Un detector de rayos es un dispositivo que detecta los rayos producidos por las tormentas eléctricas . Hay tres tipos principales de detectores: sistemas terrestres que utilizan múltiples antenas, sistemas móviles que utilizan una dirección y una antena sensora en el mismo lugar (a menudo a bordo de un avión) y sistemas espaciales . El primer dispositivo de este tipo fue inventado en 1894 por Alexander Stepanovich Popov . También fue el primer receptor de radio del mundo.
Las redes terrestres de detectores de rayos son utilizadas por servicios meteorológicos como el Servicio Meteorológico Nacional de Estados Unidos , el Servicio Meteorológico de Canadá , la Cooperación Europea para la Detección de Rayos (EUCLID), el Instituto de Meteorología Ubicua ( Ubimet ) y por otras organizaciones como empresas eléctricas y servicios de prevención de incendios forestales.
Uno de los siete detectores de rayos de la red de detección y alcance de rayos (LDAR) en el Centro Espacial Kennedy en Florida.
Limitaciones
Cada sistema utilizado para la detección de rayos tiene sus propias limitaciones. [2] Estos incluyen
Una única red terrestre de rayos debe ser capaz de detectar un destello con al menos tres antenas para localizarlo con un margen de error aceptable. Esto a menudo conduce al rechazo de los rayos de nube a nube, ya que una antena podría detectar la posición del destello en la nube inicial y la otra antena la receptora. Como resultado, las redes terrestres tienden a subestimar el número de destellos, especialmente al comienzo de las tormentas, donde prevalecen los rayos de nube a nube.
Los sistemas terrestres que utilizan múltiples ubicaciones y métodos de detección de tiempo de vuelo deben tener un dispositivo central para recopilar datos de ataque y tiempo para calcular la ubicación. Además, cada estación de detección debe tener una fuente de sincronización de precisión que se utilice en el cálculo.
Dado que utilizan atenuación en lugar de triangulación, los detectores móviles a veces indican erróneamente un relámpago débil cerca como uno fuerte más lejos, o viceversa.
Las redes de rayos espaciales no sufren ninguna de estas limitaciones, pero la información que proporcionan suele tener varios minutos de antigüedad cuando está ampliamente disponible, lo que la hace de uso limitado para aplicaciones en tiempo real como la navegación aérea.
Los detectores de rayos y el radar meteorológico trabajan juntos para detectar tormentas. Los detectores de rayos indican actividad eléctrica, mientras que los radares meteorológicos indican precipitaciones. Ambos fenómenos están asociados con tormentas eléctricas y pueden ayudar a indicar la fuerza de las tormentas.
El aire se mueve hacia arriba debido a la inestabilidad.
Se produce condensación y el radar detecta ecos sobre el suelo (áreas coloreadas).
Al final, la masa de gotas de lluvia es demasiado grande para ser sostenida por la corriente ascendente y caen hacia el suelo.
La nube debe desarrollarse hasta una cierta extensión vertical antes de que se produzcan rayos, por lo que, en general, el radar meteorológico indicará una tormenta en desarrollo antes que un detector de rayos. No siempre queda claro a partir de los primeros resultados si una nube de lluvia se convertirá en tormenta, y el radar meteorológico a veces también sufre un efecto de enmascaramiento por atenuación , donde la precipitación cerca del radar puede ocultar (quizás más intensa) la precipitación más lejana. Los detectores de rayos no sufren ningún efecto de enmascaramiento y pueden proporcionar confirmación cuando una nube de lluvia se ha convertido en una tormenta.
Los rayos también pueden ubicarse fuera de las precipitaciones registradas por el radar. La segunda imagen muestra que esto sucede cuando los impactos se originan en el yunque de la nube de tormenta (la parte superior arrastrada por delante de la nube cumulonimbus por los vientos superiores) o en el borde exterior del eje de lluvia. En ambos casos todavía hay una zona de ecos de radar en algún lugar cercano.
Uso en aviación
Es más probable que los grandes aviones de pasajeros utilicen radares meteorológicos que detectores de rayos, ya que los radares meteorológicos pueden detectar tormentas más pequeñas que también causan turbulencias; sin embargo, los sistemas de aviónica modernos suelen incluir también la detección de rayos, para mayor seguridad.
Para aviones más pequeños, especialmente en la aviación general , existen dos marcas principales de detectores de rayos (a menudo denominados sferics , abreviatura de radioatmosféricos ): Stormscope , producido originalmente por Ryan (más tarde BF Goodrich) y actualmente por L-3 Communications, y el Strikefinder , producido por Insight. Strikefinder puede detectar y mostrar correctamente impactos IC (intranube) y CG (nube a tierra), además de poder diferenciar entre impactos reales y rebotes de señales reflejados en la ionosfera. Los detectores de rayos son económicos y livianos, lo que los hace atractivos para los propietarios de aviones ligeros (particularmente de aviones monomotor, donde el morro del avión no está disponible para la instalación de un radomo ).
Detectores de rayos portátiles de calidad profesional
Contador de rayos en el patio de un museo
Los detectores de rayos portátiles y económicos, así como otros mapeadores de rayos de un solo sensor, como los que se utilizan en los aviones, tienen limitaciones que incluyen la detección de señales falsas y una sensibilidad deficiente , particularmente para los rayos dentro de la nube (IC). Los detectores de rayos portátiles de calidad profesional mejoran el rendimiento en estas áreas mediante varias técnicas que se facilitan entre sí, magnificando así sus efectos:
Eliminación de señales falsas: la descarga de un rayo genera una señal electromagnética de radiofrecuencia (RF) , comúnmente experimentada como "estática" en una radio AM, y pulsos de luz de muy corta duración, que comprenden el "destello" visible. Un detector de rayos que funciona detectando solo una de estas señales puede malinterpretar las señales provenientes de fuentes distintas a los rayos, generando una falsa alarma. Específicamente, los detectores basados en RF pueden malinterpretar el ruido de RF, también conocido como interferencia de RF o RFI. Estas señales son generadas por muchas fuentes ambientales comunes, como encendidos automáticos, luces fluorescentes, televisores, interruptores de luz, motores eléctricos y cables de alto voltaje. Del mismo modo, los detectores basados en destellos de luz pueden malinterpretar la luz parpadeante generada en el entorno, como los reflejos de las ventanas, la luz del sol a través de las hojas de los árboles, los coches que pasan, los televisores y las luces fluorescentes.
Sin embargo, dado que las señales de RF y los pulsos de luz rara vez ocurren simultáneamente, excepto cuando son producidos por un rayo, los sensores de RF y los sensores de pulso de luz pueden conectarse útilmente en un " circuito de coincidencia " que requiere ambos tipos de señales simultáneamente para producir una salida. [3] Si dicho sistema apunta hacia una nube y se producen relámpagos en esa nube, se recibirán ambas señales; el circuito de coincidencia producirá una salida; y el usuario puede estar seguro de que la causa fue un rayo. Cuando se produce la descarga de un rayo dentro de una nube durante la noche, toda la nube parece iluminarse. Durante el día, estos destellos dentro de las nubes rara vez son visibles para el ojo humano; sin embargo, los sensores ópticos pueden detectarlos. En las primeras misiones, los astronautas utilizaron sensores ópticos para detectar relámpagos en nubes brillantes e iluminadas por el sol muy por debajo. Esta aplicación condujo al desarrollo del detector de rayos portátil de señal dual que utiliza destellos de luz además de las señales "esféricas" detectadas por dispositivos anteriores.
Sensibilidad mejorada: En el pasado, los detectores de rayos, tanto los portátiles económicos para uso en tierra como los costosos sistemas de aeronaves, detectaban radiación de baja frecuencia porque a bajas frecuencias las señales generadas por los rayos nube-tierra (CG) son más fuertes (tienen mayor amplitud) y por lo tanto son más fáciles de detectar. Sin embargo, el ruido de RF también es más intenso en bajas frecuencias. Para minimizar la recepción de ruido RF, los sensores de baja frecuencia funcionan con una sensibilidad baja (umbral de recepción de señal) y, por lo tanto, no detectan señales de rayos menos intensas. Esto reduce la capacidad de detectar rayos a distancias más largas, ya que la intensidad de la señal disminuye con el cuadrado de la distancia. También reduce la detección de destellos dentro de la nube (IC), que generalmente son más débiles que los destellos CG.
Detección de rayos intranube mejorada: la adición de un sensor óptico y un circuito de coincidencia no solo elimina las falsas alarmas causadas por el ruido de RF; también permite que el sensor de RF funcione con mayor sensibilidad y detecte frecuencias más altas características de los rayos IC y permite detectar los componentes de alta frecuencia más débiles de las señales IC y los destellos más distantes.
Las mejoras descritas anteriormente amplían significativamente la utilidad del detector en muchas áreas:
Alerta temprana: la detección de destellos de IC es importante porque generalmente ocurren de 5 a 30 minutos antes de los destellos de CG [ cita necesaria ] y, por lo tanto, pueden proporcionar una advertencia más temprana sobre el desarrollo de tormentas eléctricas [ cita necesaria ] , mejorando en gran medida la efectividad del detector en seguridad personal. y aplicaciones de detección de tormentas en comparación con un detector solo CG [ cita necesaria ] . La mayor sensibilidad también proporciona advertencias sobre tormentas ya desarrolladas que están más distantes pero que pueden estar acercándose al usuario. [ cita necesaria ]
Ubicación de la tormenta: incluso durante el día, los " cazadores de tormentas " pueden utilizar detectores ópticos direccionales que pueden apuntar a una nube individual para distinguir las nubes de tormenta a distancia. Esto es particularmente importante para identificar las tormentas más fuertes que producen tornados , ya que dichas tormentas producen tasas de destellos más altas con más radiación de alta frecuencia que las tormentas más débiles que no son tornados. [4] : 248
Predicción de microrráfagas: la detección de destellos IC también proporciona un método para predecir microrráfagas . [5] : 46–47 La corriente ascendente en las células convectivas comienza a electrificarse cuando alcanza altitudes lo suficientemente frías como para que los hidrometeoros de fase mixta (partículas de agua y hielo) puedan existir en el mismo volumen. La electrificación se produce debido a colisiones entre partículas de hielo y gotas de agua o partículas de hielo recubiertas de agua. Las partículas de hielo más ligeras (nieve) se cargan positivamente y son transportadas a la parte superior de la nube, dejando atrás las gotas de agua cargadas negativamente en la parte central de la nube. [6] : 6014 Estos dos centros de carga crean un campo eléctrico que conduce a la formación de rayos. La corriente ascendente continúa hasta que toda el agua líquida se convierte en hielo, lo que libera calor latente que impulsa la corriente ascendente. Cuando se convierte toda el agua, la corriente ascendente colapsa rápidamente al igual que la velocidad de los rayos. Así, el aumento de la frecuencia de los rayos hasta un valor elevado, debido principalmente a las descargas de circuitos integrados, seguido de una rápida caída de la frecuencia, proporciona una señal característica del colapso de la corriente ascendente que transporta partículas hacia abajo en una ráfaga descendente. Cuando las partículas de hielo alcanzan temperaturas más cálidas cerca de la base de las nubes, se derriten provocando un enfriamiento atmosférico; asimismo, las gotas de agua se evaporan provocando también el enfriamiento. Este enfriamiento aumenta la densidad del aire, que es la fuerza impulsora de las microráfagas. El aire frío en los "frentes de ráfagas" que a menudo se experimentan cerca de las tormentas es causado por este mecanismo.
Identificación/seguimiento de tormentas: algunas tormentas, identificadas mediante detección y observación de IC, no producen destellos de CG y no serían detectadas con un sistema de detección de CG. Los destellos de IC también son muchas veces más frecuentes [4] : 192 que los de CG, por lo que proporcionan una señal más robusta. La densidad relativamente alta (número por unidad de área) de los destellos IC permite identificar células convectivas al mapear relámpagos, mientras que los relámpagos CG son demasiado pocos y espaciados para identificar células que normalmente tienen aproximadamente 5 km de diámetro. En las últimas etapas de una tormenta, la actividad de los destellos CG disminuye y puede parecer que la tormenta ha terminado, pero en general todavía hay actividad IC en los residuos de las nubes cirros de altitud media y en los yunques más altos, por lo que aún existe la posibilidad de que se produzcan rayos CG. .
Cuantificación de la intensidad de la tormenta: Otra ventaja de la detección de IC es que la velocidad de destellos (número por minuto) es proporcional a la quinta potencia de la velocidad convectiva de las corrientes ascendentes en la nube de tormenta. [6] : 6018–6019 [7] Esta respuesta no lineal significa que un pequeño cambio en la altura de las nubes, difícilmente observable en el radar, iría acompañado de un gran cambio en la frecuencia de destellos. Por ejemplo, un aumento apenas perceptible del 10% en la altura de las nubes (una medida de la gravedad de la tormenta) tendría un cambio del 60% en la tasa total de destellos, lo cual se observa fácilmente. Los "relámpagos totales" son tanto los destellos IC generalmente invisibles (a la luz del día) que permanecen dentro de la nube como los destellos CG generalmente visibles que se pueden ver extendiéndose desde la base de la nube hasta el suelo. Debido a que la mayor parte del total de rayos proviene de destellos de CI, esta capacidad de cuantificar la intensidad de la tormenta se produce principalmente mediante la detección de descargas de CI. Los detectores de rayos que detectan sólo energía de baja frecuencia detectan únicamente destellos de circuitos integrados que están cerca, por lo que son relativamente ineficaces para predecir microrráfagas y cuantificar la intensidad convectiva.
Predicción de tornados: Se sabe que las tormentas severas que producen tornados tienen tasas de rayos muy altas [5] : 51 [8] [9] y la mayoría de los rayos de las nubes convectivas más profundas son IC, [10] por lo tanto, la capacidad de detectar rayos IC proporciona una Método para identificar nubes con alto potencial de tornado.
Estimación del alcance del rayo
Cuando se detecta una señal de rayo de RF en un solo lugar, se puede determinar su dirección utilizando un radiogoniómetro magnético de bucle cruzado, pero es difícil determinar su distancia. Se han hecho intentos utilizando la amplitud de la señal, pero esto no funciona muy bien porque las señales de los rayos varían mucho en su intensidad. Por lo tanto, al utilizar la amplitud para estimar la distancia, un destello fuerte puede parecer cercano y una señal más débil del mismo destello (o de un destello más débil de la misma célula de tormenta) parece estar más lejos. Se puede saber dónde caerá un rayo dentro de un radio de una milla midiendo la ionización en el aire para mejorar la precisión de la predicción.
Para comprender este aspecto de la detección de rayos, es necesario saber que un "destello" de relámpago generalmente consta de varios rayos; un número típico de rayos de un flash CG está en el rango de 3 a 6, pero algunos destellos pueden tener más de 10 rayos. [11] : 18
El golpe inicial deja un camino ionizado desde la nube hasta el suelo y los 'golpes de retorno' posteriores, separados por un intervalo de aproximadamente 50 milisegundos, suben por ese canal. La secuencia de descarga completa suele tener una duración de aproximadamente ½ segundo, mientras que la duración de los golpes individuales varía mucho entre 100 nanosegundos y unas pocas decenas de microsegundos. Los destellos de un flash generado por computadora pueden verse de noche como una secuencia no periódica de iluminaciones del canal del rayo. Esto también se puede escuchar en detectores de rayos sofisticados como sonidos entrecortados individuales para cada golpe, formando un patrón distintivo.
Se han utilizado detectores de rayos de un solo sensor en aeronaves y, si bien la dirección del rayo se puede determinar a partir de un sensor de bucle cruzado, la distancia no se puede determinar de manera confiable porque la amplitud de la señal varía entre los rayos individuales descritos anteriormente, [11] : 115
y estos sistemas Utilice la amplitud para estimar la distancia. Debido a que los rayos tienen diferentes amplitudes, estos detectores proporcionan una línea de puntos en la pantalla, como radios de una rueda, que se extienden radialmente desde el cubo en la dirección general de la fuente del rayo. Los puntos están a diferentes distancias a lo largo de la línea porque los trazos tienen diferentes intensidades. Estas líneas de puntos características en tales pantallas de sensores se denominan "dispersión radial". [12]
Estos sensores funcionan en el rango de muy baja frecuencia (VLF) y baja frecuencia (LF) (por debajo de 300 kHz), que proporciona las señales de rayos más fuertes: las generadas por los impactos de retorno desde el suelo. Pero a menos que el sensor esté cerca del flash, no captan las señales más débiles de las descargas de CI que tienen una cantidad significativa de energía en el rango de alta frecuencia (HF) (hasta 30 MHz).
Otro problema con los receptores de rayos VLF es que captan reflejos de la ionosfera, por lo que a veces no pueden distinguir la diferencia de distancia entre un rayo a 100 km de distancia y a varios cientos de km. A distancias de varios cientos de kilómetros, la señal reflejada (denominada "onda celeste") es más fuerte que la señal directa (denominada "onda terrestre"). [13]
La guía de ondas Tierra-ionosfera atrapa ondas electromagnéticas VLF y ELF . Los pulsos electromagnéticos transmitidos por la caída de un rayo se propagan dentro de esa guía de ondas. La guía de ondas es dispersiva, lo que significa que la velocidad de su grupo depende de la frecuencia. La diferencia del retardo de tiempo de grupo de un impulso de iluminación en frecuencias adyacentes es proporcional a la distancia entre el transmisor y el receptor. Junto con el método de radiogoniometría, esto permite localizar rayos mediante una sola estación hasta distancias de 10.000 km desde su origen. Además, las frecuencias propias de la guía de ondas ionosférica de la Tierra, las resonancias Schumann
de aproximadamente 7,5 Hz, se utilizan para determinar la actividad global de las tormentas. [14]
Debido a la dificultad de obtener la distancia al rayo con un solo sensor, el único método confiable actual para ubicar el rayo es a través de redes interconectadas de sensores espaciados que cubren un área de la superficie de la Tierra utilizando diferencias de tiempo de llegada entre los sensores y/o cruces. -rodamientos de diferentes sensores. Varias de estas redes nacionales que operan actualmente en los EE. UU. pueden proporcionar la posición de los flashes CG, pero actualmente no pueden detectar ni posicionar de manera confiable los flashes IC. [15]
Hay algunas redes de área pequeña (como la red LDAR del Centro Espacial Kennedy, uno de cuyos sensores se muestra en la parte superior de este artículo) que tienen sistemas de tiempo de llegada VHF y pueden detectar y posicionar flashes IC. Estos se denominan matrices de mapeadores de relámpagos . Por lo general, cubren un círculo de 30 a 40 millas de diámetro.
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enlaces externos
Wikimedia Commons tiene medios relacionados con los detectores de rayos .
Detección de rayos de Vaisala Archivado el 7 de marzo de 2016 en Wayback Machine de Vaisala
Actividad reciente de rayos en América del Norte de StrikestarUS
