얼음 입자(눈)는 양전하를 띠고 구름의 중심부에 음전하를 [5]: 6014 띤 물방울을 남겨두고 구름의 상부로 운반된다.이 두 개의 전하 중심은 번개 형성으로 이어지는 전기장을 생성합니다.상승 기류는 모든 액체 물이 얼음으로 바뀔 때까지 계속되며, 상승 기류를 이끄는 잠열을 방출합니다.모든 물이 바뀌면 낙뢰율과 마찬가지로 상승 기류가 급격히 붕괴됩니다.따라서 주로 IC 방전에 의한 큰 값으로의 번개율 상승과 그에 따른 급격한 속도 하락은 다운버스트 시 입자를 아래로 운반하는 상승기류 붕괴의 특징적인 신호를 제공한다.얼음 입자가 구름 기반 근처의 따뜻한 온도에 도달하면 녹아서 대기의 냉각을 유발합니다. 마찬가지로, 물방울도 증발하여 냉각을 유발합니다.이 냉각 증가 microbursts을 가져오는 원동력 공기의 밀도.“돌풍의 전선”자주 뇌우 근처에 경험의 시원한 공기 이 메커니즘에 의해 발생한다.
  • 스톰 식별/추적:IC 감지 및 관측을 통해 식별되는 일부 뇌우는 CG 깜박임이 발생하지 않으며 CG 감지 시스템에서 감지되지 않습니다.IC 플래시도 CG의 몇 배나 자주 발생하므로 보다 강력한 신호를 제공합니다.IC 섬광의 상대적 고밀도(단위 면적당 수)는 번개를 매핑할 때 대류 셀을 식별할 수 있는 반면 CG 번개는 직경이 약 5km인 셀을 식별하기에는 너무 적고 거리가 멀다.폭풍의 후기에는 CG 플래시 액티비티가 가라앉아 폭풍은 끝난 것처럼 보일 수 있습니다.그러나 일반적으로 아직 IC 액티비티가 남아 있는 중위도 및 높은 서커스 앤빌 클라우드에서 진행되고 있기 때문에 CG 번개의 가능성은 여전히 존재합니다.
  • 폭풍 강도 정량:IC 검출의 또 다른 장점은 섬광 속도(분당 수)가 뇌운 [5]: 6018–6019 [6]내 상승 기류의 대류 속도의 5승에 비례한다는 것이다.이 비선형 응답은 레이더에서 거의 관측되지 않는 구름 높이의 작은 변화가 플래시 속도의 큰 변화를 동반한다는 것을 의미합니다.예를 들어 클라우드 높이가 거의 눈에 띄지 않게 10% 증가하면(폭풍 심각도 측정값) 총 플래시 속도가 60%나 변경되므로 쉽게 확인할 수 있습니다."총 번개"는 구름 기반에서 지면까지 확장되는 일반적으로 볼 수 있는 CG 섬광뿐만 아니라 구름 내부에 머무는 일반적으로 보이지 않는(낮에) IC 섬광이다.전체 번개의 대부분이 IC 섬광에서 발생하므로, 폭풍 강도를 정량화하는 기능은 대부분 IC 방전을 감지함으로써 발생한다.저주파 에너지만 감지하는 번개 감지기는 근처에 있는 IC 섬광만 감지하므로 마이크로 버스트 예측 및 대류 강도 정량화에 상대적으로 비효율적이다.
  • 토네이도 예측:토네이도를 일으키는 심한 폭풍은 매우 높은 번개율을[4]: 51 가지고 있으며, 가장 깊은 대류 구름에서 나오는 번개는 대부분 [9]IC이다. 따라서 IC 번개를 감지하는 기능은 토네이도 잠재력이 높은 구름을 식별하는 방법을 제공한다.

번개 범위 추정

RF 번개 신호가 한 곳에서 감지되면 교차 루프 자기 방향 탐지를 이용해 방향을 판단할 수 있지만 거리 판단은 어렵다.신호의 진폭을 사용하여 시도했지만 번개 신호의 강도가 크게 다르기 때문에 잘 작동하지 않습니다.따라서 거리 추정에 진폭을 사용하면 강한 플래시가 근처에 있는 것처럼 보이고 같은 플래시 또는 같은 스톰셀의 약한 플래시로부터의 약한 신호가 더 멀리 있는 것처럼 보일 수 있습니다.예측의 정확성을 높이기 위해 공기 중의 이온화를 측정하면 반경 1마일 이내의 어디에 번개가 칠지 알 수 있다.

번개 검지의 이러한 측면을 이해하려면 번개 '플래시'는 일반적으로 여러 번의 스트로크로 구성되며 CG 플래시의 일반적인 스트로크 수는 3 ~6이지만 일부 플래시에는 10 스트로크 이상의 스트로크가 있을 수 있습니다.[10]: 18 초기 스트로크는 구름에서 지상으로 이온화된 경로를 남기고 이후 약 50밀리초 간격으로 '역행 스트로크'가 해당 채널을 따라 올라갑니다.전체 방전 시퀀스는 일반적으로 약 µ초 지속 시간이지만 개별 스트로크의 지속 시간은 100나노초에서 수십 마이크로초 사이에 크게 다릅니다.CG 플래시의 스트로크는 야간에 번개 채널의 비주기적인 조명 시퀀스로 볼 수 있습니다.이것은 또한 각 스트로크마다 개별 스타카토 소리로 정교한 번개 탐지기에서 들을 수 있으며, 독특한 패턴을 형성한다.

단일 센서 번개 감지기가 항공기에 사용되었으며 교차 루프 센서에서 번개 방향을 결정할 수 있지만, 위에서 설명한 개별 스트로크 간에 신호 진폭이 다르기 때문에 거리를 안정적으로 결정할 수 없으며, 이러한 시스템은 진폭을 사용하여 거리를 추정한다.스트로크가 다른 진폭을 가지기 때문에 이러한 검출기는 허브에서 광원의 일반적인 방향으로 방사상으로 뻗어나가는 바퀴의 스포크처럼 디스플레이에 점선을 제공합니다.강조 표시의 강도가 다르기 때문에 점들은 선을 따라 다른 거리에 있습니다.이러한 센서 디스플레이에서 점의 이러한 특징적인 선을 "방사선 확산"이라고 합니다.[11] 이러한 센서는 지상으로부터의 리턴 스트로크에 의해 생성되는 가장 강력한 번개 신호를 제공하는 초저주파수(VLF) 및 저주파수(LF) 범위(300kHz 미만)에서 작동합니다.그러나 센서가 플래시에 근접하지 않는 한 고주파(HF) 범위(최대 30MHz)에서 상당한 양의 에너지를 가진 IC 방전에서 약한 신호를 감지하지 못합니다.

VLF 번개 수신기의 또 다른 문제는 전리층으로부터의 반사를 포착하기 때문에 때때로 100km 떨어진 번개와 수백km 떨어진 번개 사이의 거리 차이를 구별할 수 없다는 것이다.수백 km 거리에서는 반사 신호("하늘파")가 직접 신호("지상파")보다 강합니다.[12]

지구 전리층 도파관은 전자파 VLF 및 ELF파를 포착합니다.낙뢰에 의해 전달되는 전자 펄스는 도파관 내에서 전파됩니다.도파관은 분산되어 있는데, 이는 그들의 그룹 속도가 주파수에 따라 달라진다는 것을 의미합니다.인접 주파수에서 조명 펄스의 그룹 시간 지연의 차이는 송신기와 수신기 사이의 거리에 비례합니다.방향 탐지 방법과 함께 단일 관측소에서 원점으로부터 최대 10,000km 거리까지 낙뢰 위치를 파악할 수 있다.또한 지구-이온권 도파관의 고유 주파수인 약 7.5Hz의 슈만 공명은 지구 뇌우 활동을 결정하는 [13]데 사용된다.

단일 센서로는 번개까지의 거리를 얻는 것이 어렵기 때문에 현재 유일하게 신뢰할 수 있는 번개 위치 결정 방법은 센서 간의 도달 시간 차이 및/또는 다른 센서로부터의 교차 방위 값을 사용하여 지구 표면의 영역을 커버하는 상호 연결된 센서 네트워크를 통해 이루어진다.현재 미국에서 운영되고 있는 여러 국가 네트워크는 CG 플래시 위치를 제공할 수 있지만 현재 IC 플래시를 안정적으로 감지하고 위치를 지정할 수 없습니다.[14] 일부 소규모 지역 네트워크(Kennedy Space Center의 LDAR 네트워크 등, 이 기사의 맨 위에 센서 중 하나가 표시되어 있음)는 도착 시간이 VHF이며 IC 플래시를 감지하고 위치를 지정할 수 있습니다.이를 라이트닝 매퍼 어레이라고 합니다.그것들은 보통 지름 30~40마일의 원을 덮고 있다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Richard Kithil (2006). "An Overview of Lightning Detection Equipment". National Lightning Safety Institute. Retrieved 2006-07-07.
  2. ^ Brook, M.; N. Kitagawa (1960). "Electric-Field Changes and the Design of Lightning-Flash Counters". Journal of Geophysical Research. 65 (7): 1927–1930. Bibcode:1960JGR....65.1927B. doi:10.1029/JZ065i007p01927.
  3. ^ a b MacGorman, Donald R.; Rust, W. David (1998). The Electrical Nature of Storms. Oxford University Press, NY. ISBN 978-0-19-507337-9.
  4. ^ a b Williams, Earle R. (1995). "Meteorological aspects of thunderstorms". In Volland, Hans (ed.). Handbook of Atmospheric Electrodynamics, Vol. 1. CRC Press, Boca Raton. ISBN 978-0-8493-8647-3.
  5. ^ a b Williams, Earle R. (1985). "Large scale charge separation in thunderclouds". Journal of Geophysical Research. 90 (D4): 6013. Bibcode:1985JGR....90.6013W. doi:10.1029/jd090id04p06013.
  6. ^ Yoshida, Satoru; Takeshi Morimoto; Tomoo Ushio & ZenIchiro Kawasaki (2009). "A fifth-power relationship for lightning activity from Tropical Rainfall Measuring Mission satellite observations". Journal of Geophysical Research. 114 (D9): D09104. Bibcode:2009JGRD..114.9104Y. doi:10.1029/2008jd010370.
  7. ^ Vonnegut, Bernard; Moore, C.B. (1957). "Electrical activity associated with the Blackwell-Udall tornado". Journal of Meteorology. 14 (3): 284–285. Bibcode:1957JAtS...14..284M. doi:10.1175/1520-0469(1957)014<0284:EAAWTB>2.0.CO;2.
  8. ^ Vonnegut, Bernard; James R. Weyer (1966-09-09). "Luminous phenomena in nocturnal tornadoes". Science. 153 (3741): 1213–1220. Bibcode:1966Sci...153.1213V. doi:10.1126/science.153.3741.1213. PMID 17754241.
  9. ^ Rutledge, S.A., E.R. Williams and T.D. Kennan (1992). "The down under Doppler and electricity experiment (DUNDEE): Overview and preliminary results". Bulletin of the American Meteorological Society. 73 (1): 3–16. Bibcode:1992BAMS...73....3R. doi:10.1175/1520-0477(1992)073<0003:TDUDAE>2.0.CO;2.{{cite journal}}: CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  10. ^ a b Uman, Martin A. (1987). The Lightning Discharge. Academic Press, N.Y. ISBN 978-0-12-708350-6.
  11. ^ WX-500 Stormscope Series II Weather Mapping Sensor User's Guide (PDF). BF Goodrich Avionics Systems, Inc. 1997. pp. 4–2, 4–7. Archived from the original (PDF) on 2008-08-21.
  12. ^ Golde, Rudolf H. (1977). Lightning, Vol. 1. Academic Press, N.Y. p. 368. ISBN 978-0-12-287801-5.
  13. ^ Volland, H. (ed): "대기전기역학 핸드북", CRC Press, Boca Raton, 1995
  14. ^ Murphy Martin J., Demetriades, Nicholas W.S., Cummins, Kenneth L., and Ronald L. Holle (2007). Cloud Lightning from the U.S. National Lightning Detection Network (PDF). International Commission on Atmospheric Electricity, 13th International Conference on Atmospheric Electricity, Beijing.{{cite conference}}: CS1 maint: 작성자 파라미터 사용(링크)

외부 링크

Wikimedia Commons에는 라이트닝 디텍터와 관련된 미디어가 있습니다.

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