Dr. Gerhard DIENDORFER - univie.ac.at · 154.479 131.469 119.602123.597 179.851 104.958 207.641...

BLITZPHYSIKDr. Gerhard DIENDORFER

ALDISAustrian Lightning Detection & Information System

www.aldis.at

Kahlenberger Str.2A, A-1190 WienTel.: +43-1-3705806-215E-mail: [email protected]

24.2.2003 Austrian Lightning Detection & Information System Dr. G.Diendorfer

GEWITTER ÜBER KORNEUBURG

Copyright: C.Diendorfer


FRANKLIN´S DRACHENEXPERIMENT (1752)


GEWITTERBILDUNG

• Es werden drei GEWITTERTYPEN unterschieden

• Wärmegewitter

• Frontgewitter

• Orographische Gewitter

• Unterscheidung zwischen:

• mikroskopischer Ladungstrennung

• makroskopischer Ladungstrennung

• Es existieren mehrere Hypothesen zur Erklärung der Gewitterbildung

• Niederschlagshypothese

• Konvektionshypothese


LADUNGSVERTEILUNG INNERHALB DERGEWITTERWOLKE


LADUNGSVERTEILUNG IN DER GEWITTERWOLKE


DIPOLVERTEILUNG

Ladungsverteilung und Bodenfeldstärke einer Gewitterzelle


DIE VERSCHIEDENEN BLITZARTEN


3 PHASEN DER BLITZENTLADUNG

+ ++ + + + + + + +++

--- - - - ---

- ------

-- - -- - -- -- - - -- -

---- ---- -

+ ++ +

++ + + +

++

++

--- - - - ---

- ------

-- - -- - -- -- - - -- -

---- ---- -

+ ++ +

++ + + +

++

++

--- - - - ---

- ------

-- - -- - -- -- - - -- -

---- ---- -

+ ++ +

++ + + +

++

++

+ + + + + + + ++++++++ +

v = 300 km/sStufenlänge 50 – 200 m

+ + + + + + + ++++++++ +

HauptentladungFangentladungLeitblitz


DIE VIER BLITZTYPEN

- - - - - - -- --

--- -

------- - - - -

-- -

-- --

- - - ---

-

+

L

R

+++++++++++ +

- - -- - - --

L

R

- - - - - - -- --

--- -

------- - - - -

-- -

-- --

- - - ---

-

+

L

R

+++++++++++ +

- - -- - - --

L

R

Abwärtsblitz Aufwärtsblitz Abwärtsblitz Aufwärtsblitz

Negativer Positiver


DER BLITZSTROM UND SEINE PARAMETER

• Die im Leitblitzkanal gespeicherte Ladung wird als Stoßstrom zur Erde abgeleitet

• Amplituden von ca. 2 kA bis 250 … 300 kA

• Bis zu 15 und mehr Folgeblitze treten während einer Sekunde auf


GEMESSENER BLITZSTROMVERLAUF (BERGER)


STROMVERLAUF VON ERST- UNDFOLGEBLITZEN

Oszillogramm eines negativen Wolke-Erde Blitzes

Oszillogramm eines positiven Wolke-Erde Blitzes


DIE VIER BLITZSTROMPARAMETER

♦ Scheitelwert Imax des Stromes in [kA]

Verursacht einen Spannungsabfall an einem Widerstand und bestimmt das Magnetfeld H = I/2πr

♦ Ladung Q des Blitzstromes in [As]

Ist verantwortlich für Ausschmelzungen am unmittelbaren Einschlagspunkt und die Sprengwirkungvon Funkendurchschlägen durch Beton oder Holz

♦ Spezifische Energie W/R in [MJ/Ω]

Bestimmt die im Widerstand R eines Leiters in Wärme umgesetzte Energie, sowie denmechanischen Impuls zwischen Leitern oder Leiterteilen durch die elektrodynamische Kraftwirkung

♦ Stromsteilheit (di/dt) in [kA/µs]

Maßgebend für den induktiven Spannungsabfall und die induzierende Wirkungen des Blitzstromes


POTENZIALANHEBUNG BEIM DIREKTEN BLITZEINSCHLAG

RE Umax

Imax

Erdungswiderstand

Umax

BEISPIEL:

Imax = 100 kA

RE = 10 Ω

Umax = 1000 kV


LADUNG Q DES BLITZSTROMES

W = Q.∆UA.K

Verantwortlich für die Ausschmelzungen am Fußpunkt des Blitzkanals (z.B. Fangspitze)

W Umgesetzte Energie in JQ Ladung des Blitzstromes in As∆UA,K Kathodenspannungsabfall (einige 10 V)

Ladung Q

z.B. Fangspitze

ausgeschmolzenesMetallvolumen

Q i dt= ñ.

Zeit

Blitzstromverlauf∆UA,K


SPEZIFISCHE ENERGIE W/R DES BLITZSTROMES

Erwärmung von blitzstromführenden LeiternDie Kenngröße W/R entspricht dem Energieumsatz des Blitzstromes in einemWiderstand von 1 Ω. Unter Vernachlässigung der Wärmeabgabe an die Umgebungergibt sich die Temperaturerhöhung ∆ϑ eines Leiters mit:

[ ]∆ ϑ = ⋅⋅ ⋅

⋅ ⋅−

å

ç

æææ

õ

÷

ööö

112α

α ρ

γexp

WR

A cK

w

α Temperaturkoeffizient des Widerstandes in 1/Kρ spezifischer ohm´scher Widerstand in ΩmA Leiterquerschnitt in m2

γ Massendichte in kg/m3

Cw spez. Wärmekapazität in J/kg.K

Beispiel: Eisen 50 mm2

ρ 120.10-9 Ωmα 6,5.10-3 1/K

W/R 2,5 MJ/ Ω (normal)

Temperaturerhöhung ϑ∆ = 37 K


SPANNUNGSINDUKTION INLEITERSCHLEIFEN

U = M.(di/dt)

BlitzstromBlitzstromBlitzstrom

InduzierteRechteckspannung

Zeit

Zeit

U

∆t

∆t

∆i


VERGLEICH INDUKTION VON 50 HZ STROM - BLITZSTROM

M = 0,46 µH

Gegeninduktivität M der 1m2 Schleife

( )uddt

B rIr

dI drrind = = ⋅ = ⋅

φµ

πφ

µπ0

0

2 2. ..

.

φµ

πµ

πµ

π= = ⋅ ⋅ = = ⋅ñ0 0 1

2

0 1

22 2 21

2.. .

ln ..

lnI dr

rrrI M I mit M

rrr

r

di/dtmax

Sinus200 A, 50 Hz

Blitz

di/dt = 100 kA/µs

( )di / dt 200. 2.2. .50 88.857 A / smax = =πu = M.di/dt

0,46.10-6 .100.109= 46.000V = 46 kV !!!u = M.di/dt

0,46.10-6.88.857 = 40,8 mV


MESSTECHNIK

• DIREKTE STROMMESSUNG– exponierte Türme– getriggerte Blitze

• ELEKTROMAGNETISCHES FELD– Blitzortung

• LICHTEMISSION– Satelliten


METHODEN DER BLITZSTROMBESTIMMUNG

Indirekte Bestimmung derStromamplitude aus dem

FeldmaximumEinfluss der endl.

Bodenleitfähigkeit, VRS, etc.

Korrelation E/l für pos.Blitze

unbekannt(wird dzt. gleichgesetzt den

neg. Blitzen)

kein Erstblitz vorhandenGrad der Übereinstimmungmit natürlichem Folgeblitz

unklar (Einfluss desverdampften Metalldrahtes,Blitz hätte ohne Triggerung

nicht stattgefunden)

lokale Kenngröße

geringe Ereignisanzahl

Turmeffekte

(Aufwärtsblitze,Reflexionsverhalten)

exponierte Lage

lokale Kenngröße

Nachteile

große Anzahl vonregistrierten Ereignissen

flächendeckende Erfassungdes Bitzgeschehens

direkte Strommessung

größere Anzahl vonEreignissen

Korrelierte Messungen vonStrom, Feld, Geschwindigkeit

etc. sind leichter möglich

direkte Strommessungam natürlichen Blitz

Vorteile

BLITZORTUNGBLITZTRIGGERUNGTURMMESSUNGMETHODE


BLITZTRIGGERUNG

Camp BlandingUniv. Florida


BLITZDICHTE RAUM SALZBURG

Blitze/km2.Jahr1992-2001


BLITZMESSUNGEN AM GAISBERG


WINDVERFRACHTUNG DES BLITZKANALS

DAUER DES LANGZEITSTROMES ~ 500 ms

2-DIMENSIONALE VERSCHIEBUNG ~ 7m

14 m/s ENTSPRICHT ca. 50 km/h


BLITZBEOBACHTUNG AUS DEM ALL


GEWITTERBEOBACHTUNG MIT SATELLITEN(OTD)


OTD – EUROPA AUSSCHNITT


BLITZORTUNG IN DEN VERSCHIEDENENFREQUENZBEREICHEN


BLITZ FELDER IM LF/VLF BEREICH

Bodenwelle

1. Ionosphärische Reflexion

Mehrfache IonosphärischeReflexion


PRINZIP DER RICHTUNGSPEILUNG (MDF)

tan φ = BB

NS

WO

MELDUNG an Zentrale: Uhrzeit Sensornummer Winkel Signalstärke

13:35:03.557 # 8 45.0° -52.3 LLP


BLITZORTUNGSSENSOR (IMPACT)

GPS Antenne

Rahmenspulen


ALDIS - SENSORSTANDORTE IN ÖSTERREICH

Hohenems

Schwaz

Niederöblarn

NötschFürstenfeld

Bad Vöslau

Dobersberg

Eggelsberg

TT2 < T3 < T1

T1

T3

T2


EUCLID NETWORK - EUROPEANCOOPERATION FOR LIGHTNING DETECTION

A 8 IMPACTD 13 LPATS/IMPACTSLO 2 LPATSCH 4 LPATSF 16 IMPACTNL 7 LPATS/IMPACTCZ 1 LPATSSK 1 LPATSPL 3 LPATSH 1 LPATSN 13 IMPACTI 12 IMPACTS 6 IMPACT

www.euclid.at


STROKES GEORTET VON EUCLID AUGUST 2002

319.

915

121.

900

58.6

79

134.

339

121.

523

202.

751

61.9

13

54.7

38

157.

040

101.

707

80.1

20

27.3

24

4.07

4

4.07

8 20.9

62

65.6

58

57.4

09

92.2

62

167.

258

140.

469

103.

617

102.

490 14

3.67

2

110.

717

70.2

93

152.

138

163.

002

265.

590

106.

314

32.2

66

152.

246

0

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

350.000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

August, 2002

Num

ber o

f Stro

kes


GEWITTER ÜBER EUROPA1. AUGUST 2002


ISOKERAUNENKARTE1958 - 1969


BLITZDICHTE IN ÖSTERREICH 1992 - 1999


BLITZDICHTE LOKAL (RAUM MURAU)


ANZAHL DER REGISTRIERTEN BLITZE IN ÖSTERREICH 1992 – 2002

104.918

222.369

154.479

131.469119.602123.597

179.851

104.958

207.641

133.214

185.476

0

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002


AMPLITUDENVERTEILUNG NEGATIVER BLITZE 1996

0

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

14.000

16.000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Strom in kA

Anz

ahl d

er B

litze 50 % - Wert (Median) 13 kA

98 % - Wert 57 kA


ORTUNGSGENAUIGKEIT

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

-1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000

Delta LON [m]

Del

ta L

AT

[m]

N


VERGLEICH TURMMESSUNG - ALDIS

0 10 20 30 40I_TURM[kA]

0

10

20

30

40I_

ALD

IS [k

A]

Jahr 2000:N = 188r = 0,96

IALDIS = 0,94 * ITURM


SUMMENHÄUFIGKEITSVERTEILUNG DER BLITZSTROMAMPLITUDEN

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Amplitude in [kA]

Sum

men

häuf

igke

it

CIGRE (BERGER)

ALDIS


RED SPRITES UND BLUE JETS

• 1989 erste Beobachtungen aus dem Space Shuttle

• 250 Video Aufnahmen bei einer Messserie 1993

• physikalische Vorgänge noch relativ unklar

• Sprites treten häufig zeitgleich mit starken positiven Wolke-Erde Blitzen auf


RED SPRITES UND BLUE JETS


RED SPRITES

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