10.2. Villámdetektálási módszerek

A villámok, illetve azok helyének meghatározása többféle detektálási módszerrel történhet (WMO, 2008). A pontos helymeghatározáshoz több (általában minimum 3) állomásra van szükség. A tudományos igényű és a meteorológiai szolgálatok által üzemeltett pontos helymeghatározó rendszerek mellett léteznek jóval egyszerűbb villámjelző készülékek is.

A villámok detektálása a villámkisülés által kibocsátott elektromágneses sugárzás érzékelésén alapul. A villámok széles sugárzási spektrumon sugároznak. Általában olyan frekvencia tartományon történik az észlelés, ahol nincs más zavaró forrás, illetve amit nem használnak más (pl. távközlési) célra.

Villámdetektálásra legáltalánosabban az LF (low frequency) és a VHF (very high frequency) frekvencia sávokon történő érzékelést alkalmazzák. Az LF tartományon 30–300 kHz közötti frekvencia sávban, VHF tartományon pedig 30–300 MHz-es tartományon végzik az észleléseket.

10.2.1. Irányméréses módszer

Az irányméréses módszer segítségével a beérkező elektromágneses jel irányából határozható meg a villámlás helye.

1.) A mágneses iránymérés:

A mágneses iránymérés (Krider et al., 1976) során (MDF – Magnetic Direction Finder) a szenzor két tekercsből áll, melyek egymásra merőlegesek (észak-dél, és kelet-nyugat irányba mutatnak). Ezek a tekercsek az elektromágneses hullám mágneses mezőjének alapján adják meg a hullám érkezésének irányát. Az egyszerű villámjelző készülékek is ezen az elven alapulnak. Hálózatot alkotva, meghatározható a villámlás közelítő helye is (10.1. ábra).

Villám helymeghatározása irányméréses módszerrel

10.1. ábra: Villám helymeghatározása irányméréses módszerrel. A villámdetektáló állomásokra érkező jelek irányai alapján meghatározható az a pont, vagy szűk tartomány, ahol a villámlás előfordult.

A pontos helymeghatározás minimum három szenzor adataiból történik háromszögeléssel.

Irányméréssel nagy távolságú (700 – 4500 km) villámdetektálás is végezhető VLF (very low frequency) frekvencián (5 – 10 kHz-en). Ilyen jellegű mérések általában kísérleti jelleggel történnek a villámok globális eloszlásának vizsgálata céljából.

2.) Interferometriás iránymérés

Az interferometriás iránymérés jellemzően a nagyfrekvenciás (VHF) dipólantennára beérkező elektromágneses hullámok közötti fáziseltolódáson alapul. A fáziskülönbség függ a beesési szögtől, a hullámhossztól és az antennák távolságától. Az interferometriás iránymérés valójában ötvözi az irányméréses és időkülönbséges (lásd később, TOA) módszereket. A beérkező jel fáziskülönbsége egy-egy antenna páron arányos a bejövő jel irányával. Egy központi egység összegyűjti az irányokra vonatkozó adatokat, majd háromszögeléssel meghatározza a metszéspontot, vagy azt a közelítő tartományt, ahol a villámlás előfordult.

Az Országos Meteorológiai Szolgálatnál alkalmazott SAFIR rendszer is interferometriás iránymérést végez.

10.2.2. TOA (Time of Arrival) módszer

A TOA (Time of Arrival) módszer alapja a nagyon pontos időmérés. Villámlás esetén eltárolják a pontos időpontot, amit egy rendszerben lévő állomások esetén GPS segítségével szinkronizálnak. Mivel a villámlás az egyes állomásoktól különböző távolságra következik be, azokra eltérő időpontban érzékelik a villám által kisugárzott jel. Mivel ez a jel fénysebességgel terjed, ez az időkülönbség nagyon kicsi, ezért fontos a nagyon precíz időmeghatározás. Az időkülönbségek két-két állomás között egy-egy hiperbolával írhatók le. A hiperbolák metszéspontja pedig megadja a villámlás helyét (10. 2. ábra)

Villám helymeghatározása TOA (Time of Arrival) módszerrel

10.2. ábra: Villám helymeghatározása TOA (Time of Arrival) módszerrel. A hiperbolák két-két állomás közötti azonos időkülönbségű pontokat mutatják. E hiperbolák metszéspontja megadja a villámlás helyét. Látható, hogy két állomás esetén előfordulhat, hogy két metszéspont is kialakul, ami még 3 állomás esetén is megtörténhet, ezért általában legalább 4 állomás adatából határozzák meg a villámlás pontos helyét.

Az időkülönbséges mérési módszerrel pontos helymeghatározás végezhető. A mérési pontosság néhány száz méter, és nagyobb távolságból is érzékelhetők a jelek (az alacsony frekvenciás működésnek köszönhetően). A módszerrel elsősorban a nagyobb energiájú, lecsapó villámok érzékelhetők.

A TOA módszert alkalmazzák regionális hálózatokban (Bent and Lyons, 1984), vagy nagy-távolságú villámdetektálás során is (Lee, 1986 a, b; 1989).