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Gewitterdetektion zu Präventionszwecken: Entladungsrisiko Bedingungen
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Gewitterdetektion zu Präventionszwecken: Entladungsrisiko Bedingungen
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Blitze sind ein natürliches Phänomen, das zu jeder Jahreszeit mit großer Häufigkeit auftreten kann und mit statistischer Unsicherheit behaftet ist: Es ist nicht möglich zu bestimmen, wo und wann ein einzelner Blitz einschlagen wird. Aus diesem Grund können Gewittererkennungssysteme den Ort und den Zeitpunkt einer bestimmten Entladung nicht genau vorhersagen1 , aber sie können die Entladungsrisikobedingungen auf der Grundlage der Entfernung früherer Blitzeinschläge (elektromagnetische Felddetektoren) oder der Veränderung des atmosphärischen elektrostatischen Feldes (elektrostatische Feldsensoren) bestimmen.
Auch wenn sich die Entstehung von Gewittern nicht vermeiden lässt, kann man durch eine frühzeitige Erkennung die Risiken eines möglichen Blitzeinschlags minimieren und Personenschäden vermeiden, indem man Informationen für die korrekte Durchführung vorübergehender Präventivmaßnahmen erhält. Zu diesem Zweck müssen diese Detektoren in der Lage sein, die Entladungsrisikobedingungen zu bewerten. Im Folgenden wird erläutert, wie die verschiedenen Typen der verfügbaren Gewitterdetektoren die Entladungsrisikobedingungen bestimmen.
Arten von Gewitterdetektoren: Systeme mit elektromagnetischem Feld und Systeme mit elektrostatischem Feld
Bestehende Gewitterdetektoren nutzen entweder die elektromagnetische Strahlung von Blitzeinschlägen, um diese nach dem Einschlag zu orten, oder sie messen das elektrostatische Feld der Umgebung, das ein direkter Indikator für das Risiko einer Blitzentladung ist.
Die auf dem elektromagnetischen Feld basierenden Detektoren berücksichtigen das Risiko von Blitzeinschlägen in Abhängigkeit von der Entfernung früherer Blitzeinschläge von dem zu schützenden Gebiet. Sie können Blitze nur erkennen, wenn sie einmal eingeschlagen sind, und gehen nicht nur davon aus, dass es weitere Blitze geben wird, sondern auch, dass die Blitze näher am Zielgebiet einschlagen werden.
Die tatsächliche Messung des elektrostatischen Feldes ermöglicht die Bestimmung der Entladungsrisikobedingungen
Im Gegensatz zu Detektoren, die auf elektromagnetischen Feldern basieren, beruhen elektrostatische Feldsensoren auf der Messung des atmosphärischen elektrostatischen Feldes. Dieses Feld an der Erdoberfläche kann aus vielen Gründen variieren (z. B. Höhe, Breitengrad, Temperatur, Verschmutzung, Windgeschwindigkeit, Luftfeuchtigkeit, Sonneneinstrahlung usw.), liegt aber im Allgemeinen bei +100-150 V/m bei guten Wetterbedingungen ohne Wolken. Bei schönem Wetter herrscht in der Atmosphäre ein Gleichgewicht zwischen positiven und negativen Ladungen, wobei die Erde normalerweise negativer geladen ist als die Luft und die Elemente über dem Boden2. Wenn sich Gewitterwolken bilden, kommt es zu einer Polarisierung der elektrischen Ladungen, so dass der untere Teil der Wolken (in den meisten Fällen) negativ geladen ist, was eine positive Ladung der Erde und der darüber befindlichen Elemente zur Folge hat. Das unter diesen Umständen entstehende elektrische Feld kann mehrere zehn kV erreichen. Obwohl die Luft unter guten Wetterbedingungen ein nahezu perfekter elektrischer Isolator ist, wird sie bei einem ausreichend hohen elektrischen Feld ionisiert und zu einem leitfähigen Medium, durch das die in den Wolken angesammelte Ladung zirkuliert3.
Daher kommt es beim Übergang von guten Wetterbedingungen zu stürmischen Verhältnissen zu einer Veränderung des atmosphärischen elektrischen Feldes (von +100-150 V/m bis zu einigen zehn kV/m), die es ermöglicht, rechtzeitig vor der Entstehung oder dem Herannahen von Stürmen in dem zu schützenden Gebiet zu warnen, um die notwendigen Präventivmaßnahmen zu ergreifen. Diese Erhöhung des elektrostatischen Feldes kann sowohl durch die Bildung von Gewittern in dem Gebiet als auch durch den Durchzug von Gewitterwolken hervorgerufen werden, die nicht notwendigerweise Entladungen in der Umgebung mit sich bringen4: Für das Auftreten einer Blitzentladung ist es eine notwendige, aber nicht hinreichende Bedingung, dass das atmosphärische elektrostatische Feld sehr hoch ist. Es wird also Zeiten geben, in denen das System einen extremen Alarm auslöst, ohne dass es zu einer Blitzentladung kommt. Die Tatsache, dass es nicht zu einer Entladung kommt, bedeutet jedoch nicht, dass die Gefahr eines Blitzeinschlags nicht gegeben war. Letztendlich ist es unmöglich, vorherzusagen, wo und wann ein bestimmter Blitzeinschlag stattfinden wird; das Einzige, was bestimmt werden kann, sind die Entladungsrisikobedingungen.
Das Entstehen des elektrostatischen Feldes ist eine notwendige, aber keine hinreichende Bedingung für das Auftreten von Blitzschlägen bei Gewittern: Selbst wenn es letztlich nicht zu einem Blitzschlag kommt, wird das Risiko immer real und erhöht sein
Wenn sich das Gewitter verzieht oder auflöst, sind die auf dem elektrostatischen Feld basierenden Detektoren die einzigen, die in der Lage sind (gemäß IEC 62793:20201), die Veränderung des elektrostatischen Feldes zu messen und zu melden, dass keine Gefahr von Blitzeinschlägen mehr besteht. Elektromagnetische Sensoren hingegen basieren ihre risikofreie Warnung auf einem Countdown seit dem letzten Blitzeinschlag (Wolke zu Wolke oder Wolke zu Erde) in einem bestimmten Gebiet. Wenn eine vorher festgelegte Zeit (in der Regel 30 Minuten, im Windenergiesektor jedoch auch 1-2 Stunden) verstreicht, ohne dass in dem zu schützenden Gebiet eine Entladung festgestellt wird, gehen sie davon aus, dass keine Gefahr mehr besteht und das Gebiet sich wieder normalisieren kann. Diese Zeit kann jedoch unzureichend sein, wenn eine Entladung kurz nach der risikofreien Warnung eintritt und Menschenleben gefährdet. Es sollte nicht vergessen werden, dass die US National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) darauf hinweist, dass die meisten Unfälle mit Blitzschlag zu Beginn oder am Ende eines Gewitters auftreten5.
Andererseits kann es aber auch zu übermäßigen Ausfallzeiten kommen, die hohe Kosten für den Kunden verursachen. Eine genaue und zuverlässige Kenntnis der Wetterbedingungen ist daher sowohl zum Schutz der Menschen als auch zur Vermeidung unnötiger Arbeitsunterbrechungen erforderlich. Ein auf einem elektrostatischen Feld basierender Sturmdetektor ermöglicht ein korrektes Risikomanagement, das die Sicherheit der Arbeiter und gleichzeitig eine höhere betriebliche Effizienz gewährleistet.
Auf elektromagnetischen Feldern basierende Gewitterdetektoren geben eine Entwarnung mit einem Countdown einer vorher festgelegten Zeit ab der letzten registrierten Entladung in dem definierten Bereich. Diese Zeit kann unzureichend oder zu lang sein, da sie nicht auf einem objektiven Parameter beruht.
Unwetterwarnung mit ATSTORM®, das Beste aus beiden Technologien
ATSTORM® ist ein von Aplicaciones Tecnológicas entwickeltes und patentiertes lokales Warnsystem zur Vorbeugung von Gewitterrisiken. Dank des elektrostatischen Sensors ist es in der Lage, alle Phasen der Entwicklung eines Gewitters zu erkennen. ATSTORM® kann Schwankungen im elektrischen Feld von Gewittern, die sich über dem Zielgebiet bilden, und/oder von aktiven elektrischen Gewittern bis zu einem Radius von 20 km erfassen. Bei Gewittern, die sich direkt über dem Ziel bilden oder sich nähern, ohne eine Entladung zu erzeugen, warnen Detektoren, die ausschließlich auf dem elektromagnetischen Feld basieren, nicht vor der Gefahr und sind daher nicht immer für Präventivzwecke geeignet.
Die Messung des elektrostatischen Feldes ist das einzige objektive Kriterium, das die Bedingungen für das Entladungsrisiko festlegt, so dass die Sensoren für das elektrostatische Feld eine Sturmwarnung und auch eine Entwarnung zur Rückkehr in den Normalzustand ausgeben können.
ATSTORM® verfügt außerdem über einen elektromagnetischen Sensor, der die Annäherung des Sturms bis zu einem Radius von 40 Kilometern überwacht. Auf diese Weise wird der Überwachungsbereich erweitert und es kann ein Vorwarnstatus für weit entfernte aktive Stürme definiert werden, die sich dem zu schützenden Ziel nähern.
Den vollständigen Artikel können Sie hier herunterladen.
Für weitere Informationen über die vom ATSTORM®-Sturmdetektor ermittelten Entladungsrisikobedingungen können Sie uns unter diesem Link kontaktieren.
Referenzen
Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC). IEC 62793:2020 Schutz gegen Blitzschlag - Gewitterwarnsysteme. Internationale Norm (2020).
Wahlin, L. Atmospheric Electrostatics. (John Wiley & Sons, Ltd, 1989).
Henderson, T. Statische Elektrizität - Lektion 4 - Elektrische Felder - Blitze. Das Physik-Klassenzimmer https://www.physicsclassroom.com/class/estatics/Lesson-4/Lightning.
Martinez-Lozano, M. Medición del campo eléctrico atmosférico en la ciudad de León. Establecimiento de límites para prevención ante la ocurrencia de descargas atmosféricas. (2014) doi:10.13140/2.1.3635.2323.
National Weather Service NOAA. Overview: Lightning Safety. https://www.weather.gov/safety/lightning-safety-overview.