%0 Thesis
%4 sid.inpe.br/mtc-m21b/2016/02.11.21.41
%2 sid.inpe.br/mtc-m21b/2016/02.11.21.41.33
%T Sistema de alerta de ocorrência de raios utilizando rede de sensores de campo elétrico atmosférico
%J Lightning warning system using atmospheric electric field sensors network
%D 2016
%8 2016-02-25
%9 Tese (Doutorado em Ciência do Sistema Terrestre)
%P 154
%A Magina, Flávio de Carvalho,
%E Alvalá, Plínio Carlos (presidente),
%E Pinto Junior, Osmar (orientador),
%E Naccarato, Kleber Pinheiro (orientador),
%E Saraiva, Antonio Carlos Varela,
%E Ferro, Marco Antonio da Silva,
%I Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
%C São José dos Campos
%K relâmpagos, raios, descargas atmosféricas, sistemas de alerta de raios, sensores de campo elétrico atmosférico, lightning, lightning flash, atmospheric electric discharges, lightning warning systems, atmospheric electric field sensors.
%X Há evidências de que o clima global está mudando e aumentos de eventos extremos, como tempestades severas, estão previstos para o futuro. As descargas elétricas atmosféricas, mais precisamente as descargas nuvem-solo ou raios, são uma característica das tempestades que causam perdas de vidas e danos aos empreendimentos e que, tendem a aumentar com o aumento das tempestades. No Brasil, morrem mais de uma centena de pessoas por ano atingidas por raios e prejuízos econômicos anuais de cerca de um bilhão de Reais são contabilizados pelo setor elétrico em danos em equipamentos e instalações atingidos por raios. Como consequência destes fatos, uma cresceste demanda por sistemas de monitoramento e alerta da ocorrência de raios tem sido verificada. A tecnologia de monitoramento de raios conta hoje com os sistemas de localização de descargas atmosféricas que podem localizar com precisão a ocorrência de raios e assim reportar a aproximação de uma tempestade de uma área onde se deseja proteger as pessoas e o patrimônio. Entretanto, estes sistemas são complexos, caros e de difícil manutenção. Além disso, só conseguem reportar a ocorrência do raio depois que o mesmo ocorreu. Uma outra forma de se detectar a aproximação de uma tempestade com potencial para o desenvolvimento de raios é medindo o campo eletrostático local utilizando sensores projetados para tal fim. Os dispositivos conhecidos como Field Mill ou sensor EFM podem detectar variações no campo elétrico atmosférico quando da aproximação de uma tempestade com atividade elétrica a uma distância de até vinte quilômetros. Os sistemas de alerta baseados nas medições de sensores EFM são os únicos com capacidade para emitir alertas antes da ocorrência do primeiro raio dentro da área de proteção. Os sensores EFM são dispositivos mais simples e de menor custo se comparados com os sistemas de localização de descargas atmosféricas. Porém, as suas medições são fortemente influenciadas pelas características do local onde se encontram instalados (altura do centro de carga das nuvens de tempestade na região, topografia, obstruções, etc.), o que pode resultar em baixos índices de alarmes efetivos ou altos índices de alarmes falsos ou não reportados. Vários sistemas de alerta foram construídos, em vários locais do mundo, com base em medições pontuais de sensores EFM, na maioria dos casos de um único sensor instalado no local para o qual se deseja proteção. Esta configuração é afetada pelas limitações inerentes da medição pontual. Uma rede com onze sensores EFM foi integrada na região de São José dos Campos, Sudeste do Brasil, com o propósito de fornecer medições de campo elétrico atmosférico em tempo real para o desenvolvimento de um sistema experimental de alerta de raios. Com as medições coletadas por esta rede, no verão de 2013-2014 (no hemisfério sul), foi desenvolvida e avaliada uma solução inovadora, para estruturação de um sistema de alerta de raios, utilizando medições interpoladas espacialmente adquiridas da rede de sensores EFM e formatadas como matrizes de pontos de grade regularmente espaçados. O processo de interpolação tende a suavizar as medições de campo elétrico atmosférico, reduzindo assim os efeitos indesejados das medições pontuais, resultando em uma maior efetividade dos alertas que se baseiam neste tipo de informação. Os resultados da avaliação da efetividade dos alertas, com base nas medições espacialmente interpoladas, mostraram uma excelente resposta na aplicação do método, com altos valores para os índices estatísticos de alarmes efetivos e baixos índices de alarmes falsos e não reportados, quando comparado com as avaliações encontradas na literatura para sistemas baseados em medições pontuais. Estes resultados fomentam a continuidade desta investigação, abrindo perspectivas para trabalhos futuros utilizando o método proposto e avaliado nesta tese. ABSTRACT: There is evidence that the global climate is changing and extreme events increases, as severe storms are expected in the future. Atmospheric electrical discharges, specifically the cloud-to-ground discharge or lightning, are a feature of storms that cause loss of life and damage to property and tend to increase with the increase of storms. In Brazil, over a hundred people a year are killed by lightning and annual economic losses of about one billion Reais are recorded by the electricity power sector in damage to equipment and facilities struck by lightning. Because of these facts, one grown demand for lightning monitoring and warning systems have been verified. The lightning monitoring technology currently has the lightning location systems that can locate the occurrence of lightning and thus report a storm approach of an area where people and property must be protected. However, these systems are complex, expensive and difficult to maintain. In addition, they can only report the lightning occurrence after it occurred. Another way to detect a storm approach with potential for developing lightning is measuring the local electrostatic field using sensors properly designed for this purpose. Devices known as Field Mill or EFM sensor can detect variations in the atmospheric electrostatic field when there is a storm approach with electrical activity at a distance of up to twenty kilometres. Lightning warning systems based on EFM sensors measurements are the only one able to issue warnings before the first lightning discharge occurrence within the protected area. The EFM sensors are simple devices and have lower cost compared with the lightning location systems. However, their measurements are strongly influenced by the characteristics of the site where they are installed (the charge centre height of storm clouds in the region, topography, obstructions, etc.), which may result in low rates of effective alarms or high rates of false alarm or not reported lightning. Several warning systems have been built in various parts of the world based on local measurements of EFM sensors, in most cases a single sensor installed at the site to be protected. This configuration is affected by the inherent limitations of local measurements. A network with eleven EFM sensors were integrated in the region of São José dos Campos, south-eastern Brazil, with the purpose of providing atmospheric electrostatic field measurements in real time in order to support the development of an experimental lightning warning system. With measurements collected by this network in the summer of 2013-2014 (in the South Hemisphere), an innovative solution was developed and evaluated for a lightning warning system developing, using spatially interpolated measurements, acquired from the EFM sensors network, formatted as arrays of grid points regularly spaced. The interpolation process tends to smooth out the measurements of atmospheric electrostatic field, thereby reducing the unwanted effects of discontinuous measurements, resulting in greater effectiveness of the alerts that are based on this type of information. Results of the evaluation of the effectiveness of alerts based on spatially interpolated measurements showed an excellent response in the method, with high rates for the statistical indices of effective alarms and low rates of false and not reported alarms if compared with assessments found in the literature for systems based on local pointed measurements. These results encourage the continuation of this research, opening up prospects for future work, using the proposed and evaluated method presented in this thesis.
%@language pt
%3 publicacao.pdf