Title (eng): Measurement and Analyses of Continuously Recorded Lightning Electromagnetic Fields

Author: Lackenbauer, B. (Bettina)

Description (deu): St. Pölten, FH-Stg. Computersimulation, Dipl.-Arb., 2005

Description (deu): Das Wissen über die physikalischen Hintergründe des Naturphänomens Blitz und dessen Wirkung auf natürliche und von Menschen konstruierte Systeme ist nicht vollständig. Es gibt zahlreiche unterschiedliche Theorien und Ansichten zu einzelnen Details der Gewitterund Blitzphysik. Das Hauptziel dieser wissenschaftlichen Arbeit liegt darin, die Effizienz des vorhandenen Blitzortungssystems mit Hilfe der Datenbank des österreichischen Blitzortungssystems ALDIS (Austrian Lightning Detection and Information System) zu überprüfen. Dabei werden die vorhandenen Datensätze mit dem zugehörigen aufgezeichneten elektrischen Feld verglichen. Mit einem speziell entwickelten Feldmesssystem wurde das elektrische Feld während Blitzaktivität unabhängig vom Blitzortungssystem aufgenommen. Das Feldmesssystem besteht aus einer Plattenantenne, einer GPS Karte mit GPS Antenne, einer Datenerfassungsbox und einer Digitizerkarte. Weiters werden eine Lichtwellenleiterdatenübertragungsstrecke und ein Integrator verwendet. Die Kalibrierung des Messsystems wurde überprüft, indem nur die Amplituden der korrelierenden negativen Wolke-Erde Entladungen herangezogen wurden, die sowohl vom Ortungssystem detektiert als auch in den Feldmessdateien sichtbar waren. Die gemessenen Amplituden im elektrischen Feld sind im Durchschnitt um ein Drittel größer, als die Werte der ALDIS Daten. Die notwendige Aufzeichnungssoftware DataLogger 1.4 wurde mit dem Programm Visual Basic 6 entwickelt. Jede Sekunde wird eine neue binäre Datei erzeugt, welche die Daten des elektrischen Feldes (Abtastrate 5 MS/s) mit einer Auflösung von 12 bit beinhaltet. Die Datenwerte der während der Blitzaktivität abgestrahlten und kontinuierlich aufgezeichneten elektrischen Feldimpulse wurden dann mit den Daten des Blitzortungssystems mit Hilfe dafür speziell entwickelter Analysesoftware und Methoden verglichen. Der vorliegende Datensatz vom 30.08.2004 ist leider für eine endgültige Bewertung des ALDIS Systems nicht ideal, da die Blitzaktivität fast ausschließlich im Grenzgebiet Deutschland-Tschechien auftrat. Im Sommer 2004 war der 30.08. einer der letzten Gewittertage. Eine Wiederholung der in dieser Arbeit erstmals angewandten Methodik mit einem besser geeigneten Datensatz soll im Jahr 2005 erfolgen. Einige negative Wolke-Erde Entladungen wurden vom Ortungssystem nicht detektiert. Weiters wurden einige, vom Ortungssystem falsch klassifizierte Entladungen identifiziert. Der Hauptgrund dafür liegt vermutlich an der bei den Sensoren eingestellten Triggerschwelle, der Totzeit der Sensoren und den Kriterien, die ein
Signal erfüllen muss, um als Wolke-Erde Blitz akzeptiert zu werden. Mit verschiedenen Methoden wurde das Amplitudenverhältnis der Erst- und Folgeentladungen bei negativen Wolke-Erde Blitzen für die ALDIS Daten, die Feldmessdaten und die korrelierenden Daten berechnet. Diese Werte wurden anschließend mit den Werten aus anderer Literatur verglichen. Aufgrund des geringen Wissens über positive und bipolare Blitze sind auch sie Objekte der Blitzforschung. Deshalb wurden auch die bipolaren und positiven Blitze mit mehrfachen Entladungen, die vom Blitzortungssystem während des Aufzeichnungszeitraumes des entwickelten Messsystems detektiert wurden, mit Hilfe des zusätzlich aufgezeichneten elektrischen Feldes untersucht. Nur wenige davon wurden richtig identifiziert. Viele der falsch klassifizierten Wolke-Erde Entladungen weisen die Struktur von anderen Entladungsprozessen auf, die während der Blitzaktivität abgestrahlt werden, z. B. Prozesse innerhalb der Wolken wie etwa der so genannte „Initial Breakdown“ Prozess oder nicht
eindeutig zuzuordnende Signale, möglicherweise lokale Störsignale. Die Unterscheidung dieser Phänomene kann als einer der Erfolge dieser Arbeit bezeichnet werden und demonstriert die neuen Möglichkeiten, welche die nun vorliegende Kombination aus Ortungssystem und kontinuierlicher Feldmessung bietet. Damit wurde ein weiterer Schritt bei der Erforschung des Naturphänomens Blitz realisiert.

Description (eng): Even though lightning is a very common natural phenomenon, mankind’s knowledge of the physics of this phenomenon and its effects on natural and man-made systems is not complete. There are numerous different theories and opinions about several details of thunderstorm and lightning physics. The primary objective in this project is to confirm the detection efficiency of the Lightning Location System (LLS) with the help of electric field data, recorded with a specially developed independent field measurement system (FMS) that is GPS synchronized. These data are compared to the Lightning Data Base (LDB) of the Austrian Lightning Detection and Information System (ALDIS). The FMS consists of a flat plate antenna, a GPS antenna and a GPS card, a data acquisition box and a digitizer card. Additionally, a fiber optic link and an integrator are used. The calibration of the measurement system is examined, using only the peak values from the correlated negative cloud-to-ground strokes, which are detected by the LLS and are also visible in the FMS files, with the result that the amplitudes, measured with the FMS files, are on average one third greater than the peak values from ALDIS data. The recording software DataLogger 1.4, programmed with Visual Basic 6, creates a binary file each second, containing electric field data with a sampling rate of 5 MS/s and a resolution of 12 bits. The continuously recorded electric field, radiated during lightning activity, is compared to the LLS data with the help of specially developed analyses software and methods. The available data set of 30.08.2004 is not ideal for a final assessment of the ALDIS system, because the lightning activity predominantly occurred in the borderland of Germany and the Czech Republic. In the summer of 2004 the 30.08. was one of the last thunderstorm days. A repetition of the methods used in this project will be done with a better data set in the year 2005. Some negative cloud-to-ground strokes are missed by the LLS and the LDB contains misclassified discharges. Presumably, the primary reasons for this are the waveform criteria, which a signal has to pass to be accepted as a cloud-to-ground stroke, the configured trigger threshold and dead time of the direction finders of the LLS. Furthermore, the amplitude ratio of first and subsequent strokes of negative cloud-to-ground flashes is calculated for the ALDIS data, the FMS data and the correlated data with different methods and is compared to the values, as found in literature. Positive and bipolar lightning is also still a general subject of lightning research due to relatively poor knowledge about it. Consequently the positive and bipolar multistroke flashes, detected by the LLS during the measurement of the electric field with the FMS, are examined with the recorded data files. Only a few of them are correctly identified. Predominantly, the LLS misclassified cloud-to-ground strokes are the result of detected electric field waveforms of other processes that could have been radiated during lightning activity, for instance intracloud processes like the initial breakdown. Others have a waveform of not completely clear signals, perhaps of noise. The determination of these phenomena can be counted as one achievement in this project and it demonstrates new possibilities of the existing combination of the LLS and the continuous field measurement. Therewith a further step in lightning research has been realized.

Object languages: German

Date: 2005

Rights: © All rights reserved

Classification: Blitz; Ortung; Datenanalyse; Programm

Permanent Identifier