Procedimiento y aparato para controlar la actividad de las tormentas sobre la superficie de la tierra en tiempo real.

Procedimiento para controlar la actividad de las tormentas en la superficie de la Tierra en tiempo real con unanálisis de señales electromagnéticas inducidas por descargas eléctricas en la atmósfera en células de tormenta,

enel cual:

- se registran señales de campo electromagnético ELF generadas en un resonador Tierra-ionosfera(211),

- se someten dichas señales registradas a un análisis espectral (212) con la generación de susespectros de energía (Sx, Sy),

caracterizado por el hecho de que el procedimiento comprende, además, las etapas de:

- corresponder los espectros de energía (Sx, Sy) con curvas de resonancia para parametrizar losespectros de energía (213) mediante un conjunto de parámetros de observación (pk, fk, γk y ek) enbase a modelos de propagación de resonancia de campo de ELF en el resonador Tierra-ionosfera,

- comparar los parámetros de observación (pk, fk, γk y ek) dependientes de la distancia y la intensidadde las descargas eléctricas con parámetros de base (pok, fok, γok y eok) contenidos en una base dedatos de parámetros modelo (214),

- en el que los parámetros de base seleccionados como la mejor aproximación a los parámetros deobservación (pk, fk, γk y ek) dependientes de la distancia y la intensidad de las descargas eléctricas seutilizan para desarrollar un mapa (M(x, y)) de posición e intensidad de las descargas eléctricas (216).

Procedimiento y aparato para controlar la actividad de las tormentas sobre la superficie de la tierra en tiempo real.

Campo técnico El objeto de la invención es un procedimiento y un aparato para controlar la actividad de las tormentas en la superficie de la Tierra en tiempo real utilizado para mediciones remotas de la actividad del centro de la tormenta y determinar su ubicación. El control de la actividad de las tormentas es importante para la seguridad del transporte aéreo y marítimo, y juega un papel importante en la predicción del tiempo.

Antecedentes de la técnica Actualmente existen varios procedimientos para registrar descargas eléctricas en la atmósfera, que se producen 15 dentro de una nube de tormenta, entre las nubes y/o entre una nube y el suelo.

El primer procedimiento para controlar la actividad de las tormentas se basa en observaciones ópticas de satelitales de relámpagos que se producen, tal como se ha indicado anteriormente, dentro de nubes de tormenta, entre las nubes y/o entre las nubes y el suelo. El procedimiento proporciona información detallada de un área que se observa directamente mediante instrumentos montados en un satélite. La zona observada cubre una ca. de 105 km2, que constituye sólo una pequeña parte de la superficie de la Tierra. El sistema de observación orbital, incluso con una red ampliamente extendida de satélites, no puede garantizar un sistema de control global de la actividad de las tormentas fiable.

El segundo procedimiento para el seguimiento de tormentas está asociado a la detección de señales electromagnéticas dentro de las radiofrecuencias de VLF, HF, y VHF, generadas durante las descargas eléctricas en la atmósfera. Este procedimiento permite una evaluación de la intensidad de la descarga y su ubicación. Su inconveniente, sin embargo, es una gama de las señales, que - dentro de estas frecuencias - se limita a distancias de hasta varios cientos de kilómetros en HF, y varios miles de kilómetros en VLF. Cubrir grandes zonas para permitir la observación utilizando estaciones requiere una densa red de estaciones de seguimiento. En la actualidad, el sistema de monitoreo más desarrollado realiza análisis de señales registradas simultáneamente en frecuencias VLF y HF. Éste opera solamente en países altamente desarrollados, de modo cubre sólo un pequeño porcentaje de la superficie de la Tierra.

El tercer procedimiento se basa en el seguimiento de señales solamente en VLF. El rango de una sola estación es de hasta mil kilómetros. En la actualidad, el sistema mundial está basado en 27 estaciones de medición.

La propagación de señales de campo electromagnético de frecuencias extremadamente bajas (ELF) es conocido de resultados publicados de la investigación realizada por científicos de la Jagiellonian University, Cracovia, Polonia, presentados en el documento titulado “Studies of ELF propagation in the spherical shell cavity using a field decomposition method based on asymmetr y of Schumann resonance curves", Journal of Geophysical Research, vol. 111, A10304, doi: 10.1029/2005JA011429, 2006. De acuerdo con la tesis presentada en este trabajo, la asimetría de la curva y la variabilidad de las frecuencias de resonancia máximas en el espectro ELF observado surgen de la superposición del campo de ondas estacionarias, que crean los modos de resonancia con el campo de la onda que 45 sale de las fuentes. El problema a resolver fue si era posible separar los componentes de ambos campos y medirlos de manera independiente en el resonador. Se ha propuesto un nuevo enfoque para este problema y consiste en medir el espectro de asimetría o un espectro de señal obtenido por la observación de componentes del campo eléctrico o un campo magnético con una única antena. En este enfoque se supuso que el espectro de la señal en cualquier punto del resonador incluye una parte simétrica relacionada con la componente de campo de resonancia y una parte asimétrica conectada al campo de ondas que se propagan. El espectro de potencia de un componente de campo se ha determinado usando la fórmula:

Esta fórmula permite la determinación de la distancia aproximada e desde cualquier punto de un resonador a una única fuente de ondas progresivas.

Los procedimientos de observación de las descargas atmosféricas que se ha descrito anteriormente, aun asumiendo una expansión considerable de la base de la observación, no permiten un control global de la actividad de las tormentas en toda la superficie de la Tierra. Además, ninguno de los procedimientos anteriores garantiza una eficiencia de detección de un 100% de descargas eléctricas en la atmósfera. Actualmente se estima que la eficacia de los procedimientos mencionados es entre un 60 y un 80 por ciento, dependiendo del procedimiento aplicado, y de los algoritmos de análisis de señal utilizados.

El documento de A. P. Nickolaenko e I. G. Kudintgseva, “A modifed technique to locate the sources of ELF transient events”, Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, Volumen 56, número 11, páginas 1493-1498, 1994, describe una técnica para localizar las fuentes de eventos ELF registrando una componente eléctrica vertical y dos magnéticas ortogonales del cambio calculando una FFT que emite espectros complejos, y finalmente proporcionando un procedimiento de cálculo que permite la determinación de la distancia al evento de descarga, así como el índice de atenuación que es una propiedad del resonador Tierra-ionosfera.

El documento de A.V. Shvets, "ELF Tomography of the World Thunderstorm Activity", Telecommunications and Radio Engineering, 55 (8) , páginas 43-51, 2001, describe tomografía ELF para reconstruir la distribución espacial de la actividad de las tormentas en el mundo. Para ello, proporciona diversos sitios de detección separados geográficamente y utiliza un análisis espectral del campo de resonancia de Schumann en cada sitio. Utiliza la dependencia de la ubicación (es decir, rango respecto a la actividad de las tormentas de los diferentes sitios) sobre la intensidad medida, lo que permite la determinación de la ubicación de la descarga.

El documento de A.V. Shvets, “A technique for reconstruction of global lightning distance profile from background Schumann resonance signal", Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 63 (2001) , páginas 1061-1074, 2001, describe la determinación de la posición de la descarga utilizando un modelo de cálculo basado en el análisis espectral del campo de resonancia de Schumann asimétrico.

Los documentos de Y. Ando, M. Hayakawa y AV Shvets, "Finite difference analyses of Schumann resonance and reconstruction of lightning distribution", Radio Science, volumen 40, RS2002, páginas 1-14, 2005, y de Y. Ando y M. Hayakawa “2-D Finite Difference Analyses of Schumann Resonance and Identification of Lightning Distribution”, IEEJ Trans. FM, volumen 124, número 12, páginas 1225-1231, 2004, también describe el uso de algoritmos de cálculo similares basándose en el campo de resonancia de Schumann en el dominio de frecuencias para determinar la posición de una descarga.

OBJETIVO DE LA INVENCIÓN

El propósito de la invención es un procedimiento y un aparato para el control global de la actividad de las tormentas en toda la superficie de la Tierra.

Descripción de la invención El procedimiento de control de la actividad de las tormentas de acuerdo con la presente invención se basa en un análisis de las señales electromagnéticas inducidas por descargas eléctricas en la atmósfera en células de tormenta, de manera similar a los procedimientos mencionados anteriormente. La idea de la invención es que se registran señales electromagnéticas de frecuencias extremadamente bajas (ELF) inducidas dentro del campo resonador Tierra-ionosfera, después se someten a un análisis espectral en base a modelos de propagación de resonancia relativos a campos de ELF en el resonador Tierra-ionosfera. A continuación, las características dependientes de la distancia entre la posición de las descargas eléctricas y las antenas, es decir, distancias de la fuente, e intensidad se separan y se comparan con los parámetros de la base de datos modelo. El conjunto mejor aproximado de parámetros de base identifica la posición y la intensidad de esas fuentes. El análisis puede realizarse en tiempo real, y sus resultados pueden mostrarse en forma de mapas de actividad de las tormentas.

Debido a las propiedades especiales de la propagación de la resonancia de onda dentro del campo de ELF un único dispositivo puede registrar señales procedentes de todas las descargas eléctricas en la atmósfera de la Tierra, y las señales registradas permiten una preparación explícita de mapas... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para controlar la actividad de las tormentas en la superficie de la Tierra en tiempo real con un análisis de señales electromagnéticas inducidas por descargas eléctricas en la atmósfera en células de tormenta, en el cual:

- se registran señales de campo electromagnético ELF generadas en un resonador Tierra-ionosfera (211) ,

- se someten dichas señales registradas a un análisis espectral (212) con la generación de sus espectros de energía (Sx, Sy) ,

caracterizado por el hecho de que el procedimiento comprende, además, las etapas de:

- corresponder los espectros de energía (Sx, Sy) con curvas de resonancia para parametrizar los espectros de energía (213) mediante un conjunto de parámetros de observación (pk, fk, Yk y ek) en base a modelos de propagación de resonancia de campo de ELF en el resonador Tierra-ionosfera,

- comparar los parámetros de observación (pk, fk, Yk y ek) dependientes de la distancia y la intensidad de las descargas eléctricas con parámetros de base (pok, fok, Yok y eok) contenidos en una base de datos de parámetros modelo (214) ,

- en el que los parámetros de base seleccionados como la mejor aproximación a los parámetros de observación (pk, fk, Yk y ek) dependientes de la distancia y la intensidad de las descargas eléctricas se utilizan para desarrollar un mapa (M (x, y) ) de posición e intensidad de las descargas eléctricas (216) .

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que las señales de campo eléctrico de ELF inducidas por las descargas eléctricas se registran en una zona de la Tierra que no tiene fuentes de campos eléctricos locales, mediante dos antenas de inducción magnética activas (Hx, Hy) , dispuestas horizontales y preferiblemente perpendiculares entre sí, y situadas sobre la superficie de la Tierra, o cerca bajo la superficie del suelo a lo largo de direcciones NS y EO y, a continuación, estas señales que han sido amplificadas, filtradas y procesadas a una frecuencia de muestreo de 180 Hz en señales de observación digitales (Ux, Uy) son transmitidas por radio a una unidad electrónica de procesamiento de datos como señales de campo electromagnético de ELF.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la base de datos de parámetros modelo se crea con el conocimiento de un modelo de propagación de ondas de ELF en la cavidad Tierra-ionosfera.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que los parámetros de base se seleccionan como la mejor aproximación a los parámetros de observación (pk, fk, Yk y ek) utilizando un procedimiento de minimización respecto a la desviación de los parámetros de observación (pk, fk, Yk y ek) de los parámetros de base (pok, fok, Yok y eok) .

5. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que cada uno de los espectros de potencia (Sx, Sy) se hace corresponder con curvas de resonancia expresada por la fórmula:

donde:

S (o) - espectro de energía correspondido a - parámetro que describe ruidos cromáticos de fondo b - parámetro que describe ruidos de fondo de banda ancha, a - índice espectral de ruidos cromáticos; w - ritmo (pulsación) ; Pk - valor de potencia máxima del pico de resonancia k-ésimo; ek - parámetro de asimetría del pico de resonancia k-ésimo; UJk - tasa de resonancia del pico de resonancia k-ésimo que es igual a 2 nfk; Fk - media anchura del pico de resonancia k-ésimo.

6. Aparato para controlar la actividad de las tormentas en la superficie de la Tierra en tiempo real, que comprende

- unas antenas, un bloque que registra señales de observación de ELF, un sistema de radiotransmisión y una unidad el electrónica de procesamiento de datos, en el que las antenas son dos antenas activas de inducción magnética (Hx, Hy) , situadas preferiblemente perpendiculares entre sí, preferiblemente a lo largo de la dirección NS y EO, y situadas sobre la superficie, o cerca bajo la superficie del suelo, caracterizado por el hecho de que

- las antenas están conectadas a través de cables protegidos al bloque que registra señales de observación (Hx, Hy) , y que contiene dos trayectorias de señales idénticas con amplificadores (Ax, Ay) , filtros (BPFx, BPFy) , convertidores analógico a digital (A/Cx, A/Cy) y un sistema de control (uP) cuyo reloj está sincronizado, a través del sistema receptor, con tiempo GPS,

- en el que la unidad electrónica de procesamiento de datos está adaptada para procesar

- un algoritmo que aplica un análisis espectral a las señales de observación de ELF para la generación de sus espectros de energía (Sx, Sy) (212)

- un algoritmo para hacer corresponder los espectros de energía (Sx, Sy) con curvas de resonancia para parametrizar los espectros de energía (213) mediante un conjunto de parámetros de observación (pk, fk, Yk y ek) , en base a modelos de propagación de resonancia de campo de ELF en el resonador Tierra-ionosfera,

-- un algoritmo para comparar los parámetros de observación (pk, fk, Yk y ek) dependientes de la distancia y la intensidad de las descargas eléctricas con parámetros de base (pok, fok, Yok y eok) contenidos en una base de datos de parámetros modelo (214) , en el que los parámetros de base seleccionados como la mejor aproximación a los parámetros de observación (pk, fk, Yk y ek) dependientes de la distancia y la intensidad de las descargas eléctricas se utilizan para desarrollar un mapa (M (x, y) ) de la posición y la intensidad de las descargas eléctricas (216) .

7. Aparato según la reivindicación 6, caracterizado por el hecho de que el bloque que registra señales de observación está conectado a la antena de transmisión que transmite datos procesados en el convertidor analógico a digital, mientras que la unidad de recuento está conectada a la antena de recepción que comunica con la antena de transmisión conectada al bloque que registra señales de observación.

REFERENCIAS CITADAS EN LA DESCRIPCIÓN

Esta lista de referencias citadas por el solicitante es únicamente para la comodidad del lector. No forma parte del documento de la patente europea. A pesar del cuidado tenido en la recopilación de las referencias, no se pueden excluir errores u omisiones y la EPO niega toda responsabilidad en este sentido.

Literatura diferente de patentes citada en la descripción · Studies of ELF propagation in the spherical shell cavity using a field decomposition method based on asymmetr y of Schumann resonance curves. Journal of Geophysical Research, 2006, vol. 111, A10304

· A.P. NICKOLAENKO; I.G. KUDINTSEVA. A modi- fied technique to locate the sources of ELF transient events. Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, 1994, vol. 56 (11) , 1493-1498

· A.V. SHVETS. ELF Tomography of the World Thunderstorm Activity. Telecommunications and Radio Engineering, 2001, vol. 55 (8) .

4. 51

· A.V. SHVETS. A technique for reconstruction of global lightning distance profile from background Schumann resonance signal. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2001, vol. 63, 1061-1074 · Y. ANDO; M. HAYAKAWA; A.V. SHVETS. Finite difference analyses of Schumann resonance and reconstruction of lightning distribution. Radio Science, 2005, vol. 40, 1-14

· Y. ANDO; M. HAYAKAWA. 2-D Finite Difference Analyses of Schumann Resonance and Identification of Lightning Distribution. IEEJ Trans. FM, 2004, vol. 124 (12) , 1225-1231

· Studies of ELF propagation in the spherical shell cavity using a field decomposition method based on asymmetr y of Schumann resonance curves. Journal of Geophysical Research, 2006, vol. 111