Transcript Propriétés des éclairs déduites de leur détection dans le

Propriétés des éclairs déduites de leur
détection dans le domaine radio
Eric Defer (1), Philippe Lalande (2), Magalie Buguet (2), Patrice Blanchet (2),
Pierre Laroche (2), Sylvain Coquillat (3), Jean-Pierre Pinty (3)
(1) LERMA - CNRS / Observatoire de Paris (France)
(2) ONERA-DMPH (France)
(3) LA - CNRS / OMP (France)
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Plan
• Distribution globale des éclairs
• Les processus d’électrisation et l’occurrence des éclairs
• Dynamique, microphysique, électrisation, éclairs
• Comment détecter et caractériser les éclairs?
• Rayonnement radio des éclairs
• La campagne SOP1 d’HyMeX
• Exemples d’éclairs
• Exemples d’activité électrique
• Propriétés macroscopiques des éclairs
• Détection des avions commerciaux
• SAETTA
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Distribution globale des éclairs
• Climatologie issue des capteurs optiques OTD et LIS (à 777 nm) de la
NASA : 45 éclairs par sec sur la Terre
> Activité plus prononcée au dessus des continents
> Existence de cycles saisonniers et diurnes
flash km-2 yr-1
tropicale
polaire
Distribution annuelle des éclairs reconstruite à partir des données optiques spatiales (Christian et al., 2003)
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Electrisation, champ électrique, éclairs
• Processus d’électrisation (ECHELLE LOCALE)
> Echange de charges électriques lors de collisions entre
hydrométéores glacées en présence d’eau surfondue (quantité et
polarité dépendent des tailles des hydrométéores, T, dV, LWC)
> Ions
> Charges électriques portées par les hydrométéores
• Transport des hydrométéores chargés (ECHELLE NUAGE)
> Dépendance de la microphysique et de la dynamique
• Champ électrique
> Gauss Div(E)=q/
high-altitude negative
charge region
• Relaxation du stress électrique
par les éclairs intra-nuage (~85%)
et nuage-sol (~15%)
high-altitude positive
charge region
-25ºC
main negative
charge region
-25ºC
0ºC
0ºC
updraft
(from Stolzenburg et al., 1998)
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low positive charge region
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Dynamique, microphysique, électrisation, éclairs
HyLMA + Euclid + Radar
HyMex SOP1-IOP6 case
• Forts liens entre la dynamique au cœur de l’orage, la
microphysique glacée, les processus d’électrisation et
l’occurrence des éclairs
ATDnet + METEOSAT 7 IR.
(11 Jan. 2004 13 UTC)
Isolated storm (27 June 1996, STERAO-A, Colorado, USA)
From Defer et al (2000)
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From Bousquet et al (2014)
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Comment détecter et caractériser les éclairs?
Platform
Technique
G
A
S
Examples of past/present
sensors/networks
Optical
detection
X
X
X
NASA-OTD (777 nm, (s)),
NASA-LIS (777 nm, (s)),
Forté (777 nm, (s))
NOAA-GLM, EUMETSAT-LI,
TARANIS-MCP
Electrostatic
field detection
X
X
-
KSC field mill network (l),
balloons (l), airborne field mills
RF detection
(VLF, LF, UHF,
VHF)
X
-
X
WWLLN (w), ATDnet (c),
ZEUS (c), NLDN (c), EUCLID
(c), LINET (c)
LMA (l), SAFIR (n),
LANL-GPS (s), Forté (s)
Acoustics
X
-
-
NMT network (l),
CEA network (l)
Triggeredlightning
X
-
-
Gaisberg Tower (Austria, (l))
Comments
Scattering in space and broadening in
time due to cloud hydrometeors
Relative short distance range
Location by Time-of-Arrival or/and
Direction-Finding technique with multiple
receiver networks with different
baselines
Location by Time-of-Arrival technique
Instrumented towers, trigger fields
G=ground-based; A=air-based; S=space-based
(w) : worlwide; (c) : continent-wide; (l) : local: (n) : national; (s) : space-based
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Rayonnement radio des éclairs
• Nature de la propagation de la décharge et des micro claquages induit
un rayonnement impulsionnel du rayonnement VHF
• Composantes continues difficilement détectables
(d’après L’Helgouach, ONERA)
(d’après Defer et al., 2000)
• Localisation par technique de temps d’arrivée ou par goniométrie
> Propagation sur des distances différentes selon la gamme RF
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La Campagne SOP1 d’HyMeX (1/2)
INR
EFM
SLA
LMA
MLL
MBA/MPA
34 elements deployed over the SOP1 domain
+ Operational LLSs (ATDnet, EUCLID, LINET, ZEUS)
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La Campagne SOP1 d’HyMeX (2/2)
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Eclair intra-nuage (24/09/2012 02:02:32)
• Durée : 800 ms ; altitude entre 4 et 12 km ; cellule convective mature
• Amplitude du signal VHF (60 MHz) différente selon l’altitude selon la
polarité de la décharge
+++
---0
Elapsed time (s)
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3
6
(Defer et al., 2014, soumis à AMT)
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Eclair intra-nuage (24/09/2012 02:02:32)
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Eclair nuage-sol (24/09/2012 01:43:17)
• Durée : 1 s ; altitude : entre 0 et 5 km ; 9 connections au sol
• Détection et localisation des connections au sol via rayonnement VLF
#1
#2
1
2
3
#4
4
5
6
7
8
#6
9
0
Elapsed time (s)
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7
14
(Defer et al., 2014, soumis à AMT)
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Eclair atypique (05/09/2012 17:51:20)
• Durée : 600 ms ; altitude entre 0 et 11 km ; commence comme un intranuage et se connecte par deux fois au sol
• Détection de certaines composantes intra-nuage par VLF
0
Elapsed time (s)
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5.5
11
(Defer et al., 2014, soumis à AMT)
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Eclair atypique (30/08/2012 04:35:00)
• Durée : 6 s ; altitude entre 4 et 11 km ; extension horizontale > 120 km
• Propagation dans la zone stratiforme d’un complexe orageux durant la
dissipation
• Sans la détection VHF, il est difficile d’associer les données VLF entre
elles
0
>1
20
k
Elapsed time (s)
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4
8
m
(Defer et al., 2014, soumis à AMT)
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Orage du 05 Septembre 2012 (HyMeX SOP1)
• Orage isolé (1,5 h)
• 20 éclairs / 5 min au max
(a)
10%
init.
90%
(b)
(c)
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Orage du 30 Août 2012 (HyMeX)
• Front convectif
• Activité électrique intense
• Début de dissipation en fin de
période (éclairs atteignant des
altitudes moins hautes)
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Orage du 24 Septembre 2012 (HyMeX SOP1)
• Système multi-cellulaire ; différents régimes de convection
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Tornade du 14 0ctobre 2012 (HyMeX)
• Propriétés des éclairs différentes durant CS2
• Eclairs de courte durée durant CS1 (étude en cours)
(a)
CS1
(b)
10%
init.
beginning of CS2
CS2
(b)
90%
end of CS2
(c)
(c)
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Propriétés des éclairs
• Durée des éclairs : de quelques centaines de
microsecondes à 2-3 secondes
27 juin 96 (111 éclairs)
• Eclairs ne sont pas des phénomènes continus
> e.g. « duty cycle » < 20% pour éclairs
nuage-sol de polarité négative
9 juillet 96
(1531 éclairs)
10 juillet 96 (5428 éclairs)
0.1
10
1000
Durée de l’éclair (ms)
(d’après Defer, 1999)
(d’après Defer et al, 2000)
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Bruit Environnant (tests durant HyMeX)
• Bruit local dû à des équipements électriques
• Emission d’un signal anthropique
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Détection des avions (1/3)
Airtracks during 24h (26/10/2012)
(color indicates the strength of the VHF signal)
commercial aircrafts
Detection of aircrafts in electrified cloud during
26/10/2012 HyMeX.
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Détection des avions (2/3)
Infrared MSG image @ 12:00 UT
Reflectivity radar @ 5 km height @ 12:15 UT
During the actual scan period
Altitude between 5 and 5.5 km
During the full 15-min scan period
All airtracks
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Détection des avions (3/3)
• Pas de détection du Falcon F20
Commercial
aircraft
F20
F20
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CORSiCA
http://www2.obs-mip.fr/corsica
Projet financé par l’Union européenne.
L’Europe s’engage en Corse avec le Fonds
Européen de Développement Régional
SAETTA : Suivi de l’Activité Electrique
Tridimensionnelle Totale de l’Atmosphère
Pigno
Déploiement : Mai 2014 en Corse
Technologie : LMA
Durée minimale d’exploitation : 5 ans
Couverture : 150 km autour de la Corse
Biguglia
Revellata
Battaglia
Pinerole
Poggio di
Venaco
Piana
Sevi
En test actuellement
Intérêt pour des études multi-disciplinaires
Aléria
Scalella
Ajaccio
Sanguinaires
Coscione
Pinarellu
Foce di
Bilia
Pertusato
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En résumé
• Les éclairs ne sont pas des phénomènes continus
• Encore beaucoup d’études nécessaires pour comprendre tous les
phénomènes impliqués (e.g. déclenchement, propagation sur de longue
distance)
> Interaction avec d’autres équipes/instruments
• Apport de la détection de l’activité électrique pour le suivi des orages en
opérationnel
• De nouvelles missions spatiales
> TARANIS
> MTG-LI, GOES-GLM
GOES/W-GLM
MTG-LI
GOES/E-GLM
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