Hoe meten we waar de bliksem inslaat? (deel III)

Hedendaagse meetsystemen kunnen bliksem best nauwkeurig op een kaart plaatsen. Hierdoor weten we dat ongeveer 80% van de bliksemontladingen tussen 30 graden noorderbreedte en 30 graden zuiderbreedte plaatsvinden en dat bijna 90% van de bliksem zich over continenten, eilanden en kustgebieden voordoet. Naar schatting zijn er op Aarde zo’n 44 bliksemontladingen per seconde!

Voorbeeld van een bliksemdetectie kaart. IC bliksem wordt weergegeven met horizontale icoontjes en CG bliksem met een groter, verticaal icoontje. Op het moment dat bliksem wordt waargenomen door sensoren, verschijnt dit op de kaart. Bron: Meteologix

Het basisprincipe

Deze feitjes konden worden berekend door de ontwikkeling van verschillende (wiskundige) methoden die rekening houden met bliksemeigenschappen. Bliksemprocessen zijn waarneembaar over een breed scala aan radiofrequenties. Het National Lightning Detection Network (NLDN) gebruikt breedbandsensoren die werken van tientallen kilohertz tot enkele honderden kilohertz. De verschillende ontladingsprocessen stralen sterk uit op radiogolven met een zeer hoge frequentie, ook wel VHF-radiogolven genoemd.

Een eigen magnetisch veld

Een blikseminslag produceert een horizontaal magnetisch veld dat gedetecteerd wordt door een sensor in een magnetische richtingzoeker. De richtingshoek van een blikseminslag wordt wiskundig berekend uit de signalen van de sensor. Door middel van sensoren op meerdere locaties kan triangulatie worden gebruikt om het inslagpunt van de bliksem te lokaliseren. Inschattingsfouten van de richtingshoek leiden tot onzekerheid over de locatie.

Een van de eerste toepassingen van deze methode was het lokaliseren van blikseminslagen die bosbranden zouden kunnen veroorzaken. De relatief grote onzekerheidsmarge (4-8 km) was acceptabel. Later, toen ook de energiesector en verzekeringsmaatschappijen de lokalisatie gingen gebruiken, bleek dat alleen magnetische richtingsbepaling niet nauwkeurig genoeg zou zijn. Een meetnetwerk met voldoende dichtheid was niet rendabel.

Elke sensor heeft een bepaalde onzekerheid in de richtingshoek, wat kan leiden tot een grote of kleine onzekerheid van de locatiebepaling afhankelijk van de plaatsing. Bron: University of Arizona

Tijdsverschil tussen metingen

Uiteindelijk leidde dit tot de ontwikkeling van de IMPACT-sensor, welke gebruikmaakt van een combinatie van magnetische richtingsbepaling en tijdsbepaling technieken. De aankomsttijd van een bliksemsignaal verschilt tussen verschillende stations. Door op meerdere stations met extreme precisie de aankomsttijd te meten, wordt de inslaglocatie gegeven door het snijdpunt van denkbeeldige kromme lijnen van elk tijdsverschil.

Onderzoek uit het einde van de vorige eeuw vergeleek de gemeten inslaglocatie met beelden van video camera’s. Het gemiddelde verschil tussen beide lokaliseringen was een paar tientallen tot een paar honderd meter.

Een voorbeeld van het lokaliseren van bliksem met behulp van 5 stations die gebruikmaken van magnetische richtingsbepaling en tijdsbepaling. Het snijdpunt van de verschillende lijnen geeft de locatie. Bron: University of Arizona

Nieuwere sensoren kunnen ook sommige IC-ontladingen lokaliseren. Lagere radiofrequenties zijn vooral geschikt voor ontladingen van wolk tot grond, terwijl VHF-radiogolven sterk worden uitgestraald door ontladingen binnen een wolk. Netwerken zoals de Lightning Mapping Array (LMA) worden gebruikt om de hoogte van een ontlading binnen de wolk te bepalen. Het systeem registreert het tijdstip en de omvang van de piekstraling op een zeer hoge resolutie.

Optische metingen en satellieten

Naast camera’s zijn er ook lichtsensoren die optische bliksemmetingen doen aan de grond. De fotodiodes reageren heel snel op lichtveranderingen die door de ontlading van het hoofdkanaal ontstaan. Uit de signaalsterkte, de helderheid van het licht, kan worden berekend hoeveel lichtenergie de bliksem uitstraalt.

Bliksemontladingen kunnen ook worden gedetecteerd met sensoren op satellieten. Deze sensoren kunnen bliksem zowel overdag als ’s nachts detecteren en isoleren één emissie in het optische spectrum van bliksem. De aanwezige wolken vervagen het optische signaal omdat de door het bliksemkanaal uitgezonden lichtpakketjes meerdere keren worden verstrooid voordat ze de wolk verlaten. Het is dan ook lastig om een onderscheid te maken tussen IC en CG bliksem.