105 Vpliv neviht na geomagnetne meritve na Gori nad Ajdovšč ino Rudi Č op 1 , Goran Milev 2 , Damir Deželjin 3 Povzetek Geomagnetni observatorij Sinji vrh je bil aprila 2012 preizkusno vključ en v mednarodno informacijsko mrežo INTERMAGNET preko vozlišč a GIN Edinburg. Julija 2012 je investitor prevzel observatorij od izvajalca gradbenih del. Ta leži na robu Gore, na območ ju najpogostejših udarov strel v Evropi. Ko vlažne zrač ne mase nevihtne fronte z juga zadenejo rob Gore, se morajo zelo naglo dvigniti za več kot 600 m, kar povzroč i dodatno naelektritev nevihtnih oblakov. Razumevanje nastanka strel v nevihtnem oblaku, analiza merilnih rezultatov in uporaba že preizkušenih metod zavarovanja pred udari strel in njihovimi sekundarnimi vplivi omogoč ajo poveč anje zanesljivosti delovanja observatorija. Za dosego tega cilja pa je nujno sodelovanje tako izvedencev s področ ja zašč ite pred strelami, konstruktorjev in proizvajalcev merilnih instrumentov kot tudi upravljavcev tega observatorija. Ključ ne besede: magnetometri, strele, zašč ita Key words: magnetometers, lightning, protection Udari strel Ioni v atmosferi na višini nad 100 km nastajajo v glavnem zaradi ultravijolič nega sevanja in žarkov X iz Sonca. Na višinah pod 50 km pa so glavni povzroč itelji naelektrenosti ozrač ja kozmič ni žarki. Največ ja gostota ionov v višinah pod 50 km je na okoli 15 km nad tlemi (Handbook of Geophysics and the Space Environment, 1985). Atmosfera v nižjih plasteh se ionizira ne samo zaradi radiacije kozmič nih žarkov, temveč tudi zaradi termodinamič nih pojavov v njej. Za krajši č as pa se ionizira ozrač je v obliki kanalov ob udarih strel in drugih pojavih razelektritve v nevihtnih oblakih. V teh oblakih se nabirajo majhni ledeni kristali, nastali iz vodne pare, ki se mešajo z več jimi poroznimi in krhkimi ledenimi oblikami (babje pšeno). Te so nastale zaradi nagle podhladitve, podobno kot nastane ivje. Trdi ledeni kristali so nosilci pozitivnega naboja, krhke ledene oblike pa negativnega. Konvekcijski zrač ni toki v nevihtnem oblaku odnašajo snežne kristale na vrh oblaka, težje krhke ledene oblike pa ostanejo na dnu. Ta proces se odvija pri temperaturi od –10°C do –20 °C in preneha pri temperaturi –40°C. V nevihtnem oblaku zato nastane potencialna razlika med 10 8 in 10 10 V, ki lahko pripelje do udara strele. Sam mehanizem naelektritve pa je v tem prispevku opisan zelo poenostavljeno (Ziegler et al., 1991; Saunders, 2008). Da nastane udar strele, se mora oblak prej naelektriti. Zato mora vsebovati zadosti vlage, kondenzacijska jedra in vertikalne zrač ne tokove, ki so najpogosteje konvekcijski, nastali zaradi segrevanja tal. Poleg moč nega elektrostatič nega polja so potrebne še molekule zraka z zadostno medsebojno oddaljenostjo. Ta razdalja mora biti tolikšna, da se prosti elektroni pospešijo na zadostno hitrost in pri tem pridobijo tolikšno kinetič no energijo, da ta ob trku zadostuje za ionizacijo plinskih molekul. 1 Visokošolsko središč e Sežana, Laboratorij za geomagnetizem in aeronomijo, Kraška ulica 2, 6210 Sežana 2 Elektroinštitut MilanVidmar, Hajdrihova 2, 1000 Ljubljana 3 Visokošolsko središč e Sežana, Laboratorij za geomagnetizem in aeronomijo, Kraška ulica 2, 6210 Sežana 106 Slika 1: Vrste udarov strel glede na mesto udara, preneseni električ ni naboj in smer delovanja Zač etna električ na praznitev ali ionizirani kanal v zraku se zač enja pri negativno naelektreni mešanici vodne pare in krhkih ledenih delcev v nevihtnem oblaku. Ta zač etna praznitev negativnega naboja se v skokih dolžine tudi do 50 m približuje zemeljski površini, pri č emer pa se obič ajno razvije v več vzporednih kanalov. Te zač etne praznitve trajajo relativno dolgo, do nekaj sto milisekund, in so slabo vidne. Ko zač etna praznitev doseže tla, se v izpostavljenih objektih na zemeljski površini inducira električ ni naboj nasprotnega predznaka, ki moč no ojač a zač etno elektrostatič no polje. Č e je to polje zadosti moč no, se iz tal zač enja nova razelektritev. Ko je med tlemi in nevihtnim oblakom vzpostavljen kanal ioniziranega zraka, skozenj steč e moč an električ ni tok. Ta povratni udar spremlja moč an svetlobni blisk (Staszewski, 2009). Poleg že opisane oblike električ ne praznitve med nevihtnim oblakom in zemeljsko površino obstajajo še praznitve znotraj nevihtnega oblaka in praznitev med nevihtnimi oblaki (slika 1). Preglednica 1: Podatki o strelah v Sloveniji Sloveniji Območ je Največ ja amplituda Mediana amplitude p = 98 % [kA] [kA] [kA] Slovenija 416,28 10,82 58 Primorska 385,73 11,15 60 Osrednja 416,28 11,09 60 Polariteto strele določ a vrsta naboja v oblaku, ki se ob razelektritvi nevtralizira. Ker je oblak obič ajno v spodnjem delu negativen, je več kot 90 % vseh strel negativnih. Pozitivne strele so praviloma več jih amplitud in se pogosteje pojavljajo pred razpadom nevihtnega oblaka. Približno 80 % vseh udarov strel ima dva povratna udara ali več . Povpreč ni zač etni negativni udar strele ima električ ni tok 30 kA, strela negativnih nosilcev tok do 120 kA in pozitivnih nosilcev več kot 300 kA. V posamezni streli je moč 10 12 W in traja v povpreč ju 30 milisekund. Raziskovalni satelit Fermi, ki kroži okoli Zemlje od leta 2008, spremlja tudi razelektritve v zemeljski atmosferi. Ob udaru strele nastane v smeri proti vesolju sevanje 107 žarkov gama, ki ustrezajo energiji pozitronov, antimaterije po masi enaki elektronom, vendar nosilcev pozitivnega električ nega naboja (Reddy, 2012). Vsaka zač etna razelektritev nevihtnega oblaka inducira tudi električ ni naboj v objektih in na zemeljski površini pod oblakom. Inducirani električ ni naboj ostane toliko č as, dokler ostane oblak v bližini in dokler se naboj v oblaku ne sprosti v obliki strele. Takrat inducirani električ ni naboj ni več vezan na oblak in se zato skoraj s hitrostjo svetlobe širi po zemeljski površini v obliki napetostnega vala v vse smeri od kraja udara strele: e i = q/C [As/F]. Ta potencial zaradi sekundarnega udara strele je torej odvisen od razdalje od kraja, kamor je strela udarila v objekt na zemeljski površini, do kraja, kjer se zazna sekundarni udar strele (Punekar & Kandasamy, 2011; West). Slika 2: Udari strel dne 12. 9. 2012 registrirani z uporabo triosnega magnetometra fluxgate Zaradi udara strele nastale prenapetosti so lahko zelo nevarne in povzroč ijo škodo na elektroenergetskih napravah, instalacijah in porabnikih. Strela povzroč a tudi požare zaradi visoke temperatura do 25.000 K v ioniziranem kanalu zraka. V energetskih in signalnih vodih pa lahko nastane visoka inducirana napetost zaradi elektromagnetnih valov, ki nastanejo pri atmosferskih praznjenjih. Nevihta na področ ju Gore Na Geomagnetnem observatoriju Sinji vrh je bil v č etrtek, 12. aprila 2012, postavljen še zadnji magnetometer, ki meri spremembo zemeljskega magnetnega polja. V sredo, 12. septembra, istega leta je bila nevihta s strelami na območ ju Gore. To je bila prva nevihta potem, ko so bile na observatoriju vpeljane vse strel (slika 2). Slika 3: Udari strel v okolici observatorija dne 12. 9. 2012 Sistem SCALAR (Slovenski center za avtomatsko lokalizacijo atmosferskih razelektritev) deluje od leta 1998 in je namenjen dolo in zemljo ter posredovanju podatkov o njih kon elektromagnetne vale, ki jih povzro Dunaj, kjer se v sklopu evropskega omrežja EUCLID in vsi drugi podatki o njej. V tem evropskem omrežju danes deluje ve in pokrivajo območ je od Sicilije do Nordkappa podatke shranjuje: • č as udara, • zemljepisno širino in dolžino mesta udara • amplituda toka strele v kA in število povratnih udarov • polosi in naklon elipse napake • natanč nost izrač unanih parametrov izmerjene strele V tabeli (tabela 1) so zbrani statisti SCALAR (SCALAR, 2012). Na podlagi podatkov iz tega sistema je bilo izdano tudi Poroč ilo o atmosferskih razelektritvah št. 108 potem, ko so bile na observatoriju vpeljane vse do takrat predlagane zašč ite pred udarom Udari strel v okolici observatorija dne 12. 9. 2012 Sistem SCALAR (Slovenski center za avtomatsko lokalizacijo atmosferskih razelektritev) deluje od leta 1998 in je namenjen določ anju kraja udara strel med oblakom in zemljo ter posredovanju podatkov o njih konč nim uporabnikom. Sistem meri le, ki jih povzroč ijo toki strel. Senzorji izmerjene podatke pošiljajo na v sklopu evropskega omrežja EUCLID izrač una lokacija posamezne strele . V tem evropskem omrežju danes deluje več kot 147 senzorjev od Sicilije do Nordkappa. Uporabniški strežnik v Ljubljani te zemljepisno širino in dolžino mesta udara, amplituda toka strele v kA in število povratnih udarov, polosi in naklon elipse napake, unanih parametrov izmerjene strele. V tabeli (tabela 1) so zbrani statistič ni podatki o strelah v Sloveniji, shranjeni v sistemu . Na podlagi podatkov iz tega sistema je bilo izdano tudi ilo o atmosferskih razelektritvah št. 30/1/8/2012 o udarih strel za obdobje od 12. 9. zašč ite pred udarom Udari strel v okolici observatorija dne 12. 9. 2012 Sistem SCALAR (Slovenski center za avtomatsko lokalizacijo atmosferskih anju kraja udara strel med oblakom nim uporabnikom. Sistem meri ijo toki strel. Senzorji izmerjene podatke pošiljajo na una lokacija posamezne strele č kot 147 senzorjev Uporabniški strežnik v Ljubljani te ni podatki o strelah v Sloveniji, shranjeni v sistemu . Na podlagi podatkov iz tega sistema je bilo izdano tudi 30/1/8/2012 o udarih strel za obdobje od 12. 9. 109 2012 ob 00:00:00 do 14. 9.2012 ob 23:59:59 na območ ju Geomagnetnega observatorija Sinji vrh. V izbranem obdobju je v krogu 4,5 km od observatorija sistem zaznal 15 strel. Dne 12. 9. 2012 je bil najmoč nejši udar strele pozitivnih nosilcev električ nega toka velikosti 178 kA ali 46,2 % najmoč nejšega do zdaj registriranega udara strele na območ ju Primorske (tabela 1). Strela je udarila na razdalji 3,92 km od senzorjev magnetometrov (slika 3). Sekundarni vpliv te strele na triosne magnetometre fluxgate je presegel zgornjo mejo prenapetosti, za katero so bili instrumenti zgrajeni. Nastala prenapetost oč itno ni posledica širjenja induciranega električ nega naboja v obliki napetostnega vala, temveč zaradi magnetnih vplivov impulza toka strele na navitja v senzorjih instrumentov. Izpostavljenost observatorija pred udarom strel je bila določ ena po karti največ jih vrednosti gostote strel za Republiko Slovenijo (Karta maksimalnih vrednosti gostote strel, 2007). Iz nje je razvidno, da je največ ja vrednost gostote strel na območ ju Sinjega vrha 7,8 strele/km 2 /leto. Predvsem zahodni del Slovenije je glede udarov strel najbolj izpostavljeni del evropskega kontinenta. Zašč ita observatorija pred udari strel Prvi udari strel na območ ju, kjer danes stoji geomagnetni observatorij Sinji vrh, so bili registrirani v č asu testnih meritev sprememb zemeljskega magnetnega polja poleti 2009. Te registracije so vplivale na izbiro nač ina napajanja observatorija z električ no energijo. Razmestitev objektov so sicer v prvi vrsti narekovali pogoji naravovarstvenikov in pa zavarovanje dotedanje kmetijske dejavnosti na tem območ ju (Č op & Deželjin, 2012). Pri konč nem umešč anju teh objektov v prostor pa je bila prisotna tudi želja po zmanjšanju verjetnosti neposrednega udara strel kot tudi njihovih sekundarnih vplivov (Rupke, E., 2002; Protection against lightning effects, 2009). Na observatoriju se je dobro izkazala zašč ita pred strelami iz nizkonapetostnega elektroenergetskega omrežje z dvema loč ilnima transformatorjema v kaskadi. Pri izloč anju medsebojnih vplivov merilnih instrumentov in drugih naprav med seboj, ki potrebujejo č im več jo medsebojno oddaljenost, in pri zmanjševanju vpliva sekundarnega udara strel, ki zahteva č im krajše električ ne tokokroge, se je dosegla optimalna rešitev. Merilni podatki se dodatno prenašajo po optič nih vlaknih in ne po dolgih žič nih komunikacijskih vodih. Uporabljeni komunikacijski pretvorniki, dostopni na prostem trgu, so industrijske izvedbe in delujejo brez okvar. Po istih parametrih kot komunikacijski pretvorniki so bili že prej izbrani sestavni deli telemetrije, analogno-digitalni pretvorniki in polnilci akumulatorjev. Slednji napajajo stacionarne akumulatorske baterije, ki observatoriju zagotavljajo avtonomijo za najmanj en teden. V razdelilce vseh treh sistemov enosmernega napajanja 12 V so bili dodatno vgrajeni hitri elementi za prenapetostno zašč ito skupaj s taljivimi varovalkami (Protection by TRANSIL, 2004). Enosmerno napajanje vseh magnetometrov je bilo pred vhodom v njihove elektronske dele dodatno galvansko loč eno s pretvorniki DC-DC. Prav tako so bili v komunikacijske povezave RS-232 na izhodih iz merilnih instrumentov dodatno vgrajeni optič ni vmesniki (IMPT, 2012). Leta 2011 so bile na observatoriju že uvedene stalne meritve sprememb zemeljskega magnetnega polja, vendar so vplivi posrednih udarov strel presegli dovoljeno mejo šele v letu 2012. V program nadaljnjega dela na observatoriju, ki je v prvi vrsti namenjen poveč evanju zanesljivosti njegovega delovanja, je bilo zato vključ eno tudi zmanjšanje vplivov sekundarnih udarov strel. Treba je dodatno zašč ititi vhode v elektroniko teh instrumentov pred prenapetostjo iz strani senzorjev in vpeljati pravi č asovni režim njihovega delovanja, da se instrumenti ne bi poškodovali zaradi strel. 110 Literatura Č op, R. Deželjin, D. (2012). Preizkusno obratovanje geomagnetnega observatorija Sinji vrh. Raziskave s področ ja geodezije in geofizike 2011. Zbornik predavanj. Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo; Slovensko združenje za geodezijo in geofiziko, Ljubljana, 57-62. Handbook of Geophysics and the Space Environment (1985). Scientific editor Adolph S. Jursa. United States Air Force; Air Force Systems Command; Air Force Geophysics Laboratory, Springfield (ZDA). IMPT - Izolirani več protokolni serijski sprejemnik/oddajnik (2012). Ditel, Koper. http://ditel.si/index.php/sl/impt.html (10-12-2012). Karta maksimalnih vrednosti gostote strel (2007). Ministrstvo za okolje in prostor Republike Slovenije; Elektroinstitut Milan Vidmar – EiMV, Ljubljana. Protection against lightning effects (2009). Power Guide 2009/Book 07. Limoges (France). Protection by TRANSIL - How to Ensure Absolute Safety (2004). AN317 Application Note. STMicroelectronics group of companies. Punekar, S. G. Kandasamy, C. (2011). Indirect Effects of Lightning Discharges. Serbian Journal of Electrical Engineering, 8/3, 245-262. Reddy, F. (2012). Fermi Improves its Vision for Thunderstorm Gamma-Ray Flashes. National Aeronautics and Space Adminisrtration; Goodard Space Flight Center, Greenbelt (ZDA). http:// www.nasa.gov/mission_pages/GLAST/news/vision-improve.html (08-12-2012). Rupke, E. (2002). Lightning Direct Effects Handbook. Report Reference Number: AGATE-WP3.1- 031027-043-Design Guideline. Lightning Technologies, Pittsfield (ZDA). Saunders, C. (2008). Charge Separation Mechanisms in Clouds. Space Science Reviews, 137/1-4, 335-353. SCALAR – Slovenski center za avtomatsko lokalizacijo atmosferskih razelektritev (2012). Elektroinstitut Milan Vidmar – EiMV, Ljubljana. http://observer.eimv.si/ (08-12-2012). Staszewski, Ł. (2009). Lightning Phenomenon – Introduction and Basic Information to Understand the Power of Nature. 8 EEEIC International Conference on Environment and Electrical Engineering. Karpacz (Poland): 10-13 May 2009, 208-211. Ziegler, L. C. et al. (1991). A model evaluation of noninductive graupel-ice charging in the early electrification of a mountain thunderstorm. Journal of Geophysical Research, 96/D7, 12,833- 12,855. West, L. Allocating Indirect Lightning to Cables & Boxes at Program Inception. Note 617. University of New Mexico; SUMMA Foundation, Houston (ZDA).