Instrumentos e Aplicações

• Os instrumentos de detecção de raios estão baseados em campo eletrostático, eletromagnético e ótico.

• De uma forma geral pode-se dizer que as tempestades e raios tem: – Cargas e multiplos centros de carga;

– Corrente elétrica ;

– Emissão de radiação e fótons;

– Emissão de ondas de Som;

Eletrostático x Eletromagnético

Campo Elétrico/Magnético a 50 metros

LC Elétricos e CE- Magnético EQ Eletrostático; EI Indução e ER radiação

Total

Cooray, A.V. The Lightning Flash, Institution of Electrical Engineers, Issue 34 of Energy Engineering Series, 2003.

Elétrico

Magnético

Campo Elétrico/Magnético a 1km

LC Elétricos e CE- Magnético EQ Eletrostático; EI Indução e ER radiação

Total

Cooray, A.V. The Lightning Flash, Institution of Electrical Engineers, Issue 34 of Energy Engineering Series, 2003.

Elétrico Magnético

LC Elétricos e CE- Magnético EQ Eletrostático; EI Indução e ER radiação

Elétrico

Magnético

Campo Elétrico/Magnético a 100 km

LC Elétricos e CE- Magnético EQ Eletrostático; EI Indução e ER radiação

Total

Cooray, A.V. The Lightning Flash, Institution of Electrical Engineers, Issue 34 of Energy Engineering Series, 2003.

LC Elétricos e CE- Magnético EQ Eletrostático; EI Indução e ER radiação

Elétrico

Magnético

Elétrico + Magnético

Eletrostático x Eletromagnético

• Perto – Eletrostático

• Longe – Eletromagnético

Medidas de Campo Elétrico

• Medidor de campo Field Mill

• Antena Lenta e Rápida

Ken Cummins – Aulas– Univ. Arizona

Medidas de Campo Elétrico

Princípio: As cargas se movem em Resposta ao E da atmosfera

Area

QE

1

Lei de Gauss sobre uma placa

dt

dQI

Mas a variação da carga no tempo é a corrente elétrica

EAreaQ

E se integrarmos a corrente no tempo, temos voltagem que é ~ ao E

C

EAreaIdt

CC

QV

1

C é a capacitância

Medidas de Campo Elétrico Mill

FC

Voq

FC

VoE

Medidor de campo elétrico: (a) Descrição esquemática do Field Mill; (b) Fotografia do Field Mill desenvolvido pelo Laboratório de Física e Quimica da Atmosfera da UFMS

UFMS E

As cargas se movem em Reação ao E da atmosfera

C

EAreaIdt

CV

1

Portanto as medidas podem ser feitas com constantes de tempo diferente. Basicamente as constantes de tempo definem o que se quer observar. Antena lenta é usada para reproduzir as mudanças de campo produzidas por uma descarga elétrica completa (líder, IC, CG, descarga de retorno e corrente). Os Relâmpagos (múltiplos raios) podem durar até 1 segundo, enquanto que o tempo de decaimento é de alguns segundos. Antenas rápidas são usadas para observar partes específicas do raio que tem mudanças rápidas.

Antena Lenta desenvolvida pelo STORM-T/IAG/USP

http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-0040/2010

18

• Sensor mede tanto os raios IN como NT

- Contador;

- Caracteriza a forma de onda;

- Utiliza tecnologias atuais (computador de placa, conversor AD simples, GPRS/Internet e GPS);

http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-

0040/2010 19

http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-

0040/2010 20

Antena Lenta

Processador de Sinal

LWS Lightning warning system

Antena Lenta

http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-

0040/2010 21

Filtro passa baixa

Constante de tempo: 1 segundo

http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-

0040/2010 22

Antena Lenta

Processador de Sinal

LWS

Processador de Sinal

• K20 amostra 46 kS/s

• Decima o sinal a 11.5 kS/s

• Buffer circular de 3 segundos

• Os raios são identificados a partir da forma de onda gravada. Versão atual dispara o gatilho quando a Voltagem é 3 X 2

• 1 raio por segundo

http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-

0040/2010 23

http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-

0040/2010 24

Antena Lenta

Processador de Sinal

LWS

LWS - Protótipo

http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-

0040/2010 25

Filtro da Antena

UPS Raspberry PI

K20

GPS

Filtro da Antena Raspberry PI

K20

http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-

0040/2010 27

LWS - Status

Resultados:

http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-

0040/2010 28

Setembro 27, 2015 STARNET (< 20 km) = 181 sferics LWS = 167 counts

Forma de onda

http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-

0040/2010 29

2 min

3 sec

Ez

Vo

lts

Vo

lts

Antena 1

Antena 2

Field Mill

Resultados:

http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-

0040/2010 30

Setembro 28 , 2015 STARNET (< 20 km) = 420 sferics LWS = 130 counts

Forma de onda

http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-

0040/2010 31

2 min

3 sec

Ez

Vo

lts

Vo

lts

Antena 1

Antena 2

Field Mill

Raios detectados via Câmera Rápida 4000 frames por segundo

http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-

0040/2010 32

9 de Março de 2016 – 20:47:19 NT

http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-

0040/2010 33

http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-

0040/2010 35

9 de Março de 2016 – 20:44:53 NT

http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-

0040/2010 37

9 de Março de 2016 – 20:42:12 NT

Raio – NT Positivos

http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-

0040/2010 39

http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-

0040/2010 40

http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-

0040/2010 41

Raios NT - Negativo

http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-

0040/2010 42

http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-

0040/2010 43

http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-

0040/2010 44

Raio Ascendente

http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-

0040/2010 45

http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-

0040/2010 46

Localizando Raios: Field Mill

A localização das descargas elétricas através dos Field Mills requer pelo

menos 4 instrumentos deslocados (~ 1-10 km). A resolução temporal e número

de sensores permite determinar um ou mais centro de cargas associados a

raios tipo CG ou CC.

1 2

3 4

5

(x1,y1,z1)

(x2,y2,z2)

(x3,y3,z3)

(x4,y4,z4)

Mono-polo:

2/3

222

2iii

i

zzyyxx

QzE

Onde i é sensor de campo elétrico

Dipolo:

2/3

2

2

2

2

2

2

22

2/32

1

2

1

2

1

11

2

2

iii

iii

i

zzyyxx

zQ

zzyyxx

zQE

N

Cicicic

cc

i

zzyyxx

zQE

1

2/3222

2

Onde i é o sensor e C o centro de carga

Multi-polos

Solução Numérica

Nsensores

i

iiEzyxE

1

22],,[

Onde x,y,z é a posição dentro do domínio da rede

02 É a solução do centro de cargas

Exemplo para uma rede no Cabo Canaveral – NASA http://www.atmo.arizona.edu/students/courselinks/spring13/atmo589/ATMO489_online/lecture_12/lect12_charge_center_location.html

1 2

3 4

5

(x1,y1,z1)

(x2,y2,z2)

(x3,y3,z3)

(x4,y4,z4)

Nsensores

i

ii EzyxE1

22 ],,[

Assim para cada posição (xi,yi) calculamos teoricamente qual seria o valor de campo elétrico que cada sensor teria se o raio estivesse na posição xi,yi. No fim, teriámos um veto de DE(x,y,nsensores).

Campo Elétrico de um raio

Campo Elétrico de um raio X2 da solução