Forschungsprojekt in Kooperation mit der TU Wien

Das Forschungsprojekt wird finanziell (materiell) unterstützt von:

Auf Basis der Daten des österreichischen Blitzortungssystems ALDIS der Jahre 1992 - 1997 wurde eine systematische Untersuchung von Orten mit erhöhter Blitzdichte in ganz Österreich durchgeführt.

Unter den Orten, an denen von ALDIS außergewöhnlich viele Einschläge registriert wurden, fand sich unter anderen der Gaisberg bei Salzburg. Dabei ist anzunehmen, dass die Mehrzahl der dort lokal georteten Blitze in den Sendemast auf dem Gaisberg eingeschlagen haben. Entsprechende Beobachtungen wurden auch vom dortigen Betriebspersonal bestätigt.

Ähnlich hohe Einschlagzahlen wurden bei den Sendeanlagen am Dobratsch und am Kitzbühler Horn festgestellt.

Unter Berücksichtigung einiger weiterer Gesichtspunkte, wie z.B. der allgemeinen Zugänglichkeit, bietet der Sender am Gaisberg die idealen Voraussetzungen für die Durchführung wissenschaftlicher Untersuchung an natürlichen Blitzentladungen.

Neben der Blitztriggerung, wie sie z.B. am Camp Blanding in Florida seit mehreren Jahren durchgeführt wird, sind Messungen beim natürlichen Blitzeinschlag in hohe Türme praktisch die einzige Möglichkeit, den Stromverlauf von Blitzen direkt zu messen. Neben dem Gaisberg gibt es weltweit derzeit nur 3 vergleichbare Messstationen, wo Blitzeinschläge in ähnlicher Form direkt gemessen werden:

CN Tower in Toronto, Kanada, 550 m
Kamin in Japan (Fukui), 200 m
Messturm in Brasilien, Morro do Cachimbo, 60 m

Schwerpunkte des Forschungsprojektes

Messaufbau

Zur Erfassung der Blitzeinschläge in die Mastspitze wurden an der Mastspitze zwei Sensoren zur Messung des Stromes und von di/dt – der zeitlichen Änderung des Stromes - installiert.

Der Blitz schlägt in die Fangeinrichtung an der Mastspitze ein und der gesamte Blitzstrom fließt unmittelbar über den speziellen, breitbandigen Messwiderstand (Shunt) von 0,25 Ohm und durch den induktiven di/dt - Sensor zu den Ableitungen der Blitzschutzanlage.

Position der Sensoren auf der Mastspitze

Die Messsignale (Spannungsabfall am Shunt bzw. Ausgangssignal vom di/dt - Sensor) werden aus Beeinflussungsgründen sofort an der Mastspitze in ein optisches Signal umgesetzt und über Lichtwellenleiter in das ORF Betriebsgebäude neben dem Mast übertragen.

Damit ein möglichst großer Bereich an Blitzstromamplituden abgedeckt werden kann, sind bei der Strommessung 2 getrennte Kanäle mit unterschiedlicher Empfindlichkeit aufgebaut:

Kanal 1: 0,05 kA bis 2,0 kA - Zur Messung der sog. Leader- und Langzeitströme.
Kanal 2: 1,6 kA bis 40 kA - Zur Messung der großen Stoßströme

Die gesamte Messwertaufzeichnung wird mit Hilfe einer GPS-Uhr zeitlich synchronisiert und kann somit auch eindeutig den Ortungsdaten des ALDIS Systems gegenübergestellt werden.

Alle Einrichtungen zur Datenaufzeichnung sind im Betriebsgebäude des ORF untergebracht.

Die Aufzeichnung der Messsignale erfolgt mit PC-Signalerfassungskarten mit einer Abtastrate von 20 MS/s (Strommessung) bzw. 100 MS/s (di/dt-Messung) über eine Aufzeichnungsdauer von 0,8 Sekunden. Die maximale Totzeit zwischen zwei Triggerungen beträgt ca. 20 Sekunden. Diese Zeit wird benötigt, um alle Daten (32 MB je Triggervorgang) auf die lokale Festplatte zu transferieren, bevor das Messsystem den nächsten Einschlag aufzeichnen kann.

Die gewählte Methode der kontinuierlichen Messwerterfassung erlaubt es, alle Vorgänge - vom Einsatz der Leitblitzentwicklung bzw. der Fangentladung bis zum letzten Teilblitz - vollständig aufzuzeichnen.

Der gesamte Messaufbau ist für automatischen Betrieb und Fernwartung über einen ISDN-Modemanschluss eingerichtet.

Einige Ergebnisse

Anzahl der Turmeinschläge
Der erste Blitzeinschlag konnte am 17.09.1998 aufgezeichnet werden. Bis Ende Dezember 2006 wurden ca. 500 Ereignisse, wobei die Anzahl von Jahr zu Jahr großen Schwankungen unterliegt.

Aufgrund des Stromverlaufes konnte die überwiegende Zahl der bisher registrierten Entladungen als Aufwärtsblitze identifiziert werden, was typisch für exponierte Türme auf Bergen ist. Die Mehrzahl der Entladungen weist negative Polarität auf. Einige Stromverläufe zeigen auch einen bipolaren Verlauf, d.h. dass während eines Einschlages sowohl negative als auch positive Stromflussrichtung beobachtet wurde.

Strommessung
Den typischen Verlauf des Blitzstromes bei einem Aufwärtsblitz zeigt die folgende Abbildung. Die Entladung beginnt mit einem so genannten "Initial Continuous Current (ICC)" mit einer Amplitude von einigen 100 Ampere und einer Dauer von einigen 100 Millisekunden. Häufig werden nach dem ICC nach einer stromlosen Phase von mehreren Millisekunden ein oder mehrere "Return Strokes" beobachtet. Diese sind vergleichbar mit den Folgeblitzen bei klassischen Abwärtsblitzen.

Typischer Gesamtstromverlauf bei einem Aufwärtsblitz

Dem ICC sind häufig impulsförmige Ströme (ICC Pulses) überlagert, die sehr unterschiedliche Kurvenformen aufweisen können.

Beispiele von zwei sehr unterschiedlichen Kurvenformen von ICC Pulsen

Es wurde bisher eine erhebliche Anzahl von Entladungen registriert, die praktisch keine ICC Impulsströme haben, sondern aus Strömen von einigen 100 A über eine Zeitdauer von mehreren 100 ms bestehen. Obwohl die Amplituden in diesen Fällen vergleichsweise gering sind, können auch bei dieser Entladungsform erhebliche Ladungsmengen zwischen Wolke und Erde ausgetauscht werden.

Videoaufzeichnung

Am 14.6.2000 gelang während eines Nachtgewitters die erste gute Aufzeichnung des Turmeinschlages mit dem Hochgeschwindigkeits-Videosystem. Diese spezielle Kamera, die bis zu 1.000 Bilder pro Sekunde mit einer Auflösung 240x512 pixels (8-bit Grauwerte) aufzeichnen kann, dient der optischen Erfassung des gesamten Einschlagsvorganges von der Initialisierung bis zum letzten Teilblitz. Zur zeitlichen Korrelation mit den gemessenen Strömen und mit den ALDIS Aufzeichnungen sind auch die Videobilder mit einem GPS Zeitstempel versehen.

Eine aus mehreren hunderten Bitmap Dateien erstellte Movie-Datei eines Turmeinschlages vom 14.6.2000 um 20:30 Uhr (UTC) zeigt das mehrfache helle Aufleuchten des Blitzkanals, wenn die dem Langzeitstrom überlagerten Impulsströme durch den Kanal fließen. Bei Betrachtung der Filmsequenz ist eine Bewegung des gesamten Blitzkanals von links nach rechts zu beobachten. Diese Verschiebung des Blitzkanals um mehrere Meter ist ein Resultat des relativ starken Windes, der zum Zeitpunkt des Einschlages am Gaisberg geherrscht hat.

Die Auswertung der Korrelation zwischen den gemessenen Strömen und der Helligkeit des Blitzkanals in den Videoaufzeichnungen hat gezeigt, dass ein linearer Zusammenhang zwischen dem Stromverlauf im Blitzkanal und dem Helligkeitsverlauf des Kanals besteht [Diendorfer et al., 2003]. Auf Basis dieses Ergebnisses war es möglich, die Teilströme in einzelnen Ästen des Kanals abzuschätzen.

Die Abbildung zeigt einen Turmeinschlag, wobei der Blitzkanal sich auf 3 Äste aufspaltet. MPEG Movie des Blitzeinschlages

Gemessen werden kann nur der Gesamtstrom_im an der Turmspitze. Aus dem zeitlichen Verlauf der Helligkeit der einzelnen Äste kann näherungsweise der Stromverlauf in den einzelnen Ästen (i₁, i₂ und i₃) bestimmt werden.

Zeitlicher Verlauf des Stromes in den einzelnen Ästen des Blitzkanals

Feldmühle

Zur Messung des langsam veränderlichen elektrostatischen Feldes am Standort Gaisberg wird eine Feldmühle eingesetzt. Die Feldmühle wurde von VAISALA, dem Lieferanten des österreichischen Blitzortungssystems, leihweise zur Verfügung gestellt.

Auch bei Schönwetter existiert, - hervorgerufen durch die positiv geladene Ionosphäre - ein elektrostatisches Bodenfeld in der Größenordnung von +130 V/m. Bei Annäherung bzw. lokaler Bildung einer Gewitterzelle wechselt dieses Feld vorerst einmal die Polarität und steigt in der Folge je nach Reifegrad und Lage der Gewitterzelle auf Werte von bis zu -10.000 V/m an. Steigt die Feldstärke auf Werte über 3000 - 5000 V/m, ist dies ein Indiz dafür, dass in absehbarerer Zeit Blitzschläge möglich sind. Am Beispiel des zeitlichen Verlaufes der Feldstärke vom 2.8.2000 Nachmittag ist erkennbar, dass während Gewitter starke Schwankungen der elektrostatischen Feldstärke in beide Richtungen (positiv und negativ) auftreten. Diese Schwankungen sind ein Resultat der ständig wechselnden Ladungsverteilung innerhalb der Gewitterwolke.

Fernfeldmessung

Die Messungen vor Ort am Gaisberg wurden 2007 um eine Messstation am Dach der FH-Wels erweitert, die aus operativen Gründen im Mai 2008 nach Neudorf in Oberösterreich verlegt wurde. Mit dieser Messstation werden die Feldimpulse (elektrisches Feld) aufgezeichnet, die von den Einschlägen in den Sender am Gaisberg in ca. 110 km Entfernung herrühren. Damit können diverse Blitzmodelle, die zur Berechnung der von Blitzen abgestrahlten elektromagnetischen Felder verwendet werden, überprüft werden, da in diesem Fall sowohl der genaue Stromverlauf im Blitzkanal sowie das zugehörige Feld in größerer Entfernung (Fernfeld) bekannt sind. Das folgende Bild zeigt die Feldmessantenne am Dach am Standort Neudorf.