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Juan Badagian, Matilde Ungerovich
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INTRODUCCION.
ESTRUCTURA ELECTRICA DE UNA NUBE
QUE PRODUCE UN RAYO.
TIPOS Y FASES DE RAYO
PROPIEDADES ESPECTRALES
SISTEMAS DE DETECCION TERRESTRES
SISTEMAS DE DETECCION SATELITAL
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Un rayo es una “chispa” eléctrica muy larga. La
mayoría ocurren en tormentas eléctricas de verano
y tienen una longitud de entre 5 y 10 km.
Hay evidencia de que también existen rayos en
Saturno.
Tipos de rayos:
• Fig.1- rayo nube-tierra (iniciado en la nube y
baja a tierra) (CG)
• Fig.2-rayo nube-tierra (iniciado en un objeto en
la tierra y se propaga hacia arriba) (CG)
• Fig. 3- Nube-Nube (nubes profundas) (CC)
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En ambos casos, la dirección de la “ramificación”
indica la dirección de propagación del rayo.
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Benjamín Franklin (1706-1790)
Experimento de la Cometa (1752)
Demostró que los rayos eran
descargas eléctricas de tipo
electrostático.
OJO, NO REPETIR EL
EXPERIMENTO ES MUY
PELIGROSO!
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7
•
•
•
Corriente de Buen Tiempo: 2,7x10µA/km-2 debido al bombardeo de
energía solar constante, que es radiación electromagnética que genera
diferencias de carga. Genera un campo eléctrico a nivel del suelo del
orden de 100 V/m
Corriente debido a la precipitación: 0,9x10µA/km-2 A lo largo del
tiempo las diferencias de carga entre la ionosfera y la superficie
terrestre se conservan.
Tormentas electricas: 3,6x10µA/km-2. Mecanismo de transporte de
carga a la ionosfera encargadas de realizar este balance.
Tormentas eléctricas: Para poder producir las
descargas eléctricas se necesita un campo eléctrico
muy fuerte para vencer la aislación que realiza el
aire. En presencia de una tormenta eléctrica el
campo eléctrico a nivel del suelo puede aumentar
hasta E=10000V/m (es lo máximo que se ha visto),
100 veces mayor que cuando no hay nubes.
Estos campos eléctricos son producidos por diferentes
distribuciones de carga estática dentro de la nube
(veremos algunas hipótesis al respecto..)
El cumulonimbus es la principal
fuente de rayos
Se observa en general una estructura básica de
dipolo (o a veces tripolar) en nubes de tormenta, es
decir una carga neta positiva en la parte superior,
una carga negativa por debajo de ella (y una carga
negativa en la parte inferior de la nube en el caso del
tripolo)
i)
Existen 2 procesos principales (hipotéticos)
por los cuales la nube se electrifica: por vía
inductiva o no inductiva
Inductiva: se refiere a los procesos que son inducidos por la presencia de un
campo eléctrico. La existencia de un campo de buen tiempo asegura de que las
partículas de agua suspendidas en la atmósfera se polaricen. En un campo vertical,
dirigido hacia abajo, tal polarización producirá un exceso de carga positiva neta que
se acumula en la parte inferior de la partícula, mientras que la carga negativa se
localizaran preferentemente en la parte superior. Mientras la partícula cae se
encontrara con partículas cargadas positivamente y negativamente. Ya que la parte
inferior esta positivamente cargada, partículas cargadas negativamente son atraídas
por la gota que cae, mientras que las partículas positivas se alejan (repelen). Esto
lleva a una nube con partículas cargadas positivamente en el tope y partículas
cargadas negativamente en la parte inferior. Se dice que los procesos inductivos
tienen poca importancia en la electrificación de la nube
ii) No inductiva: se refiere a aquellos procesos de carga, que son
indiferentes a la presencia del campo eléctrico externo y cuya
eficiencia no es afectada por su fuerza. Los dos mecanismos
principales son:
Mecanismo de convección
Graupel-ice mechanism: asume que la polaridad de la carga transferida
durante una colisión depende de la temperatura local. Si esta fuera
mayor que la temperatura de inversión de carga, estimada en torno
a los -15° C, el granizo transferiría una carga negativa al cristal de
hielo. En caso contrario, lo haría con una carga positiva.
Figura a y c- “downward” (figura a
son el 90% de los rayos nubetierra)
Figura b y d- “upward”- no son
nada comunes. Comienzan en picos
de montañas, torres altas u otros
objetos altos.
Se estima que cada segundo hay
entre 30 y 100 rayos en todo el
mundo.
La mayoría de los rayos C-G
son sobre tierra
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NUBE-TIERRA
El proceso físico :“stepped-leader”.
Dicho proceso no es continuo: pasos 50m 1
microsegundo
El tiempo entre 2 pasos consecutivos es entre 10
y 50 microsegundos.
El tiempo promedio total que tarda un rayo en
llegar a Tierra es 2*105ms-1(20 milisegundos).
Las corrientes son de 1000A aproximadamente.
Cada leader step produce un pulso de luz visible,
uno de radiofrecuencia y uno de rayos X.
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El rayo de regreso genera el canal
brillante de alta temperatura del aire
(20.000ºC). Debido a la alta
temperatura, el canal se expande
generando el trueno.
El ojo humano no detecta el avance
del rayo, es decir, parece que todos
los puntos se iluminaran a la vez. Sin
embargo, el avance se puede
detectar con cámaras modernas.
Lo común es que haya entre 3 y 5
rayos seguidos.
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Cuando un rayo cae genera una onda electromagnética de
señales de radiofrecuencia en todo el rango del espectro
Las señales mas fuertes detectadas se encuentran en el rango de
LF (30-300kHz) y VHF (30-300 MHz).
Las señales emitidas en VHF están mas asociadas a la etapa
inicial del rayo (leader phase) tanto de un CC como de un CG
Las señales emitidas en LF están mas asociadas a la etapa final
en donde el rayo regresa para un rayo CG.
Para rayos CG hay picos en los rangos
de LF y los patrones en el VHF que
pueden ser utilizados para identificar
las descargas de CG. Para las
descargas CC no existen patrones
específicos en estos rangos de
frecuencia LF. Estas y otras
características se utilizan en los
sistemas actualmente y están en
desarrollo. Estas frecuencias emitidas
son detectables por antenas y se usan
en varias técnicas de detección
El rayo produce
2 tipos de
emisiones: uno
es cuasicontinua
durante
algunos
milisegundos y
el otro son
impulsos bien
marcados de
escalas de
microsegundos
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Proveer información
en tiempo real sobre
la actividad eléctrica
en la atmósfera.
Empresas
aseguradoras
Líneas de alta
tensión
Campos de Golf
Telecomunicaciones
Forestación
Aviación
Transporte
Ferroviario
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1) Fields Mills (Molinos de
Campo)
2) Magnetic field direction
finding.
3) TOA (Time of Arrival)
4) Interferometric lightning
location
Se basa en detectar
cambios del campo
electrostático que se
producen muy
rápidamente dentro
de una tormenta.
Para eso se utilizan
los llamados Field
Mills.
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Vaisala
El medidor de campo eléctrico
EFM550 Thunderstorm de Vaisala
se integra con los sistemas de
rayos de área local en tiempo real
para monitorear el desarrollo y la
disipación de las amenazas de
rayos que se están produciendo,
lo que logra midiendo el campo
eléctrico atmosférico local. Los
datos del EFM550 se pueden
mostrar utilizando el software
opcional de gestión automatizada
de riesgos y alerta de rayos
(ALARM, por sus siglas en inglés)
de Vaisala, que entrega las
mediciones actuales del campo
eléctrico en números y en
gráficos.
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Basado en la inducción
electrostática
Se compone de uno o
mas electrodos que
giran en un campo
electrostático
Figura (Field Mills
tipo cilindrico) son dos
mitades de cilindro
aisladas
eléctricamente.
Un motor eléctrico
hace girar las 2
mitades generando
una señal de corriente
alterna (AC)
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Basado en la
inducción
electrostática
Figura: Rotating
shutter electric field
mill.
Consta de un
electrodo fijo y otro
que gira.
También se genera
un AC, la cual se
pude amplificar y
medir
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Compuesto por 2 antenas
loop sensibles a la radiación
electromagnética causadas
por los rayos, colocadas una
perpendicular respecto a la
otra (hace uso de la ley de
Lenz)
Las frecuencias cubiertas por
el MDF son de
aproximadamente entre 1Khz
y 1 Mhz
Con una red de triangulación
con 2 estaciones o 3
estaciones (para mejores
resultados) se puede registrar
el evento
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Los loops posicionados ortogonal una
respecto a la otra orientados a lo
largo de las direcciones NS y EW
Cuando ocurre el rayos el flujo
magnético a través del loop cambia
induciendo una fuerza
electromagnética
(FEM=-dφ/dt) en el alambre si se
cierra el circulo, lo que provoca un
flujo de corriente.
La señal en el loop NS varia con el
coseno del ángulo entre el norte y la
fuente como se ve desde la antena,
mientras que la señal en el circuito
EW varia con el coseno del mismo
ángulo. Por lo tanto la señal entre los
2 loops es proporcional a la tangente
del ángulo entre el norte y la fuente
como se ve desde la antena. Un set
de sensores MDF son capaces de
localizar la posición de la descarga
del rayo.
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TOA (Time of arrival) Se basa en
la medición de los tiempos de
llegada de la emisión impulsiva
en una serie de antenas en
diferentes lugares
Esta basada en la radiación (V)LF
emitida por la descarga del rayo y
especialmente sensible para
descarga de relámpagos CG en
las frecuencia muy bajas
principalmente en torno a 10KHz
Tienen una línea de base larga y
por tanto una área de detección
de gran tamaño.
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En las estaciones de detección se
miden las diferencias en tiempo de
arribo de la radiación emitida por el
rayo.
Cada rayo tiene su forma de onda
única, esta huella digital es
reconocida por las diferentes
estaciones y por tanto es capaz de
calcular el tiempo de
desplazamiento para el mismo
patrón de onda en diferentes
lugares.
Usando los tiempos medidos, se
trazan hipérbolas alrededor de las
estaciones se utilizan para indicar
las posibles ubicaciones de la caída
del rayo. La intersección de las
hipérbolas indica la ubicación de la
caída del rayo. Un mínimo de 4
estaciones es necesario para
obtener una buena ubicación. (ver
fig. )
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TOA basicamente resuelve la ecuacion vδt=δl
donde δt=ti-t, con ti es el instante de tiempo en
donde llego el pulso al punto i y t es el instante
donde ocurrió el rayo. ∆l es la distancia entre la
antena (xi,yi,zi) y el lugar en donde cayo el rayo
(x,y,z).
Por Pitágoras para cada estación tenemos la
siguiente ecuación v(ti − t ) = ( xi − x) 2 + ( yi − y ) 2 + ( zi − z ) 2
Midiendo ti en 4 o mas puntos es suficiente para
determinar las 4 incógnitas x,y,z,t
En general los receptores están a una distancia
entre si del orden de una decena de kilómetros
34
Técnica también utilizada por la red celular
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Es una técnica que hace uso de las
diferencias de fase de una señal entre las
antenas.
Utiliza la emisión en VHF
Mas alta precisión en la ubicación del rayo
(del orden de pocos metros) pero menor
alcance (debido a la significativa
atenuación de la señal con la distancia)
Se utilizan antenas dipolos colocadas
(entre si de 1 a 5 metros).
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Consideremos 2 antenas dipolos
El/los pulsos generados por el
rayo de la forma
x(t)=Asin(2πft+φ)
La diferencia de fase en la señal
capturada por los dipolos es
δφ = 2π
D
λ
sin θ cos θ
Colocando otro par de dipolos
ortogonalmente al primero
tenemos dos relaciones de fase
δφ1 = 2π
D
sin θ cos ϕ
δφ2 = 2π
D
cos θ cos ϕ
λ
λ
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Θ, la dirección del rayo se determina
dividiendo ambas relaciones.
Con 2 sensores de este tipo y mediante
triangulación es posible determinar la
ubicación en la cual cayo el rayo
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Vaisala Thunderstorm, sensor de descargas CG
LS7001.
Detecta señales en LF
Utiliza tecnología Direction Finding, combinada con
tecnología TOA.
Económico, facilidad de instalación y mantenimiento.
Detecta un 10-30% de los CC
Detecta CG a una distancia de 1500km.
Eficiencia mínima 90% en los CG
Precisión de localización media 250-300m
Banda de frecuencia 1kHz-350kHz
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Vaisala Thunderstorm, sensor total de rayos
TLS200
Combina tecnologías de interferometria en
VHF, con Direction Finding y TOA en LF
Detecta y clasificaca rayos CC y CG usando
los espectros de energía de LF y VHF
Eficiencia de detección del 90% tanto para
CC como CG.
Precisión: 1000 a 2000m para CC y 250 m (o
menos) para impactos CG.
Banda en VHF (110-118 MHz), LF (1kHz a
350 kHz)
Distancia nominal entre sensores de 20 a
180 km.
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SAFIR: Es conducido por la Agencia
Francesa, es una red de detección
que provee información sobre
actividad eléctrica en el espacio aéreo
europeo
Esta hecha por una red de detectores
o estaciones interferometricos/as
combinadas LF-MF. Las estaciones
están separadas de 100 a 200 Km y
tienen una precisión de 1km.
El sistema de procesamiento central
calcula las ubicaciones de las
descargas eléctricas, para
diagnostico y pronostico.
Los datos son distribuidos a
diferentes tipos de usuarios a
terminales adaptadas a aplicaciones
operacionales especificas.
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NLDN :The U.S. National Lightning Detection Network
Database (NLDN)
Red formada por 130 buscadores magnéticos de dirección y
TOA que cubren los EEUU
Cada sensor puede detectar la dirección de un relampago a
400 Km de distancia.
La ubicación del rayo se determina por triangulación
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ELAT Grupo de
electricidad
atmosférica
perteneciente al INPE,
responsable de los
estudios
electromagnéticos
ocurridos en la
atmósfera
BrasilDat es el sistema
brasilero de detección
de descargas
atmosféricas
Usa sensores TOA y
Magnetic Direct
Finding (MDF)
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Funciona desde 1995
Hay 2 formas:
1. detección óptica
2. detección de radiofrecuencia
DESVENTAJAS:
No se usan satélites geoestacionarios
VENTAJAS:
1. detecta, también, rayos sobre el agua
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Son cámaras de video de alta definición
Miden “luminancia” (intensidad de luz emitida, en
una dirección dada, por una superficie)
Los flashes se determinan comparando la
luminancia de frames adjuntas (en tiempo), si la
diferencia es mayor a un cierto valor se dice que
ocurrió un “evento”, más de un evento en 2ms se
considera un grupo y más de un grupo en
relativamente poco tiempo se considera un flash.
Diferencia relámpago - la luz solar
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Fig. 12.1 Spectral irradiance of lightning in the visible and near infrared range (from Orville and
Henderson (1984)). The curve displays the averaged spectrum of 10 strokes. Note the dominant
emission lines and the low continuous background in the near infrared
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777.4 se mide desde el espacio con los sensores ópticos. Contiene el 6% de la energía del espectro visible
La duración del pulso óptico depende de la velocidad de enfriamiento en el canal.
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Información
sobre “total lightning
rate”
Partículas
esféricas-teoría de Mie
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componentes :filtros de longitudes de onda ,
matrices de detección y electrónicos para
procesar y comunicar.
señales de 777,4 nm ±1nm (acá hay 6% de la
energía del relámpago y solo un 0.09% de la
solar reflejada)
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PASOS:
1- Optimización del tamaño de los pixeles donde se detectó algo y
el tiempo que duró
2- “real time event processing”
3- Procesamiento de datos:
calibración
Georeferenciación
4- Organización de datos de acuerdo a ubicación espacial,
temporal y los eventos non-lightning se descartan
5- Separación en grupos, flashes y áreas
6- Eliminación de non-lightning
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Optical transient Detector (OTD)
Lightning Imaging Sensor (LIS)
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Es una combinación de detectores ópticos y electrónicos
Detecta relámpagos durante el día
La cámara tiene 8 pulgadas de diámetro y15 de altura. Todo el sistema
pesa 18kg y el satélite 75kg.
Está en el satélite Microlab-1 que aterrizó el 3 de abril de 1995 a 740 km
de altura, en una órbita “near polar” y con un ángulo de 70º con respecto
al ecuador.
Puede observar un área de 1300kmx1300km en 128x128 pixeles. Orbita
la Tierra una vez cada 100 minutos.
Tiene una resolución espacial de 10 km y temporal de 2 ms.
La eficiencia varia entre el 40 y el 65%
Funcionó hasta marzo del 2000.
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Es un dispositivo espacial que detecta la distribución y
variabilidad total de relámpagos (nube-nube, intranube, nubetierra) en la zona tropical.
Está en el Observatorio TRMM, que aterrizó el 28 de noviembre
de 1997 y es del centro espacial Tanegashima (Japón).
Resolución de tormenta eléctrica (4 -7 km)
Detecta sobre una región de 600kmx600km.
Viaja 7km por segundo al orbitar la Tierra
Registra tiempo de ocurrencia, energía y localización del
relámpago.
Elimina las señales de fondo
Eficiencia del 90%.
La órbita del observatorio tiene una inclinación de 35º por lo
tanto , LIS puede ver enter 35ºSy 35ºN (zona de mayor aparición
de rayos).
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Fig. 12.3 Satellite orbits for LIS with detected lightning positions. Note the larger view time near
the orbit’s highest latitude and the gap between subsequent orbits. The instantaneous field of view
is marked by the square
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Detection efficiency (DE)- relámpagos
detectados/relámpagos totales. LIS-88%,
OTD-54% ambos con una variación del 20%
entre día y noche.
False Alarm Rate (FAR)- fracción de
“falsamente detectados”. Es solucionado casi
completamente con la ultima parte del
proceso de detección.
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VENTAJA:
no hay scattering!
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FORTE-Fast on Orbit Recording of transient Events
Creado por Los Alamos National Laboratoy (LANL) y Sandia National
Laboratory.
Se puso en órbita en 1997 a 825 km de altura con 70º de inclinación.
Es capaz de detectar emisiones de VHF de relámpagos y cubre todo el
planeta. El proyecto FORTE tiene los 2 tipos de sensores.
El satélite FORTE recibe señales RF tanto desde sus 2 monopolos
(montados en la base del satélite) como pasivamente con sus antenas.
Tiene 2 antenas ortogonales apuntando al centro de la Tierra conectadas
a receptores de radiofrecuencia de frecuencias variables..
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Se planea equipar con detectores de relámpagos la
futura generación de satélites meteorológicos
geoestacionarios GOES y METEOSAT. Se puede lograr
un mapeo global y en tiempo real de los relámpagos
si todos los satélites geoestacionarios tuvieran
detectores de relámpagos.
PROGRAMA LMS-El objetivo del programa LMS es
poner un sensor que pueda mapear descargas de
relámpagos continuamente durante día y noche en
una órbita geoestacionaria sobre EEUU. Los datos
serán transmitidos en tiempo real (a medida que se
obtienen los datos).
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GRACIAS POR SU ATENCION
FIN
DUDAS?
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