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Sektion Physik der Ludwig-Maximilians Universität München, Am Coulombwall 1, 85748 Garching
Sferics sind elektromagnetische Impulse, welche vorwiegend durch Blitze erzeugt werden und auch noch in großer Entfernung vom Entstehungsort nachweisbar sind [1]. Wir berichten über Entwicklung und Aufbau einer Meßanlage zur orginalgetreuen Registrierung des zeitlichen Feldverlaufes von Sferics [7, 8, 10, 11]. Durch die Verwendung eines Netzes von mehreren räumlich getrennten Stationen können die Entstehungsorte von Sferics mittels Triangulation bestimmt werden. Da die Zuordnung zusammengehöriger Sferics der einzelnen Stationen über eine Zeitmessung erfolgt, wurden alle Stationen mit einer GPS-Uhr ausgerüstet. Die Meßanlage ist flexibler als andere, kommerziell angebotene Systeme [2, 5], weil Zeitintervall und Amplitudenbereich bei Registrierung der Feldamplituden einstellbar sind. Die Quellorte der erfaßten Sferics lassen sich berechnen und in Sferics-Aktivitätskarten darstellen. Ereignisse aus mehr als 1000 km entfernten Quellorten werden noch erkannt. Zusätzlich kann für jeden Quellbereich das charakterisierende Emissionsspektrum bestimmt werden. Messungen an mehreren Stationen ermöglichen eine Beschreibung des Dämpfungs- und Dispersionsverhaltens auf dem Ausbreitungsweg. Ein weiteres Anwendungsgebiet des Systems liegt in der Aufzeichnung von Blitzsignalverläufen aus dem Nahbereich. Hier kann sowohl die Anzahl der einzelnen Strokes bestimmt, als auch deren Feinstruktur untersucht werden.
Moderne kommerzielle Blitzortungssysteme sind in vielen Ländern installiert und werden von ihren Anbietern seit langer Zeit erfolgreich betrieben. Die zugrunde liegenden Verfahren basieren prinzipiell auf der Messung von VLF-Atmospherics und wurden dahingehend optimiert, daß in einem begrenzten Gebiet Blitzeinschläge mit möglichst hoher Genauigkeit bestimmt werden können. Der exakte zeitliche Feldverlauf der Sferics spielt dabei eine nur untergeordnete Rolle. Zur Untersuchung grundlegender Fragestellungen im Hinblick auf Entstehung und Ausbreitung von Sferics, sowie deren Klassifizierung [3] und Korrelation mit meteorologischen Parametern [9, 10] sind diese Systeme somit nur bedingt geeignet. Wir haben daher vor längerer Zeit eine Meßstation zur breitbandigen Untersuchung von VLF-Atmospherics aufgebaut [7, 11] und erste Ergebnisse vorgestellt [8]. Eine weitergehende, systematische Analyse der spezifischen Eigenschaften von Sferics erfordert Kenntnis über ihren Quellort. Da mit einer einzelnen Meßstation nur der Einfallswinkel eines Sferic bestimmt werden kann, wurde mit dem Aufbau eines Stationsnetzes begonnen. Die exakten Ereigniszeitpunkte an den einzelnen Stationen werden mit Hilfe von GPS-Uhren festgehalten. Damit ist eine Zuordnung der an den verschiedenen Stationen registrierten zeitlichen Signalverläufen möglich. Die Quellortbestimmung erfolgt mittels Triangulation. Die Beschreibung der Meßstation Garching, des Stationsnetzes und praktische Anwendungsbeispiele sind Gegenstand der nachfolgenden Abschnitte.
Die Technik der Empfangsstationen soll am Beispiel der Station Garching erläutert werden (Bild 2). Zum breitbandigen Empfang der magnetischen und elektrischen Feldkomponente der Sferics zwischen 1 und 100 kHz wurden spezielle aktive Antennen [7, 11] entwickelt, die im folgenden vereinfacht als magnetische, bzw. elektrische Antenne bezeichnet werden. Der magnetische Feldvektor wird mit einem System aus drei orthogonal angeordneten magnetischen Antennen registriert (Bild 1). Mit der elektrischen Antenne wird die vertikale Komponente des elektrischen Feldvektors erfaßt (Bild 1).
Die Sferics-Online-Aufzeichnung erfolgt in verschiedenen Amplituden- und Zeitbereichen an zwei getrennten Aufzeichnungssystemen. Beiden Systemen steht eine hochgenaue GPS-Zeitbasis zur Verfügung (Genauigkeit ca. 2 s). Allen anderen Einzelkomponenten des lokalen Stationsnetzes wird die GPS-Zeit über einen Zeitserver zur Verfügung gestellt.
Das erste Aufzeichnungssystem dient der Erfassung von "Standard-Sferics" und ist Bestandteil aller Meßstationen [7]. Die Aufzeichnung der Feldamplituden erfolgt hier jeweils für ein Zeitintervall von 512 µs in einem Amplitudenbereich bis 6 nT. Ist die spezifische Triggerbedingung für eine Signalkomponente erfüllt, wird die GPS-Ereigniszeit in einem Hardwareregister eingefroren. Nach Beendigung der Digitalisierung wird aus dem Verhältnis der zeitabhängigen Magnetfeld-Verläufe der magnetische Feldvektor berechnet und dessen zeitabhängiger Betrag auf einem Bildschirm dargestellt. Mit einer Unsicherheit von 180° gibt der magnetische Feldvektor die Einfallsrichtung des Signals an. Steht auch der zeitliche Verlauf der elektrischen Feldamplitude zur Verfügung, kann die Einfallsrichtung recht genau bestimmt werden. Diese wird zusammen mit dem Triggerzeitpunkt und dem zeitlichen Verlauf des Magnetfeldbetrags auf dem zentralen Datenserver abgelegt. An der Station Garching erfolgt zusätzlich eine Fouriertransformation des Signales mit Online-Darstellung.
Für Belange der Blitzforschung [4, 7] wurde an der Station Garching ein zweites Aufzeichnungssystem installiert. Damit lassen sich sowohl die jeweils ersten Ereignisse einer möglichen Folge von Teilblitzen über eine Zeitraum von 512 µs, als auch die gesamte zeitliche Struktur von Teilimpulsen innerhalb eines Blitzes erfassen. Die Aufzeichnung der starken, aus dem Nahbereich stammenden Signale erfolgt daher gleichzeitig in zwei verschiedenen Zeitfenstern mit unterschiedlicher zeitlicher Auflösung. Neben dem Standard-Zeitfenster (512 µs), das im allgemeinen das vom ersten Teilblitz (First Return Stroke) erzeugte Signal in hoher Auflösung aufzeichnet, wird die zeitliche Abfolge der einzelnen Strokes in einem 0,65 s langen Zeitfenster erfaßt (16K zeitliche Stützstellen). Die Empfindlichkeit konnte wegen der im allgemeinen starken Signale reduziert werden, so daß sich ein Meßbereich bis 60 nT ergibt. Triggerzeitpunkt, Einfallsrichtung, sowie beide digitalisierte Signalverläufe werden wiederum zentral auf dem Server gespeichert. Bild 8 zeigt, wie die Signale an der Station Garching in Echtzeit beobachtet werden können.
Aufgabe der Kommunikationseinheit ist es, alle benötigten Daten von den externen Meßstationen abzurufen und auf dem zentralen Server abzulegen. Für bestimmte Standard-Daten geschieht dies vollautomatisch zu festgelegten Zeitpunkten. Spezielle Datensätze können manuell übertragen werden. Zudem werden auch Datenanforderungen von außen bedient. Hierfür stehen eine Mailbox sowie ein FTP-Server zur Verfügung. Alle Meßstationen sind über Modem und Wählleitung an die zentrale Station in Garching angebunden. Mit welchen Komponenten die einzelnen Meßstationen ausgestattet sind, kann Bild 3 entnommen werden.
Liegen Daten von mehr als einer Meßstation vor, können die Quellorte einzelner Sferics bestimmt und Sferics-Aktivitätskarten erstellt werden (Bild 4). Dabei werden in jedem Zeitfenster die Ereignisse innerhalb bestimmter Flächenquadrate addiert und diese in Abhängigkeit der resultierenden Anzahl in bestimmten Farben ausgegeben. Damit läßt sich die zeitliche und räumliche Entstehung bzw. Entwicklung von Sferics-Herden visualisieren. An der Station Garching kann die aktuelle Sferics-Lage in 4 Entfernungsbereichen berechnet und dargestellt werden: Europa, Deutschland, Bayern und Oberbayern.
Um die gewonnenen Sferics-Daten auf Korrelationen mit meteorologischen Parametern hin untersuchen zu können, werden Wetter-Informationen benötigt. Hierfür stehen im wesentlichen zwei Quellen zur Verfügung, ein Meteosat-Empfänger, der stets die aktuellen Satellitenbilder anzeigt und archiviert, sowie die Mailbox des Deutschen Wetterdienstes, die den Zugriff auf Bodenwetterkarten, Radarwetterkarten usw. per Wählleitung ermöglicht. Zur Analyse der gewonnenen Daten stehen Arbeitsplatzrechner mit Zugriff auf den zentralen Datenspeicher zur Verfügung.
Die Quellortpeilung stellt eine erste Anwendung der simultanen Registrierung von Sferics an mindestens zwei verschiedenen Orten dar (Bild 4). Dabei kommt es uns insbesondere auf die Möglichkeit an, Sferics-Herde mit meteorologischen Parametern zu korrelieren. Damit läßt sich untersuchen, welche meteorologischen Bedingungen ursächlich für die Entstehung von Sferics verantwortlich sind und wie deren spektrale Eigenschaften davon beeinflußt werden.
Gewitterzonen nördlich der Balearen erzeugen den in Bild 4 mit einem schwarzen Rahmen umgebenen Sferics-Herdbereich. Unser System erlaubt es, das charakteristische Emissionsspektrum eines solchen Bereiches zu errechnen. Hierfür werden alle aus dem entsprechenden Herdbereich registrierten Zeitsignale fouriertransformiert und zu einem Summenspektrum zusammengefaßt (Bild 5).
In derzeit laufenden Untersuchungen zeichnet sich neben einer starken Entfernungs- und Richtungsabhängigkeit auch ein starker Einfluß der Labilität der Luftschichtung im Quellbereich auf das Emissionsspektrum ab.
Liegen für einen Sferic an mindestens 2 Stationen Registrierungen vor, kann sein Quellort bestimmt werden. Da an jeder dieser Stationen auch der gesamte zeitliche Feldamplitudenverlauf aufgezeichnet wird, ist es möglich, Dämpfung und Dispersion des Sferic auf dem Ausbreitungsweg zu untersuchen. In Bild 8 sind zeitlicher Verlauf der magnetischen Flußdichte und das korrespondierende diskrete Frequenzspektrum dargestellt, wie es an den Stationen Garching und Giessen beobachtet wurde. Das Signal entstammt einer Gewitterfront, die von Westen kommend am 26.03.96 München überquerte. Die zeitliche Amplitude des Signals ist am Beobachtungsort Giessen auf annähernd 1/10 abgefallen. Bei tiefen Frequenzen ist eine überproportionale Dämpfung zu beobachten.
Liegt ein Sferics-Herd auf der Verlängerung der Verbindungsachse zweier Stationen, kann aufgrund der Registrierungen die Dämpfung, welche Sferics auf dem Ausbreitungsweg zwischen den Stationen erfahren, beschrieben werden. Bild 7 zeigt, wie Sferics in Abhängigkeit der Frequenz auf ihrem Ausbreitungsweg von Garching nach Giessen gedämpft werden. Die Kurve wurde aus dem Verhältnis der Fourierspektren von 527 in Garching und Giessen simultan registrierten Sferics interpoliert. Die Quelle der Sferics lag etwa 1600 km von Garching und 1900 km von Giessen entfernt in der Ägäis. Wegen der großen Entfernung und der damit verbundenen geringen spektralen Breite der Sferics-Signale konnte die Dämpfung nur in einem schmalen Bereich angegeben werden.
Das zweite Aufzeichnungssystem an der Station Garching (siehe Abschnitt 2) erlaubt es, Ereignisse in zwei verschiedenen Zeitfenstern mit unterschiedlicher Auflösung zu beobachten. Damit kann sowohl die zeitliche Abfolge der Strokes innerhalb eines Blitzereignisses aufgezeichnet werden, als auch hochaufgelöst die von einzelnen Strokes verursachten Sferics. Bild 8 zeigt eine solche Registrierung für einen Blitz, der sich am 13.08.96 16:24:27,194 in ca. 3 km Abstand von der Meßstation sichtbar als Wolke-Wolke Blitz entlud. Man sieht im oberen Teilbild den Verlauf der magnetischen Flußdichte für ein Zeitintervall von 655 ms (16384 Stützwerte). Deutlich erkennbar ist die Vielzahl von Einzelstrokes aus denen der gesamte Blitz besteht. Das untere Teilbild zeigt einen 512 µs Ausschnitt an der im oberen Bild durch einen Pfeil markierten Stelle. Die Sferics-Signalformen weisen auf eine Wolke-Wolke Entladung hin.
In dieser Arbeit wurde der Aufbau und die Funktionsweise eines Stationsnetzes zur Registrierung von VLF-Atmospherics vorgestellt, sowie verschiedene Einsatzbereiche anhand von Anwendungsbeispielen dokumentiert. Ergebnisse der derzeit durchgeführten systematischen Analysen werden Gegenstand künftiger Veröffentlichungen sein.
