LINET

A LINET (Lightning Network) é uma rede de detecção de raios desenvolvida inicialmente na Universidade de Munique Ludwig-Maximilians nos anos 1980. Ela é capaz de detectar a localização do raio tridimensionalmente (com latitude, longitude e altura) com uma grande precisão espacial e temporal, além de diferenciar entre um raio nuvem-solo de um intra-nuvem. Com participação decisiva de instituições como o Centro Aeroespacial Alemão (DLR) em seu desenvolvimento, atualmente é um dos produtos da empresa alemã nowcast GmbH.

Esquema de eletrificação de nuvens. Fonte: Enciclopédia Britânica.

Esquema de eletrificação de nuvens. Fonte: Enciclopédia Britânica.

O raio é uma descarga elétrica de grande intensidade que ocorre na atmosfera, entre regiões eletricamente carregadas, e pode dar-se tanto no interior de uma nuvem, como entre nuvens ou entre nuvem e terra. Embora sejam mais frequentes intra-nuvens e inter-nuvens, as descargas diretamente no solo, a transferirem elétrons de nuvem para a terra (ou o contrário, conforme as polarizações mútuas) geralmente são objeto de maior interesse, devido a danos materiais e risco de morte.

Conhecer a altura dos raios intra-nuvem também pode ser muito útil. Se a altura média de uma célula aumentar significativamente, pode-se assumir que há uma área fortemente convectiva, com granizo e fortes chuvas além das descargas atmosféricas. É um sinal claro de perigo para serviços de meteorologia, aviação, instalações industriais, organizadores de eventos o ar livre (como shows em parques), administradores de oleodutos, linhas de transmissão elétrica ou parques geradores de energia eólica, que podem iniciar as medidas necessárias a tempo graças a essa informação.

“Flash” é uma definição utilizada para caracterizar um evento de relâmpago formado pelo líder escalonado, descarga de retorno e descargas sub-sequentes (“dart-leader”). Em geral um “flash” pode ter várias multiplicidades (uma descarga de retorno e várias descargas sub-sequentes).

No planeta, a frequência de raios é de aproximadamente 40-50 vezes por segundo ou quase 1,4 bilhão de “flashes” por ano. Cada um tem duração média de 0,2 segundo, em uma série de flashes muito mais curtos (strokes) de cerca de 30 microssegundos. Ocorre com intensa emissão de radiação eletromagnética em diferentes frequências, inclusive as do visível.

Na faixa de frequências de VLF (3-30 kHz), as descargas atmosféricas emitem um ruído ou estática conhecido como “sferics”. Este ruído pode se propagar por milhares de quilômetros entre o guia de onda formado pela ionosfera e a superfície terrestre. O guia de ondas é dispersivo, o que significa que a sua velocidade de grupo depende da frequência. A diferença do atraso de impulso de um relâmpago em frequências adjacentes tempo é proporcional à distância entre o transmissor e o receptor. Juntamente com métodos de localização, isso permite localizar relâmpagos até distâncias de 10000 km a partir de sua origem.

A distinção do tipo de raio é feita baseada no tempo de chegada do sinal emitido pela descarga (TOA – Time of Arrival). No caso de uma descarga nuvem-solo, a emissão de VLF/LF provém de regiões próximas ao nível do solo. Já descargas intra-nuvens emitem de regiões dentro da nuvem.

Tecnologia

O sistema LINET é composto por dois módulos: os sensores de raios com um computador próprio e um servidor central. Os sensores de raios, que consistem em uma antena de campo eletromagnético, um receptor GPS e um processador de campo, são montados na área a ser monitorada com um raio de alcance de 200 a 250 km. O processador (computador Linux com placas e drivers específicos para processamento de sinal obtido) necessita uma fonte de energia, podendo ser um UPS ligado à rede elétrica. Também é altamente recomendável uma conexão de internet suficientemente rápida e estável para permitir o envio de dados ao servidor central. Desse modo, é possível realizar a localização dos raios compranado as medidas obtidas com os sensores de toda a rede e disponibilizar o produto final praticamente em tempo real (menos de 1 minuto). Os arquivos estão em formato XML ou formato de texto e podem ser transmitidos através de protocolos (S)FTP e HTTPS.

O campo eletromagnético é um fenômeno que envolve o campo elétrico e o campo magnético variando no tempo, inerente à existência da carga elétrica. Uma de suas consequências é a onda eletromagnética, portadora de energia e pode interagir com corpos que se encontram em sua trajetória, transferindo essa energia. Quando os campos elétrico e magnético são oscilantes e perpendiculares entre si e à direção da propagação da onda, são consideradas ondas transversais. Assim, para conhecer a direção de onde vem o sinal do raio, a antena é formada de dois anéis de cobre com 40 cm de diâmetro entrelaçados e dispostos com um ângulo de 90 graus entre si.

Foto de antena detectora de campo eletromagnético e antena GPS. Foto: ViniRoger

A antena passiva mede o campo magnético diretamente para produzir um sinal de saída forte (com baixo amortecimento) e, assim, minimizar a relação sinal-ruído. Mesmo os sinais mais fracos pode ser confiavelmente detectados e usados para fins de localização. Valores mais fracos de campo elétrico geralmente estão relacionados a relâmpagos intra-nuvem, importantes para definir a força e a fase de desenvolvimento da tempestade, ou mesmo raios nuvem-solo de menor magnitude, que também podem causar danos. A frequência de detecção está entre 5 e 150 kHZ.

A probabilidade de detecção é fornecido utilizando as forças da corrente de relâmpagos detectados (Ampere), mas não em valores percentuais, como é a prática padrão, já que o número total de raios ocorridos de fato não é conhecido. Podem ser detectados relâmpago na faixa de baixa frequência, mas também localizadas fracas descargas atmosféricas (“leader steps”) na faixa de alta frequência.

Em uma rede de medição LINET regular, o desvio médio no cálculo da posição da descarga de relâmpago é inferior a 150 m – os dados com erros de localização maiores são quase todos excluídos. Independentemente do fato de que cada descarga de relâmpago também apresenta uma certa expansão, no que diz respeito a strokes nuvem-solo, o ponto da descarga de retorno é medida, que está situado aproximadamente a 100 metros acima do solo.

Raios intra-nuvem ocorrem quando há um número suficiente de centros de carga com polaridade oposta dentro de uma nuvem de tempestade. Como consequência, a radiação recebida pela antena é emitida a partir de uma área que está localizada vários quilômetros acima do solo, na nuvem. Assim, o atraso de propagação de sinal de strokes intra-nuvem a partir do ponto de emissão de dentro da nuvem para a antena é estendido. Já um stroke nuvem-solo descarrega muito perto do chão dada a mesma posição 2D, atingindo a antena mais rapidamente. Embora a diferença no atraso de propagação do sinal seja pequena, mesmo assim pode ser confiavelmente detectada e registrada.

A distinção entre raios nuvem-solo e intra-nuvem não é realizada no sensor individual, mas no centro de processamento de dados. Ele coleta as informações dos sensores individuais e reconhece certas “características de grupo”. Neste conjunto, um método 3D recém-desenvolvido e altamente eficiente (patenteado) é implantado, que determina também a altura dos strokes intra-nuvem. Métodos alternativos para a discriminação entre os tipos de stroke são baseadas na análise de formas de sinal e dependem da altura e da polaridade do sinal.

O computador possui placas para processar o sinal recebido via cabos de 30 metros ligados no sensor e no GPS. Liga-se utilizando conector do tipo BNC (Bayonet Neill Concelman), típica em cabos coaxiais (RG-58 e RG-59) para aplicações de RF que necessitam de um conector rápido, de impedância constante.

Cuidados na instalação

A rede elétrica pode contaminar o sinal utilizado para medir os raios, como quando não aterrada corretamente, utilização de motores em equipamentos da rede, etc – mesmo objetos presos na rede elétrica de alta tensão, como linhas de papagaio, podem produzir o chamado “efeito corona”, ou seja, a propagação de energia para o ar devido a uma superfície pontiaguda presa à linha de energia.

A proximidade de linhas de alta tensão (em menos de 200 metros), transformadores de energia (a menos de 5 metros), lâmpadas de descarga em meio gasoso como vapor de sódio (a menos de 10 metros) e rádios de comunicação geralmente emitem ondas eletromagnéticas em frequências próximas às dos raios, causando ruído e dificultando (ou mesmo impossibilitando) a análise com qualidade. O computador consome em torno de 50 W.

Ainda com relação à escolha do lugar de instalação, deve ter céu desobstruído acima do sensor, para o funcionamento da antena GPS, e sem obstáculos altos perto (maiores que 25° de elevação). Pode ser o topo de um prédio, grade, muro ou chão, mas nesse caso deve-se fixar a antena em uma torre de dois metros de altura e estaiá-la.

Para um cálculo preciso dos dados do relâmpago – incluindo a altura de strokes intra-nuvem – é bom ter uma rede de pelo menos seis sensores (três pares) de raios com uns 200 km de distância entre cada um. Essa distância é utilizada porque a radiação de alta-frequência diminui rapidamente na atmosfera.

Como mede o campo magnético, um dos anéis da antena deve ficar alinhado com o norte magnético, que pode ser descoberto através de uma bússola. A antena não precisa de calibração, e foi construída para manter-se sem manutenção por décadas. Pequenas deformidades nos anéis não afetam medidas, já que as ondas eletromagnéticas de interesse que interagem com elas são de comprimento grande.

Existe a necessidade de editar o arquivo “sferlin.ini” para personalizar a estação instalada. Para testar a aquisição e registro de dados, executar os comandos “sferlin status” e verificar os arquivos nas pastas “/export/data” e “/export/data/transfer_archive”. A comunicação do computador com o servidor de processamento dos dados na Alemanha pode ser testado através do comando “telnet” para um determinado IP na porta 80 e uma tentativa de acesso via “ssh” na porta 22.

Para fixar a antena, existem basicamente duas opções:

  • Usar um poste com controle de altura, ajustado através de chave allen e parafusos embutidos, que deverá ser estaiado no chão através de três cabos de aço com ajustes (fixar com barras de ferro retorcidas na ponta se for terra ou furar o piso para instalar prendedores no concreto)
  • Prender na parede usando um perfil em U com 40 a 50 cm. Fazer dois furos e prender com bucha na parede. Antes de apertar o parafuso, colocar 2 ou 3 presilhas passando por trás e fixe os parafusos. Depopis é so encostar o cano e fechar as presilhas.

Para medir a existência de ruído na rede elétrica, primeiro deve-se descobrir qual dos pinos da tomada é o neutro e então medir a diferença entre o neutro e o terra. Basta usar um multímetro e medir a diferença de tensão entre o terra e o pino da esquerda e depois o da direita: uma medida deve ser a tensão e outro deve dar bem perto de zero (no máximo 3-4 volts). Caso o terra esteja ligado no neutro, como fazer? Segure uma ponta do multímetro e coloque a outra nos terminais da tomada; onde a tensão medida for maior é o pino de fase.

Caso tenha muito ruído, deve-se aterrar o nobreak. Para isso, instale uma barra de cobre para aterramento e conecte o cabo ao lugar do terra na tomada que receberá o plugue do nobreak (desligue algum terra que eventualmente já esteja ligado a essa tomada).

Gráficos

Em sua interface gráfica, é possível utilizar um software que apresenta gráficos para cada evento registrado. Analisando-os, é possível distinguir entre um ruído artificial erroneamente interpretado pelo sistema como a ocorrência de um raio ou um relâmpago legítimo. Por exemplo, um grande número de eventos registrados em um dia de céu claro, sem a ocorrência de tempestades em centenas de quilômetros, é indício de que algo está errado.

Um dos gráficos é o X-Y. Nele aparece a intensidade do campo (volts) em função do tempo (microssegundos), sendo uma das linhas o campo medido no eixo norte-sul e a outra no sentido leste-oeste (Hx e Hy) – cabo vermelho relaciona-se com o azul do gráfico, enquanto que o cabo preto é a curva vermelha. Geralmente o sinal medido por um raio tem o seguinte comportamento nesse tipo de gráfico: o módulo do campo aumenta até um valor de algumas centenas, descendo bruscamente e passando por zero, o que caracteriza uma descarga elétrica, passando por valores negativos e voltando ao zero, permanecendo nessa oscilação com decaimento brusco (exponencial) no valor de sua amplitude, finalizando com oscilações pequenas em torno de zero. Para nuvens com grande acúmulo de cargas negativas (maior parte dos casos), o sinal da primeira oscilação é positiva. Além disso, as linhas desse gráfico tendem a ficar com uma diferença de fase, a não ser que o evento tenha ocorrido em uma direção com um ângulo de 45° entre os anéis.

Ainda nesse gráfico, caso ele tenha registrado um evento que não seja um raio, as linhas apresentam um comportamento mais próximo de uma senoide quase sem amortecimento e com uma frequência menor (maior distância entre os nós). A diferença de fase fica perto de 90°.

Exemplos de gráficos de sinal de estação da LINET

Outro gráfico é da amplitude (vermelho) e da fase (azul) em função da frequência (em kHz) obtido via transformada de Fourier (FFT). Quando do ocorrência de um raio, a maior parte dos valores entre 10 e 20 kHz, como um pico (ou seja, não cai exponencialmente). Já o ruído apresenta mais frequências fora desse intervalo – se apresentar em 60, provavelmente é contaminação da rede elétrica.

É comum a instalação da rede elétrica gerar ruído no sinal. Além de um pico em 50/60 Hz no gráfico de FFT, também aparece um sinal que não decai no tempo no gráfico X-Y, com frequência bem determinada. Para testar essa suspeita, coloque uma barra de terra em algum ponto do solo e ligue o fio nela. Coloque a outra ponta do fio na tomada de saída do nobreak, mas não ligue ele na tomada, e repita o teste – para instalação definitiva dessa forma, voltar no item “instalação” descrito anteriormente.

Fontes

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