Villámok, RS technikák Steinbach Péter steinb@sas.elte.hu

zivatarfelhő (Cumulonimbus, Cb)

fulldisk479

CG, IC, CC, CA, CI, ±

elektromos töltések szétválasztása: légköri dinamo mech → el zivatarfelhő (Cumulonimbus, Cb)

A légköri kisülések / villám (-aktivitás) • a semleges légkör meghatározó fizikai jelensége, • globális változás egyik direkt mérőszáma (Nap, földi sugárzási mérleg, hőm. és páratartalom, aeroszolok) • összetett jelenségkör gyűjtőneve – több, mint a kisülés maga elektromos kisülés ↔ fény / hang / e.m. impulzus / kémiai reakciók / hő sztratoszf. troposzf.

Miért észleljük, követjük, vizsgáljuk a villámokat? pl. - zivatarkövetés, extrém csapadék - kiemelten repülésbiztonság (CN) - biztosítók (épületkárok, erdészet) - közmű-, inf.- hálózatok fenntartása - tud. alkalmazások Miért RS? harangozók… B.Franklin, villámhárító

kitérő: van kevés direkt mérés is, pl. Säntis, Svájc 100 MHz mintavételi fr., két indukciós tekercs 24, 82 m magasan, áram jelalak

CG: stepped leader (elővillám), CC: breakdown streamer (csat. Ioniz.), hi speed camera 00:50:147.289 148.747 149.789 152.291 153.332 CG: stepped leader (elővillám), CC: breakdown streamer (csat. Ioniz.), return stroke (lecsapó villám)

átlagos jellemzők RS megfigyelésekből vezető csatorna átmérő ~ 5 cm - ionizált gáz, izzó plazma hőmérséklet ~ 30 000 K áram ~ 30-200 kA teljesítmény 108 ~ 1010 W élettartam < 100 μs ( cc: 1-2 s) kisülési csatorna hossz ~ 3 km sebesség ~ 0,1 C (30 000 km/s) energia ~ 6×108 J cellatérfogat ~ 3 000 km3

optikai, műholdas OTD Orbview/Microlab-1 satellite 1995-től, 70°, LEO Apogee: 706 km, Perigee: 696 km LIS Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM), NASA-JAXA, 1997-től, 35° http://trmm.gsfc.nasa.gov/

globális jellemzők: ~ 2000 aktív zivatarfelhő, ~ 45 villám/sec

Shuttle, OTD argentina.mpg

földi villám detektálás – elektromos/mágnese tér mérés A villám intenzív, szélessávú e.m. jelforrás.

földi villám detektálás – elektromos/mágnese tér mérés A villám intenzív, szélessávú e.m. jelforrás. áramimpulzus (kA) Säntis

földi villám detektálás – elektromos/mágnese tér mérés A villám intenzív, szélessávú e.m. jelforrás. ● spektruma DC – VHF, maximuma VLF ~ 10 kHz Föld-ionoszféra hullámvezető (EIWG), veszteséges falú gömbhéj ULF – kismértékű csillapítás, globális hatás; VLF-ben 6-10000 km; HF-VHF < 2-300 km 1MHz

földi villám detektálás – elektromos/mágnese tér mérés A villám intenzív, szélessávú e.m. jelforrás. ● spektruma DC – VHF, maximuma ~ VLF 10 kHz ● ~ 0.5 ms hosszú impulzus (150km) ● jelalak villám típustól, kisülési csatorna szerkezetétől, stb., irreguláris módon függ, és terjedés során torzul

nagyfrekvenciás, regionális villám detektorok VHF, szabadtéri terjedés, egyenes terj. út direkt rálátás, 2D, 3D, pontos, nagy hatásfokú, költséges DF (interferometria), TOA (állomáspárok, időkül., hiperbolák metszete, 4 áll.) kis hatósugár, sűrű (50-200km) hálózat, jell. országos lefedettséggel impulzus hossz, jelalak/burkoló jellemzők, kisülés típus Pl. EUCLID

VLF, globális villám detektor hálózat – WWLLN.net akadémiai intézmények együttműködése globális hálózat szélessávú VLF adatsoron TOA, realtív áramerősség, hely/idő koord. nagy hatósugár, ritka (500-2000km) hálózat, glob lefedettség, nem egyenletes kis költség, kis (30-40%) hatásfok

Spec. VLF alkalmazás szferiksz, tweek

ULF villám észlelés – Schumann rezonancia Föld-ionoszféra gömbhéj üregrezonátor sajátfrekvenciái: 7.8, 14, 20, 26, 33, 39, 45 Hz, ± ~ 0.5 Hz.  Villámok keltette e.m. háttér, ULF komponens, inkoherens gerjesztés. Rezonáns amplitúdók az általános zivatar aktivitás indexei, globálisan mérhető jellemző Két állomás adatából (horizontális mágneses pT, vertikális elektromos 100 µV/m) zivatar helye, intenzitása. Frekvenciák variációjából rezonátor geom. (ionoszféra alak, magasság), amplitúdóból konvekció erősségre (ld. Napsug., pára), villám intenzitásra (konv, aeroszolok) nyerhetők stat jellemzők.

globális jellemzők

(Pasko et al., 2002) (Univ. of Fairbanks, Alaska) Fényjelenséggel is járó, felhő-ionoszféra kisülések okozta ionizációk a felsőlégkörben: „Blue Jet” (bal oldali kép) és „Red Sprite” (jobb oldali kép) jelenségek

~ ’95 óta rendszeres megfigyelés opt (földi, ballonos, múholdas, shuttle, ISS), ELF e.m.

red sprite 2012.04.02. (c) Ashcraft spaceweather.com

Tool for the Analysis of RAdiation from lightNIng and Sprites Combined Nadir observations of TLEs and TGFs. High resolution measurement of energetic electrons. Wave field measurements over the frequency range [DC - 35 MHz]. Dimension: ~ 1m3 Mass: ~ 200 kg Orbit: - Sun-synchronous - Inclination: 98° - Altitude: 700 km Subsystems: - Memory: 16 Gbits - X band: 16.8 Mb/s Data: 4 GB/day Time stamping accuracy: ±1 ms Pointing accuracy - localization: 5 km

eddig volt órán

A • A Föld plazmakörnyezete előmágnesezett, anizotróp plazma -> diszperzív közeg • villám rövid impulzusa szélessávú (UWB) gerjesztés -> whistler B C D E

Villámok keltette, a Földi-ionoszféra hullámvezetőben nagy távolságra terjedt rövid impulzusok (szférik) egy Tihanyban rögzített VLF felvétel dinamikus spektrumán (felső ábra), és a plazmában rövid utat megtett, kis diszperziójú whistlerek a felső ionoszférában (700 km) keringő műhold európai áthaladása közben vett, a földi regisztrálással egyidejű felvételén. A tropszféra villámkisülései a plazmában terjedő whistlereket gerjesztenek nagy tömegben.

Simple, time domain sferic counter

● time domain sferic counter ● peak time & two component amplitudes archived in hourly files ● (almost) continuous data set since 23rd April 2008. ● run at Tihany (THY) station, Hungary

450 orbit sections, 3 min. in avg /orbit, 160 days in 2008

Hullám – részecske kölcsönhatás miatt a sugárzási övből kiszóródó energikus elektronok okozta tranziens, megnövekedett ionizáció a mezoszférában (60 – 90 km között).

tranziens ionizáció a mezoszf.-ban – egy hatékony mérési technika klasszikus trimpi TRIMPI perturbációk a Föld-ionoszféra hullámvezetőben terjedt, monokromatikus VLF jeleken, amplitúdó– és fázis–adatsorokon gyors trimpik 45.9 kHz (Dowden és Adams, 1993)