ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΜΑΡΚΟΥ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΥ ΛΩΛΟΥ Α.Μ.: 6568 «ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΣΤΗΝ ΕΥΡΥΤΕΡΗ ΠΕΡΙΟΧΗ ΠΑΤΡΩΝ» Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Ελευθερία Πυργιώτη, Επίκουρη Καθηγήτρια Ν ο 226568/2013 Πάτρα, Φεβρουάριος 2013

ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: "ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΣΤΗΝ ΕΥΡΥΤΕΡΗ ΠΕΡΙΟΧΗ ΠΑΤΡΩΝ" του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΜΑΡΚΟΥ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΥ ΛΩΛΟΥ (Α.Μ. 6568) Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 25/02/2013 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Ελευθερία Πυργιώτη Επίκουρη Καθηγήτρια Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής

Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: 226568/2013 ΤΙΤΛΟΣ: "ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΣΤΗΝ ΕΥΡΥΤΕΡΗ ΠΕΡΙΟΧΗ ΠΑΤΡΩΝ" Φοιτητής: Επιβλέπων: Λώλος Μάρκος του Κωνσταντίνου Δρ.-Μηχ. Ελευθερία Πυργιώτη, Επίκουρη Καθηγήτρια ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την καταμέτρηση της κεραυνικής πυκνότητας στην ευρύτερη περιοχή Πατρών. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε από το Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός είναι η εκτίμηση των αριθμών των εκκενώσεων μεταξύ νέφους και γης ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο και ανά έτος που έπληξαν την ευρύτερη περιοχή της Πάτρας χρησιμοποιώντας κατάλληλα συστήματα μετρητών. Αρχικά επεξηγείται το φαινόμενο του κεραυνού και τα φυσικά του χαρακτηριστικά. Αναλύονται επίσης οι λόγοι για τους οποίους είναι χρήσιμο να γνωρίζουμε τον αριθμό των κεραυνών που έπληξαν μία περιοχή. Στη συνέχεια ορίζεται ο όρος της κεραυνικής πυκνότητας και ποιά είναι η πρακτική του αξία. Παραθέτονται διάφοροι τρόποι με τους οποίους μπορούμε να την υπολογίσουμε θεωρητικά και να την συσχετίσουμε με τον αριθμό των ημερών καταιγίδας μιας περιοχής ανάλογα με τα τοπογραφικά της δεδομένα. Το επόμενο βήμα είναι η μελέτη των συστημάτων με τα οποία μπορεί να εκτιμηθεί πειραματικά ο αριθμός των κεραυνών που έπεσαν εντός κάποιας εμβέλειας. Αναφέρονται επίσης σύγχρονα συστήματα με τα οποία μπορούμε να κάνουμε απευθείας εκτίμηση της κεραυνικής πυκνότητας καθώς και να αντλήσουμε πληροφορία για την φύση των εκκενώσεων που πλήττουν μία περιοχή Τέλος με χρήση ενός παγκόσμιας αποδοχής μετρητή κεραυνών (CIGRE 10 khz) αναλύεται έρευνα η οποία εκπονήθηκε για την εκτίμηση της τιμής της κεραυνικής πυκνότητας στην ευρύτερη περιοχή Πατρών. Σχολιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν μετά από καταμέτρηση χρονικής περιόδου ενάμιση χρόνου, συγκρίνονται με παλαιότερες έρευνες που είχαν εκπονηθεί υπό την αιγίδα του Εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων και γίνεται εξαγωγή συμπερασμάτων. Τα αποτελέσματα της έρευνας έδειξαν ότι η κεραυνική πυκνότητα στην ευρύτερη περιοχή Πατρών κυμαίνεται περί τους 7,9 κεραυνούς ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο ανά έτος. Η τιμή αυτή δεν συμφωνεί με παλαιότερες έρευνες που είχαν δείξει ότι η κεραυνική πυκνότητα στην ευρύτερη περιοχή Πατρών κινείται μεταξύ 3-5 κεραυνών ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο ανά έτος. Για να εκτιμηθεί αν η τιμή που υπολογίστηκε είναι ορθή, αλλά και για να εκτιμηθεί εκ νέου η κεραυνική πυκνότητα στην ευρύτερη περιοχή Πατρών, πρέπει να συνεχιστούν οι καταγραφές για αρκετά χρόνια ακόμα, έτσι ώστε να υπολογιστεί μία πιο σφαιρική εικόνα, καθώς δεν μπορούμε να βασιστούμε στα δεδομένα μόνο μιας μικρής περιόδου για την εξαγωγή γενικών συμπερασμάτων. I

II

ABSTRACT The following project deals with measuring the lightning flash density in the broader area of Patras. This project was carried out by the High Voltage Laboratory of the Department of Electrical and Computer Engineering in the University of Patras. This paper aims to estimate the number of cloud to ground lightning flash charges per square kilometer and per year hitting the broader area of Patras with the use of appropriate measuring systems. At the start an attempt to define and explain the nature of lightning is made. Then follows an analysis of the practical reasons why it helps to know the number of lightning strikes in an area. Next comes a definition of the term lightning density and its practical implications. A variety of methods, with which we can calculate it theoretically and associate it with the number of thunder days in an area in relation to the topographic data of the area, are cited. The next step is to study the systems with which the number of lightning charges striking within a specific range can be assessed. In addition, modern systems with which we can directly estimate lightning density as well as derive information about the nature of the charges an area receives. Finally, with the use of a worldwide accepted lightning flash counter (CIGRE 10 khz), the research conducted to estimate the value of lightning flash density in the broader area of Patras is analyzed. The findings which resulted after measurements for a time span of eighteen months are presented and compared to earlier researches conducted under the auspices of High Voltage Laboratory and in the end some conclusions are presented. The findings of the research indicate that the lightning flash density in the broader area of the city comes up to 7,9 charges per km 2 per year. This value is not in accordance with earlier researches showing that the lightning density in the broader area of Patras ranges from 3 to 5 charges per km 2 per year. In order to assess the validity of the findings, as well as to reassess the lightning density in the broader area of Patras, more measurements must be recorded for more years to come so that a better, more rounded image can be presented before we safely come to conclusions. III

IV

Ευχαριστίες Ευχαριστώ θερμά την καθηγήτριά μου και επιβλέπουσα της διπλωματικής εργασίας μου κ. Ελευθερία Πυργιώτη για την καθοδήγησή και τις συμβουλές όσον αφορά την εκπόνηση της παρούσας εργασίας. Η διπλωματική αυτή δεν θα είχε ολοκληρωθεί χωρίς τις γνώσεις και τις τεχνικές ικανότητες του κ. Κωνσταντίνου Πέτρου, μέλος Ειδικού Τεχνικού Εργαστηριακού Προσωπικού, τον οποίο θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω θερμά. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένειά μου και τους φίλους μου για την στήριξή τους κατά την διάρκεια των φοιτητικών μου χρόνων, αλλά ειδικότερα την αδελφή μου Χριστίνα Λώλου και τον ξάδελφο μου Στέφανο Μητσιόπουλο, οι οποίοι βοήθησαν και στην εκπόνηση της παρούσας εργασίας. V

VI

ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΤΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ 1.1. ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΓΗΣ ΚΑΙ ΝΕΦΟΥΣ 1.1.1 Ηλεκτρική κατάσταση γης 1.1.2 Ηλεκτρική κατάσταση σύννεφου 1.2. Ο ΚΕΡΑΥΝΟΣ 1.2.1. Ορισμός 1.2.2. Οριμοί μεγεθών κεραυνού 1.2.3. Είδη κεραυνών 1.3. ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΕΚΚΕΝΩΣΕΩΝ 1.3.1. Έναρξη της εκκένωσης του κεραυνού 1.3.2. Η φάση του οχετού επιστροφής 1.3.3. Συνδετικός οχετός διάσπασης 1.3.4. Ρεύμα κεραυνού και σχετικοί παράμετροι 1.4. ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΚΕΡΑΥΝΙΚΟΥ ΠΛΗΓΜΑΤΟΣ 1.4.1. Θερμικές επιπτώσεις 1.4.2. Μηχανικές επιπτώσεις 1.4.3. Ηλεκτρικές επιπτώσεις 1.4.4. Άλλες επιπτώσεις 1 1 2 4 4 5 5 9 9 10 11 14 16 16 18 19 19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ 2.1. ΟΡΙΣΜΟΣ 2.2. ΤΡΟΠΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΙΣΟΚΕΡΑΥΝΙΚΟΙ ΧΑΡΤΕΣ 2.2.1. Ισοκεραυνικοί χάρτες 2.2.2. Σχέση μεταξύ T και Ng 23 23 23 28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ 3.1. ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ 3.2. ΜΕΤΡΗΤΕΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ 3.2.1. Μετρητής CIGRE 10kHz 3.2.2. Μετρητής CGR4 3.3. ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑΣ (LLS: LIGHTNING LOCATION SYSTEMS) 3.3.1. Εισαγωγή 31 32 32 40 48 48

3.3.2. Σύστημα Ανίχνευσης Κατεύθυνσης Μαγνητικού Πεδίου 3.3.3. Σύστημα Εκτίμησης Χρόνου Άφιξης 3.3.4. Συστήματα IMPACT (MDF&TOA) 3.3.5. Ταξινόμηση του τύπου των εκκενώσεων 3.3.6. Ομαδοποίηση πολλαπλών εκκενώσεων νέφους-γής σε κεραυνούς 3.4. ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ LIS 3.4.1. Αισθητήρας Απεικόνισης Ατμοσφαιρικών Εκκενώσεων (LIS) 48 51 53 53 54 56 56 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΜΕΤΡΗΤΗ CIGRE 10 khz 4.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 4.2. ΕΝΕΡΓΟΣ ΑΚΤΙΝΑ ΔΡΑΣΗΣ 4.3. ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ 61 62 63 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ, ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 5.1. ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΘΕΣΗ ΜΕΤΡΗΤΩΝ 5.2. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ 5.3. ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΗΜΕΡΩΝ ΚΑΤΑΙΓΙΔΑΣ ΓΝΩΡΙΖΟΝΤΑΣ ΤΟ Ng 5.4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 65 69 72 74 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 79 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 81

O ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΤΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Ο ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΤΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ 1.1 ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΓΗΣ ΚΑΙ ΣΥΝΝΕΦΟΥ 1.1.1 Ηλεκτρική κατάσταση γης [1] [2] Η γη εμφανίζεται μόνιμα φορτισμένη με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο της τάξης των 5x10 5 C. Το φορτίο αυτό προκαλεί στην επιφάνεια της γης, υπό συνθήκες καλοκαιρίας, ηλεκτρικό πεδίο με την κατεύθυνση από την ατμόσφαιρα προς την γη με ένταση περίπου 0.13 kv/m. Ισοδύναμη ποσότητα θετικού φορτίου παραμένει κατανεμημένη στην ατμόσφαιρα με μεγαλύτερη πυκνότητα στα χαμηλότερα στρώματα. Η παρουσία του κατανεμημένου θετικού φορτίου έχει σαν αποτέλεσμα την προοδευτική μείωση του πεδίου της γης με το ύψος. Εξαιτίας αυτού του κατακόρυφου πεδίου η γη βρίσκεται συνεχώς σε τάση 300 kv σε σχέση με τα ανώτερα τμήματα της ατμόσφαιρας. Είναι γνωστό πως ιονισμένα σωματίδια και των δύο πρόσημων που παράγονται από κοσμική ακτινοβολία, γήινη ραδιενέργεια και από άλλες αιτίες προσδίδουν στον αέρα ορισμένη αγωγιμότητα. Εξ αιτίας αυτής της αγωγιμότητας και του ηλεκτρικού πεδίου της ατμόσφαιρας, ιόντα και των δύο πρόσημων κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Αυτό θα είχε σαν αποτέλεσμα την εξομάλυνση του γήινου πεδίου και κατά συνέπεια την εκφόρτιση της γης. Το γεγονός ότι αυτό δεν συμβαίνει οφείλεται στο ότι η γη δέχεται ταυτόχρονα αρνητικό φορτίο ισοδύναμο μ αυτό του ρεύματος των θετικών ιόντων. Πιστεύεται πως η κύρια αιτία (πηγή) που τροφοδοτεί τη γη με αρνητικό φορτίο είναι τα ηλεκτρισμένα σύννεφα και οι κεραυνοί. 1

O ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΤΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Η πιο συνηθισμένη ηλεκτρική εικόνα ενός σύννεφου, είναι ένα ηλεκτρικό δίπολο με θετικό στην κορυφή του και αρνητικό στην προς την γη πλευρά του, χωρίς όμως αυτό να αποτελεί γενικό κανόνα. 1.1.2 Ηλεκτρική κατάσταση σύννεφου [1] [2] Για τον τρόπο συγκέντρωσης του ηλεκτρικού φορτίου στα σύννεφα έχουν διατυπωθεί διάφορες θεωρίες, χωρίς καμία να είναι γενικά παραδεκτή. Οι θεωρίες αυτές μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες. Σε αυτές που βασίζονται στην φόρτιση σταγονιδίων του νέφους που συμβαίνει μόλις αρχίσει η πτώση τους προς τη γη και σε αυτές που βασίζονται στη μεταφορά φορτίων σε ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, με ανοδικά ρεύματα που οφείλονται σε θερμοκρασιακές διαφορές. Το ηλεκτρικό πεδίο ενός σύννεφου με την ηλεκτρική εικόνα που περιγράφτηκε, διαταράσσει το ομαλό πεδίο καλοκαιρίας με αποτέλεσμα να προκαλεί την αναστροφή του, έτσι αναστρέφεται και η φορά του ρεύματος καλοκαιρίας που ρέει προς τη γη. Η σταθερά χρόνου αύξησης του ηλεκτρικού πεδίου ενός σύννεφου είναι περίπου 2 λεπτά, που σημαίνει πως το σύννεφο περνά από την ουδέτερη στην ηλεκτρισμένη κατάσταση σε λίγα μόνο λεπτά. Με το σχηματισμό ενός ηλεκτρισμένου νέφους το ηλεκτρικό πεδίο καλοκαιρίας, αφού πρώτα αναστραφεί αποκτά με την κατεύθυνση της κακοκαιρίας (από τη γη προς την ατμόσφαιρα), τιμές που φθάνουν τα 10 kv/m. Το πεδίο αυτό διαταράσσεται στιγμιαία με κάθε εκκένωση κεραυνού ή εσωτερική του νέφους, στη συνέχεια όμως αποκαθίσταται πάλι στην προηγούμενη τιμή του. Το Σχήμα 1.1 δείχνει ένα τυπικό παλμογράφημα του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια της γης κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας. Όταν το πεδίο που προκαλείται στην επιφάνεια της γης, από την παρουσία ενός ηλεκτρισμένου σύννεφου γίνει αρκετά μεγάλο (μεγαλύτερο από 1,5 έως 2 kv/m) αρχίζει ιονισμός από κρούσεις σε αιχμηρές προεξοχές του εδάφους, 2

O ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΤΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ όπως πολύ ψηλά κτίρια, απαγωγείς κεραυνών κλπ. και θετικά ιόντα μεταφέρονται από τη γη διαμέσου του αγωγού, στην ατμόσφαιρα. Το ηλεκτρικό ρεύμα που δημιουργείται ονομάζεται ρεύμα ιονισμού της προεξοχής (point - discharge current). Αυτό το ρεύμα όπως και τα φορτία χώρου που δημιουργούνται παίζουν σημαντικό ρόλο στην εκκένωση του κεραυνού, ιδιαίτερα στα τελευταία στάδια εξέλιξής του. Σχήμα 1.1: Παλμογράφημα του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια της γης κατά τη διάρκεια κατιγίδας. Οι θετικές τιμές αντιστοιχούν στην κατεύθυνση του πεδίου καλοκαιρίας. [1] Πάντως πρέπει να σημειωθεί πως η ταχύτητα αυτών των ιόντων είναι μικρή, συγκρινόμενη με αυτή του ανέμου, κατά την διάρκεια της καταιγίδας και έτσι η κίνησή τους καθορίζεται κυρίως από την ταχύτητα του ανέμου, έτσι ώστε 3

O ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΤΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ πολλά από τα ιόντα αυτά να διασκορπίζονται στην ατμόσφαιρα. Επομένως η τιμή του ρεύματος είναι συνάρτηση του μεγέθους του ηλεκτρικού πεδίου, του ύψους του αγωγού (αγώγιμου επιφανείας, ενός βρεγμένου κτιρίου, δένδρου κλπ.) από το οποίο παράγεται, και από την ταχύτητα του ανέμου. Ενδεικτικά αναφέρεται πως για αγωγούς ύψους μερικών δεκάδων μέτρων η τιμή του είναι λίγα μα, ενώ σε ορεινές περιοχές όπου τα σύννεφα είναι πιο πυκνά μερικά ma. Στο Σχήμα 1.1 φαίνεται επίσης πως εκκενώσεις στο σύννεφο και προς τη γη μπορούν να παρατηρηθούν, όταν η ένταση του πεδίου στην επιφάνεια αποκτά τιμές της τάξης των 3 kv/m και πάνω. Πρέπει εδώ να σημειωθεί πως όλα τα σύννεφα δεν προκαλούν ηλεκτρικές εκκενώσεις, έστω κι αν παρουσιάζουν συνθήκες φόρτισης. 1.2. Ο ΚΕΡΑΥΝΟΣ 1.2.1 Ορισμός [1] [2] Ο κεραυνός είναι ένα ατμοσφαιρικό ηλεκτρικό φαινόμενο και πιο συγκεκριμένα ένας μεγάλου μήκους ηλεκτρικός σπινθήρας. Ο κεραυνός είναι μια ηλεκτρική εκκένωση ατμοσφαιρικής προέλευσης απλή ή πολλαπλή μεταξύ νέφους και γης. Κεραυνοί είναι δυνατόν να λάβουν χώρα μεταξύ των σύννεφων αλλά και εντός των σύννεφων. Οι κεραυνοί προκαλούνται από την ύπαρξη ηλεκτρικών φορτίων που εμφανίζονται μέσα στα σύννεφα κατά τη διάρκεια καταιγίδων. Καταιγίδες υπάρχουν 2 ειδών : Οι θερμικές (συνηθέστερες στα θερμά κλίματα). Αυτές που δημιουργούνται από εισβολή ψυχρού ανέμου μέσα σ ένα όγκο θερμού και υγρού αέρα. 4

O ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΤΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ 1.2.2 Ορισμοί μεγεθών κεραυνού [1] [2] Πιο κάτω δίνονται μερικοί ορισμοί για τις διάφορες παραμέτρους του κεραυνού που συμφωνούν με αυτούς που έχουν υιοθετηθεί από τον Κ. Berger. Πολικότητα κεραυνού. Η εκκένωση ενός "αρνητικού νέφους" προς τη γη γίνεται με ένα "αρνητικό κεραυνό" και ενός θετικού νέφους μ' ένα "θετικό κεραυνό". Πολικότητα του ρεύματος του κεραυνού. Κατά την εκκένωση ενός "αρνητικού νέφους" ρέει προς τη γη ένα "αρνητικό ρεύμα" και αντίθετα. Πολικότητα του οχετού προεκκένωσης. Η πολικότητα ενός οχετού προεκκένωσης ταυτίζεται με την πολικότητα του φορτίου της θέσης από την οποία ξεκινά. Έτσι από ένα θετικό σύννεφο, ξεκινά ένας "θετικός οχετός προεκκένωσης" και αντίθετα. Από μία προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο ξεκινά ένας "αρνητικός οχετός προεκκένωσης". Πολικότητα του ηλεκτρικού πεδίου. Το ηλεκτρικό πεδίο κάτω από ένα "αρνητικό σύννεφο" ορίζεται σαν "αρνητικό" και το αντίθετο. Σύμφωνα μ' αυτό τον ορισμό, το πεδίο καλοκαιρίας του εδάφους έχει "θετική κατεύθυνση". 1.2.3 Είδη κεραυνών [1] [2] Ο κεραυνός ξεκινά από σημεία υψηλής πεδιακής έντασης. Δύο ετερόσημα φορτία μέσα στο ίδιο σύννεφο ή δύο γειτονικά σύννεφα δημιουργούν στο διάστημα που παρεμβάλλεται μεταξύ τους υψηλές πεδιακές εντάσεις που μπορούν να προκαλέσουν μία εκκένωση εσωτερική του νέφους, ή ανάμεσα σε δύο σύννεφα. Συγκέντρωση φορτίου ενός πρόσημου σε μία θέση του νέφους και το φορτίο αντίθετου πρόσημου, που επάγεται εξαιτίας του, στο έδαφος, δημιουργούν ανάμεσα στο νέφος και το έδαφος μία ζώνη αυξημένων πεδιακών εντάσεων. Οι υψηλότερες εντάσεις μέσα στη ζώνη αυτή μπορεί να 5

O ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΤΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ αναπτύσσονται είτε κοντά στο νέφος είτε σε περίπτωση που το έδαφος παρουσιάζει μία σημαντική προεξοχή στην πλευρά του εδάφους. Στην πρώτη περίπτωση, η ενδεχόμενη εκκένωση που θα επακολουθήσει θα αρχίσει από το νέφος (με ένα κατερχόμενο οχετό προεκκένωσης) ενώ στη δεύτερη από το έδαφος (με έναν ανερχόμενο οχετό προεκκένωσης). Έτσι διακρίνονται τέσσερις περιπτώσεις έναρξης του οχετού προεκκένωσης του κεραυνού Σχ.1.2 (1α - 4α). Περίπτωση 1α: "Κατερχόμενος αρνητικός οχετός" προεκκένωσης που αρχίζει από ένα αρνητικό σύννεφο. Περίπτωση 2α: "ανερχόμενος θετικός οχετός" προεκκένωσης που αρχίζει από μία προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο. Περίπτωση 3α: "κατερχόμενος θετικός οχετός" προεκκένωσης που αρχίζει από ένα θετικό σύννεφο. Περίπτωση 4α: "ανερχόμενος αρνητικός οχετός" προεκκένωσης που αρχίζει από μία προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο. Αν ο οχετός προεκκένωσης που αναπτύσσεται με έναν από τους τέσσερις πιο πάνω τρόπους γεφυρώσει ολόκληρο το διάκενο σύννεφο-γη, επακολουθεί ο οχετός επιστροφής και έτσι ολοκληρώνεται ένας από τους τέσσερις τύπους κεραυνού που εικονίζεται στο κατώτερο μέρος του Σχ.1.2 στους οποίους δίνονται οι πιο κάτω ορισμοί. Περίπτωση 1β: "κατερχόμενη αρνητική εκκένωση" πηγάζει από ένα αρνητικό σύννεφο με ένα κατερχόμενο οχετό προεκκένωσης και αποτελεί τον πιο συνηθισμένο τύπο κεραυνού που παρατηρείται στα 90% περίπου των περιπτώσεων. 6

O ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΤΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Περίπτωση 2β: "ανερχόμενος θετικός οχετός/αρνητική εκκένωση" πηγάζει από μία προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο. Περίπτωση 3β:"κατερχόμενη θετική εκκένωση" πηγάζει από ένα θετικό σύννεφο (πολύ σπάνια περίπτωση). Περίπτωση 4β: "ανερχόμενος αρνητικός οχετός/θετική εκκένωση" πηγάζει από μία προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο. Σχήμα 1.2: Είδη κεραυνών:"α" ανάπτυξη οχετού προεκκένωσης,"β" συμπλήρωση του αντίστοιχου είδους κεραυνού με οχετό επιστροφής.1:οχετός προεκκένωσης,r:οχετός επιστροφής,ν:κατεύθυνση μετάδοσης. [1] Από τους πιο πάνω τύπους, ο 4β που πρώτοπαρατηρήθηκε στο σταθμό του San Salvatore και μελετήθηκε από τον Κ. Βerger, αποτελεί τον ισχυρότερο τύπο κεραυνού που συνοδεύεται από τις μεγαλύτερες εντάσεις ρεύματος που έχουν καταγραφεί. Φαίνεται πως σε όλες τις υπερυψώσεις του εδάφους ο τύπος 4β αντικαθιστά τον 3β και γι αυτό ο τύπος 3β είναι γενικά σπάνιος. Κατά τον K.Berger οι κεραυνοί αυτοί εμφανίζονται μία μόνο φορά στο τέλος της καταιγίδας. Η πιο πάνω εικόνα των κεραυνών είναι απλοποιημένη. Στην πραγματικότητα, πριν ο οχετός προεκκένωσης συναντήσει το έδαφος (ή το νέφος) ένας αντίθετος 7

O ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΤΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ οχετός αναπτύσσεται από την αντίθετη πλευρά που έρχεται να προϋπαντήσει τον κύριο οχετό προεκκένωσης. Εικόνα 1.1: Εκκενώσεις νέφους, Victoria, Australia, 2008 [5] Εικόνα 1.2: Εκκενώσεις νέφους-γης, Atlanta [4] 8

O ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΤΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ 1.3 Ο ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΤΙΚΩΝ ΕΚΚΕΝΩΣΕΩΝ 1.3.1 Έναρξη της εκκένωσης του κεραυνού [1] [2] Σε περιοχές του νέφους με μεγάλη πυκνότητα φορτίου, η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου μπορεί να πάρει αρκετά μεγάλες τιμές. Οι ψηλές εντάσεις συνδυαζόμενες με την μικρή πυκνότητα του αέρα (λόγω του ύψους) και μερικούς άλλους παράγοντες που προκαλούν πρόσθετη τοπική ενίσχυση του ηλεκτρικού πεδίου, μπορούν να προκαλέσουν έναρξη ιονισμού των μορίων του αέρα από κρούσεις ηλεκτρονίων. Ο ιονισμός αυτός αποτελεί το πρώτο βήμα για την έναρξη μιας ηλεκτρικής εκκένωσης. Το επόμενο βήμα είναι ο σχηματισμός ενός οχετού ο οποίος ακολουθεί (με μεγάλες όμως αποκλίσεις) τις γραμμές του ηλεκτρικού πεδίου. Όπως ειπώθηκε και προηγουμένως η εικόνα που δόθηκε για το σύννεφο είναι πολύ γενική, το ίδιο σύννεφο μπορεί να περιέχει θύλακες ετεροσήμων φορτίων έτσι είναι δυνατόν η περιοχή μεγίστων εντάσεων του ηλεκτρικού πεδίου να κατευθύνεται προς κάποιο άλλο θύλακα ετερόσημου φορτίου ή ακόμα και προς κάποια περιοχή ενός γειτονικού νέφους με επίσης ετερόσημο φορτίο. Ένας οχετός ακολουθώντας αυτή την κατεύθυνση θα προκαλέσει ηλεκτρική σύνδεση και αλληλεξουδετέρωση των δύο ετερόσημων φορτίων. Η εξουδετέρωση αυτή συνοδεύεται από έντονη λάμψη (αστραπή) και δυνατό θόρυβο (βροντή) οι συνέπειες της όμως στο έδαφος περιορίζονται σε μία παροδική διαταραχή του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου που μπορεί να γίνει αισθητή σε δέκτες ραδιοφώνου και τηλεοράσεως, τηλεπικοινωνίες κλπ. Αν οι γραμμές μέγιστης πεδιακής έντασης κατευθύνονται προς το έδαφος ο οχετός θα κατευθυνθεί προς αυτό. Ο μηχανισμός με τον οποίο προχωρά ο οχετός αυτός που ονομάζεται "οχετός προεκκένωσης" έχει διερευνηθεί αρκετά καλά τόσο από άμεσες παρατηρήσεις κεραυνών όσο και στο εργαστήριο. Η πρόοδος του πραγματοποιείται όπως ειπώθηκε με διαδοχικά βήματα, με μήκος το καθένα μερικά μέτρα ή δεκάδες μέτρα. Η μέση ταχύτητα 9

O ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΤΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ προόδου του οχετού προεκκένωσης είναι τα 0.15 m/μs (μέτρα ανά μικροδευτερόλεπτο). Η ταχύτητα αυτή όσον κι αν φαίνεται τεράστια είναι μικρή σε σύγκριση με την ταχύτητα μετάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων (και του φωτός) στο κενό που είναι τα 300 m/μs. 1.3.2 Η φάση του οχετού επιστροφής [1] [2] Η διαμήκης πτώση τάσης κατά μήκος του οχετού (πριν αυτός συναντήσει το έδαφος) ποικίλει στις διάφορες θέσεις του (μικρότερη προς το σημείο έναρξης του οχετού), η μέση τιμή της όμως είναι μικρότερη από 0.1 kv/cm. Έτσι ο οχετός προεκκένωσης εμφανίζεται, περίπου σαν μία μεταλλική προεξοχή που επεκτείνεται από το σύννεφο προς το έδαφος. Η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου γύρω από τον οχετό προεκκένωσης και ιδίως στο προς το έδαφος άκρο του είναι μεγάλη και υπερβαίνει κατά πολύ την πεδιακή ένταση που απαιτείται για ιονισμό από κρούσεις (30 kv/cm). Γι αυτό το λόγο, ο οχετός περιβάλλεται διαρκώς από ένα μανδύα κορώνα που εκτείνεται μερικά μέτρα γύρω από αυτόν. Το πάχος του μανδύα αυτού είναι μεγαλύτερο στο προς το έδαφος άκρο του οχετού και αυξάνει, όσο η κεφαλή του οχετού πλησιάζει το έδαφος. Όταν η κεφαλή του οχετού φτάσει σε μία απόσταση από το έδαφος τέτοια που η μέση πεδιακή ένταση να είναι περί τα 5 kv/cm, το τελευταίο αυτό μήκος γεφυρώνεται ολόκληρο από κορώνα και μετατρέπεται ταχύτατα (20-30 μs) επίσης σε οχετό. Με αυτό το τελευταίο βήμα, που ορίζεται σαν το "τελικό πήδημα", το φορτίο της περιοχής του νέφους από όπου άρχισε ο οχετός προεκκένωσης βρίσκεται, μέσω του οχετού προεκκένωσης, ημιαγώγιμα συνδεδεμένο με το έδαφος. Μέσα από την ημιαγώγιμη αυτή σύνδεση εκκενώνεται το φορτίο του νέφους με ένα μεγάλο ρεύμα (πολλές δεκάδες ή εκατοντάδες ka). Από το ρεύμα αυτό ο οχετός προεκκένωσης θερμαίνεται και αποκτά πολύ μεγαλύτερη λαμπρότητα (Σχ.1.3). Η θέρμανση του οχετού προεκκένωσης αρχίζει από το άκρο που αυτός συναντά το έδαφος και προχωραεί προς το σημείο εκκίνησης του με ταχύτητα 10

O ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΤΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ μερικά δέκατα της ταχύτητας του φωτός, δηλαδή πολύ μεγαλύτερη από αυτή με την οποία προχωρεί ο οχετός προεκκένωσης. Η φάση αυτή με την οποία συμπληρώνεται η εκκένωση ονομάζεται "οχετός επιστροφής" και η εκκένωση του σύννεφου προς τη γη "κεραυνός". Σχήμα 1.3: Τα βήματα σχήματισμού του οχετού επιστροφής. Διακρίνεται το κανάλι προεκκένωσης και ο σχηματισμός κορώνα γύρω από αυτό. [2] 1.3.3 Συνδετικός οχετός, απόσταση διάσπασης [1] [2] Η πιο πάνω περιγραφή του κεραυνού είναι εξιδανικευμένη και αφορά την περίπτωση που ένα σύννεφο βρίσκεται πάνω από ένα απόλυτα επίπεδο έδαφος ή μία επιφάνεια ήρεμου ύδατος. Αν ένα ηλεκτρισμένο σύννεφο βρεθεί πάνω από μία πολύ υψηλή και σχετικά αιχμηρή προεξοχή του εδάφους (πάνω από 100 ή 150 m) η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου στο άκρο της προεξοχής αυτής μπορεί να γίνει, εξ επαγωγής, τόσο μεγάλη ώστε ο οχετός προεκκένωσης να αρχίσει από το άκρο της προεξοχής και να κατευθυνθεί προς το σύννεφο. 11

O ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΤΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Προκύπτει έτσι ένας "ανερχόμενος" οχετός προεκκένωσης. Αν οι προεξοχές του εδάφους έχουν σχετικά μικρό ύψος, μερικά μέτρα ή δεκάδες μέτρα, η ενίσχυση του ηλεκτρικού πεδίου στο άκρο τους που προκαλείται από την απλή παρουσία του νέφους πάνω από το έδαφος, δεν είναι αρκετή να αρχίσει οχετός προεκκένωσης απ' αυτές. Ο κατερχόμενος όμως οχετός προεκκένωσης, καθώς πλησιάζει το έδαφος, επάγει ένα ηλεκτρικό πεδίο. Η ένταση του επαγόμενου πεδίου είναι μεγαλύτερη σε προεξοχές του εδάφους. Όταν στο άκρο μιας απ αυτές τις προεξοχές η ένταση ενισχυθεί αρκετά, θα αρχίσει απ' αυτή ένας ανερχόμενος οχετός προεκκένωσης (συνδετικός οχετός) που θα κατευθυνθεί προς την κεφαλή του κατερχόμενου οχετού προεκκένωσης. Με την συνάντηση των δύο οχετών συμπληρώνεται η ημιαγώγιμη σύνδεση νέφους-εδάφους και επακολουθεί ο οχετός επιστροφής με τον οποίο συμπληρώνεται ο κεραυνός. Μια τέτοια λοιπόν προεξοχή δημιουργεί ένα "σημείο προτίμησης" για την περάτωση του οχετού προεκκένωσης. Σ' αυτήν ακριβώς την αρχή στηρίζεται η προστασία μιας περιοχής με την γειωμένη μεταλλική ράβδο του αλεξικέραυνου του Franklin. Από τα πιο πάνω γίνεται φανερό πως το "σημείο προτίμησης" για την περάτωση του κεραυνού αποφασίζεται μόνο την τελευταία στιγμή, όταν δηλαδή ο οχετός προεκκένωσης πλησιάζει σε τέτοια απόσταση από το έδαφος ώστε να υπάρξουν συνθήκες σύνδεσης του κατερχόμενου οχετού με κάποιο σημείο του εδάφους. Οι συνθήκες σύνδεσης πληρούνται όταν η μέση πεδιακή ένταση ανάμεσα στην κεφαλή του κατερχόμενου οχετού και του ''σημείου προτίμησης" πέσει στα 5 kv/cm (με την προϋπόθεση πως ο οχετός προεκκένωσης ξεκινά από περιοχή αρνητικού φορτίου). Η απόσταση στην οποία η πεδιακή ένταση πέφτει στην πιο πάνω τιμή ονομάζεται "απόσταση διάσπασης" (Α.Δ) (striking distance) και προφανώς εξαρτάται από την τάση που παρουσιάζει η κεφαλή του κατερχόμενου οχετού προεκκένωσης προς το έδαφος. Η τάση αυτή εξαρτάται με τη σειρά της από το μέγεθος του φορτίου του θύλακα του νέφους από τον οποίο ξεκινά ο οχετός προεκκένωσης. Όσο μεγαλύτερο το φορτίο αυτό τόσο μεγαλύτερη η απόσταση διάσπασης. Οι 12

O ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΤΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ συνήθεις τιμές της απόστασης διάσπασης ποικίλουν από μερικές δεκάδες μέχρι 150 ή και 200 m. Η Α.Δ. συνδέεται με το ρεύμα με τις σχέσεις: r s =6.7I 0 0.8, r s =8I 0 0.65 Αυτό το σημείο μας αποκαλύπτει και την αρχή της λειτουργίας των συστημάτων προστασίας από κεραυνούς. Έτσι σύμφωνα με τους πιο πάνω συλλογισμούς, αν ένα κτίσμα είναι εφοδιασμένο με μεταλλικές γειωμένες προεξοχές για τις οποίες η απόσταση διάσπασης προκύπτει πριν από οποιοδήποτε άλλο σημείο του κτίσματος, οι κεραυνοί θα περατώνονται κατά προτίμηση στις προεξοχές αυτές και θα διοχετεύονται στο έδαφος χωρίς να προξενούν ζημιά. Η αρχική εκκένωση του κεραυνού ακολουθείται από επόμενες εκκενώσεις όπως φαίνεται και στο Σχ.1.3. Οι εκκενώσεις αυτές διαδέχονται η μία την άλλη σε μικρά χρονικά διαστήματα και η κάθε μία περιλαμβάνει δικό της συνδετικό οχετό και οχετό επιστροφής. Συνήθως οι διαδοχικές αυτές εκκενώσεις ακολουθούν την ίδια όδευση που χαράζει η αρχική εκκένωση χωρίς όμως να αποκλείεται και το αντίθετο. Έχει γενικά παρατηρηθεί πως πολλαπλές εκκενώσεις παρουσιάζουν συνήθως οι κατερχόμενοι αρνητικοί κεραυνοί που αποτελούν και το μεγαλύτερο ποσοστό των κεραυνών, ενώ οι πολλαπλοί θετικοί κεραυνοί είναι σπανιότατοι. 13

O ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΤΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Σχήμα 1.3: Δημιουργία ενός πολλαπλού κεραυνού, όπως φαίνεται από μια φωτογραφικά μηχανή κινούμενη προς τα δεξιά [2] 1.3.4 Ρεύμα του κεραυνού και σχετικοί παράμετροι [1] [2] Το μέγεθος της καταπόνησης που θα υποστεί ένα αντικείμενο (όπως ένα αεροπλάνο, ένα κτίριο ή μια γραμμή μεταφοράς) εξαρτάται απο το ρεύμα που θα εκφορτιστεί μέσω του αντικειμένου. Έτσι το ρεύμα θεωρείται η πιο σημαντική παράμετρος μιας εκκένωσης. Μέσω του οχετού επιστροφής διέρχεται το κύριο ρεύμα που συνοδεύει μια εκκένωση. Το ηλεκρικό φορτίο του κατερχόμενου οχετού εξουδετερώνεται απο το αντίστοιχο ετερόσημο φορτίο της γής, μέσω του αγωγού προεκκένωσης που έχει συνδέσει το σύννεφο με την γη. Το ρεύμα που δημιουργείται εξαρτάται από το μέγεθος του φορτίου του νέφους καθώς και από την ταχύτητα εκφόρτισης του οχετού επιστροφής. Για την μέτρηση αυτών των ρευμάτων έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι. Οι παλαιότερες βασίζονται στις θερμικές και μηχανικές επιπτώσεις (τήξη μετάλλων, ίχνη σε μεταλλικές επιφάνειες, σύσφιξη σωλήνα) που προκαλεί ένα κεραυνικό πληγμα. Μπορούμε έτσι να κάνουμε εκτιμήσεις για την ενέργεια 14

O ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΤΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ενός κεραυνού ή για το εύρος του ρευματος του. Ένας άλλος τρόπος είναι μέσω μαγνητικής ζεύξης. Η μέθοδος αυτή βασίζεται στο μαγνητικό πεδίο που δημιουργεί το ρεύμα του κεραυνού γύρω απο έναν αγωγό. Αν τοποθετηθεί ένα μαγνητικό υλικό με μεγάλη υστερηση κοντά στον αγωγό, τότε μπορούν να παρθούν σχετικές μετρήσεις. Όμως αυτές οι μέθοδοι δεν έιναι ιδαίτερα ακριβείς, διότι δεν μπορούν να μετρήσουν όλες τις περιοχες που εκτείνεται το ρεύμα του κεραυνού όπως επίσης δεν γίνεται διάκριση ανάμεσα στο ρεύμα διαφόρων εκκενώσεων ενός πολλαπλού κεραυνού. Ο πιο σύγχρονος τρόπος είναι μέσω παλμογράφου, που έχει ομως δύο μειονέκτηματα. Το φαινόμενο έιναι σπάνιο και επομένως δύσκολο να ληφθούν παλμογραφήματα καθώς επίσης είναι αρκετά δαπανηρό. Παρακάτω φαίνονται παλμογραφήματα πολλαπλού αρνητικού και θετικού κεραυνού. Σχήμα14: Παλμογραφήματα του ρεύματος ενός πολλαπλού αρνητικού κεραυνού(α), και ενός θετικού(β). [2] Από τα παλμογραφήματα βγαίνουν μερικά συμπεράσματα. Τό ρεύμα της πρώτης εκκένωσης του αρνητικού κεραυνού φθάνει στην μέγιστη τιμή σε 10-15μs και η ουρά του φθάνει στο 20% της μέγιστης τιμής μετά απο 200-300μs. 15

O ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΤΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Οι ακόλουθες εκκενώσεις φθάνουν στη μέγιστη τιμή σε 1-2μs, η ουρά όμως είναι παρόμοια με της πρώτης. Οι θετικοί κεραυνοί παρουσιαζουν συχνά ψηλότερες τιμές ρεύματος. Η διάρκεια μετώπου τους φαίνεται να διαρκεί 20-50μs, ενώ η ουρά περί τα 1000μs. Επιπλέον πολυ σημαντική παράμετρος φαίνεται να είναι η διάρκεια ροής. Όσο μεγαλύτερη η διάρκεια τόσο μεγαλύτερη και η ενέργεια που συσσωρεύεται (κατα συνέπεια και η θερμότητα αφού είναι ανάλογη του i 2 dt). Οι κεραυνοί με μεγαλύτερη διάρκεια ονομάζονται θερμοί ακόμη και αν η ένταση τους δεν είναι πολυ ψηλή. Αυτοί είναι πιο επικίνδυνοι σε περίπτωση πυρκαϊάς, ενώ οι μικρότερης διάρκειας έιναι πιο επικίνδυνοι για τα ηλεκτρικά συστήματα. 1.4 ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΚΕΡΑΥΝΙΚΟΥ ΠΛΗΓΜΑΤΟΣ 1.4.1 Θερμικές επιπτώσεις [1] [2] Ο οχετός προεκκένωσης αποτελείται από στενό κεντρικό πηρύνα περιβαλλόμενο από ένα μεγαλύτερο σχηματισμό κορώνα. Το ρεύμα που ρέει μέσα από τον οχετό επιστροφής είναι συγκεντρωμένο κατά το μεγαλυτερό του μέρος στον πυρήνα του οχετού, ο οποίος έχει διάμετρος 1-2 εκατοστά και θερμοκρασία κοντά στους 30.000 K. Από αυτή τη θερμοκρασία προκαλείται ατμοποίηση υδρατμών και κατά συνέπεια τοπικά αραιώματα και πυκνώματα. Δημιουργείται δηλαδή ένα ηχητικό κύμα το οποίο αν και στην αρχή βρίσκεται στην περιοχή των υπερήχων εν τέλει καταλήγει στη βροντή. Επιπτώσεις, υπάρχει πιθανότητα, να υπάρξουν σε ένα σύστημα προστασίας. Συνέπειες που πρέπει να εξετασθούν είναι η αύξηση της θερμοκρασίας των αγωγών ενός συστήματος, η συμπεριφορά των μονωτικών υλικών καθώς και ο κίνδυνος να τρυπηθεί κάποιο λεπτό μεταλλικό φύλλο κ.λ.π. Τα θερμικά αυτά αποτελέσματα του κεραυνικού πλήγματος εξαρτώνται από δύο παράγοντες,το έυρος του ρεύματος και από την διάρκεια ροής του. 16

O ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΤΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Αν ένα μη συνεχές ρεύμα εκφοριστεί μέσω μεταλλικού αγωγού, η αύξηση θερμοκρασίας θα είναι ανάλογη του i 2 dt. Η διάχυση θερμότητας θεωρείται αμελητέα λόγω μικρής διάρκειας ρεύματος, ενώ η ενέργεια που εκλύεται σε μέσο με αντίσταση R είναι R i 2 dt. Η αύξηση της θερμοκρασίας είναι:, [ºK] α(1/κ) i 2 dt(α 2 s) ρ(ωm): ειδική αντίσταση αγωγού q (m 2 ): διατομή αγωγού γ(kg/m 2 ): πυκνότητα C W (J/(Kg*K)): συντελεστής θερμοχωρητικότητας Γενικά αυτή η αύξηση θερμοκρασίας δεν είναι επικίνδυνη για αγωγούς γαλβανισμένου χάλυβα που χρησιμοποιούνται στην προστασία (διατομή αγωγού 50mm 2 και αύξηση θερμοκρασίας 140 ο C ). Μία περίπτωση που μπορεί να προκληθεί ζημιά είναι όταν αυτός ο αγωγός έχει σε κάποιο σημείο μεγάλη αντίσταση π.χ. λόγω φτωχής σύνδεσης. Επιπλέον τα μεταλλικά φύλλα που χρησιμοποιούνται σαν υλικά οροφής σε κτίρια, σε πλοία κ.τ.λ. υπάρχει πιθανότητα να τρυπηθούν αν πληγούν από κεραυνό με ρεύμα i. Η θερμότητα η οποία θα εκκληθεί στο σημείο του πλήγματος θα είναι ανάλογη του u idt=u*q, δηλαδή θα είναι ανάλογη του φορτίου του κεραυνού. 17

O ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΤΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Σε μονωτικά υλικά, το σημείο του πλήγματος, μετά την αύξηση της θερμοκρασίας του, υπάρχει πιθανότητα να διατρηθεί ή να προκληθεί θραύση του υλικού αν αυτό περιέχει ίχνη υγρασίας, τα οποία θα ασκήσουν υψηλή πίεση στον αγωγό λόγω ατμοποίησης μετά την αύξηση της θερμοκρασίας. Τέλος σημαντική θερμική επίπτωση είναι η ανάφλεξη υλικών όπως ξυλείες, εκρηκτικές ύλες, υγρά καύσιμα κ.λ.π. των οποίων οι συνέπειες οφείλονται κυρίως σε «θερμούς κεραυνούς», οι οποίοι έχουν μεγάλη διάρκεια ρεύματος. 1.4.2 Μηχανικές επιπτώσεις [1] [2] Χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: α) αυτές που αφορόυν τον οχετό επιστροφής β) αυτές που αφορούν τις δυνάμεις που αναπτύσσονται σε αγωγούς, όταν αυτοί διαρρέονται από ρεύμα κεραυνού. Η θερμοκρασία του οχετού προεκκένωσης φτάνει περί τους 30.000 ο Κ μέσα σε ελάχτιστα μs. Συνεπώς, ο αέρας που περιβάλλει τον οχετό εξαπλώνεται με ιδιαίτερα μεγάλη ταχύτητα. Από αυτήν την κίνηση παράγεται κύμα το οποίο είναι αρχικά στην περιοχή των υπερήχων και έπειτα εξελίσσεται σε βροντή. Το κύμα αυτό είναι υπεύθυνο για το δυνατό κύμα αέρα που παρατηρείται αμέσως μετά το πλήγμα. Το κύμα αυτό είναι ικανό να σηκώσει κεραμίδια σπιτιών και πολλές φορές υπεύθυνο για τον τραυματισμό ανθρώπων. Στην δεύτερη κατηγορία συνεπειών, όταν δύο παράλληλοι αγωγοί «μοιράζονται» ρεύμα εκφόρτισης κεραυνού, τότε μεταξύ τους αναπτύσσονται δυνάμεις ελκτικές ( ανάλογες του τετραγώνου του ρεύματος και αντιστρόφως ανάλογες της μεταξύ τους απόστασης ), οι οποίες είναι υπεύθηνες για την συγχώνευση πολύκλονων αγωγών και για την σύνθλιψη κοίλων αγωγών. Μία ακόμη μηχανική επίδραση υπάρχει όταν κάποιος αγωγός εκφόρτισης 18

O ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΤΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ σχηματίζει ορθή γωνία. Όταν μέσω του αγωγού εκφορτίζεται ρεύμα κεραυνού, τότε αυτός υπόκειται σε δύναμη που τείνει να τον ισιώσει. Το μέτρο της δύναμης αυτής είναι ανάλογο του τετραγώνου του ρεύματος και δεν ξεπερνά τους λίγους τόνους. Για τον λόγο αυτό σε ένα σύστημα προστασίας πρέπει να ληφθεί υπ όψιν η καμπυλότητα της γωνίας να είναι σχετικά μεγάλη αποφεύγοντας απότομες αλλαγές. 1.4.3 Ηλεκτρικές επιπτώσεις Μία σημαντική ηλεκτρική επίπτωση είναι οι επαγώμενες τάσεις που μπορεί να δημιουργηθούν από τους αγωγούς προστασίας σε αγωγούς μιας κατασκευής ή ακόμα και στην ίδια την κατασκευή. Η τάση που δημιουργείται στον αγωγό προστασίας υπολογίζεται ως:. Αν η τάση διάσπασης μεταξύ των αγωγών του συστήματος ή της κατασκευής και του αγωγού προστασίας είναι μικρότερη από αυτήν (αντιστρόφως ανάλογη της απόστασης), τότε θα συμβεί εσωτερίκη διάσπαση. Οι πιο σημαντικές όμως ηλεκτρικές επιπτώσεις που μπορεί να προκαλέσει ένα κεραυνικό πλήγμα είναι αυτές που αφορούν τα συστήματα μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Υπερτάσεις μπορούν να δημιουργηθούν ακόμα και αν κεραυνός πλήττει το έδαφος κοντά στην γραμμή, ή τον αγωγό προστασίας της γραμμής μεταφοράς ή ακόμη από άμεσο πλήγμα σε κάποιον αγωγό φάσης. 1.4.4 Άλλες επιπτώσεις [1][2] Όταν ένας άνθρωπος βρίσκεται κοντά σε σημείο πτώσης κεραυνού είναι πιθανό να παρουσιαστεί διαφορά δυναμικού μεταξύ των ποδιών του. Κύκλωμα θα κλείσει μεταξύ του εδάφους, των ποδιών και του χαμηλότερου σημείου του σώματος με αποτέλεσμα την παροδική παράλυση. 19

O ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΤΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Πολύ σημαντικές καθώς και επικίνδυνες επιπτώσεις (ακόμη και έκρηξη) παρατηρούνται όταν ένας κεραυνός πλήξει μία «επικίνδυνη κατασκευή», όπως εργοστάσια, αποθήκες πυρομαχικών, χημικών και καυσίμων, οπλοστάσια, στρατιωτικές εγκαταστάσεις, ορυχεία, αεροπλάνα και πολλά άλλα. Εικόνα 1.3: Δέντρο "χτυπημένο" από κεραυνό στον Ερύμανθο 20

O ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΤΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Εικόνα 1. 4: Κεραυνικό πλήγμα σε αεροπλάνο. [3] Εικόνα 1.5: Καλώδιο γείωσης χτυπημένο από κεραυνό. [3] 21

O ΚΕΡΑΥΝΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΤΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ 22

ΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ 2.1 ΟΡΙΣΜΟΣ Στην τελευταία ενότητα του προηγούμενου κεφαλαίου αναφέρθηκαν μερικές από τις σημαντικότερες αρνητικές επιπτώσεις που μπορεί να προκαλέσει ένα κεραυνικό πλήγμα. Για την ελαχιστοποίηση των προαναφερθέντων επιπτώσεων είναι απαραίτητο να ληφθούν αποτελεσματικά μέτρα προστασίας. Υπάρχει, λοιπόν, επιτακτική ανάγκη να υπάρχει γνώση κάποιου μεγέθους σύμφωνα με το οποίο θα λαμβάνονται ανάλογες αποφάσεις για την προστασία συστημάτων, κατασκευών, ανθρώπων κ.τ.λ. Το μέγεθος αυτό είναι η κεραυνική πυκνότητα μίας περιοχής και προφανώς διαφέρει από τόπο σε τόπο. Είναι ουσιαστικά η γνώση του αριθμού N g των εκκενώσεων νέφους-γης που πλήττουν μία περιοχή ανά τετραγωνικό της χιλιόμετρο, στην διάρκεια ενός χρόνου, αφού η τιμή της θα διαφέρει από χρόνο σε χρόνο. Συνεπώς για να βγεί κάποιο έγκυρο συμπέρασμα για την κεραυνική πυκνότητα σε μία περιοχή, δεν αρκεί μόνο κάποια ετήσια μέτρηση, αλλά παρατηρήσεις και συμπεράσματα έπειτα από παρακολούθηση πολλών ετών. 2.2 ΤΡΟΠΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΙΣΟΚΕΡΑΥΝΙΚΟΙ ΧΑΡΤΕΣ 2.2.1 Ισοκεραυνικοί χάρτες [2] Γενικά για την μέτρηση της κεραυνκής πυκνότητας μιας περιοχής είναι αναγκαία η εγκατάσταση ειδικά σχεδιασμένων συσκευών. Συμπερασματικά η τιμή της δεν είναι διαθέσιμη παρά μόνο σε ορισμένες περιοχές στις οποίες έχει διεξαχθεί μία σειρά τέτοιων μετρήσεων (στο Πανεπιστήμιο Πατρών υπάρχει και εξελίσσεται διαρκώς σταθμός καταμέτρησης). 23

ΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ Συνήθως η πληροφορία πού έχουμε διαθέσιμη είναι ο αριθμός, Τ, των ημερών καταιγίδας που λαμβάνουν χώρα σε μία περιοχή. Ο αριθμός αυτός διαφέρει σημαντικά από περιοχή σε περιοχή. Ειδικότερα έχει παρατηρηθεί ότι η συχνότητα καταιγίδων συνοδευόμενη από κεραυνούς είναι πολύ μεγαλύτερη σε περιοχές κοντά στον ισημερινό και μικραίνει όσο πλησιάζουμε προς τους πόλους. Για την συγκέντρωση αυτών των πληροφοριών έχουν σχεδιαστεί χάρτες στους οποίους υπάρχουν καμπύλες που περνούν από περιοχές που έχουν ίδιο Τ. Οι καμπύλες αυτές ονομάζονται ισοκεραυνικές και παρακάτω δίνονται ο ισοκεραυνικός χάρτης της Ελλάδας καθώς και ο παγκόσμιος ισοκεραυνικός χάρτης. Από τον ισοκεραυνικό χάρτη της Ελλάδας παρατηρείται ότι ο αριθμός των ημερών καταιγίδας στον ελλαδικό χώρο κυμαίνεται από 15 έως 90, ενώ για την ευρύτερη περιοχή Πατρών από τον χάρτη φαίνεται να είναι 25. Αυτό που δεν γίνεται όμως αντιληπτό τις ημέρες καταιγίδας είναι αρχικά το πλήθος των εκκενώσεων αλλά και αν οι κεραυνοί ήταν αποτέλεσμα εκκενώσεων νέφους-νέφους ή νέφους-γης. Αυτό το θέμα αναλύεται παρακάτω. 24

ΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ Εικόνα 2.1: Ισοκεραυνικός χάρτης Ελλαδικού χώρου. [2] 25

ΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ Εικόνα 2.2: Παγκόσμιος Ισοκεραυνικός Χάρτης. [2] 26

ΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ Εικόνα 2.3: Παγκόσμιος ισοκεραυνικός χάρτης από δορυφορικές μετρήσεις της NASA για την περίοδο 1995-2002. [6] 27

ΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ 2.2.2 Σχέση μεταξύ Τ και N g [2][17] Από τα μέσα του 20 ου αιώνα έχουν γίνει πολλές απόπειρες υπολογισμού μίας ορθής σχέσης που να συνδέει τον αριθμό εκκενώσεων ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο με τον αριθμό των ημερών καταιγίδας. Για παράδειγμα, στην περίπτωση που έχουμε τον συνολικό αριθμό εκκενώσεων N t, ο διαχωρισμός των εκκενώσεων σε εκκενώσεις σύννεφου-σύννεφου N c και σύννεφου-γης N g εξαρτάται αφενός από το γεωγραφικό πλάτος λ, αφετέτου από το κλίμα. Έχουν διατυπωθεί, λοιπόν, διάφορες σχέσεις και πίνακες υπολογισμού σύμφωνα με αυτές τις παραμέτρους. Χώρα Κεραυνική Πυκνότητα Πηγή India 0.1 T Aiya (1965) Phodesia 0.14 T Anderson and Jenner (1954) Sweden 0.004 T Muller - Hillebrand (1964) (approx.) UK a T b Stringfellow (1974) ((a=2.6±0.2) * 10-3 :b=1.9±0.1) U.S.A. (North) 0.11 T Horn and Ramsey (1951) U.S.A. (South ) 0.17 T Horn and Ramsey (1951) U.S.A. 0.1 T Anderson et. Al (1968) U.S.A. 0.15 T Brown and Whitehead (1969) U.S.S.R. 0.036 T 1.3 Kolokolov and Pavlova (1972) 0.1 T 1.3* Kolokolov and Pavlova (1972) World (temperate climate) 0.19 T Brooks (1950) World (temperate climate) 0.15 T Golde (1966) World (tropical climate) 0.13 T Brooks (1950) World 0.25 T* Pierce (1966) 28

ΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ Όπου οι τύποι με αστερίσκο αναφέρονται στον συνολικό αριθμό εκκενώσεων N t. Πιο πρόσφατοι τύποι έχουν συσταθεί από τους Anderson και Eriksson: - N g =0,023 T 1.3 (ELECTRA No 69, Μάρτιος 1980) - N g =0,04 Τ 1.25 ( Lightning &Thunderstorm Parameters, IEE Conf. Publ. No 236, London) ενώ πιο πρόσφατη έρευνα που διεξήχθη στην Αυστραλία και διεκπεραιώθηκε το 2004 από τους Kuleshov και Jayaratne έδωσε τον εμπειρικό τύπο: - N g =0,012 T 1.4 (Aust.Met.Mag. 53 (2004) 189-196) [17] ο οποίος όμως υποστηρίζεται ότι ισχύει μόνο για την περιοχή της Αυστραλίας. Κλίμα Ν c /Ν g Ευκρατο 1,5 Pierce (1995) Υποτροπικό 3 Marckerras (1976) Υποτροπικό 4 Horner (1965) Τροπικό 9 Aiya and Sonde (1963) Τροπικό 6 Horner (1965) Ξηρό 4 Viemeister (1972) 29

ΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ Στον παραπάνω πίνακα φαίνεται η αναλογία των εκκενώσεων νέφους συγκριτικά με τις εκκενώσεων νέφους-γης για διάφορα κλίματα, η οποία έχει προκύψει από εμπειρικές παρατηρήσεις. Όπως όμως μπορούμε εύκολα να διαπιστώσουμε οι εμπειρικοί αυτοί τύποι καθώς και οι πίνακες έχουν ακολουθήσει στατιστικές προσεγγίσεις και συνεπώς υπολείπονται ακρίβειας. Γι αυτό το λόγο γίνεται μεγάλη προσπάθεια, η οποία στοχεύει στην απευθείας μέτρηση της κεραυνικής πυκνότητας N g μίας περιοχής με χρήση κατάλληλα σχεδιασμένων συστημάτων. 30

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ Στα προηγούμενα αναλήθηκαν οι λόγοι για τους οποίους είναι σημαντική η γνώση της κεραυνικής πυκνότητας, και αναφέρθηκαν προσεγγιστικές μέθοδοι υπολογισμού της. Για τον άμεσο καθορισμό της παρ όλ αυτά, θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν όργανα, τα οποία έχουν κατασκευαστεί για το λόγο αυτό. Οι συσκευές αυτές είτε υπολογίζουν τον αριθμό των κεραυνών που συμβαίνουν σε μία εμβέλεια γύρω τους και ονομάζονται «μετρητές κεραυνών» (LFC: Lightning Flash Counters), είτε δίνουν την δυνατότητα πρόβλεψης και καταγραφής της πυκνότητας και της θέσης των κεραυνικών πληγμάτων και ονομάζονται «συστήματα εντοπισμού κεραυνικής δραστηριότητας» (LLS: Lightning Location Systems). Έπίσης αναφέρεται μία προσπάθεια από τη NASA για εκτίμηση της κεραυνικής πυκνότητας και του πλήθους των διαφόρων τύπων εκκενώσεων με χρήση δορυφορικών συστημάτων. Οι συσκευές της πρώτης κατηγορίας (LFC) είναι απλά όργανα, που αποτελούνται από ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα το οποίο συνδέεται μεταξύ μιας κεραίας και της γης. Η συσκευή ενεργοποιείται με τις ξαφνικές αλλαγές του ηλεκτρικού πεδίου που δημιουργούνται από ένα κεραυνικό πλήγμα. Η συσκευή καταμετράει κάθε εκκένωση νέφους-γης που συμβαίνει σε μία εμβέλεια η οποία εξαρτάται από το κάθε μετρητή, αλλά και κάποια αναλογία εκκενώσεων νέφους-νέφους η οποία όμως είναι γνωστή για κάθε συσκευή. Παρακάτω αναλύονται διάφοροι τύποι τέτοιων μετρητών. Τα συστήματα της δεύτερης κατηγορίας (LLS) αποτελούνται από τρία επιμέρους συστήματα. Το σύστημα εντοπισμού της κατευθυνσης προς την οποία ανιχνέυεται ένας κεραυνός, το σύστημα ανάλυσης της θέσης όπου έπεσε 31

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ και το σύστημα αποθήκευσης των δεδομένων μαζί με την μονάδα καταγραφής ή έκθεσης των αποτελεσμάτων. 3.2 ΜΕΤΡΗΤΕΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ (LFC) 3.2.1 Μετρητής CIGRE 10kHz [7] [8] [9] Ο μετρητής CIGRE 10kHz αποτελείται όπως φαίνεται και στα παρακάτω σχήματα από ένα αναλογικό κύκλωμα και από μία κεραία. Η ευαισθησία του μετρητή έχει καθοριστεί στα 20 V/m, όπου είναι το όριο της κατώτερης τιμής της αλλαγής του πεδίου για την οποία ο μετρητής καταγράφει. Η κεντρική συχνότητα απόκρισης του κυκλώματος είναι τα 10 khz, ενώ το φάσμα συχνοτήτων της απόκρισης λειτουργίας του κυμαίνεται από 2,5 khz έως 40 khz. Στα παρακάτω σχήματα παρουσιάζεται το αναλογικό κύκλωμα του μετρητή και ο τρόπος σύνδεσης με την κεραία. Οι τίμες των στοιχείων του μετρητή φαίνονται στο κυκλωματκό του διάγραμμα. Αρχή λειτουργίας αναλογικού κυκλώματος Τα τρία τρανζίστορ Τ 1, Τ 2, Τ 3 μαζί με τις αντιστάσεις R 12, R 13, R 14 τις διόδους D 6, D 7, D 8, D 9, D 10, D 11 και τον πυκνωτή C 5, τα οποία αποτελούν τα βοηθητικά στοιχεία του κυκλώματος, αποτελούν ένα μονοσταθή πολυδονητή. Σε συνθήκες μη λειτουργίας ο ταλαντωτής τραβάει ένα πολύ μικρό μόνο ρεύμα διαρροής από την μπαταρία των 9 V. Όταν στην βάση τού Τ 1 η τάση ξεπεράσει την τιμή των 1,95 V, τότε T 1 περνάει σε κατάσταση αγωγής. Κατά συνέπεια και τα τρανζίστορ Τ 2 και Τ 3 θα περάσουν στην κατάσταση αγωγής. Όταν και τα τρία τρανζίστορ άγουν, τότε περνάει ρεύμα από το πηνίο RL το οποίο ενεργόποιείται και κλείνει τις επαφές RL. Τότε ρεύμα θα περάσει από το πηνίο του μηχανικού μετρητή ο οποίος θα καταγράψει μία μονάδα, όταν σταματήσει η αγωγή και ελευθερωθούν οι επαφές. 32

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ Εικόνα 3.1: Κύκλωμα μετρητή CIGRE 10 khz. [7] 33

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ Εικόνα 3.2: Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά κεραίας μετρητή CIGRE 10 khz. Εικόνα 3.2: Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά κεραίας μετρητή CIGRE 10 khz. [7] 34

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ Όπως προαναφέρθηκε, η πτώση ενός κεραυνού τις περισσότερες φορές προκαλεί επόμενες εκκενώσεις μέσα από τον ίδιο δρόμο που δημιούργησε η αρχική εκκένωση. Για την αποφυγή, λοιπόν, καταγραφής αυτών των εκκενώσεων από το μετρητή έχουν προστεθεί στοιχεία τα οποία «κρατάνε» το κύκλωμα σε λειτουργία για αρκετό χρόνο με σκοπό την αποφυγή της καταγραφής. Πιο συγκεκριμένα, θετική ανάζευξη μέσω του πυκνωτή C 3 κρατάει τα τρανζίστορ Τ 2 και Τ 3 σε κατάσταση αγωγής μέχρι ο πυκνωτής να φορτιστεί πλήρως μέσω της αντίστασης R 8, οπότε και το τρανζίστορ Τ 2 περνάει στην αποκοπή. Η περίοδος αγωγής, γνωστή και ως «χρόνος κρατήματος», διαρκεί περίπου 1 δευτερόλεπτο και κατά τη διάρκεια του η βάση του τρανζίστορ Τ 1 είναι βραχυκυκλωμένη, μέσω της διόδου D 1, με το συλλέκτη του τρανζίστορ Τ 3, έτσι ώστε κανένα σήμα εισόδου να μην μπορεί να επηρεάσει την λειτουργία του κυκλώματος μέχρι αυτό να έχει επιστρέψει σε κατάσταση χαλάρωσης. Όταν το κύκλωμα βρεθεί σε κατάσταση χαλάρωσης ο πυκνωτής C 3 εκφορτίζεται γρήγορα μέσω της αντίστασης R 9 και ο μετρητής είναι και πάλι έτοιμος για λειτουργία. Η αντίσταση R 4 καθώς και ο διακόπτης TS χρησιμοποιούνται για κύκλωμα ελέγχου του μετρητή και της κατάστασης της μπαταρίας. Όταν ο διακόπτης TS πατηθεί, ο μετρητής θα πρέπει να καταγράψει μία μονάδα, με την προϋπόθεση η τάση της μπαταρίας να υπερβαίνει τα 7,6 V (ιδανικά 9 V). Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά και λεπτομέριες κατασκευής Όλα τα εξαρτήματα πρέπει να είναι τοποθετημένα μέσα σ ένα μεταλλικό κουτί κατάλληλων διαστάσεων ώστε να διευκολύνεται η ταχυδρομική αποστολή του, όταν αυτό είναι απαραίτητο. Η κατασκευή του μεταλλικού κουτιού πρέπει να είναι τέτοια ώστε να επιτρέπει 15 ανοίγματα και κλεισίματα χώρις να προκαλείται φθορά. Το κουτί του μετρητή θα πρέπει επιπλέον να αερίζεται ικανοποιητικά έτσι ώστε η συγκέντρωση υγρασίας να 35

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ελαχιστοποιείται. Πρέπει να είναι κατάλληλα βαμμένο, ή αλλιώτικα να έχει υποστεί κάποια άλλη επεξεργασία έτσι ώστε να αποφεύγεται η διάβρωση. Τα μοναδικά ορατά εξαρτήματα, που είναι τοποθετημένα στη μπροστινή πλευρά του μεταλλικού κουτιού, είναι μία κεραία και μία υποδοχή γείωσης αποτελούμενες από ένα κόκκινο και ένα μαύρο βύσμα τύπου μπανάνα αντίστοιχα, οι δύο υποδοχές για τα βύσματα, ο διακόπτης δοκιμής καθώς και ένας μηχανικός καταμετρητής που δείχνει τον αριθμό των συνολικών εκκενώσεων που έχει καταγράψει ο μετρητής. Όλα τα εξαρτήματα του κυκλώματος, εκτός από τον διακόπτη δοκιμής, της εννιάβολτης μπαταρίας και του μηχανικού καταμετρητή πρέπει να τοποθετηθούν σε μία πλακέτα πυριτίου. Βερνίκι το οποίο θα απωθεί το νερό πρέπει να τοποθετηθεί και στις δύο πλευρές της εκτυπωμένης πλακέτας μετά τη συναρμολόγηση της, με ιδιαίτερα καλή κάλυψη στην είσοδο του κυκλώματος, για να διατηρηθεί μια υψηλή επιφανειακή αντίσταση της πλακέτας κάτω απο συνθήκες υγρασίας. Για την τοποθέτηση της πλακέτας δεν πρέπει να χρησιμοποιηθούν φις συνδέσεως, και όλοι οι αγωγοί σύνδεσης πρέπει να συγκοληθούν στα δύο άκρα, εκτός αν συμφωνηθεί διαφορετικά. Δεν πρέπει να χρησιμοποιηθεί κλασσική σύνδεση της μπαταρίας, αλλά οι αγωγοί της μπαταρίας πρέπει να συγκοληθούν στους ακροδέκτες της πλακέτας, λαμβάνοντας υπ όψιν ότι τα χαλαρά άκρα στους ακροδέκτες της μπαταρίας πρέπει να είναι σφιχτά συγκολημένα επίσης. Αυτό γίνεται για να ελαχιστοποιηθεί η πιθανότητα σφάλματος σύνδεσης στους ακροδέκτες. Δεν χρειάζεται να τοποθετηθεί διακόπτης μπαταρίας, διότι η τιμή του ρεύματος που ρέει στο κύκλωμα όταν αυτό είναι σε χαλάρωση, είναι πολύ μικρή. Εφ όσον η αντικατάσταση των μπαταριών αναμένεται να είναι μία ετήσια υπόθεση ρουτίνας, η τοποθέτηση της μπαταρίας, καθώς και οι σφιγκτήρες που την κρατούν στη θέση της, πρέπει να είναι τέτοια ώστε η αλλαγή της 36

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ μπαταρίας να πραγματοποιείται με ευκολία. Επίσης θα πρέπει να αντέχουν δεκαπέντε αντικαταστάσεις δίχως να παρουσιάζεται φθορά. Το αλεξικέραυνο θα πρέπει να τοποθετηθεί απευθείας ανάμεσα στην κεραία και στους ακροδέκτες της γης και όχι στην πλακέτα. Οι αγωγοί γείωσης του μηχανικού μετρητή, η εννιάβολτη μπαταρία και η πλακέτα πρέπει να «συναντιούνται» μόνο στον μαύρο ακροδέκτη, όπου μια σύνδεση γης του μεταλλικού κουτιού θα πρέπει να έχει εγκατασταθεί. Η κεραία αποτελείται από τρία τμήματα σχεδιασμένα να μανδαλώνουν σφιχτά μαζί. Οι διαστάσεις πρέπει να ταιριάζουν σε αυτές που φαίνονται στο σχήμα. Μία μεταλλική σφαίρα είναι τοποθετημένη στην κορυφή της λεπτότερης ράβδου.(αυτό γίνεται για να εμποδιστούν οι εκφορτίσεις από την κεραία κάτω από συνθήκες υψηλού πεδίου). Ελαφρές αποκλίσεις (±100mm) στα ξεχωριστά τμήματα επιτρέπονται, αλλά το συνολικό μήκος όταν συγκεντρωθεί θα πρέπει να είναι 4.000mm (±50mm). Κατάλληλα στηρίγματα ή κωνοειδή άκρα επιτρέπονται στις δύο ενώσεις, ώστε το συνολικό μήκος να ταιριάζει με το ζητούμενο. Στο χαμηλότερο άκρο του πιο χοντρού τμήματος πρέπει να υπάρχει ένα μάνδαλο ή ένα παξιμάδι για να γίνεται η τοποθέτηση της κεραίας με τρόπο που αναφέρεται παρακάτω. Τα μέταλλα που θα χρησιμοποιηθούν πρέπει να είναι συμβατά από απόψη διαβρώσεως. Τμήματα Αλουμινίου έχουν χρησιμοποιηθεί στη συγκεκριμένη κατασκευή σε συνδυασμό με μια χάλκινη μπάλα στην κορυφή, αλλά οι συνδέσεις της διεπαφής πρέπει να είναι καλά γανωμένες πρίν συγκοληθούν μαζί. Ένας σωλήνας από PVC κατάλληλου πάχους που να γλιστράει πάνω στο πιό χοντρό τμήμα της κεραίας, μήκους 600mm χρειάζεται και πρέπει να είναι τοποθετημένος σε μία θέση απέναντι από την βίδα σύνδεσης της κεραίας. 37

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ Ο σωλήνας που πάει προς την γη είναι ένας ατσάλινος σωλήνας νερού εξωτερικής διαμέτρου 48mm η ισοδύναμα ένας ατσάλινος σωλήνας τεραγωνικής διατομής μήκους 2.250mm. Ο σωλήνας αυτός πρέπει να είναι γαλβανισμένος αλλά όχι βαμμένος και να δίνει μια αντίσταση προς την γη λιγότερη από 1kΩ. Δύο μονωτικές λωρίδες πρέπει να προβλέπονται για την κεραία και πρέπει να είναι κατασκευασμένες από φύλλα βακελίτη, ή από κάποιο άλλο κατάλληλο υλικό. Μάνδαλα σε σχήμα U πρέπει να μανδαλώνουν την κεραία, τα φύλλα βακελίτη και τον σωλήνα που πάει προς την γη. Τρύπες πρέπει να υπάρχουν στα φύλλα από βακελίτη για να διευκολυνθει η ένωση. Όλα τα μάνδαλα καθώς και τα παξιμάδια πρέπει να έιναι από ατσάλι. Πρέπει να έχουμε στην διάθεση μας έναν κατάλληλα διαμορφωμένο μεταλλικό θάλαμο. Ένα κλασσικό κουτί μετρητή κατασκευασμένο από ατσάλι, όπως αυτά που χρησιμοποιούν οι πάροχοι ηλεκτρικής ενέργειας,με διαστάσεις περίπου 460 310 230mm. H επιφάνεια του θαλάμου θα πρέπει να είναι κατάλληλα διαμορφωμένη με σκοπό να ανταπεξέρχεται στη βροχή και στην διάβρωση καθ όλη την διάρκεια της ζωής του μετρητή. Ο θάλαμος θα πρέπει να έχει στον πάτο του μικρές τρύπες διαμέτρου 15-20 mm με σκοπό να στραγγίζει το νερό της βροχής που μπορεί να εισέλθει. Το κουτί θα πρέπει να μανδαλωθεί πάνω στον σωλήνα που επικοινωνεί με την γη. Χρειάζεται επίσης, κάποιο μονωτικό υλικό για την σύνδεση του καλωδίου της κεραίας μέσα στο θάλαμο. Οι συνδέσεις της κεραίας με την γη θα πρέπει να αποτελούνται από μονωμένα με PVC καλώδια τα οποία θα έχουν διατομή 4 mm 2 και θα είναι προσαρμοσμένα σε βύσματα τύπου «μπανάνα» για τη σύνδεση τους με το μετρητή. Το καλώδιο της κεραίας θα πρέπει να έχει μήκος 750 mm και να κρέμεται από ένα βρόχο ώστε να διατηρεί μια σταθερή χωρικότητα ως προς την γη. Εναλλακτικά ένα ομοαξονικό καλώδιο με αντίσταση 50 ohm και χωρητικότητα 75 pf, η οποία όμως μπορεί να αφαιρεθεί από την χωρητικότητα του πυκνωτη C 1 με χωρητικότητα 180 pf. 38

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ Ο θάλαμος, στον οποίο στεγάζεται ο μετρητής, θα πρέπει να έχει ένα στρεφόμενο καπάκι στο μπροστινό του μέρος, με προοπτική για την προσθήκη κάποιας κλειδαριάς για να μένει ο μετρητής ασφαλής. Θέση μετρητή Ο μετρητής θα πρέπει να τοποθετηθεί σε θέση όπου δεν θα υπάρχουν κοντά κατασκευές οι οποίες θα προκαλέσουν ανεπιθύμητα αποτελέσματα. Μια θέση θεωρείται «πρώτης τάξης» εαν ο μετρητής τοποθετηθεί σε σημείο όπου οποιοδήποτε κτίριο, γραμμή μεταφοράς, φράχτης δέντρο ή οποιοδήποτε άλλο αντικείμενο απέχει τρεις φορές το ύψος του αντικειμένου από τον μετρητή. Επιπροσθέτως ο μετρητής θα πρέπει να απέχει από οποιαδήποτε γραμμή υψηλής τάσης τουλαχιστον την τιμή της τάσης της γραμμής σε μέτρα. Η τοποθεσία θα πρέπει να είναι αρκετά επίπεδη σε ακτίνα 3 m από τον μετρητή, οποιαδήποτε καλλιέργεια γύρω να μην υπερβαίνει τα 0,3 m και κατά συνέπεια οποιοδήποτε είδος βλάστησης κοντά στον μετρητή. Εγγραφές Η καταγραφή των μετρήσεων του μετρητή κεραυνών πρέπει να γίνεται κατά προτίμηση καθημερινά καθ όλη τη διάρκεια του έτους με σκοπό να αναγνωρίζονται και οι ημέρες καταιγίδας.. Εναλλακτικά, όταν δεν υπάρχει διαθέσιμο ανθρώπινο δυναμικό ή όταν η πρόσβαση στην τοποθεσία του μετρητή είναι δύσκολη, η ανάγνωση του μετρητή μία φορά την εβδομάδα ή μία φορά τον μήνα το αργότερο είναι αποδεκτή. Ο μετρητής πρέπει να περνάει από έλεγχο τουλάχιστον μια φορά το μήνα με χρήση του διακόπτη ελέγχου. Ο αριθμός και οι ημερομηνίες που πέρασε έλεγχο ο μετρητής πρέπει επίσης να καταγράφονται. 39

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ Οι καταγραφές των ενδείξεων πρέπει να συγκεντρώνονται και να επεξεργάζονται κατάλληλα για κάθε ημερολογιακό έτος και να αναφέρονται στις αρμόδιες υπηρεσίες για να γίνετε μία παγκόσμια σύγκριση. 3.2.2 Μετρητής CGR4 [10] Ο μετρητής αυτός κατασκευάστηκε έπειτα από αίτηση της Μετεωρολογικής Υπηρεσίας της Αυστραλίας (Australian Bureau of Meteorology) με σκοπό να αντικαταστήσει τους μετρητές CIGRE που χρησιμοποιούσαν μέχρι τώρα. Ο μετρητής αποτελείται από σωλήνα εξωτερικής διαμέτρου 50 mm μονωμένο με PVC. Ο σωλήνας πρέπει να έχει ύψος 5 m και να αποτελείται από 3150 mm αλουμινένιο σωλήνα με κατώτερο άκρο τα 1620 mm από την γη. Αν είναι διαθέσιμος, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σωλήνας από μετρητή CIGRE καθώς έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά. Όταν μεταβάλεται το ηλεκτρικό πεδίο το σήμα περνάει στο αναλογικό κύκλωμα του μετρητή και έπειτα στο ψηφιακό. Σχεδιάγραμμα λειτουργίας μετρητή Η λειτουργία του σένσορα αυτού βασίζεται στο γεγονός ότι μπορούν να μετρηθούν τρίων ειδών εκκενώσεις από ένα μετρητή κεραυνών. 1) Αρνητικός κατερχόμενος 2) Θετικός κατερχόμενος 3) Εσωτερικές νέφους ή μεταξύ νεφών Τα χαρακτηριστικά του υλικού του αισθητήρα φαίνονται στην Εικόνα 3.3. Η παροχή ενέργειας γίνεται από δίκτυο αλλά υπάρχει και εφεδρική μπαταρία. Οι διεργασίες του υλικού ελέγχονται από τον μικροεπεξεργαστή, όπως φαίνεται στην Εικόνα 3.3. Το σήμα από την μεταβολή του ηλεκτρικού πεδίου περνάει από επεξεργασία και ο τύπος της εκκένωσης καταγράφεται κλείνοντας μία ή περισσότερες επαφές των ρελέ σταθερής κατάστασης, και έπειτα 40

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ μεταφέροντας την πληροφορία σε πραγματικό χρόνο σε αυτόματο μετεωρολογικό σταθμό (AWS). Ο αισθητήρας θα συσσωρεύει επίσης σε εσωτερικούς καταχωρητες τον αριθμό και τον τύπο των διαφόρων εκκενώσεων, και τα εκθέτει σε οθόνη υγρών κρυστάλλων (LCD). Όπως φαίνεται στην Εικόνα 3.3, όταν ο αισθητήρας είναι σε λειτουργία ή είναι μηδενισμένος, πολλές διεργασίες εκκίνησης λαμβάνουν χώρα προετοιμάζοντας τον αισθητήρα να δεχθεί σήμα μεταβολης ηλεκτρικού πεδίου από την κεραία. Με την προϋπόθεση ότι η τάση της δωδεκάβολτης μπαταρίας είναι επαρκώς υψηλή, το πρόγραμμα εισέρχεται στο βρόχο 1, τον «wait-forevent» βρόχο. Κατά τη διάρκει του βρόχου 1 ο χειριστής μπορεί να διαβάσει τα καταχωρημένα περιεχόμενα, καθώς και η δωδεκάβολτη μπαταρία ελέγχεται περιοδικά. Ο βρόχος 1 εκτελείται συνεχόμενα μέχρις ότου, ανιχνευτεί κάποια πιθανή έναρξη εκκένωσης από ριπή θορύβου ραδιοσυχνότητας, ή από συνολική μεταβολή ηλεκτρικού πεδίου μεγαλύτερη από την τάση κατωφλίου. Τότε ο έλεγχος του προγράμματος μεταφέρεται στο βρόχο 2. Ο βρόχος 2 είναι ένας «in-event» βρόχος, που διαρκεί 0,7-1,2 sec, κατα τη διάρκεια του οποίου τα διάφορα χαρακτηριστικά της μεταβολής του ηλεκτρικού πεδίου περνούν στον μικροεπεξεργαστή, όπου διεξάγονται διάφορες διεργασίες χρονισμού και ελέγχου. όταν ολοκληρωθεί ο βρόχος 2, το πρόγραμμα ελέγχου περνάει στο βρόχο 3, τον «post event» βρόχο, που διαρκεί 0,1-0,15 sec, κατά τη διάρκεια του οποίου η ταυτότητα του κεραυνικού πλήγματος αναγνωρίζεται, και τα αποτελέσματα περνάνε στον αυτόματο μετεωρολογικό σταθμό. Το πρόγραμμα ελέγχου τότε ξαναπερνάει στο βρόχο 1. Επεξεργασία των ηλεκτροστατικών, επαγωγικων και ακτινοβολούμενων συνιστωσών των μεταβολών του ηλεκτρικού πεδίου. Οι χρονικές παραλλαγες στο ηλεκτρικό πεδίο που προκαλούνται από τις κινήσεις φορτίων και τα ρεύματα του κεραυνού έχουν μία ηλεκτροστατική συνιστώσα που εξαρτάται από τις κινήσεις των φορτίων, μία επαγωγική που εξαρτάται από τα ρεύματα, και μία ακτινοβολιακή που εξαρτάται από το ρυθμό 41

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ Εικόνα 3.3: Κυκλωματική διάταξη αισθητήρα. [10] 42

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ Σχήμα 3.1: Διάγραμμα ροής βασικής λειτουργίας του αισθητήρα. [10] 43

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ εκφόρτισης του ρεύματος. Τα εύρη αυτών των παραμέτρων έχουν αντίστοιχα μία κυβική αντίστροφη, μία τετραγωνική αντίστροφη και μία αντίστροφη εξάρτηση από την απόσταση (Uman 1987). Το χαμηλής συχνότητας τμήμα των μεταβολών του ηλεκτρικού πεδίου, από 1 Hz έως 10 khz, περιέχει πληροφορίες σχετικά με το είδος της αστραπής καθώς και για την απόσταση εκφόρτισής της. Για κοντινές εκκενώσεις, μέχρι περίπου 20 km απόσταση από το μετρητή, η χαμηλής συχνότητας συνιστώσα κυριαρχείται από την ηλεκτροστατική συνιστώσα. Αυτή η παράμετρος είναι μεγάλη σε κοντινές αποστάσεις, μέχρι περίπου 15 km, και πέφτει πολύ γρήγορα όσο αυξάνεται περαιτέρω η απόσταση, καθιστώντας δύσκολο να οριστεί το εύρος του αισθητήρα. Οι κυματομορφές των μεταβολών του ηλεκτρικού πεδίου είναι αρκετά διακριτές και ο αισθητήρας τις διαχωρίζει αρκετά εύκολα. Ωστόσο, σε ορισμένες καταγραφές, μεταβολές ηλεκτρικού πεδίου έχουν χαρακτηριστικά τα οποία είναι οριακά ανάμεσα σε δύο τύπους, με αποτέλεσμα να υπάρχει ένα ποσοστό σφάλματος στην ταυτοποίηση. Το υλικό του αισθητήρα λαμβάνει πληροφορία για τις μεταβολές του ηλεκτρικού πεδίου στο εύρος συχνοτήτων από περίπου 1 Hz έως 10 khz, καθώς επίσης και σε μία μπάντα κεντραρισμένη στα 150 khz με εύρος ζώνης περίπου 40 khz. Οι πληροφορίες που δίνονται από αυτές τις συχνότητες αφορούν κυρίως την ακτινοβολιακή συνιστώσα και από τις εκκενώσεις νεφών αλλά και από τις εκκενώσεις εδάφους (Jones et al. 1967; Shao et al. 1999) και υποστηρίζεται, από παρατηρήσεις που έγιναν στο Brisbane, ότι υπάρχει επαρκής ακτινοβολία στα 150 khz από όλους τους τύπους εκκενώσεων για να προκληθεί ανίχνευση ραδιοσυχνότητων από τον αισθητήρα. Επίσης, είναι αρκετά χαμηλότερη από τη συχνότητα των εμπορικών εκπομπών που διαμορφώνονται κατά πλάτος. Η συνιστώσα της ραδιοσυχνότητας διαχωρίζεται από τη συνιστώσα χαμηλών συχνοτήτων χρησιμοποίωντας ένα μετασχηματιστή ραδιοσυχνοτήτων, και εμφανίζεται ως δευτερεύουσα τάση. Η κορυφή της τιμής της συνιστώσας των 150 khz χρησιμοποιείται για να 44

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ανιχνεύσει την έναρξη μιας εκκένωσης. Η ευαισθησία ρυθμίζεται έτσι ώστε μία ριπή θορύβου των 150 περίπου khz και τάσης 300 mv peak-to-peak, διάρκειας 100ms, να είναι αρκετή ώστε να βγεί το σύστημα από τον wait for event βρόχο. Αυτό ορίζει το κατώφλι ανίχνευσης ριπών θορύβου ραδιοσυχνότητας και είναι επαρκές σε νέφη μέχρι τουλάχιστον 18 χιλιόμετρα. Οι εκκενώσεις εδάφους εκπέμπουν πιο έντονα από εκκενώσεις νέφους με αποτέλεσμα να υπάρχει αρκετός θόρυβος ραδιοσυχνοτήτων για να ξεφύγει το σύστημα από το βρόχο wait-for-event. Για εκκενώσεις που συμβαίνουν εκτός της εμβέλειας λειτουργίας του μετρητή για ανίχνευση των τριων τύπων εκκενώσεων, ο αισθητήρας θα σηματοδοτήσει μακρινή εκκένωση (DF: Distant Flash). Η ενεργός ακτίνα δράσης του αισθητήρα είναι περίπου 30 με 40 km, ενώ το μέγιστο εύρος λειτουργίας είναι περίπου 100 km. Η έξοδος μακρινής εκκένωσης, λοιπόν, είναι ένας ποιοτικός δείκτης ενώ κλείνει προς τις εκκενώσεις εδάφους. Ελαχιστοποιηση καταγραφής μεταβολών ηλεκτρικού πεδίου που δεν οφείλονται σε κεραυνούς Ένα φαινόμενο γνωστό και ως «ταλαντώσεις μετά το τέλος της καταιγίδας» (EOSO: End Of Storm Oscillations) το οποίο ανιχνεύεται ως πολύ χαμηλής συχνότητας ημιτονοειδής ταλάντωση στο ηλεκτρικό πεδίο, μπορεί να μιμείται συγκεκριμένες πτυχές των μεταβολών ηλεκτρικού πεδίου που προκαλούνται από κεραυνό. Οι παρασιτικές εγγραφές από σήματα EOSO,ή από άλλες μεταβολές του ηλεκτρικού πεδίου που δεν οφείλονται σε κεραυνούς, ξεπερνιούνται εφαρμόζοντας ένα σύνολο απαιτιτικών προϋποθέσεων για την εγγραφή: - οι ριπές θόρυβου σε ραδιοσυχνότητες (3 khz to 300 GHz) να ξεπερνάνε ένα ορισμένο κατώφλι. - ο ρυθμός μεταβολής του ηλεκτρικού πεδίου να είναι τουλάχιστον 2,5 (kv/m)/s 45

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ - μία συνολική αλλαγή ηλεκτρικού πεδίου τουλάχιστον 280 V/m και, - να πληρούνται οι προϋποθέσεις για να έχουμε μία εκκένωση που να ανήκει σε μία από τις τρεις κατηγορίες κεραυνών. Διαδικασία διάκρισης μεταξύ των διαφόρων τύπων εκκενώσεων Οι έλεγχοι διάκρισης των διαφόρων τύπων κεραυνών βασίζονται στους ακόλουθους κανόνες, που εφαρμόζονται από το πρόγραμμα λειτουργίας, και έχουν προκύψει από δοκιμές για να μειωθούν τα σφάλματα ταξινόμησης. Οι έλεγχοι εφαρμόζονται με την ακόλουθη σειρά, και μόλις ο τύπος μιας εκκένωσης ανιχνευθεί ο κατάλληλος καταχωρητής αριθμού εκκενώσεων αυξάνεται κατά ένα. Τα απότελέσματα στέλνονται σε ένα σύστημα αυτόματης εκτίμησης καιρικών φαινομένων (AWS: Automatic Weather Station). 1) Έλεγχος για ριπή θορύβου RF. Εάν είναι πάνω από την τιμή κατωφλίου μπορούν να εφαρμοστούν επόμενοι έλεγχοι 2) Έλεγχος αν η μεταβολή του πεδίου είναι πάνω από 280 V/m. Εάν ισχύει οι έλεγχοι για την αναγνώριση του τύπου της εκκένωσης (NGF, PGF,CF) μπορούν να πραγματοποιηθούν 3) Έλεγχος για αρνητική εκκένωση νέφους-γης 4) Έλεγχος για εκκένωση νέφους 5) Έλεγχος για θετική εκκένωση νέφους-γης 6) Αν δεν δοθεί αποτέλεσμα από τα 3, 4, 5, Έλεγχος μέσης απόστασης του συνόλου των εκκενώσεων(καταχώρηση DF) 7) Έλεγχος για κατάσταση υπερφόρτωσης καταχωρητών 8) Έλεγχος συνόλου εκκενώσεων και αύξηση κατά ένα του ανάλογου καταχωρητή. Εσφαλμένη εκχώρηση μπορεί να προκληθεί σαν αποτέλεσμα των περιορισμών στην μέθοδο διακριτοποίησης μεταξύ των κατηγοριών 46

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ εκκενώσεων. Έξι είδη λανθασμένης εκτίμησης είναι πιθανό να συμβούν, τα οποίες φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. Σχήμα 3.2: Διάγραμμα ροής ελέγχου διακριτοποίησης.[10] Πίνακας 3.2: Είδη λανθασμένης εκτίμησης και πιθανότητα να συμβεί η κάθε μια.[10] 47

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ Η εμβέλεια του μετρητή για κάθε τύπο εκκένωσης είναι 12, 14 και 16 km για εκκενώσεις νέφους, αρνητικές νέφους γης και θετικές νέφους-γης, αντίστοιχα, όταν το κατώφλι της μεταβολής του πεδίου είναι τα 400V/m. 3.3 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑΣ (LLS: LIGHTNING LOCATION SYSTEMS) 3.3.1 Εισαγωγή [11] Τα συστήματα εντοπισμού κεραυνικής δραστηριότητας είναι συστήματα εντοπισμού της θεσης όπου συμβαίνουν αλλαγές στο ηλεκτρικό και στο μαγνητικό πεδίο στα εύρη συχνοτήτων VLF(3-30 khz), LF(30-300kHz), και VHF(30-300MHz). Τα πιο διαδεδομένα τέτοια συστήματα είναι τα Συστήματα Ανίχνευσης Κατεύθυνσης Μαγνητικού Πεδίου (MDF: Magnetic Direction Finding), τα Εκτίμησης Χρόνου Άφιξης (ΤΟΑ: Time Of Arrival) καθώς και ο συνδυασμός των δύο (IMPACT: IMProved Accuracy using Combined Technology). Οι διαφορές μεταξύ των δύο συστημάτων είναι κυρίως στον αριθμό των αισθητήρων που χρησιμοποιούν. Τα συστήματα αυτά έχουν εγκατασταθεί ήδη σε πάρα πολλες χώρες και είναι θέμα χρόνου η συλλογή και επεξεργασία των αποτελεσμάτων τους και ο επαναπροσδιορισμός των κεραυνικών χαρτών. Μεγάλο μειονέκτημα είναι ότι η απόδοση των διαφόρων συστημάτων δεν είναι ομοιόμορφη και τα αποτελέσματα δεν μπορούν να είναι συγκρίσιμα μεταξύ τους. 3.3.2 Συτημάτα Ανίχνευσης Κατεύθυνσης Μαγνητικού Πεδίου [11] Για εκκενώσεις νέφους-γης η μέγιστη τιμή του ακτινοβολούμενου μαγνητικού (και ηλεκτρικού) πεδίου εμφανίζεται τη στιγμή που ο ανερχόμενος οχετός επιστροφής φτάσει σε ένα ύψος μερικών 48

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ εκατοντάδων μέτρων. Τα MDF συστήματα καθορίζουν την κατέυθυνση ακριβώς τη χρονική στιγμή της αιχμής της έντασης του πεδίου από σήματα, τα οποία εντοπίζονται από κεραίες σε έναν κλειστό βρόχο. Ως εκ τούτου η κατεύθυνση της εκκένωσης νέφους-γης έγινε προς την κατεύθυνση που τα διανύσματα από τους μετρητές (από τις κεραίες) έχουν το μικρότερο μέτρο. Απαιτείται επίσης δειγματοληψία και του ηλεκτρικού πεδίου για τον προσδιορισμό της πολικότητας του κεραυνού. Ένα τυπικό δίκτυο τριών ή περισσότερων αισθητήρων καθώς και η βελτιστοποίηση η οποία ελαχιστοποιεί την «ασυμφωνία γωνίας» που μπορεί να παρουσιαστεί μεταξύ των αισθητήρων, μπορούν να συνδυαστούν όπως γίνεται στο παρακάτω σχήμα. Εικόνα 3.4: Αλγόριθμος εκτίμησης σημείου πλήγματος.[11] 49

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ Η σωστή εκτίμηση της θέσης του κεραυνού απαιτεί την εφαρμογή της ονομαζόμενης, μέσα στον αλγόριθμο εύρεσης της κατεύθυνσης, «διόρθωση σφάλματος θέσης». Οι τοπικές συνθήκες του αισθητήρα (αντικέιμενα, φράχτες, επίγεια καλώδια, ή άλλες εγκαταστάσεις από τις οποίες διέρχεται ρεύμα) προκαλούν μία, είτε περισσότερο είτε λιγότερο, σημαντική μεταβολή στην εκτίμηση θέσης του πεδίου, η οποία μπορεί να φτάνει μέχρι και τις 10 ο ή και ακόμα περισσότερο εαν ο αισθητήρας μας δεν βρίσκεται σε μία όχι καλή θεση. Αυτά τα συστηματικά σφάλματα θέσης μπορούν να καθοριστούν για κάθε θέση του αισθητήρα από παρατήρηση παλαιότερων δεδομένων, να χρησιμοποιηθούν σαν μία συνάρτηση διόρθωσης Δφ=f(φ), και να ληφθούν υπ όψιν στον αλγόριθμο ανίχνευσης θέσης. Εικόνα 3.5: Παράδειγμα συνάρτησης διόρθωσης.[11] 50

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ Το παραπάνω σχήμα δείχνει μία τέτοια συνάρτηση διόρθωσης. Οι τίμες των σφαλμάτων έχουν καθοριστεί από προηγούμενα δεδομένα. Η σταθερή γραμμή χρήσιμοποιείται για διόρθωση της θέσης στον αλγόριθμο ανίχνευσης θέσης. 3.3.3 Συστήματα Εκτίμησης Χρόνου Άφιξης [11] Το πεδίο που ακτινοβολείται από μια εκκένωση διαδίδεται προς όλες τις κατευθύνσεις με την ταχύτητα του φωτός (3*10 8 m/s) και συνεπώς παρατηρούμε και διαφορές στο χρόνο άφιξης στους αισθητήρες οι οποίοι είναι τοποθετημένοι σε διαφορετικές αποστάσεις από το σημείο του πλήγματος. Μία στιγμιαία διαφορά στο χρόνο άφιξης ορίζει μία υπερβολή μεταξύ δύο σταθμών παρατήρησεις, συνεπώς πολλαπλοί σταθμοί θα μας ορίζουν ανάλογο αριθμό υπερβολών, των οποίων η υπέρθεση θα μας ορίζει και την τοποθεσία της πηγής. Ο εντοπισμός εκκενώσεων με το σύστημα ΤΟΑ απαιτεί ακριβή συγχρονισμό των αισθητήρων, ο οποίος είναι σήμερα διαθέσιμος από δορυφορικά συστήματα GPS. Βλέπουμε ότι χρειαζόμαστε το λιγότερο τρεις αισθητήρες για να κάνουμε υπέρθεση δύο καμπυλών, που θα μας ορίσουν τη θέση του πλήγματος. Ωστόσο, υπό ορισμένες γεωμετρικές συνθήκες οι καμπύλες που παράγονται από τρεις αισθητήρες θα οδηγήσουνε σε δύο υπερθέσεις, οι οποίες οδηγούν σε ασάφεια όπως φαίνεται στην Εικόνα 3.7. Αυτό το πρόβλημα γενικά αποφεύγεται εαν χρησιμοποιήθουν τέσσερις αισθητήρες για τον προσδιορισμό της θέσης. 51

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ Εικόνα 3.6: Υπέρθεση υπερβολών για τον εντοπισμο του σημείου.[11] Εικόνα 3.7: Παράδειγμα εσφαλμένης εκτίμησης σημείου από τρεις αισθητήρες. [11] 52

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ 3.3.4 Συστήματα IMPACT (MDF&TOA) [11] Η μέθοδος αυτή, που όπως προαναφέρθηκε, συνδυάζει τις δύο τεχνολογίες που διατυπώθηκαν προηγουμένως. Η μέθοδος αυτή εισήχθη από την Global Atmospherics στις αρχές τις δεκαετίας του 1990. Με αυτήν την προσέγγιση, η εύρεση κατεύθυνσης δίνει πληροφορίες για το αζιμούθιο και ο απόλυτος χρόνος άφιξης παρέχει μία γκάμα άλλων πληροφοριών. Ο συνδυασμός των μεθόδων MDF και TOA παρέχει επαρκή πληροφορία που επιτρέπουν μια βελτιστοποιημένη εκτίμηση για τρεις άγνωστες παραμέτρους, το γεωγραφικό πλάτος, το γεωγραφικό μήκος και το χρόνο εκφόρτισης, ακόμη και όταν υπάρχουν μόνο δύο αισθητήρες για την εκτίμηση του χρόνου και της γωνίας. Ο αλγόριθμος θέσης των μεθόδων IMPACT για την εύρεση θέσης μπορούν να χρησιμοποιήσουν πληροφορίες από όλους τους συνδυασμούς, MDF, TOA και από το συνδυασμό τους. 3.3.5 Ταξινόμηση του τύπου των εκκενώσεων Όλα τα συστήματα LLS είναι εκτεθημένα σε σήματα ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων διαφόρων τύπων εκκενώσεων κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας. Τα πεδία των εκκενώσεων νέφους-γης έχουν το μεγαλύτερο εύρος συχνοτήτων στις συχνότητες VLF/LF, μπορεί όμως να καταμετρηθούν και εκκενώσεις νέφους-νέφους ή εσωτερικές σε νέφος στις ίδιες συχνότητες από τους ανιχνευτές. Η ταξινόμηση των εκκενώσεων γίνεται είτε στο επίπεδο του ανιχνευτή, όταν οι κυματομορφές της καταμέτρησης δεν ταιριάζουν με αυτές των εκκενώσεων νέφους-γης, ή στο επίπεδο του μικροεπεξεργαστή συγκρίνοντας παραμέτρους που έχει πάρει από τους ανιχνευτές. Οι εκκενώσεις κατατάσσονται με το κριτήριο Peak-To-Zero (PTZ), το οποίο συγκρίνει το χρόνο ουράς της εκκένωσης. Οι συγκεκριμένες τιμές ταξινόμησης PTZ (ανεξάρτητα αν η εκκένωση είναι θετική ή αρνητική), καθώς και τα δεδομένα που δίνουν οι αισθητήρες όταν δεν συμφωνούν μεταξύ τους (άλλοι δείχνουν εκκένωση νέφους-γης και άλλοι νέφους) στέλνονται στο μικροεπεξεργαστή 53

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ όπου κάνει ρύθμιση παραμέτρων και αναλύει τα μεγέθη για να εντοπίσει τη λάθος ταξινόμηση. Ανάλογα το δίκτυο που χρησιμοποιείται υπάρχει πιθανότητα λάθους ταξινόμησης και θεώρησης εκκένωσεις νεφών ως θετικές εκκενώσεις νέφουςγης. Η απόδοση όμως αυτών των συστημάτων όμως είναι αρκετά υψηλη,κοντά στο 90%. Μετά από έρευνα που διεξήχθει στις Ηνωμένες Πολιτείες με χρήση του συστήματος NLDN (National Lightning Detection Network), συγχρονισμένο μέσω δορυφορικού GPS, παρατηρήθηκε ότι οι περισσότερες μετρούμενες θετικής πολικότητας εκκενώσεις νέφους-γης με ρεύμα κορυφής μικρότερο από 10 ka στην Νότιο Αμερική ήταν εκκενώσεις νέφους, ενώ σχεδόν όλες με ρεύμα κορυφής μεγαλύτερο απο 20 ka ήταν θετικές εκκενώσεις νέφους-γης. 3.3.6 Ομαδοποίηση πολλαπλών εκκενώσεων νέφους-γης σε κεραυνούς Πολλαπλές εκκενώσεις προστίθενται σε οποιοδήποτε ενεργό κεραυνό για μια καθορισμένη χρονική περόδο (συνήθως ένα δευτερόπλεπτο) μετά από την πρώτη εκκένωση, εφόσον οι πρόσθετες εκκενώσεις βρίσκονται σε μία ακτίνα 10 km από την αυτήν και το χρονικό διάστημα από την αμέσως προηγούμενη είναι μικρότερο ενός μεγίστου (συνήθως 500 ms). Επιπλέον σε σύγχρονους κεντρικούς μικροεπεξεργαστές σχεδιασμένους από την Global Atmospherics (LP2000) και τη Vaisala (CP8000), εάν μια εκκένωση αναγνωρίζεται ως μέρος περισσοτέρων του ενός κεραυνού, γιατί οι περιοχές απόφασης τους αλληλεπικαλύπτονται σε εκείνο το σημείο, τότε αποδίδεται στον κεραυνό με τη μικρότερη απόσταση αρχικού πλήγματος από αυτήν. Ανάλογα την ρύθμιση του συστήματος υπάρχει πιθανότητα μία αρνητική εκκένωση να θεωρηθεί ως μέρος ενός κεραυνού ακόμα και αν είναι αντίθετης πολικότητας. Ένα παράδειγμα αυτής της μεθόδου φάινεται στο παρακάτω σχήμα. 54

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ Εικόνα 3.8: Αλγόριθμος ομαδοποίησης πληγμάτων κεραυνών. Τα λήγματα 1,2 και 4 αποτελούν έναν κεραυνό, ενώ το πλήγμα 2 είναι ξεχωριστός.[11] Σήμερα οι αριθμοί των κεραυνών καθώς και η κεραυνική πυκνότητα χρησιμοποιούνται για την ποσοτική απεικόνιση στις μέρες ή ακόμα και στις ώρες καταιγίδας στις οποίες εκτείθεται ένα αντικείμενο. Για να κατανοήθει πλήρως ο κίνδυνος που διατρέχει, θα πρέπει να γίνει αντιληπτή η πολλαπλότητα των πληγμάτων που σχετίζονται με έναν μόνο κεραυνό. Κατα μέσο όρο φαίνεται να είναι περίπου 1,5-1,7 εκκενώσεις ανα κεραυνό. Συμπερασματικά, για να γίνει η εκτίμηση του κινδύνου από τις εκκενώσεις νέφους-γης θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί η πυκνότητα των σημείων εκκενώσεων νέφους-γης μιας περιοχής δηλαδή η κεραυνική πυκνότητα. Η ακτίνα ομαδοποίησης πολλαπλών εκκενώσεων είναι 10 km. Τα συστήματα 55

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ LLS που κυκλοφορούν στο εμπόριο έχουν τη δυνατότητα να διαχωρίζουν σημεία πλήγματος, τα οποία απέχουν μερικές εκατοντάδες μέτρα μεταξύ τους, απόσταση που είναι πολύ μικρότερη από την ακτίνα ομαδοποίησης. 3.4 ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ LIS [12] [13] 3.4.1 Αισθητήρας Απεικόνισης Ατμοσφαιρικών Εκκενώσεων (LIS) Ο αισθητήρας απεικόνισης ατμοσφαιρικών εκκενώσεων, είναι ένα όργανο τοποθετημένο στο διάστημα που χρησιμοποιείται για τον εντοπισμό της κατανομής και της πολλαπλότητας του συνόλου των ατμοσφαιρικών εκκενώσεων (νέφους-νέφους, εσωτερικές σε νέφος, νέφους-γης) που εμφανίζεται στις τροπικές περιοχές του πλανήτη. Το LIS είναι ένα επιστημονικό εργαλείο τοποθετημένο πάνω στο παρατηρητήριο (δορυφόρο) TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission: Αποστολή Μέτρησης Βροχόπτωσης σε Τροπικές περιοχές), το οποίο ξεκίνησε στις 28 Νοεμβρίου 1997 από το Διαστημικό Κέντρο Tanegashima στην Ιαπωνία. Ο αισθητήρας απεικόνισης ατμοσφαιρικών εκκενώσεων αποτελείται από ένα παρατηρητή εικόνας που έχει βελτιστοποιηθεί για την ανίχνευση ατμοσφαιρικών εκκενώσεων με ανάλυση καταιγίδας μέχρι 4 με 7 χιλιόμετρα από την επιφάνεια της γης και σε μία μεγάλη έκταση (600km 600km). Ο δορυφόρος TRMM ταξιδεύει μια απόσταση 7 χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο (περίπου 16.000 μίλια ανα ώρα), καθώς περιστρέφεται γύρω από τη γη, επιτρέποντας στο σύστημα LIS να παρατηρεί ένα σημείο πάνω στη γη ή ένα σύννεφο για σχεδόν 90 δευτερόλεπτα, καθώς περνάει από πάνω του. Παρά τη σύντομη διάρκεια της παρατήρησης, είναι αρκετά μεγάλο για να εκτιμηθεί το ποσοστό των αστραπών των περισσότερων καταιγίδων. Το όργανο καταγράφει την ώρα του περιστατικού, μετράει την ενέργεια που ακτινοβολείται, και καθορίζει την τοποθεσία του γεγονότος μέσα στο οπτικό του πεδίο. Ο βαθμονομημένος αισθητήρας εκκενώσεων χρησιμοποιεί ένα διευρυμένο οπτικό φακό ευρέως οπτικού πεδίου με ένα φίλτρο στενής ζώνης σε 56

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ συνδυασμό με μία υψηλής συχνότητας δειγματοληψίας ανιχνευτή (500 εικόνες το δευτερόλεπτο). Ένας επεξεργαστής γεγονότων πραγματικού χρόνου (RTEP), μέσα στην ηλεκτρονική συσκευή, χρησιμοποιείται για να καθορίσει πότε μία αστραπή εμφανίζεται ακόμη και όταν τα σύννεφα φωτίζονται από τον ήλιο. Εικόνα 3.9: LIS [12] Εικόνα 3.10: ΤRMM [12] Ασθενή σήματα εκκενώσεων που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια της ημέρας είναι δύσκολο να ανιχνευθούν λόγω του φωτισμού στο παρασκήνιο. Ο επεξεργαστής γεγονότων πραγματικού χρόνου θα αφαιρέσει το σήμα από το παρασκήνιο, με αποτέλεσμα να κάνει το σύστημα ικανό να ανιχνεύσει μία αδύναμη αστραπή με απόδοση ορθής ανίχνευσης 90%. Τα δεδομένα από τον αισθητήρα απεικόνισης ατμοσφαιρικών εκκενώσεων χρησιμοποιούνται για τη μελέτη μετεωρολογικών φαινομένων μέσης κλίμακας, όπως ο εντοπισμός καταιγίδας, δυναμικά, και μικροφυσικά φαινόμενα. Αυτά θα πρέπει να σχετίζονται με παγκόσμιους συντελεστές και μεγέθη, καθώς και με την κατανομή βροχοπτώσεων και τη μεταφορά θερμότητας, τα οποία επηρεάζονται από διαδικασίες παγκόσμιας κλίμακας. 57

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ Ο αισθητήρας LIS σχεδιάστηκε από την ομάδα ατμοσφαιρικών εκκενώσεων του GHCC (Global Hydrology and Climate Center) και κατασκευάστηκε από το Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων Marshall στο Huntsville, Alabama. Ο ανιχνευτής θα συνεισφέρει σημαντικά σε αρκετές αποστολές του TRMM, παρέχοντας παγκόσμια δεδομένα για τους κεραυνούς και τις καταιγίδες, από τα οποία μπορούν εύκολα να ανιχνευθούν διάφορες κλιματολογικές αλλαγές(ακόμη και ανεπαίσθητες μεταβολές της θερμοκρασίας). Η επεξεργασία των δεδομένων Αισθητήρα Απεικόνισης Ατμοσφαιρκών Εκκενώσεων (LIS) επεξεργάζονται καθημερινά. Από την επεξεργασία αυτή εξάγονται PNG εικόνες που αναπαριστούν δεδομένα της τροχιάς του αισθητήρα για κάθε ημέρα. Ποιοτικοί Έλεγχοι (QC: Quality Controls) πραγματοποιούνται κάθε μέρα στα δεδομένα τα οποία δημιοσιεύονται μία φορά το μήνα στο διαδίκτυο (http://thunder.msfc.nasa.gov/cgibin/lis/lis_cal.pl) [13] με μικρή καθυστέρηση λόγω των ποιοτικών ελέγχων, ανανεώνοντας έτσι διαρκώς τον κεραυνικό χάρτη σε μία λωρίδα γύρω από τον Ισημερινό και περιμετρικά της γης. 58

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ Εικόνα 3.11: Παράδειγμα εξαγωγής αποτελεσμάτων από τον LIS για την περίοδο Ιανουάριου 1998- Φεβρουαρίου 2012. [14] 59

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΚΑΙ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ 60

ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΜΕΤΡΗΤΗ CIGRE 10kHz ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΜΕΤΡΗΤΗ CIGRE 10 kηz 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ [7] [18] Σε αυτό το κεφάλαιο θα εξηγηθεί η μέθοδος με την οποία μπορεί κάποιος να εκτιμήσει την τιμή της κεραυνικής πυκνότητας με χρήση των μετρητών τύπου CIGRE 10 khz. Έχει αποδειχθεί ότι το φάσμα συχνοτήτων που παράγεται από μια εκκένωση νέφους-γης είναι διαφορετικό από αυτό που παράγεται από μια εκκένωση νέφους-νέφους. Στην πρώτη η μέση τυπική συχνότητα του φάσματος είναι περίπου στα 20 khz, ενώ στη δεύτερη είναι περίπου τα 700 Hz. Συνεπώς ο μετρητής CIGRE 10 khz ο οποίος περιέχει φίλτρο εισόδου στα 10 khz μετράει με πολύ μικρή απόκλιση μόνο εκκενώσεις νέφους-γης. Πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι οι μετρητές κεραυνών τύπου CIGRE δε μας δίνουν καμία πληροφορία για την ένταση του ρεύματος του κεραυνού. Το ρεύμα ενός κεραυνού μπορεί να κυμαίνεται από μερικές εκατοντάδες Ampère μέχρι μερικές εκατοντάδες χιλιάδες Ampère. Επιπλέον δεν παίρνουμε καμία πληροφορία για την απόσταση την οποία συνέβη το κεραυνικό πληγμα από το σημέιο που είναι τοποθετημένος ο μετρητής. Είναι σημαντικό όμως να ορίσουμε μία μέση απόσταση στην οποία ο μετρητής θα καταγράψει μία εκκένωση, θεωρώντας σαν ρεύμα αναφοράς του κεραυνού τη μέση τιμή της κατανομής του ρεύματος μίας εκκένωσης νέφους-γης. Τέλος καμία πληροφορία δεν μας δίνεται για τo είδος της πολικότητας του νέφους,το οποίο χαρακτηρίζει και την πολικότητα της εκκένωσης, αν είναι δηλαδή αρνητικής ή θετικής πολικότητας. Γνωρίζουμε ωστόσο πως το μεγαλύτερο ποσοστό των εκκενώσεων νέφους-γης είναι αρνητικής πολικότητας, όπως αναφέρθηκε και στο κεφάλαιο 1. 61

ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΜΕΤΡΗΤΗ CIGRE 10kHz 4.2 ΕΝΕΡΓΟΣ ΑΚΤΙΝΑ ΔΡΑΣΗΣ [7][1] Όπως τονίστηκε και νωρίτερα είναι ιδιαίτερα σημαντικό να υπολογιστεί η ενεργός ακτίνα δράσης R g του μετρητή, δηλαδή η απόσταση από το μετρητή όπου μία εκκένωση νέφους-γης θα γίνει αντιληπτή. Η απόσταση αυτή θα εξαρτάται από τη σφοδρότητα του κεραυνού, δηλαδή από την ένταση του ρεύματος του κεραυνού. Είναι πιθανό ένας κεραυνός που πέφτει σε μεγάλη απόσταση από το μετρητή και έχει μέγαλη ένταση ρεύματος να καταγραφεί από το μετρητή, ενώ μία άλλη εκκένωση σε μικρότερη απόσταση, η οποία θα έχει μικρότερη ένταση ρεύματος, να μην καταγραφεί. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η κατανομή του ρεύματος κεραυνού κατά Berger. Έχει υπολογιστεί ότι το μέσο εύρος της πρώτης εκκένωσης των αρνητικών εκκενώσεων νέφουςγης είναι τα 25 ka. Εικόνα 4.1:Κατανομή ρεύματος κεραυνών κατά Berger. 1)Πρώτη εκκένωση αρνητικών κεραυνών,2)επόμενες εκκενώσεις αρνητικών κεραυνων,3)θετικοί κεραυνοί.[1] 62

ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΜΕΤΡΗΤΗ CIGRE 10kHz Η ενεργός ακτίνα δράσης γύρω από το μετρητή δίνεται από τη σχέση: P(r): η πιθανότητα λειτουργίας του μετρητή όταν μία εκκένωση συμβαίνει σε απόσταση r (km) από αυτόν. Πρακτικά η P(r) μπορεί να υπολογιστεί από παρατήρηση. Θα πρέπει δηλαδή, για ένα μεγάλο χρονικό διάστημα και για μία ορισμένη ακτίνα, να παρατηρηθούν και να καταγράφουν οι εκκενώσεις που έλαβαν χώρα και αν αυτές καταγράφησαν από το συγκεκριμένο μετρητή. Η απόσταση στην οποία ο μετρητής μπορεί να καταγράψει το 40% των εκκενώσεων, μπορεί να θεωρηθεί αποτελεσματική ακτίνα. Γενικά η πιθανότητα P(r) λειτουργίας του μετρητή είναι γνωστή για κάθε μετρητή μετά από χρόνιες μελέτες. Η πιθανότητα P(r) είναι συνάρτηση της στατιστικής κατανομής του εύρους του ρεύματος του κεραυνού. Συνεπώς και η ενεργός ακτίνα δράσης R g θα είναι συνάρτηση της ίδιας παραμέτρου. Μετά λοιπόν από εκτεταμένες παρατηρήσεις και καταγραφές και για την κατανομή ρεύματος κεραυνού κατά Berger έχει αποφασιστεί ότι η ενεργός ακτίνα δράσης για τον μετρητή CIGRE 10kHz (για το τυποποιημένο κύκλωμα και τρόπο κατασκευής του συστήματος) είναι 20 Km. Δηλαδή ο μετρητής καταγράφει εκκενώσεις νέφους-γης σε κυκλική επιφάνεια 1.256 τετραγωνικών χιλιομέτρων με κέντρο το σημείο τοποθέτησης του μετρητή. 4.3 ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ [7] Στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ορίστηκε η κεραυνική πυκνότητα και παρουσιάστηκαν διάφοροι μέθοδοι για να υπολογιστεί θεωρητικά με εμπειρικούς τύπους. Το ζητούμενο σε αυτή την ενότητα είναι να δειχθεί πως μπορεί να εξαχθεί η τιμή της κεραυνικής πυκνότητας με χρήση των καταγραφών που έχουμε στην διάθεσή μας από τον μετρητή CIGRE 10 khz. Το ζητούμενο από το μετρητή είναι η καταγραφή των εκκενώσεων που συμβαίνουν μεταξύ νέφους και γης. Παρά το γεγονός ότι στο σχεδιασμό του μετρητή έχει ληφθεί ιδιαίτερη πρόνοια για την αποφυγή καταγραφής 63

ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΜΕΤΡΗΤΗ CIGRE 10kHz εκκενώσεων μεταξύ νεφών (ή και εσωτερικές νέφους εκκενώσεις), ο μετρητής καταγράφει και ένα μικρό ποσοστό αυτών των εκκενώσεων. Υπάρχει λοιπόν ανάγκη για γνώση του ποσοστού αυτού ή αλλιώς ο ορισμός κάποιου συντελεστή διόρθωσης που θα πολλαπλασιάζονται οι καταγραφές του μετρητή. Ορίζεται λοιπόν ο συντελεστής διόρθωσης Y g ως ο λόγος του αριθμού των εκκενώσεων νέφους-γης προς το συνολικό αριθμό όλων των τύπων εκκενώσεων ο οποίος καταγράφηκε από το μετρητή. Αν ο συντελεστής διόρθωσης είναι γνωστός τότε ο αριθμός των εκκενώσεων νέφους-γης Kg δίνεται από τον τύπο: όπου: Κ: συνολικός αριθμός εκκενώσεων που καταγράφησαν από το μετρητή. Αφού η κεραυνική πυκνότητα, όπως έχει ορισθεί και νωρίτερα είναι ο αριθμός εκκενώσεων νέφους-γης ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο. Με την χρήση του παραπάνω τύπου μπορούμε να ορίσουμε την κεραυνική πυκνότητα Ν g για κάθε μετρητή κεραυνών από τον τύπο: (κεραυνοί/km 2 ) Προφανώς για τον υπολογισμό της θα πρέπει να είναι γνωστή η ενεργός ακτίνα δράσης και ο συντελεστής διόρθωσης για κάθε τύπο μετρητή. Για το μετρητή CIGRE 10 khz αναφέρθηκε νωρίτερα ότι η ενεργός ακτίνα δράσης R g είναι 20 km. Όσον αφορά τον συντελεστή διόρθωσης έχει υπολογιστεί έπειτα από πειράματα και παρατηρήσεις ότι είναι 0,95. Και ο τύπος για την κεραυνική πυκνότητα όταν χρησιμοποιείται ο μετρητής CIGRE 10kHz γίνεται: (κεραυνοί/km 2 ) 64

ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ, ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ, ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 5.1 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΘΕΣΗ ΜΕΤΡΗΤΩΝ Από το 1985 λειτουργεί στο χώρο του Πανεπιστημίου Πατρών σταθμός για την καταγραφή κεραυνών στην ευρύτερη περιοχή Πατρών. Χρήσιμα συμπεράσματα και αποτελέσματα έχουν καταγραφεί και έχουν παρουσιαστεί σε διάφορα συνέδρεια κατά καιρούς. Ο σταθμός από την αρχή της λειτουργίας του χρησιμοποιούσε μετρητές τύπου CIGRE 10 khz, οι οποίοι χρησιμοποιούνται ευρέως, ώστε τα αποτελέσματα να μπορούν να είναι συγκρίσιμα παγκοσμίως. Από το 2000 μέχρι το 2002 ο σταθμός σταμάτησε να λειτουργεί. Από το 2006 νέος μετρητής (μετρητής 1) εγκαταστάθηκε σε ψηλό σημείο σε κτίριο του πανεπιστημίου, ο οποίος δουλεύει μέχρι και σήμερα. Ο εν λόγω μετρητής, ομως, σκιάστηκε από νεότερη κατασκευή του πανεπιστημίου και τα αποτελέσματα του δεν θεωρούνται ορθά. Παρ όλ αυτά θα τα χρησιμοποιήσουμε για να βγάλουμε κάποια γενικά συμπεράσματα. Την 1η Ιουνίου 2011 νέος μετρητής (μετρητής 2) CIGRE 10 khz εγκαταστάθηκε στην ταράτσα του ψηλότερου κτιρίου του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών, του οποίου η θέση πληρεί τις πρϋποθέσεις λειτουργίας του μετρητή. Ο μετρητής αυτός λειτουργεί μέχρι σήμερα και η ακριβής θέση του μετρητή καθώς και η εμβέλεια λειτουργίας του φαίνονται στις παρακάτω εικόνες. Στη συνέχεια αναφέρονται και σχολιάζονται οι μετρήσεις που πήραμε από το μετρητή για να βρούμε την κεραυνική πυκνότητα στην ευρύτερη περιοχή Πατρών. Συγκρίνονται με τις μετρήσεις παλαιότερων ερευνών καθώς και με τα θεωρήτικα αποτελέσματα που προκύπτουν από τις μεθόδους που αναφέρθηκαν στο Κεφάλαιο 2. 65

ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ, ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Εικόνα 5.1: Θέση και εμβέλεια Mετρητή 2. 66

ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ, ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Εικόνα 5.2: Μετρητής 2 (CIGRE 10kHz) 67

ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ, ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Εικόνα 5.3: Μετρητής 2 (CIGRE 10kHz) Εικόνα 5.4: Μετρητής 1 (CIGRE 10 khz) 68

ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ, ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 5.2 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ Επειδή παρατηρήθηκε πολύ μεγάλη απόκλιση στις μετρησεις μεταξύ των μετρητών 1 και 2, για να εξακριβωθεί ότι η αιτία ήταν η θέση του μετρητή 1, τον Φεβρουάριος τoυ 2012 (δηλαδή περίπου στο μέσον της περιόδου καταμέτρησης) αλλάξαμε τα αναλογικά κυκλώματα των δύο μετρητών βάζοντας το ένα στη θέση του άλλου. Όπως ήταν αναμενόμενο, η αιτία των αποκλίσεων ήταν όντως η διαφορά θέσης των δύο μετρητών, αφού οι δύο μετρητές έχουν υποστεί την ίδια ρύθμιση. Η θέση του πρώτου μετρητή δεν ακολουθεί αυστηρά το πρωτόκολο λειτουργίας. Ο πίνακας 5.1 δείχνει τις καταγραφές των δύο μετρητών από την αρχή εγκατάστασης του μετρητή 2 (1 η Ιουνίου 2011). ΜΗΝΑΣ Α. Κ. 1 Α. Κ. 2 Ιούνιος 2011 49 645 Ιούλιος 2011 0 6 Άυγουστος 2011 87 47 Σεπτέμβριος 2011 71 7 Οκτώβριος 2011 176 321 Νοέμβριος 2011 0 203 Δεκέμβριος 2011 96 2451 Ιανουάριος 2012 70 1607 Φεβρουάριος 2012 79 1861 Μάρτιος 2012 65 450 Απρίλιος 2012 192 861 Μάϊος 2012 87 1310 Ιούνιος 2012 3 99 Ιούλιος 2012 2 20 Άυγουστος 2012 134 828 Σεπτέμβριος 2012 304 233 Οκτώβριος 2012 163 1318 Νοέμβριος 2012 110 331 Δεκέμβριος 2012 257 1526 Πίνακας 5.1: Καταγραφές αριθμού εκκενώσεων για την περίοδο Ιούνιος 2011-Δεκέμβριος 2012. 69

ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ, ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Σχήμα 5.1: Αριθμοί εκκενώσεων για την περίοδο Ιούνιος 2011-Δεκέμβριος 2012. Για τον υπολογισμό της κεραυνικής πυκνότητας χρησιμοποιούνται μόνο οι καταγραφές του μετρητή 2, καθώς θεωρείται πιο αξιόπιστος. Χρησιμοιώντας, λοιπόν, τον τύπο, που ανεφέρθηκε στο κεφάλαιο 4, με συντελεστή διόρθωσης, ενεργό ακτίνα δράσης και υπολογίζοντας τον συνολικό αριθμό εκκενώσεων για δύο διακριτές χρονικές περιόδους, από τον Ιούνιο 2011 έως τον Ιούνιο 2012 και για το έτος 2012, υπολογίζεται η κεραυνική πυκνότητα ανά έτος για την ευρύτερη περιοχή της Πάτρας. Για την περιόδο από τον Ιούνιο 2011 έως τον Ιούνιο 2012, προκύπτει ότι μετρήθηκαν συνολικά κεραυνοί και η κεραυνίκη πυκνότητα υπολογίστηκε συνολικά, ενώ για το έτος 2012 μετρήθηκαν και η κεραυνική πυκνότητα υπολογίστηκε. Άρα στην περίοδο από τον Ιούνιο 2011 έως και τον Δεκέμριο 2012 κάθε τετραγωνικό χιλιόμετρο στην ευρύτερη περιοχή Πατρών 70

ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ, ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ επλήγει με 7,4-7,9 κεραυνούς. Στον πίνακα 5.2 φαίνεται η μηνιαία κεραυνική πυκνότητα για την σύνολο της περιόδου λειτουργίας του μετρητή 2. ΜΗΝΑΣ Ng (μηνιαίο) Ιούνιος 2011 0,49 Ιούλιος 2011 0,00 Άυγουστος 2011 0,04 Σεπτέμβριος 2011 0,01 Οκτώβριος 2011 0,24 Νοέμβριος 2011 0,15 Δεκέμβριος 2011 1,85 Ιανουάριος 2012 1,22 Φεβρουάριος 2012 1,41 Μάρτιος 2012 0,34 Απρίλιος 2012 0,65 Μάϊος 2012 0,99 Ιούνιος 2012 0,07 Ιούλιος 2012 0,02 Άυγουστος 2012 0,63 Σεπτέμβριος 2012 0,18 Οκτώβριος 2012 1,00 Νοέμβριος 2012 0,25 Δεκέμβριος 2012 1,15 Πίνακας 5.2: Αριθμός κεραυνών ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο ανα μήνα για την περίοδο Ιούνιος 2011-Δεκέμβριος 2012. Σχήμα 5.2: Αριθμός κεραυνών ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο ανα μήνα για την περίοδο Ιούνιος 2011-Δεκέμβριος 2012. 71

ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ, ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 5.3 ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΗΜΕΡΩΝ ΚΑΤΑΙΓΙΔΑΣ ΓΝΩΡΙΖΟΝΤΑΣ ΤΟ Ng [16] Ως ημέρες καταιγίδας, Τ, θεωρούνται οι ημέρες στις οποίες έγιναν αντιληπτές εκκενώσεις, δηλαδή ακούστηκαν βροντές, χωρίς όμως να γνωρίζουμε το είδος των εκκενώσεων. Στο κεφάλαιο 2 αναφέρθηκαν διάφορες σχέσεις οι οποίες συνδέουν τον αριθμό των ημερών καταιγίδας και την κεραυνική πυκνότητα μιας περιοχής. Ύστερα από εκτεταμένες παρατηρήσεις των ημερών καταιγίδας, υπολογισμού της τιμής των από τους θεωρητικούς τύπους του κεφαλαίου 2, και λαμβάνοντας υπ όψιν τα δεδομένα που παρέχει η Ε.Μ.Υ. για τον αριθμό των ημερών, η σχέση που έχει παρατηρηθεί να είναι περισσότερο αποδεκτή για την περιοχή της Πάτρας είναι η σχέση. Χρησιμοποιώντας αυτή την εξίσωση και με δεδομένες τις τιμές των κεραυνικών πυκνοτήτων όπως υπολογίστηκαν παραπάνω προκύπτει μία εκτίμηση των ημέρων καταιγίδας στην διάρκεια ενός έτους. Για την περίοδο Ιουνίου 2011-Ιουνίου 2012 προέκυψε, ενώ για το έτος 2012 Στον παρακάτω πίνακα 5.3 παρουσιάζονται οι εκτιμώμενες ημέρες καταιγίδας ανά μήνα. Σχήμα 5.3:Ng,T για τις δύο περιόδους υπολογισμού 72

ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ, ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΜΗΝΑΣ T Ιούνιος 2011 4 Ιούλιος 2011 0 Άυγουστος 2011 1 Σεπτέμβριος 2011 0 Οκτώβριος 2011 2 Νοέμβριος 2011 1 Δεκέμβριος 2011 16 Ιανουάριος 2012 11 Φεβρουάριος 2012 12 Μάρτιος 2012 3 Απρίλιος 2012 6 Μάϊος 2012 9 Ιούνιος 2012 1 Ιούλιος 2012 0 Άυγουστος 2012 5 Σεπτέμβριος 2012 2 Οκτώβριος 2012 9 Νοέμβριος 2012 2 Δεκέμβριος 2012 10 Πίνακας 5.3: Αριθμός ημερών καταιγίδας ανά μήνα. Σχήμα 5.4: Αριθμός ημερών καταιγίδας ανά μήνα. 73

ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ, ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 5.4 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ [7][15][16][19] Όπως προαναφέρθηκε, από το 1985 (με εξαίρεση το 1992) λειτουργούσε στο Πανεπιστήμιο Πατρών σταθμός μέτρησης κεραυνικής πυκνότητας, με την επιμέλεια του Εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων. Η λειτουργία του σταθμού σταμάτησε το 1999, αλλά συνέχισε να λειτουργεί από το 2006 μέχρι και σήμερα ένας μετρητής στο κτίριο του τομέα Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας ένας μετρητής, ο οποίος καταγράφει μόνο ένα μέρος των συνολικών εκκενώσεων, αφού σκιάζεται από το νεότερο κτίριο του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, επομένως οι μετρήσεις του δεν θεωρούνται ικανοποιητικές για την εξαγωγή αποτελεσμάτων. Νέος μετρητής εγκαταστάθηκε την 1 η Ιουνίου 2011 στο νεότερο κτίριο του τμήματος. Το σύνολο των γνώσεων που έχουμε για την κεραυνική πυκνότητα και τις ημέρες καταιγίδας στην ευρύτερη περιοχή Πατρών φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. ΠΕΡΙΟΔΟΣ Ng T 1985 3,9 35 1986 5 50 1987 6,6 50 1988 4,1 40 1989 4,5 25 1990 4 38 1991 5,1 37 1993 3 41 1994 3,4 33 1995 1,4 41 1996 2,4 40 1997 3,5 35 1998 2,5 (36) 1999 3 (37) ΙΟΥΝ '11-ΙΟΥΝ'12 7,4 (65) 2012 7,9 (69) Πίνακας 5.4: Αριθμός ημερών καταιγίδας και κεραυνική πυκνότητα.[16] 74

ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ, ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Σχήμα 5.5: Κεραυνική πυκνότητα. Σχήμα 5.6: Αριθμός ημερών καταιγίδας. 75

ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ, ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Οι τιμές μέσα στις παρενθέσεις έχουν προκύψει με βάση τις μετρήσεις από τον μετρητή, ενώ οι υπόλοιπες είναι τιμές από το αρχείο της Εθνικής Μετεωρολογικής Υπηρεσίας. Από τον πίνακα 5.4 φαίνεται ότι η κεραυνική πυκνότητα στην ευρύτερη περιοχή Πατρών έχει αυξηθεί πολύ συγκριτικά με τα προηγούμενα χρόνια, για τα οποία η τιμή της ήταν γνωστή. Αυτό σημαίνει πως ο συνολικός αριθμός εκκενώσεων, και συνεπώς ο αριθμός εκκενώσεων νέφους-γης, αλλά και ο αριθμός των ημερών καταιγίδας, όπως φαίνεται άλλωστε και από τον πίνακα 5.4 αυξήθηκαν. Αν θεωρήσουμε έναν μέσο όρο για τα προηγούμενα χρόνια,ο οποίος υπολογίζεται ανά έτος, φαίνεται πως η αύξηση της κεραυνικής πυκνότητας ξεπερνάει το 100%, αφού το ετός 2012 υπολογίστηκε. Κοντά σε αυτήν την τιμή είχε κινηθεί πιο παλιά, το 1987, όπου είχε εκτιμηθεί, όπου είχε παρουσιαστεί ξαφνική αλλαγή συγκριτικά με τις υπόλοιπες χρονολογίες που κυμαινόταν περί τους. Επίσης η περίοδος καταμέτρησης κεραυνών μας επιτρέπει να βγάλουμε το συμπέρασμα ότι γενικά ο Ιούλιος είναι ο μήνας με την χαμηλότερη κεραυνική δραστηριότητα, ενώ παρουσιάζεται ιδιαίτερα αυξημένη του χειμερινούς μήνες. Παρόλο που δεν χρησιμοποιήθηκε για την εξαγωγή συμπερασμάτων αξίζει να σημειωθεί ότι για τον μετρητή 1 υπολογίστηκε ένας μέσος όρος του ποσοστού των εκκενώσεων των οποίων καταγράφει συγκριτικά με τον μετρητή 2 και είναι περίπου το 14%. Αυτό όπως εξηγήθηκε παραπάνω συμβαίνει λόγω σκίασης του μετρητή 1 από το νεότερο κτίριο της σχολής, αλλά υπάρχει πιθανότητα να συμβαίνει και λόγω της υψομετρικής τους διαφοράς. Γενικά ο μετρητής 2 βρίσκεται σε ψηλότερο σημείο από οποιονδήποτε άλλο μετρητή 76

ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ, ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ έχει εγκατασταθεί ποτέ στον χώρο του Πανεπιστημίου Πατρών. Αυτό σημαίνει πως ο μετρητής μπορεί να έχει μεγαλύτερη εμβέλεια από την θεωρητικά υπολογισμένη ή ακόμα και να καταγράφει περισσότερες εκκενωσεις νέφους. Αυτό το φαινόμενο γενικά είχε παρατηρηθεί και στον παλαιότερο σταθμό μέτρησης, αλλά και μετά από πειράματα έξι ετών πού είχαν πραγματοποιηθεί στην Νότιο Αφρική. Ότι δηλαδή η εμβέλεια του μετρητή αλλάζει ανάλογα με την μορφολογία του εδάφους (τα θεωρητικά μεγέθη του μετρητή αλλάζουν, γιατί είναι υπολογισμένα για συγκεκριμένη κατανομή ρεύματος) και το ύψος του μετρητή. Είναι λοιπόν κι αυτός ένας παράγοντας στον οποίο μπορεί να οφείλεται η αύξηση στν κεραυνική πυκνότητα για την περίοδο παρατήρησης μας. Επιπλέον πρέπει να αναφερθεί ότι για 15-20 ημέρες από τα τέλη Αυγούστου 2011 μέχρι τα μέσα Σεπτεμβρίου 2011, ο μετρητής δεν λειτούργησε λόγω βλάβης στην μπαταρία. Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα να μην καταγραφούν εκκενώσεις οι οποίες έλαβαν χώρα σε καταιγίδα που συνέβει εκείνη την περίοδο. Λαμβάνοντας υπ όψιν το παραπάνω ποσοστό, μεταξύ των καταγραφών των δύο μετρητών, υπολογίζεται ότι εκέινη την περίοδο δεν καταγράφησαν από τον μετρητή 2 περίπου 1000 εκκενώσεις. Αν το ποσοστό αυτό θεωρηθεί μετά από παρατηρήσεις ότι ισχύει γενικά, τότε η τιμή της κεραυνικής πυκνότητας για την περίοδο Ιούνιου 2011-Ιουλίου 2012 παίρνει την τιμή, τιμή αρκετά υψηλή αλλά πιο κοντά σε αυτή του έτους 2012. Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι μετά από παρατήρηση βγάλαμε το συμπέρασμα ότι η σχέση δίνει μία πολύ καλή και ρεαλιστική προσέγγιση των πραγματικών ημερών καταιγίδας, συμπέρασμα που είχαν βγάλει και οι ερευνητές στο πανεπιστήμιο Πατρών την περίοδο 1985-1999. Επίσης η ισχύς της παραπάνω σχέσης φαίνεται και από το αρχείο του Εθνικού Αστεροσκοπίου Ελλάδος (Ε.Α.Ε.) όπου εκτίμησε ότι το 2012 ο 77

ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ, ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ αριθμός των ημερών καταιγίδας για την ίδια περιοχή ήταν 65, αριθμός πολύ κοντά στην εκτίμηση που προέκυψε από τα δεδομένα του μετρητή 2 χρησιμοποιώντας τον παραπάνω τύπο (69 ημέρες). Όπως είχε αποδειχθεί και παλαιότερα, βγάζουμε το συμπέρασμα ότι η τιμή για τον αριθμό των ημερών καταιγίδας που δίνεται από τον ισοκεραυνικό χάρτη της Ελλάδας (25 ημέρες καταιγίδας ανά έτος) δεν ισχύει. Επίσης αποδεικνύεται η ορθότητα της τιμής της κεραυνικής πυκνότητας που υπολογίσαμε για το έτος 2012. Έχει παρατηρηθεί πως γενικά η τιμή της κεραυνικής πυκνότητας μιας περιοχής πρέπει να μετράτε για διάστημα έντεκα ετών και να βγαίνει κάποιος μέσος όρος, ο οποίος θα θεωρείται η αντιπροσωπευτική τιμή για την κάθε περιοχή. Ήδη φαίνεται από την παρατήρηση της κεραυνικής δραστηριότητας στην ευρύτερη περιοχή Πατρών σε χρονικό διάστημα ενάμιση χρόνου, ότι η κεραυνική πυκνότητα στην ευρύτερη περιοχή δείχνει να έχει αυξηθεί αρκετά συγκρίνοντας την με τα προηγούμενα έτη για τα οποία έχουμε μετρήσεις. Αυτό δεν μπορεί όμως να θεωρηθεί σαν αντιπροσωπευτικός αριθμός για την κεραυνική πυκνότητα γιατί αναφέρεται σε ένα σχετικά μικρό χρονικό διάστημα. Είναι λοιπόν σημαντικό η καταμέτρηση και εκτίμηση των κεραυνικών φαινομένων να συνεχιστεί, έτσι ώστε να υπάρχει μια πιο σφαιρική γνώση για την εξέλιξη της κεραυνικής δραστηριότητας στην περιοχή και να επαναπροσδιοριστεί εκ νέου η τιμή της, αφού επηρεάζει άμεσα τους κανόνες και τις διατάξεις προστασίας που την διέπουν. 78

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] R.H. Golde: Lightning, Vol. 1: Physics of lightning, Academic Press, 1977 [2] Ε.ΠΥΡΓΙΩΤΗ: ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΑΠΟ ΚΕΡΑΥΝΟΥΣ, Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών, Πάτρα, 2009 [3] www.scifun.ed.ac.uk [4] http://en.wikipedia.org/wiki/file:atlanta_lightning_strike_edit1.jpg [5] http://en.wikipedia.org/wiki/file:cloud_to_cloud_lightning_strike_nov08.j pg [6] http://eoimages.gsfc.nasa.gov/images/imagerecords/6000/6679/global_light ning_lrg.jpg [7] R.B. Anderson, H.R. van Niekerk, S.A. Prentice and D. Mackerras: Improved lightning flash counters, ELEK 151, NEERI, Pretoria, July 1978 [8] H.R. van Niekerk, General description and specification of the RSA 10 lightning flash counters, ELEK 50, NEERI, Pretoria 1974 [9] R.B. Anderson, The application of lightning flash counters to the determination of thunderstorm parameters ELEK 54, NEERI, Pretoria, July 1974 [10] D. Mackerras, M. Darveniza and P. Hettrick: The CGR4 lightning sensor, Australian Meteorological and Oceanographic Journal 58 (2009) 263-273 [11] Gerhard Diendorfer: LIGHTNING LOCATION SYSTEM, IX International Symposium on Lightning Protection, 26 th 30 th November 2007, Foz do Iguaçu, Brazil [12] http://thunder.msfc.nasa.gov/lis/ [13] http://thunder.msfc.nasa.gov/cgi-bin/lis/lis_cal.pl [14] http://thunder.msfc.nasa.gov/data/query/mission.png [15] C. MENEMENLIS, G. KOTTIS: Recording of Lightning Activity in the Region around Patras for the Period February 1985 November 1991, Tech. Chron.-B, Greece 1992, Vol. 12, No 4 [16] E. Pyrgioti, D. Agoris, C. Menemenlis, P. Stavropoulos: RECORDING LIGHTNING ACTIVITY IN PATRAS GREECE AND CORRELATION WITH OUTAGES OF DISTRIBUTION LINES, 25 th International Conference on Lightning Protection, Rhodes Greece, 18 22 September 2000 79

[17] Kuleshov, Y., and E. R. Jayaratne (2004): Estimates of lightning ground flash density in Australia and its relationship to thunder-days, Aust. Meteorol. Mag. 53, 189-196 [18] Martin A. Uman INTERNATIONAL GEORHYSICS SERIES VOLUME 29: The lightning Discharge, Academic Press, 1987 [19] http://penteli.meteo.gr/stations/patra-romanos/noaapryr.txt 80

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Στο παράρτημα αυτό εμπεριέχονται φωτογραφίες από την διαδικασία της τοποθέτησης του μετρητή, καθώς και φωτογραφίες του αναλογικού κυκλώματος CIGRE 10kHz. 81

82

83