XUNG ĐIỆN TỪ TẠO RA BỞI SÉT THEO CƠ CHẾ PHẢN XẠ SÓNG

Tóm tắt - Dựa vào những bằng chứng thực nghiệm của những sự phản xạ và việc mô hình hóa, chúng tôi kết luận rằng cloud lightining discharge (CID) về cơ bản là một hiện tượng phản xạ sóng. Khoảng 10 lần phản xạ xảy ra ở cả 2 đầu cuối của kênh. Sự phản xạ này ít ảnh hưởng đến đường biểu diễn điện trường của toàn bộ CID (dạng sóng NBP) nhưng là yếu tố tạo ra cấu trúc, "tiếng ồn" trong đường biểu diễn dE/dt và sự bức xạ ra những burst HF-VHF. Những khái niệm - nguồn điện trường, bức xạ HF-VHF, sét, xung điện trường (EM), sóng, phản xạ sóng.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ ĐỀ TÀI: XUNG ĐIỆN TỪ TẠO RA BỞI SÉT THEO CƠ CHẾ PHẢN XẠ SÓNG Giảng viên hướng dẫn Học viên cao học SHSV Lớp : : : : Hà Nội PGS.TS ĐÀO NGỌC CHIẾN ĐỖ XUÂN PHONG CB110888 KTTT1 XUNG ĐIỆN TỪ TẠO RA BỞI SÉT THEO CƠ CHẾ PHẢN XẠ SÓNG Tóm tắt - Dựa vào chứng thực nghiệm phản xạ việc mơ hình hóa, kết luận cloud lightining discharge (CID) tượng phản xạ sóng Khoảng 10 lần phản xạ xảy đầu cuối kênh Sự phản xạ ảnh hưởng đến đường biểu diễn điện trường toàn CID (dạng sóng NBP) yếu tố tạo cấu trúc, "tiếng ồn" đường biểu diễn dE/dt xạ burst HF-VHF Những khái niệm - nguồn điện trường, xạ HF-VHF, sét, xung điện trường (EM), sóng, phản xạ sóng I GIỚI THIỆU Có loại sét đặc biệt gọi sét mây (CIDs) Loại sét báo cáo lần tác giả Le Vine [7], sau Willett et al Smith et al nhiều người khác Những đặc tính bật tia sét tóm tắt sau (xem [6] [9]) Chúng nguồn tự nhiên tạo phát xạ HF-VHF (3-300 MHZ) có cường độ mạnh trái đất Chúng tạo xung điện trường gọi xung lưỡng cực hẹp với chu kỳ khoảng 10-30 µs biên độ 10 V/m khoảng cách 100 km Chúng tạo "tiếng ồn" lớn điện trường tương ứng tương đối phẳng Chúng thường xảy tầng điện ly có độ cao so với mực nước biển lớn (khoảng 10 km) Chúng không xảy nơi mà độ cao lớn tầng mây thấp Sự xuất chúng thường liên quan đến đối lưu mạnh, khả xảy đối lưu vượt qua vùng đỉnh tầng đối lưu bắt đầu xâm nhập vào tầng bình lưu; dù khơng phải có đối lưu mạnh tạo CIDs Chúng thường sáng vo với loại sét khác Cơ chế CIDs vấn đề đề cập Rất nhiều nỗ lực để mơ hình hóa CIDs điện tử phát xạ cách ạt khởi tạo điện tử có lượng cao (ví dụ tia vũ trụ thứ cấp) điện trường đám mây dơng (ví dụ [1], [3], [4] [12]) Tuy nhiên, mơ hình băng rộng dự đốn (tần số cực thấp (ELF) thấp (LF): 3-300 kHz), dạng sóng điện trường khơng phù hợp với giá trị đo đạc Một đồng thuận hợp lý với quan sát dạng sóng tồn NBP (VLF-LF) đạt cách sử dụng mơ hình đường truyền giả thiết điều kiện phù hợp (tổng lượng hấp thụ) kênh đầu xa [7], [14] Tuy nhiên, mơ hình đơn giản khơng thể mơ tả đặc tính cấu trúc NBP, "điểm gây tiếng ồn" dạng sóng đường dE/dt burst HF-VHF phát xạ Có vẻ CIDs loại ánh sáng khơng bí ẩn mà “nguy hiểm” Theo Willett et al [15], xung điện từ tạo CIDs đe dọa nghiêm trọng đến phương tiện hàng không, cấu trúc cộng hưởng phương tiện thường nằm vào khoảng HF (3-30 MHz) Trong báo này, chúng tơi đề cập đến chế phản xạ sóng xung điện từ tạo CIDs Điện trường thẳng đứng dự đoán theo chế khoảng cách xa gần với nguồn phù hợp với liệu thực nghiệm [2], [8] II BẰNG CHỨNG VỀ SỰ PHẢN XẠ TRONG TRƯỜNG ĐIỆN TỪ Hamlin et al [5] báo cáo 12% CIDs chứng phản xạ dòng, xuất xung thứ cấp sau dạng sóng điện trường đạt đỉnh Họ mơ tả xung thứ cấp phản xạ xung nguồn đầu xa kênh CIDs dùng yếu tố để đánh giá độ dài kênh CIDs Chúng tơi xem xét xung thứ cấp có liệu thấy không mà nhiều (có thể lên tới 7) phản xạ đầu xa kênh CID Hiệu suất phát xung thứ cấp cao đáng kể so với Hamlin yếu tố điện trường sử dụng mẫu dE/dt Chúng phát đỉnh thứ cấp Hamlin thực cao dẫn đến đánh giá khơng tính tốn độ dài phát xạ Trong hình 1, chúng tơi điện trường (a), dE/dt (b), burst phát xạ VHF tạo CIDs dataset Cực khởi tạo NBP (xem hình 1a) giống với xung trở phù hợp với chuyển động theo chiều xuống điện tích âm (hay chiều lên điện tích dương) Khoảng thời gian xung vào khoảng 16 µs, nằm dải giá trị điển hình cho NBPs, 10-30 µs Một vị trí đặc biệt điện trường, dE/dt dạng VHF hình 1(d) Hình (a) Điện trường thẳng đứng (b) dE/dt (c) Đường biễu diễn xạ VHF CID ghi lại Gainesville, FL Hiện tượng xảy khoảng cách không xác định điện âm truyền theo chiều xuống đường đặt với để trực tiếp so sánh, đường biểu diễn VHF sáng để khơng bị lẫn với đường lại S1-S5 đỉnh thứ cấp xuất dao động (b) vai (a) Chú ý burst VHF bắt đầu lúc với NBP trì suốt khoảng thời gian Hệ thống đo điện trường cho thấy có băng tần hữu ích khoảng từ 16 Hz đến 10 MHz Tần số cận tương ứng với hệ thống dE/dt 17 MHz Hệ thống VHF có băng thơng từ 34 đến 38 MHz Trong hình 1(a), đỉnh thứ cấp (đặt tên S4) có cực giống đỉnh sơ cấp đỉnh phụ khác (S1 đến S3 S5) Trên đường biểu diễn dE/dt [xem hình 1(b)], đỉnh thứ cấp xuất dao động sau cực khởi tạo (điện âm) vượt mức Cũng hình này, thấy có chu kỳ nửa chu kỳ dương đặt tên từ S1 đến S5 Trong đó, chu kỳ đầu tương ứng với đỉnh phụ S1 đến S3 chu kỳ tương ứng với đỉnh thứ cấp S4 hình 1(a) Chú ý đỉnh dạng sóng điện trường tương ứng với vùng "Zero" đường biểu diễn dE/dt [xem hình 1(d)] Chúng tơi tìm nhiều đỉnh thứ cấp (dao động) 32 (15%) mẫu dE/dt Những yếu tố tạo phản xạ phát nằm 85% lại bao gồm: độ lớn tương đối nhỏ sóng tới, chiều dài kênh xạ lớn hay suy giảm diễn mạnh dọc theo chiều dài kênh truyền hệ số phản xạ dòng (theo giá trị tuyệt đối) bé Thơng qua mơ hình chúng tơi nhận thấy chiều dài kênh thường không vượt vài trăm met Hệ số phản xạ dòng thường từ đến -0.5 Khi phản xạ phát hiện, khoảng thời gian đỉnh có cực giống đường biểu diễn dE/dt thay đổi khoảng từ 0.64 đến 2.3 µs, trung bình 1.2 µs Cũng theo mơ hình chúng tơi thấy đỉnh dao động phản xạ đầu kênh CID, với khoảng thời gian đỉnh (khoảng thời gian dao động) với thời gian truyền dọc theo kênh truyền Điều thú vị chỗ khoảng thời gian dao động khơng thay đổi [xem hình 1(b)], nghĩa chiều dài xạ cố định trình phản xạ sóng III CƠ CHẾ PHẢN XẠ SĨNG Dựa vào chứng phản xạ, đặt vấn đề CID chất tượng phản xạ sóng Nó xem việc bắt đầu truyền xung dòng đầu kênh truyền tương đối ngắn, xung phản xạ nhiều lần đầu kênh bị suy giảm bị hấp thụ tùy theo điều kiện kênh truyền điều kiện biên điểm cuối kênh Khái niệm minh họa biểu đồ hình ứng với trường hợp kênh truyền thẳng đứng với chiều dài kênh 100 m tốc độ truyền x 10 m/s, tương đương với thời gian truyền µs Như vậy, khoảng thời gian diễn xung điện lớn nhiều so với thời gian xung truyền qua kênh (thời gian xung lên tới vài µs thời gian truyền qua kênh 0.5 µs) Hình Giản đồ biểu diễn chế phản xạ sóng CID chiều dài kênh truyền Δh = 100 m tốc độ truyền v = x 108 m/s Khoảng thời gian truyền xung lớn nhiều so với thời gian truyền qua kênh Những mũi tên thẳng chiều dịng kênh CID mũi tên có ngoặc q trình phản xạ sóng đầu kênh Nếu ρb = ρt = (điều kiện ngắn mạch), ta có sóng phản xạ đầu kênh Nếu ρ b = ρt = -1 (điều kiện hở mạch), sóng thay đổi cực lần đến đầu cuối kênh Nếu ρb = ρt = -0.5, sóng thay đổi cực giảm độ lớn với hệ số đầu cuối Nếu ρ t = 0, sóng hồn tồn bị hấp thụ đầu cuối kênh Đối với |ρ b| < 1, |ρt| < 1, hấp thụ xảy đầu đáy kênh Những sóng phản xạ làm giảm dịng đầu kênh đồng thời điện áp lại tăng cường Từ dẫn đến tượng đánh thủng điện áp xảy đầu kênh Sự đánh thủng kết hợp với sóng tới i0 khơng Xung tới i0 theo chiều lên cho xung tới đầu kênh thời gian t = 0.5 µs Thời điểm trước xung tới đỉnh chụp lại hình 2(a) Tại đầu kênh, xung tới bị gián đoạn mặt trở kháng bị phản xạ Phần mặt trước xung (tùy theo hệ số phản xạ đầu kênh) di chuyển theo chiều xuống Chuyển động xuống tiếp tục thời điểm t = µs [xem hình 2(b)], xung chạm đến điểm cuối kênh truyền, tiếp tục bị phản xạ lại di chuyển theo chiều lên [xem hình 2(c)] Lần phản xạ thứ đỉnh kênh sau lại di chuyển xuống mơ tả hình 2(d) Chú ý thành phần khởi tạo xung qua vài lần phản xạ phần xung thực lần truyền chí cịn chưa tới cuối kênh truyền Sau t = 0.5 µs, ngồi xung tới (i 0) phần khác xung (tùy theo hệ số phản xạ tương ứng) di chuyển theo chiều lên xuống sau bị phản xạ đầu kênh truyền Sự phản xạ phần khác xung dòng dẫn tới hiệu ứng vầng quang, phóng điện đầu kênh, gây suy giảm dòng điện với gia tăng mật độ tích điện điện áp (điện áp tăng gấp đôi đầu kênh tăng với hệ số 1.5 hệ số phản xạ dịng -0.5) Chúng tơi kết luận đánh thủng điện áp đầu kênh tạo burst HF-VHF phát xạ, xảy đồng thời với NBP Đây đặc tính CIDs [xem hình 1(c)] Những phản xạ đánh thủng đầu phát xạ giúp giải thích điểm gọi "tiếng ồn" đường biểu diễn dE/dt, đặc tính CID mà nêu lần đầu Willett et al [15] IV SỰ PHÂN BỐ DÒNG DỌC THEO KÊNH TRUYỀN Hình Dịng tổng (bao gồm phản xạ) hàm theo thời gian độ cao thể tính chất CID với h1 = 15 km, Δh = 100 m, v = x 108 m/s, ρb = ρt = -0.5, Ip = 50 kA, RT = µs Để lấy ví dụ, xét xung dòng với đỉnh (I p) 50 kA, tổng thời gian truyền xung 30 µs, thời gian truyền (RT) µs, đưa vào kênh truyền thằng đứng dài 100 m Chúng giả thiết điểm cuối kênh độ cao (h1) 15 km, điện tích âm truyền theo chiều lên Xung truyền theo hướng lên với vận tốc giả thiết x 10 m/s (chúng nhận thấy qua mô hình tham số nên nằm 108 m/s vận tốc ánh sáng) Xét với hệ số phản xạ đầu kênh không đổi -0.5 Chúng không xét đến tổn hao kênh, với giả thiết hệ số phản xạ tính đến cho tổn hao kênh hấp thụ đầu kênh Sự đánh thủng đầu kênh làm thay đổi hệ số phản xạ (làm chúng biến đổi phi tuyến), bỏ qua hiệu ứng Một đồ thị 3D dòng tổng (gồm tất phản xạ), biểu diễn theo thời gian độ cao so với mặt đất hình Chú ý đỉnh dịng điểm đáy, điểm điểm kênh 40, 34 32 kA, ứng với 50 kA sóng tới V ĐIỆN TRƯỜNG Ở KHOẢNG CÁCH VÀ 200 KM Hình (a) Điện trường thẳng đứng thành phần khoảng cách km theo phương nằm ngang (b) (c) Điện trường thẳng đứng (về giống với thành phần xạ nó) thời gian truyền khoảng cách 200 km với trường hợp CID mà tham số liệt kê đặc tính phân bố khơng gian thời gian hình Điện tích âm di chuyển theo chiều lên Nguồn dòng theo chiều thẳng đứng với phân bố không gian thời gian hình tạo điện trường thẳng đứng khoảng cách từ đến 200 km Điện trường biểu diễn hình Ngồi hình cịn có trường thành phần khác (tĩnh điện, cảm ứng xạ) khoảng cách km đường biểu diễn dE/dt khoảng cách 200 km (theo phương ngang) Những trường tính tốn phương trình tổng cho đoạn kênh truyền (ví dụ [13]), có tính đến tất phản xạ có liên quan đầu cuối Ở khoảng cách km [xem hình 4(a)], điện trường chủ yếu thành phần cảm ứng thời gian đầu (lên tới 20 µs), sau chuyển sang tĩnh điện sau 25 µs Sự đóng góp thành phần xạ không đáng kể; thành phần đạt cực đại khoảng µs sau đạt đỉnh Chú ý cực khởi tạo thành phần xạ đối diện với thành phần tĩnh điện cảm ứng Trong hình 4(b), khoảng cách 200 km, tổng điện trường giống với thành phần xạ đỉnh thứ cấp phản xạ đầu cuối Thêm chứng phản xạ hình 4(c) Chú ý khoảng thời gian 10 µs, có 20 lần phản xạ 10 lần đầu kênh 10 lần đáy kênh vài số lần phản xạ quan sát hình 4(b) 4(c) Vì vậy, phản xạ chịu trách nhiệm cấu trúc dạng đường biểu diễn dE/dt burst xạ HF-VHF chúng ảnh hưởng lên đường biểu diễn điện trường CID (dạng sóng NBP) Hai yếu tố trở nên rõ ràng hệ số phản xạ dòng tiến tới -1 (điều kiện hở mạch đầu kênh) Dạng sóng điện trường tính tốn khoảng cách 200 km [xem hình 4(a) (b)] phù hợp với dạng sóng điện trường CID (về mặt định tính) đo khoảng cách tương tự Eack [2] người khác VI TÓM TẮT CIDs biết đến loại sét đặc biệt Những tia sét nguồn tạo xạ HF-VHF tự nhiên với cường độ lớn trái đất Chúng tạo xung điện trường VLF-LF (hay gọi NBPs) với độ rộng điển hình vào khoảng 10-30 µs biên độ 10 V/m Dựa vào chứng thực nghiệm phản xạ mơ hình, chúng tơi suy chất CID tượng phản xạ sóng Khoảng 10 lần phản xạ xảy đầu kênh xạ Những phản xạ ảnh hưởng đến đường biểu diễn điện trường CID (dạng sóng NBP) lại yếu tố tạo cấu trúc đẹp, "tiếng ồn" đường biểu diễn dE/dt burst xạ HF-VHF LỜI CẢM ƠN Các tác giả xin cảm ơn giúp đỡ D Tsalikis việc phát triển thiết bị đo đạc thu thập liệu thực nghiệm THAM KHẢO [1] J R Dwyer, M A Uman, and H K Rassoul, “Remote measurements of thundercloud electrostatic fields,” J Geophys Res., vol 114, 2009, Paper D09208 DOI: 10.1029/2008JD011386 [2] K B Eack, “Electrical characteristics of narrow bipolar events,” Geophys Res Lett., vol 31, 2004, Paper L20102 DOI: 10.1029/ 2004GL021117 [3] A V Gurevich, Y V Medvedev, and K P Zybin, “New type discharge generated in thunderclouds by joint action of runaway breakdown and extensive atmospheric shower,” Phys Lett A, vol 329, pp 348–361, 2004 [4] A V Gurevich and K P Zybin, “High energy cosmic ray particles and the most powerful discharges in thunderstorm atmosphere,” Phys Lett A, vol 329, pp 341– 347, 2004 [5] T Hamlin, T E Light, X.M Shao, K B Eack, and J D Harlin, “Estimating lightning channel characteristics of positive narrow bipolar events using intrachannel current reflection signatures,” J Geophys Res., vol 112, 2007, Paper D14108 DOI: 10.1029/2007JD008471 [6] T Hamlin, K C Wiens, A R Jacobson, T E L Light, and K B Eack, “Spaceand ground-based studies of lightning signatures,” in Lightning: Principles, Instruments and Applications, H D Betz, U Schumann, and P Laroche, Eds New York: Springer Verlag, 2009, pp 287–307 [7] D M Le Vine, “Sources of the strongest RF radiation from lightning,” J Geophys Res., vol 85, pp 4091–4095, 1980 [8] A Nag, V A Rakov, and D Tsalikis, “New experimental data on lightning events producing intense VHF radiation bursts,” Eos Trans AGU, vol 89, no 53, Fall Meet Suppl., Abstract AE11A-0292 [9] V A Rakov, “Initiation of lightning in thunderclouds,” Proc SPIE, vol 5975, pp 362–373, 2006 [10] D A Smith, M J Heavener, A R Jacobson, X M Shao, R S Massey, R J Sheldon, and K C Weins, “A method for determining intracloud lightning and ionospheric heights from VLF/LF electric field records,” Radio Sci., vol 39, 2004 Paper RS1010 DOI: 10.1029/2002RS002790 [11] D A Smith, X M Shao, D N Holden, C T Rhodes, M Brook, P R Krehbiel, M Stanley, W Rison, and R J Thomas, “A distinct class of isolated intracloud discharges and their associated radio emissions,” J Geophys Res., vol 104, pp 4189–4212, 1999 12] H E Tierney, R A Roussel-Dupr´e, E M D Symbalisty, and W H Beasley, “Radio frequency emissions from a runaway electron avalanche model compared with intense, transient signals from thunderstorms,” J Geophys Res., vol 110, 2005, Paper D12109 DOI: 10.1029/ 2004JD005381 13] M A Uman, The Lightning Discharge New York: Academic, 1987 14] S S.Watson and T C.Marshall, “Current propagation model for a narrow bipolar pulse,” Geophys Res Lett., vol 34, 2007, Paper L04816 DOI: 10.1029/2006GL027426 15] J C Willett, J C Bailey, and E P Krider, “A class of unusual lightning electric field waveforms with very strong high-frequency radiation,” J Geophys Res., vol 94, pp 16,255–16,267, 1989 Amitabh Nag (M'04) nhận Master chuyên ngành kỹ thuật điện tử năm 2007 trường đại học Florida, Gainesville Hiện ông tiếp tục lấy học vị tiến sỹ Từ năm 2005, ông trợ lý nghiên cứu Trung tâm Quốc tế Nghiên cứu Thử nghiệm khoa học ánh sáng Đại học Florida, nơi ông phụ trách đài quan sát sét Ông tác giả đồng tác giả 20 báo báo cáo kỹ thuật vấn đề khoa học ánh sáng, với báo cơng bố tạp chí có uy tín Những nghiên cứu ơng bao gồm vấn đề như: đo đạc, phân tích, mơ hình hóa điện từ trường đám mây sét Ơng Nag thành viên hội Khí tượng Địa vật lý Hoa Kỳ Vladimir A Rakov (SM'96-F'03) nhận Master tiến sỹ kỹ thuật điện tử trường đại học Bách khoa Tomsk, Tomsk, Nga vào năm 1977 1983 Từ năm 1977 đến năm 1979, ơng Phó giáo sư chuyên ngành kỹ thuật điện trường Bách khoa Tomsk Năm 1978, ông tham gia viện nghiên cứu high voltage (một phân viện trường Bách khoa Tomsk), nơi ơng giám đốc phịng thí nghiệm nghiên cứu ánh sáng từ 1984 đến 1994 Hiện tại, ông giáo sư phịng điện tử kỹ thuật máy tính trường đại học Florida, Gainesville, đồng giám đốc trung tâm nghiên cứu thử nghiệm ánh sáng quốc tế đồng thời chủ tịch viện điện từ lượng hệ thống Ông tác giả đồng tác giả 500 ấn lĩnh vực ánh sáng, với 160 báo cơng bố tạp chí uy tín Ngồi ông đồng tác giả sách "Lightning: Physics and Effects" Ông tổng biên tập phó biên tập tạp chí kỹ thuật khác Giáo sư Rakov chủ tịch Ủy ban kỹ thuật khoa học ánh sáng Hội nghị chuyên đề tương thích điện từ tổ chức năm lần Zurich, đồng chủ tịch liên minh quốc khoa học vơ tuyến (URSI) nhóm làm việc (WG) E.4 "Sét tượng liên quan," người triệu tập hội đồng quốc tế hệ thống điện (CIGRE) Ông thành viên Hội Khí tượng Viện Kỹ thuật Công nghệ Hoa Kỳ