ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ, ΤΜΗΜΑ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ ΤΟΜΕΑΣ ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΚΛΙΜΑΤΟΛΟΓΙΑΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ, ΤΜΗΜΑ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ ΤΟΜΕΑΣ ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΚΛΙΜΑΤΟΛΟΓΙΑΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΕΚΚΕΝΩΣΕΩΝ ΣΤΟΝ ΕΛΛΑΔΙΚΟ ΧΩΡΟ ΚΑΙ ΣΧΕΣΗ ΑΥΤΩΝ ΜΕ ΤΟΝ ΥΕΤΟ ΡΟΥΠΑ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΦΥΣΙΚΟΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2009

ΡΟΥΠΑ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΦΥΣΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΕΚΚΕΝΩΣΕΩΝ ΣΤΟΝ ΕΛΛΑΔΙΚΟ ΧΩΡΟ ΚΑΙ ΣΧΕΣΗ ΑΥΤΩΝ ΜΕ ΤΟΝ ΥΕΤΟ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ που υποβλήθηκε στον Τομέα Μετεωρολογίας και Κλιματολογίας του Τμήματος Γεωλογίας της Σχολής Θετικών Επιστημών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2009

Η ανάπτυξη και υποστήριξη της Μεταπτυχιακής Διατριβής Ειδίκευσης έγινε ενώπιον της Τριμελούς Εξεταστικής Επιτροπής, στις 7 Ιουλίου 2009. Την εξεταστική επιτροπή αποτέλεσαν οι: Καρακώστας Θεόδωρος, Καθηγητής ΑΠΘ, Επιβλέπων Ζάνης Πρόδρομος, Επίκουρος Καθηγητής ΑΠΘ Φείδας Χαράλαμπος, Επίκουρος Καθηγητής ΑΠΘ

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ 1 1.1 Αντικείμενο της μελέτης 1 1.2 Αντικειμενικός σκοπός και οργάνωση της μελέτης 1 1.3 Σημασία της μελέτης 2 1.4 Ιστορική αναφορά 3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ 9 2.1 Χαρακτηριστικά των καταιγιδοφόρων νεφών 9 2.1.1 Τυπική απομονωμένη καταιγίδα 10 2.1.2 Συστήματα κατακόρυφης ανάπτυξης μέσης κλίμακας 14 2.2 Κατανομή φορτίου σε καταιγιδοφόρο νέφος και πεδίο διηλεκτρικής κατάρρευσης 16 2.3 Τύποι ηλεκτρικών εκκενώσεων 17 2.4 Η διαδικασία της αρνητικής ηλεκτρικής εκκένωσης νέφους-εδάφους 19 2.5 Η θετική ηλεκτρική εκκένωση νέφους-εδάφους 23 2.6 Θερμικά και ακουστικά αποτελέσματα της ηλεκτρικής εκκένωσης νέφους-εδάφους 25 2.7 Μηχανισμοί φόρτισης των καταιγιδοφόρων νεφών 28 2.8 Ανίχνευση των ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους 30 2.9 Χαρακτηριστικά των ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους 36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ 39 3.1 Το παγκόσμιο ηλεκτρικό κύκλωμα 39 3.2 Ηλεκτρικές εκκενώσεις νέφους-εδάφους 42 3.2.1 Το σύστημα ATD του UK MetOffice 42 3.2.2 Το σύστημα Zeus του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών 43 3.3 Πρόσθετα μετεωρολογικά δεδομένα 44 3.3.1 Ύψη υετού 44 3.3.2 Δεδομένα ραντάρ 45 3.3.3 Ραδιοβολίσεις 45 3.3.4 Συνοπτικοί χάρτες 45 3.4 Μεθοδολογία 45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ: ΑΝΑΛΥΣΗ 48

4.1 Χρονική κατανομή των ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους 48 4.2 Χωρική κατανομή των ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους 51 4.3 Σχέση των ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους με τον υετό 56 4.4 Μελέτη καταιγίδων στην ευρύτερη περιοχή της Θεσσαλονίκης 74 4.4.1 Περίπτωση 21.5.2003 76 4.4.2 Περίπτωση 29.6.2003 78 4.4.3 Περίπτωση 20.8.2003 80 4.4.4 Περίπτωση 24.8.2003 82 4.4.5 Περίπτωση 18.5.2004 84 4.4.6 Περίπτωση 9.8.2004 86 4.4.7 Περίπτωση 20.5.2005 88 4.4.8 Περίπτωση 28.5.2005 90 4.4.9 Περίπτωση 13.7.2005 92 4.4.10 Περίπτωση 21.7.2005 94 4.4.11 Περίπτωση 5.8.2005 96 4.4.12 Περίπτωση 28.9.2005 99 4.4.13 Περίπτωση 30.9.2005 101 4.4.14 Περίπτωση 25.8.2003 103 4.4.15 Περίπτωση 1.6.2006 104 4.4.16 Περίπτωση 9.7.2006 105 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 106 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 112 ΠΕΡΙΛΗΨΗ 117

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή ειδίκευσης έχει τίτλο Χαρακτηριστικά των ηλεκτρικών εκκενώσεων στον ελλαδικό χώρο και σχέση αυτών με τον υετό και εκπονήθηκε στα πλαίσια των μεταπτυχιακών μου σπουδών στον Τομέα Μετεωρολογίας και Κλιματολογίας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τον επιβλέποντα καθηγητή μου, κ. Θεόδωρο Καρακώστα που μου έδωσε την ευκαιρία να μελετήσω αυτό το συναρπαστικό καιρικό φαινόμενο όσο το δυνατόν περισσότερο και θα ήθελα να εκφράσω την βαθύτερή μου ευγνωμοσύνη και εκτίμηση για τις συμβουλές, την καθοδήγησή και την υποστήριξη του στη δύσκολη αυτή προσπάθεια της ολοκλήρωσης της Μεταπτυχιακής μου Διατριβής. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τα μέλη της Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής, τον Επίκουρο Καθηγητή κ. Χαράλαμπο Φείδα και τον Επίκουρο Καθηγητή κ. Πρόδρομο Ζάνη για τις πολύτιμες συμβουλές και τις εποικοδομητικές τους παρατηρήσεις στο τελικό στάδιο της διατριβής. Ένα θερμό ευχαριστώ στον καθηγητή κ. Πέτρο Πέννα, για την εγκάρδια βοήθεια και καθοδήγησή του στη διεξαγωγή της μετεωρολογικής παρατήρησης και στους καθηγητές κ. Τιμολέων Μακρογιάννη και κ. Παναγιώτη Μαχαίρα, που ήταν πάντα πρόθυμοι να βοηθήσουν οποτεδήποτε το ζήτησα και για την παροχή των συνοπτικών χαρτών, στον καθηγητή κ Αντώνη Μπλούτσο για τη λεπτομερή εξήγηση των οργάνων μέτρησης του ανέμου και της ηλιακής και γήινης ακτινοβολίας καθώς και σε όλους τους καθηγητές του τομέα για τις γνώσεις που μου προσέφεραν κατά τη διάρκεια των μεταπτυχιακών μου σπουδών. Θα ήθελα ακόμη να ευχαριστήσω τον κ. Κωνσταντίνο Λαγουβάρδο για την παροχή των δεδομένων ηλεκτρικών εκκενώσεων, τον Λέκτορα κ. Ιωάννη Πυθαρούλη για την παροχή των δεδομένων βροχόπτωσης και τον Οργανισμό Ελληνικών Γεωργικών Ασφαλίσεων (Ε.Λ.Γ.Α.) για την παροχή δεδομένων ραντάρ. Δεν θα μπορούσα να ξεχάσω τη σημαντική βοήθεια που μου προσέφεραν οι υποψήφιοι διδάκτορες, Ευθύμιος Σερπετζόγλου και Ιωάννης Τεγούλιας, οι οποίοι ανταποκρίθηκαν ευγενικά κάθε φορά που ζήτησα τη βοήθειά τους και να τους ευχαριστήσω για τις δεξιότητές τους στον προγραμματισμό. Θα μου έπαιρνε για πάντα να γράψω τέτοια προγράμματα.

Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένεια μου που ήταν ενθαρρυντικοί σε οποιαδήποτε προσπάθεια επέλεξα να ακολουθήσω και κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ 1.1 Αντικείμενο της μελέτης Οι ηλεκτρικές εκκενώσεις νέφους-εδάφους είναι ένα καταστροφικό καιρικό φαινόμενο που επηρεάζει διάφορες περιοχές της γης κάθε χρόνο. Οι Curran et al. (2000) βρήκαν ότι οι ηλεκτρικές εκκενώσεις είναι το δεύτερο καιρικό φαινόμενο που προκαλεί τους πιο πολλούς θανάτους στις Ηνωμένες Πολιτείες ύστερα από τις πλημμύρες. Καταιγίδες εμφανίζονται στις εύκρατες και τροπικές περιοχές του πλανήτη, ενώ είναι πιο σπάνιες στις πολικές περιοχές και σε γεωγραφικά πλάτη μεγαλύτερα από 50 ο N και από 50 ο S. Έχει υπολογιστεί ότι οποιαδήποτε χρονική στιγμή 1.800 καταιγίδες μαίνονται σε ολόκληρη τη γη. Οι πιο πολλοί άνθρωποι πιστεύουν ότι οι καταιγίδες σχετίζονται με θερμά νέφη, ωστόσο πρόσφατες δορυφορικές παρατηρήσεις δείχνουν ότι τα νέφη που παρουσιάζουν ηλεκτρική δραστηριότητα περιέχουν ένα υψηλό περιεχόμενο σε πάγο. Το μεγαλύτερο μυστήριο που παραμένει στη μελέτη των ηλεκτρικών εκκενώσεων είναι ότι τα μεγαλύτερα ηλεκτρικά πεδία που μετρούνται στις καταιγίδες είναι μία τάξη μικρότερα των 100 kv/m που απαιτούνται για την ηλεκτρική κατάρρευση του ατμοσφαιρικού αέρα. Ίσως ένας άλλος μηχανισμός ευθύνεται για τη διέγερση των ηλεκτρονίων μέχρι το σημείο της ηλεκτρικής κατάρρευσης και την έναρξη της ηλεκτρικής εκκένωσης, όπως η κοσμική ακτινοβολία. 1.2 Αντικειμενικός σκοπός και οργάνωση της μελέτης 1

Στην εργασία αυτή παρουσιάζονται δεδομένα ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφουςεδάφους που αφορούν τον ευρύτερο Ελλαδικό χώρο, σημειακά ύψη 6ωρου υετού 20 μετεωρολογικών σταθμών, δεδομένα του ραντάρ καιρού του αεροδρομίου ΜΑΚΕΔΟΝΙΑ, ραδιοβολίσεις του μετεωρολογικού σταθμού της Μίκρας και ισοβαρικοί χάρτες των 500 hpa και της επιφάνειας. Ο σκοπός της παρούσας μελέτης είναι να εξεταστεί αν υπάρχει σχέση ανάμεσα στο ύψος της βροχόπτωσης που μετράται από έναν σταθμό και του αριθμού των ηλεκτρικών εκκενώσεων που καταγράφονται γύρω από μια κυκλική περιοχή ακτίνας 10 km με κέντρο το μετεωρολογικό σταθμό. Επιπλέον, θα γίνει μια προσπάθεια εκτίμησης του περιεχομένου των νεφών σε πάγο χρησιμοποιώντας δεδομένα του ραντάρ καιρού, αξιολογώντας έτσι τη μικροφυσική κατάσταση των νεφών σε σχέση με τον αριθμό των ηλεκτρικών εκκενώσεων. Τα κατακόρυφα προφίλ διάφορων θερμοδυναμικών παραμέτρων σε συνδυασμό με τις επικρατούσες συνοπτικές καταστάσεις δίνουν πληροφορίες για την κατάσταση του καιρού κατά τη διάρκεια 15 καταιγίδων που παρατηρήθηκαν στην περιοχή της Θεσσαλονίκης κατά τη θερμή περίοδο των ετών 2003-2006. Στο κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται το θεωρητικό υπόβαθρο των ηλεκτρικών εκκενώσεων από δυναμική, μικροφυσική και ηλεκτρική θεώρηση. Στο κεφάλαιο 3 περιγράφονται τα δεδομένα, τα οποία κατηγοριοποιούνται σε δεδομένα ηλεκτρικών εκκενώσεων και σε πρόσθετα μετεωρολογικά δεδομένα που αφορούν ύψη υετού, δεδομένα ραντάρ, ραδιοβολίσεις και συνοπτικούς χάρτες. Επίσης, στο κεφάλαιο 3 περιγράφεται η μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε σε αυτή τη μελέτη. Στο κεφάλαιο 4 αναφέρεται η χρονική και η χωρική κατανομή των ηλεκτρικών εκκενώσεων, η σχέση τους με τα ύψη βροχόπτωσης και η μελέτη 15 περιπτώσεων καταιγίδας μέτριας μέχρι ισχυρής έντασης στην περιοχή της Θεσσαλονίκης. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται τα συνολικά αποτελέσματα της μελέτης, καθώς και τα συμπεράσματα με κάποιες απόψεις για μελλοντικές ερευνητικές προσπάθειες. 1.3 Σημασία της μελέτης Η ηλεκτρική εκκένωση νέφους-εδάφους έχει μελετηθεί πιο εντατικά από τους άλλους τύπους εκκενώσεων εξαιτίας του πρακτικού της ενδιαφέροντος (π.χ. όπως αιτία 2

τραυματισμού ή θανάτου, διαταραχές στα συστήματα παροχής και επικοινωνίας, και έναυσμα δασικών πυρκαγιών) και επειδή είναι πιο εύκολο να μελετηθεί με οπτικά όργανα κάτω από το επίπεδο του νέφους. Η επιχειρησιακή χρήση των δεδομένων των ηλεκτρικών εκκενώσεων για τη διάγνωση καταιγίδων απαιτεί να γνωρίζουμε τον τρόπο που οι μικροφυσικές και δυναμικές διαδικασίες των νεφών κατακόρυφης ανάπτυξης επηρεάζουν την παραγωγή ηλεκτρικής δραστηριότητας. Υπάρχει μια σαφής ένδειξη ότι η ηλεκτρική δραστηριότητα εμφανίζεται ύστερα από έντονη κατακόρυφη ανάπτυξη που συνοδεύεται από ανάπτυξη πάγου (Carey and Rutledge, 1996). Λόγω αυτού του γεγονότος μπορεί να θεωρηθεί ότι ένας αυξημένος αριθμός ηλεκτρικών εκκενώσεων είναι απόδειξη ύπαρξης υετού που προέρχεται από νέφη κατακόρυφης ανάπτυξης. Εξετάζοντας πώς αλλάζει η ηλεκτρική δραστηριότητα ως συνάρτηση της παραγωγής υετού μπορούμε να καταλάβουμε πώς οι μικροφυσικές και δυναμικές διαδικασίες των νεφών κατακόρυφης ανάπτυξης επηρεάζουν την παραγωγή ηλεκτρικής δραστηριότητας. Όπως ανακεφαλαιώνεται από τον Saunders (1995), ο Mason θεωρεί ότι επαρκές φορτίο πρέπει να δημιουργηθεί και να διαχωριστεί για να παράγει την πρώτη ηλεκτρική εκκένωση μέσα σε 10-15 min από την εμφάνιση των στοιχείων υετού μέσα στο νέφος που ανιχνεύεται από ένα ραντάρ. 1.4 Ιστορική αναφορά Ο Battan (1965) βρήκε μια στατιστικά σημαντική συσχέτιση ανάμεσα στη μέση βροχόπτωση και στον αριθμό των ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους. Αυτός εξέτασε δεδομένα από τα βουνά της Santa Catalina από το 1957 μέχρι το 1962. Οι Murty et al. (1983) βρήκαν για μια περιοχή 400 km 2 γύρω από την Uppsala μια τάση προς μεγαλύτερα ύψη βροχόπτωσης καθώς το ποσοστό των θετικών ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους μειωνόταν. Συγκεκριμένα, αν η μέση βροχόπτωση ξεπερνούσε τα 4 mm, δεν παρατηρούνταν καμία θετική ηλεκτρική εκκένωση. Ο Shih (1988) εξέτασε ηλεκτρικές εκκενώσεις νέφους-εδάφους και παρατηρήσεις βροχόπτωσης από το Kennedy Space Center της Φλόριντα κατά τη διάρκεια των καλοκαιριών 1977 και 1978. Αυτός σύγκρινε τη μέση ολική βροχόπτωση μιας περιοχής 250 km 2 από 25 βροχόμετρα με το μέσο ρυθμό και το μέγιστο ρυθμό ηλεκτρικών εκκενώσεων. Και οι δύο παράμετροι ήταν στατιστικά σημαντικοί προγνώστες. 3

Ο Kane (1990) έκανε μία ανάλυση, που βασιζόταν αποκλειστικά σε δεδομένα ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους, ενός τοπικού γεγονότος το οποίο συνέβη στο ανατολικό Οχάιο στις 14 Ιουνίου 1990. Αυτός πρόσεξε τη συνύπαρξη περιοχών που έλαβαν περισσότερο από 3 ίντσες βροχής και περιοχών πυκνών ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους. Επίσης, πρόσεξε μια άλλη περιοχή εξίσου πυκνών ηλεκτρικών εκκενώσεων στην οποία όμως δεν παρατηρήθηκε υπερβολική βροχόπτωση. Οι Curran και Rust (1992) εξέτασαν δύο καταιγίδες «χαμηλής-βροχόπτωσης» (low precipitation, LP) στην Οκλαχόμα το 1984 και βρήκαν ότι κατά τη διάρκεια αυτού του σταδίου (LP) το 60 % των ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους ήταν θετικές. Ο Kane (1993) εξετάζοντας μια απομονωμένη καταιγίδα δυτικά της Ουάσινγκτον, βρήκε μια έντονη χωρική συσχέτιση ανάμεσα στις ηλεκτρικές εκκενώσεις νέφους-εδάφους και τη βροχόπτωση. Αυτή η μελέτη είναι η μοναδική στην οποία χρησιμοποιήθηκαν κύκλοι διαφορετικών ακτινών συγκρίνοντας σημειακές τιμές βροχόπτωσης με τις ηλεκτρικές εκκενώσεις μέσα στον κύκλο. Από τις τρεις διαφορετικές ακτίνες που εξετάστηκαν (10 km, 20 km και 30 km) καμία δεν αποδείχτηκε να είναι περισσότερο στατιστικά σημαντική από την άλλη. Ο Zipser (1994) βρήκε ότι σε μέρη της δυτικής Αφρικής, στην Ωκεανία και άλλες περιοχές του ισημερινού, κλιματολογικά παρατηρείται ελάχιστη ηλεκτρική δραστηριότητα κατά τους μήνες της μέγιστης βροχόπτωσης. Το φαινόμενο αποδόθηκε στο ότι αυτές οι περιοχές επηρεάζονται κυρίως από τροπικές θαλάσσιες καταιγίδες. Οι κατακόρυφες ταχύτητες του ανέμου σε αυτές τις καταιγίδες δεν είναι αρκετά ισχυρές για να παράγουν επαρκείς συγκρούσεις μεταξύ των υδρομετεώρων προκειμένου να διαχωριστούν τα φορτία. Σύμφωνα με τους Solomon και Baker (1993), οι οποίοι μελέτησαν μια σειρά καταιγίδων πάνω από το Νέο Μεξικό που συνέβησαν μεταξύ Ιουλίου και Αυγούστου το 1984, η ηλεκτρική εκκένωση θα παρατηρηθεί αν τα ανοδικά ρεύματα είναι αρκετά μεγάλα (w min =2,5 m/s) και εφόσον διατηρούνται αρκετά (τ cz =600 s) για να διαχωρίσουν το φορτίο. Ένας μετεωρολόγος του Πανεπιστημίου της Αλαμπάμα, ο Walter Petersen (2001) ανάλυσε παρατηρήσεις ηλεκτρικών εκκενώσεων και υετού από το 1998 μέχρι το 2000 που είχαν ληφθεί από το ραδιόμετρο του TRMM, που εκτοξεύτηκε το 1997. Η σχέση ανάμεσα στον αριθμό των ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους και την ποσότητα των παγοκρυστάλλων που περιέχουν τα νέφη είναι η ίδια ανεξάρτητα των διαφορετικών ατμοσφαιρικών συνθηκών που επικρατούν πάνω από ωκεανούς, ακτές και ηπείρους. Η 4

σχέση ανάμεσα στη βροχόπτωση και τον αριθμό των ηλεκτρικών εκκενώσεων δεν παρουσιάζει την ίδια συνέπεια. Το αποτέλεσμα επιβεβαιώνει τις υποθέσεις σχετικά με τη φυσική των ηλεκτρικών εκκενώσεων και τον πάγο. Υπάρχει μια γενική σχέση ανάμεσα στην ανακλαστικότητα ραντάρ και στις αρνητικές ηλεκτρικές εκκενώσεις νέφους-εδάφους. Οι περιοχές προέλευσης των ηλεκτρικών εκφορτίσεων εντοπίζονται κοντά στην περιοχή της υψηλότερης ανακλαστικότητας. Οι Lhermitte και Williams (1985) μελέτησαν μία καταιγίδα στην περιοχή του Kennedy Space Center στη Φλόριντα χρησιμοποιώντας δύο C-band και ένα X-band ραντάρ καθώς και ένα σύστημα LDAR (Lightning Detection And Ranging system). Αυτοί διαπίστωσαν την ύπαρξη ενός υψομέτρου, στο οποίο ο αριθμός των σωματιδίων που κινούνται προς τα πάνω είναι ίσος με τον αριθμό των σωματιδίων που κινούνται προς τα κάτω (επίπεδο ισορροπίας, 6-7 km πάνω από τη μέση στάθμη θάλασσας). Οι συγκρούσεις των σωματιδίων επικρατούν σε αυτό το επίπεδο και ενδεχομένως με μεγάλες ταχύτητες. Αυτοί κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η πηγή των ηλεκτρικών εκκενώσεων βρίσκεται στο μέσο της απόστασης των κέντρων του θετικού και αρνητικού φορτίου, αλλά μετατοπίζεται οριζόντια στην κατεύθυνση κίνησης της καταιγίδας. Οι Atlas και Williams (2002) χρησιμοποίησαν παρατηρήσεις από ένα αεροσκάφος σε συνδυασμό με τα δεδομένα ενός S-POL ραντάρ και ενός 915 MHz ραντάρ κατακόρυφου προφίλ καταιγιδοφόρου νέφους για να μελετήσουν καταιγίδες στη Βραζιλία. Υπάρχουν δύο φάσεις ανάπτυξης μιας καταιγίδας. Μία θερμή φάση στην οποία επικρατεί η βροχή και δεν παρατηρούνται ηλεκτρικές εκκενώσεις και μία ψυχρή φάση στην οποία το νέφος έχει φθάσει στο επίπεδο παγοποίησης, υπάρχουν σωματίδια πάγου και χαλαζιού και ανιχνεύεται ηλεκτρική δραστηριότητα. Στη δεύτερη φάση της καταιγίδας αυτοί παρατήρησαν μια απότομη αύξηση στην ολική ανακλαστικότητα μέχρι τη μέγιστη τιμή των 45 dbz σε ύψος 7-8 km όταν το επίπεδο ισορροπίας βρισκόταν σε ύψος 6,5-8 km πάνω από το επίπεδο παγοποίησης (5 km) και την οποία θεώρησαν ως μία ηχώ ηλεκτρικής εκκένωσης (lightning echo). Οι Altaratz, Levin και Yair (2001) μελέτησαν τα χαρακτηριστικά των χειμερινών καταιγίδων στην περιοχή της ανατολικής Μεσογείου χρησιμοποιώντας ραντάρ καιρού και σύστημα εντοπισμού ηλεκτρικών εκκενώσεων. Οι περισσότερες καταιγίδες στην 5

ανατολική Μεσόγειο συμβαίνουν την εποχή του χειμώνα από το Δεκέμβριο μέχρι το Φεβρουάριο και σε μικρότερη έκταση την άνοιξη (Μαρ-Απρ) και το φθινόπωρο (Οκτ- Νοε). Αυτές οι καταιγίδες συχνά σχετίζονται με το πέρασμα κυκλώνων, των «χαμηλών της Κύπρου» που προέρχονται από τη νότια Ευρώπη και κινούνται προς το βόρειο τμήμα της ανατολικής Μεσογείου. Μια διαφορετική, λιγότερο επικρατούσα συνοπτική κατάσταση που ευνοεί την εμφάνιση καταιγίδων στην περιοχή είναι ο αυλώνας της Red Sea, ένα τροπικό κύμα χαμηλής πίεσης από τη Red Sea που διεισδύει προς τη Μεσόγειο. Από τη μελέτη τους προέκυψε ότι ο μέγιστος ρυθμός ηλεκτρικών εκκενώσεων συσχετίζεται χρονικά με τη μέγιστη ανακλαστικότητα του ραντάρ. Η μέγιστη ανακλαστικότητα (45 50 dbz) βρίσκεται σε επίπεδα θερμοκρασιών ανάμεσα στους -10 μέχρι -20 O C, στην περιοχή της μικτής φάσης του νέφους, όπου λαμβάνουν χώρα οι διαδικασίες διαχωρισμού φορτίου. Παγκόσμιες παρατηρήσεις της ηλεκτρικής δραστηριότητας από δορυφορικές πλατφόρμες δείχνουν ότι κατά το χειμώνα του βόρειου ημισφαιρίου, η συχνότητα των ηλεκτρικών εκκενώσεων πάνω από την ηπειρωτική ενδοχώρα της Ευρώπης και της Ασίας είναι υπερβολικά χαμηλή. Ωστόσο, η περιοχή της ανατολικής Μεσογείου επιδεικνύει μια αξιοσημείωτη και διατηρούμενη ηλεκτρική δραστηριότητα κατά τη διάρκεια των χειμερινών μηνών (Δεκ-Ιαν-Φεβ). Ενώ η πλειοψηφία των καταιγίδων φαίνεται να συμβαίνει πάνω από τα σχετικά θερμά θαλάσσια νερά, κάποιες καταιγίδες διασχίζουν την ξηρά. Η θάλασσα της Ιαπωνίας είναι επίσης μια σημαντική περιοχή γένεσης ηλεκτρικών εκκενώσεων το χειμώνα. Οι Seliga et al. (2002) χρησιμοποίησαν δεδομένα ηλεκτρικών εκκενώσεων (NLDN) και ραντάρ (NEXRAD) για να διακρίνουν γεγονότα υετού που προέρχονται είτε από νέφη κατακόρυφης ανάπτυξης (convective precipitation) είτε από στρωματόμορφα νέφη (non-convective or stratiform precipitation), καθώς επίσης για να διακρίνουν γεγονότα υετού και μη-υετού που παράγουν σημαντική ηλέκτριση και καταλήγουν σε ηλεκτρική δραστηριότητα με απουσία υετού στο έδαφος (π.χ. γεγονότα virga, anvil). Στις διαταραχές κατακόρυφης ανάπτυξης τυπικά επικρατούν ισχυρά ανοδικά ρεύματα που συνδυάζονται με μια περίπλοκη διαδοχή διαδικασιών υδρομετεώρων πάγου και μικτής φάσης για να δημιουργήσουν καταιγίδες που γίνονται αντιληπτές από τις πολυάριθμες ηλεκτρικές εκκενώσεις. Ο στρωματόμορφος υετός από την άλλη πλευρά 6

χαρακτηρίζεται από μικρές κατακόρυφες ταχύτητες και η δημιουργία υετού προέρχεται κυρίως από διαδικασίες απόθεσης υδρατμού και αύξησης σωματιδίων πάγου που γενικά δεν δημιουργούν επαρκή ηλέκτριση για να παράγουν ηλεκτρικές εκκενώσεις. Οι τυφώνες είναι ιδιαίτερα χρήσιμοι για τέτοιες μελέτες, εφόσον συχνά αυτοί περιέχουν σημαντικές ποσότητες υετού και των δύο τύπων. Μελέτες έχουν δείξει ότι υετός που σχετίζεται με τυφώνες εμφανίζεται να είναι κυρίως στρωματόμορφου τύπου, εφόσον υπάρχει μικρή ένδειξη σημαντικής ηλεκτρικής δραστηριότητας που συνδέεται με τα πεδία υετού των τυφώνων. Βρέθηκαν περιοχές σημαντικής βροχόπτωσης με λίγες ή μερικές ηλεκτρικές εκκενώσεις. Μερικά γεγονότα βροχής δεν έχουν τις απαραίτητες υγρές συνθήκες κατακόρυφης μεταφοράς για το σχηματισμό καταιγίδας. Η μελέτη τους βασιζόταν μόνο σε θετικές και αρνητικές ηλεκτρικές εκκενώσεις νέφους-εδάφους, αν και είναι γνωστό ότι ο αριθμός των ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους υπερβαίνει κατά πολύ τον αριθμό των ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους και ότι ένα σημαντικό κλάσμα ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους συχνά προηγείται της έναρξης του convective υετού. Οι Lopez et al. (1991) ομαδοποίησαν τις ημέρες από τον Ιούνιο μέχρι τον Σεπτέμβριο του 1983 με βάση την επικρατούσα ροή του ανέμου, εξετάζοντας σχέσεις με τη βροχόπτωση, όπως προέκυπτε από το ραντάρ και με τις ηλεκτρικές εκκενώσεις νέφουςεδάφους. Μια λεπτομερή μελέτη της κατανομής των ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφουςεδάφους ανά συνοπτική κατάσταση έγινε για τη Φλόριντα από τον Reap (1994) για τις θερμές εποχές από το 1987 μέχρι το 1990. Αυτός διέκρινε εφτά διαφορετικούς τύπους, έξι από τους οποίους συνδέονταν με τύπους επιφανειακής πίεσης (ροές ανέμου) και ο έβδομος αναπαριστούσε άπνοια. Οι Πισσιμάνης et al. (2006) εξέτασαν τα κύρια χαρακτηριστικά των συνοπτικών καταστάσεων που συνδέονται με την ηλεκτρική δραστηριότητα κατά τη διάρκεια του Ιουλίου και του Αυγούστου στην πόλη της Θεσσαλονίκης. Οι κατακόρυφες ανοδικές κινήσεις που προκαλούν ηλεκτρική δραστηριότητα συνήθως συνδέονται με την παρουσία συστημάτων συνοπτικής κλίμακας που είναι σχετικά ασθενή κατά τη θερμή περίοδο. Αυτοί βρήκαν ότι η Βόρεια Ελλάδα επηρεάζεται ακόμα και τους πιο θερμούς μήνες από το πέρασμα σχετικά ψυχρότερων αερίων μαζών που έχουν μεταφερθεί από υψηλότερα γεωγραφικά πλάτη ή από την κεντρική Μεσόγειο. Στην πρώτη περίπτωση, οι ψυχρότερες 7

αέριες μάζες συχνά συνδέονταν με το πέρασμα της νότιας άκρης ενός ψυχρού μετώπου με κατεύθυνση από τη βορειοδυτική Ευρώπη προς την νοτιοανατολική ή με ένα ψυχρό μέτωπο με κατεύθυνση από υψηλότερα γεωγραφικά πλάτη προς τα νότια. Στη δεύτερη περίπτωση, οι ψυχρότερες αέριες μάζες ήρθαν από τα δυτικά συνήθως υπό τη μορφή ασθενών αποκομμένων χαμηλών (cut off low). Όσον αφορά την εξέλιξη της κυκλοφορίας συνοπτικής κλίμακας, ο πιο σημαντικός παράγοντας ήταν η μεταφορά ψυχρού αέρα στο επίπεδο των 700 hpa, ενώ από θερμοδυναμική σκοπιά η χωρική κατανομή της ισοδύναμης δυνητικής θερμοκρασίας (Θ e ) στο επίπεδο των 850 hpa, καθώς και το κατακόρυφο προφίλ της στο σταθμό της Μίκρας είχαν την πιο σημαντική συνεισφορά στην παραγωγή σφοδρών καταιγίδων στην περιοχή. 8

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ 2.1 Χαρακτηριστικά των καταιγιδοφόρων νεφών Οι ηλεκτρικές εκκενώσεις συνδέονται με νέφη κατακόρυφης ανάπτυξης, τα οποία οφείλουν το σχηματισμό και την ανάπτυξή τους σε ανοδικά ρεύματα αέρα. Το μεγαλύτερο νέφος αυτής της κατηγορίας είναι ο σωρειτομελανίας (cumulonimbus, Cb). Οι σωρειτομελανίες που εμφανίζουν ηλεκτρική δραστηριότητα αναφέρονται ως καταιγιδοφόρα νέφη (thunderclouds) και η καιρική κατάσταση που τους συνοδεύει είναι γνωστή ως καταιγίδα (thunderstorm). Οι καταιγίδες χαρακτηρίζονται από ισχυρούς οριζόντιους ανέμους στην επιφάνεια (downbursts), έντονη βροχόπτωση, μερικές φορές από χαλάζι, σε πιο ακραίες περιπτώσεις από τυφώνες και από ηλεκτρικές εκκενώσεις με αποτέλεσμα να αποτελούν σημαντική απειλή για την αεροπορία αλλά και για τις υπαίθριες και θαλάσσιες δραστηριότητες. Οι απομονωμένες καταιγίδες γενικά ταξινομούνται σε τρεις κύριους τύπους ανάλογα με τη δομή τους, την ένταση, το περιβάλλον στο οποίο σχηματίζονται και με τον καιρό που παράγουν. α) Σε καταιγίδες ενός κυττάρου ή θερμικές καταιγίδες (single cell or air-mass storms) διάρκειας 20-30 min, οι οποίες δεν συνδέονται με μέτωπα και συμβαίνουν κυρίως το καλοκαίρι όταν ο ήλιος θερμαίνει την επιφάνεια της γης, προκαλώντας έτσι κατακόρυφες ανοδικές κινήσεις, β) σε καταιγίδες που αποτελούνται από μια ομάδα κυττάρων (multiple cell storms) με κοινή κατεύθυνση και το κάθε κύτταρο βρίσκεται σε διαφορετικό στάδιο ανάπτυξης και γ) σε υπερκύτταρα (supercells) που ορίζονται ως καταιγίδες με ένα περιστρεφόμενο ανοδικό ρεύμα διάρκειας μεγαλύτερης των 2 h. Ωστόσο, ομάδες καταιγίδων συχνά ενώνονται σε μεγαλύτερα συστήματα που γενικά αναφέρονται ως συστήματα κατακόρυφης ανάπτυξης μέσης κλίμακας (Mesoscale Convective Systems, MCS). Μερικοί κλασσικοί τύποι MCS περιλαμβάνουν γραμμές λαίλαπας (squall lines), δηλαδή γραμμές καταιγίδων, ζώνες υετού 9

με συνεχή και καλά σχηματισμένα ψυχρά μέτωπα στην άκρη τους, συστήματα κυττάρων κατακόρυφης ανάπτυξης σε σχήμα τόξου (bow echoes), που χαρακτηρίζονται από καταστρεπτικούς επιφανειακούς ανέμους και συγκροτήματα κατακόρυφης ανάπτυξης μέσης κλίμακας (mesoscale convective complexes), που εμφανίζονται στις δορυφορικές εικόνες ως οβάλ ή σχεδόν κυκλικά οργανωμένα συστήματα καταιγίδων συνήθως τη νύχτα σε περιοχές που το οριακό στρώμα είναι σταθερό. Η δομή και η εξέλιξή τους εξαρτάται από αλληλεπιδράσεις με μεγάλης κλίμακας χαρακτηριστικά. Στη συνέχεια εξετάζεται ο κύκλος ζωής μιας τυπικής απομονωμένης καταιγίδας από δυναμική και μικροφυσική θεώρηση, από όπου θα προκύψει η ανάπτυξη και η κατανομή του φορτίου (Zajac and Weaver, 2002). 2.1.1 Τυπική απομονωμένη καταιγίδα Ο κύκλος ζωής μιας τυπικής απομονωμένης καταιγίδας χωρίζεται σε τέσσερα στάδια: 1) Σωρείτης μικρής ανάπτυξης (shallow cumulus) Όταν ένα πακέτο υγρού αέρα ανέρχεται από το οριακό στρώμα, εκτονώνεται αδιαβατικά και ψύχεται μέχρι το σημείο του υπερκορεσμού σε σχέση με την υγρή φάση. Το ανοδικό ρεύμα είναι ασθενές και η κατακόρυφη ταχύτητα w κυμαίνεται από 5 m/s έως 10 m/s. Λόγω υπερκορεσμού, οι υδρατμοί συμπυκνώνονται πάνω σε διαλυτά αερολύματα με αποτέλεσμα το σχηματισμό των σταγόνων του νέφους. Αυτά τα αερολύματα, που αποτελούν τους πυρήνες συμπύκνωσης (cloud condensation nuclei, CCN) είναι προτιμητέες θέσεις για συμπύκνωση, διότι μειώνουν την «ενέργεια ενεργοποίησης» που απαιτείται για την αλλαγή φάσης από υδρατμό σε υγρό. Οι σταγόνες του νέφους σχηματίζονται και μεγαλώνουν, λόγω συμπύκνωσης (condensation) στο ανοδικό ρεύμα. Ωστόσο, λόγω επιδράσεων καμπυλότητας, η συμπύκνωση είναι ένας αποτελεσματικός μηχανισμός ανάπτυξης μόνο για μικρές σταγόνες με ακτίνα μέχρι περίπου τα 10 μm. Οι σταγόνες αυξάνονται περαιτέρω σε βροχοσταγόνες, λόγω σύγκρουσης-συνένωσης (collision-coalescence) παντού μέσα στο νέφος, μιας διαδικασίας που επικρατεί στους ρηχούς τροπικούς σωρειτομελανίες. 10

Όταν οι σταγόνες ανυψώνονται πάνω από το επίπεδο παγοποίησης δεν παγώνουν αμέσως, αλλά παραμένουν υγρές σε θερμοκρασίες κάτω από τους 0 o C. Αυτές οι σταγόνες ονομάζονται σταγόνες σε υπέρτηξη. Οι σταγόνες σε υπέρτηξη είναι έτοιμες να παγώσουν αλλά χρειάζονται έναν καταλύτη. Οι σταγόνες σε υπέρτηξη πρώτα παγώνουν περίπου στους Τ=-10 o C πάνω σε αδιάλυτα αερολύματα. Αυτά τα αερολύματα, που αποτελούν τους πυρήνες παγοποίησης (ice nuclei, IN) είναι προτιμητέες θέσεις για παγοποίηση, διότι μειώνουν την «ενέργεια ενεργοποίησης» που συνδέεται με την αλλαγή φάσης από υγρό σε στερεό και από υδρατμό σε στερεό. Η πυρηνοποίηση συμβαίνει λόγω απορρόφησης (immersion), απόθεσης (deposition) και επαφής (contact). Όταν υγρός αέρας ανέρχεται και ψύχεται μέχρι το σημείο υπερκορεσμού σε σχέση με τη στερεή φάση, τα σωματίδια πάγου μεγαλώνουν λόγω απόθεσης για να σχηματίσουν τους παγοκρυστάλλους. 2) Πυργοειδής σωρείτης (Towering cumulus) Το στάδιο αυτό προστέθηκε στο μοντέλο των τριών σταδίων του κύκλου ζωής μιας καταιγίδας που αναπτύχθηκε από τους Byers και Braham (1949) για να δώσει έμφαση στην ανάπτυξη των παγοκρυστάλλων σε μαλακό χαλάζι (graupel) μέσω απόθεσης (δηλαδή, ανάπτυξη από τον υδρατμό) και μέσω συλλογής σταγόνων νερού σε υπέρτηξη (riming), μιας διαδικασίας γνωστή ως accretion ή ξηρή ανάπτυξη, δηλαδή η άμεση παγοποίηση των σταγόνων σε υπέρτηξη λόγω επαφής και προσκόλησης με μεγαλύτερα σωματίδια πάγου. Μελέτες έχουν κατ επανάληψη βρει σχέση ανάμεσα στην αρχική ηλέκτριση και στο σχηματισμό μαλακού χαλαζιού. Οι παγοκρύσταλλοι που βρίσκονται μέσα στο ανοδικό ρεύμα στα μέσα επίπεδα μεγαλώνουν γρήγορα, διότι ο υπερκορεσμός σε σχέση με τη στερεή φάση είναι μεγαλύτερος. Το ανοδικό ρεύμα έχει κατακόρυφη ταχύτητα w που κυμαίνεται από 10 m/s μέχρι 15 m/s. Καθώς αυτά τα σωματίδια πάγου μεγαλώνουν λόγω απόθεσης, κερδίζουν μάζα και αρχίζουν να κατέρχονται σε σχέση με τις μικρότερες σταγόνες σε υπέρτηξη. Αυτά τα σωματίδια πάγου αυξάνουν σε μέγεθος καθώς συγκρούονται με σταγόνες σε υπέρτηξη και τελικά κερδίζουν αρκετή μάζα (Σχήμα 1) για να πέσουν διαμέσου του ανοδικού ρεύματος, με αποτέλεσμα την εμφάνιση ενός αρχικού καθοδικού ρεύματος στα μέσα επίπεδα. Οι μικρές σταγόνες σε υπέρτηξη και τα μικρά σωματίδια πάγου ανέρχονται σε υψηλότερα επίπεδα και τα μεγάλα σωματίδια πάγου βρίσκονται στα μέσα επίπεδα εξαιτίας της μεγάλης διαφοράς στην ταχύτητα πτώσης. Τα μεγάλα σωματίδια πάγου 11

συγκρούονται συχνά με μικρές σταγόνες σε υπέρτηξη και μικρά σωματίδια πάγου καθώς κατέρχονται/ανέρχονται. Ηλεκτρικό φορτίο μεταφέρεται ανάμεσα στα σωματίδια πάγου κατά τη διάρκεια των συγκρούσεων. Σχήμα 1: Σχηματισμός και θρυμματισμός μαλακού χαλαζιού (από Wallace and Hobbs, 1977) Κατά τη διάρκεια των συγκρούσεων μαλακού χαλαζιού-παγοκρυστάλλων, το μαλακό χαλάζι φορτίζεται αρνητικά ή θετικά ανάλογα με το περιεχόμενο του νέφους σε υγρό νερό (CLWC, Cloud Liquid Water Content) και με τη θερμοκρασία (Σχήμα 2). Ο Takahashi (1978) βρήκε ότι πάνω από τους -10 o C οι συγκρούσεις μαλακού χαλαζιούπαγοκρυστάλλων μεταφέρουν θετικό φορτίο στο μαλακό χαλάζι. Αυτό ίσως εξηγεί την ύπαρξη ενός μικρότερου κέντρου θετικού φορτίου κοντά στη βάση του νέφους, το οποίο παίζει σημαντικό ρόλο στην έναρξη της ηλεκτρικής εκκένωσης νέφους-εδάφους. Σε χαμηλότερες (ψυχρότερες) θερμοκρασίες το πρόσημο της φόρτισης εξαρτάται από το περιεχόμενο του νέφους σε υγρό νερό, θετική φόρτιση του μαλακού χαλαζιού συμβαίνει σε υψηλά και σε χαμηλά περιεχόμενα σε υγρό νερό και αρνητική φόρτιση συμβαίνει σε μέσες τιμές περιεχομένου σε υγρό νερό. Τότε, θετικό φορτίο επάγεται στην επιφάνεια της γης κάτω από την καταιγίδα. Οι Jayaratne et al. (1983) επιβεβαίωσαν ότι το πρόσημο της φόρτισης του μαλακού χαλαζιού αντιστρέφεται ως συνάρτηση της θερμοκρασίας και ότι αυτή η «θερμοκρασία αντιστροφής» κινείται σε υψηλότερες (θερμότερες) τιμές καθώς το περιεχόμενο του νέφους σε υγρό νερό μειώνεται. Αυτοί βρήκαν επίσης ότι η ποσότητα του φορτίου που μεταφέρεται εξαρτάται από την ταχύτητα πρόσκρουσης και από το μέγεθος των παγοκρυστάλλων. Η μεταφορά φορτίου αυξάνει γρήγορα με το μέγεθος του κρυστάλλου για τους μικρούς κρυστάλλους αλλά αυξάνει με ένα μικρότερο ρυθμό για τους μεγαλύτερους κρυστάλλους (Keith and Saunders, 1990). 3) Σωρειτομελανίας σε πλήρη ανάπτυξη (Mature cumulonimbus) Οι σταγόνες εξακολουθούν να σχηματίζονται λόγω συμπύκνωσης στο ανοδικό ρεύμα, του οποίου η κατακόρυφη ταχύτητα w κυμαίνεται από 15 m/s μέχρι 20 m/s. Το 12

περιεχόμενο του νέφους σε υγρό νερό είναι μέγιστο στο ανοδικό ρεύμα και οι σταγόνες σε υπέρτηξη βρίσκονται κάτω από τους 0 o C. Όλες οι σταγόνες σε υπέρτηξη παγώνουν κάτω από τους Τ -40 o C, λόγω αυθόρμητης ή ομοιογενούς πυρηνοποίησης. Οι μεγάλοι παγοκρύσταλλοι συλλέγουν υγρό νερό του νέφους σε υπέρτηξη, με αποτέλεσμα το σχηματισμό μαλακού χαλαζιού. Η τήξη και η εξάτμιση του μαλακού χαλαζιού ενισχύει το καθοδικό ρεύμα, το οποίο εμφανίζει απορροές στην επιφάνεια. Μικρά σωματίδια πάγου ανέρχονται στον αναπτυσσόμενο άκμονα και υπάρχει παντού πάγος σε θερμοκρασίες Τ< - 40 o C. Διακριτές περιοχές φορτίου αναπτύσσονται καθώς το φορτίο δημιουργείται και μεταφέρεται οριζόντια. Το αποτέλεσμα είναι η εμφάνιση ενός κατακόρυφου δίπολου με το Σχήμα 2: Το πρόσημο του φορτίου που μεταφέρεται στα σωματίδια του μαλακού χαλαζιού εξαρτάται από τη θερμοκρασία και το περιεχόμενο του ενεργού υγρού νερού του νέφους (ELWC). Η διαγώνια γραμμή αναπαριστά την «θερμοκρασία αντιστροφής».(από Saunders, 1993). θετικό φορτίο να βρίσκεται πάνω από το αρνητικό. Ο συνδυασμός του φορτίου μέσα στο νέφος και του επαγόμενου φορτίου πάνω στην επιφάνεια της γης παράγει μεγάλης κλίμακας κατακόρυφα ηλεκτρικά πεδία μερικών kv/m και ηλεκτρικές εκκενώσεις νέφουςεδάφους. Το θετικό φορτίο πάνω στην επιφάνεια της γης αυξάνεται και ακολουθούν 13

αρνητικές ηλεκτρικές εκκενώσεις νέφους-εδάφους που εξουδετερώνουν το αρνητικό φορτίο μέσα στο νέφος. 4) Σωρειτομελανίας σε κατάσταση διάλυσης (Dissipating cumulonimbus) Όλες οι κατακόρυφες κινήσεις είναι μικρότερες από 5 m/sec. Το εξασθενημένο ανοδικό ρεύμα δεν μπορεί να υποστηρίξει τον υπερκορεσμό σε σχέση με την υγρή φάση. Σε θερμοκρασίες Τ<0 ο C υπάρχει πάγος με λίγο μέχρι καθόλου υγρό νερό του νέφους σε υπέρτηξη, οπότε σταματά η παραγωγή μαλακού χαλαζιού και η παραγωγή φορτίου. Λιγότερο θετικό φορτίο επάγεται κάτω από την καταιγίδα καθώς το μαλακό χαλάζι λιώνει και πέφτει. Η συχνότητα των αρνητικών ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους μειώνεται και η βροχή πέφτει μέσα στο αδύναμο καθοδικό ρεύμα. Ωστόσο, συνεχίζεται η οριζόντια μεταφορά θετικού φορτίου και το κατακόρυφο δίπολο εξελίσσεται σε ένα κεκλιμένο δίπολο καθώς η καταιγίδα ηλικιώνεται. Το ανώτερο θετικό φορτίο του νέφους δεν κρύβεται πλέον από την επιφάνεια της γης λόγω του αρνητικού φορτίου από κάτω και έτσι αρνητικό φορτίο επάγεται πάνω στην επιφάνεια της γης κάτω από τον άκμονα και ακολουθούν θετικές ηλεκτρικές εκκενώσεις που εξουδετερώνουν το θετικό φορτίο στον άκμονα. Όσον αφορά την παραγωγή ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους, οι αρνητικές ηλεκτρικές εκκενώσεις νέφουςεδάφους σχετίζονται με convective υετό (την πτώση του μαλακού χαλαζιού) ενώ οι θετικές σχετίζονται με τα ανώτερα επίπεδα, ιδιαίτερα με τον άκμονα. Οι αρνητικές υπερέχουν των θετικών ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους περίπου 10 προς 1. 2.1.2 Συστήματα κατακόρυφης ανάπτυξης μέσης κλίμακας Ο συνδυασμός πολλών απομονωμένων καταιγιδοφόρων νεφών οδηγεί σε ένα MCS, οριζόντιας έκτασης ~100 km και διάρκειας περίπου 10 h (Houze, 2004). Τα συστήματα κατακόρυφης ανάπτυξης μέσης κλίμακας ευθύνονται για ένα μεγάλο μέρος του υετού στους τροπικούς και στα μεσαία πλάτη εξαιτίας του μεγάλου τους μεγέθους και των μεγάλων τους χρόνων ζωής. Τα συστήματα αυτά χωρίζονται σε περιοχές κατακόρυφης ανάπτυξης και σε στρωματόμορφες περιοχές λόγω των σημαντικών διαφορών που παρουσιάζουν στις κατανομές φορτίου και στην ηλεκτρική δραστηριότητα. 14

Η κατανομή φορτίου και η ηλεκτρική δραστηριότητα στις περιοχές κατακόρυφης ανάπτυξης είναι παρόμοια με εκείνη που συναντάται στις απομονωμένες καταιγίδες. Η κατανομή φορτίου στις στρωματόμορφες περιοχές αυτών των συστημάτων είναι περίπλοκη εξαιτίας: 1) της οριζόντιας μεταφοράς θετικού φορτίου από τις περιοχές κατακόρυφης ανάπτυξης στα ανώτερα επίπεδα και 2) της δημιουργίας ενός αντεστραμμένου διπόλου στα μέσα επίπεδα σε ένα περιβάλλον χαμηλού περιεχομένου του νέφους σε υγρό νερό. Οι θετικές ηλεκτρικές εκκενώσεις νέφους-εδάφους ευνοούνται στις στρωματόμορφες περιοχές εξαιτίας της αφθονίας θετικού φορτίου και της εγγύτητας του θετικού φορτίου στην επιφάνεια της γης. Οι θετικές ηλεκτρικές εκκενώσεις νέφουςεδάφους παρέχουν πληροφορίες για τον κατακόρυφο διατμητικό άνεμο και για τον στρωματόμορφο υετό. Ο σχηματισμός του υετού είναι διακριτά διαφορετικός ανάμεσα στις περιοχές κατακόρυφης ανάπτυξης και στις στρωματόμορφες περιοχές. Οι περιοχές κατακόρυφης ανάπτυξης χαρακτηρίζονται από δυνατές κατακόρυφες κινήσεις (~10 m/sec) και σχετικά υψηλό περιεχόμενο του νέφους σε υγρό νερό. Η ανάπτυξη του πάγου συμβαίνει λόγω απόθεσης και ξηρής ανάπτυξης. Οι στρωματόμορφες περιοχές των συστημάτων μέσης κλίμακας χαρακτηρίζονται από ασθενείς κατακόρυφες κινήσεις (~0,1 m/sec) και χαμηλό περιεχόμενο του νέφους σε υγρό νερό. H οριζόντια μεταφορά πάγου από τις περιοχές κατακόρυφης ανάπτυξης και η ανάπτυξη του πάγου που συμβαίνει λόγω απόθεσης και άθροισης (aggregation, Σχήμα 3) αποτελούν τη διαδικασία seeder-feeder. Η ξηρή ανάπτυξη συμβαίνει αλλά είναι δευτερεύουσα, οπότε δεν υπάρχει καθόλου μαλακό χαλάζι. Σχήμα 3: Ανάπτυξη πάγου λόγω απόθεσης και άθροισης (από Wallace and Hobbs, 1977) Σε ένα περιβάλλον χαμηλού περιεχομένου του νέφους σε υγρό νερό, αντιπροσωπευτικό των στρωματόμορφων ανοδικών ρευμάτων, οι συγκρούσεις μεταξύ ξηρά αναπτυγμένου αθροίσματος και παγοκρυστάλλου μεταφέρουν θετικό φορτίο στο 15

μεγαλύτερο άθροισμα και αρνητικό φορτίο στο μικρότερο κρύσταλλο. Η θετική φόρτιση των αθροισμάτων αποδίδει μια δομή αντεστραμμένου διπόλου (αρνητικό φορτίο πάνω από θετικό). Επίσης, λιγότερο φορτίο μεταφέρεται κατά τη διάρκεια αυτών των συγκρούσεων. Τα ακόλουθα χαρακτηριστικά είναι γνωστά στα περισσότερα συστήματα κατακόρυφης ανάπτυξης μέσης κλίμακας της θερμής περιόδου - οι αρνητικές ηλεκτρικές εκκενώσεις νέφους-εδάφους επικρατούν στις περιοχές κατακόρυφης ανάπτυξης (υψηλός ρυθμός αστραπών) - οι θετικές ηλεκτρικές εκκενώσεις νέφους-εδάφους επικρατούν στις στρωματόμορφες περιοχές (χαμηλός ρυθμός αστραπών) - οι θετικές ηλεκτρικές εκκενώσεις νέφους-εδάφους επικρατούν στις περιοχές του άκμονα (χαμηλός ρυθμός αστραπών). Οι στρωματόμορφες περιοχές παράγουν σημαντικά λιγότερες ηλεκτρικές εκκενώσεις νέφους-εδάφους από τις περιοχές κατακόρυφης ανάπτυξης, αλλά περισσότερες ηλεκτρικές εκκενώσεις νέφους-εδάφους από τους άκμονες. 2.2 Κατανομή φορτίου μέσα σε ένα καταιγιδοφόρο νέφος και πεδίο διηλεκτρικής κατάρρευσης Η ηλεκτρική εκκένωση ορίζεται ως μία προσωρινή εκφόρτιση στατικού ηλεκτρισμού που προκαλείται από τη συσσώρευση φορτίου στην ατμόσφαιρα προκειμένου να αποκατασταθεί ηλεκτροστατική ισορροπία. Το κλασικό μοντέλο καταιγιδοφόρου νέφους μπορεί να περιγραφεί ως ένα θετικό δίπολο, με μια θετικά φορτισμένη περιοχή πάνω από μια αρνητικά φορτισμένη περιοχή. Σύμφωνα με τα παραπάνω, ένα ηλεκτρικό πεδίο δημιουργείται ανάμεσα στη θετικά φορτισμένη κορυφή του νέφους (ανώτερη περιοχή θετικού φορτίου +40 C στα 10 km, P) και στην αρνητικά φορτισμένη βάση του (περιοχή αρνητικού φορτίου -40 C στα 5 km, N) και ένα άλλο ηλεκτρικό πεδίο δημιουργείται ανάμεσα στην αρνητικά φορτισμένη βάση του νέφους και στη θετικά φορτισμένη επιφάνεια της γης, όχι όμως τόσο ισχυρό όσο το πεδίο μέσα στο νέφος. (Υπάρχει και μια δευτερεύουσα περιοχή p θετικού φορτίου + 10 C στα 2 km κάτω από την Ν περιοχή δίνοντας περισσότερο τη δομή ενός διπλού δίπολου (Σχήμα 4). Το αρνητικό φορτίο συγκεντρώνεται μεταξύ των ισόθερμων των -10 o C και -20 o C 16

ανεξάρτητα από τον τύπο του νέφους, την τοποθεσία ή την εποχή (Rakov and Uman, 2003), το κύριο θετικό φορτίο βρίσκεται μερικά km ψηλότερα ανάλογα με το ύψος του νέφους και το δευτερεύων θετικό φορτίο ίσως υπάρχει κοντά στη βάση του νέφους, κάτω από την ισόθερμο του 0 o C. Το φορτίο δημιουργείται και διαχωρίζεται σε έναν όγκο που οριοθετείται από τα επίπεδα των -5 o C και -40 o C (Saunders, 1995). Οι τιμές που δόθηκαν για τα κέντρα φορτίου μέσα σε ένα καταιγιδοφόρο νέφος είναι μέσες τιμές και μπορούν να ποικίλουν σημαντικά ανάλογα με τη γεωγραφία και από νέφος σε νέφος. Πρόσφατες μετρήσεις του ηλεκτρικού πεδίου μέσα στις καταιγίδες χρησιμοποιώντας ενόργανα μπαλόνια (Stolzenburg et al., 1998) έδειξαν μια πιο περίπλοκη δομή από αυτή του τριπόλου που αναφέρθηκε παραπάνω. Υπάρχουν δύο ζώνες φόρτισης, η πρώτη σχετίζεται με το ανοδικό ρεύμα του νέφους και έχει τέσσερα στρώματα φορτίου και η δεύτερη σχετίζεται με τον υετό του νέφους και έχει έξι στρώματα φορτίου (Σχήμα 5). Ως αποτέλεσμα, οι περισσότερες ηλεκτρικές εκκενώσεις (~75-80%) συμβαίνουν μέσα στο ίδιο το νέφος. Σε μια αναπτυσσόμενη καταιγίδα, καθώς τα φορτία συνεχίζουν να διαχωρίζονται, το πεδίο μεγαλώνει. Όσο μεγαλύτερο είναι το μέγεθος του διαχωρισμού, τόσο ισχυρότερο είναι το πεδίο. Ωστόσο, η ατμόσφαιρα είναι ένας πολύ καλός μονωτής και διαθέτει ένα στατικό ηλεκτρικό πεδίο των 300 kv ανάμεσα στην ιονόσφαιρα και στην επιφάνεια της γης, έτσι πρέπει να συσσωρευτεί μια τεράστια ποσότητα φορτίου πριν συμβεί η ηλεκτρική εκκένωση μέσω της οποίας γίνεται η ανταλλαγή φορτίου που συσσωρεύτηκε μέσα στο νέφος ή ανάμεσα στο νέφος και το έδαφος. Όταν αυτό το κατώφλι προσπερνάται, η ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου υπερνικά τις μονωτικές ιδιότητες της ατμόσφαιρας και συμβαίνει η ηλεκτρική εκκένωση. Σε εργαστηριακές μελέτες το απαιτούμενο ηλεκτρικό πεδίο δηλώνεται ως πεδίο διηλεκτρικής κατάρρευσης (dielectric breakdown field) και συμβολίζεται ως E breakdown. Το μέγεθος του E breakdown αυξάνει σχεδόν γραμμικά με την πίεση, σε επιφανειακή πίεση p o ~1000 mb και σε ξηρό αέρα είναι ίσο με E breakdown ~2600 kv m -1. Ωστόσο, ένα ηλεκτρικό πεδίο των 300 kv/m στο ύψος της αρνητικά φορτισμένης περιοχής του νέφους είναι επαρκές για την έναρξη ηλεκτρικής εκκένωσης νέφους-εδάφους. 2.3 Τύποι ηλεκτρικών εκκενώσεων 17

Οι ηλεκτρικές εκκενώσεις χωρίζονται σε δύο κύριους τύπους. Στις ηλεκτρικές εκκενώσεις οι οποίες έχουν ένα τουλάχιστον κανάλι που συνδέει το νέφος με το έδαφος και ονομάζονται νέφους-εδάφους (cloud-to-ground lightning discharges, CG) και στις ηλεκτρικές εκκενώσεις που δεν έχουν κανένα κανάλι που συνδέει το νέφος με το έδαφος. Τέσσερις κατηγορίες ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους αναγνωρίστηκαν από τους Berger et al., (1975) ανάλογα με τη διεύθυνση κίνησης του αρχικού οδηγού (προς τα πάνω ή προς τα κάτω) και με το πρόσημο του φορτίου που αποτίθεται κατά μήκος του καναλιού από τον ίδιο αρχικό οδηγό (θετικό ή αρνητικό), όπως φαίνεται στο Σχήμα 6. Σχήμα 4: Κατανομή φορτίου μέσα σε έναν σωρειτομελανία σε μια επικείμενη ηλεκτρική εκκένωση νέφους-εδάφους και του αντίστοιχου ηλεκτροστατικού πεδίου στο έδαφος (Gary, 1995). 18

Αυτές είναι οι αρνητικές κατερχόμενες (downward negative), οι θετικές ανερχόμενες (upward positive), οι θετικές κατερχόμενες (downward positive) και οι αρνητικές ανερχόμενες (upward negative). Οι δεύτερες χωρίζονται επιπλέον σε ηλεκτρικές εκκενώσεις που συμβαίνουν μέσα στο ίδιο νέφος (in-cloud, IC), σε νέφους-αέρα (cloud-toair, CA) και σε νέφους-νέφους (cloud-to-cloud, CC) που συμβαίνουν ανάμεσα σε διαφορετικά νέφη. Οι αρνητικές κατερχόμενες συμβαίνουν σε ποσοστό 90%, οι θετικές κατερχόμενες σε ποσοστό 5%, οι αρνητικές ανερχόμενες σε ποσοστό 2% και οι θετικές ανερχόμενες σε ποσοστό 3%. Σχήμα 5: Δομή φορτίου του καταιγιδοφόρου νέφους κατά Stolzenburg et al. (1998). Διακρίνονται 4 στρώματα φορτίου στο ανοδικό ρεύμα και 6 στρώματα φορτίου στο καθοδικό ρεύμα. 2.4 Η διαδικασία της αρνητικής ηλεκτρικής εκκένωσης νέφουςεδάφους Ολόκληρη η διαδικασία της αρνητικής ηλεκτρικής εκκένωσης νέφους-εδάφους διαρκεί λιγότερο από το μισό του δευτερολέπτου (~0,2 s = 200 ms). Οι επιμέρους διαδικασίες της ηλεκτρικής εκκένωσης είναι οι ακόλουθες (Holle and Lopez, 1993): 19

1) Αρχικά συμβαίνει μια ηλεκτρική εκκένωση ανάμεσα στην κατώτερη περιοχή p και στην ανώτερη περιοχή Ν, οπότε εξουδετερώνεται το κατώτερο θετικό φορτίο (Σχήμα 7). Όταν αρκετά ηλεκτρόνια συγκεντρωθούν στη βάση του νέφους, μια «χιονοστοιβάδα» ηλεκτρονίων προβάλλει από τη βάση του νέφους και εμφανίζεται ως ένα πολύ αμυδρό, αρνητικά φορτισμένο κανάλι. Κάτω από την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου που υπάρχει ανάμεσα στο νέφος και στο έδαφος, ο οδηγός εκπέμπεται προς το έδαφος με μια σειρά Σχήμα 6: Τέσσερα είδη ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους (από Uman, 1987). φωτεινών βημάτων μήκους περίπου 50 m και διάρκειας ενός μs (10-6 s), γι αυτό το λόγο ονομάζεται οδηγός με βήματα. Ανάμεσα στα βήματα υπάρχει μια παύση των 50 μs περίπου, κατά τη διάρκεια της οποίας ο οδηγός με βήματα ψάχνει τριγύρω για να χτυπήσει ένα αντικείμενο. Αν δεν φαίνεται κανένα, διαλέγει ένα άλλο βήμα και επαναλαμβάνει τη διαδικασία μέχρι να βρει ένα στόχο. Η ταχύτητα της ανάπτυξης κατά τη διάρκεια των σύντομων διαστημάτων κίνησης είναι ~5 10 7 m/s, αλλά οι μεγάλες στάσιμες φάσεις 20

μειώνουν την ενεργό ταχύτητά του σε ~5 10 5 m/s. Προκειμένου ο οδηγός με βήματα να αποκτήσει το πλήρες μήκος του χρειάζεται χρόνο της τάξης των 50 ms (0,050 s), αν και αυτός ο χρόνος ποικίλει ανάλογα με την καμπυλότητα του δρόμου (Μελέτες κεραυνών έχουν δείξει ότι ένας μοναδικός οδηγός μπορεί να αποτελείται από περισσότερα από 10.000 βήματα). Καθώς το κανάλι του οδηγού με βήματα προσεγγίζει το έδαφος ακολουθώντας τη διαδρομή ελάχιστης αντίστασης, μεταφέρει περίπου 5 C αρνητικού φορτίου και έχει ένα πολύ ισχυρό ηλεκτρικό δυναμικό των 100 εκατ. V σε σχέση με το έδαφος (αν και αυτό μπορεί να είναι τόσο μεγάλο όσο δις V). 2) Όταν ο οδηγός με βήματα προσεγγίζει το έδαφος, το ισχυρό του αρνητικό ηλεκτρικό πεδίο απωθεί όλο το αρνητικό φορτίο στο περιβάλλον έδαφος, ενώ προσελκύει όλο το θετικό φορτίο. Όταν αυτό το θετικό φορτίο συγκεντρωθεί σε μεγάλες ποσότητες κινείται από το έδαφος προς τον οδηγό με βήματα σαν μια ταινία (streamer). Αυτές οι «ταινίες» μπορούν να προέρχονται από οποιοδήποτε προεξέχων αντικείμενο στο έδαφος, όπως δέντρα, κεραίες, ιστούς σημαίας και από ανθρώπους. Όταν οποιαδήποτε από τις θετικά φορτισμένες «ταινίες» (όχι απαραίτητα αυτή από το ψηλότερο αντικείμενο) έρθει σε επαφή με την άκρη ενός αρνητικά φορτισμένου οδηγού (οπουδήποτε από τα 30 μέχρι τα 100 m πάνω από το έδαφος), συμβαίνουν τα ακόλουθα: 3) Το ηλεκτρικό δυναμικό του καναλιού του οδηγού συνδέεεται με το έδαφος. 4) Όλα τα άλλα παρακλάδια του καναλιού του οδηγού σταματούν την περαιτέρω εκπομπή προς το έδαφος και όλο το αρνητικό φορτίο μέσα σε αυτά τα παρακλάδια αρχίζει να ρέει προς το έδαφος μέσω της πρόσφατης σύνδεσης νέφους-εδάφους. 5) Τότε ένα ηλεκτρικό ρεύμα εκπέμπεται προς τα πάνω στο κανάλι ως ένας φωτεινός παλμός. Αυτή η διαδικασία εκφόρτισης διαρκεί λιγότερο από 100 ms και καλείται ως χτύπημα επιστροφής (return stroke). Παράγει όλη τη φωτεινότητα και μεταφέρει όλο το φορτίο από το νέφος στο έδαφος στις περισσότερες ηλεκτρικές εκκενώσεις. Η ηλεκτρική εκκένωση στην πραγματικότητα κινείται από το έδαφος προς το νέφος, αλλά επειδή η διαδικασία γίνεται πολύ γρήγορα, φαίνεται ότι συμβαίνει το αντίθετο. Στις φωτογραφίες φαίνεται ότι η ηλεκτρική εκκένωση κατεβαίνει από το νέφος προς το έδαφος, αλλά στην πραγματικότητα, το χτύπημα επιστροφής είναι τόσο φωτεινό, που καθώς κινείται προς τα πάνω στο κανάλι, φωτίζει όλα τα παρακλάδια του οδηγού που δεν συνδέθηκαν με την 21

«ταινία». Η μεγάλη ταχύτητα ανόδου ~1 10 8 m/s είναι εφικτή επειδή το χτύπημα επιστροφής ακολουθεί το υπάρχον ιονισμένο κανάλι του αρχικού οδηγού με βήματα. Το ηλεκτρικό φορτίο ρέει προς τα πάνω κατά μήκος του ιονισμένου καναλιού και παράγει ένα ρεύμα στο έδαφος. Αυτό το ρεύμα έχει μέγιστη τιμή 30.000 Α, αν και μπορεί να φτάσει τα 300.000 Α. Το ρεύμα χρειάζεται περίπου 1 ms για να φτάσει τη μέγιστη τιμή του και περίπου 50 ms για να μειωθεί στο μισό αυτής της τιμής. Καθώς το φορτίο του οδηγού ρέει προς το έδαφος, το ηλεκτρικό και το μαγνητικό πεδίο που εκπέμπονται προς τα έξω από ολόκληρο το μήκος του καναλιού μεταβάλλονται γρήγορα ακολουθώντας το κανάλι του οδηγού με βήματα. Οι συνιστώσες τους έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά εξασθένισης και είναι συναρτήσεις της ακτινικής απόστασης από το κανάλι. Η γνώση των αλλαγών του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου που παράγονται από το χτύπημα επιστροφής τα πρώτα μs είναι βασικής σημασίας για τα συστήματα ανίχνευσης ηλεκτρικών εκκενώσεων. 6) Εφόσον το ρεύμα έχει σταματήσει να ρέει προς τα πάνω στο κανάλι του οδηγού, υπάρχει μια παύση διάρκειας 20 μέχρι 50 ms. Έπειτα από αυτή, αν διατίθεται επιπλέον φορτίο στην κορυφή του καναλιού του οδηγού (διαμέσου μηχανισμών κατάρρευσης γνωστών ως διαδικασίες K και J), ένας άλλος οδηγός μπορεί να κινηθεί προς τα κάτω με μια ταχύτητα ~10 7 m/s στο ήδη υπάρχον κανάλι. Αυτός ο οδηγός ονομάζεται οδηγός «βέλος» (dart leader), επειδή είναι συνεχής σε αντίθεση με τον οδηγό με βήματα. Οι οδηγοί «βέλος» είναι αυτοί που κάνουν την ηλεκτρική εκκένωση να αναβοσβήνει. Για να παραχθεί ένας οδηγός «βέλος» πρέπει επαρκές φορτίο να είναι διαθέσιμο μέσα σε 100 ms από τον αρχικό οδηγό με βήματα. Ο οδηγός «βέλος» αποθέτει φορτίο περίπου 1 C κατά μήκος του καναλιού και μεταφέρει επιπρόσθετο ηλεκτρικό δυναμικό προς το έδαφος. Ο αρνητικά φορτισμένος οδηγός «βέλος» προκαλεί ένα νέο, θετικά φορτισμένο χτύπημα επιστροφής από το έδαφος. Η μέγιστη τιμή του ρεύματος συνήθως μειώνεται, καθώς παράγονται επιπλέον οδηγοί «βέλος». Ως συνέπεια, οι προκαλούμενες αλλαγές πεδίου είναι επίσης μικρότερες σε μέγεθος και έχουν μικρότερη διάρκεια από εκείνη του πρώτου χτυπήματος επιστροφής. Οι οδηγοί «βέλος» και τα ακόλουθα χτυπήματα επιστροφής κανονικά δεν διακλαδώνονται, όπως ο αρχικός οδηγός με βήματα και το πρώτο χτύπημα επιστροφής. Σε ένα ποσοστό 30% 50% των ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους, ο οδηγός βέλος κινείται προς τα 22

κάτω σε ένα μόνο μέρος του καναλιού του χτυπήματος επιστροφής και έπειτα κινείται σε μια διαφορετική διαδρομή προς το έδαφος, σε αυτές τις περιπτώσεις η ηλεκτρική εκκένωση χτυπά το έδαφος σε αρκετά σημεία. Ο συνδυασμός κάθε οδηγού (είτε του οδηγού με βήματα είτε του οδηγού «βέλος») και του ακόλουθου χτυπήματος επιστροφής είναι συνολικά γνωστός ως χτύπημα (stroke). Όλα τα χτυπήματα που χρησιμοποιούν το ίδιο κανάλι νέφους-εδάφους αποτελούν μία μοναδική ηλεκτρική εκκένωση νέφους-εδάφους. Μία ηλεκτρική εκκένωση νέφουςεδάφους μπορεί να αποτελείται από ένα μόνο χτύπημα ή από δεκάδες χτυπήματα (Ο υψηλότερος αριθμός χτυπημάτων σε μία μοναδική ηλεκτρική εκκένωση νέφους-εδάφους που έχει ποτέ καταγραφεί είναι 47). 2.5 Η θετική ηλεκτρική εκκένωση νέφους-εδάφους Ηλεκτρικές εκκενώσεις νέφους-εδάφους μπορούν επίσης να αρχίσουν από οδηγούς με βήματα που είναι θετικά φορτισμένοι. Το απορρέον χτύπημα επιστροφής κουβαλάει ένα αρνητικό φορτίο και μεταφέρει θετικό φορτίο από το νέφος προς το έδαφος. Ο συνδυασμός του οδηγού και του χτυπήματος επιστροφής ονομάζεται θετική ηλεκτρική εκκένωση νέφους-εδάφους. Συνήθως δεν υπάρχουν επακόλουθοι οδηγοί «βέλος» προς τα κάτω στο υπάρχον κανάλι, έτσι μια θετική ηλεκτρική εκκένωση νέφους-εδάφους αποτελείται μόνο από ένα χτύπημα, που χαρακτηρίζεται από ένα μακράς-διάρκειας (10 μέχρι 100 ms) συνεχές ρεύμα. Οι θετικές ηλεκτρικές εκκενώσεις αποτελούν λιγότερο από το 10% όλων των ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους και συμβαίνουν πιο συχνά στην περιφέρεια μιας καταιγίδας μακριά από τον κεντρικό πυρήνα του υετού. Ωστόσο, το μέγιστο ρεύμα των χτυπημάτων επιστροφής τους είναι συχνά πολύ μεγαλύτερο από το μέγιστο ρεύμα των χτυπημάτων επιστροφής των αρνητικών ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους. Έτσι, είναι πιο θανατηφόρες και μπορούν να προκαλέσουν μεγαλύτερη ζημιά από ότι οι αρνητικές ηλεκτρικές εκκενώσεις. Πιστεύεται ότι ένα μεγάλο ποσοστό των πυρκαγιών δάσους και της καταστροφής των γραμμών τροφοδοσίας προκαλείται από θετικές ηλεκτρικές εκκενώσεις. 23

Αν και ο αριθμός των ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους είναι σαφώς μικρότερος, το ποσοστό των θετικών ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους είναι μεγαλύτερο κατά τη διάρκεια της ψυχρής περιόδου. Ο λόγος είναι ότι το επίπεδο της παγοποίησης (0 ο C) είναι πιο κοντά στο έδαφος, μειώνοντας την απόσταση ανάμεσα στο Σχήμα 7: Διαδικασίες που αποτελούν μια αρνητική ΗΕ νέφους-εδάφους (Uman, 1987). ανώτερο θετικό φορτίο και την επιφάνεια της γης, αυξάνοντας έτσι την πιθανότητα μιας κατερχόμενης θετικής ηλεκτρικής εκκένωσης. Επίσης, το περιεχόμενο του νέφους σε υγρό νερό είναι λιγότερο, ευνοώντας τη δημιουργία ενός αντεστραμμένου διπόλου. Επιπλέον, ο 24

οριζόντιος διατμητικός άνεμος είναι μεγαλύτερος με αποτέλεσμα να προκαλεί κλίση του άξονα του διπόλου και οριζόντια μεταφορά του άκμονα, αφήνοντας έτσι ακάλυπτο το ανώτερο θετικό φορτίο από την επιφάνεια της γης. Το ποσοστό των αρνητικών/θετικών ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους εξαρτάται από την πυκνότητα φορτίου (θετικού/αρνητικού), από την απόσταση του φορτίου από την επιφάνεια και από την κάλυψη από αντίθετο φορτίο. Ο ρυθμός των ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους τείνει να αυξηθεί με την ενίσχυση του ανοδικού ρεύματος, εφόσον ο ρυθμός συμπύκνωσης των υδρατμών είναι μεγαλύτερος, ο ρυθμός παραγωγής μαλακού χαλαζιού είναι μεγαλύτερος, οι συγκρούσεις ανάμεσα στο μαλακό χαλάζι και στον πάγο είναι πιο συχνές, το φορτίο αυξάνεται. Ο ρυθμός των ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους όμως, μπορεί επίσης να μειωθεί με την ενίσχυση του ανοδικού ρεύματος επειδή τα υδρομετέωρα που μεταφέρουν το φορτίο μετατοπίζονται μακριά από την επιφάνεια της γης και το φορτίο ανυψώνεται. Επομένως, στα ισχυρά και αναπτυσσόμενα ανοδικά ρεύματα υπάρχει ένας ανταγωνισμός ανάμεσα στο επαυξημένο φορτίο, το οποίο αυξάνει το ρυθμό των ηλεκτρικών εκκενώσεων και στο ανυψωμένο φορτίο, το οποίο μειώνει το ρυθμό των ηλεκτρικών εκκενώσεων. Φαίνεται ότι υπάρχει σχέση ανάμεσα στα κατακόρυφα ανοδικά ρεύματα και τους ρυθμούς των ηλεκτρικών εκκενώσεων. Υπάρχει ένα εξαιρετικά μικρό ποσοστό ηλεκτρικών εκκενώσεων που αρχίζουν από τις κορυφές κτιρίων και πύργων, καθώς και εκείνων που προκαλούνται από πυραύλους που συνδέονται με το έδαφος μέσω καλωδίου. Οι οδηγοί τους κινούνται προς το νέφος και τα κανάλια τους διακλαδίζονται προς τα πάνω. 2.6 Θερμικά και ακουστικά αποτελέσματα της ηλεκτρικής εκκένωσης νέφους-εδάφους Η βροντή είναι το ακουστικό κύμα που προκαλείται από την υπερβολική θέρμανση που οφείλεται σε μια ηλεκτρική εκκένωση. Όταν συμβαίνει μια ηλεκτρική εκκένωση, ο αέρας γύρω από το κανάλι πλάτους μερικών cm θερμαίνεται ακαριαία στους ~28.000 K, σε μια θερμοκρασία που είναι πενταπλάσια εκείνης της επιφάνειας του ήλιου. Οι υψηλές θερμοκρασίες μέσα στο κανάλι ευνοούν συγκεκριμένες χημικές αντιδράσεις 25

ατμοσφαιρικής σημασίας, ιδιαιτέρως την παραγωγή των οξειδίων του αζώτου (ΝΟ x ). Όπως όλα τα αέρια, όταν τα μόρια του αέρα θερμαίνονται, διαστέλλονται. Όσο γρηγορότερα θερμαίνονται, τόσο γρηγορότερος είναι ο ρυθμός διαστολής. Άλλα όταν ο αέρας θερμαίνεται στους 28.000 K σε κλάσμα δευτερολέπτου, ο ρυθμός διαστολής του υπερβαίνει την ταχύτητα του ήχου και συμβαίνει μια ηχητική έκρηξη (βροντή), ο αέρας κυριολεκτικά εκρήγνυται. Όταν η ηλεκτρική εκκένωση συμβαίνει πολύ κοντά, η βροντή θα ακουστεί σαν ένας δυνατός χτύπος, σαν ένα ράγισμα, σαν έναν κροταλισμό και η διάρκεια της θα είναι σύντομη. Καθώς το δονούμενο κύμα (βροντή) εκπέμπεται μακριά από το κέντρο της ηλεκτρικής εκκένωσης, απλώνεται και σε μεγάλες αποστάσεις από το κέντρο, καθώς περνάει από διαφορετικά σημεία, ακούγεται σαν μια υπόκωφη βουή που μπορεί να διαρκέσει για αρκετά δευτερόλεπτα, ανάλογα με την απόσταση από το κέντρο. Η βροντή μπορεί τυπικά να ακουστεί μέχρι 16 km μακριά. Κατά τη διάρκεια έντονης βροχόπτωσης και ανέμου αυτή η απόσταση μπορεί να είναι μικρότερη, αλλά σε ψυχρές με άπνοια και ήσυχες νύχτες, όταν μια καταιγίδα είναι αρκετά μίλια μακριά, η βροντή μπορεί να ακουστεί πέρα από τα 16 km. 26

Σχηματική αναπαράσταση μιας αρνητικής ηλεκτρικής εκκένωσης νέφους-εδάφους. Ηλεκτρική εκκένωση (0,2 s=200 ms) Χτύπημα (stroke) ~40 ms Χτύπημα (stroke) ~40 ms Χτύπημα (stroke) ~40 ms 1 ms 40 ms 40 ms 1 ms 1 ms Οδηγός με βήματα (stepped leader): βήματα 30-90 m, ταχύτητα=1,5 10 7 cm/sec Χτύπημα επιστροφής (return stroke): ταχύτητα=1,3 10 10 cm/sec Οδηγός «βέλος»: ταχύτητα=10 9 cm/sec Χτύπημα επιστροφής (return stroke) Οδηγός «βέλος»: ταχύτητα=10 9 cm/sec Χτύπημα επιστροφής (return stroke) Ένα φορτισμένο κανάλι κατεβαίνει από το νέφος προς το έδαφος ~5C Μεταφορά φορτίου στη γη (ηλεκτρική εκφόρτιση) 27

2.7 Μηχανισμοί φόρτισης των καταιγιδοφόρων νεφών Η δημιουργία των φορτίων μιας καταιγίδας και η μεταφορά τους στις παρατηρούμενες θέσεις αποτελούν περιοχές συνεχούς έρευνας. Υπάρχουν δύο συναγωνιζόμενες θεωρίες για το πώς τα νέφη αποκτούν την κατανομή φορτίου που προαναφέρθηκε. Αυτές είναι η διαδικασία της ανωμεταφοράς και η διαδικασία φόρτισης σωματιδίων, η οποία έχει έναν επαγωγικό και έναν μη-επαγωγικό μηχανισμό. Σύμφωνα με τη διαδικασία της ανωμεταφοράς, καθώς το νέφος αναπτύσσεται θετικά ιόντα από την επιφάνεια παρασύρονται από τα ισχυρά ανοδικά ρεύματα και συλλαμβάνονται από τις σταγόνες του νέφους. Στη συνέχεια μεταφέρονται στην κορυφή του νέφους και προσελκύουν αρνητικά ιόντα πάνω από το νέφος που σχηματίστηκαν από τις κοσμικές ακτίνες, τα οποία παγιδεύονται από τα σωματίδια που βρίσκονται στα άκρα του νέφους. Σχηματίζεται έτσι ένα αρνητικό στρώμα στα όρια του νέφους, το οποίο κατέρχεται σε χαμηλότερα επίπεδα μέσα στο νέφος λόγω διαδικασιών εισχώρησης και καθοδικών ρευμάτων. Έτσι δημιουργείται ένα καθαρό θετικό φορτίο στην κορυφή του νέφους και ένα καθαρό αρνητικό φορτίο στη βάση του νέφους, το οποίο έλκει επιπλέον θετικά ιόντα κάτω από τη βάση του νέφους. Τα προβλήματα αυτής της διαδικασίας είναι η έλλειψη επάρκειας θετικών ιόντων από τις κοσμικές ακτίνες, η μεγάλη διάρκεια μεταφοράς τους μέσα στο νέφος καθιστά τη διαδικασία πολύ αργή καθώς και το ότι η πυκνότητα φορτίου του αρνητικού στρώματος είναι ανεπαρκής για να δημιουργήσει ένα αρνητικό φορτίο στη βάση του νέφους. Ωστόσο, η διαδικασία της ανωμεταφοράς μπορεί να εξηγήσει την ηλέκτριση των θερμών νεφών πριν φτάσουν το επίπεδο του 0 o C (Saunders, 1993). Η επαγωγική διαδικασία φόρτισης σωματιδίων στηρίζεται σε ένα υπάρχον κατακόρυφο ηλεκτρικό πεδίο για να προκαλέσει φορτία πόλωσης στα σωματίδια (Saunders, 1993), έτσι ώστε όταν ένα μικρότερο σωματίδιο αναπηδά μακριά από την κάτω πλευρά ενός μεγαλύτερου σωματιδίου, τα αντίθετα φορτισμένα σωματίδια διαχωρίζονται και τα φορτία τους ενισχύουν το ηλεκτρικό πεδίο (Saunders, 1993). Αρχικά εξετάστηκε για τις σταγόνες σε πτώση, αργότερα προσαρμόστηκε για τη μεταφορά φορτίου ανάμεσα στο μαλακό χαλάζι σε πτώση και τους παγοκρυστάλλους που αναπηδούν (Saunders, 1993). Σε ένα πείραμα που έγινε από τους Aufdermaur και Johnson (1972), εξετάστηκε η πιθανότητα διαχωρισμού φορτίου λόγω ξηρής ανάπτυξης. Αυτοί βρήκαν ότι η επαγωγή, ο 28

διαχωρισμός φορτίου λόγω σωματιδίων που αναπηδούν, κατά την ξηρή ανάπτυξη ήταν ικανή να προκαλέσει μικρά ηλεκτρικά πεδία με τη δυνατότητα να δημιουργηθούν τα απαραίτητα πεδία κατάρρευσης στις καταιγίδες (Aufdermaur and Johnson, 1972). Η επαγωγική διαδικασία χρησιμοποιείται συχνά στα μοντέλα ηλέκτρισης καταιγίδας με αποτελέσματα συγκρίσιμα με τις παρατηρήσεις, ωστόσο επικρίνεται γιατί δεν εξηγεί τα υψηλά φορτισμένα σωματίδια στην αρχή ηλέκτρισης της καταιγίδας και επειδή η αποκατάσταση του ηλεκτρικού πεδίου ανάμεσα στις ηλεκτρικές εκκενώσεις είναι γραμμική αντί για εκθετική (Saunders, 1993). Η πιο δημοφιλής θεωρία σήμερα είναι η μη επαγωγική διαδικασία μεταφοράς φορτίου κατά την αλληλεπίδραση μαλακού χαλαζιού-παγοκρυστάλλων υπό την παρουσία σταγόνων νερού σε υπέρτηξη (Saunders, 1993, Rakov and Uman, 2003). Ο όρος μη επαγωγικός απλά σημαίνει ότι η διαδικασία συμβαίνει ανεξάρτητα του ηλεκτρικού πεδίου. Σε διαφορετικές θερμοκρασίες, κάθε σωματίδιο έχει ένα ειδικό φορτίο, το οποίο μεταφέρεται μέσω συγκρούσεων. Σε έρευνα που έγινε από τους Latham και Mason (1961a, b) εξετάστηκε η εξάρτηση της μεταφορά φορτίου από τις θερμοβαθμίδες στον πάγο και έπειτα εφαρμόστηκε στα καταιγιδοφόρα νέφη. Μελετήθηκε η ιοντική κίνηση και προέκυψε ότι τα θετικά ιόντα ταξιδεύουν πιο γρήγορα στο ψυχρότερο μέρος του πάγου, έτσι το θερμότερο μέρος αποκτά ένα αρνητικό φορτίο (Latham and Mason, 1961a). Εξετάζοντας αυτό το συμπέρασμα στις συγκρούσεις πάγου, δύο παγοκρύσταλλοι διαφορετικών θερμοκρασιών ήρθαν σε επαφή μεταξύ τους και έπειτα διαχωρίστηκαν (Latham and Mason, 1961a). Ο θερμότερος παγοκρύσταλλος απόκτησε ένα αρνητικό φορτίο και ο ψυχρότερος ένα θετικό φορτίο (Latham and Mason, 1961a). Ερευνήθηκε ο σχηματισμός μαλακών χαλαζόκοκκων λόγω ξηρής ανάπτυξης συσχετίζοντας τα ευρήματα με τα καταιγιδοφόρα νέφη (Latham and Mason, 1961a). Καθώς οι σταγόνες σε υπέρτηξη παγώνουν πάνω στο χαλαζόκοκκο, θετικά φορτισμένα θραύσματα πάγου αποσπώνται αφήνοντας το χαλαζόκοκκο αρνητικά φορτισμένο (Latham and Mason, 1961b). Σύμφωνα με τους Latham και Mason (1961b), αυτή η διαδικασία βρέθηκε να συμβάλλει στην ηλέκτριση του καταιγιδοφόρου νέφους σε πολύ μεγαλύτερο ποσοστό συγκριτικά με τη μεταφορά φορτίου λόγω σύγκρουσης μεταξύ παγοκρυστάλλων και χαλαζόκοκκων. Αντιθέτως, σε μια μελέτη που έγινε από τον Reynolds et al. (1957), βρέθηκε ότι συγκρούσεις μεταξύ παγοκρυστάλλων και μαλακού χαλαζιού είναι αρκετές για να εξηγήσουν την ηλέκτριση της καταιγίδας. 29

Αν και υπάρχουν πολλές θεωρίες, παρατηρήσεις που δείχνουν ότι η κύρια ζώνη φόρτισης ή ζώνη αρνητικού φορτίου, παραμένει σε μια σχεδόν σταθερή ζώνη θερμοκρασιών μικρότερη του 0 o C, παγκοσμίως δηλώνουν τη σημασία του πάγου στην ηλέκτριση της καταιγίδας (Saunders, 1993). Η πιο αποδεκτή εξήγηση για τη φόρτιση της καταιγίδας είναι ο μηχανισμός μαλακού χαλαζιού-πάγου (Saunders, 1993). Πάνω από μια θερμοκρασία, τη θερμοκρασία αντιστροφής το μαλακό χαλάζι φορτίζεται αρνητικά δημιουργώντας θετικά φορτισμένους παγοκρυστάλλους που μεταφέρονται στην κορυφή του νέφους (Saunders, 1993). Κάτω από τη θερμοκρασία αντιστροφής το μαλακό χαλάζι φορτίζεται θετικά και δημιουργεί αρνητικά φορτισμένους παγοκρυστάλλους κατά τη διάρκεια των συγκρούσεων για να δημιουργηθεί η αρνητική ζώνη φόρτισης (Saunders, 1993). Το θετικό μαλακό χαλάζι έπειτα πέφτει κάτω από την αρνητική ζώνη φόρτισης καθώς ετοιμάζεται να πέσει εκτός νέφους, πιθανώς εξηγεί τη μικρή ζώνη θετικού φορτίου στη βάση του νέφους (Saunders, 1993). Η θερμοκρασία αντιστροφής πιστεύεται ότι βρίσκεται ανάμεσα στους -10 o C και στους -20 o C, την κύρια ζώνη αρνητικού φορτίου (Rakov and Uman, 2003). Η αλλαγή φορτίου εξαρτάται από τη θερμοκρασία, το μέγεθος του κρυστάλλου, την ταχύτητα πρόσκρουσης και το περιεχόμενο σε υγρό νερό (Saunders, 1993). 2.8 Ανίχνευση των ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους Η διαδικασία της ηλεκτρικής εκκένωσης νέφους-εδάφους δημιουργεί μια αλλαγή στη δομή του φορτίου του νέφους, η οποία εκδηλώνεται ως μια μετρήσιμη αλλαγή του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια της γης. Το Σχήμα 8 δείχνει τα σήματα της ακτινοβολίας του ηλεκτρικού πεδίου από τυπικές ηλεκτρικές εκκενώσεις σε μια απόσταση 60 km. Το Σχήμα 8α απεικονίζει μια ηλεκτρική εκκένωση νέφους, το 8β είναι του πρώτου χτυπήματος επιστροφής (return stroke) και το 8γ είναι του επακόλουθου return stroke. Όργανα έχουν αναπτυχθεί να δέχονται μόνο τις χαρακτηριστικές κυματομορφές των return strokes (Σχ.8β και 8γ) και να απορρίπτουν εκείνες των ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους (Krider et al., 1976, 1980). Τα σχήματα και οι πολικότητες των κυματομορφών του πεδίου της ηλεκτρικής εκκένωσης διατηρούνται. Η μέτρηση του μέγιστου μαγνητικού πεδίου από τον return stroke ισοδυναμεί με ένα σημείο του καναλιού της ηλεκτρικής εκκένωσης λίγες εκατοντάδες μέτρα από το έδαφος και σχεδόν ακριβώς πάνω από το σημείο του χτυπήματος (Krider et al., 1976). Τα εμπορικά διαθέσιμα συστήματα ανίχνευσης 30

ηλεκτρικών εκκενώσεων χρησιμοποιούν είτε την τεχνολογία του μαγνητικού εντοπισμού (Magnetic Direction Finder, MDF), είτε την τεχνολογία της ώρας άφιξης (Time Of Arrival, ΤΟΑ) ή έναν συνδυασμό των δύο (NLDN). Τα χτυπήματα επιστροφής μιας ηλεκτρικής εκκένωσης δημιουργούν ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία καθώς το φορτίο κινείται κατά μήκος του καναλιού (Σχήμα 8). Οι εξισώσεις που περιγράφουν τα ηλεκτρικά και τα μαγνητικά πεδία, όπως αυτά μετρούνται στο επίπεδο του εδάφους δίνονται από τον Uman (1987) ως: ΗΤ 2 2 t 2z' r R i z', dtdz' 5 R τ c Η 0 Β 1 E r, φ,0,t = R a z 1 2πε ο Η 2 2 2 i z', Τ Η Τ 2z' r R r τ c i z', dz' + dz' 4 τ 2 3 cr c c R t Η Β ΗΒ ( ) () R Η i z', τ Τ μ ΗΤ r R r ο c Β( r, φ,0,t) = i z', τ dz' + 3 2 2π dz ' a φ ( 2) R c cr Η t Β Η Β Σε αυτές τις εξισώσεις, ε ο και μ ο, είναι η επιτρεπτότητα και η διαπερατότητα του κενού χώρου, αντίστοιχα, όλοι οι γεωμετρικοί παράγοντες ορίζονται στο Σχήμα 9, και c είναι η ταχύτητα του φωτός. Για το ηλεκτρικό πεδίο (1), ο πρώτος όρος είναι ο ηλεκτροστατικός όρος και δεν υπάρχει στη (2), επειδή το μαγνητικό πεδίο δεν έχει στατικό όρο. Ο δεύτερος όρος στην (1) και ο πρώτος όρος στη (2) είναι οι όροι της επαγωγής. Ο τελευταίος όρος στις (1) και (2) αναπαριστά τη συνιστώσα της ακτινοβολίας. Ο ηλεκτροστατικός όρος μειώνεται ως r -3 και οι επαγωγικοί όροι μειώνονται ως r -2. Οι όροι της ακτινοβολίας μόνο πέφτουν ως r -1 και έτσι επικρατούν σε αποστάσεις μεγαλύτερες από μερικές δεκάδες km. Το μέγιστο ρεύμα στο κανάλι του χτυπήματος επιστροφής έχει μοντελοποιηθεί και ταιριάζει καλά με τις απομακρυσμένες μετρήσεις του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου (MacGorman and Rust, 1998). Ο Lin et al. (1980) χρησιμοποιώντας το transmission line model (TLM) προσέγγισε το ρεύμα του χτυπήματος επιστροφής σε ένα κατακόρυφο κανάλι, όπου η ταχύτητα του χτυπήματος επιστροφής υποτίθεται σταθερή κατά μήκος του καναλιού. Αν η απόσταση από το κανάλι είναι αρκετά μακριά από την απόσταση που οι όροι της ακτινοβολίας κυριαρχούν, τότε το μέγιστο ρεύμα μπορεί να βρεθεί 31

2 2 π εο c R R χρησιμοποιώντας Ipk () t = Epk t+ v c, όπου I pk (t) είναι το μέγιστο ρεύμα R τη χρονική στιγμή t, v είναι η ταχύτητα του χτυπήματος επιστροφής και E pk t + είναι c το μέγιστο ηλεκτρικό πεδίο που συνδέεται με το μέγιστο ρεύμα τη χρονική στγμή t. Σχήμα 8: Τα σήματα της ακτινοβολίας του πεδίου που παράγονται από μια τυπική ηλεκτρική εκκένωση νέφους-εδάφους σε μια απόσταση 60 km. Το σήμα (α) δείχνει έναν παλμό ηλεκτρικής εκκένωσης νέφους που προηγήθηκε (β) του χτυπήματος επιστροφής (γ) και ένα επακόλουθο χτυπήμα επιστροφής (από Krider et al., 1980, τροποποιημένο). 32

Σχήμα 9: Γεωμετρικές παράμετροι που χρησιμοποιούνται στον υπολογισμό των πεδίων των χτυπημάτων επιστροφής χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις 1 και 2. Στο κάτω μέρος δεξιά, ορίζονται συνιστώσες και μονάδες διανυσμάτων για τα σφαιρικά και κυλινδρικά συστήματα συντεταγμένων (από Uman, 1987.) Ο κύριος αισθητήρας σε ένα σύστημα μαγνητικού εντοπισμού είναι μια κεραία διασταυρωμένων βρόγχων που αποτελείται από δύο κατακόρυφους ορθογώνιους βρόγχους, ο ένας με προσανατολισμό βορρά-νότου, και ο άλλος ανατολή-δύση (MacGorman and Rust, 1998). Υποτίθεται ότι το κανάλι της ηλεκτρική εκκένωσης είναι ένα κατακόρυφο κανάλι στα πρώτα μs, επειδή το μαγνητικό πεδίο που παράγεται από ένα κατακόρυφο κανάλι έχει μία μόνο αζιμουθιακή συνιστώσα, η ακτινική και κατακόρυφη συνιστώσα είναι 0. Το σήμα που προκαλείται σε κάθε κατακόρυφο βρόγχο εξαρτάται από το ηλεκτρικό ρεύμα στο κανάλι της ηλεκτρικής εκκένωσης, την απόσταση από το κανάλι, 33

και το συνημίτονο της γωνίας ανάμεσα στο επίπεδο του βρόγχου και την κατεύθυνση προς το κανάλι της ηλεκτρικής εκκένωσης. Όταν ο βρόγχος αντικρύζει το κανάλι της ηλεκτρικής εκκένωσης, το σήμα που παράγεται στο βρόγχο είναι το μέγιστο δυνατό σε μια συγκεκριμένη απόσταση και για ένα συγκεκριμένο ρεύμα ηλεκτρικής εκκένωσης. Με σκοπό να αποκτήσουμε ένα σήμα ανεξάρτητο της απόστασης και του ρεύματος της ηλεκτρικής εκκένωσης, ένα MDF σύστημα χρησιμοποιεί το λόγο των σημάτων που προκαλούνται στους δύο ορθογώνιους βρόγχους, ο λόγος του σήματος στο βρόγχο βορράνότο προς αυτόν στο βρόγχο ανατολή-δύση εξαρτάται από την εφαπτομένη της κατεύθυνσης προς το κανάλι της αστραπής. Βρίσκοντας τις κατευθύνσεις που μετρούνται από δύο ή περισσότερους MDF σταθμούς με τριγωνισμό, υπολογίζεται η τοποθεσία του καναλιού (Σχήμα 10). Έτσι, τα MDF συστήματα απαιτούν τουλάχιστον δύο σταθμούς. Ένα σύστημα MDF βρέθηκε να παρέχει την καλύτερη ακρίβεια στον καθορισμό της θέσης ενός χτυπήματος επιστροφής. Αρκετά τεστ για το σχήμα του σήματος των κυματομορφών σε ένα φάσμα συχνοτήτων κάτω από τα 100 khz (όπου οι αστραπές νέφους-εδάφους ακτινοβολούν πολύ περισσότερη ενέργεια από τις αστραπές νέφους) έχουν γίνει για να αναγνωρίσουν τα σήματα από τις αστραπές νέφους-εδάφους και να απορρίψουν εκείνα από τις αστραπές νέφους. Η τεχνική του συστήματος της ώρας άφιξης λειτουργεί με τον ακόλουθο τρόπο: κάθε σταθμός αναγνωρίζει την ώρα άφιξης ενός κατακόρυφα πολωμένου ηλεκτρομαγνητικού σήματος από την ηλεκτρική εκκένωση χρησιμοποιώντας ρολόγια Global Positioning System (GPS) και ένας κεντρικός επεξεργαστής υπολογίζει τις διαφορές στην ώρα που το σήμα της ηλεκτρικής εκκένωσης φθάνει σε τέσσερις μέχρι έξι σταθμούς (MacGorman and Rust, 1998). Η διαφορά στην ώρα άφιξης για ένα ζευγάρι σταθμών ορίζει ένα γεωμετρικό τόπο σταθερής διαφοράς ώρας που περνά μέσω της θέσης της ηλεκτρικής εκκένωσης. Ο γεωμετρικός τόπος είναι μια υπερβολή για σταθμούς σε ένα οριζόντιο επίπεδο, ενώ σε αποστάσεις στις οποίες πρέπει να συμπεριληφθεί η καμπυλότητα της γης, ο γεωμετρικός τόπος είναι διαφορετικός από υπερβολή. Αν δύο αισθητήρες ανιχνεύουν έναν χτύπημα επιστροφής, η πηγή του ηλεκτρικού πεδίου θα μπορούσε να είναι οπουδήποτε κατά μήκος της υπερβολής, όπως ορίζεται από την διαφορά της ώρας στην ανίχνευση του χτυπήματος. Ένας τρίτος σταθμός παρέχει μια δεύτερη ανεξάρτητη διαφορά ώρας και ο γεωμετρικός τόπος αυτής της διαφοράς ώρας τέμνει τον πρώτο γεωμετρικό τόπο στο σημείο που έπεσε ο κεραυνός (Σχήμα 11). Έχει 34

βρεθεί ότι τέσσερις σταθμοί ΤΟΑ απαιτούνται για να καθορίσουν τη θέση του κεραυνού χωρίς αμφιβολία. Το 1994, οι δύο προαναφερθείσες τεχνικές συγχωνεύτηκαν στο NLDN. Ένα αναβαθμισμένο NLDN εγκαταστάθηκε, όπου περίπου το 60% όλων των σταθμών χρησιμοποιούσε μόνο ΤΟΑ αισθητήρες και το υπόλοιπο χρησιμοποιούσε και ΤΟΑ και ΜDF αισθητήρες. Οι μαγνητικοί ΜDF παρέχουν την πληροφορία του αζιμούθιου και ο εξοπλισμός ΤΟΑ παρέχει την απόλυτη ώρα άφιξης με την πληροφορία της απόστασης σε ένα συνδυασμένο σύστημα. Το μέγιστο ρεύμα για μια ηλεκτρική εκκένωση καθορίζεται από το μεγάλης κλίμακας κανονικοποιημένο σήμα έντασης (RNSS) που καταγράφεται από το NLDN. Το σήμα της έντασης είναι κανονικοποιημένο για να εξαλείψει την επίδραση της εξασθένησης λόγω της απόστασης. Ο υπολογισμός του μέγιστου ρεύματος, όπως δίνεται από τους Cummins et al. (1998) είναι: Peak_Current = 0.185(RNSS) όπου οι μονάδες δίνονται σε ka. Τα συστήματα ανίχνευσης των ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους βασίζονται σε διαφορετικές τεχνικές εντοπισμού: (1) Τα συστήματα (MDF) χρησιμοποιούν το λόγο δύο κάθετων συνιστωσών μαγνητικού πεδίου, για να καθορίσουν τη γωνία προς την ηλεκτρική εκκένωση από το μαγνητικό πεδίο που μετρήθηκε σε δύο τουλάχιστον διαφορετικούς δέκτες. Οι θέσεις των σημείων επαφής των ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους με το έδαφος καθορίζονται έπειτα από triangulation. (2) Τα συστήματα TOA εξαρτώνται από μετρήσεις της ώρας άφιξης του παλμού σε αρκετούς δέκτες που είναι ακριβώς συγχρονισμένοι. Εφόσον τα σήματα radio εκπέμπονται κοντά στην ταχύτητα του φωτός, μία σταθερή διαφορά στην ώρα άφιξης σε δύο σταθμούς ορίζει μια υπερβολή και πολλαπλοί σταθμοί παρέχουν πολλαπλές υπερβολές των οποίων οι τομές ορίζουν την πηγή της θέσης των εκφορτίσεων νέφους-εδάφους. Τα Lightning Positioning and Tracking Systems (LPATS) βασίζονται σε μεγάλου φάσματος δέκτες TOA και είναι κατάλληλα για να βρίσκουν τις πηγές των ηλεκτρικών εκκενώσεων σε μέσες και μεγάλες κλίμακες χρησιμοποιώντας την υπερβολική μέθοδο εντοπισμού. 35

(3) Τα Hybrid Systems (το U.S. National Detecting Network, Cummins et al., 1998) χρησιμοποιούν ένα συνδυασμό των MDF και των TOA μεθόδων ανίχνευσης ηλεκτρικών εκκενώσεων. Σχήμα 10: Το σύστημα magnetic direction finder (MDF). Η θέση του καναλιού μπορεί να καθοριστεί, βρίσκοντας τις κατευθύνσεις που μετρούνται από δύο ή περισσότερους MDF σταθμούς με τριγωνισμό (από MacGorman and Rust, 1998). 2.9 Χαρακτηριστικά ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους Μέγιστο ρεύμα του πρώτου χτυπήματος επιστροφής (first stroke peak current): Κάθε χτύπημα αστραπής έχει μια συγκεκριμένη ισχύ σήματος, ενδεικτική του ρεύματος που μεταφέρεται από το κανάλι. Το μέγεθος του μέγιστου ρεύματος του πρώτου χτυπήματος υπολογίζεται από αυτή την ισχύ. Το μέγιστο ρεύμα εξαρτάται από την εποχή 36

Σχήμα 11: Θέση ενός κεραυνού από το σύστημα της ώρας άφιξης (ΤΟΑ). Η διαφορά στην ώρα που φθάνει ένα σήμα σε δύο σταθμούς (τα αριθμημένα σύμβολα κεραίας) ορίζει μια υπερβολή πάνω στην οποία τοποθετείται η ηλεκτρική εκκένωση. Υπερβολές από διαφορετικά ζευγάρια σταθμών τέμνονται στη θέση του καναλιού της ηλεκτρική εκκένωσης (από MacGorman and Rust, 1998). και την πολικότητα (μεγαλύτερο τη ψυχρή περίοδο και μεγαλύτερο για τις θετικές αστραπές). Πολικότητα: Οι ηλεκτρικές εκκενώσεις νέφους-εδάφους μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες σύμφωνα με την πολικότητά τους. Μια θετική αστραπή κατεβάζει θετικό φορτίο στο έδαφος, ενώ μια αρνητική αστραπή κατεβάζει αρνητικό φορτίο στο έδαφος. Το ποσοστό των θετικών αστραπών είναι μικρότερο από αυτό των αρνητικών. Την ψυχρή 37

περίοδο και σε μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη παρατηρούνται περισσότερες θετικές αστραπές (η περιοχή θετικού φορτίου στην κορυφή του νέφους είναι πιο κοντά στο έδαφος). Θετικές αστραπές παρατηρούνται στη στρωματόμορφη περιοχή μιας καταιγίδας, καθώς οι σχετικοί άνεμοι μεταφέρουν φορτίο από τη θετική περιοχή στη στρωματόμορφη, όπου δεν υπάρχει αρνητικά φορτισμένη περιοχή από κάτω. Πολλαπλότητα: Ορίζεται ως ο αριθμός των χτυπημάτων επιστροφής σε μια αστραπή νέφους-εδάφους. Συνήθως, σε μια αστραπή υπάρχουν 2 με 4 χτυπήματα επιστροφής, αν και έχουν μετρηθεί πολλαπλότητες των 26 χτυπημάτων επιστροφής. Οι αρνητικές αστραπές έχουν μεγαλύτερες μέσες πολλαπλότητες από τις θετικές. Χρόνος ανόδου της κυματομορφής του ρεύματος: Είναι ο χρόνος που μεσολαβεί από τη στιγμή που η τιμή του ρεύματος είναι ίση με το 10 % της μέγιστης τιμής μέχρι τη στιγμή που θα γίνει ίση με το 90 % της μέγιστης τιμής. Χρόνος ημίσεως εύρους: Είναι ο χρόνος που μεσολαβεί από τη στιγμή που το ρεύμα θα αποκτήσει τη μέγιστη τιμή του μέχρι τη στιγμή που το ρεύμα θα γίνει το μισό της μέγιστης τιμής. 38

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΔΕΔΟΜΕΝΑ - ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ 3.1 Το παγκόσμιο ηλεκτρικό κύκλωμα Οι ηλεκτρικές εκκενώσεις είναι ένα σημαντικό καιρικό φαινόμενο που βοηθά στη διατήρηση της παγκόσμιας ηλεκτρικής ισορροπίας. Στην ατμόσφαιρα υπάρχουν τρία επίπεδα διαφορετικής ηλεκτρικής αγωγιμότητας: η επιφάνεια, η ηλεκτρόσφαιρα και η ιονόσφαιρα. Σύμφωνα με τους Wallace and Hobbs (2006), ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο με φορά προς τα κάτω εκτείνεται από την επιφάνεια της γης μέχρι μερικές δεκάδες χιλιόμετρα ψηλά κατά τη διάρκεια καλού καιρού. Αυτό το ηλεκτρικό πεδίο έχει ένα θετικό φορτίο που συνεχώς ρέει προς την επιφάνεια της γης (Wallace and Hobbs, 2006). Το ηλεκτρικό πεδίο με φορά προς τα κάτω φανερώνει ότι η επιφάνεια της γης διαθέτει ένα αρνητικό φορτίο (Wallace and Hobbs, 2006). Η ηλεκτρόσφαιρα βρίσκεται περίπου στα 60 km πάνω από την επιφάνεια (Rakov and Uman, 2003). Η ηλεκτρόσφαιρα αντιπροσωπεύει μια απότομη αύξηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας εξαιτίας της παρουσίας ελεύθερων ηλεκτρονίων (Rakov and Uman, 2003). Ωστόσο, η ηλεκτρόσφαιρα δεν έχει ακριβές ύψος και αλλάζει ανάλογα με την ώρα της ημέρας, τη θερμοκρασία και το γεωγραφικό πλάτος (Rakov and Uman, 2003). Η ιονόσφαιρα βρίσκεται πάνω από την ηλεκτρόσφαιρα περίπου στα 100 km και επηρεάζεται κυρίως από κοσμικές ακτίνες, οπότε η ιονόσφαιρα έχει τη μεγαλύτερη ηλεκτρική αγωγιμότητα (Rakov and Uman, 2003). Αυτά τα τρία επίπεδα σχηματίζουν το παγκόσμιο ηλεκτρικό κύκλωμα (Σχήμα 1). Το παγκόσμιο ηλεκτρικό κύκλωμα συγκρίνεται με εκείνο ενός σφαιρικού πυκνωτή. Η επιφάνεια της γης συμπεριφέρεται ως ένας αρνητικά φορτισμένος αγωγός. Αυτός ο αγωγός και η ηλεκτρόσφαιρα (μια περιοχή θετικού φορτίου, της οποίας η βάση βρίσκεται περίπου σε ύψος 65 km) αποτελούν τους οπλισμούς του σφαιρικού πυκνωτή. Υπάρχει ένα σταθερό ηλεκτρικό πεδίο καλού-καιρού: Ε fair ~ 100 V/m στην επιφάνεια της γης. Αυτό το ηλεκτρικό πεδίο προκαλεί μια πυκνότητα ρεύματος προς το έδαφος: J fair = 2 10-12 A/m 2. 39

Χωρίς πηγή τροφοδοσίας θετικών ιόντων, ο πυκνωτής θα εκφορτιζόταν σε μερικά λεπτά. Η κύρια πηγή τροφοδοσίας είναι οι καταιγίδες, οι οποίες μεταφέρουν θετικό φορτίο που ανυψώνεται μέσω του νέφους στην ηλεκτρόσφαιρα και αποθέτουν κατά κύριο λόγο αρνητικό φορτίο πάνω στην επιφάνεια της γης μέσω των ηλεκτρικών εκκενώσεων και του υετού. Σχήμα 1: Το παγκόσμιο ηλεκτρικό κύκλωμα (Wallace and Hobbs, 2006). Radio Atmospherics ή Spherics ή απλά Statics είναι τα ηλεκτρομαγνητικά σήματα που εκτοξεύονται από μεμονωμένες ηλεκτρικές εκκενώσεις. Το φάσμα κάθε σήματος είναι πολύ ευρύ, από μερικά Hz μέχρι μερικές δεκάδες MHz. Ένα spheric ορίζεται ως το χτύπημα επιστροφής (return stroke) μιας ηλεκτρικής εκκένωσης νέφους-εδάφους. Συμβαίνει εφόσον ένα αγώγιμο κανάλι έχει συνδέσει ηλεκτρικά το έδαφος και το φορτισμένο νέφος. Το ρεύμα είναι υπεύθυνο για τη μεταφορά ενέργειας και για τις εκπομπές στα φάσματα VLF/ELF. Η αστραπή (lightning flash) αναφέρεται σε ολόκληρο το γεγονός της ηλεκτρικής εκκένωσης, το οποίο αποτελείται από πολλά μέρη. 40

Οι ηλεκτρικές εκκενώσεις ακτινοβολούν το μεγαλύτερο μέρος της ηλεκτρομαγνητικής τους ενέργειας στην περιοχή συχνοτήτων 3-30kHz (VLF) και στην περιοχή συχνοτήτων 3-3000 Hz (ELF). Εξαιτίας του γεγονότος ότι η ηλεκτρική εκκένωση συμβαίνει κυρίως μεταξύ των καταιγιδοφόρων νεφών και του εδάφους, η ακτινοβολούμενη ενέργεια δεν απλώνεται, όπως θα έκανε στο ελεύθερο, κενό διάστημα. Το σήμα ανακλάται ανάμεσα στο έδαφος και σε μια αγώγιμη περιοχή της ατμόσφαιρας, την ιονόσφαιρα. Στην ιονόσφαιρα εξαιτίας των συνδυασμένων ενεργειών διαφόρων διαδικασιών (π.χ. ηλιακού ανέμου) υπάρχουν πολλά ελεύθερα ηλεκτρόνια και ιόντα. Αυτά τα σωματίδια και η συγκέντρωσή τους είναι υπεύθυνα για τη συμπεριφορά αυτού του ατμοσφαιρικού στρώματος. Η ιονόσφαιρα διαιρείται σε τέσσερις υποπεριοχές γνωστές ως στρώματα D, E, F1 και F2, το ύψος ποικίλλει από 60-90 km (για το D στρώμα) μέχρι 250-300 km. Η πυκνότητα των ηλεκτρονίων έχει μεγάλες μεταβολές κατά τη διάρκεια του κύκλου νύχτας/ημέρας, αυτό προκαλεί διαφορετικές συμπεριφορές. Η ισχυρή υπεριώδης ηλιακή ακτινοβολία χτυπά ουδέτερα άτομα οξυγόνου. Τα φωτόνια σε αυτές τις συχνότητες μπορούν να εκτοπίσουν ένα ηλεκτρόνιο και να δημιουργήσουν ένα ιονισμένο άτομο και ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο. Σχήμα 2: Κυματοδηγός γης-ιονόσφαιρας (Johnson P. M., 2000). Το πολύ χαμηλής συχνότητας σήμα (VLF) που εκπέμπεται από τις ηλεκτρικές εκκενώσεις νέφους-εδάφους μπορεί να διανύσει μεγάλες αποστάσεις ανακλώμενο ολικά από την ιονόσφαιρα και την επιφάνεια της γης, οι οποίες δημιουργούν έτσι έναν τεράστιο κυματοδηγό και να ανιχνευθεί τελικά από έναν αισθητήρα. Το Σχήμα 2 δείχνει μια απεικόνιση της πολλαπλής διαδρομής μιας μετάδοσης VLF. Διαφορετικά επίπεδα ιονισμού της ιονόσφαιρας προκαλούν διαφορετικές γωνίες ανάκλασης. 41

3.2 Ηλεκτρικές εκκενώσεις νέφους-εδάφους Οι ηλεκτρικές εκκενώσεις ανιχνεύονται και καταγράφονται από δύο συστήματα που χρησιμοποιούν την τεχνολογία της ώρας άφιξης. Αυτά είναι το σύστημα ATD (Arrival Time Difference) του MetOffice και το σύστημα ανίχνευσης ηλεκτρικών εκκενώσεων του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών. 3.2.1 Το σύστημα ATD του UK MetOffice Το σύστημα ATD (Arrival Time Difference) ανιχνεύει την κατακόρυφη συνιστώσα του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου που δημιουργείται από μία ηλεκτρική εκκένωση σε μια στενή ζώνη συχνοτήτων από 10 μέχρι 14 khz. Ισχυρές ηλεκτρομαγνητικές εκπομπές σε αυτές τις συχνότητες προκαλούνται από γρήγορη εξουδετέρωση φορτίου στα κατώτατα μερικές εκατοντάδες μέτρα των χτυπημάτων (strokes) νέφους-εδάφους. Η ατμοσφαιρική εξασθένιση σε αυτές τις συχνότητες είναι πολύ μικρή και η ηλεκτρομαγνητική εκφόρτιση (SFERIC) μπορεί να προοδεύσει για εκατοντάδες χιλιόμετρα κατά μήκος του κυματοδηγού γης-ατμόσφαιρας. Τρία ζευγάρια διαφορών ώρας απαιτούνται για να εντοπιστεί μια θέση, αλλά προτιμάται να έχουμε τουλάχιστον 4 αν είναι δυνατόν για να αποφύγουμε αμφιβολία θέσης. Το σύστημα ATD δεν είναι πολύ ευαίσθητο σε χτυπήματα νέφους-νέφους ειδικά σε μεγάλες αποστάσεις από τους αισθητήρες, εφόσον ανιχνεύει κυρίως SFERICS που είναι πολωμένοι κατακόρυφα. Η διδιάστατη θέση (γεωγραφικό πλάτος, γεωγραφικό μήκος) και η χρονική στιγμή της επαφής της ηλεκτρικής εκκένωσης με το έδαφος ανιχνεύεται από το σύστημα ATD του UK Metoffice σύμφωνα με την τεχνική της χρονικής διαφοράς άφιξης, το οποίο αποτελείται από 7 αισθητήρες (Σχήμα 3). 3.2.2 Το σύστημα Zeus του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών Το Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών διαχειρίζεται ένα χαμηλού-κόστους πειραματικό σύστημα ανίχνευσης ηλεκτρικών εκκενώσεων, το οποίο αποτελείται από ένα δίκτυο έξι αισθητήρων SFERICS. Οι αισθητήρες λειτουργούν στο φάσμα πολύ 42

χαμηλής συχνότητας από 5 μέχρι 15 khz με κέντρο τα 9,8 khz. Οι αισθητήρες βρίσκονται στο Birmingham (UK), Roskilde (Denmark), Iasi (Romania), Larnaka (Cyprus), Mt. Etna Σχήμα 3: Αναμενόμενοι σταθμοί στην Ευρώπη μέχρι τα μέσα του 2007, με μπλε οι υπάρχοντες σταθμοί και με πορτοκαλί αυτοί που θα εγκατασταθούν στο προσεχές μέλλον (Από Nash et al.). (Italy) και Evora (Portugal) (Σχήμα 4). Κάθε αισθητήρας μετρά το κατακόρυφο ηλεκτρικό πεδίο και περιλαμβάνει ρολόι συγχρονισμένο στην GPS ώρα με ακρίβεια ενός μs. Ο εντοπισμός του sferic γίνεται από τις χρονικές διαφορές της ακτινοβολίας που εκπέμπεται από μία ηλεκτρική εκκένωση. Οι χρονοσειρές του ηλεκτρικού πεδίου αναπαριστούν τις κυματομορφές των sferics μιας πηγής εκκένωσης που εκπέμπεται μέσα στον κυματοδηγό ιονόσφαιρας-γης. Η χρονική συσχέτιση μεταξύ των κυματομορφών δύο σταθμών ορίζει μια χρονική διαφορά άφιξης. Αυτή η διαφορά αναπαριστά θέσεις με την ίδια χρονική διαφορά μεταξύ δύο σταθμών. Αυτές οι θέσεις ορίζουν υπερβολές πάνω στην επιφάνεια της γης. Η τομή μερικών ATDs (υπερβολών) ορίζει ένα σταθερό σημείο. Τα δεδομένα που καταγράφονται από τα παραπάνω συστήματα είναι η ημερομηνία (έτος/μήνας/ημέρα), η χρονική στιγμή της επαφής της ηλεκτρικής εκκένωσης με το έδαφος με ακρίβεια 7 δεκαδικών ψηφίων (ώρα/λεπτά/δευτερόλεπτα), το 43

γεωγραφικό πλάτος φ με ακρίβεια 4 δεκαδικών ψηφίων, το γεωγραφικό μήκος λ με ακρίβεια 4 δεκαδικών ψηφίων και ένα λάθος εντοπισμού σε km. Σχήμα 4: Θέσεις αισθητήρων SFERICS του Zeus και ένα παράδειγμα μετρήσεων ηλεκτρικών εκκενώσεων (διάστημα 15 min) με δορυφορικές εικόνες στο υπέρυθρο (διάστημα 30 min) (Από Anagnostou et al.). 3.3 Πρόσθετα μετεωρολογικά δεδομένα Τα επιπλέον δεδομένα που χρησιμοποιούνται είναι ύψη 6ωρου αθροιστικού υετού, δεδομένα μετεωρολογικού ραντάρ, ραδιοβολίσεις και συνοπτικοί χάρτες. 3.3.1 Ύψη υετού Για να μελετηθεί η σχέση των ηλεκτρικών εκκενώσεων με το ύψος του 6ωρου υετού σε mm κατά τη διάρκεια της θερμής περιόδου των ετών 2003-2006 επιλέχτηκαν 20 μετεωρολογικοί σταθμοί, οι οποίοι είναι: Αθήνα, Άκτιο, Αλεξανδρούπολη, Ανδραβίδα, 44

Ηράκλειο, Θεσσαλονίκη, Καστόρια, Κέρκυρα, Κύθηρα, Λαμία, Λάρισα, Λήμνος, Μεθώνη, Μήλος, Μυτιλήνη, Νάξος, Σάμος, Σκύρος, Σούδα, Τρίπολη. 3.3.2 Δεδομένα ραντάρ Το ραντάρ καιρού του αεροδρομίου ΜΑΚΕΔΟΝΙΑ είναι ένα S-band ραντάρ και λαμβάνει παρατηρήσεις κάθε 3 min. Τα δεδομένα αφορούν 19 περιπτώσεις καταιγίδων που παρατηρήθηκαν κατά τη χρονική περίοδο Μάιος-Σεπτέμβριος 2005. Τα δεδομένα περιλαμβάνουν την κατακόρυφη (Range Height Indicator, RHI) και την οριζόντια ανάλυση (Plan Position Indicator, PPI) των νεφών, τη μέγιστη ανακλαστικότητα στο ύψος των 5 km και τις γεωγραφικές συντεταγμένες (φ, λ) στις οποίες παρατηρήθηκε. 3.3.3 Ραδιοβολίσεις Ο μετεωρολογικός σταθμός της Μίκρας κατά τη διάρκεια της θερμής περιόδου πραγματοποιεί σε ημερήσια βάση δύο ραδιοβολίσεις, στις 00 UTC (03 τοπική ώρα) και στις 12 UTC (15 τοπική ώρα). Η ραδιοβόλιση περιλαμβάνει δεδομένα πίεσης, γεωδυναμικού ύψους, θερμοκρασίας, σχετικής υγρασίας, σημείου δρόσου, διεύθυνσης και έντασης ανέμου με χρονικό βήμα 2s. Η ραδιοβόλιση που χρησιμοποιήθηκε κυρίως είναι στις 12 UTC, εφόσον αυτή είναι πιο κοντά στην ώρα έναρξης της κατακόρυφης μεταφοράς. Αν αυτή δεν υπήρχε, τότε χρησιμοποιήθηκε η ραδιοβόλιση στις 00 UTC. 3.3.4 Συνοπτικοί χάρτες Για την εκτίμηση των συνοπτικών καταστάσεων κατά τη διάρκεια των καταιγίδων χρησιμοποιούνται ισοβαρικοί χάρτες της επιφάνειας και των 500 hpa (European Meteorological Bulletin). 3.4 Μεθοδολογία Στο πρώτο μέρος μελετάται η χρονική κατανομή της ηλεκτρικής δραστηριότητας (ωριαία, ημερήσια και μηνιαία) πάνω από την ευρύτερη περιοχή της Ελλάδας (33 ο Ν-42 ο 45

Ν και 18 ο Ε-30 ο Ε) κατά τη διάρκεια της θερμής περιόδου (Μάιος-Σεπτέμβριος) των ετών 2003, 2004, 2005 και 2006 και κατά τη διάρκεια της ψυχρής περιόδου (Οκτώβριος- Απρίλιος) των ετών 2004 και 2005. Στο δεύτερο μέρος μελετάται η μηνιαία χωρική κατανομή των ηλεκτρικών εκκενώσεων από τον Ιανουάριο έως τον Οκτώβριο του έτους 2005, το οποίο παρουσίασε τη μεγαλύτερη ηλεκτρική δραστηριότητα, με σκοπό την εύρεση των περιοχών που δέχτηκαν το μεγαλύτερο αριθμό ηλεκτρικών εκκενώσεων. Επίσης, μελετάται η μηνιαία χωρική κατανομή των ηλεκτρικών εκκενώσεων από τον Μάιο έως τον Δεκέμβριο του έτους 2003, η μηνιαία χωρική κατανομή των ηλεκτρικών εκκενώσεων από τον Ιανουάριο έως τον Δεκέμβριο του έτους 2004 και η μηνιαία χωρική κατανομή των ηλεκτρικών εκκενώσεων από τον Μάιο έως τον Αύγουστο του έτους 2006. Η περιοχή της μελέτης διασπάται σε χωρία διαστάσεων 0,1 ο γεωγραφικό πλάτος 0,1 ο γεωγραφικό μήκος, έτσι δημιουργούνται 90 120 χωρία που καλύπτουν τα γεωγραφικά πλάτη από 33 ο Ν μέχρι 42 ο Ν και τα γεωγραφικά μήκη από 18 ο Ε μέχρι 30 ο Ε. Οι ηλεκτρικές εκκενώσεις τοποθετούνται σε χωρία διαστάσεων 10 km 10 km, εμβαδού 100 km 2 το καθένα. Στο τρίτο μέρος προκειμένου να εξεταστεί η σχέση του αριθμού των ηλεκτρικών εκκενώσεων που καταγράφονται μέσα σε μια κυκλική περιοχή με το σημειακό ύψος 6ωρου υετού που μετράται από έναν μετεωρολογικό σταθμό επιλέχθηκε μια κυκλική περιοχή ακτίνας 10 km με κέντρο το σταθμό. Τέλος, για τη διερεύνηση των κατάλληλων δυναμικών και θερμοδυναμικών συνθηκών που ευνοούν την ανάπτυξη καταιγίδας στην ευρύτερη περιοχή της Θεσσαλονίκης εξετάζονται συνοπτικοί χάρτες επιφανείας και 500 hpa καθώς και το κατακόρυφο θερμοδυναμικό προφίλ της ατμόσφαιρας για 16 περιπτώσεις ηλεκτρικής δραστηριότητας. Γίνεται μια προσπάθεια επαλήθευσης της μη-επαγωγικής διαδικασίας φόρτισης κατά την αλληλεπίδραση σωματιδίων μαλακού-χαλαζιού και παγοκρυστάλλων υπό την παρουσία σταγόνων νερού σε υπέρτηξη εξετάζοντας τη συνύπαρξη περιοχών μέγιστης ανακλαστικότητας με περιοχές πυκνών ηλεκτρικών εκκενώσεων για 3 περιπτώσεις ηλεκτρικής δραστηριότητας. 46

47

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΝΑΛΥΣΗ 4.1 Χρονική κατανομή των ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους Από το Σχήμα 1, φαίνεται ότι η ανάπτυξη ηλεκτρικών διαταραχών κατά τη θερμή περίοδο (Μάιος-Σεπτέμβριος) ευνοείται μεταξύ των ωρών 15:00 και 16:00 τοπική ώρα Ελλάδας όσον αφορά τα έτη 2003, 2004 και 2005. (Μαζαράκης et al., 2006). Ωστόσο, ο μηχανισμός που σηματοδοτεί την έναρξη ισχυρών καταιγίδων κατά τη θερμή περίοδο του έτους 2006 φαίνεται να τίθεται σε λειτουργία νωρίτερα (14:00) και να ωριμάζει τις πρώτες απογευματινές ώρες με το μέγιστο να παρατηρείται στις 18:00. Το ελάχιστο των ηλεκτρικών εκκενώσεων παρατηρείται στις 03:00 για τα έτη 2003 και 2006, ενώ για τα έτη 2004 και 2005 το ελάχιστο σημειώνεται στις 07:00 και 08:00 αντίστοιχα. Στη διαμόρφωση των παρατηρούμενων ωριαίων μεγίστων καθοριστικό ρόλο παίζει η θέρμανση του εδάφους, η οποία οδηγεί στα ανοδικά ρεύματα κατακόρυφης μεταφοράς, χαρακτηριστικά των καταιγίδων στα αρχικά τους στάδια. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι το έτος 2005 παρουσίασε το μεγαλύτερο αριθμό ηλεκτρικών εκκενώσεων για τη θερμή περίοδο συνολικά 655.292, στη συνέχεια ακολουθεί το έτος 2003 με 445.371 εκκενώσεις, τρίτο έρχεται το έτος 2004 με 380.031 εκκενώσεις, ενώ το 2006 παρουσιάζει τον μικρότερο αριθμό εκκενώσεων συνολικά 302.026. Ωριαία ηλεκτρική δραστηριότητα πάνω από την ευρύτερη περιοχή της Ελλάδας για τη θερμή περίοδο των ετών 2003, 2004, 2005 και 2006 Αριθμός ηλεκτρικών εκκενώσεων 140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0 2003 2004 2005 2006 Άθροισμα 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Ώρα Ελλάδας Σχήμα 1: Ωριαία κατανομή της ηλεκτρικής δραστηριότητας για τη θερμή περίοδο 1 Μαΐου έως 31 Σεπτεμβρίου των ετών 2003, 2004, 2005 και 2006. 48

Η ωριαία κατανομή των ηλεκτρικών εκκενώσεων κατά την ψυχρή περίοδο (Οκτώβριος-Απρίλιος) που παριστάνεται στο Σχήμα 2, είναι περισσότερο ομοιόμορφη σε σχέση με αυτή του Σχήματος 1. Το ωριαίο μέγιστο των εκκενώσεων για τα έτη 2004 και 2005 παρατηρείται στις 06:00 και 04:00 αντίστοιχα, ενώ το ωριαίο ελάχιστο στις 10:00 και 09:00 αντίστοιχα. Στο μήνα Νοέμβριο οφείλεται κατά κύριο λόγο το μέγιστο που παρατηρείται κατά τη ψυχρή περίοδο του 2004 στις 6 ώρα Ελλάδας, αφού από τις 26.763 ηλεκτρικές εκκενώσεις, οι 14.599 καταγράφονται τον Νοέμβριο. Χαρακτηριστικό είναι ότι η ψυχρή περίοδος του έτους 2004 είναι ηλεκτρικά πιο ενεργή σε σχέση με αυτή του 2005, ενώ κατά τη θερμή περίοδο παρατηρείται το αντίστροφο. Αυτό οφείλεται στην αυξημένη ηλεκτρική δραστηριότητα που παρουσιάστηκε τον Νοέμβριο του 2004. Η μελέτη της ωριαίας κατανομής των ηλεκτρικών εκκενώσεων για την ψυχρή περίοδο δεν κατέστη δυνατή για τα έτη 2003 και 2006, διότι τα δεδομένα δεν περιελάμβαναν αντιπροσωπευτικούς μήνες αυτής της περιόδου. Η ψυχρή περίοδος του 2005 αριθμεί συνολικά 294.665 εκκενώσεις, ενώ ο αντίστοιχος αριθμός για το έτος 2004 είναι 480.241 εκκενώσεις, από τις οποίες οι 253.118 παρατηρήθηκαν το μήνα Νοέμβριο. Τα μέγιστα των πρώτων πρωινών ωρών παρατηρούνται νότια πάνω από θερμά θαλάσσια νερά, που ευνοούν την αστάθεια. ός ηλεκτρικών εκκενώσεων 45000 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 Ωριαία ηλεκτρική δραστηριότητα πάνω από την ευρύτερ την ψυχρή περίοδο των ετών 2004 κα Σχήμα 2: Ωριαία κατανομή της ηλεκτρικής δραστηριότητας για τη ψυχρή περίοδο 1 Οκτωβρίου έως 30 Απριλίου των ετών 2004 και 2005. Από τα επόμενα 4 διαγράμματα του Σχήματος 3, στα οποία παριστάνεται η ημερήσια κατανομή των ηλεκτρικών εκκενώσεων για όλους τους μήνες των ετών 2003, 49

2004, 2005 και 2006 προκύπτει ότι οι μήνες της θερμής περιόδου παρουσιάζουν μεγαλύτερη ηλεκτρική δραστηριότητα σε σχέση με τους μήνες της ψυχρής περιόδου. Κατά τη θερμή περίοδο του 2003 ο Ιούνιος παρουσιάζει τη μεγαλύτερη ηλεκτρική δραστηριότητα, ενώ ο Ιούλιος τη μικρότερη. Κατά τη ψυχρή περίοδο του 2003 ο Δεκέμβριος παρουσιάζει τη μεγαλύτερη ηλεκτρική δραστηριότητα, ενώ ο Οκτώβριος τη μικρότερη. Κατά τη θερμή περίοδο του 2004 ο Σεπτέμβριος παρουσιάζει τη μεγαλύτερη ηλεκτρική δραστηριότητα, ενώ ο Ιούλιος τη μικρότερη. Κατά τη ψυχρή περίοδο του 2004 ο Νοέμβριος παρουσιάζει τη μεγαλύτερη ηλεκτρική δραστηριότητα, ενώ ο Φεβρουάριος τη μικρότερη. Κατά τη θερμή περίοδο του 2005 ο Σεπτέμβριος παρουσιάζει τη μεγαλύτερη ηλεκτρική δραστηριότητα, ενώ ο Ιούνιος τη μικρότερη. Κατά τη ψυχρή περίοδο του 2005 ο Ιανουάριος παρουσιάζει τη μεγαλύτερη ηλεκτρική δραστηριότητα, ενώ ο Μάρτιος τη μικρότερη. Κατά τη θερμή περίοδο του 2006 ο Αύγουστος παρουσιάζει τη μεγαλύτερη ηλεκτρική δραστηριότητα, ενώ ο Ιούλιος τη μικρότερη. Χαρακτηριστικό είναι το γεγονός ότι ο Ιούνιος παρουσιάζει αυξημένη ηλεκτρική δραστηριότητα τα έτη 2003, 2004 και 2006, ενώ το 2005 την ελάχιστη ηλεκτρική δραστηριότητα. Από τους μήνες της θερμής περιόδου αθροιστικά ο πιο ενεργός είναι ο Σεπτέμβριος, ενώ ο λιγότερο ενεργός είναι ο Ιούλιος (Σχήμα 4). Κατά τους θερμούς μήνες του έτους οι καταιγίδες οργανώνονται πάνω από τον ηπειρωτικό κορμό της χώρας, όπου η ξηρά είναι θερμότερη από τη θάλασσα και έτσι ευνοείται η δημιουργία ανοδικών ρευμάτων, ενώ κατά τους χειμερινούς μήνες οι καταιγίδες οργανώνονται πάνω από τα πιο θερμά θαλάσσια νερά και έτσι μετατοπίζονται νοτιότερα. Οι πιο έντονες περιπτώσεις ηλεκτρικής δραστηριότητας του έτους 2003 είναι οι εξής: 13/12 (31.533 εκκενώσεις) νοτιοδυτικά της Πελοποννήσου, 19/6 (31.123 εκκενώσεις) στη δυτική Ελλάδα και 2/8 (23.148 εκκενώσεις) δυτικά των Ιόνιων νησιών. Οι πιο έντονες περιπτώσεις ηλεκτρικής δραστηριότητας του έτους 2004 είναι οι εξής: 7/11 δυτικά των Ιόνιων νησιών (41.858 εκκενώσεις), 4/11 (35.083 εκκενώσεις) νοτιοδυτικά της Κρήτης και 5/11 (29.188 εκκενώσεις) νότια της Κρήτης. Οι πιο έντονες περιπτώσεις ηλεκτρικής δραστηριότητας του έτους 2005 είναι οι εξής: 15/9 (52.386 εκκενώσεις) ανατολικά της Σπάρτης, 30/9 (32.306 εκκενώσεις) στη δυτική Ελλάδα, 23/9 (27.461 εκκενώσεις) στη δυτική Ελλάδα, ανατολική Πελλοπόνησο, Αττική και Εύβοια και 5/8 (25.427 εκκενώσεις) στη Χαλκιδική και Θάσο. 50

Οι πιο έντονες περιπτώσεις ηλεκτρικής δραστηριότητας του έτους 2006 είναι οι εξής: 28/8 (26.689 εκκενώσεις) ανατολικά της Χαλκιδικής, 8/7 (23.093 εκκενώσεις) δυτικά των Ιόνιων νησιών και 10/8 (17.715 εκκενώσεις) στην Κεφαλονιά. 4.2 Χωρική κατανομή των ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους Προκειμένου να μελετηθεί η μηνιαία χωρική κατανομή των ηλεκτρικών εκκενώσεων επιλέχθηκε το έτος 2005, το οποίο παρουσίασε την πιο έντονη ηλεκτρική δραστηριότητα από τα υπόλοιπα χρόνια της μελέτης (Σχήμα 5). Κατά τον μήνα Ιανουάριο χωρικά μέγιστα εντοπίζονται στη Ξάνθη (140 εκκενώσεις), στην Αλεξανδρούπολη, στις Κυκλάδες και στα Δωδεκάνησα. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι η ηλεκτρική δραστηριότητα πάνω από τον ηπειρωτικό κορμό της χώρας είναι σχεδόν ανύπαρκτη. Κατά τον μήνα Φεβρουάριο, η δυτική Ελλάδα δέχεται τον μεγαλύτερο αριθμό ηλεκτρικών εκκενώσεων με το μέγιστο (450 εκκενώσεις) να παρατηρείται δυτικά της Κέρκυρας. Χαρακτηριστικό είναι το γεγονός ότι οι καταιγίδες οργανώνονται κατά μήκος μιας γραμμής που καλύπτει τα νησιά του Ιονίου. Το μήνα Μάρτιο οι καταιγίδες εντοπίζονται σε μεμονωμένες περιοχές με το μέγιστο (140 εκκενώσεις) να βρίσκεται στο θαλάσσιο χώρο δυτικά της Πελλοπονήσου. Η ίδια εικόνα παρουσιάζεται και τον Απρίλιο με το μέγιστο (40 εκκενώσεις περίπου) πάνω από την περιοχή της Μυτιλήνης. Κατά το Μάιο η ηλεκτρική δραστηριότητα έχει αυξηθεί σημαντικά πάνω από τη ξηρά και το μέγιστο παρατηρείται στη βορειανατολική Ελλάδα (250 εκκενώσεις). Τον Ιούνιο οι καταιγίδες επεκτείνονται στο εσωτερικό της δυτικής Ελλάδας με το μέγιστο να παρατηρείται στην Αρκαδία (180 εκκενώσεις.). Τον Ιούλιο οι καταιγίδες εντοπίζονται βορειότερα με το μέγιστο (250 εκκενώσεις) να βρίσκεται στην περιοχή της Δράμας, ενώ αντίστοιχη εικόνα εμφανίζει και ο Αύγουστος με τα μέγιστα (300 εκκενώσεις) να βρίσκονται στην περιοχή της Ημαθίας, της Χαλκιδικής και της Θάσου. Τέλος, τον Σεπτέμβριο οι καταιγίδες εμφανίζονται, κυρίως στη θαλάσσια περιοχή της δυτικής Ελλάδας και το μέγιστο παρατηρείται ανατολικά της Σπάρτης (700 εκκενώσεις). Στη συνέχεια μελετάται η μηνιαία χωρική κατανομή των ηλεκτρικών εκκενώσεων του έτους 2003, το οποίο παρουσίασε την δεύτερη πιο έντονη ηλεκτρική δραστηριότητα (Σχήμα 6). Κατά τον μήνα Μάιο χωρικά μέγιστα εντοπίζονται στη νότια 51

Ημερήσια ηλεκτρική δραστηριότητα πάνω από την ευρύτερη περιοχή της Ελλάδας (χρονική περίοδος 1/5-31/12 του έτους 2003) Ημερήσια ηλεκτρική δραστηριότητα πάνω από την ευρύτερη περιοχή της Ελλάδας (χρονική περίοδος 1/1-31/12 του έτους 2004) 35000 45000 Αριθμός ηλεκτρικών εκκενώσεων 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 Μάϊος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σεπτέμβριος Οκτώβριος Νοέμβριος Δεκέμβριος 2003 Αριθμός ηλεκτρικών εκκενώσεων 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 ΙανουάριοςΦεβρουάριος Μάρτιος Μάϊος Ιούνιος Ιούλιος ΑύγουστοςΣεπτέμβριοςΟκτώβριος Νοέμβριος Δεκέμβριος Μήνας 2004 Μήνας Ημερήσια ηλεκτρική δραστηριότητα πάνω από την ευρύτερη περιοχή της Ελλάδας (χρονική περίοδος 1/1-15/10 του έτους 2005) Ημερήσια ηλεκτρική δραστηριότητα πάνω από την ευρύτερη περιοχή της Ελλάδας (χρονική περίοδος 1/5-31/8 του έτους 2006) 60000 30000 Αριθμός ηλεκτρικών εκκενώσεων 50000 40000 30000 20000 10000 Αριθμός ηλεκτρικών εκκενώσεων 25000 20000 15000 10000 5000 0 0 Ιανουάριος Φεβρουάριος Μάρτιος Απρίλιος Μάϊος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σεπτέμβριος Οκτώβριος 2005 Μήνας Μάϊος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος 2006 Μήνας Σχήμα 3: Ημερήσια κατανομή της ηλεκτρικής δραστηριότητας για όλους τους μήνες των ετών 2003, 2004, 2005 και 2006. 52

Αριθμός ηλεκτρικών εκκενώσεων 600000 500000 400000 300000 200000 100000 0 Μηνιαία κατανομή των ηλεκτρικών εκκενώσεων πάνω από την ευρύτερη περιοχή της Ελλάδας για τα έτη 2003, 2004, 2005 και 20 Αριθμός ηλ. Εκκενώσεων Ι Φ Μ Α Μ Ι Ι Α Σ Ο Ν Σχήμα 4: Μηνιαία κατανομή της ηλεκτρικής δραστηριότητας για όλους τους μήνες των ετών 2003, 2004, 2005 και 2006 για την περιοχή μελέτης. Πελοπόννησο και συγκεκριμένα στη Σπάρτη (300 εκκενώσεις). Επίσης, τα βόρεια σύνορα της Ελλάδας με τη Βουλγαρία και τη Γιουγκοσλαβία παρουσιάζουν μια αξιόλογη ηλεκτρική δραστηριότητα. Κατά τον μήνα Ιούνιο, η δυτική και η βορειοδυτική Ελλάδα δέχονται τον μεγαλύτερο αριθμό ηλεκτρικών εκκενώσεων με τα μέγιστα να παρατηρούνται στην περιοχή της Νάουσας και στο θαλάσσιο χώρο νότια της Πελοποννήσου (300 εκκενώσεις). Χαρακτηριστικό είναι το γεγονός ότι οι καταιγίδες οργανώνονται κατά μήκος μιας γραμμής που καλύπτει τα νησιά του Ιονίου καθώς και τα ηπειρωτικά της Δ-ΒΔ Ελλάδας. Τον Ιούλιο οι καταιγίδες εντοπίζονται στα βόρεια ηπειρωτικά και στα βόρεια σύνορα της Ελλάδας με τη Βουλγαρία και τη Γιουγκοσλαβία με το μέγιστο (80 εκκενώσεις) να βρίσκεται στην περιοχή της Κοζάνης. Κατά τον Αύγουστο η ηλεκτρική δραστηριότητα περιορίζεται κυρίως στο θαλάσσιο χώρο δυτικά των Ιόνιων νησιών (350 εκκενώσεις). Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι δεν παρατηρούνται καταιγίδες στα ηπειρωτικά της χώρας. Τον Σεπτέμβριο οι καταιγίδες εξακολουθούν να περιορίζονται στα δυτικά των Ιόνιων νησιών χωρίς να παρατηρείται κάποιο αξιόλογο μέγιστο. Τον Οκτώβριο οι καταιγίδες εντοπίζονται μεμονωμένα στην 53

περιοχή των Ιωαννίνων, της Ζακύνθου, του Πύργου καθώς και στο θαλάσσιο χώρο ΝΔ της Πελοποννήσου με το μέγιστο (350 εκκενώσεις) να βρίσκεται στην περιοχή των Ιωαννίνων. Τον Νοέμβριο οι καταιγίδες εντοπίζονται μόνο στο νότιο θαλάσσιο και νησιωτικό χώρο με το μέγιστο να παρατηρείται στην περιοχή της Σαντορίνης (450 εκκενώσεις), ενώ αντίστοιχη εικόνα εμφανίζει και ο Δεκέμβριος με τα μέγιστα (300 εκκενώσεις) να βρίσκονται στα νότια και νοτιοδυτικά της Πελοποννήσου. Ακολουθεί η μελέτη της μηνιαίας χωρικής κατανομής των ηλεκτρικών εκκενώσεων του έτους 2004, το οποίο παρουσίασε την τρίτη πιο έντονη ηλεκτρική δραστηριότητα (Σχήμα 7). Τον Ιανουάριο πολυάριθμες καταιγίδες εντοπίζονται κυρίως σε θαλάσσιο και νησιωτικό χώρο. Συγκεκριμένα, οι καταιγίδες οργανώνονται κατά μήκος γραμμών που καλύπτουν τα Ιόνια νησιά και τα νησιά του Ανατολικού Αιγαίου με το μέγιστο (70 εκκενώσεις) να παρατηρείται στην περιοχή της Κέρκυρας. Το Φεβρουάριο οι καταιγίδες εντοπίζονται στο κεντρικό Αιγαίο χωρίς να παρατηρείται κάποιο αξιόλογο μέγιστο. Το Μάρτιο οι καταιγίδες εντοπίζονται κυρίως δυτικά των Ιόνιων νησιών χωρίς να παρατηρείται κάποιο αξιόλογο μέγιστο. Κατά τον μήνα Μάιο η ηλεκτρική δραστηριότητα εντοπίζεται κυρίως στα δυτικά και στα βόρεια ηπειρωτικά με το μέγιστο να παρατηρείται στην περιοχή των Ιωαννίνων. Χαρακτηριστικό είναι το γεγονός ότι ελάχιστες καταιγίδες εντοπίζονται πάνω από τον θαλάσσιο χώρο. Κατά τον μήνα Ιούνιο, μεμονωμένες καταιγίδες εντοπίζονται στα παράλια της Πιερίας με το αξιοσημείωτο μέγιστο (1200 εκκενώσεις) να παρατηρείται στην περιοχή της Κατερίνης. Τον Ιούλιο ελάχιστες καταιγίδες εντοπίζονται πάνω από ηπειρωτικό χώρο χωρίς να παρατηρείται κάποιο αξιόλογο μέγιστο. Κατά τον Αύγουστο ελάχιστες καταιγίδες εντοπίζονται πάνω από θαλάσσιο και ηπειρωτικό χώρο χωρίς να παρατηρείται κάποιο αξιόλογο μέγιστο. Τον Σεπτέμβριο οι καταιγίδες οργανώνονται κατά μήκος γραμμής που καλύπτει το δυτικό θαλάσσιο και νησιωτικό χώρο με το μέγιστο (350 εκκενώσεις) να παρατηρείται σε θαλάσσιο χώρο. Επίσης κάποιες καταιγίδες εντοπίζονται στα βόρεια σύνορα της Ελλάδας με τη Βουλγαρία. Τον Οκτώβριο μεμονωμένες καταιγίδες εντοπίζονται στη δυτική Πελοπόννησο και ανατολικά της Ρόδου με το μέγιστο (200 εκκενώσεις) να παρατηρείται στην περιοχή του Πύργου. Τον Νοέμβριο οι καταιγίδες εντοπίζονται μόνο στο δυτικό και νότιο θαλάσσιο χώρο με το μέγιστο (300 εκκενώσεις) να παρατηρείται νότια της Κρήτης. 54

Το Δεκέμβριο γενικά δεν παρατηρούνται καταιγίδες παρά μόνο στο θαλάσσιο χώρο δυτικά της Πελοποννήσου με αξιοσημείωτο μέγιστο (500 εκκενώσεις). Τον Μάιο του 2006 διάσπαρτες καταιγίδες εντοπίζονται στα ηπειρωτικά και κυρίως στη βορειοανατολική Ελλάδα με το μέγιστο να παρατηρείται (180 εκκενώσεις) στα βόρεια σύνορα της Ελλάδας με τη Βουλγαρία (Σχήμα 8). Αντίστοιχη εικόνα παρουσιάζει και ο Ιούνιος του 2006 με το μέγιστο (250 εκκενώσεις) να εντοπίζεται στα βόρεια σύνορα της Ελλάδας με τη Βουλγαρία. Το Ιούλιο οι καταιγίδες οργανώνονται πάνω από τον ηπειρωτικό κορμό της Ελλάδας χωρίς να παρατηρείται κάποιο αξιόλογο μέγιστο. Επίσης μεμονωμένες καταιγίδες εντοπίζονται δυτικά της Λευκάδας και της Κεφαλονιάς με το αξιοσημείωτο μέγιστο των 500 εκκενώσεων. Τον Αύγουστο οι καταιγίδες εντοπίζονται κυρίως στο Θρακικό Πέλαγος και στα Ιόνια νησιά με το μέγιστο (350 εκκενώσεις) να παρατηρείται στον Κόλπο του Αγίου όρους. Από τη μελέτη της χωρικής κατανομής των ηλεκτρικών εκκενώσεων πάνω από τον ευρύτερο Ελλαδικό χώρο προκύπτουν τα εξής συμπεράσματα: Κατά τον Ιανουάριο των ετών 2004 και 2005 η ηλεκτρική δραστηριότητα πάνω από τον ηπειρωτικό κορμό της χώρας είναι σχεδόν ανύπαρκτη. Κατά τον Μάρτιο και τον Απρίλιο του 2005 οι καταιγίδες εντοπίζονται σε μεμονωμένες περιοχές. Κατά το Μάιο των ετών 2003, 2004, 2005 και 2006 η ηλεκτρική δραστηριότητα έχει αυξηθεί σημαντικά πάνω από την ξηρά κυρίως στα βόρεια-βορειοανατολικά ηπειρωτικά και ελάχιστες καταιγίδες εντοπίζονται πάνω από θαλάσσιο χώρο. Κατά τον Ιούλιο και τον Αύγουστο των ετών 2003 και 2005 οι καταιγίδες εντοπίζονται βορειότερα. Επίσης, ο περιορισμός της υγρασίας της ατμόσφαιρας στον οποίο συνηγορούν και οι άνεμοι (μελτέμια) εξασθενεί σημαντικά τον παράγοντα εμφάνισής τους ή τον περιορίζει στις ορεινές περιοχές. Η περιοχή που παρουσιάζει τη μεγαλύτερη ένταση ηλεκτρικής δραστηριότητας είναι η δυτική Ελλάδα. Χαρακτηριστικό είναι το γεγονός ότι οι καταιγίδες οργανώνονται κατά μήκος γραμμών που καλύπτουν το θαλάσσιο και νησιωτικό χώρο της δυτικής Ελλάδας κατά τους ψυχρούς μήνες και συγκεκριμένα κατά τον Ιανουάριο του 2004 και τον Φεβρουάριο του 2005 καθώς και τον Σεπτέμβριο των ετών 2003, 2004 και 2005. 55

Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι κατά τον Ιούνιο των ετών 2003 και 2005 οι καταιγίδες επεκτείνονται στο εσωτερικό της δυτικής Ελλάδας. Οι ζεστές ημέρες του καλοκαιριού είναι ιδανικές για το σχηματισμό καταιγίδων θερμικής αστάθειας πάνω από τις ηπειρωτικές περιοχές, ιδίως αν συντρέχει και ο παράγοντας της υγρασίας. Αν μάλιστα το θερμικό αίτιο υποβοηθηθεί και από ένα δυναμικό τα αποτελέσματα είναι περισσότερο έντονα. Η αυξημένη ηλεκτρική δραστηριότητα που παρατηρείται τον Σεπτέμβριο των ετών 2003-2005 σχετίζεται με την αύξηση των συνοπτικών συστημάτων που διέρχονται από την περιοχή, ενώ η μετατόπιση των καταιγίδων βορειότερα το καλοκαίρι σχετίζεται με τη θέση του υποτροπικού αεροχειμάρρου, που δρα ως φραγμός για την επέκταση των φαινομένων. 4.3 Σχέση των ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους με τον υετό Από το σχήμα 9, το οποίο δείχνει τον αριθμό των ηλεκτρικών εκκενώσεων που καταγράφηκαν σε μια κυκλική περιοχή ακτίνας 10 km με κέντρο το σταθμό σε σχέση με το σημειακό ύψος υετού που μετρήθηκε από το σταθμό τη χρονική περίοδο 1/5/2003-30/9/2003 προκύπτουν τα εξής: Κατά τη θερμή περίοδο του έτους 2003 βρέθηκαν 33 περιπτώσεις ηλεκτρικής δραστηριότητας που παρουσίασαν αριθμό ηλεκτρικών εκκενώσεων Ν 10 (Πίνακας 1). Τέσσερις από αυτές παρουσίασαν περισσότερες από 100 ηλεκτρικές εκκενώσεις, ενώ το αντίστοιχο ύψος υετού για τρεις περιπτώσεις ήταν ~20 mm. Χαρακτηριστική είναι η περίπτωση της Κέρκυρας (10/9/2003, 18:54-22:05) κατά την οποία καταγράφηκαν 180 ηλεκτρικές εκκενώσεις, ενώ το αντίστοιχο ύψος υετού που μετρήθηκε ήταν 55 mm. Οι υπόλοιπες 29 περιπτώσεις παρουσίασαν μέχρι ~60 ηλεκτρικές εκκενώσεις, ενώ τα αντίστοιχα ύψη υετού κυμαίνονται από 0 έως 30 mm. Η συσχέτιση μεταξύ των ηλεκτρικών εκκενώσεων κυκλικής περιοχής ακτίνας 10 km και σημειακού ύψους 6ωρου υετού είναι ασήμαντη, εφόσον ισχύει R 2 =0,165. Για την καλύτερη προσαρμογή μιας γραμμής στα σημεία του σχήματος 9 χρησιμοποιείται η μέθοδος των ελαχίστων τετραγώνων, οπότε προκύπτει η ευθεία y=1,931x+31,40. 56

57

58

59 Σχήμα 5: Μηνιαία χωρική κατανομή της ηλεκτρικής δραστηριότητας για το χρονικό διάστημα από 1 Ιανουαρίου έως 30 Σεπτεμβρίου του έτους 2005.

60

Σχήμα 6: Μηνιαία χωρική κατανομή της ηλεκτρικής δραστηριότητας για το χρονικό διάστημα από 1 Μαϊου έως 31 Δεκεμβρίου του έτους 2003. 61

62

63

64 Σχήμα 7: Μηνιαία χωρική κατανομή της ηλεκτρικής δραστηριότητας για το χρονικό διάστημα από 1 Ιανουαρίου έως 31 Δεκεμβρίου του έτους 2004.

65

Σχήμα 8: Μηνιαία χωρική κατανομή της ηλεκτρικής δραστηριότητας για το χρονικό διάστημα από 1 Μαϊου έως 31 Αυγούστου του έτους 2006. 66

250 1/5/2003-30/9/2003 ιθμός ηλ. εκκενώσεων 6ώρου 200 150 100 50 0 y = 1,931x + 31,40 R² = 0,165 0 10 20 30 40 50 Υετός 6ώρου (mm) Σχήμα 9: Αριθμός ηλεκτρικών εκκενώσεων σε σχέση με τον αθροιστικό υετό 6ώρου για το χρονικό διάστημα από 1 Μαΐου έως 30 Σεπτεμβρίου του έτους 2003. Πίνακας 1 Ημερομηνία Πόλη Διάρκεια Αριθμός ηλ. εκκεν. Υετός (mm) 1 16.5.2003 ΛΑΡΙΣΑ 18:46-19:21 28 3,0 2 18.5.2003 ΤΡΙΠΟΛΗ 13:10-15:04 216 8,0 3 19.5.2003 ΤΡΙΠΟΛΗ 10:47-11:38 39 0,5 4 21.5.2003 ΘΕΣ/ΝΙΚΗ 19:00-23:04 11 0 5 22.5.2003 ΚΑΣΤΟΡΙΑ 13:57-14:45 15 21,04 6 28.5.2003 ΑΛΕΞ/ΠΟΛΗ 9:14-11:45 45 9,0 7 5.6.2003 ΚΑΣΤΟΡΙΑ 13:02-13:40 38 4,0 8 15.6.2003 ΚΑΣΤΟΡΙΑ 17:02-17:50 21 0,5 9 16.6.2003 ΚΑΣΤΟΡΙΑ 13:18-16:35 212 18,0 10 16.6.2003 ΛΑΡΙΣΑ 18:01-19:58 94 0 11 17.6.2003 ΣΑΜΟΣ 0:23-2:02 30 1,0 12 19.6.2003 ΚΕΡΚΥΡΑ 7:31-11:19 107 4,0 13 19.6.2003 ΛΑΜΙΑ 14:00-15:25 33 12,0 14 19.6.2003 ΑΝΔΡΑΒΙΔΑ 14:49-16:08 47 0,3 15 28.6.2003 ΚΑΣΤΟΡΙΑ 13:29-17:58 45 7,0 16 29.6.2003 ΘΕΣ/ΝΙΚΗ 17:15-17:46 14 0,5 17 19.7.2003 ΘΕΣΝΙΚΗ 16:00-17:50 14 20,0 18 19.7.2003 ΛΑΡΙΣΑ 16:01-17:13 25 5,0 19 29.7.2003 ΚΑΣΤΟΡΙΑ 16:08-17:55 21 9,0 20 30.7.2003 ΛΑΡΙΣΑ 15:18-15:47 18 13,0 21 10.8.2003 ΤΡΙΠΟΛΗ 15:27-16:32 20 14,0 22 10.8.2003 ΚΥΘΗΡΑ 20:33-20:53 11 0 23 20.8.2003 ΘΕΣ/ΝΙΚΗ 15:16-16:23 10 0,2 24 24.8.2003 ΘΕΣ/ΝΙΚΗ 20:00-22:51 19 0,4 25 25.8.2003 ΘΕΣ/ΝΙΚΗ 00:13-00:31 18 0,1 26 26.8.2003 ΛΑΡΙΣΑ 15:04-15:45 59 3,0 67

Πίνακας 1 (Συνέχεια) Ημερομηνία Πόλη Διάρκεια Αριθμός ηλ. εκκεν. Υετός (mm) 27 26.8.2003 ΑΚΤΙΟ 21:05-23:31 57 23,0 28 27.8.2003 ΑΝΔΡΑΒΙΔΑ 0:02-1:52 19 10,0 29 8.9.2003 ΚΕΡΚΥΡΑ 14:58-15:39 34 29,0 30 8.9.2003 ΑΝΔΡΑΒΙΔΑ 19:55-22:48 22 10,0 31 10.9.2003 ΛΑΡΙΣΑ 13:55-14:43 36 0 32 10.9.2003 ΚΕΡΚΥΡΑ 18:54-22:05 180 55,0 33 29.9.2003 ΑΚΤΙΟ 17:34-18:15 24 2,0 Από το σχήμα 10, το οποίο δείχνει τον αριθμό των ηλεκτρικών εκκενώσεων που καταγράφηκαν σε μια κυκλική περιοχή ακτίνας 10 km με κέντρο το σταθμό σε σχέση με το σημειακό ύψος υετού που μετρήθηκε από το σταθμό τη χρονική περίοδο 1/5/2004-30/9/2004 προκύπτουν τα εξής: Κατά τη θερμή περίοδο του έτους 2004 βρέθηκαν 21 περιπτώσεις ηλεκτρικής δραστηριότητας που παρουσίασαν αριθμό ηλεκτρικών εκκενώσεων Ν 10 (Πίνακας 2). Τρεις από αυτές παρουσίασαν περισσότερες από 100 ηλεκτρικές εκκενώσεις, ενώ το αντίστοιχο ύψος υετού κυμαίνεται από 0 μέχρι 2 mm. Οι υπόλοιπες 18 περιπτώσεις παρουσίασαν μέχρι ~50 ηλεκτρικές εκκενώσεις, ενώ τα αντίστοιχα ύψη υετού κυμαίνονται από 0 έως ~20 mm. Η συσχέτιση μεταξύ των ηλεκτρικών εκκενώσεων κυκλικής περιοχής ακτίνας 10 km και σημειακού ύψους 6ωρου υετού είναι ασήμαντη, εφόσον ισχύει R 2 =0,153. Για την καλύτερη προσαρμογή μιας γραμμής στα σημεία του σχήματος 10 χρησιμοποιείται η μέθοδος των ελαχίστων τετραγώνων, οπότε προκύπτει η ευθεία y=-2,808x+62,02. ιθμός ηλ. εκκενώσεων 6ώρου 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Σχήμα 10: 1/5/2004-30/9/2004 y = -2,808x + 62,02 R² = 0,153 0 5 10 15 20 Υετός 6ώρου(mm) Αριθμός ηλεκτρικών εκκενώσεων σε σχέση με τον αθροιστικό υετό 6ώρου για το χρονικό διάστημα από 1 Μαΐου έως 30 Σεπτεμβρίου του έτους 2004. 68

Πίνακας 2 Ημερομηνία Πόλη Διάρκεια Αριθμός ηλ. εκκεν. Υετός (mm) 1 2.5.2004 ΤΡΙΠΟΛΗ 12:02-13:55 40 8,0 2 5.5.2004 ΚΑΣΤΟΡΙΑ 12:04-17:28 29 12,0 3 14.5.2004 ΛΑΡΙΣΑ 14:06-15:40 101 0 4 14.5.2004 ΑΛΕΞΠΟΛΗ 09:15-11:59 80 0,6 5 15.5.2004 ΤΡΙΠΟΛΗ 12:30-13:39 14 10,0 6 18.5.2004 ΣΚΥΡΟΣ 00:53-05:02 26 1,0 7 18.5.2004 ΛΑΡΙΣΑ 16:14-17:35 21 10,0 8 30.5.2004 ΚΕΡΚΥΡΑ 06:48-11:45 30 0 9 30.5.2004 ΑΚΤΙΟ 14:41-15:38 30 2,0 10 13.6.2004 ΛΑΜΙΑ 13:45-14:52 24 0 11 14.6.2004 ΛΗΜΝΟΣ 1:10-2:06 46 6,0 12 17.6.2004 ΚΕΡΚΥΡΑ 20:01-22:41 51 3,0 13 26.6.2004 ΛΑΡΙΣΑ 20:23-21:56 31 9,0 14 26.7.2004 ΚΕΡΚΥΡΑ 19:15-23:42 15 17,0 15 27.7.2004 ΚΕΡΚΥΡΑ 1:17-2:20 10 22,0 16 28.7.2004 ΑΛΕΞΠΟΛΗ 0:01-0:46 21 2,0 17 6.8.2004 ΚΕΡΚΥΡΑ 21:48-22:56 11 0 18 9.8.2004 ΘΕΣΝΙΚΗ 17:09-17:55 167 2,0 19 27.8.2004 ΛΑΡΙΣΑ 15:51-16:23 21 0,7 20 28.8.2004 ΛΗΜΝΟΣ 0:14-2:33 81 0 21 25.9.2004 ΚΕΡΚΥΡΑ 19:26-20:26 155 1,0 Από το σχήμα 11, το οποίο δείχνει τον αριθμό των ηλεκτρικών εκκενώσεων που καταγράφηκαν σε μια κυκλική περιοχή ακτίνας 10 km με κέντρο το σταθμό σε σχέση με το σημειακό ύψος υετού που μετρήθηκε από το σταθμό τη χρονική περίοδο 1/5/2005-30/9/2005 προκύπτουν τα εξής: Κατά τη θερμή περίοδο του έτους 2005 βρέθηκαν 55 περιπτώσεις ηλεκτρικής δραστηριότητας που παρουσίασαν αριθμό ηλεκτρικών εκκενώσεων Ν 10 (Πίνακας 3). Έξι από αυτές παρουσίασαν περισσότερες από 100 ηλεκτρικές εκκενώσεις, ενώ το αντίστοιχο ύψος υετού κυμαίνεται από 0 μέχρι ~40 mm. Οι υπόλοιπες 49 περιπτώσεις παρουσίασαν μέχρι ~85 ηλεκτρικές εκκενώσεις, ενώ τα αντίστοιχα ύψη υετού κυμαίνονται από 0 έως ~70 mm. Η συσχέτιση μεταξύ των ηλεκτρικών εκκενώσεων κυκλικής περιοχής ακτίνας 10 km και σημειακού ύψους 6ωρου υετού είναι ασήμαντη, εφόσον ισχύει R 2 =0,058. Για την καλύτερη προσαρμογή μιας γραμμής στα σημεία του σχήματος 10 χρησιμοποιείται η μέθοδος των ελαχίστων τετραγώνων, οπότε προκύπτει η ευθεία y=0,607x+43. 69

ιθμός ηλ. εκκενώσεων 6ώρου 300 250 200 150 100 50 0 Σχήμα 11: 1/5/2005-30/9/2005 y = 0,607x + 43 R² = 0,058 0 10 20 30 40 50 60 70 Υετός 6ώρου (mm) Αριθμός ηλεκτρικών εκκενώσεων σε σχέση με τον αθροιστικό υετό 6ώρου για το χρονικό διάστημα από 1 Μαΐου έως 30 Σεπτεμβρίου του έτους 2005. Πίνακας 3 Ημερομηνία Πόλη Διάρκεια Αριθμός ηλ. εκκεν. Υετός (mm) 1 20.5.2005 ΛΑΜΙΑ 14:09-15:45 69 6,0 2 24.5.05 ΑΛΕΞΠΟΛΗ 15:29-16:35 15 15,0 3 24.5.05 ΚΑΣΤΟΡΙΑ 11:29-11:59 40 0 4 24.5.05 ΚΑΣΤΟΡΙΑ 12:00-13:01 69 14,0 5 26.5.2005 ΗΡΑΚΛΕΙΟ 0:22-4:28 41 19,0 6 27.5.2005 ΜΕΘΩΝΗ 10:58-11:51 124 17,0 7 27.5.2005 ΛΑΜΙΑ 10:28-11:29 43 0 8 28.5.2005 ΣΟΥΔΑ 8:02-10:33 53 0 9 28.5.2005 ΚΕΡΚΥΡΑ 13:48-14:01 10 0 10 28.5.2005 ΘΕΣΝΙΚΗ 16:47-17:46 52 5,0 11 28.5.2005 ΘΕΣΝΙΚΗ 18:23-19:07 27 18,0 12 30.5.2005 ΑΛΕΞΠΟΛΗ 14:05-17:06 15 0 13 30.5.2005 ΤΡΙΠΟΛΗ 15:54-16:08 14 0,3 14 31.5.2005 ΜΥΤΙΛΗΝΗ 16:54-17:27 28 3,0 15 1.6.2005 ΤΡΙΠΟΛΗ 14:04-15:09 32 1,0 16 1.6.2005 ΑΛΕΞΠΟΛΗ 12:49-14:05 19 33,6 17 2.6.2005 ΤΡΙΠΟΛΗ 12:01-14:39 133 22,0 18 3.6.2005 ΤΡΙΠΟΛΗ 10:41-11:52 54 0 19 11.6.2005 ΑΛΕΞΠΟΛΗ 0:16-2:05 48 8,0 20 11.6.2005 ΜΥΤΙΛΗΝΗ 1:56-3:59 17 9,0 21 3.7.2005 ΑΘΗΝΑ 12:13-13:42 59 35,0 22 13.7.2005 ΘΕΣΝΙΚΗ 20:30-21:48 40 70,0 23 17.7.2005 ΛΑΡΙΣΑ 17:41-17:48 12 0 24 21.7.2005 ΘΕΣΝΙΚΗ 16:44-17:39 23 0,2 25 21.7.2005 ΘΕΣΝΙΚΗ 18:05-20:34 36 0 26 27.7.2005 ΚΑΣΤΟΡΙΑ 13:04-14:47 20 0,2 70

Πίνακας 3 (Συνέχεια) Ημερομηνία Πόλη Διάρκεια Αριθμός ηλ. εκκεν. Υετός (mm) 27 5.8.2005 ΘΕΣΝΙΚΗ 12:02-17:35 49 6,0 28 5.8.2005 ΛΑΡΙΣΑ 15:59-17:55 103 14,0 29 5.8.2005 ΛΑΜΙΑ 12:22-17:19 30 0,9 30 6.8.2005 ΑΛΕΞΠΟΛΗ 8:12-9:25 86 60,0 31 14.8.2005 ΛΗΜΝΟΣ 21:35-21:59 36 0 32 26.8.2005 ΤΡΙΠΟΛΗ 12:22-13:42 72 3,0 33 1.9.2005 ΚΑΣΤΟΡΙΑ 12:51-13:48 47 0 34 1.9.2005 ΤΡΙΠΟΛΗ 14:16-15:45 29 20,0 35 12.9.2005 ΤΡΙΠΟΛΗ 13:59-14:31 18 3,0 36 19.9.2005 ΜΥΤΙΛΗΝΗ 21:09-21:51 23 0 37 20.9.2005 ΑΚΤΙΟ 13:29-15:44 53 33,0 38 20.9.2005 ΚΕΡΚΥΡΑ 13:19-17:29 35 17,0 39 21.9.2005 ΛΗΜΝΟΣ 11:22-11:55 13 3,0 40 21.9.2005 ΛΗΜΝΟΣ 12:00-14:56 152 41,0 41 21.9.2005 ΣΚΥΡΟΣ 1:57-3:45 55 4,0 42 22.9.2005 ΑΘΗΝΑ 18:12-19:49 255 27,0 43 23.9.2005 ΑΘΗΝΑ 13:53-16:25 84 2,0 44 23.9.2005 ΜΗΛΟΣ 19:54-21:54 34 0 45 23.9.2005 ΚΕΡΚΥΡΑ 11:02-11:53 22 5,0 46 23.9.2005 ΑΝΔΡΑΒΙΔΑ 9:01-11:01 26 73,0 47 23.9.2005 ΑΝΔΡΑΒΙΔΑ 12:20-14:57 15 0 48 23.9.2005 ΑΝΔΡΑΒΙΔΑ 20:38-22:28 54 8,0 49 28.9.2005 ΘΕΣΝΙΚΗ 13:19-13:55 10 0 50 30.9.2005 ΚΕΡΚΥΡΑ 10:33-11:54 43 9,0 51 30.9.2005 ΚΕΡΚΥΡΑ 16:27-17:19 28 7,0 52 30.9.2005 ΚΕΡΚΥΡΑ 20:50-22:30 26 30,0 53 30.9.2005 ΑΝΔΡΑΒΙΔΑ 13:11-16:57 68 28,0 54 30.9.2005 ΑΝΔΡΑΒΙΔΑ 23:01-23:59 69 0,5 55 30.9.2005 ΘΕΣΝΙΚΗ 21:53-23:54 145 0,8 Από το σχήμα 12, το οποίο δείχνει τον αριθμό των ηλεκτρικών εκκενώσεων που καταγράφηκαν σε μια κυκλική περιοχή ακτίνας 10 km με κέντρο το σταθμό σε σχέση με το σημειακό ύψος υετού που μετρήθηκε από το σταθμό τη χρονική περίοδο 1/5/2006-31/8/2006 προκύπτουν τα εξής: Κατά τη θερμή περίοδο του έτους 2006 βρέθηκαν 28 περιπτώσεις ηλεκτρικής δραστηριότητας που παρουσίασαν αριθμό ηλεκτρικών εκκενώσεων Ν 10 (Πίνακας 4). Δύο από αυτές παρουσίασαν περισσότερες από 100 ηλεκτρικές εκκενώσεις, ενώ τα αντίστοιχα ύψη υετού είναι 21 mm και 56 mm. Οι υπόλοιπες 26 περιπτώσεις παρουσίασαν μέχρι ~85 ηλεκτρικές εκκενώσεις, ενώ τα αντίστοιχα ύψη υετού κυμαίνονται από 0 έως 70 mm. 71

Η συσχέτιση μεταξύ των ηλεκτρικών εκκενώσεων κυκλικής περιοχής ακτίνας 10 km και σημειακού ύψους 6ωρου υετού είναι ασήμαντη, εφόσον ισχύει R 2 =0,131. Για την καλύτερη προσαρμογή μιας γραμμής στα σημεία του σχήματος 10 χρησιμοποιείται η μέθοδος των ελαχίστων τετραγώνων, οπότε προκύπτει η ευθεία y=1,197x+29,47. ιθμός ηλ. εκκενώσεων 6ώρου 300 250 200 150 100 50 0 Σχήμα 12: 1/5/2006-31/8/2006 y = 1,197x + 29 R² = 0,131 0 10 20 30 40 50 60 70 Υετός 6ώρου (mm) Αριθμός ηλεκτρικών εκκενώσεων σε σχέση με τον αθροιστικό υετό 6ώρου για το χρονικό διάστημα από 1 Μαΐου έως 31 Αυγούστου του έτους 2006. Πίνακας 4 Ημερομηνία Πόλη Διάρκεια Αριθμός ηλ. εκκεν. Υετός (mm) 1 1.5.2006 ΑΝΔΡΑΒΙΔΑ 0:03-1:07 25 15,0 2 1.5.2006 ΗΡΑΚΛΕΙΟ 12:37-13:22 15 1,0 3 3.5.2006 ΚΕΡΚΥΡΑ 12:09-15:15 10 20,6 4 8.5.2006 ΜΥΤΙΛΗΝΗ 8:28-9:11 17 0 5 11.5.2006 ΚΕΡΚΥΡΑ 22:22-23:05 16 2,0 6 12.5.2006 ΑΛΕΞΠΟΛΗ 2:53-5:57 30 9,0 7 23.5.2006 ΛΑΡΙΣΑ 18:10-20:57 31 70,0 8 25.5.2006 ΛΑΡΙΣΑ 16:12-16:59 22 1,0 9 1.6.2006 ΘΕΣΝΙΚΗ 18:00-18:19 43 0 10 7.6.2006 ΚΕΡΚΥΡΑ 6:00-6:50 21 10,0 11 8.6.2006 ΛΗΜΝΟΣ 6:01-7:31 86 0 12 15.6.2006 ΑΛΕΞΠΟΛΗ 10:29-10:54 14 9,0 13 20.6.2006 ΑΛΕΞΠΟΛΗ 18:30-19:42 70 0 14 23.6.2006 ΛΑΡΙΣΑ 18:10-20:57 31 0 15 1.7.2006 ΛΑΡΙΣΑ 18:00-20:15 28 7,0 16 3.7.2006 ΚΕΡΚΥΡΑ 21:35-23:15 36 3,0 17 9.7.2006 ΘΕΣΝΙΚΗ 10:57-11:29 14 6,0 72

Πίνακας 4 (Συνέχεια) Ημερομηνία Πόλη Διάρκεια Αριθμός ηλ. εκκεν. Υετός (mm) 18 25.7.2006 ΚΑΣΤΟΡΙΑ 12:49-13:44 23 12,0 19 30.7.2006 ΤΡΙΠΟΛΗ 14:02-15:29 29 0 20 31.7.2006 ΑΛΕΞΠΟΛΗ 12:40-16:29 17 0,2 21 10.8.2006 ΚΕΡΚΥΡΑ 0:06-4:55 167 56,0 22 21.8.2006 ΚΑΣΤΟΡΙΑ 11:04-11:57 14 0 23 26.8.2006 ΚΕΡΚΥΡΑ 5:27-5:58 28 0 24 26.8.2006 ΚΕΡΚΥΡΑ 6:01-6:27 44 12,0 25 28.8.2006 ΑΛΕΞΠΟΛΗ 0:09-4:15 19 5,0 26 28.8.2006 ΑΛΕΞΠΟΛΗ 10:47-11:39 268 21,0 27 28.8.2006 ΛΗΜΝΟΣ 0:31-1:27 12 0 28 28.8.2006 ΛΗΜΝΟΣ 9:31-9:43 22 13,0 Από τη μελέτη ύπαρξης σχέσης των ηλεκτρικών εκκενώσεων με τον 6ωρο αθροιστικό υετό προκύπτουν τα εξής συμπεράσματα: Αν και οι δύο παράμετροι είναι ομοιογενείς ως προς την ιδέα σχηματισμού, ωστόσο είναι ανομοιογενείς χωρικά. Οι ηλεκτρικές εκκενώσεις μετρήθηκαν μέσα σε μια κυκλική περιοχή ακτίνας 10 km, ενώ ο 6ωρος υετός αναφέρεται σε ένα σημειακό σημείο. Επιπλέον, ο συντελεστής συσχέτισης R 2 είναι μικρότερος από 75%, οπότε οι δύο παράμετροι δεν συσχετίζονται μεταξύ τους. Επιπρόσθετα, ο 6ωρος αθροιστικός υετός μπορεί να προέρχεται όχι μόνο από νέφη κατακόρυφης ανάπτυξης αλλά και από στρωματόμορφα νέφη. Όμως, μόνο τα νέφη κατακόρυφης ανάπτυξης σχετίζονται με μεγάλο αριθμό ηλεκτρικών εκκενώσεων, οπότε μόνο υετός που προέρχεται από αυτά τα νέφη μπορεί να συσχετίζεται αρκετά καλά με τον αριθμό των ηλεκτρικών εκκενώσεων. Ωστόσο, από το Σχήμα 13, που απεικονίζει όλες τις περιπτώσεις ηλεκτρικής δραστηριότητας που παρουσίασαν αριθμό ηλεκτρικών εκκενώσεων Ν 10 κατά τη θερμή περίοδο των ετών 2003, 2004, 2005 και 2006 προκύπτει ότι τα περισσότερα σημεία του διαγράμματος διασποράς βρίσκονται σε μια περιοχή όπου ο αριθμός των ηλεκτρικών εκκενώσεων κυμαίνεται από 0 Ν 50 και ο 6ωρος αθροιστικός υετός κυμαίνεται από 0-20 mm. 73

300 Αριθμός ηλεκτρικών εκκενώσεων σε σχ αθροιστικό υετό 250 200 150 100 Σχήμα 13: Αριθμός ηλεκτρικών εκκενώσεων σε σχέση με 6ωρο αθροιστικό υετό. Σύμφωνα με μια μελέτη που έγινε από τον Scott Sheridan τον Δεκέμβριο του 1995 όσον αφορά τη σχέση των ηλεκτρικών εκκενώσεων νέφους-εδάφους με τον υετό στις νότιες πολιτείες της Αμερικής ο συντελεστής R 2 βρέθηκε ίσος με 0,656. Αυτός υπολόγισε την πυκνότητα των ηλεκτρικών εκκενώσεων ανά 100 km 2 (MGFD) και χρησιμοποίησε τη μέθοδο των πολυγώνων Thiessen προκειμένου να υπολογίσει το μέσο ύψος υετού (PCPN) για την περιοχή. Χρησιμοποιώντας γραμμική παλινδρόμηση βρήκε ότι η εξίσωση της καλύτερης προσαρμογής στα δεδομένα είναι PCPN=53,74+1,02MGFD. 4.4 Μελέτη καταιγίδων στην ευρύτερη περιοχή της Θεσσαλονίκης Στη συνέχεια για το μετεωρολογικό σταθμό της Μίκρας σχεδιάστηκαν γραφήματα, τα οποία απεικονίζουν τα προφίλ της δυναμικής θερμοκρασίας θ, της δυναμικής θερμοκρασίας του υγρού θερμομέτρου θ ν, της αναλογίας μίγματος r (g/kg), της σχετικής υγρασίας RH, της ταχύτητας και της διεύθυνσης του ανέμου για 16 περιπτώσεις ηλεκτρικής δραστηριότητας που παρουσίασαν αριθμό ηλεκτρικών εκκενώσεων Ν 10 (Πίνακας 5). Πίνακας 5 Ημερομηνία Πόλη Διάρκεια Αριθμός ηλ. εκκεν. Υετός (mm) 1 21.5.2003 ΘΕΣ/ΝΙΚΗ 19:00-23:04 11 0 2 29.6.2003 ΘΕΣ/ΝΙΚΗ 17:15-17:46 14 0,5 3 20.8.2003 ΘΕΣ/ΝΙΚΗ 15:16-16:23 10 0,2 74

Πίνακας 5 (Συνέχεια) Ημερομηνία Πόλη Διάρκεια Αριθμός ηλ. εκκεν. Υετός (mm) 4 24.8.2003 ΘΕΣ/ΝΙΚΗ 20:00-22:51 19 0,4 5 25.8.2003 ΘΕΣ/ΝΙΚΗ 00:13-00:31 18 0,1 6 18.5.2004 ΘΕΣΝΙΚΗ 12:52-15:19 11 Όχι διαθέσιμος 7 9.8.2004 ΘΕΣΝΙΚΗ 17:09-17:55 167 2,0 8 20.5.2005 ΘΕΣΝΙΚΗ 13:14-14:36 19 Όχι διαθέσιμος 9 28.5.2005 ΘΕΣΝΙΚΗ 16:47-17:46 52 5,0 10 28.5.2005 ΘΕΣΝΙΚΗ 18:23-19:07 27 18,0 11 13.7.2005 ΘΕΣΝΙΚΗ 20:30-21:48 40 70,0 12 21.7.2005 ΘΕΣΝΙΚΗ 16:44-17:39 23 0,2 13 21.7.2005 ΘΕΣΝΙΚΗ 18:05-20:34 36 0 14 5.8.2005 ΘΕΣΝΙΚΗ 12:02-17:35 49 6,0 15 28.9.2005 ΘΕΣΝΙΚΗ 13:19-13:55 10 0 16 30.9.2005 ΘΕΣΝΙΚΗ 21:53-23:54 145 0,8 17 1.6.2006 ΘΕΣΝΙΚΗ 18:00-18:19 43 0 18 9.7.2006 ΘΕΣΝΙΚΗ 10:57-11:29 14 6,0 Ο στόχος μελέτης αυτών των περιπτώσεων είναι να διερευνηθούν οι συνοπτικές καταστάσεις που ευνοούν την ανάπτυξη καταιγίδας στην ευρύτερη περιοχή της Θεσσαλονίκης καθώς και το θερμοδυναμικό προφίλ της ατμόσφαιρας. Επίσης, θα διερευνηθεί κατά πόσο οι περιοχές μέγιστης ανακλαστικότητας που προέρχονται από το μετεωρολογικό ραντάρ του αεροδρομίου ΜΑΚΕΔΟΝΙΑ σχετίζονται με περιοχές έντονης ηλεκτρικής δραστηριότητας. Από τη μελέτη των συνοπτικών καταστάσεων που επηρεάζουν την ανάπτυξη καταιγίδας στην ευρύτερη περιοχή της Θεσσαλονίκης προκύπτουν τα εξής συμπεράσματα: Βρέθηκαν 9 περιπτώσεις συνοπτικής κατάστασης ανοιχτού κυματισμού L-1, οι οποίες είναι: 21/5/2003, 20/8/2003, 25/8/2003, 18/5/2004, 20/5/2005, 5/8/2005, 30/9/2005, 1/6/2006 και 9/7/2006. Βρέθηκαν 2 περιπτώσεις ΒΔ κυκλοφορίας, οι οποίες είναι: 13/7/2005 και 28/9/2005. Βρέθηκαν 2 περιπτώσεις ανοιχτού κυματισμού Η-1, οι οποίες είναι 24/8/2003 και 29/6/2003. Βρέθηκε μία περίπτωση εμποδισμού Ωμέγα στις 9/8/2004. Βρέθηκε μια περίπτωση ζωνικής ροής στις 21/7/2005. Βρέθηκε μια περίπτωση κλειστού χαμηλού L-2 στις 28/5/2005. 75

4.4.1 Περίπτωση 21/5/2003 Η καταιγίδα αυτή συνέβη στην περιοχή της Θεσσαλονίκης από τις 19:00 μέχρι τις 23:04. Σε μια κυκλική περιοχή ακτίνας 10 km με κέντρο τη Θεσσαλονίκη καταγράφηκαν 11 ηλεκτρικές εκκενώσεις, ενώ το αντίστοιχο ποσό υετού ήταν 0 mm. Από τη μελέτη της ραδιοβόλισης προκύπτει ότι η δυναμική θερμοκρασία Θ και η δυναμική θερμοκρασία του υγρού θερμομέτρου Θ v μειώνονται καθ ύψος χαμηλά, η σχετική υγρασία είναι αυξημένη μέχρι τα 4 km, η ταχύτητα του ανέμου φτάνει τα 20 m/s στο ύψος των 10 km και η διεύθυνση του ανέμου είναι ΝΝΔ. Ημερομηνία ραδιοβόλισης: 21/5/2003,11:32 (UTC) 76

Συνοπτικός χάρτης 500 hpa (1200 UTC) Χάρτης επιφάνειας (1200 UTC) Σύμφωνα με τον χάρτη επιφάνειας στις 00 UTC, ένα ψυχρό μέτωπο έρχεται από τα δυτικά, το οποίο έχει ανταπόκριση με έναν αυλώνα (trough) στη στάθμη των 500 hpa. Σύμφωνα με τον χάρτη επιφάνειας στις 12 UTC, το ψυχρό μέτωπο βρίσκεται πάνω από τον ηπειρωτικό κορμό της χώρας και υπάρχει ένα κέντρο χαμηλών πιέσεων στη Βόρεια Ελλάδα. Σύμφωνα με τους Καρακώστα et al. (1992), η συνοπτική κατάσταση μπορεί να θεωρηθεί τύπου L-1, δηλαδή είναι ένας ανοιχτός κυματισμός. 77

4.2 Περίπτωση 29/6/2003 Η καταιγίδα αυτή συνέβη στην περιοχή της Θεσσαλονίκης από τις 19:15 μέχρι τις 19:46. Σε μια κυκλική περιοχή ακτίνας 10 km με κέντρο τη Θεσσαλονίκη καταγράφηκαν 14 ηλεκτρικές εκκενώσεις, ενώ το αντίστοιχο ποσό υετού ήταν 0,5 mm. Από τη μελέτη της ραδιοβόλισης προκύπτει ότι η δυναμική θερμοκρασία Θ και η δυναμική θερμοκρασία του υγρού θερμομέτρου Θ v μειώνονται καθ ύψος χαμηλά, η σχετική υγρασία είναι αυξημένη χαμηλά, η ταχύτητα του ανέμου φτάνει τα 20 m/s στο ύψος των 7 km και η διεύθυνση του ανέμου είναι ΒΔ. Ημερομηνία ραδιοβόλισης: 29/6/2003,11:49 (UTC) 78

Συνοπτικός χάρτης 500 hpa (1200 UTC) Χάρτης επιφάνειας (1200 UTC) Σύμφωνα με το χάρτη επιφάνειας στις 00 UTC πάνω από τον ηπειρωτικό κορμό της χώρας υπάρχει ένα κέντρο υψηλών πιέσεων, ενώ στη στάθμη των 500 hpa εμφανίζεται μία ράχη. Οι υψηλές πιέσεις εξακολουθούν να υφίστανται και στο χάρτη επιφανείας στις 12 UTC. Η συνοπτική κατάσταση μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι τύπου ανοιχτού κυματισμού Η-1 σύμφωνα με τους Καρακώστα et al. (1992). 79

4.4.3 Περίπτωση 20/8/2003 Η καταιγίδα αυτή συνέβη στην περιοχή της Θεσσαλονίκης από τις 15:16 μέχρι τις 16:23. Σε μια κυκλική περιοχή ακτίνας 10 km με κέντρο τη Θεσσαλονίκη καταγράφηκαν 10 ηλεκτρικές εκκενώσεις, ενώ το αντίστοιχο ποσό υετού ήταν 0,2 mm. Από τη μελέτη της ραδιοβόλισης προκύπτει ότι η δυναμική θερμοκρασία Θ και η δυναμική θερμοκρασία του υγρού θερμομέτρου Θ v μειώνονται καθ ύψος χαμηλά, η σχετική υγρασία είναι αυξημένη μέχρι τα 4 km, η ταχύτητα του ανέμου φτάνει τα 20 m/s στο ύψος των 15 km και η διεύθυνση του ανέμου είναι κυρίως Δ. Ημερομηνία ραδιοβόλισης: 20/8/2003,11:26 (UTC) 80

Συνοπτικός χάρτης 500 hpa (1200 UTC) Χάρτης επιφάνειας (1200 UTC) Σύμφωνα με το χάρτη επιφάνειας στις 00 UTC υπάρχει ένας αυλώνας στη Βόρεια Ελλάδα, ο οποίος υφίσταται και στη στάθμη των 500 hpa. Στο χάρτη επιφανείας στις 12 UTC ο αυλώνας έχει μετατοπιστεί βορειότερα. Η συνοπτική κατάσταση μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι τύπου ανοιχτού κυματισμού L-1 σύμφωνα με τους Καρακώστα et al. (1992). 81

4.4.4 Περίπτωση 24/8/2003 Η καταιγίδα αυτή συνέβη στην περιοχή της Θεσσαλονίκης από τις 20:00 μέχρι τις 22:51. Σε μια κυκλική περιοχή ακτίνας 10 km με κέντρο τη Θεσσαλονίκη καταγράφηκαν 19 ηλεκτρικές εκκενώσεις, ενώ το αντίστοιχο ποσό υετού ήταν 0,4 mm. Από τη μελέτη της ραδιοβόλισης προκύπτει ότι η δυναμική θερμοκρασία Θ και η δυναμική θερμοκρασία του υγρού θερμομέτρου Θ v αυξάνονται καθ ύψος, η σχετική υγρασία είναι αρκετά υψηλή μέχρι τα 4 km, η ταχύτητα του ανέμου φτάνει τα 20 m/s στο ύψος των 15 km και η διεύθυνση του ανέμου είναι κυρίως Δ. Ημερομηνία ραδιοβόλισης: 24/8/2003, 11:40 (UTC) 82

Συνοπτικός χάρτης 500 hpa (1200 UTC) Χάρτης επιφάνειας 500 hpa (1200 UTC) Σύμφωνα με το χάρτη επιφάνειας στις 12 UTC υπάρχει ένας αντικυκλώνας με μια κλειστή ισοϋψή ΝΔ της Ελλάδας, ενώ στο χάρτη των 500 hpa εμφανίζεται μια ράχη. Η συνοπτική κατάσταση μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι τύπου ανοιχτού κυματισμού Η-1. 83

4.4.5 Περίπτωση 18/5/2004 Η καταιγίδα αυτή συνέβη στην περιοχή της Θεσσαλονίκης από τις 12:52 μέχρι τις 15:19. Σε μια κυκλική περιοχή ακτίνας 10 km με κέντρο τη Θεσσαλονίκη καταγράφηκαν 11 ηλεκτρικές εκκενώσεις, ενώ το αντίστοιχο ποσό υετού δεν καταγράφηκε. Από τη μελέτη της ραδιοβόλισης προκύπτει ότι η δυναμική θερμοκρασία Θ και η δυναμική θερμοκρασία του υγρού θερμομέτρου Θ v αυξάνονται καθ ύψος, η σχετική υγρασία είναι αρκετά υψηλή μέχρι τα 4 km, η ταχύτητα του ανέμου φτάνει τα 10 m/s στο ύψος των 14 km και η διεύθυνση του ανέμου είναι μεταβλητή. Ημερομηνία ραδιοβόλισης: 18/5/2004,11:22 (UTC) 84

Συνοπτικός χάρτης 500 hpa (1200 UTC) Χάρτης επιφάνειας (0000 UTC) Σύμφωνα με το χάρτη επιφάνειας στις 00 UTC υπάρχει ένας αυλώνας στη Κεντρική Ελλάδα, ο οποίος υφίσταται και στη στάθμη των 500 hpa. Η συνοπτική κατάσταση μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι τύπου ανοιχτού κυματισμού L-1. 85

4.4.6 Περίπτωση 9/8/2004 Η καταιγίδα αυτή συνέβη στην περιοχή της Θεσσαλονίκης από τις 17:09 μέχρι τις 17:55. Σε μια κυκλική περιοχή ακτίνας 10 km με κέντρο τη Θεσσαλονίκη καταγράφηκαν 167 ηλεκτρικές εκκενώσεις, ενώ το αντίστοιχο ποσό υετού ήταν 2 mm. Από τη μελέτη της ραδιοβόλισης προκύπτει ότι η δυναμική θερμοκρασία Θ και η δυναμική θερμοκρασία του υγρού θερμομέτρου Θ v μειώνονται καθ ύψος χαμηλά, η σχετική υγρασία είναι αυξημένη μέχρι τα 4 km, η ταχύτητα του ανέμου φτάνει τα 20 m/s στο ύψος των 15 km και η διεύθυνση του ανέμου είναι κυρίως Δ. Ημερομηνία ραδιοβόλισης: 9/8/2004,11:36 (UTC) 86

Συνοπτικός χάρτης 500 hpa (1200 UTC) Χάρτης επιφάνειας (1200 UTC) Σύμφωνα με το χάρτη επιφάνειας στις 12 UTC υπάρχει ένας αντικυκλώνας ΝΔ της Ελλάδας, αλλά στη στάθμη των 500 hpa εμφανίζεται ένας εμποδισμός Ωμέγα βορειότερα της Ελλάδας. Η συνοπτική κατάσταση μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι τύπου Ωμέγα σχηματισμού σύμφωνα με τους Καρακώστα et al. (1992). 87

4.4.7 Περίπτωση 20/5/2005 Η καταιγίδα αυτή συνέβη στην περιοχή της Θεσσαλονίκης από τις 13:14 μέχρι τις 14:36. Σε μια κυκλική περιοχή ακτίνας 10 km με κέντρο τη Θεσσαλονίκη καταγράφηκαν 19 ηλεκτρικές εκκενώσεις, ενώ το αντίστοιχο ποσό υετού δεν καταγράφηκε. Από τη μελέτη της ραδιοβόλισης προκύπτει ότι η δυναμική θερμοκρασία Θ και η δυναμική θερμοκρασία του υγρού θερμομέτρου Θ v αυξάνονται καθ ύψος, η σχετική υγρασία είναι αρκετά υψηλή μέχρι τα 4 km, η ταχύτητα του ανέμου φτάνει τα 20 m/s στο ύψος των 10 km και η διεύθυνση του ανέμου είναι ΝΝΑ. Ημερομηνία ραδιοβόλισης:20/5/2005, 11:42 (UTC) 88

Συνοπτικός χάρτης 500 hpa (1200 UTC) Χάρτης επιφάνειας (1200 UTC) Σύμφωνα με τον χάρτη των 500 hpa υπάρχει ένας αυλώνας πάνω από την περιοχή της Ελλάδας, ενώ στο χάρτη επιφανείας στις 1200 UTC υπάρχει ένα ψυχρό μέτωπο.η συνοπτική κατάσταση μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι τύπου ανοιχτού κυματισμού L-1. 89

4.4.8 Περίπτωση 28/5/2005 Η καταιγίδα αυτή συνέβη στην περιοχή της Θεσσαλονίκης από τις 16:47 μέχρι τις 17:46 και από τις 18:23 μέχρι τις 19:07. Σε μια κυκλική περιοχή ακτίνας 10 km με κέντρο τη Θεσσαλονίκη καταγράφηκαν 52 ηλεκτρικές εκκενώσεις στην πρώτη περίπτωση και 27 στη δεύτερη, ενώ το αντίστοιχο ποσό υετού ήταν 5 mm και 18 mm. Από τη μελέτη της ραδιοβόλισης προκύπτει ότι η δυναμική θερμοκρασία Θ και η δυναμική θερμοκρασία του υγρού θερμομέτρου Θ v αυξάνονται καθ ύψος, η σχετική υγρασία είναι αρκετά υψηλή μέχρι τα 4 km, η ταχύτητα του ανέμου φτάνει τα 20 m/s στο ύψος των 12 km και η διεύθυνση του ανέμου είναι κυρίως Α. Ημερομηνία ραδιοβόλισης:28/5/2005, 11:42 (UTC) 90

Συνοπτικός χάρτης 500 hpa (1200 UTC) Χάρτης επιφάνειας (1200 UTC) Στη στάθμη των 500 hpa εμφανίζεται μια κλειστή ισοϋψής που καλύπτει σχεδόν ολόκληρη τη χώρα, οπότε η συνοπτική κατάσταση είναι τύπου L-2, δηλαδή ένα κλειστό χαμηλό, σύμφωνα με τους Καρακώστα et al. (1992). Από την εικόνα του ραντάρ προκύπτει ότι η περιοχή της μέγιστης ανακλαστικότητας (54 dbz) στο ύψος των 5 km στις 16:48 συμπίπτει με την περιοχή των ηλεκτρικών εκκενώσεων. 91

4.4.9 Περίπτωση 13/7/2005 Η καταιγίδα αυτή συνέβη στην περιοχή της Θεσσαλονίκης από τις 20:30 μέχρι τις 21:48. Σε μια κυκλική περιοχή ακτίνας 10 km με κέντρο τη Θεσσαλονίκη καταγράφηκαν 40 ηλεκτρικές εκκενώσεις, ενώ το αντίστοιχο ποσό υετού ήταν 70 mm. Από τη μελέτη της ραδιοβόλισης προκύπτει ότι η δυναμική θερμοκρασία Θ και η δυναμική θερμοκρασία του υγρού θερμομέτρου Θ v αυξάνονται καθ ύψος, η σχετική υγρασία είναι αρκετά υψηλή μέχρι τα 4 km, η ταχύτητα του ανέμου φτάνει τα 18 m/s στο ύψος των 6 km και η διεύθυνση του ανέμου είναι ΒΔ. Ημερομηνία ραδιοβόλισης: 13/7/2005, 11:52 (UTC) 92

Συνοπτικός χάρτης 500 hpa (1200 UTC) Χάρτης επιφανείας (1200 UTC) Στο χάρτη επιφανείας στις 00 UTC υπάρχει ένα ψυχρό μέτωπο προσανατολισμένο από ΒΔ προς ΝΑ, ενώ στη στάθμη των 500 hpa ένας αυλώνας βρίσκεται στα νοτιοανατολικά και μια ράχη βρίσκεται στα βορειοδυτικά. Η συνοπτική κατάσταση μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι τύπου ΒΔ, δηλαδή βορειοδυτικής κυκλοφορίας, σύμφωνα με τους Καρακώστα et al. (1992). 93

4.4.10 Περίπτωση 21/7/2005 Χάρτης επιφάνειας (1200 UTC) 94

Η καταιγίδα αυτή συνέβη στην περιοχή της Θεσσαλονίκης σε δύο φάσεις. Η πρώτη διήρκησε από τις 16:44 μέχρι τις 17:39. Σε μια κυκλική περιοχή ακτίνας 10 km με κέντρο τη Θεσσαλονίκη καταγράφηκαν 23 ηλεκτρικές εκκενώσεις, ενώ το αντίστοιχο ποσό υετού ήταν 0,2 mm. Η δεύτερη διήρκησε από τις 18:05 μέχρι τις 20:34. Σε μια κυκλική περιοχή ακτίνας 10 km με κέντρο τη Θεσσαλονίκη καταγράφηκαν 36 ηλεκτρικές εκκενώσεις, ενώ το αντίστοιχο ποσό υετού ήταν 0 mm. Ημερομηνία ραδιοβόλισης: 21/7/2005, 11:45 (UTC) Χάρτης 500 hpa (1200 UTC) Στο χάρτη των 500 hpa το πεδίο είναι ομαλό και στο χάρτη επιφανείας στις 1200 UTC δεν υπάρχει κανένα σύστημα. Άρα η συνοπτική κατάσταση μπορεί να θεωρηθεί τύπου ζωνικής κυκλοφορίας, σύμφωνα με τους Καρακώστα et al. (1992). Από τη μελέτη της ραδιοβόλισης προκύπτει ότι η δυναμική θερμοκρασία Θ και η δυναμική θερμοκρασία του υγρού θερμομέτρου Θ v μειώνονται χαμηλά καθ ύψος, η σχετική υγρασία είναι αυξημένη μέχρι τα 4 km, η ταχύτητα του ανέμου φτάνει τα 20 m/s στο ύψος των 13 km και η διεύθυνση του ανέμου είναι κυρίως Δ. Από την εικόνα του ραντάρ προκύπτει ότι η περιοχή της μέγιστης ανακλαστικότητας (64 dbz) στο ύψος των 5 km στις 17:40 συμπίπτει με την περιοχή των ηλεκτρικών εκκενώσεων. 95

4.4.11 Περίπτωση 5/8/2005 96

Χάρτης επιφάνειας (1200 UTC) Χάρτης 500 hpa (1200 UTC) Στο χάρτη επιφανείας στις 12 UTC υπάρχει ένα ψυχρό μέτωπο πάνω από τον ηπειρωτικό κορμό της χώρας, ενώ στη στάθμη των 500 hpa υπάρχει ένας αυλώνας. Η συνοπτική κατάσταση μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι τύπου L-1, δηλαδή ανοιχτός κυματισμός. 97

Η καταιγίδα αυτή συνέβη στην περιοχή της Θεσσαλονίκης από τις 12:02 μέχρι τις 17:35. Σε μια κυκλική περιοχή ακτίνας 10 km με κέντρο τη Θεσσαλονίκη καταγράφηκαν 49 ηλεκτρικές εκκενώσεις, ενώ το αντίστοιχο ποσό υετού ήταν 6 mm. Από τη μελέτη της ραδιοβόλισης προκύπτει ότι η δυναμική θερμοκρασία Θ και η δυναμική θερμοκρασία του υγρού θερμομέτρου Θ v αυξάνονται καθ ύψος, η σχετική υγρασία είναι αυξημένη μέχρι τα 4 km, η ταχύτητα του ανέμου φτάνει τα 20 m/s στο ύψος των 10 km και η διεύθυνση του ανέμου είναι Ν. Από την εικόνα του ραντάρ προκύπτει ότι η περιοχή της μέγιστης ανακλαστικότητας (61 dbz) στο ύψος των 5 km στις 16:24 συμπίπτει με την περιοχή των ηλεκτρικών εκκενώσεων. Ημερομηνία ραδιοβόλισης: 5/8/2005, 11:35 (UTC) 98

4.4.12 Περίπτωση 28/9/2005 Η καταιγίδα αυτή συνέβη στην περιοχή της Θεσσαλονίκης από τις 13:19 μέχρι τις 13:55. Σε μια κυκλική περιοχή ακτίνας 10 km με κέντρο τη Θεσσαλονίκη καταγράφηκαν 10 ηλεκτρικές εκκενώσεις, ενώ το αντίστοιχο ποσό υετού ήταν 0 mm. Από τη μελέτη της ραδιοβόλισης προκύπτει ότι η δυναμική θερμοκρασία Θ και η δυναμική θερμοκρασία του υγρού θερμομέτρου Θ v αυξάνονται καθ ύψος, η σχετική υγρασία είναι αρκετά υψηλή μέχρι τα 3 km, η ταχύτητα του ανέμου φτάνει τα 15 m/s στο ύψος των 12 km και η διεύθυνση του ανέμου είναι ΔΒΔ. Ημερομηνία ραδιοβόλισης: 28/9/2005, 11:58 (UTC) 99

Συνοπτικός χάρτης 500 hpa (1200 UTC) Χάρτης επιφάνειας (1200 UTC) Στο χάρτη επιφανείας στις 12 UTC δεν υπάρχει κάποιο βαρομετρικό σύστημα, ενώ στη στάθμη των 500 hpa ένας αυλώνας βρίσκεται στα νοτιοανατολικά και μια ράχη βρίσκεται στα βορειοδυτικά. Η συνοπτική κατάσταση μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι τύπου ΒΔ, δηλαδή βορειοδυτικής κυκλοφορίας. 100

4.4.13 Περίπτωση 30/9/2005 Η καταιγίδα αυτή συνέβη στην περιοχή της Θεσσαλονίκης από τις 21:53 μέχρι τις 23:54. Σε μια κυκλική περιοχή ακτίνας 10 km με κέντρο τη Θεσσαλονίκη καταγράφηκαν 145 ηλεκτρικές εκκενώσεις, ενώ το αντίστοιχο ποσό υετού ήταν 0,8 mm. Σύμφωνα με τον χάρτη επιφάνειας στις 12 UTC, ένα ψυχρό μέτωπο έρχεται από τα βορειοδυτικά, το οποίο έχει ανταπόκριση με έναν αυλώνα στη στάθμη των 500 hpa. Από τα παραπάνω η συνοπτική κατάσταση μπορεί να θεωρηθεί τύπου L-1, δηλαδή είναι ένας ανοιχτός κυματισμός. Από τη μελέτη της ραδιοβόλισης προκύπτει ότι η δυναμική θερμοκρασία Θ και η δυναμική θερμοκρασία του υγρού θερμομέτρου Θ v μειώνονται χαμηλά καθ ύψος, η σχετική υγρασία είναι αυξημένη μέχρι τα 3 km, η ταχύτητα του ανέμου φτάνει τα 18 m/s στο ύψος των 10 km και η διεύθυνση του ανέμου είναι Δ. Ημερομηνία ραδιοβόλισης: 30/9/2005, 11:42 (UTC) 101

Συνοπτικός χάρτης 500 hpa (1200 UTC) Χάρτης επιφάνειας (1200 UTC) Σύμφωνα με τον χάρτη επιφάνειας στις 12 UTC, ένα ψυχρό μέτωπο έρχεται από τα βορειοδυτικά, το οποίο έχει ανταπόκριση με έναν αυλώνα στη στάθμη των 500 hpa. Από τα παραπάνω η συνοπτική κατάσταση μπορεί να θεωρηθεί τύπου L-1, δηλαδή είναι ένας ανοιχτός κυματισμός. 102

4.4.14 Περίπτωση 25/8/2003 Η καταιγίδα αυτή συνέβη στην περιοχή της Θεσσαλονίκης από τις 00:13 μέχρι τις 00:31. Σε μια κυκλική περιοχή ακτίνας 10 km με κέντρο τη Θεσσαλονίκη καταγράφηκαν 18 ηλεκτρικές εκκενώσεις, ενώ το αντίστοιχο ποσό υετού ήταν 0,1 mm. Στη στάθμη των 500 hpa υπάρχει ένας αυλώνας, οπότε η συνοπτική κατάσταση είναι τύπου ανοιχτού-κυματισμού L-1. Χάρτης επιφάνειας (0000 UTC) Χάρτης 500 hpa (1200 UTC) 103

4.4.15 Περίπτωση 1/6/2006 Η καταιγίδα αυτή συνέβη στην περιοχή της Θεσσαλονίκης από τις 18:00 μέχρι τις 18:19. Σε μια κυκλική περιοχή ακτίνας 10 km με κέντρο τη Θεσσαλονίκη καταγράφηκαν 43 ηλεκτρικές εκκενώσεις, ενώ το αντίστοιχο ποσό υετού ήταν 0 mm. Σύμφωνα με τον χάρτη επιφάνειας στις 12 UTC, ένα ψυχρό μέτωπο έρχεται από τα δυτικά, το οποίο έχει ανταπόκριση με έναν αυλώνα στη στάθμη των 500 hpa. Από τα παραπάνω η συνοπτική κατάσταση μπορεί να θεωρηθεί τύπου L-1, δηλαδή είναι ένας ανοιχτός κυματισμός. Χάρτης 500 hpa (0000 UTC) Χάρτης επιφάνειας (1200 UTC) 104

4.4.16 Περίπτωση 9/7/2006 Η καταιγίδα αυτή συνέβη στην περιοχή της Θεσσαλονίκης από τις 10:57 μέχρι τις 11:29. Σε μια κυκλική περιοχή ακτίνας 10 km με κέντρο τη Θεσσαλονίκη καταγράφηκαν 14 ηλεκτρικές εκκενώσεις, ενώ το αντίστοιχο ποσό υετού ήταν 6 mm. Στο χάρτη επιφάνειας στις 00 UTC υπάρχει ένας αυλώνας στη Βόρεια Ελλάδα και ο οποίος συνδέεται με έναν αυλώνα στη στάθμη των 500 hpa. Η συνοπτική κατάσταση μπορεί να θεωρηθεί τύπου ανοιχτού κυματισμού L-1. Συνοπτικός χάρτης 500 hpa (1200 UTC) 105 Χάρτης επιφάνειας (0000 UTC)