Instrumentos e Aplicações - II

(1)

Instrumentos e Aplicações - II

• Os instrumentos de detecção de raios estão

baseados em campo eletrostático,

eletromagnético e ótico.

• De uma forma geral podemos dizer que as

tempestades e raios tem:

–

Cargas e centros de carga;

–

Corrente elétrica ;

–

Emissão de radiação e fótons;

(2)

Princ

Princíípio

pio da

da detecção

detecção de

de raios

raios a

a

partir

partir de

de ondas

ondas EM:

EM:

Os raios são verdadeiras antenas, a medidas que

as descargas atmosféricas se propagam, elas emitem

energia (radiação) eletromagnética (EM) que se propaga

na atmosfera e podem ser observadas em diversas

bandas do espectro EM (VHF, VLF, LF, ELF).

Na faixa de frequências de VLF (5 a 15 kHz), as

descargas atmosféricas emitem um ruído ou estática que

é conhecido como “sferics

sferics”. Este ruído pode se propagar

sobre milhares de km de distância entre o guia de onda

formado pela ionosfera e a superfície terrestre.

(3)

https://www.youtube.com/watch?v=T

gxOqEkFawA

e

http://www.spaceweather.com/glossa

ry/inspire.html

(4)

EHF

SHF

UHF

VHF

HF

MF

3 a 30 MHz

30 a 300 MHz

1 GHz

10

9

visível

Freqüência

Infra vermelho

10

-4

₁

µ

Onda curta

ionosonda

TV TV

FM

RÁDIO AM

C

o

m

p

ri

m

e

n

to

d

e

O

n

d

a

(

m

)

300 a 3000 kHz

3 a 30 GHz

30 a 300 GHz

1000m a 100m 100m a 10m 10m a 1m 100cm a 10cm 10cm a 1cm

MF

LF

VLF

ELF

1 KHz

3 a 30 kHz

RÁDIO AM 10 a 1 Km

1 R

_E

Onda longa

Assobios Atmosféricos

C

o

m

p

ri

m

e

n

to

d

e

O

n

d

a

(

m

)

Micropulsações

Sferics

5 KHz 15 KHz

30 a 300 kHz

300 a 3000 kHz

1000m a 100m

(5)

VHF 5000 Km

RÁDIO

VLF

VLF/LF

VHF 1 10 100 1000 10.000 100.000 Freqüência (kHz) E s p e c tr o d e p o tê n c ia 100 Km

Raio Lider (canal precursor) CG

Descarga de retorno - CG

(6)

A detecção das descargas atmosféricas esta limitada pela frequência de

observação. Sendo que a frequência define o tipo de raio a ser observado, bem como a distância máxima a ser medido além da resolução

VHF

VHF ~ 100 ~ 100 km km -- resolução cm a metrosresolução cm a metros

LF

LF ~ ~ 400 400 km km -- resolução 100 m a 2resolução 100 m a 2--5 km5 km

VLF

VLF ~ 4000 ~ 4000 kmkm -- resolução 1 resolução 1 –– 10 km10 km

ELF

(7)

Sistemas de Direção (Magnetic Direction Finders

Sistemas de Direção (Magnetic Direction Finders -- MDF)MDF)

O sensor consiste de uma antena de loop-ortogonal que mede o campo

magnético (B), ou seja, dois loops verticais dispostos perpendicularmente um do outro, sendo um orientado da direção Norte-Sul e a outra em Leste-Oeste.

O L S N

B

− −

=

ϕ

tan

(8)

(

)

Nsensores

Nestacoes i _i mi i

∑

=

−

=

Χ

1 2 2

σ

φ

ϕ

1 ϕ

2 ϕ

1 ϕ

3 ϕ

4 ϕ

(9)

(

)

Nsensores

Nestacoes i _i mi i

∑

=

−

=

Χ

1 2 2

σ

φ

ϕ

1 m

ϕ

2 m

ϕ

1 m

ϕ

3 m

ϕ

4 m

ϕ

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

Sistemas

(18)

Como podemos

Como podemos inferir

inferir a localização de

a localização de

uma descarga atmosférica via o tempo

de chegada

(19)

(20)

Correlação cruzada no tempo

entre 2 formas de onda de uma

descarga elétrica

(Sferics)

..

Portanto pode

Portanto pode--se definir a

se definir a

Diferença entre o Tempo de Chegada

conhecida como ATD

Arrival Time Difference

(21)

O que significa

O que significa ATD?

ATD?

Na ausência do tempo da ocorrência de uma descarga elétrica, pode-se obter a localização de um raio a partir do cálculo da diferença de tempo de chegada do sinal do campo elétrico vertical ou magnético emitido por um raio. Estes tempos definem posições sobre a

superfície terrestre que tem a mesma diferença de tempo, sendo que estas posições se assemelham a hiperbolas. Estação Estação 1 : D1 = (T11 : D1 = (T1--T0)*T0)*υυ Estação Estação 1 : D1 = (T11 : D1 = (T1--T0)*T0)*υυ e e Estação Estação 2: 2: D2 = (T2D2 = (T2--T0)*T0)*υυ

Mas como não conhecemos T0

ATD

=

T

2 −

T

1 =

D

2 −

D

1 υ

(22)

1 D

2 D

υ

1

2

1

2 T

D

T

ATD

_Teorico

=

−

=

−

4 sensores 6 ATDs (combinacao 6, 2 a 2)

1 D

3 D

4 D

(23)

1 D

2 D

υ

1

2

1

2 T

D

T

ATD

_Teorico

=

−

=

−

4 sensores 6 ATDs (combinacao 6, 2 a 2)

1 D

3 D

4 D

(24)

(25)

(26)

χ

σ

2 1 2

1

2 =

−













=

∑

N

ATD

_isimulated

ATD

_imeasured

i i

N_ATD

Lee (1986),

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

(33)

... 4 1 4 1 3 1 3 1 2 1 2 1 etc c R R TOA c R R TOA c R R TOA − = − = − = − − − 3 1 3 1 2 1 2 1 R R c R R TOA c R R TOA − = − = − = − −

TOA - O sistema é composto de uma estação de rádio na faixa de freqüência de VLF e LF (5 à 100 kHz) acoplado com um sistema de tempo absoluto(LONRAN-C, ou GPS), e uma pequena antena para medir o campo elétrico vertical.

... 4 1 4 1 etc c R R TOA₋ = −

Os sistemas em geral utilizam um sistema GPS com uma resolução de 1 nano-segundo. O campo elétrico medido é proveniente de ondas de chão que se propagam diretamente do relâmpago sob a superfície da terra.

(34)

(

)

2 −

TOA

Para se localizar um relâmpago a partir das medidas de tempo de chegada, calcula-se os TOA a partir da combinação das estações dois a dois, e tenta-se minimizar a equação abaixo:

(

)

.

2

2 =

∑

−

Χ

I

_I

MI

i

TOA

σ

(35)

TOA+MDF

IMPACT

(

TOA

)

Nestacoes

(

)

i _i mi i es Ncombinaco i _i mi i

∑

= =

−

+

−

=

Χ

1 2 1 2 2

σ

φ

ϕ

σ

Nsensores

es

Ncombinaco

i _i i= _i

+

=

Χ

₂ ₁

σ

1 φ

(36)

Exercício

Az1 AZ2 Az3 Estações

Lat Lon

196,46

234,89

165,52

-15,30

-64,15

203,61

239,80

165,03

-14,85

-64,30

1Longitude -62,020404

162,06

238,61

115,20

-13,12

-60,62

Latitude -9,397312

162,06

238,61

115,20

-13,12

-60,62

Latitude -9,397312

161,97

249,58

112,88

-13,00

-60,67

170,11

258,36

115,48

2Longitude -60,09408

275,22

280,85

282,05

Latitude -12,7877435

276,12

308,66

6,91

263,59

295,75

318,57

3Longitude -65,281324

258,45

296,55

339,15

Latitude -10,788396