ALDIS. Dr. Gerhard DIENDORFER. Austrian Lightning Detection & Information System.

Transkript

1 Kahlenberger Str.2A, A-1190 Wien Tel.: BLITZPHYSIK Dr. Gerhard DIENDORFER ALDIS Austrian Lightning Detection & Information System

2 GEWITTER ÜBER KORNEUBURG Copyright: C.Diendorfer

3 FRANKLIN S DRACHENEXPERIMENT (1752)

4 GEWITTERBILDUNG Es werden drei GEWITTERTYPEN unterschieden Wärmegewitter Frontgewitter Orographische Gewitter Unterscheidung zwischen: mikroskopischer Ladungstrennung makroskopischer Ladungstrennung Es existieren mehrere Hypothesen zur Erklärung der Gewitterbildung Niederschlagshypothese Konvektionshypothese

5 LADUNGSVERTEILUNG INNERHALB DER GEWITTERWOLKE

6 LADUNGSVERTEILUNG IN DER GEWITTERWOLKE

7 DIPOLVERTEILUNG Ladungsverteilung und Bodenfeldstärke einer Gewitterzelle

8 DIE VERSCHIEDENEN BLITZARTEN

9 3 PHASEN DER BLITZENTLADUNG v = 300 km/s Stufenlänge m Leitblitz Fangentladung Hauptentladung

10 DIE VIER BLITZTYPEN Negativer Positiver Abwärtsblitz Aufwärtsblitz Abwärtsblitz Aufwärtsblitz L R L R R L R L

11 DER BLITZSTROM UND SEINE PARAMETER Die im Leitblitzkanal gespeicherte Ladung wird als Stoßstrom zur Erde abgeleitet Amplituden von ca. 2 ka bis ka Bis zu 15 und mehr Folgeblitze treten während einer Sekunde auf

12 GEMESSENER BLITZSTROMVERLAUF (BERGER)

13 STROMVERLAUF VON ERST- UND FOLGEBLITZEN Oszillogramm eines negativen Wolke-Erde Blitzes Oszillogramm eines positiven Wolke-Erde Blitzes

14 DIE VIER BLITZSTROMPARAMETER Scheitelwert I max des Stromes in [ka] Verursacht einen Spannungsabfall an einem Widerstand und bestimmt das Magnetfeld H = I/2πr Ladung Q des Blitzstromes in [As] Ist verantwortlich für Ausschmelzungen am unmittelbaren Einschlagspunkt und die Sprengwirkung von Funkendurchschlägen durch Beton oder Holz Spezifische Energie W/R in [MJ/Ω] Bestimmt die im Widerstand R eines Leiters in Wärme umgesetzte Energie, sowie den mechanischen Impuls zwischen Leitern oder Leiterteilen durch die elektrodynamische Kraftwirkung Stromsteilheit (di/dt) in [ka/µs] Maßgebend für den induktiven Spannungsabfall und die induzierende Wirkungen des Blitzstromes

15 POTENZIALANHEBUNG BEIM DIREKTEN BLITZEINSCHLAG BEISPIEL: I max I max = R E = U max = 100 ka 10 Ω 1000 kv U max R E U max Erdungswiderstand

16 LADUNG Q DES BLITZSTROMES Verantwortlich für die Ausschmelzungen am Fußpunkt des Blitzkanals (z.b. Fangspitze) W = Q. U A.K W Umgesetzte Energie in J Q Ladung des Blitzstromes in As U A,K Kathodenspannungsabfall (einige 10 V) Ladung Q ausgeschmolzenes Metallvolumen U A,K Blitzstromverlauf z.b. Fangspitze Q=. idt Zeit

17 SPEZIFISCHE ENERGIE W/R DES BLITZSTROMES Erwärmung von blitzstromführenden Leitern Die Kenngröße W/R entspricht dem Energieumsatz des Blitzstromes in einem Widerstand von 1 Ω. Unter Vernachlässigung der Wärmeabgabe an die Umgebung ergibt sich die Temperaturerhöhung ϑ eines Leiters mit: ϑ = 1 α exp W α ρ R 2 A γ c w 1 [ K] α Temperaturkoeffizient des Widerstandes in 1/K ρ spezifischer ohm scher Widerstand in Ωm A Leiterquerschnitt in m 2 γ Massendichte in kg/m 3 C w spez. Wärmekapazität in J/kg.K Beispiel: Eisen 50 mm 2 ρ Ωm α 6, /K W/R 2,5 MJ/ Ω (normal) Temperaturerhöhung ϑ = 37 K

18 SPANNUNGSINDUKTION IN LEITERSCHLEIFEN U = M.(di/dt) i Blitzstrom t Zeit Induzierte Rechteckspannung U t Zeit

19 VERGLEICH INDUKTION VON 50 HZ STROM - BLITZSTROM Gegeninduktivität M der 1m 2 Schleife dφ I I dr u B( r) ind = = µ dφ = µ 0. 0 dt 2. π. r 2. π r r φ µ 2 0. I dr µ 0 r1 µ r = = = = 2. π ln I M. I mit M ln r 2. π r 2. π r r 1 M = 0,46 µh di/dt max ( ) Sinus 200 A, 50 Hz di / dt max = π.50 = A / s u = M.di/dt 0, = 40,8 mv Blitz di/dt = 100 ka/µs u = M.di/dt 0, = V = 46 kv!!!

20 MESSTECHNIK DIREKTE STROMMESSUNG exponierte Türme getriggerte Blitze ELEKTROMAGNETISCHES FELD Blitzortung LICHTEMISSION Satelliten

21 METHODEN DER BLITZSTROMBESTIMMUNG METHODE TURMMESSUNG BLITZTRIGGERUNG BLITZORTUNG direkte Strommessung am natürlichen Blitz direkte Strommessung große Anzahl von registrierten Ereignissen Vorteile größere Anzahl von Ereignissen Korrelierte Messungen von flächendeckende Erfassung des Bitzgeschehens Strom, Feld, Geschwindigkeit etc. sind leichter möglich geringe Ereignisanzahl kein Erstblitz vorhanden Indirekte Bestimmung der Turmeffekte Grad der Übereinstimmung mit natürlichem Folgeblitz Stromamplitude aus dem Feldmaximum Nachteile (Aufwärtsblitze, Reflexionsverhalten) exponierte Lage unklar (Einfluss des verdampften Metalldrahtes, Blitz hätte ohne Triggerung nicht stattgefunden) Einfluss der endl. Bodenleitfähigkeit, V RS, etc. Korrelation E/l für pos. Blitze lokale Kenngröße lokale Kenngröße unbekannt (wird dzt. gleichgesetzt den neg. Blitzen)

22 BLITZTRIGGERUNG Camp Blanding Univ. Florida

23 BLITZDICHTE RAUM SALZBURG Blitze/km 2.Jahr

24 BLITZMESSUNGEN AM GAISBERG

25 WINDVERFRACHTUNG DES BLITZKANALS DAUER DES LANGZEITSTROMES ~ 500 ms 2-DIMENSIONALE VERSCHIEBUNG ~ 7m 14 m/s ENTSPRICHT ca. 50 km/h

26 BLITZBEOBACHTUNG AUS DEM ALL

27 GEWITTERBEOBACHTUNG MIT SATELLITEN (OTD)

28 OTD EUROPA AUSSCHNITT

29 BLITZORTUNG IN DEN VERSCHIEDENEN FREQUENZBEREICHEN

30 BLITZ FELDER IM LF/VLF BEREICH Bodenwelle 1. Ionosphärische Reflexion Mehrfache Ionosphärische Reflexion

31 PRINZIP DER RICHTUNGSPEILUNG (MDF) tan φ= B B NS WO MELDUNG an Zentrale: Uhrzeit Sensornummer Winkel Signalstärke 13:35: # LLP

32 BLITZORTUNGSSENSOR (IMPACT) GPS Antenne Rahmenspulen

33 ALDIS - SENSORSTANDORTE IN ÖSTERREICH T T1 T2 < T3 < T1 Dobersberg T2 Eggelsberg Niederöblarn Bad Vöslau Hohenems T3 Schwaz Nötsch Fürstenfeld

34 EUCLID NETWORK - EUROPEAN COOPERATION FOR LIGHTNING DETECTION A 8 IMPACT D 13 LPATS/IMPACT SLO 2 LPATS CH 4 LPATS F 16 IMPACT NL 7 LPATS/IMPACT CZ 1 LPATS SK 1 LPATS PL 3 LPATS H 1 LPATS N 13 IMPACT I 12 IMPACT S 6 IMPACT

35 STROKES GEORTET VON EUCLID AUGUST August, 2002 Number of Strokes

36 GEWITTER ÜBER EUROPA 1. AUGUST 2002

37 ISOKERAUNENKARTE

38 BLITZDICHTE IN ÖSTERREICH

39 BLITZDICHTE LOKAL (RAUM MURAU)

40 ANZAHL DER REGISTRIERTEN BLITZE IN ÖSTERREICH

41 AMPLITUDENVERTEILUNG NEGATIVER BLITZE 1996 Anzahl der Blitze % - Wert (Median) 13 ka 98 % - Wert 57 ka Strom in ka

42 ORTUNGSGENAUIGKEIT N Delta LAT [m] Delta LON [m]

43 VERGLEICH TURMMESSUNG - ALDIS Jahr 2000: N = 188 r = 0,96 I_ALDIS [ka] 20 I ALDIS = 0,94 * I TURM I_TURM[kA]

44 SUMMENHÄUFIGKEITSVERTEILUNG DER BLITZSTROMAMPLITUDEN Summenhäufigkeit 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% CIGRE (BERGER) ALDIS Amplitude in [ka]

45 RED SPRITES UND BLUE JETS 1989 erste Beobachtungen aus dem Space Shuttle 250 Video Aufnahmen bei einer Messserie 1993 physikalische Vorgänge noch relativ unklar Sprites treten häufig zeitgleich mit starken positiven Wolke-Erde Blitzen auf

46 RED SPRITES UND BLUE JETS

47 RED SPRITES