Funktionsweise
Die Grundkonfiguration eines Blitzortungssystems, wie sie auch dem Austrian Lightning Detection & Information System (ALDIS) zugrunde liegt, besteht aus folgenden Komponenten:
- den Sensoren zur Bestimmung des Feldeinfallswinkels und des exakten Ereigniszeitpunktes
- einem zentralen Lightning Processor (LP) zur Berechnung des Einschlagpunktes aus den Sensordaten
- einem Display System zur anschaulichen Darstellung der Gewitteraktivität
Die von den einzelnen Sensoren als Blitze erkannten und ausgewerteten Daten werden mit einer exakten Zeitmarke (basierend auf den Signalen von GPS-Satelliten) versehen und zum so genannten Lightning Processor (LP) übertragen. Die erste Aufgabe des LP besteht darin, aufgrund der exakten Zeitmarken alle Sensordaten zu gruppieren, die zum selben Blitzschlag gehören. Stehen für einen Blitzschlag die Daten von mindestens zwei Sensoren zur Verfügung, kann der Einschlagspunkt bestimmt werden. Neben den Koordinaten des Einschlagspunktes stellt der LP zu jeder erfassten Blitzentladung noch einige weitere Informationen zur Verfügung:
- Uhrzeit
- Polarität (positiv/negativ)
- Blitzstromamplitude in kA
Berechnung eines Einschlagspunktes
Der Einschlagspunkt des Blitzes kann grundsätzlich sowohl aus den Richtungsinformationen (Magnetic Direction Finding — MDF) als auch aus den Zeitdifferenzen (Time of Arrival — TOA) der einzelnen Sensormeldungen ermittelt werden. Da die Sensoren in Österreich beide Informationen liefern, kommt ein kombiniertes Verfahren zur Anwendung, bei dem sowohl Richtung als auch Zeit aller Sensoren ausgewertet wird. Bedingt durch die relativ großen Abstände von bis zu mehreren hundert Kilometern zwischen den Sensoren ist es generell erforderlich, alle Ortungsberechnungen auf Basis der sphärischen Geometrie durchzuführen, d. h. die Erde wird als Ellipsoid nachgebildet.
Der Vorteil dieses kombinierten Verfahrens (Verwendung von Winkel und Zeit) liegt darin, dass bereits mit zwei Sensoren, die eine Blitzentladung erfassen, eine Ortung möglich ist. Im Gegensatz dazu benötigen Systeme, die nur auf Basis der Zeitdifferenzen arbeiten, mindestens vier Sensoren für die eindeutige Bestimmung des Einschlagspunktes. Damit ist es möglich, in Österreich auch stromschwache Blitze zu orten, da die kleineren Signale dieser stromschwachen Blitze noch immer von zumindest zwei Sensoren registriert werden.
Ortungsgenauigkeit
Die bei einer einzelnen Blitzentladung tatsächlich erreichbare Ortungsgenauigkeit hängt von einer Reihe von Einflussfaktoren ab, wie z. B. der Anzahl der beteiligten Sensoren, der Distanz des Einschlagpunktes zu den Sensoren oder dem auftretenden Messfehler bei der Winkel- und Zeitmessung. Für die Gesamtheit aller in Österreich georteten Blitzeinschläge kann eine durchschnittliche Genauigkeit von 100 - 200 Metern angenommen werden. Diese Genauigkeit wurde auch im Rahmen der direkten Messung von Blitzströmen am Sender Gaisberg verifiziert.
Sensor
Ein Blitzortungssensor ermittelt sowohl den Einfallswinkel des Blitzfeldes (Magnetic Direction Finding) als auch den genauen Zeitpunkt des Eintreffens des Blitzfeldes beim Sensor mit einer Genauigkeit besser als 300 Nanosekunden.
Der Sensor besteht aus zwei orthogonal aufeinander stehenden magnetischen Antennen (Rahmenspulen) zur Messung der Nord-Süd- und der Ost-West-Komponente des magnetischen Feldes (B-Feld) und einer elektrischen Plattenantenne zur Messung der Polarität (E-Feld). Die magnetischen Antennen dienen zur Bestimmung des Einfallswinkels und die elektrische Antenne dient zur Bestimmung der Polarität eines Blitzes. Außerdem wird der Signalverlauf der magnetischen Antenne zur Unterscheidung zwischen Wolke-Erde-Entladungen und anderen Signalen herangezogen. Der Einfallswinkel des Blitzfeldes kann aus dem Verhältnis der Signale der beiden magnetischen Antennen berechnet werden.
Eine weitere wichtige Aufgabe eines Ortungssystems ist die möglichst eindeutige Klassifizierung von Blitzsignalen in Wolke-Erde-Entladungen einerseits und Wolke-Wolke-Entladungen andererseits. Die Unterscheidung zwischen Blitzen und Störsignalen erfolgt durch ein patentiertes Verfahren („Waveform Discrimination”), das einen Blitz aufgrund mehrerer charakteristischer Merkmale des elektromagnetischen Feldes klassifiziert. Zusätzlich müssen die von Blitzen herrührenden Feldverläufe auch von anderen empfangenen elektromagnetischen Signalen (Störsignalen) unterschieden und ausgefiltert werden. Als mögliche Störquellen kommen alle künstlichen und natürlichen Felderzeuger (Korona von Hochspannungsleitungen, Fernmeldesender, Motorzündungen usw.) in Frage. Es müssen mehrere Kriterien erfüllt sein, damit ein elektromagnetisches Signal als Wolke-Erde- bzw. als Wolke-Wolke-Blitz registriert wird. Mittels dieses Verfahrens können Störimpulse mit hoher Sicherheit ausgeschieden werden.
Zur exakten Zeitbestimmung des Eintreffens des Blitzfeldes bei den Sensoren hat jeder Sensor einen GPS-Empfänger eingebaut, dessen Zeitangabe laufend mit Hilfe der GPS-Satelliten synchronisiert wird. Damit kann der absolute Zeitfehler zwischen den mehrere hundert Kilometer entfernten Sensoren kleiner als 300 Nanosekunden gehalten werden.