Instrumentos e Aplicações - II

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Gilberto Canela
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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; Emissão de ondas de Som;

2 Princípio da detecção de raios a partir de ondas 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. Este ruído pode se propagar sobre milhares de km de distância entre o guia de onda formado pela ionosfera e a superfície terrestre.

3 gxoqekfawa e ry/inspire.html

4 Freqüência EHF SHF UHF VHF HF MF LF VLF ELF a 300 GHz 3 a 30 GHz visível Infra vermelho µ 10cm a 1cm 1 GHz 100cm a 10cm TV 30 a 300 MHz FM Onda curta 10m a 1m TV 3 a 30 MHz ionosonda 100m a 10m 300 a 3000 khz RÁDIO AM 1000m a 100m 30 a 300 khz Onda longa 10 a 1 Km 5 KHz 3 a 30 khz Sferics 15 KHz 1 KHz Assobios Atmosféricos 1 R E Comprim mento de Onda (m) Micropulsações

5 RÁDIO 5000 Km VHF 400 Km Espectro de potência VLF VLF/LF VHF 100 Km Freqüência (khz) Raio Lider (canal precursor) CG Descarga de retorno - CG

a ser medido além da resolução VHF ~ 100 km - resolução cm a metros LF ~ 400 km -

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 ~ 100 km - resolução cm a metros LF ~ 400 km - resolução 100 m a 2-5 km VLF ~ 4000 km - resolução 1 10 km ELF ~ 8000 km - resolução dezenas a centenas de km

dois loops verticais dispostos perpendicularmente um do outro, sendo um

7 Sistemas de Direção (Magnetic Direction Finders - 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. tanϕ = B B N S L O

8 Χ Nestacoes ( ϕ ϕ ) 2 i= 1 φi = Nsensores i σ mi 2 ϕ2 ϕ1 ϕ4 ϕ3

9 Χ Nestacoes ( ϕ ϕ ) 2 i= 1 φi = Nsensores i σ mi 2 ϕm2 ϕm1 ϕm4 ϕm3

11 Medida sem erro

12 Medida com erro aleatorio de 1o

13 Medida com erro aleatorio de 1 º - ZOOM

14 Medida sem erro

15 Medida com erro aleatorio de 1o

16 Medida com erro aleatorio de 1 º - ZOOM

17 Sistemasde Tempo ATD outoa

18 Como podemos inferir a localização de uma descarga atmosférica via o tempo de chegada ATD ou TOA?

20 Correlação cruzada no tempo entre 2 formas de onda de uma descarga elétrica (Sferics). Portanto pode-se definir a Diferença entre o Tempo de Chegada conhecida como ATD Arrival Time Difference

21 O que significaatd? Na ausência do tempo da ocorrência de uma descarga elétrica, pode-se obter a localização de um raioa partirdo cálculodadiferençade tempo de chegadado sinaldo campo elétrico vertical oumagnéticoemitidoporum raio. Estes tempos definemposiçõessobrea superfícieterrestrequetem a mesmadiferençade tempo, sendoqueestasposiçõesse assemelham a hiperbolas. Estação1 : D1 = (T1-T0)* T0)*υυ e Estação2: D2 = (T2-T0)* T0)*υ Mas como não conhecemos T0 ATD = T2 T1 = D2 D1 υ

22 ATD Teorico = T 2 T1 = D2 D1 υ 4 sensores 6 ATDs (combinacao 6, 2 a 2) D2 D1 D4 D3

23 ATD Teorico = T 2 T1 = D2 D1 υ 4 sensores 6 ATDs (combinacao 6, 2 a 2) D2 D1 D4 D3

26 Lee (1986), método ATD 2 χ = 1 N 2 N ATD i= 1 ATDi simulated ATD σ i measured i 2

33 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. TOA TOA TOA etc... = = = R R c R R 3 c R1 R4 c TOA TOA TOA etc... = = = R R 1 1 R 1 R c R 2 3 c R c 4 Os sistemas em geral utilizam um sistema GPS com uma resolução de 1 nanosegundo. O campo elétrico medido é proveniente de ondas de chão que se propagam diretamente do relâmpago sob a superfície da terra. 1 nano segundo -> 10-9 x segundo e 3 x 10 8 metro/segundo = 0,3 metros

34 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: Χ. 2 = I ( ) 2 TOA i TOA MI σ I

35 TOA+MDF IMPACT Χ Ncombinacoes 2 Nestacoes ( TOA TOA ) ( ϕi ϕ mi ) i 2 i = 1 i i = 1 φ i = σ Ncombinacoes mi + σ Nsensores 2

36 Exercício Az1 AZ2 Az3 Estações Lat 196,46 234,89 165,52-15,30-64,15 203,61 239,80 165,03-14,85-64,30 1Longitude -62, ,06 238,61 115,20-13,12-60,62 Latitude -9, ,97 249,58 112,88-13,00-60,67 170,11 258,36 115,48 2Longitude -60, ,22 280,85 282,05 Latitude -12, ,12 308,66 6,91 263,59 295,75 318,57 3Longitude -65, ,45 296,55 339,15 Latitude -10, ,51 312,92 333,72 146,27 136,36 119,64 17,73 24,93 341,6 Lon

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