Autor: Francisco Martín León,  meteorólogo Palabras clave: Rayo, descargas, red de detección global, esféricas, VLF Un tifón, huracán o borrasca extratropical situada en latitudes lejanas y sobre zonas marítimas puede estar generando rayos pero ¿cómo podríamos saberlo? Una red mundial de detectores de descargas eléctricas es una posible solución

Resumen

Disponer de información global de descargas eléctricas terrestres generadas en nubes convectivas es un elemento importante en la vigilancia atmosférica y para ciertos usuarios específicos como son los de tipo aeronáutico, marítimo, deportivo etc. Una de las redes globales basadas en sensores en tierra es la WWLLN (World Wide Lightning Location Network). Analizamos las prestaciones que se dan en Internet.

1. Introducción

Una de las manifestaciones más llamativas de las tormentas son las descargas eléctricas generadas de nube a tierra, o rayo, o las que genera entre nube y nube. Cuando se genera una chispa atmosférica se tiene una potentísima fuente emisora energética de ondas electromagnéticas a diferentes frecuencias. Estas ondas se propagan en la baja atmósfera y algunas llegan a reflejarse en la ionosfera viajando a grandes distancias. Existen antenas y sensores que ubicados en tierra o en satélites que permiten detectar la presencia de dichas emisiones casi instantáneamente. De esta forma aparecen las redes de detección de descargas eléctricas terrestres que pueden ser globales, supranacionales, nacionales, regionales y locales.  Las primeras cubren todo o casi todo el globo  y las últimas poseen una  cobertura espacial mucho menor. Además de estas redes de detección están las conformadas por una sola antena y que básicamente informa de la existencia o no de descargas próxima a la antena receptora y con unos errores de posicionamiento relativamente grandes.

Normalmente las redes globales poseen una baja resolución espacial, con errores de posicionamiento relativamente grandes comparadas con las redes regionales o nacionales. Además, su eficiencia de detección es baja (porcentaje de rayos o descargas detectadas respecto a las reales) si la comparamos con las de las redes nacionales.

Nuevamente las redes locales poseen una eficiencia de detección mucho mayor que las globales. Por eso no es de extrañar que al compara los datos de diferentes redes podamos observar posicionamientos y número de descargas diferentes. Además de todo ello, las redes de detección de descargas suelen trabajar con longitudes de ondas diferentes aprovechando las ventajas de unas u otras longitudes de onda o de frecuencias.

El centro LF*EM, Low Frequency Electromagnetic Research Ltd, de Nueva Zelanda y la Universidad de Washington en Seattle están operando con una red de sensores de la localización de descargas en el rango de frecuencias  VLF (3-30 kHz), de muy baja frecuencia. La mayoría de las observaciones terrestres en la banda VLF están dominadas por señales impulsivas del  la descarga llamadas esféricas o "sferics" en inglés. La energía electromagnética irradiada por una descarga en una tormenta va desde  algunos hertzios a vario cientos de megahertzios, con un máximo de la energía irradiada en la banda de VLF. Con esta red de sensores de detección de “sferics”  producen mapas regulares de la actividad de descargas sobre toda la tierra.

La palabra “sferics” proviene de la palabra inglesa "atmospherics" en su versión corta y levemente modificada. Las esféricas o “sferics” son señales impulsivas emitidas por las descargas eléctricas terrestres. El rango de frecuencias de emisión de las descargas va desde  unos pocos hertz a millones de hertz. Parte de este rango puede ser oído por el ser humano: es el rango audible  y se sitúa entorno a los  15 mil hertz (15 kHz). Las señales de las “sferics”  están dentro de los rangos de radio señales de VLF emitidas por las descargas. Estas señales son conducidas desde el receptor a los sensores por un conducto atmosférico limitado por la superficie de la tierra y las capas de la ionosfera que reflejan las señales como una especia de guías de ondas. Este hecho permite detectar estas descargas a grandes distancias con sensores y antenas muy separados entre sí que analizan la señal y triangulan de forma apropiada los impulsos que les llegan desde la fuente emisora tormentosa.

Figura 1. Mapa mundial de WWLLN donde se muestran la localización de los sensores, estrellas rojas dentro de circunferencias blancas y descargas detectadas 40 minutos antes de la hora nominal UTC que aparece en la parte superior para el día 2 de mayo de 2007. Fuente WWLLN.

2. - La actividad de descargas de la Tierra

La página  y el lugar que os proponemos visitar es la World Wide Lightning Location Network, o simplemente WWLLN, y está en:

http://webflash.ess.washington.edu/

En la figura 1, las posiciones de las descargas globales de la Tierra se muestran como puntos coloreados: de azul para los más recientes (ocurridos en el plazo de los 10 minutos pasados), verde y amarillo al rojo para los más viejo (30-40 minutos anteriores). Los asteriscos rojos en los círculos blancos son las localizaciones de los sensores activos de la red WWLL. La línea blanca sinusoidal marca el límite del día-noche, con la zona de día del globo en gris. En  otros mapas regionales se sobrepone los rayos y las estaciones receptoras con las imágenes de satélites  infrarrojas constituidas por mosaicos de diversos satélites meteorológicos.

Robert Holzworth de la Universidad de Washington y  Richard L Dowden y asociados en el centro de Low Frequency Electromagnetic Research Ltd (LF*EM) producen estos datos y mapas  en cooperación  con otras universidades e instituciones que están listadas más abajo y que poseen sensores apropiados.En la fecha de generación de este artículo se disponían de 25 sensores activos trabajando en la banda VLF para detectar descargas.

Eran estos:

 

Dunedin	University of Otago/Te Whare W?nanga o Ot?go (New Zealand)
Darwin	Charles Darwin University (Australia)
Brisbane	Griffith University, Brisbane
Perth	Murdoch University, Perth
Singapore	National University of Singapore
?saka	?saka University
Moscow	Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radiowave Propagation (ISMIRAN)
Budapest	Eotvos Lorand University
Seattle	University of Washington
Boston	Massachusetts Institute of Technology
Durban	University of KwaZulu-Natal (South Africa)
Sao Paulo	INPE (Brazilian National Institute for Space Research)
Suva	University of the South Pacific (Fiji)
Los Alamos	Los Alamos National Laboratory
Mexico	Universidad Nacional Autonoma de Mexico
Tahiti	Universite de la Polynesie Francaise
Tel Aviv	Tel Aviv University
Sheffield	University of Sheffield
Lisbon	Portugal Meteorological Institute
Trivandrum	Centre for Earth Science Studies (India)
Huancayo	Instituto Geofisico del Peru
Puerto Rico	University of Puerto Rico, Mayaguez
Cordoba	Universidad Nacional de Cordoba (Argentina)
Finland	Sodankylä Geophysical Observatorya, Sodankylä, Finland
Honolulu	University of Hawaii at Manoa
Rothera	British Antarctic Survey
Lanzhou	Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Insitute, Chinese Academy of Sciences
Ascension Is.	British Geological Survey and BAS
Kingston and Davis	Australian Antarctic Division
Hermanus	Hermanus Magnetic Observatory and University of KwaZulu-Natal (South Africa)

3. – Cómo trabaja la red

Desde el consorcio de WWNNL se da la bienvenida a las ofertas para añadir un nuevo sensor a la red WWLLN  y ser sumado a la lista arriba. Todos los anfitriones reciben todos los datos mundiales para su propia investigación en un CD mensualmente. Por el contrario, cada anfitrión proporciona su ordenador o computador y resuelve cualquier costo local como energía, Internet, y mantenimiento. Lógicamente un sensor en su propia zona no va a dar datos de la localización de los relámpagos sobre área. Solamente la red puede hacer esto con cierta precisión y garantía.

Cada localización de una descarga requiere el tiempo o momento de llegada del grupo (TOGA, time of group arrival) de al menos de 4 sensores de la red WWLLN. Estos sensores pueden estar a varios miles de kilómetros de distancia de la descarga. Hay  que hacer notar que los sensores muy cercanos a la descarga son casi inútiles a la hora de usarlos para su localización. La agrupación geográfica de los sensores es importante: la localización de la descarga se establece más exactamente  cuando los sensores están lejos de ella que por aquellos que están más cerca. Un espaciamiento uniforme de sensores alrededor de la tierra es claramente el ideal. Puesto que la tierra es  redonda, no hay bordes: cada descarga está rodeada por sensores, pero no necesariamente por los sensores que lo detectan.

Figura 2. Descripción esquemática  y conceptual del seguimiento de la actividad tormentosa a nivel global. Diferentes antenas situadas a grandes distancias detectan las señales de las esféricas. Un concentrador de datos los analiza y, por triangulación, señala la mejor posición de cada tormenta.

A fecha de 2004, solamente cerca de 50% de las descargas detectadas por un sensor son detectadas 4 o más sensores. Estas descargas son probablemente las más intensas.

Cubrir el mundo entero por los sensores espaciados uniformemente, con  cerca de 1000 kilómetros de separación requeriría groseramente 500 sensores. Si estuvieran espaciados 3000 kilómetros de separación, necesitaríamos "solamente" alrededor 50 sensores. Tenemos ya sobre mitad de este número: principalmente en los países desarrollados pero no lo bastantes en los países menos desarrollados, muchos de los cuales son en las zonas tropicales donde es más frecuente las descargas.

Figura 3. En la página principal de este portal es posible encontrar la actividad tormentosa a gran escala superpuesta sobre las imágenes infrarrojas mosaico de los satélites meteorológicos para conseguir una mayor efectividad  a la hora de interpretar las posiciones de los rayos, en azul. Fuente WWNNL.

Cualquier persona o institución interesada en convertirse en un anfitrión de una nueva estación de recepción de “sferic” de la red WWLLN  en las frecuencias VLF puede visitar la página web de la red  y bajarse un manual. Si usted puede proporcionar el hardware requerido, mostrado en un documento de la  página web, posee la conexión de Internet,  entonces el consorcio le enviará los datos globales de las descargas  por el tiempo que su estación esté en funcionamiento y que envíe los datos de “sferic” a la red.

a)

b)

Figura 4. El usuario puede seleccionar diversas zonas del mundo para analizar con detalle los rayos detectados 60 minutos antes que la hora nominal del mapa: a) para Europa y b) para América. Fuente WWNNL.

Algunos datos y características de la red

Entre 25 y 26 estaciones detectoras de esféricas componen la red WWLLN. Ver el mapa de la red en tiempo real para su ubicación
El rango de frecuencias para las “sferics” va desde los 0 a los 24 kHz
La exactitud de la red se sitúa entre los 10  y  15 Km.
La exactitud temporal es del orden  de los 30 microsegundos
La red detecta tanto los rayos o descargas nube tierra como los nube-nube.
El umbral de detección. Según estudios realizados en EEUU, Brasil y Nueva Zelanda la red detecta entre el 5 y  el 10% de todas las descargas con corrientes de pico mayores de 45 kiloamperios, aproximadamente.

WWLLN  opera gracias a la venta de sus datos  y no está soportada por ayudas gubernamentales.

Los datos  históricos de WWLLN están disponibles para su compra desde agosto de 2003. También están disponibles en tiempo real en Internet con una cadencia de 10 minutos.

4.- Conclusiones

Los aficionados a la meteorología disponen hoy en día de diversas fuentes de información de descargas eléctricas provenientes de las tormentas. Desde las redes formadas por una sola antena de uso básico a los detectores de descargas ubicados en satélites, pasando por las redes nacionales y supranacionales. En este reportaje hemos presentado una red mundial de detección de descargas  eléctricas en unas determinadas frecuencias. La eficiencia de detección  y los errores de posicionamiento de la  red mundial WWLLN son peores que otras más locales donde se necesitan mayor resolución espacio –  temporal de los datos. Con todas sus limitaciones, creemos que es una fuente importante de información para todos los enamorados del tiempo y sus manifestaciones eléctricas.

La página que os proporcionamos ofrece mucha más información y otros tipos de datos. Los dejamos para otra oportunidad.

Bibliografía

Tomadas de la  bibliografía de la página WWLLN

Cuando se llamaba  la red ‘TOGA’:

- VLF lightning location by time of group arrival (TOGA) at multiple sites Dowden, R.L. (LF-EM Res. Ltd., Dunedin, New Zealand); Brundell, J.B.; Rodger, C.J. Source: Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, v 64, n 7, May 2002, p 817-30 PDF of text (0.6MB)

Cuando llegó a ser WWLLN:

- WWLL global lightning detection system: Regional validation study in Brazil Lay, E.H. (Dept. of Earth & Space Sci., Washington Univ., Seattle, WA, USA); Holzworth, R.H.; Rodger, C.J.; Thomas, J.N.; Pinto, O., Jr.; Dowden, R.L. Source: Geophysical Research Letters, v 31, n 3, 16 Feb. 2004, p 5 pp. PDF of text (2.7 MB)

- Rodger, C. J., J. B. Brundell, R. L. Dowden, and N. R. Thomson, 2004: Location accuracy of long distance VLF lightning location network. Ann. Geophys., 22, 747-758. PDF of text (4.7 MB)

- Balloon observations of temporal variation in the global circuit compared to global lightning activity, Holzworth, R.H. (Earth & Space Sci., Univ. of Washington, Seattle, WA, USA); Bering, E.A., III; Kokorowski, M.F.; Lay, E.H.; Reddell, B.; Kadokura, A.; Yamagishi, H.; Sato, N.; Ejiri, M.; Hirosawa, H.; Yamagami, T.; Torii, S.; Tohyama, F.; Nakagawa, M.; Okada, T.; Dowden, R.L. Source: Advances in Space Research, v 36, n 11, 2005, p 2223-8 PDF of text (0.3MB)

- Rodger, C. J., J. B. Brundell, and R. L. Dowden, 2005: Location accuracy of VLF World Wide Lightning Location (WWLL) network: Post-algorithm upgrade. Ann. Geophys., 23, 277-290. PDF of text (4.9 MB)

- Yair, Y., C. Price, B. Ziv, P. L. Israelevich, D. D. Sentman, F. T. Sao-Sabbas, A. D. Devir, M. Sato, C. J. Rodger, M. Moalem, E. Greenberg, and O. Yaron, Space Shuttle observation of an unusual transient atmospheric emission, Geophys. Res. Lett., 32(2), 10.1029/2004GL021551, 2005. PDF of text (0.3 MB)

- Collier, A. B., A. R. W. Hughes, J. Lichtenberger, and P. Steinbach, Seasonal and diurnal variation of lightning activity over southern Africa and correlation with European whistler observations, Annales Geophysicae, 24, 529 - 542, 2006. PDF of text (1.7 MB)

- Performance assessment of the World Wide Lightning Location Network (WWLLN), using the Los Alamos Sferic Array (LASA) array as ground-truth, Abram R. Jacobson Robert H. Holzworth Jeremiah Harlin Richard L. Dowden Erin H. Lay, (Journal of Atmospheric and Oceanic Technology (AMS), V.23, pp. 1082-92, (August 2006). PDF of text (1.0 MB)

- Local Time Variation in Land/Ocean Lightning Count Rates as Measured by the World Wide Lightning Location Network, Erin H. Lay, Abram R. Jacobson, Robert H. Holzworth, Craig J. Rodger, Richard L. Dowden, for J. Geophys. Res. (submitted) 2006

- Detection efficiency of the VLF World-Wide Lightning Location Network (WWLLN): Initial case study, Craig J. Rodger, Simon Werner, James B. Brundell, Erin H. Lay, Neil R. Thomson, Robert H. Holzworth, Richard L. Dowden (submitted) Annales Geophysicae, 2006

- A Very Active Sprite-Producing Storm Observed Over Argentina, J. N. Thomas et al, EOS, Transactions, American Geophysical Union, Vol. 88, No. 10, 6 March 2007, pp. 117-128.

AGRADECIMIENTOS

A Bob Holzworth por permitir a la RAM disponer de los datos y figuras de Internet. Todo el credito del trabajo es para WWLLN (World Wide Lightning Location Network) la red global de estaciones y antenas que detectan radiación de muy baja frecuencia, VLF (Very Low Frequency), proveniente de las descargas.  Dr. R. L. Dowden (LF*EM Research, Nueva Zelanda) y Prof. Robert Holzworth (Univ. de Washington, Seattle) gestionan la red:

http://webflash.ess.washington.edu/

Las páginas web son públicas y se venden los datos archivados en DVD al precio de $500/año para todo el globo (2004, 2005 y 2006). Ver más información en dichas páginas.