Un detector de rayos es un dispositivo que detecta los rayos producidos por tormentas eléctricas . Existen tres tipos principales de detectores: sistemas terrestres que utilizan múltiples antenas, sistemas móviles que utilizan una antena direccional y una antena sensora en la misma ubicación (a menudo a bordo de una aeronave) 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.
Los detectores terrestres y móviles calculan la dirección y la gravedad de los rayos desde la ubicación actual utilizando técnicas de radiogoniometría junto con un análisis de las frecuencias características emitidas por los rayos. Los sistemas terrestres pueden utilizar la triangulación desde múltiples ubicaciones para determinar la distancia, mientras que los sistemas móviles pueden estimar la distancia utilizando la frecuencia y la atenuación de la señal . Los detectores espaciales en satélites se pueden utilizar para localizar el alcance, la dirección y la intensidad de los rayos mediante observación directa.
Las redes de detectores de rayos terrestres 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 Relámpagos (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 medición de distancias por rayos (LDAR) en el Centro Espacial Kennedy en Florida.
Limitaciones
Cada sistema utilizado para la detección de rayos tiene sus propias limitaciones. [2] Estas incluyen:
Una única red terrestre de detección de rayos debe ser capaz de detectar un rayo con al menos tres antenas para localizarlo con un margen de error aceptable. Esto suele provocar que se rechacen los rayos de nube a nube, ya que una antena puede detectar la posición del rayo en la nube de origen y la otra antena la de destino. Como resultado, las redes terrestres tienden a subestimar el número de rayos, especialmente al principio de las tormentas, cuando los rayos de nube a nube son frecuentes.
Los sistemas terrestres que utilizan múltiples ubicaciones y métodos de detección de tiempo de vuelo deben tener un dispositivo central para recopilar datos de impacto y tiempo para calcular la ubicación. Además, cada estación de detección debe tener una fuente de tiempo de precisión que se utilice en el cálculo.
Dado que utilizan atenuación en lugar de triangulación, los detectores móviles a veces indican erróneamente un rayo débil cercano como uno fuerte más lejano, o viceversa.
Las redes de rayos basadas en el espacio no sufren ninguna de estas limitaciones, pero la información que proporcionan suele tener varios minutos de antigüedad cuando está ampliamente disponible, lo que hace que su uso sea limitado para aplicaciones en tiempo real como la navegación aérea.
Los detectores de rayos y los radares meteorológicos 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 produzca un rayo, por lo que, en general, el radar meteorológico indicará una tormenta en desarrollo antes que un detector de rayos. No siempre está claro a partir de los primeros retornos si una nube de lluvia se convertirá en una tormenta eléctrica, y el radar meteorológico también sufre a veces un efecto de enmascaramiento por atenuación , donde la precipitación cerca del radar puede ocultar (quizás más intensa) la precipitación más alejada. Los detectores de rayos no sufren un efecto de enmascaramiento y pueden proporcionar confirmación cuando una nube de lluvia se ha convertido en una tormenta eléctrica.
Los rayos también pueden localizarse fuera de la precipitación registrada por el radar. La segunda imagen muestra que esto sucede cuando los rayos se originan en el yunque de la nube de tormenta (la parte superior arrastrada por los vientos superiores por delante de la nube cumulonimbus ) o en el borde exterior del haz 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 aviones de pasajeros de gran tamaño utilicen radares meteorológicos que detectores de rayos, ya que el radar meteorológico puede detectar tormentas más pequeñas que también causan turbulencias; sin embargo, los sistemas de aviónica modernos a menudo también incluyen detección de rayos para mayor seguridad.
Para aeronaves más pequeñas, especialmente en aviación general , hay dos marcas principales de detectores de rayos (a menudo denominados sferics , abreviatura de radio atmosféricos ): Stormscope , producido originalmente por Ryan (más tarde BF Goodrich) y actualmente por L-3 Communications, y Strikefinder , producido por Insight. Strikefinder puede detectar y mostrar correctamente los rayos IC (intracloud) y CG (nube a tierra), además de poder diferenciar entre rayos reales y rebotes de señal reflejados en la ionosfera. Los detectores de rayos son económicos y livianos, lo que los hace atractivos para los propietarios de aeronaves ligeras (en particular, de aeronaves monomotor, donde el morro de la aeronave no está disponible para la instalación de un radomo ).
Detectores de rayos portátiles de calidad profesional
Contador de caída de rayos en el Patio de un Museo
Los detectores de rayos portátiles de bajo coste, así como otros mapeadores de rayos con un solo sensor, como los que se utilizan en los aviones, tienen limitaciones, como la detección de señales falsas y una sensibilidad baja , en particular para los rayos intranube (IC). Los detectores de rayos portátiles de calidad profesional mejoran el rendimiento en estas áreas mediante varias técnicas que se facilitan entre sí, lo que aumenta sus efectos:
Eliminación de señales falsas: una descarga de rayo genera una señal electromagnética de radiofrecuencia (RF) , que se percibe comúnmente 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 que provienen de fuentes distintas a los rayos, lo que genera una falsa alarma. En particular, 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 los encendidos de automóviles, las luces fluorescentes, los televisores, los interruptores de luz, los motores eléctricos y los cables de alto voltaje. Asimismo, los detectores basados en destellos de luz pueden malinterpretar la luz parpadeante generada en el entorno, como los reflejos de las ventanas, la luz solar a través de las hojas de los árboles, los automóviles 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 pulsos de luz se pueden conectar de manera útil en un " circuito de coincidencia " que requiere ambos tipos de señales simultáneamente para producir una salida. [3] Si un sistema de este tipo se apunta hacia una nube y se produce un rayo 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 una descarga de rayo dentro de una nube por la noche, toda la nube parece iluminarse. A la luz del día, estos destellos intranube rara vez son visibles para el ojo humano; sin embargo, los sensores ópticos pueden detectarlos. En las primeras misiones, los astronautas usaban sensores ópticos para detectar rayos en nubes brillantes e iluminadas por el sol muy por debajo. Esta aplicación condujo al desarrollo del detector de rayos portátil de doble señal que utiliza destellos de luz, así como 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 la 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 fuerte a bajas frecuencias. Para minimizar la recepción de ruido de RF, los sensores de baja frecuencia se operan a baja sensibilidad (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 relámpagos intranube (IC), que generalmente son más débiles que los relámpagos CG.
Detección mejorada de rayos intranube: 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 permita 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:
Advertencia temprana: La detección de destellos de IC es importante porque normalmente ocurren de 5 a 30 minutos antes de los destellos de CG [ cita requerida ] y, por lo tanto, pueden proporcionar una advertencia más temprana del desarrollo de tormentas eléctricas [ cita requerida ] , lo que mejora en gran medida la eficacia del detector en aplicaciones de seguridad personal y detección de tormentas en comparación con un detector de CG únicamente [ cita requerida ] . La mayor sensibilidad también proporciona una advertencia de tormentas ya desarrolladas que están más distantes pero que pueden estar moviéndose hacia el usuario. [ cita requerida ]
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 eléctricas más fuertes que producen tornados , ya que dichas tormentas producen tasas de destellos más altas con más radiación de alta frecuencia que las tormentas no tornádicas más débiles. [4] : 248
Predicción de microrráfagas: la detección de destellos de 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 ocurre 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 se transportan 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 toda el agua se convierte, la corriente ascendente colapsa rápidamente al igual que la tasa de rayos. Así, el aumento de la frecuencia de rayos hasta un valor elevado, debido principalmente a descargas de IC, seguido de una rápida caída de la frecuencia, proporciona una señal característica del colapso de la corriente ascendente que arrastra 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 y provocan un enfriamiento atmosférico; asimismo, las gotas de agua se evaporan, lo que también provoca un enfriamiento. Este enfriamiento aumenta la densidad del aire, que es la fuerza impulsora de las microrráfagas. El aire frío en los "frentes de ráfagas" que a menudo se experimentan cerca de las tormentas eléctricas es causado por este mecanismo.
Identificación/seguimiento de tormentas: Algunas tormentas eléctricas, identificadas por 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 CG, por lo que proporcionan una señal más robusta. La densidad relativamente alta (número por unidad de área) de destellos de IC permite que se identifiquen células convectivas al mapear rayos, mientras que los rayos de CG son demasiado pocos y distantes entre sí para identificar células que generalmente tienen alrededor de 5 km de diámetro. En las últimas etapas de una tormenta, la actividad de destellos de CG disminuye y la tormenta puede parecer que ha terminado, pero generalmente todavía hay actividad de IC en las nubes de yunque de cirros residuales de altitud media y más altas, por lo que aún existe el potencial de rayos de CG.
Cuantificación de la intensidad de la tormenta: Otra ventaja de la detección de IC es que la tasa 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 la nube, difícilmente observable en el radar, estaría acompañado de un gran cambio en la tasa de destellos. Por ejemplo, un aumento apenas perceptible del 10% en la altura de la nube (una medida de la gravedad de la tormenta) tendría un cambio del 60% en la tasa total de destellos, que se observa fácilmente. Los "rayos totales" son tanto los destellos de IC generalmente invisibles (a la luz del día) que permanecen dentro de la nube como los destellos de CG generalmente visibles que se pueden ver extendiéndose desde la base de la nube hasta el suelo. Debido a que la mayoría de los rayos totales provienen de destellos de IC, esta capacidad de cuantificar la intensidad de la tormenta ocurre principalmente a través de la detección de descargas de IC. Los detectores de rayos que detectan únicamente energía de baja frecuencia detectan únicamente destellos de IC cercanos, por lo que son relativamente ineficientes 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 un método para identificar nubes con alto potencial de tornados.
Estimación del alcance de los rayos
Cuando se detecta una señal de un rayo de radiofrecuencia en un único 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, utilizando la amplitud para estimar la distancia, un rayo fuerte puede parecer cercano y una señal más débil del mismo rayo (o de un rayo más débil de la misma célula de tormenta) parece estar más lejos. Se puede saber dónde caerá un rayo en un radio de una milla midiendo la ionización en el aire para mejorar la precisión de la predicción.
Para entender este aspecto de la detección de rayos, es necesario saber que un "destello" de un rayo generalmente consta de varios rayos; un número típico de rayos de un rayo CG está en el rango de 3 a 6, pero algunos rayos pueden tener más de 10 rayos. [11] : 18
El rayo inicial deja un camino ionizado desde la nube hasta el suelo y los "rayos 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 rayos individuales varía mucho entre 100 nanosegundos y algunas decenas de microsegundos. Los rayos de un rayo CG se pueden ver 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 staccato individuales para cada rayo, formando un patrón distintivo.
Los detectores de rayos de un solo sensor se han utilizado 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 utilizan 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 los radios de una rueda que se extienden radialmente desde el eje en la dirección general de la fuente del rayo. Los puntos están a diferentes distancias a lo largo de la línea porque los rayos tienen diferentes intensidades. Estas líneas de puntos características en tales pantallas de sensores se denominan "extensión radial". [12]
Estos sensores operan en el rango de frecuencia muy baja (VLF) y baja frecuencia (LF) (por debajo de 300 kHz) que proporciona las señales de rayos más fuertes: las generadas por los rayos 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 IC 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 los reflejos de la ionosfera, por lo que a veces no pueden distinguir la diferencia de distancia entre un rayo que se encuentra a 100 km de distancia y uno que se encuentra a varios cientos de km de distancia. A distancias de varios cientos de km, la señal reflejada (denominada "onda ionosférica") es más fuerte que la señal directa (denominada "onda terrestre"). [13]
La guía de ondas Tierra-ionosfera atrapa las ondas electromagnéticas VLF y ELF . Los pulsos electromagnéticos transmitidos por los rayos se propagan dentro de esa guía de ondas. La guía de ondas es dispersiva, lo que significa que su velocidad de grupo depende de la frecuencia. La diferencia del retardo de tiempo de grupo de un pulso de rayo en frecuencias adyacentes es proporcional a la distancia entre el transmisor y el receptor. Junto con el método de radiogoniometría, esto permite localizar rayos por una sola estación a distancias de hasta 10.000 km de su origen. Además, las frecuencias propias de la guía de ondas Tierra-ionosfera, las resonancias de Schumann
a unos 7,5 Hz, se utilizan para determinar la actividad de tormentas eléctricas globales. [14]
Debido a la dificultad de obtener la distancia a los rayos con un solo sensor, el único método fiable actual para posicionar los rayos 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 rumbos cruzados de diferentes sensores. Varias de estas redes nacionales que operan actualmente en los EE. UU. pueden proporcionar la posición de los destellos CG, pero actualmente no pueden detectar y posicionar de manera fiable los destellos 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 destellos IC. Estos se denominan conjuntos de mapeadores de rayos . 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 detectores de rayos .
Detección de rayos en Vaisala Archivado el 7 de marzo de 2016 en Wayback Machine desde Vaisala
Actividad reciente de rayos en América del Norte según StrikestarUS
