Electromagnetic signatures of lightning near the HF frequency band

The dissertation deals with remote narrowband measurements of the electromagnetic radiation emitted by lightning flashes. A lightning flash consists of a number of sub-processes. The return stroke, which transfers electrical charge from the thundercloud to to the ground, is electromagnetically an impulsive wideband process; that is, it emits radiation at most frequencies in the electromagnetic spectrum, but its duration is only some tens of microseconds. Before and after the return stroke, multiple sub-processes redistribute electrical charges within the thundercloud. These sub-processes can last for tens to hundreds of milliseconds, many orders of magnitude longer than the return stroke. Each sub-process causes radiation with specific time-domain characteristics, having maxima at different frequencies. Thus, if the radiation is measured at a single narrow frequency band, it is difficult to identify the sub-processes, and some sub-processes can be missed altogether. However, narrowband detectors are simple to design and miniaturize. In particular, near the High Frequency band (High Frequency, 3 MHz to 30 MHz), ordinary shortwave radios can, in principle, be used as detectors. This dissertation utilizes a prototype detector which is essentially a handheld AM radio receiver. Measurements were made in Scandinavia, and several independent data sources were used to identify lightning sub-processes, as well as the distance to each individual flash. It is shown that multiple sub-processes radiate strongly near the HF band. The return stroke usually radiates intensely, but it cannot be reliably identified from the time-domain signal alone. This means that a narrowband measurement is best used to characterize the energy of the radiation integrated over the whole flash, without attempting to identify individual processes. The dissertation analyzes the conditions under which this integrated energy can be used to estimate the distance to the flash. It is shown that flash-by-flash variations are large, but the integrated energy is very sensitive to changes in the distance, dropping as approximately the inverse cube root of the distance. Flashes can, in principle, be detected at distances of more than 100 km, but since the ground conductivity can vary, ranging accuracy drops dramatically at distances larger than 20 km. These limitations mean that individual flashes cannot be ranged accurately using a single narrowband detector, and the useful range is limited to 30 kilometers at the most. Nevertheless, simple statistical corrections are developed, which enable an accurate estimate of the distance to the closest edge of an active storm cell, as well as the approach speed. The results of the dissertation could therefore have practical applications in real-time short-range lightning detection and warning systems.

Tässä tutkimuksessa tarkastellaan salamoiden aiheuttaman sähkömagneettisen säteilyn etämittauksia. Salama koostuu useista aliprosesseista, joilla kaikilla on erilaiset säteilyominaisuudet. Pääsalama, joka siirtää sähköistä varausta ukkospilvestä maahan, on impulsiivinen ja laajakaistainen prosessi. Se säteilee lähes kaikilla sähkömagneettisen spektrin taajuuksilla, mutta sen kesto on vain kymmeniä mikrosekunteja. Varaukset siirtyvät ukkospilven sisällä myös ennen ja jälkeen pääsalaman, ja nämä aliprosessit aiheuttavat pitkäkestoisempaa säteilyä. Näiden aliprosessien kesto voi olla kymmeniä tai satoja millisekunteja, eli satoja kertoja pidempi kuin pääsalaman, ja kukin säteilee voimakkaimmin eri taajuuksilla. Jos säteilyä siis mitataan yhdellä kapealla taajuuskaistalla, yksittäisiä aliprosesseja on vaikea tunnistaa, ja jotkin aliprosessit saattavat jäädä kokonaan havaitsematta. Kapeakaistaisia mittauksia voidaan kuitenkin tehdä yksinkertaisilla ja pienikokoisilla laitteilla. Erityisesti HF-taajuusalueella (High Frequency, 3 MHz - 30 MHz) voidaan periaatteessa käyttää tavallista lyhytaaltoradiota. Työssä on käytetty prototyyppilaitetta, joka perustuu AM-radion toimintaperiaatteisiin. Mittauksia suoritettiin Skandinaviassa, käyttäen useita riippumattomia vertailumittauksia. Näiden avulla pystytään tunnistamaan salaman aliprosessit, sekä arvioimaan salamaniskun etäisyys mittauspisteestä. Tutkimuksessa osoitetaan, että useat aliprosessit aiheuttavat voimakasta säteilyä HF-taajuuksilla. Pääsalaman säteily on erityisen voimakasta, mutta pääsalama on vaikea tunnistaa pelkän aikasignaalin pohjalta. Käytännössä kapeakaistaisesta signaalista voidaan arvioida salaman säteilemä kokonaisenergia koko salamaniskun ajalta. Tutkimuksessa selvitetään, millä edellytyksillä tätä kokonaisenergiaa voidaan käyttää salaman etäisyyden arviointiin. Iskujen välillä on suuria eroja, mutta salamaniskujen kokonaisenergia muuttuu nopeasti etäisyyden funktiona. Salamaniskuja voidaan periaatteessa havaita yli sadan kilometrin etäisyydeltä, mutta maanpinnan johtavuuserojen takia etäisyysarvion tarkkuus heikkenee huomattavasti, kun etäisyys on yli 20 kilometriä. Näiden rajoitteiden perusteella voidaan todeta, että yhdellä kapeakaistaisella vastaanottimella ei voida realistisesti arvioida yksittäisten salamaniskujen etäisyyttä. Tutkimuksessa kehitetään kuitenkin yksinkertainen tilastollinen menetelmä, jolla voidaan riittävän tarkasti arvioida etäisyys myrskysolun lähimpään reunaan. Myös solun etenemisnopeus voidaan arvioida tällä menetelmällä. Tutkimuksessa havaittuja tuloksia voidaan soveltaa aktiivisten ukkosmyrskyjen reaaliaikaiseen havaitsemiseen ja niistä varoittamiseen.