Villámok Teljes energia 100-1000MJ Csúcs teljesítmény ~1012W, 10-100μsec időtartamig Csúcsáram: 10-300kA Töltésszétválasztás: felhőkön belüli feláramlásokban a különböző részecskék (jégkristályok és túlhűtött vízcseppek) egymással való ütközése során, vezetőcsatornák kialakulása (esetleg kozmikus sugárzás triggereli) Általában negatív a villám, de van, hogy a felhő tetejéről (+) csap le (5%), a pozitív villám ~10-szeres energiájú, 1990-es évek végétől ismert (~?!) felhő-föld (CG), Felhő-felhő és felhőn belüli villámok (IC) Általában ~3.5/szer annyi IC (inter-Cloud) villám van mint CG Műholdas megfigyelésekből a globális villámgyakoriság: 44±5 felvillanás/sec, ~2000 zivatarban Gáz: 34MJ=1m3

POZITÍV VILLÁMOK ~10-szeres energia, mint a negatív. Hosszabb időtartam, Gyakoriság ~5%-a a teljes villámgyakoriságnak, lecsaphat oldalra 10-20km-re is (derült égből..., "bolt from the blue" ) Kb. 1999 táján jöttek rá, hogy a repülőgépek számára ez sokkal veszélyesebb (nagy energia), új szabályzat kellett. A sprite-ok, elve-k fő forrása

Villámokkal, zivatarfelhőkkel kapcsolatos, felsőlégköri fényjelenségek A jelenségcsoport neve Transient Luminous Events (TLE), amelynek jelentése magyar nyelvre fordítva "rövid életű felvillanások". (red) Sprites, elves: villámokhoz kapcsolható, de nem minden villám fölött láthatók, élettartam msec Pozitív villámokhoz kapcsolhatók (?), az elve a sprite fölött sugárirányban táguló jelenség... Blue jet élettartama ~1sec is lehet, 40-50km magasra jut, nem közvetlenül a villámok keltik Sprite: triggered by positive lightning Villámokkal, zivatarfelhőkkel kapcsolatos, felsőlégköri fényjelenségek

A villám megfigyelések céljai: Hol lehet fontos a gyors (valós idejű) információ a villámlás helyéről és idejéről: Áramszolgáltatás, erdészet, légi közlekedés, időjárás előrejelzés, biztosítás, kültéri események szervezése Tudományos szempontok: Viharfelhők villámok kapcsolata Regionális meteorológiai folyamatok Kisülések nagy magasságban... severe weather warning Ionoszféra paraméterek meghatározása Hullám-részecske kölcsönhatások a megnetoszférában Kis gyakoriságú vegyületek létrejötte a légkörben, pl.: A villámok létrehozta NOx molekulák közvetve befolyásolják a légköri hidroxil gyökök és az ózon háztartást (GEOS-CHEM a légkör globális kémiai transzportmodellje, 3D modell kb. Félfokos felbontással 72 vertikális szinttel)

Villámok kapcsolata egyéb időjárási paraméterekkel Jól korrelálnak a légköri jégtartalommal, kevésbé az esővel A viharfelhőkben a feláramlások erősségével vannak kapcsolatban Kapcsolat a felületi hőmérséklettel Az űrből jól megfigyelhetők a villámokkal a mélyről jövő konvekció területei

Villámmegfigyelések módjai Fényjelenség, műholdas műszerek OTD, LIS Kisfrekvenciás EM sugárzás, (felhő-föld villámok), domináns a vertikális elektromos térerő+horizontális mágneses térerő komponensek NLDN (106 állomásból álló hálózat (1996) az USA területén), pontosság 0.5km, 0.3-3MHz tartomány az első néhány μsec részét használja elkerülendő az ionoszféráról visszavert jelet. A távolsággal a jel gyorsan csökken. A nagy pontossághoz sok földi állomás kell. Ma: VHF sávban 200m pontosság, hatásgok>95% (CG+IC) WWLLN globális hálózat (ejtsd: „woollen”) hálózat, 3-30kHz a földfelszín és az ionoszféra közti hullámvezetőben kis veszteséggel terjedő szferikszek, ezer km-ekre is észlelhető a jel. A detektálás hatásfoka ~5%, pontossága n x 10km. A pontosság becslése: összevetés az Új-Zélandi NZLDN földi hálózat adataival, amely hatásfoka a CG villámokra >90% (IC-re jóval kisebb pár %) ELF hullámok, Schumann rezonancia, 1 állomás a mágneses komponenst is mérve irányt is ad, pontosság n x 100km, főleg a nagyenergiájú villámokra használható. DE (Detection Efficiency), a detektálás hatásfoka: Műholdas optikai emissziós sávokban: >90% CG+IC Földi MF/HF mérések sűrű hálózatok (d<300km), CG: >90%, IC: néhány % Földi VHF mérések sűrű hálózatok (d<300km), CG+IC: >95% Globális VLF, CG: n x 10% nagyobb csúcsáramoknál jobb, IC: néhány %, közelíti a MF/HF hálózatot

NLDN (US) villámdetektáló hálózat 2010 után http://www. vaisala 114 állomás, VHF (30-300MHz) frekvenciás detektáló állomások hatásfok>95% (CG+IC) az egész területre (US) Helybéli pontosság: ~200m Adatbázis elérhető visszamenőleg VHF(30-300MHz) – VLF/LF (3-300KHz) Nagy különbség az IC detekálási hatásfokban: VLF/LF-nél <50% Ezért VHF: előre tud jelezni CG villámokat (percekkel, az állítás szerint 10 percekkel), a helyet is A viharok lefolyásának jó idő- és térbeli felbontását tudja nyújtani Az adatok az egyes villámeseményhez: idő, amplitudó, polarizáció, több terjedési út a CG villámoknál VHF : max. 100km-ekre VLF/LF: 1000km-ekre is Felső ábra: egy vihar, a pirosak VHF, feketék: VLF/LF, az üllő formája teljesebb VHF-ben Alsó ábra: egy viharfront adatai kék: CG, piros: IC

NLDN érzékelő állomások eloszlása, USA Mód a villám helyének meghatározására: Mágneses iránymeghatározás TOA (Time of Arrival) mérés VHF interferometria

WWLLN (World Wide Lightning Location Network) http://dudwlln.otago.ac.nz/ http://webflash.ess.washington.edu/ http://wwlln.net/new/ A WWLLN, “woollen” (vagy „woolen” (US)) hálózata Működési tartomány: 6-22 kHz A hálózat célja: DE>50% CG villámokra, a helymeghatározás pontossága átlagosan <10km Jelenlegi hatásfok (DE) 30%, 5 állomásnak kell venni a jelet 40 állomás jelenleg(2014)

A WWLLN hálózat által mért villámeloszlás egy évre (2005) Az állomások eloszlása miatt az afrikai és amerikai trópusi villámok detektálása kisebb hatásfokú, mint az ausztro-ázsiai szigetvilágbelieké.

WWLLN algoritmus Minden állomás bizonyos jelszint felett számol egy beérkezési időt a szferix jelre, ez a TOGA (Time Of Group Arrival) A beérkezett „TOGA”-ákat csoportosítja és megpróbál optimális helyet találni a villám keletkezésére (Nelder-Mead (simplex-szerű) algoritmus), ha nincs ilyen, elveti a csoportot Az újabb algoritmusban addig veti el a legrégebbi TOGA-t, ameddig nem lesz megfelelő hely vagy az állomások száma 5 alá nem csökken. (evvel 63%-kal nőtt a DE, de nagy csúcsáramú villámokra 3-szoros lett)

WWLLN eredmények 2007-es algoritmus 65%-kal több regisztrált villám-kisülés 2003-as algoritmus

WWLLN megfigyelések, távolság és csúcsáram- függése

OrbView-1 | MicroLab-1 74kg, 42W, pálya: 740km, 100 perc, i=70o Villámdetektálás, légköri paraméterek mérése, hőmérséklet, nedvességtartalom a GPS jel fáziskéséséből.

OTD (Optical Transient Detector) Microlab-1 műhold, 1995 ápr. 3 , 2000-ig Pálya: 740km, 100 perc, i=70o 128 x 128 fotodióda mátrix, 1300 x 1300 km látómező Felbontás 10km, 2msec, egy terület megfigyelési ideje ~ 4 perc. 8 bites képek, nagy detektálási hatásfok CG+IC 777.4nm-es keskenysávú szűrő (Δλ=1nm), oxigén atomi emisszió Méri a teljes kisugárzott energiát (az adott sávon) A globális átlag: 44±5 felvillanás másodpercenként detektálás : Események az egy bizonyos szintet meghaladó pixelek csoportok, azonos képen (egy időben) közeli események EVENTS-pixel, GROUPS-szomszédos events in 2ms, FLASHES-közeli group-ok, → AREAS  Villanások, a térben összeköthető csoportok, időbeni korláttal (333ms) A villanás paraméterei: méret (km2), időtartam(n x 2ms), energia (J) A globális villámeloszláshoz földrajzilag egyenletes fedés kell, ez ~50-100 napos időtartam alatt teljesül Optikai villámdetektor mozi

OTD globális évszakos villámeloszlás http://thunder. msfc. nasa

Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM, NASA-JAXA) 1997-2014 http://www.wmo-sat.info/oscar/satelliteprogrammes/view/171 Globális energia és vízháztartási ciklus kutatása 350 majd 400km-es pálya, i=35° 2014 nyár: elfogy az üzemagyag (pályamódosítás, csökkenő pályasugár miatt kell, szemétkerülés.) ~2016 februárig működik még. MŰSZEREK VIRS mint az AVHRR: 0.63, 1.6, 3.75, 10.8, 12 um LIS (Lightning Imaging Sensor) PR 13.8 GHz esőradar CERES (Cloud and Earth Radiant Energy Sensor ) – globális energiaháztartás, van az TERRA, AQUA, NPP műholdakon is. 9 hónapig működött. TMI (Microwave Imager)

LIS Lightning Imaging sensor (TRMM) http://trmm. gsfc. nasa Felhő-föld, felhő-felhő és felhőn belüli villámok éjjel nappali megfigyelése Szűrővel keskeny sávban (Δλ=1nm) az oxigén atom 777.4nm-es emissziós vonalán, nappal is kimutathatók a villámok 3-szor érzékenyebb mint az OTD 128 x 128 CCD, 500 frame/sec (2 msec 1 FOV: 600x600km (350km pálya) 3-6km felszíni felbontás DE>90%, Egy felhő megfigyelése: 80sec Hasonló műszert terveznek az MTG-re (Meteosat Third Generation) és a GOES sorozat későbbi tagjaira. Geostacionárius holdak

Globális villámeloszlás, LIS

OTD/LIS villámsűrűség-eloszlás Érdekes a mértékegység

Az eljövendő „Lightning Imager” geostacionárius meteorológiai műholdak. Tervek geostacionárius holdakon működő villámdetektáló optikai leképező eszközökre Amerikai (GOES/GLM), Európai (MTG/LI), Kínai (FY/LMI) és Orosz (Electro-M/LM)

Hasznos információk Ez a ppt megtalálható a köv. anonim ftp helyen: potrien.elte.hu/pub/TBM/ Az előadás anyagához nagyon hasonló weboldal: http://thunder.nsstc.nasa.gov/primer/