Blitzentladung

Quelle¹⁾

Wie Blitze ursprünglich entstehen, ist immer noch umstritten²⁾. Wissenschaftler haben Ursachen untersucht, die von atmosphärischen Störungen (Wind, Feuchtigkeit, Reibung und atmosphärischem Druck) bis zu den Auswirkungen von Sonnenwind und der Akkumulation geladener Solarteilchen reichen. Es wird angenommen, dass Eis in einer Wolke ein Schlüsselelement bei der Entwicklung von Blitzen ist und eine zwangsweise Trennung von positiven und negativen Ladungen in der Wolke verursachen kann, wodurch die Bildung von Blitzen unterstützt wird. Es war nicht offensichtlich, dass der Blitz mit Elektrizität zu tun hat, da der elektrische Strom nicht durch die Luft fließt. Aber, am 10. Juni 1752, ließ Benjamin Franklin während eines Gewitters einen Drachen steigen und sammelt Ladung in einem Leyden-Gefäß, als der Drachen vom Blitz getroffen wurde. Dies ermöglichte es ihm, die elektrische Natur des Blitzes zu demonstrieren. Er erfand auch den Blitzableiter, der zum Schutz von Gebäuden und Schiffen verwendet wird.

Eine Blitzentladung emittiert Hochfrequenzenergie über einen weiten Frequenzbereich. Wenn bei Wolken-zu-Boden-Blitzen hohe Ströme in zuvor ionisierten Kanälen auftreten, werden die stärksten Emissionen im VLF-Bereich abgestrahlt. VLF (eng: very low frequency = sehr niedrige Frequenzen) bezieht sich auf Radiofrequenzen in dem Bereich von 3 kHz bis 30 kHz. Ein wesentlicher Vorteil von niedrigen Frequenzen im Gegensatz zu höheren Frequenzen ist die Eigenschaft, dass sich diese Signale durch durch Reflexionen zwischen der Ionosphäre und der Erde über Tausende von Kilometern ausbreiten. Im Allgemeinen erzeugt eine Blitzentladung mehrere Impulse von kurzer Dauer zwischen einer Gewitterwolke und dem Boden oder zwischen oder innerhalb von Gewitterwolken. Der Stromfluss erzeugt ein elektrisches Feld parallel zum Stromfluss und ein entsprechendes Magnetfeld senkrecht zum elektrischen Feld.

Wellen mit einer Frequenz zwischen 3 kHz und 30 kHz haben eine Wellenlänge zwischen 100 km und 10 km. Eine geeignete Antenne für diese Frequenzen ist eine kleine Loop-Antenne mit einer Größe von weniger als 1/10000 der Wellenlänge im Umfang. Kleine Loop-Antennen werden auch als magnetische Loops bezeichnet, weil sie empfindlicher für die magnetische Komponente der elektromagnetischen Welle sind als für Störungen im elektrischen Nahfeld - richtige Schirmung vorausgesetzt. Wenn die Loop in Bezug auf die Wellenlänge klein ist, ist der Strom um die Antenne ist fast vollständig in Phase. Daher löschen sich Wellen aus die auf die Kreisfläche der Loop treffen, während die Wellen die seitlich auf die Loop treffen am stärksten sind. Dies Eigenschaft ändert sich, wenn die Schleife größer wird.

Das elektrische Feld der Radiowellen, die von Wolken-zu-Boden-Blitzentladungen ausgesandt wird, ist hauptsächlich vertikal orientiert, und somit ist das Magnetfeld horizontal ausgerichtet. Um alle Richtungen abzudecken (360 Grad) empfiehlt es sich, mehr als eine Loop zu verwenden. Eine geeignete Lösung besteht aus zwei orthogonalen gekreuzten Loops, wie sie für ein Peilsystem verwendet werden.

Die elektromagnetischen Signale von Blitzentladungen sind keine Wellen einer festen Frequenz. Die Signale haben mehr oder weniger die Form eines Impulses und emittieren somit Wellen über einen weiten Frequenzbereich. Jeder dieser Impulse ist einzigartig und sieht anders aus. Um die Ankunftszeit einer Blitzentladung zu messen, brauchen wir ein Breitbandempfangssystem und kein abgestimmtes System. Die Antenne sollte groß sein, um ein hohe Spannung aus der Änderung des elektromagnetischen Feldes zu erzeugen. Wenn die Loop aus mehr als einer Windung besteht, bildet der nebeneinander angeordnete Draht eine Kapazität.

Die unvermeidliche Eigenresonanzfrequenz einer Schleife sollte jedoch so hoch wie möglich sein, so dass wir diese Frequenzen mit einem Tiefpassfilter leicht unterdrücken können. Abbildung 5 zeigt links ein Signal, welches von zwei gleich großen nicht abgestimmten Loop-Antennen empfangen wurde. Diese Loops haben keinen zusätzlichen Abstimmkondensator. Die Resonanzfrequenz der Antenne liegt ungefähr bei 1000 kHz (= 1 MHz). Der verwendete Verstärker reduziert Frequenzen von 1000 kHz um -72 dB (= 4000-fach). Auf der rechten Seite von Abbildung 5 ist Loop B an einen parallelen Abstimmkondensator von 1 μF angeschlossen. Jetzt ist die eingestellte Frequenz der Antenne ungefähr 10 kHz. Da Blitzimpulse bei 10 kHz oft sehr viel Energie enthalten, gibt die abgestimmte Antenne nur ein unbrauchbares gleichförmiges Signal von 10 kHz aus. Dies zeigt, dass es sehr wichtig ist, eine reine Loop zu verwenden ohne irgendeinen parallelen Kondensator.

Abbildung 4: Das Spektrogramm des von einer 35 cm Ferritstabantenne empfangenen Signals. Das Signal wurde mit einer Creative Professional E-MU 0202 Soundkarte mit einer Abtastfrequenz von 192 kHz aufgenommen. Das Spektrogramm wurde mit Spectrum Lab erstellt. Vertikale Linien zeigen Funkübertragungen für spezielle Zweck und haben keinen Einfluss auf unseren Empfang.

Abbildung 5: Links ein Signal, das von zwei Loop-Antennen ohne Abstimmkondensatoren empfangen wurde, rechts, Antenne B die auf etwa 10 kHz abgestimmt ist. Dieses Signal kann nicht für die Zeitmessung verwendet werden.

Die TOA-Blitzortungstechnik basiert auf den Berechnungen von hyperbolischen Kurven. Das ausgesendete Funksignal einer Blitzentladung bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit durch die Luft. Dies sind ungefähr 300000 Kilometer pro Sekunde oder äquivalent 300 Meter pro Mikrosekunde. Jedes empfangene Signal erhält einen Zeitstempel. Sei tA (s) der Zeitstempel für das Signal s von der Station A. Zeitstempel tA (s) ist die koordinierte Weltzeit (UTC) in Mikrosekunden mit einer Genauigkeit von? 1? S. Die Differenz von zwei Zeitstempeln für das gleiche Signal, das von zwei verschiedenen Stationen empfangen wird, und die Positionen dieser zwei Stationen definieren eine hyperbolische Kurve. Sei dA (p) die Entfernung eines Punktes p zur Station A in Meter. Dann ist die hyperbolische Kurve für Signal s die Menge aller Positionen p , deren Distanzdifferenz dA (p) - dB (p) in Meter der Zeitstempeldifferenz tA entspricht (s) - tB (s) in Mikrosekunden umgewandelt durch die Lichtgeschwindigkeit in Meter. Das heißt,

dA (p) - dB (p) = (tA (s) - tB (s)) * 300.

Abbildung 6: Der links stehende Empfänger empfängt das Blitzsignal 60μs später als der Empfänger rechts, weil die Blitzentladung vom Empfänger nach links 18 Kilometer weiter entfernt ist als vom Empfänger rechts.

Die Quelle des Signals muss irgendwo auf dieser hyperbolischen Kurve liegen. Der Schnittpunkt von drei oder mehr solcher hyperbolischen Kurven definiert den eindeutigen Ort der Quelle des Funksignals, siehe Fig. 7. Die berechnete Position wird dann als der Ort der Blitzentladung angenommen. Mindestens 4 Stellen, die sich nicht in einer Linie befinden, werden benötigt, um immer einen eindeutigen Schnittpunkt zu definieren. Bei mehr als vier empfangenden Stationen, die einen Zeitstempel für das gleiche Signal melden, stehen einige redundante Informationen zur Verfügung, um die Genauigkeit zu verbessern und die Leistung zu überprüfen.

Abbildung 7: Drei hyperbolische Kurven, definiert durch die drei Zeitdifferenzen tB (s) - tA (s) , tC (s) - tA (s) , und tD (s) - tA ( s) von vier Seiten A , B , C und D (die grünen Quadrate). Der Schnittpunkt aller drei Kurven definiert eindeutig den Ort der Quelle des Funksignals (der weiße Punkt). Die Kurven haben eine Breite, die einer Toleranz von ± 5 us entspricht. Das heißt, der weiße Bereich für Signal s, der von Station A und B empfangen wird, ist die Menge aller Punkte p, für die gilt

(tA(s) − tB(s)) * 300 − 5 ≤ dA(p) − dB(p) ≤ (tA(s) − tB(s)) * 300 + 5.

Eine Zeitdifferenz von ± 100 Mikrosekunden entspricht einer Distanzdifferenz von ± 30 Kilometern. Das heißt, wenn Site A das gleiche Signal 100 Mikrosekunden früher empfängt als Site B , wird die entsprechende hyperbolische Kurve durch die Menge aller Punkte definiert, die 30 Kilometer vor der Site A liegen zur Seite B . Nehmen Sie an, dass die Zeitstempel eine Genauigkeit von ± 1 μs haben und dass vier Stellen so angeordnet sind, dass ihre Positionen ein Quadrat definieren. Wenn sich die Signalquelle genau in der Mitte des Quadrats befindet, ist die Abweichung der berechneten Position von der tatsächlichen Quelle des Signals größer als ± 300 m * √2 = 424 m. Es kann viel größer sein, wenn die Quelle des Signals außerhalb des Quadrats liegt, siehe Abbildung 8. Die Argumentation einiger kommerzieller Anbieter, dass ihr System eine Genauigkeit von ± 300 Metern hat, weil der Zeitstempel eine Genauigkeit von ± 1 us hat, ist a Milchmädchenrechnung.

Die Hauptaufgabe eines TOA-Blitzortungssystems besteht darin, dem empfangenen Signal einen eindeutigen charakteristischen Zeitstempel zuzuordnen. Dies ist nicht einfach, da sich der Umriss des Signals ändert, wenn es über lange Strecken fährt. Ein Weg, um verschiedene Signalformen zu behandeln, ist es, eine Zeit der Gruppenankunft zu berechnen, siehe ³⁾. Wenn die Zeitstempel jedoch nicht konsistent zugewiesen sind, schneiden sich die hyperbolischen Kurven nicht in einem gemeinsamen Schnittpunkt. Eine Sammlung von mehreren schönen Artikeln über Blitzdetektion findet sich in ⁴⁾.

Abbildung 8: Die Abweichungen für eine Genauigkeit von ± 1μs für verschiedene Schnittwinkel

Die Berechnungen auf unserem Server werden in zwei Schritten durchgeführt. Im ersten Schritt wird ein Ausgangspunkt mit der Methode von ⁵⁾ auf die ersten 4 Zeitstempel angewendet. Danach wird eine numerische Methode verwendet, um die Summe aller quadratischen Abstände zu den hyperbolischen Kurven zu minimieren. Alle unsere Berechnungen verwenden sphärische Koordinaten.

Figure 9: Some lightning discharges in the atmosphere, © Bernd März

Das Blitzortungsnetzwerk Blitzortung.org besteht aus mehreren VLF-Blitzempfangsstation und einem zentralen Verarbeitungsserver für jede größere Region. Die Empfänger-Seite übermitteln ihre Daten in kurzen Zeitintervallen über das Internet an unseren Server. Jeder Datensatz enthält die genaue Ankunftszeit des empfangenen Blitzimpulses („sferic“) und die geographische Position der Empfängerstation. Mit dieser Information von allen Empfängerorten werden die genauen Positionen der Entladungen berechnet. Die Sferic-Positionen werden allen Benutzern im Rohformat zur Verfügung gestellt, die ihre Daten an unseren Server übermitteln. Die Benutzer können die Rohdaten für alle nichtkommerziellen Zwecke verwenden. Die Blitzaktivitäten der letzten zwei Stunden werden auf Blitzortung.org auf mehreren öffentlichen Karten angezeigt, die jede Minute neu berechnet werden.

Figure 10: A lightning map of USA from Blitzortung.org

Beachten Sie, dass es nicht möglich ist, Positionen oder zumindest genaue Richtungen mit den Daten von einer Station zu berechnen. Wir benötigen die Daten mehrerer Stationen (mindestens vier Stationen), um Strike-Positionen zu berechnen. Derzeit gibt es keine Software, mit der Sie eine Verbindung zu anderen Sites wie der LR-Software von LightningRadar.net für das Peilsystem aufbauen können. Die Berechnung von Strike-Positionen wird nur von einem unserer Computer-Server durchgeführt.

Die Abbildungen 11, 12 und 13 zeigen einen Vergleich der von Blitzortung.org und „BLIDS“ berechneten Positionen über Deutschland, Belgien und Polen. BLIDS ist ein Blitzinformationssystem in Deutschland. Abbildung 14 zeigt den verwendeten Farbcode für das Alter der Entladungen.

Abbildung 11: Ein Vergleich der von blitzortung.org (den weiß umrahmten farbigen Quadraten) und BLIDS (den farbigen Quadraten) berechneten Positionen in Deutschland.

Abbildung 12: Ein Vergleich der Positionen, die von blitzortung.org (die weiß umrahmten farbigen Quadrate) und BLIDS (die farbigen Quadrate) über Belgien, die Niederlande und Luxemburg berechnet wurden.

Abbildung 13: Ein Vergleich der von blitzortung.org berechneten Positionen (das weiß umrahmte Quadrate) und BLIDS (die farbigen Quadrate) über Polen.

120 - 105	105 - 90	90 - 75	75 - 60	60 - 45	45 - 30	30 - 15	15 - 0

Abbildung 14: Der BLIDS-Farbcode für das Alter der Blitzentladungen in Minuten.