Detekcija munja
Detektor munja je instrument koji registruje električna pražnjenja t.j. munje nastale u olujnim grmljavinskim oblacima. Postoji tri primarna tipa detektora munja: prizemni, koji koriste višestruke antene, mobilni sistemi (najčešće montirani na avionima) i satelitski sistemi.
Prizemni i mobilni dektori određuju izvor i jačinu munja koristeći radio tehniku za određivanje pravca električnog pražnjenja uz analizu karakteristika frekvencije koje se emituje tom prilikom. Prizemni sistemi, za određivanje daljine i izvora munja, primenjuju račun triangulacije koristeći podatke sa više lokacija dok mobilni sistemi procenjuju daljinu uz pomoć frekvencije signala i njene atenuacije.
Satelitski sistemi određuju položaj, daljinu i intenzitet direktnim osmatranjem.
Instrument je konstruisao Aleksandar Stepanovič Popov, 1894. godine i to je bio ujedno i prvi radio prijemnik u svetu.
Ograničenja
Svaki od nabrojanih sistema za detekciju munja poseduje određena ograničenja:
• Mreža prizemnih detektora registruje munju uz pomoć najmanje tri antene na različitim lokacijama. U slučaju munja između dva oblaka, često se dešava da jedna antena registruje udar u oblaku iz kog munja kreće a druga antena udar u oblaku koji prima munju. To prouzrokuje odbacivanje takvih podataka što kao krajnji rezultat ima manji broj registrovanih munja, naročito u početku oluja kada su munje između oblaka preovlađujuće.
• Pošto mobilni sistemi koriste atenuaciju (slabljenje intenziteta neke veličine prilikom prostiranja kroz prostor) ponekad se dešava da se slabi udari munja u blizini predstavljaju kao da su jaki udari u daljini i obrnuto
• Detekcija munja uz pomoć satelita ima najveću tačnost ali ove informacije stižu sa nekoliko minuta kašnjenja tako da je njihova upotreba u nekim aspektima, kao što je na primer aero navigacija, ograničena.
Detektori munja i meteorološki radari
Često se detektori munja i meteorološki radari koriste zajedno. Detektori munja registruju električna pražnjenja a meteorološki radar refleksivnost pri čemu su obe veličine značajne za procenu intenziteta olujnih oblaka.
Oblak se mora razviti do određene visine da bi mogao da proizvodi munje ali nije uvek lako predvideti kada će kumulusni oblak prerasti u olujno grmljavinski oblak. Takođe problem predstavlja atenuacija radarskog signala naročito u situacijama kada padavinski oblak u blizini radara maska drugi oblak na većoj udaljenosti. Detektori munja nemaju taj problem tako da mogu obezbediti informaciju o tome da se neki kumulusni oblak intenzivirao i prerastao u grmljavinski.
Munje se mogu dešavati i van oblaka koji registruje radar. Primer za to je kada munja potekne iz perifernog dela kumulonimbusa – nakovnja, koji je nagnut u stranu preovlađujućih vetrova na toj visini.
Upotreba u avijaciji
Veliki avioni radije koriste meteorološke radare jer oni mogu da vide i manje konvektivne oblake koje ne proizvode munje ali su značajni za avijaciju zbog pojave turbulencije. Mnogi od njih, ipak imaju i jedan i drugi uređaj zbog dodatne sigurnosti.
Za manje avione, znatno jeftinija opcija je korišćenje detektora munja. Za tu namenu postoje dva tipa instrumenta: stormscope i strikefinder.
Personalni detektori munja
Personalni detektori munja su popularni kod golf igrača, kampera, sportista i svih onih koji bilo kakvu delatnost obavljaju napolju. Rade na baterije, malih su dimenzija i mogu, na osnovu merenja elektromagnetnog impulsa, da odrede daljinu izvora munje. Neki od njih mogu čak, uzastopnim merenjem u određenim vremenskim intervalima i da odrede pravac kretanja oluje u odnosu na poziciju samog instrumenta (približava se, udaljava se, stacionarna).
Personalni detektori munje ne mogu odrediti lokaciju munja, čak ni pravac odakle dolaze već samo da u toj oblasti postoji električno pražnjenje. Takođe, pošto rade na principu merenja elektromagnetnoih impulsa, i drugi izvori takvih impulsa (elekrtonski uređaji, fluoroscentna svetla i sl.) mogu izazvati interferenciju sa detektorom i aktiviranje lažnog alarma.
Profesionalni portabl detektori munja
Jeftini detektori munja imaju razne nedostatke kao što je registrovanje lažnih signala ili slabu osetljivost, posebno za unutaroblačne munje (munje koje se dešavaju unutar oblaka i ne stižu do zemlje). Profesionalni instrumenti primenjuju razne tehnike za eliminisanje ovih nedostataka.
Eliminisanje lažnih signala:
Munja je vrsta električnog pražnjenja pri kome se stvaraju elektromagnetni signal određene frekvencije (RF signal) i kratkotrajni svetlosni impuls (bljesak). Zbog toga kvalitetni profesionalni instrumenti detektuju i kombinuju i jedan i drugi signal da bi eliminisali lažne registracije munja koje nastaju zbog interferencije sa signalima koji potiču od električnih uređaja, dalekovoda, fluoroscentnih svetala i sl. ali i interferencije sa raznim izvorima svetlosnih signala (refleksija od prozora ili stakala vozila, veštačka osvetljenja i sl.).
S obzirom na to da se lažni elektromagnetni i svetlosni signali retko dešavaju istovremeno kao što se to dešava u slučaju munje, broj lažnih registracija je sveden na minimum.
Poboljšanje osetljivosti instrumenta
Ranije su detektori munja registrovali emitovanje zračenja niske frekvencije koje se stvara prilikom munja od oblaka do zemlje. Na tim frekvencijama i šum je veći što otežava registraciju. Zbog toga je nivo osetljivosti instrumenta bio dosta smanjen i nije bilo moguće registrovati munje na većim udaljenostima kao i munje unutar oblaka. Današnji instrumenti rade na većim frekvencijama što im omogućava bolju osetljivost. Registrovanje munja unutar oblaka je posebno važno jer se one dešavaju 5 do 30 minuta pre munja oblak-zemlja te su vrlo važne sa aspekta najava i upozorenja o razvoju grmljavinskih oblaka.
Za detekciju kumulonimbusa sa unutaroblačnim munjama koristi se poseban instrument koji ima mogućnost registracije viših frekvencija. Ovo je posebno važno za identifikaciju najjačih olujno grmljavinskih oblaka koj bi mogli da izazovu stvaranje tornada jer je poznato da takvi oblaci stvaraju signale viših frekvencija kao i češće bljeskove.
Predviđanje mikro vazdušnih slapova (microburst)
Čestice nošene uzlaznim strujanjem u konvektivnom oblaku počinju da bivaju nalektrisane kada dostignu visinu na kojoj je dovoljno hladno da istovremeno mogu da egzistiraju hidrometeori u mešovitim fazama, i tečnim i čvrstim. Naelektrisanje nastaje zbog sudaranja ledenih delića i kapljica vode ili ledenih kristala presvučenih vodom. Lakši ledeni delići, kao što je sneg, koji su pozitivno naelektrisani, bivaju podignuti u vis tako da u srednjem delu oblaka ostaju negativno naelektrisane vodene kapljice. Ovo dovodi do stvaranja električnog polja neophodnog za pojavu munja. Prilikom uzdizanja i smrzavanja vodenih kapljica dolazi do oslobađanja latentne toplote što održava samu uzlaznu struju. Kada se celokupna količina vodenih kapljica pretvori u led, uzlazna struja naglo slabi a takođe i broj i čestina munja. Tako, veliki porast u čestini munja, uglavnom unutar oblaka, praćen naglim padom broja munja upućuje na kolaps uzlazne struje i uspostavljanje jake silazne struje koja može izazvati mikro vazdušni slap (microburst). Kada ledene čestice uđu u topliji sloj u blizini baze oblaka, one se tope prouzrokujući hlađenje okolnog vazduha a tome doprinosi i isparavanje kapljica vode. Ovo hlađenje proizrokuje povećanje gustine vazduha što je glavni faktor za pojavu vazdušnih slapova (microburst).
Identifikacija olujno grmljavinskih oblaka i određivanje putanje
Neki grmljavinski oblaci ne proizvode munje oblak-zemlja već samo munje unutar samog oblaka. Takve munje su mnogo češće (broj munja po nekoj površini) tako da taj parametar omogućava identifikaciju konvektivne ćelije. Munje oblak-zemlja su znatno ređe i na taj način se ne bi mogla izvršiti identifikacija konvektivne ćelije čiji dijametar je obično ok 5 km. Takođe, u kasnom stadijumu razvoja oblaka munje oblak-zemlja prestaju dok munje unutar oblaka i dalje postoje na srednjim ili višim visinama.
Određivanje intenziteta oblaka
Još jedna prednost detekcije na osnovu munja unutar oblaka je ta da je čestina munja (broj u minuti) proporcionalna petom stepenu konvektivne uzlazne strruje u kumulonimbusu. Ova nelinearna zavisnost znači da su male promene u visini oblaka, koje se teško mogu osmotriti radarom, povezane sa velikom promenom u broju munja po jedinici vremena. Na primer, porast u visini oblaka od 10% što nije tako lako izmeriti radarom će imati 60% promene u čestini pojava munja, što se lako vidi. S obzirom da ukupna količina munja uglavnom potiče od munja unutar oblaka, detektor munja koji registruje samo niske frekvencije koje potiču od munja oblak-zemlja nisu pogodni za predviđanje vazdušnih slapova (microburst) i određivanje intenziteta konvektivnog oblaka.
Predviđanje tornada
Opasne grmljavinske oluje koje prozvode tornada imaju veoma veliku čestinu pojava munja od čega je većina onih koji se javljaju unutar oblaka.
Procena daljine munja
Kada se registruje elektromagnetni impuls od munje, moguće je odrediti pravac ali ne i daljinu. Činjeni su pokušaji da se odredi daljina na osnovu amplitude elektromagnetnog signala ali bez većih uspeha jer se dešava da se udari različitih intenziteta iz iste konvektivne ćelije lociraju na različitim daljinama.
Zbog toga, jedini pouzdan način određivanja daljine munje je korišćenje više detektora postavljenih na tazličitim lokacijama. U tu svrhu, na zemlji postoji mreža povezanih detektora munja.
