Calibration of the recording of far fields radiated by lightning strikes to the Gaisberg tower

Abstract

Sensoren moderner Blitzortungssysteme ermöglichen die Bestimmung wichtiger charakteristischer Blitzparameter und liefern somit wertvolle Informationen sowohl für die Blitzforschung als auch für den Schutz fundamentaler Infrastrukturen wie EVUs oder Flughäfen. Diese Sensoren sind allerdings nicht dafür ausgelegt, elektromagnetische Felder von Blitzentladungen über einen längeren Zeitraum aufzuzeichnen. Aus diesem Grund wird eine Messstation in Neudorf (Oberösterreich) betrieben, welche diesen Einschränkungen nicht unterworfen ist. Der Verlauf des elektrischen Fernfeldes von Blitzentladungen wird mithilfe einer Plattenantenne aufgezeichnet, welche auf dem Dach eines in etwa 8 m hohen Hauses montiert ist. Die Untersuchung der Auswirkung des Hauses auf die Messung, d. h. die Bestimmung des Feldüberhöhungsfaktors, ist ein Hauptanliegen dieser Diplomarbeit. Um die auftretende Feldüberhöhung ermitteln zu können, wurde gleichzeitig zu der Dachmessung eine Referenzmessung mit im Wesentlichen gleichen Messaufbau auf Bodenniveau durchgeführt. Aus den aufgezeichneten Datensätzen wurden 725 Wolke-Erde Blitze ausgewählt und die Scheitelwerte der gemessenen elektrischen Feldstärken beider Messstationen verglichen. Eine Reihe durchgeführter statistischer Analysen und Tests sollte einen verlässlichen Wert für den Feldüberhöhungsfaktor garantieren. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass der Feldüberhöhungsfaktor nur schwache bis gar keine Korrelation mit anderen Parametern wie Scheitelwert des Blitzstromes, Scheitelwert der elektrischen Feldstärke, Distanz oder Azimut der Blitzentladung aufzeigt. Aufgrund eines der Referenzmessung überlagerten 50 Hz Störsignals und der geringen Anzahl aufgezeichneter positiver Blitze kann noch nicht mit Sicherheit gesagt werden, ob zwischen positiven und negativen Blitzen unterschieden werden muss (auch wenn physikalisch betrachtet dafür kein Grund vorliegt). Zieht man jedoch die typischen Ungenauigkeiten, mit welchen man in der Blitzforschung zu rechnen hat, in Betracht, so scheint die Annahme eines Feldüberhöhungsfaktors von 2.6 für zukünftige Anwendungen auch ohne Unterscheidung nach Polarität durchaus zufriedenstellend. Die Blitzforschungsstation auf dem Sender Gaisberg in Salzburg liefert wertvolle ground-truth Daten von Blitzeinschlägen in den Sendeturm und erlaubt überdies die Bewertung fundamentaler Kenngrößen des Blitzortungssystems ALDIS. Im Rahmen dieser Arbeit wurden elektrische Felder von Turmeinschlägen analysiert, mit Feldern natürlicher Wolke-Erde Blitze verglichen und die Feldüberhöhung zufolge des sogenannten Turmeffekts untersucht. Zusätzlich wurde mittels Regressionsanalyse ein Zusammenhang zwischen Stromscheitelwerten von Turmeinschlägen und den zugehörigen elektrischen Feldern in Neudorf hergestellt. In jedem Fall wird aber die weitere Auswertung von Messdaten erforderlich sein.

Sensors of modern lightning locating systems allow for determining various lightning parameters thus providing valuable information not only for lightning research but also for ground-based assets at risk (e.g. electric power utilities, airports, forestry, etc.) However, those sensors are not designed to record electromagnetic fields from lightning discharges over a longer period of time. Therefore, a measurement station is operated in Neudorf, Upper Austria, which is not subject to this limitation. Radiation components of lightning generated vertical electric fields are recorded by means of a plate antenna mounted on the roof of a house about 8 m above ground. The investigation of the effect of the building on the measurements, i.e. the determination of the antenna enhancement factor (AEF), is the main goal of this master thesis. In order to determine the AEF of the roof antenna, a reference measurement with more or less equal equipment was carried out simultaneously with the antenna placed on ground in a nearby meadow. 725 CG flashes were selected from all records and the values of peak electric fields from both stations were compared. Many statistical analyses have been conducted to obtain a reliable value for the AEF. The results show that the enhancement factor is not or only weakly correlated to other factors like lightning peak current, peak electric field, distance or azimuth of the lightning discharge. Due to a 50 Hz signal superimposed on the reference measurement and a rather small number of recorded positive flashes it is not yet clear whether we have to distinguish between positive and negative discharges (although there is no physical reason to do so). In case of a distinction the AEF for positive lightning is characterized by the following statistics: mean M=2.52, standard deviation SD=0.21, median -_(1/2)=2.56; for negative lightning it has been found that M=2.60, SD=0.21 and -_(1/2)=2.63. If no distinction is made the statistics of the AEF are given by M=2.59, SD=0.21, -_(1/2)=2.62. Taking into account the typical uncertainties in lightning research it is deemed suitable to employ an AEF of 2.6 for practical future application. The lightning research station at the Gaisberg Tower in Salzburg, Austria, provides valuable ground-truth information on lightning discharges to the radio tower and permits to evaluate the performance of ALDIS. Within this thesis electric fields from strikes to the tower have been evaluated, compared to fields from ground-initiated return strokes and the so called tower effect, i.e. field enhancement due to an elevated strike object, has been investigated. Furthermore, peak currents from tower-initiated lightning were regressed on the corresponding electric fields in Neudorf. However, the evaluation of more measurements will be necessary.