Jak grom z jasnego nieba. Skąd wiemy gdzie uderzają pioruny?

Każdy piorun jest potencjalnym zagrożeniem dla człowieka, budynków czy pojazdów. Poza tym wyładowania atmosferyczne towarzyszą burzom i huraganom, przez co mogąc stanowić ich zapowiedź, pozwalają się odpowiednio przygotować na nadejście silnego wiatru. Nic więc dziwnego, że już od dawna naukowcy poszukiwali sposobów na detekcję i lokalizację wyładowań.

Na całym świecie, jednocześnie występuje od 2 tys. do 5 tys. burz powodujących 100 wyładowań atmosferycznych co sekundę. 10-20 proc. z nich to wyładowania doziemne.

Pioruny generują promieniowanie elektromagnetyczne i fale akustyczne, które można wykryć i na ich podstawie zlokalizować wyładowania. Najczęściej wykorzystuje się:

• promieniowanie elektromagnetyczne w paśmie częstotliwości widzialnych

• promieniowanie elektromagnetyczne w paśmie częstotliwości radiowych

Pierwsze wykorzystują najczęściej satelity, drugie - systemy naziemne. Fale akustyczne ze względu na ograniczony zasięg stosowane były przez lokalne systemy.

Obecnie największe zastosowanie mają trzy metody:

Metoda MDF (ang. Magnetic Direction Finding)  polega na magnetycznym wykrywaniu kierunku rozchodzenia się fali elektromagnetycznej z wyładowań. Aby system mógł działać z odpowiednio dużą dokładnością, niezbędne są przynajmniej trzy anteny oddalone od siebie o około 200-300 km. Zbierają one informacje o tym, sąd nadeszła fala, a dzięki dostępowi do sieci wszystkie dane przesyłane są do centralnego systemy, który analizuje występowanie wyładowań w przestrzeni i generuje wizualny obraz w postaci mapy.

Metoda TOA (ang. Time of Arrival) polega na bardzo dokładnym pomiarze czasu dotarcia fali elektromagnetycznej od miejsca wyładowania do sensora. Sygnał wytworzony przez pioruny do każdej anteny dociera w różnym czasie. Dzięki wspomaganiu przez GPS różnica ta może być określona z dokładnością do 100 ns. Aby system działał poprawnie, konieczne jest rozmieszczenie trzech, a niekiedy czterech anten.

Metoda Interferometryczna polega na pomiarze różnicy faz fali elektromagnetycznej, które są mierzone za pomocą dwóch par anten. Każda antena rejestruje sygnały o równych sobie, ale przesuniętych względem siebie amplitudach. Dzięki różnicom można obliczyć kierunek, z którego nadeszła fala, a tym samym lokalizacja wyładowań zarówno doziemnych, jak i chmurowych.

Istnieją również systemy hybrydowe, które łączą powyższe metody.

Czytaj także: Tajemnicze smugi na niebie. Wyjaśnienie jest prostsze, niż myślisz

Polski system PERUN, który używa IMGW, opiera się na pomiarze różnicy faz fali elektromagnetycznej w paśmie ultra wysokich częstotliwości, tzw. VHF (30 MHz - 300 MHz) pozwalając na detekcję wyładowań doziemnych i chmurowych z dokładnością sięgającą nawet 95 proc.

Jego budowa została rozpoczęta w 2000 r., a działanie operacyjne rozpoczęło się w 2002 r. Początkowo dokładność lokalizacji była na poziomie 1-2 km, ale poprzez modernizacje zwiększono ją do 250-500 m. Anteny zlokalizowane zostały w Olsztynie, Białymstoku, Włodawie, Warszawie, Toruniu, Gorzowie Wielkopolskim, Kaliszu, Częstochowie i Sandomierzu a w późniejszym czasie również w Chojnicach, Legnicy i Kozienicach.

Współpraca ze Słowacją, Czechami, Niemcami, Danią, Szwecją i Węgrami umożliwiło zwiększenie dokładności pomiarów zwłaszcza na terenach przygranicznych.

Od momentu powstania do 2021 polski system PERUN zarejestrował blisko 83 mln wyładowań, z czego 73 432 465 wyładowań chmurowych, 8 761 351 wyładowań doziemnych ujemnych i 800 339 wyładowań doziemnych dodatnich.

Dzięki współpracy Uniwersytetu w Monachium z Politechniką Warszawską, Białostocką, Gdańską, Rzeszowską oraz firmą Galmar, w 2006 r. wprowadzono do naszego kraju nowy system o nazwie LINET.

System wykorzystuje metodę TOA działając w paśmie bardzo niskich i niskich częstotliwości VLF/LF (VLF: 3 kHz - 30 kHz, LF: 30 kHz - 300 kHz) umożliwia detekcję wszystkich rodzajów wyładowań: doziemnych, wewnątrz chmury oraz pomiędzy chmurami. Średnia błąd w przypadku wyładować doziemnych wynosi 100 m.

Najbardziej znaną siecią detektorów jest Blitzortung, który wykorzystuje techniki TOA (Time of Arrival) i TOGA (Time of Group Arrival) w paśmie częstotliwości bardzo długich fal (ang. very low frequency, 3-30 kHz, długości 10 - 100 km).

Dzięki temu systemowi mamy możliwość śledzenia burz w czasie rzeczywistym. Możliwości rozszerza pomocniczy serwis lightningmaps.org, który oferuje nie tylko wizualnie atrakcyjne i przejrzyste informacje pokazane na mapie, ale umożliwia podgląd danych archiwalnych.

Literatura źródłowa:

1. Gajda W., 2022, System PERUN działa już 20 lat. Rola IMGW w monitorowaniu burz, Obserwator. Magazyn Popularnonaukowy IMGW-PIB
2. Gamracki M., 2017, Budowa i działanie systemu detekcji i lokalizacji wyładowań atmosferycznych Blitzortung, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej, 296, Elektrotechnika 36 RUTJEE, t. XXV, z. 36 (1/17), styczeń-czerwiec, s. 27-40
3. Makar K., 2016, Systemy rejestracji wyładować atmosferycznych, Zeszyty Naukowe Politechniki Poznańskiej serii Elektryka, nr 86, s. 341-350  

Czytaj także:

 Aleje Tornad w Polsce. Gdzie najczęściej występują u nas trąby powietrzne?

Wypoczywający nad Bałtykiem mogli zaobserwować niezwykłe zjawisko

Jak powstają ogniste tornada? Czy mogą wystąpić w Polsce?