Detector de rayos

Un detector de rayos es un dispositivo que detecta los rayos producidos por las tormentas eléctricas . Existen tres tipos principales de detectores: sistemas terrestres que utilizan múltiples antenas, sistemas móviles que emplean una antena direccional y una antena de detección en la misma ubicación (a menudo a bordo de una aeronave) y sistemas espaciales . El primer dispositivo de este tipo fue inventado en 1894 por Alexander Stepanovich Popov . Fue también el primer receptor de radio del mundo.

Los detectores terrestres y móviles calculan la dirección y la intensidad de los rayos desde la ubicación actual mediante técnicas de radiogoniometría y un análisis de las frecuencias características emitidas por los rayos. Los sistemas terrestres pueden utilizar la triangulación desde múltiples ubicaciones para determinar la distancia, mientras que los sistemas móviles pueden estimarla utilizando la frecuencia y la atenuación de la señal . Los detectores espaciales instalados en satélites permiten localizar el alcance, la dirección y la intensidad de los rayos mediante observación directa.

Las redes terrestres de detectores de rayos son utilizadas por servicios meteorológicos como el Servicio Meteorológico Nacional de Estados Unidos , el Servicio Meteorológico de Canadá , la Cooperación Europea para la Detección de Rayos (EUCLID), el Instituto de Meteorología Ubicua ( Ubimet ) y por otras organizaciones como las compañías eléctricas y los servicios de prevención de incendios forestales.

Cada sistema utilizado para la detección de rayos tiene sus propias limitaciones. ^{[ 2 ]} Estas incluyen:

• Una red terrestre de detección de rayos debe ser capaz de detectar un relámpago con al menos tres antenas para localizarlo con un margen de error aceptable. Esto suele conllevar el rechazo de los rayos entre nubes, ya que una antena podría detectar la posición del relámpago en la nube de origen y la otra en la de destino. En consecuencia, las redes terrestres tienden a subestimar el número de relámpagos, especialmente al inicio de las tormentas, donde predominan los rayos entre nubes.
• Los sistemas terrestres que utilizan múltiples ubicaciones y métodos de detección por tiempo de vuelo deben contar con un dispositivo central para recopilar datos de impacto y sincronización para calcular la ubicación. Además, cada estación de detección debe disponer de una fuente de sincronización de precisión que se utilice en el cálculo.
• Dado que utilizan la atenuación en lugar de la triangulación, los detectores móviles a veces indican erróneamente un débil relámpago cercano como si fuera uno fuerte más lejano, o viceversa.
• Las redes de rayos espaciales no sufren ninguna de estas limitaciones, pero la información que proporcionan suele tener varios minutos de antigüedad cuando está ampliamente disponible, lo que limita su utilidad para aplicaciones en tiempo real como la navegación aérea.

Los detectores de rayos y el radar meteorológico trabajan conjuntamente para detectar tormentas. Los detectores de rayos indican actividad eléctrica, mientras que el radar meteorológico indica precipitación. Ambos fenómenos están asociados a las tormentas eléctricas y pueden ayudar a determinar su intensidad.

• El aire se mueve hacia arriba debido a la inestabilidad.
• Se produce condensación y el radar detecta ecos por encima del suelo (áreas coloreadas).
• Finalmente, la masa de gotas de lluvia es demasiado grande para ser sostenida por la corriente ascendente y caen hacia el suelo.

La nube debe alcanzar cierta altura vertical antes de que se produzca un rayo, por lo que, generalmente, el radar meteorológico indicará el desarrollo de una tormenta antes que un detector de rayos. No siempre es evidente, a partir de los primeros datos, si una nube de llovizna se convertirá en tormenta eléctrica, y el radar meteorológico a veces sufre un efecto de enmascaramiento por atenuación , donde la precipitación cercana al radar puede ocultar (quizás más intensa) la precipitación más alejada. Los detectores de rayos no sufren este efecto de enmascaramiento y pueden confirmar cuándo una nube de llovizna se ha convertido en tormenta eléctrica.

Los rayos también pueden ubicarse fuera de la precipitación registrada por el radar. La segunda imagen muestra que esto sucede cuando los rayos se originan en el yunque de la nube de tormenta (la parte superior desplazada por los vientos en altura por delante de la nube cumulonimbus ) o en el borde exterior del conducto de lluvia. En ambos casos, aún existe un área con ecos de radar en las cercanías.

Es más probable que los aviones comerciales de gran tamaño utilicen radares meteorológicos que detectores de rayos, ya que los radares meteorológicos pueden detectar tormentas más pequeñas que también provocan turbulencias; sin embargo, los sistemas de aviónica modernos suelen incluir también detección de rayos para mayor seguridad.

Para aeronaves más pequeñas, especialmente en aviación general , existen dos marcas principales de detectores de rayos (a menudo denominados esféricos , abreviatura de radioatmosféricos ): Stormscope , fabricado originalmente por Ryan (más tarde BF Goodrich) y actualmente por L-3 Communications, y Strikefinder , fabricado por Insight. Strikefinder puede detectar y mostrar correctamente los rayos intracloud (IC) y CG (nube a tierra), además de poder diferenciar entre rayos reales y rebotes de señal reflejados en la ionosfera. Los detectores de rayos son económicos y ligeros, lo que los hace atractivos para los propietarios de aeronaves ligeras (en particular, de aeronaves monomotor, donde el morro no está disponible para la instalación de un radomo ).

Los detectores de rayos portátiles económicos, así como otros mapeadores de rayos de un solo sensor , como los que se utilizan en aeronaves, presentan limitaciones, entre ellas la detección de señales falsas y una baja sensibilidad , especialmente para los rayos intracloud (IC) . Los detectores de rayos portátiles de calidad profesional mejoran su rendimiento en estas áreas mediante diversas técnicas que se potencian mutuamente, amplificando así sus efectos.

• Eliminación de señales falsas: Una descarga eléctrica produce una señal electromagnética de radiofrecuencia (RF) , comúnmente percibida como estática en una radio AM, y pulsos de luz de muy corta duración, que conforman el destello visible. Un detector de rayos que funciona detectando solo una de estas señales puede interpretar erróneamente señales provenientes de fuentes distintas a los rayos, generando una falsa alarma. Específicamente, los detectores basados ​​en RF pueden interpretar erróneamente el ruido de RF, también conocido como interferencia de RF o RFI. Estas señales son generadas por muchas fuentes ambientales comunes, como el encendido de automóviles, luces fluorescentes, televisores, interruptores de luz, motores eléctricos y cables de alta tensión. Del mismo modo, los detectores basados ​​en destellos de luz pueden interpretar erróneamente la luz parpadeante generada en el entorno, como los reflejos en ventanas, la luz solar que se filtra a través de las hojas de los árboles, los automóviles que pasan, los televisores y las luces fluorescentes.

Sin embargo, dado que las señales de RF y los pulsos de luz rara vez ocurren simultáneamente, excepto cuando son producidos por un rayo, los sensores de RF y los sensores de pulsos de luz pueden conectarse útilmente en un " circuito de coincidencia " que requiere ambos tipos de señales simultáneamente para producir una salida. ^{[ 3 ]} Si dicho sistema apunta hacia una nube y ocurre un rayo en esa nube, se recibirán ambas señales; el circuito de coincidencia producirá una salida; y el usuario puede estar seguro de que la causa fue un rayo. Cuando ocurre una descarga eléctrica dentro de una nube por la noche, toda la nube parece iluminarse. A la luz del día, estos destellos intracloud rara vez son visibles para el ojo humano; sin embargo, los sensores ópticos pueden detectarlos. En las primeras misiones, los astronautas utilizaron sensores ópticos para detectar rayos en nubes brillantes iluminadas por el sol muy por debajo. Esta aplicación condujo al desarrollo del detector de rayos portátil de doble señal que utiliza destellos de luz, así como las señales " esféricos " detectadas por dispositivos anteriores.

• Sensibilidad mejorada: Anteriormente, los detectores de rayos, tanto los portátiles económicos para uso terrestre como los costosos sistemas para aeronaves, detectaban la radiación de baja frecuencia porque a bajas frecuencias las señales generadas por los rayos nube-tierra (CG) son más fuertes (tienen mayor amplitud) y, por lo tanto, son más fáciles de detectar. Sin embargo, el ruido de radiofrecuencia (RF) también es más fuerte a bajas frecuencias. Para minimizar la recepción de ruido de RF, los sensores de baja frecuencia operan con baja sensibilidad (umbral de recepción de señal) y, por lo tanto, no detectan las señales de rayos menos intensas. Esto reduce la capacidad de detectar rayos a mayores distancias, ya que la intensidad de la señal disminuye con el cuadrado de la distancia. También reduce la detección de destellos intracloud (IC), que generalmente son más débiles que los destellos CG.
• Detección mejorada de rayos intracloud: La incorporación de un sensor óptico y un circuito de coincidencia no solo elimina las falsas alarmas causadas por el ruido de radiofrecuencia, sino que también permite que el sensor de radiofrecuencia funcione con mayor sensibilidad y detecte frecuencias más altas características de los rayos intracloud, lo que posibilita la detección de los componentes de alta frecuencia más débiles de las señales intracloud y de destellos más distantes.

Las mejoras descritas anteriormente amplían significativamente la utilidad del detector en muchas áreas:

• Alerta temprana: La detección de destellos IC es importante porque suelen producirse entre 5 y 30 minutos antes que los destellos CG , lo que permite una alerta temprana sobre el desarrollo de tormentas eléctricas . Esto mejora considerablemente la eficacia del detector en aplicaciones de seguridad personal y localización de tormentas, en comparación con un detector que solo detecta destellos CG . La mayor sensibilidad también permite detectar tormentas ya formadas, que se encuentran a mayor distancia, pero que podrían estar acercándose al usuario.
• Localización de tormentas: Incluso durante el día, los cazadores de tormentas pueden usar detectores ópticos direccionales que se pueden apuntar a una nube individual para distinguir las nubes de tormenta a distancia. Esto es particularmente importante para identificar las tormentas más fuertes que producen tornados , ya que dichas tormentas producen tasas de descargas eléctricas más altas con mayor radiación de alta frecuencia que las tormentas más débiles que no generan tornados. ^{[ 4 ] : 248}
• Predicción de microrráfagas: la detección de destellos IC también proporciona un método para predecir microrráfagas . ^{[ 5 ] : 46–47} La corriente ascendente en las celdas convectivas comienza a electrificarse cuando alcanza altitudes suficientemente frías como para que los hidrometeoros de fase mixta (partículas de agua y hielo) puedan existir en el mismo volumen. La electrificación ocurre debido a colisiones entre partículas de hielo y gotas de agua o partículas de hielo recubiertas de agua. Las partículas de hielo más ligeras (nieve) se cargan positivamente y son transportadas a la parte superior de la nube dejando atrás las gotas de agua cargadas negativamente en la parte central de la nube. ^{[ 6 ] : 6014} Estos dos centros de carga crean un campo eléctrico que conduce a la formación de rayos. La corriente ascendente continúa hasta que toda el agua líquida se convierte en hielo, lo que libera calor latente que impulsa la corriente ascendente. Cuando toda el agua se convierte, la corriente ascendente colapsa rápidamente, al igual que la tasa de rayos. Así, el aumento de la frecuencia de los rayos a un valor elevado, debido principalmente a descargas de corrientes internas, seguido de una rápida disminución de dicha frecuencia, constituye una señal característica del colapso de la corriente ascendente que transporta las partículas hacia abajo en una microrráfaga. Cuando las partículas de hielo alcanzan temperaturas más cálidas cerca de la base de las nubes, se derriten, provocando un enfriamiento atmosférico; asimismo, las gotas de agua se evaporan, causando también enfriamiento. Este enfriamiento aumenta la densidad del aire, que es la fuerza impulsora de las microrráfagas. El aire frío en los "frentes de ráfaga" que se experimentan frecuentemente cerca de las tormentas eléctricas se debe a este mecanismo.
• Identificación/seguimiento de tormentas: Algunas tormentas eléctricas, identificadas por detección y observación de IC, no producen descargas CG y no serían detectadas con un sistema de detección de CG. Las descargas IC también son muchas veces más frecuentes ^{[ 4 ] : 192} que las CG, por lo que proporcionan una señal más robusta. La densidad relativamente alta (número por unidad de área) de descargas IC permite identificar celdas convectivas al mapear rayos, mientras que los rayos CG son demasiado escasos y distantes entre sí para identificar celdas que suelen tener unos 5  km de diámetro. En las últimas etapas de una tormenta, la actividad de descargas CG disminuye y la tormenta puede parecer que ha terminado, pero generalmente todavía hay actividad IC en curso en las nubes cirros de yunque residuales de altitud media y alta, por lo que el potencial de rayos CG todavía existe.
• Cuantificación de la intensidad de la tormenta: Otra ventaja de la detección de IC es que la tasa de destellos (número por minuto) es proporcional a la quinta potencia de la velocidad convectiva de las corrientes ascendentes en la nube de tormenta. ^{[ 6 ] : 6018–6019 [ 7 ]} Esta respuesta no lineal significa que un pequeño cambio en la altura de la nube, apenas observable en el radar, estaría acompañado de un gran cambio en la tasa de destellos. Por ejemplo, un aumento apenas perceptible del 10% en la altura de la nube (una medida de la severidad de la tormenta) tendría un cambio del 60% en la tasa total de destellos, que es fácilmente observable. El "rayo total" es tanto los destellos IC generalmente invisibles (a la luz del día) que permanecen dentro de la nube como los destellos CG generalmente visibles que se pueden ver extendiéndose desde la base de la nube hasta el suelo. Debido a que la mayor parte del rayo total es de destellos IC, esta capacidad de cuantificar la intensidad de la tormenta se produce principalmente a través de la detección de descargas IC. Los detectores de rayos que solo detectan energía de baja frecuencia solo detectan destellos IC que están cerca, por lo que son relativamente ineficientes para predecir microrráfagas y cuantificar la intensidad convectiva.
• Predicción de tornados: Se sabe que las tormentas severas que producen tornados tienen tasas de rayos muy altas ^{[ 5 ] : 51 [ 8 ] [ 9 ]} y la mayoría de los rayos de las nubes convectivas más profundas son IC, ^{[ 10 ]} por lo tanto, la capacidad de detectar rayos IC proporciona un método para identificar nubes con alto potencial de tornados.

Cuando se detecta una señal de rayo por radiofrecuencia en un punto, se puede determinar su dirección con un localizador magnético de bucle cruzado, pero es difícil calcular su distancia. Se han realizado intentos utilizando la amplitud de la señal, pero este método no funciona bien debido a la gran variabilidad en la intensidad de las señales de rayo. Por lo tanto, al usar la amplitud para estimar la distancia, un rayo fuerte puede parecer cercano, mientras que una señal más débil del mismo rayo —o de un rayo más débil de la misma célula de tormenta— parece estar más lejos. Se puede predecir dónde caerá un rayo en un radio de una milla midiendo la ionización del aire para mejorar la precisión de la predicción.

Para comprender este aspecto de la detección de rayos, es necesario saber que un rayo generalmente consta de varias descargas; un número típico de descargas de un rayo nube-tierra está en el rango de 3 a 6, pero algunos rayos pueden tener más de 10. ^{[ 11 ] : 18} La descarga inicial deja un camino ionizado desde la nube hasta tierra y las descargas de retorno subsiguientes, separadas por un intervalo de aproximadamente 50 milisegundos, suben por ese canal. La secuencia de descarga completa suele durar alrededor de ½ segundo, mientras que la duración de las descargas individuales varía mucho entre 100 nanosegundos y unas pocas decenas de microsegundos. Las descargas en un rayo nube-tierra se pueden ver de noche como una secuencia no periódica de iluminaciones del canal del rayo. Esto también se puede escuchar en detectores de rayos sofisticados como sonidos staccato individuales para cada descarga, formando un patrón distintivo.

Los detectores de rayos de un solo sensor se han utilizado en aeronaves y, si bien la dirección del rayo se puede determinar a partir de un sensor de bucle cruzado, la distancia no se puede determinar de manera confiable porque la amplitud de la señal varía entre las descargas individuales descritas anteriormente, ^{[ 11 ] : 115} y estos sistemas utilizan la amplitud para estimar la distancia. Debido a que las descargas tienen diferentes amplitudes, estos detectores proporcionan una línea de puntos en la pantalla como los radios de una rueda que se extienden radialmente desde el cubo en la dirección general de la fuente del rayo. Los puntos están a diferentes distancias a lo largo de la línea porque las descargas tienen diferentes intensidades. Estas líneas características de puntos en dichas pantallas de sensores se llaman "dispersión radial". ^{[ 12 ]} Estos sensores operan en el rango de frecuencia muy baja (VLF) y frecuencia baja (LF) (por debajo de 300  kHz) que proporciona las señales de rayo más fuertes: aquellas generadas por descargas de retorno desde el suelo. Pero a menos que el sensor esté cerca del destello, no capta las señales más débiles de las descargas de circuitos integrados, que tienen una cantidad significativa de energía en el rango de alta frecuencia (HF) (hasta 30  MHz).

Otro problema con los receptores de rayos VLF es que captan reflexiones de la ionosfera, por lo que a veces no pueden distinguir la diferencia de distancia entre un rayo  a 100 km y a varios cientos de km. A distancias de varios cientos de km, la señal reflejada (denominada "onda ionosférica") es más fuerte que la señal directa (denominada "onda terrestre"). ^{[ 13 ]}

La guía de ondas Tierra-ionosfera atrapa las ondas electromagnéticas VLF y ELF . Los pulsos electromagnéticos transmitidos por los rayos se propagan dentro de esta guía de ondas. La guía de ondas es dispersiva, lo que significa que su velocidad de grupo depende de la frecuencia. La diferencia del retardo de tiempo de grupo de un pulso de rayo en frecuencias adyacentes es proporcional a la distancia entre el transmisor y el receptor. Junto con el método de localización de dirección, esto permite ubicar rayos mediante una sola estación a distancias de hasta 10 000  km de su origen. Además, las autofrecuencias de la guía de ondas Tierra-ionosfera, las resonancias Schumann a unos 7,5  Hz, se utilizan para determinar la actividad global de tormentas eléctricas. ^{[ 14 ]}

Debido a la dificultad de obtener la distancia a un rayo con un solo sensor, el único método fiable actual para posicionar rayos es a través de redes interconectadas de sensores espaciados que cubren un área de la superficie terrestre utilizando diferencias de tiempo de llegada entre los sensores y/o rumbos cruzados de diferentes sensores. Varias de estas redes nacionales que operan actualmente en los EE. UU. pueden proporcionar la posición de los rayos CG, pero actualmente no pueden detectar y posicionar de forma fiable los rayos IC. ^{[ 15 ]} Hay algunas redes de área pequeña (como la red LDAR del Centro Espacial Kennedy, uno de cuyos sensores se muestra en la parte superior de este artículo) que tienen sistemas de tiempo de llegada VHF y pueden detectar y posicionar los rayos IC. Estas se llaman matrices de mapeo de rayos . Normalmente cubren un círculo de 30 a 40 millas de diámetro.

• Estación meteorológica automatizada del aeropuerto
• Sistema de predicción de rayos
• detección de tormentas convectivas
• Detectores EMP del ejército británico
• Detectores EMP del ejército estadounidense

• Detección de rayos de Vaisala Archivado el 7 de marzo de 2016 en Wayback Machine desde Vaisala
• Actividad reciente de rayos en Norteamérica según StrikestarUS.
• Actividad reciente de rayos en Norteamérica. Archivado el 5 de julio de 2006 en Wayback Machine de Environment Canada.
• Guía de detección de rayos (PDF) de la NOAA de EE. UU.
• Origen de los rayos e investigación sobre su detección desde el espacio por la NASA
• Rastreador nacional de tormentas de Australia. Archivado el 16 de diciembre de 2008 en Wayback Machine desde Weatherzone Australia.
• Cooperación europea para la detección de rayos
• WWLLN Red Mundial de Localización de Rayos
• Red Rayo de Venezuela (VLN)
• Mapa mundial de detección en tiempo real ( blistourtung.org )
• Detector de rayos para experimentadores
• Echte 3D-Blitzortung inkl. Höhenangabe der Wolkeblitze