雷検出器

雷検出器は、雷雨によって発生する雷を検出する装置です。検出器には、複数のアンテナを使用する地上設置型システム、方向アンテナと感知アンテナを同じ場所（多くの場合、航空機内）で使用するモバイルシステム、および宇宙設置型のシステムの 3 つの主要なタイプがあります。最初のこの種の装置は、1894 年にアレクサンダーステパノビッチポポフによって発明されました。これは、世界初の無線受信機でもありました。

地上設置型および移動型の検出器は、無線方向探知技術と雷が発する特性周波数の分析を使用して、現在の位置から雷の方向と強度を計算します。地上設置型システムでは、複数の場所からの三角測量を使用して距離を決定できますが、移動型システムでは、信号周波数と減衰を使用して距離を推定できます。衛星に搭載された宇宙設置型検出器を使用すると、直接観察して雷の範囲、方位、強度を特定できます。

地上ベースの雷検出器ネットワークは、米国の国立気象局、カナダ気象局、欧州雷検出協力機構 (EUCLID)、ユビキタス気象研究所 ( Ubimet ) などの気象サービスや、電力会社や森林火災予防サービスなどの組織によって使用されています。

フロリダ州ケネディ宇宙センターにある 7 つの雷検出および測距 (LDAR) ネットワーク雷検出器のうちの 1 つ。

制限事項

雷検知に使用される各システムにはそれぞれ限界がある。^[2]これには以下が含まれる。

地上ベースの雷ネットワーク 1 つで、許容可能な誤差範囲内で雷の位置を特定するには、少なくとも 3 つのアンテナで雷を検出できなければなりません。このため、1 つのアンテナが開始雲の雷の位置を検出し、もう 1 つのアンテナが受信側の雷の位置を検出する可能性があるため、雲間雷が拒否されることがよくあります。その結果、地上ベースのネットワークは、特に雲間雷が頻発する嵐の初期に、雷の数を過小評価する傾向があります。
複数の場所と飛行時間検出方法を使用する地上ベースのシステムには、位置を計算するために衝突とタイミングのデータを収集する中央デバイスが必要です。さらに、各検出ステーションには、計算に使用される高精度のタイミングソースが必要です。
移動式雷探知機は三角測量ではなく減衰を使用するため、近くの弱い雷を遠くの強い雷として誤って表示したり、その逆を行ったりすることがあります。
宇宙ベースの雷ネットワークはこれらの制限のいずれも受けませんが、そこから提供される情報は、広く利用可能になるまでに数分経過していることが多く、航空ナビゲーションなどのリアルタイムアプリケーションでの使用には限界があります。

雷検出器と気象レーダー

雷探知器と気象レーダーは連携して嵐を検知します。雷探知器は電気活動を示し、気象レーダーは降水量を示します。どちらの現象も雷雨と関連しており、嵐の強さを示すのに役立ちます。

不安定なため空気が上昇しています。
結露が発生し、レーダーが地上のエコーを検出します (色の付いた領域)。
最終的に、雨滴の質量は上昇気流によって支えられないほど大きくなり、地面に向かって落ちていきます。

雷が発生するには雲が一定の垂直範囲まで発達する必要があるため、一般的には気象レーダーは雷検出器よりも先に発達中の嵐を検知します。初期の結果から、にわか雨雲が雷雨に発達するかどうかが必ずしも明らかであるとは限らず、気象レーダーは減衰によるマスキング効果を受けることもあり、レーダーに近い降水が遠くの（おそらくより激しい）降水を隠すことがあります。雷検出器はマスキング効果の影響を受けないため、にわか雨雲が雷雨に発達したかどうかを確認できます。

雷はレーダーで記録された降水域の外側に発生することもあります。2 番目の画像は、雷雲の金床 (上空の風によって積乱雲の前方に吹き飛ばされた上部) または雨柱の外側の端で雷が発生したときに発生することを示しています。どちらの場合も、近くにレーダーエコーの領域が残っています。

航空用途

大型の旅客機では、気象レーダーは乱気流の原因となる小さな嵐も検出できるため、雷検出器よりも気象レーダーを使用する可能性が高くなります。ただし、現代の航空電子工学システムには、安全性を高めるために雷検出機能も組み込まれていることがよくあります。

小型航空機、特に一般航空用の雷検出器（多くの場合、無線大気の略称であるsfericsと呼ばれる）には主に2つのブランドがあります。1つはRyan（後にBF Goodrich）社が製造し、現在はL-3 Communications社が製造しているStormscope 、もう1つはInsight社が製造しているStrikefinderです。StrikefinderはIC（雲内雷）とCG（雲対地雷）を検出して適切に表示できるほか、実際の雷と電離層で反射した信号の跳ね返りを区別することもできます。雷検出器は安価で軽量であるため、軽飛行機の所有者（特に、機首にレドームを取り付けることができない単発機）にとって魅力的です。

プロ仕様のポータブル雷探知器

安価なポータブル雷検知器や、航空機で使用されるような他の単一センサー雷マッピング装置には、特に雲内雷 (IC) に対する誤信号の検知や感度の低さなどの制限があります。プロ仕様のポータブル雷検知器は、互いに促進し合ういくつかの技術によってこれらの領域でのパフォーマンスを向上させ、その効果を高めます。

誤信号の除去: 雷放電は、無線周波数 (RF) の電磁信号(AM ラジオでは通常「静電気」として聞こえます) と、目に見える「閃光」を構成する非常に短い持続時間の光パルスの両方を生成します。これらの信号のうちの 1 つだけを感知して動作する雷検出器は、雷以外の発生源から来る信号を誤って解釈し、誤報を発することがあります。具体的には、RF ベースの検出器は、RF 干渉(RFI) とも呼ばれる RF ノイズを誤って解釈する場合があります。このような信号は、自動車の点火装置、蛍光灯、テレビ、照明スイッチ、電気モーター、高電圧線など、多くの一般的な環境発生源によって生成されます。同様に、光閃光ベースの検出器は、窓からの反射、木の葉を通した日光、通り過ぎる車、テレビ、蛍光灯など、環境で生成されるちらつき光を誤って解釈する場合があります。

しかし、RF 信号と光パルスは、雷によって発生する場合を除いて、同時に発生することはめったにないため、RF センサーと光パルスセンサーは、出力を生成するために両方の種類の信号を同時に必要とする「同時発生回路」で接続すると便利です。 ^[3]このようなシステムを雲に向け、その雲の中で雷が発生すると、両方の信号が受信され、同時発生回路が出力を生成するため、ユーザーは原因が雷であったことを確信できます。夜間に雲の中で雷放電が発生すると、雲全体が明るく見えるようになります。日中、これらの雲内の閃光は人間の目にはほとんど見えませんが、光センサーはそれを検出できます。初期のミッションでは、宇宙飛行士は光センサーを使用して、はるか下にある明るい太陽に照らされた雲の中の雷を検出しました。このアプリケーションにより、以前のデバイスで検出された「スフェリックス」信号だけでなく、閃光も利用するデュアルシグナルポータブル雷検出器が開発されました。

感度の向上: これまで、地上で使用するための安価なポータブル雷検出器と高価な航空機システムの両方で、低周波放射を検出していました。これは、低周波では雲対地 (CG) 雷によって生成される信号が強く (振幅が大きい)、検出が容易だったためです。ただし、低周波では RF ノイズも強くなります。RF ノイズの受信を最小限に抑えるため、低周波センサーは低い感度 (信号受信しきい値) で動作し、強度の弱い雷信号を検出しません。これにより、信号強度が距離の 2 乗で減少するため、長距離での雷検出能力が低下します。また、一般に CG 雷よりも弱い雲内 (IC) 雷の検出も低下します。
強化された雲内雷検出: 光センサーと同時発生回路の追加により、RF ノイズによる誤報がなくなるだけでなく、RF センサーをより高い感度で動作させて IC 雷のより高い周波数特性を感知し、IC 信号の弱い高周波成分やより遠くの閃光を検出できるようになります。

上記の改善により、検出器の有用性が多くの領域で大幅に拡張されます。

早期警告: IC フラッシュの検出は、通常 CG フラッシュの 5 ～ 30 分前に発生するため重要です^{[引用が必要]}、発達中の雷雨の早期警告を提供できます^{[引用が必要]} 。これにより、CG のみの検出器と比較して、個人の安全と嵐の発見のアプリケーションにおける検出器の有効性が大幅に向上します^{[引用が必要]}。感度の向上により、遠くにあるがユーザーに向かって移動している可能性のある、すでに発達した嵐の警告も提供されます。^{[引用が必要]}
嵐の位置: 日中でも、「嵐追跡者」は個々の雲に向けられる指向性光学検出器を使用して、遠くにある雷雲を区別することができます。これは、竜巻を発生させる最も強い雷雨を特定するのに特に重要です。なぜなら、そのような嵐は、弱い非竜巻嵐よりも高い閃光率とより多くの高周波放射を生み出すからです。^[4]^{: 248}
マイクロバースト予測：ICフラッシュ検出は、マイクロバーストを予測する方法も提供します。^[5]^：46〜47対流セル内の上昇気流は、混合相の水粒子（水と氷の粒子）が同じ体積内に存在できるほど低い高度に達すると帯電し始めます。帯電は、氷粒子と水滴または水で覆われた氷粒子との衝突により発生します。軽い氷粒子（雪）は正に帯電し、雲の上部に運ばれ、負に帯電した水滴が雲の中央部に残ります。^[6]^：6014これらの2つの電荷中心が電場を作り出し、雷の形成につながります。上昇気流は、液体の水がすべて氷に変換されるまで続き、氷が潜熱を放出して上昇気流を促進します。すべての水が変換されると、上昇気流は急速に崩壊し、雷の発生率も低下します。このように、雷の発生率が IC 放電によって大幅に増加し、その後に発生率が急激に低下することは、ダウンバーストで粒子を下方に運ぶ上昇気流の崩壊の特徴的なシグナルとなります。氷の粒子が雲底付近で暖かい温度に達すると、溶けて大気が冷却されます。同様に、水滴が蒸発して冷却が起こります。この冷却によって空気の密度が高まり、これがマイクロバーストの原動力となります。雷雨の近くでよく見られる「突風前線」の冷たい空気は、このメカニズムによって生じます。
嵐の識別/追跡: IC 検出と観測によって識別される雷雨の中には、CG 閃光を発しないものもあり、CG 検知システムでは検出されません。IC 閃光は CG の何倍も頻繁に発生するため^[4]^{: 192}、より堅牢な信号となります。IC 閃光の密度 (単位面積あたりの数) が比較的高いため、雷のマッピング時に対流セルを識別できますが、CG 雷は数が少なく間隔が離れているため、通常直径約 5 km のセルを識別できません。嵐の後期には CG 閃光活動がおさまり、嵐が終わったように見えることがありますが、通常、中高度の残留雲と高層の巻雲では IC 活動が継続しているため、CG 雷が発生する可能性はまだ残っています。
嵐の強さの定量化: IC 検出のもう 1 つの利点は、閃光率 (1 分あたりの数) が雷雲内の上昇気流の対流速度の 5 乗に比例することです。^[6]^{: 6018–6019}^[7]この非線形応答は、レーダーではほとんど観測できない雲の高さの小さな変化が、閃光率の大きな変化を伴うことを意味します。たとえば、雲の高さ (嵐の激しさの尺度) のほとんど気づかない 10% の増加は、簡単に観測できる総閃光率の 60% の変化をもたらします。「総雷」とは、雲の中にとどまる通常目に見えない (日光の下では) IC 閃光と、雲底から地面まで伸びて見える通常目に見える CG 閃光の両方を指します。総雷のほとんどは IC 閃光によるものであるため、嵐の強さを定量化するこの能力は、主に IC 放電の検出によって実現されます。低周波エネルギーのみを感知する雷検出器は、近くにある IC フラッシュのみを検出するため、マイクロバーストを予測したり対流の強度を定量化したりするには比較的効率が悪いです。
竜巻予測：竜巻を発生させる激しい嵐では、非常に高い雷発生率が知られています^[5]^{: 51}^[8]^[9]。また、最も深い対流雲からの雷のほとんどはIC雷です^[10]。そのため、IC雷を検出する能力は、竜巻の可能性が高い雲を識別する方法を提供します。

雷の範囲推定

単一の場所で RF 雷信号が検出された場合、交差ループ磁気方向探知機を使用してその方向を判定できますが、距離を判定するのは困難です。信号の振幅を使用する試みが行われてきましたが、雷信号の強度は大きく異なるため、あまりうまく機能しません。したがって、距離の推定に振幅を使用すると、強い閃光は近くにあるように見え、同じ閃光からの弱い信号 (または同じ嵐のセルからの弱い閃光) は遠くにあるように見える場合があります。空気中のイオン化を測定して予測の精度を向上させることで、半径 1 マイル以内のどこに雷が落ちるかを知ることができます。

雷検出のこの側面を理解するには、雷の「フラッシュ」が一般に複数のストロークで構成され、CGフラッシュのストロークの一般的な数は3〜6回の範囲ですが、一部のフラッシュは10ストロークを超える可能性があることを知っておく必要があります。 ^[11]^：18 最初のストロークは、雲から地面へのイオン化された経路を残し、約50ミリ秒の間隔で分離された後続の「戻りストローク」がそのチャネルを上っていきます。完全な放電シーケンスの持続時間は通常約0.5秒ですが、個々のストロークの持続時間は100ナノ秒から数十マイクロ秒まで大きく異なります。CGフラッシュのストロークは、夜間に雷チャネルの非周期的な照明シーケンスとして見ることができます。これは、高度な雷検出器で各ストロークの個別のスタッカート音として聞くこともでき、独特のパターンを形成します。

航空機では単一センサー雷検出器が使用されており、交差ループセンサーから雷の方向を判定できるものの、距離は上記の個々の雷撃間で信号振幅が異なるため確実に判定できない。 ^[11]^{: 115} これらのシステムでは、距離を推定するために振幅を使用する。雷撃は振幅が異なるため、これらの検出器は、ハブから雷源の一般的な方向に放射状に伸びる車輪のスポークのような点のラインをディスプレイ上に表示する。点のラインに沿った距離が異なるのは、雷撃の強度が異なるためである。このようなセンサーディスプレイのこれらの特徴的な点のラインは、「放射状拡散」と呼ばれる。 ^[12] これらのセンサーは、地上からの戻り雷撃によって生成される最も強い雷信号を提供する極低周波 (VLF) および低周波 (LF) 範囲 (300 kHz 未満) で動作する。しかし、センサーがフラッシュに近づかない限り、高周波 (HF) 範囲 (最大 30 MHz) で大量のエネルギーを持つ IC 放電からの弱い信号は検出されません。

VLF雷受信機のもう一つの問題は、電離層からの反射を拾うため、100 km離れた雷と数百 km離れた雷の距離の違いが分からないことがあることです。数百 kmの距離では、反射信号（「天空波」と呼ばれる）は直接信号（「地上波」と呼ばれる）よりも強くなります。 ^[13]

地球電離層導波管は、電磁VLF波とELF波を捕捉します。落雷によって伝送された電磁パルスは、その導波管内を伝播します。導波管は分散性があり、つまり、その群速度は周波数に依存します。隣接する周波数での雷パルスの群時間遅延の差は、送信機と受信機間の距離に比例します。方向探知法と組み合わせると、単一のステーションで落雷の発生源から最大 10,000 km 離れた場所まで落雷の位置を特定できます。さらに、地球電離層導波管の固有周波数、約 7.5 Hz のシューマン共振は、地球規模の雷雨活動を決定するために使用されます。^[14]

単一のセンサーで雷までの距離を測定することは難しいため、現在、雷の位置を特定する唯一の信頼できる方法は、センサー間の到着時間の差や異なるセンサーからの交差方位を使用して地球表面の領域をカバーする、間隔を空けて配置されたセンサーの相互接続ネットワークを使用することです。現在米国で稼働しているいくつかのそのような全国ネットワークは、CGフラッシュの位置を提供できますが、現在のところICフラッシュを確実に検出して位置を特定することはできません。 ^[15] VHF到着時間システムを備え、ICフラッシュを検出して位置を特定できる小規模エリアネットワークがいくつかあります（ケネディ宇宙センターのLDARネットワークなど。この記事の冒頭にセンサーの1つが掲載されています）。これらはライトニングマッパーアレイと呼ばれ、通常、直径30〜40マイルの円をカバーします。

参照

参考文献

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外部リンク

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米国NOAAの雷検出ガイド（PDF）
NASAによる雷の起源と宇宙からの検出に関する研究
オーストラリア国立嵐追跡システム 2008-12-16 にWayback Machineでアーカイブ化Weatherzone Australia
雷検知に関する欧州協力
WWLLN 世界規模の雷位置ネットワーク
ベネズエラライトニングネットワーク (VLN)
ライブワールド検出マップ ( blitzortung.org )
実験者の雷検出器
Echte 3D-Blitzortung インクル。ホーヘナンガベデアヴォルケブリッツ

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