Sygnatury pola elektrycznego udarów piorunowych otrzymane z nowej stacji detekcyjnej Politechniki Rzeszowskiej

W pracy zostały przedstawione wyselekcjonowane rejestracje piorunowego pola elektrycznego z nowej stacji detekcyjnej Politechniki Rzeszowskiej podczas incydentów burzowych w 2014 r. Zebrane przebiegi obejmują rejestracje pola elektrycznego wolnozmiennego w paśmie częstotliwości od 0 do 10 Hz oraz pola szybkozmiennego w zakresie od 0.5 Hz do 3 MHz. Pliki cyfrowe z danymi poddano badaniu pod kątem identyfikacji typu oraz faz rozwoju czasowego poszczególnych składowych wyładowań. Przeprowadzono dwa rodzaje analizy: w dziedzinie czasu oraz czasowo-częstotliwościowej (PSD). Do otrzymania widm spektralnej gęstości mocy (PSD) zastosowano algorytm szybkiej transformaty Fouriera (STFT). Otrzymane wyniki, z analizy przykładowych widm PSD rozpatrywanych wyładowań doziemnych, wykazały użyteczność tej metody zarówno w identyfikacji poszczególnych typów udarów piorunowych, tj. zmian typu RS lub CC, jak i w ograniczonej liczbie przypadków do dyskryminacji fazy wyładowań wstępnych (PB) w chmurze burzowej. Rezultaty tych badań mogą być również zaimplementowane w nowych i szybkich algorytmach oraz procedurach komputerowych do automatycznej detekcji różnych składowych wyładowania doziemnego. W pracy została przedstawiona także cała struktura sprzętowa nowego stanowiska pomiarowego stacji detekcyjnej Politechniki Rzeszowskiej. Obejmuje ona zarówno sensory wolno i szybkozmiennego pola elektrycznego, jak i sprzęt optyczny, tj. aparat cyfrowy z wyzwalaczem optycznym oraz szybką cyfrową kamerę wideo do śledzenia rozwoju czasowego kanałów wyładowczych tych wyładowań.

Pełny tekst (pdf)

[1] MacGorman D.R., Rust W.D., The Electrical Nature of Storms, Oxford University Press, 1998, New York.

[2] Karunarathne S., T.C. Marshall, M. Stolzenburg, N. Karunarathna, L. E. Vickers, T. A. Warner, and R. E. Orville (2013), Locating initial breakdown pulses using electric field change network, J. Geophys. Res. Atmos., 118, 7129–7141, doi:10.1002/jgrd.50441.

[3] Rakov V.A., Electromagnetic methods of lightning detection, Surv. Geophys., 34:731-753, 2013, doi: 10.1007/s10712-013-9251-1.

[4] Gamracki M., Modelowanie matematyczne propagacji piorunowego zaburzenia elektromagnetycznego nad stratną ziemią, Przegląd Elektrotechniczny, ISSN 0033-2097, NR 7/2014.

[5] Marshall, T., W. Schulz, N. Karunarathna, S. Karunarathne, M. Stolzenburg, C. Vergeiner, and T. Warner (2014), On the percentage of lightning flashes that beginwith initial breakdown pulses, J. Geophys. Res. Atmos., 119, 445–460, doi:10.1002/2013JD020854.

[6] Oppenheim, Alan V., Ronald W. Schafer, and John R. Buck. Discrete-Time Signal Processing. 2nd Ed. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 1999.

[7] Rabiner, Lawrence R., and Ronald W. Schafer. Digital Processing of Speech Signals. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1978.

[8] Rakov V.A., Uman M.A., Lightning: Physics and Effects, Cambridge Univ. Press, 2003, New York.

[9] Barański P., Michnowski S., Masłowski G., Gajda W.: Signatures of electric field changes associated with the continuing current stage of cloud-to-ground flashes, Proceedings of the 13-th International Conference on Atmospheric Electricity, ICAE 2007, Beijing, China, vol. I, 489–492.

[10] Baharudin Z.A., Ahmad N.A., Fernando M., Cooray V., and Mäkelä J.S., Comparative study on preliminary breakdown pulse trains observed in Johor, Malaysia and Florida, USA, Atmospheric Research, No.117 p.111-121, 2012.

[11] Masłowski G., P. Barański, Karnas G.: Electric field frequency spectra of multiple cloud-to-ground lightning flashes recorder in the Warsaw region by Local Lightning Detection Network, Proceedings of the 14-th International Conference on Atmospheric Electricity, ICAE 2011, Rio de Janeiro, Brazil (wersja elektroniczna).

[12] Masłowski G., Barański P., Karnas G.: Spectral characteristics of the electric field related to the preliminary breakdown stage of cloud-to-ground lightning flashes, Proceedings of the 15-th International Conference on Atmospheric Electricity, ICAE 2014, Norman, Oklahoma, USA (wersja elektroniczna).

[13] Karnas G., Masłowski G., Barański P., Berliński J., Pankanin G., Instrumentation and data analysis process at the new lightning observatory in Poland, Przegląd Elektrotechniczny (Electrical Review) R. 89 NR 6/2013.

[14] Masłowski G., Barański P., Natural Lightning Channel Evolution Obtained from High-Speed Digital Video Camera Recordings, Publs. Inst. Geophys. Pol. Acad. Sc., D-73(412), 2009.

[15] Stolzenburg M., Marshall T.C., Karunarathne S., Karunarathna N., Orville R.E., Branched dart leaders preceding lightning return strokes, Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2014, USA., doi:10.1002/2013JD021254.

[16] Sobolewski K., Karnas G., Barański P., Masłowski G., Analiza sygnatur pola elektrycznego wyładowań atmosferycznych w rejonie Bieszczad na podstawie kompleksowych pomiarów impulsów fali EM w paśmie częstotliwości od 0 do 3 MHz wykonanych w AOS PRz i PW w Bezmiechowej w maju 2014 r., Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej, ISSN 2353-1290, Nr39, Gdańsk, 2014.

[17] Łoboda M., Betz H.D., Barański P., Wiszniowski J., Dziewit Z., New Lightning Detection Networks in Poland – LINET and LLDN, The Open Atmospheric Science Journal 01/2009; 3:29-38. doi:10.2174/1874282300903010029.