Projekt: NKFIH OTKA K138824

Cím / Title:

Villámok extrém alacsonyfrekvenciás sugárzásán alapuló új módszerek kidolgozása a földközeli térség elektromos folyamatainak megismeréséhez

Elaboration of new methods for studying the near-Earth environment by extremely low frequency radiation of lightning strokes

Kulcsszavak / Keywords:

légköri elektromosság, villámok, Schumann-rezonancia, globális légköri elektromos áramkör, globális változások, környezetmonitorozás, távérzékelés, éghajlatkutatás

atmospheric electricity, lightning, Schumann resonances, global atmospheric electric circuit, global changes, environmental monitoring, remote sensing, climatology

Évek – Years: 2021- 2025

1. A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára – Summary for experts

A villámok tanulmányozásával számos lehetőség nyílik a földkörüli térség elektromos vonatkozású folyamatainak a megismerésére. Ebben a projektben a villámkisülések extrém alacsony frekvenciasávban (ELF, 3-3000 Hz) keltett rádiósugárzásán alapuló vizsgálatokra koncentrálunk. Kizárólag az ilyen sugárzásnak az észlelésével becsülhető az észlelőállomástól akár globális távolságban zajló villámaktivitást jellemző töltésmomentum-változás (TMV). Ez a sugárzás gerjeszti a földfelszín és az ionoszféra hullámvezető elektromágneses sajátrezgéseit, a Schumann-rezonanciákat (SR) is. Az észlelőállomásokon felvett rezonancia paraméterekből levezethető az ELF hullámokat keltő villámok területi eloszlása, míg az extrém mennyiségű töltés átáramlásával járó kisülések egyedileg is jellemezhetők az általuk keltett, jól azonosítható tranziens jelek (Q-viharok) elemzésével. A javasolt kutatási projekt célja kettős. Egyrészt a villámaktivitás specifikusan TMV paraméterrel való jellemzéséhez SR paraméterek és Q-viharok elemzésén alapuló, robosztus módszereket kívánunk kidolgozni és validálni, másrészt e módszerek felhasználásával a globális, illetve regionális léptékű zivatartevékenységről rendelkezésre álló ismeretek bővítését célozzuk. A feladatok kidolgozásával teljesebb képet kívánunk kapni a TMV becsült értékeinek bizonytalanságát befolyásoló környezeti tényezőkről, a villámaktivitás leginkább TMV szerinti eloszlásának különböző térbeli és időskálákon történő átrendeződéséről, illetve meg kívánjuk vizsgálni az új és a klasszikus módszerekkel kapható eredmények viszonyát.

By studying lightning, we can obtain more information on atmospheric electricity-related processes in the near-Earth space. In this project, we focus on extremely low frequency (ELF, 3-3000 Hz) electromagnetic (EM) radiation from lightning discharges. Examination of this type of radiation is the only way to estimate the charge moment change (CMC) which characterizes lightning activity occurring even at global distances from the observer in terms of the amount of transported electric charge. ELF-band radiation from lightning also excites eigenmodes of the Earth-ionosphere waveguide, the so-called Schumann resonances (SR). Spatial distribution of lightning strokes can be deduced from the recorded SR parameters. Lightning discharges with extreme charge fluxes can be characterized individually via the analysis of high amplitude transient signals (Q-bursts) they produce. The proposed project has two main aims. Based on the analysis of SR parameters and Q-bursts, development and validation of robust techniques are planned for the characterization of lightning activity in terms of CMC. On the other hand, we plan to use these new techniques to obtain novel information on the lightning activity on both global and regional scales. Implementation of the corresponding research tasks provides us with new information on environmental factors which affect the estimation of CMC values and on variations of the distribution of lightning activity in terms of CMC on different temporal and spatial scales. We also aim at studying the relation of the new results from CMC-data based investigations to corresponding results that can be obtained using classical methods.

2. Mi a kutatás alapkérdése? – Main question of the research.

A javasolt kutatás alapkérdése, hogy az ELF sávban történő észleléseken alapuló elemzések segítségével a villámtevékenység milyen, a jelenleg elérhető statisztikák által nem tükrözött tulajdonságai vizsgálhatóak. A globális villámtevékenység jellemzésére bevezetjük a teljes TMV-t, amely két komponensből tevődik össze: a Q-viharokat produkáló, extrém intenzív villámok járuléka, valamint a SR spektrumot produkáló átlagos villámokhoz kötődő TMV. A SR paraméterekből az átlagos villámok összességének a tulajdonságai, a Q-viharokból az extrém kisülések egyedi jellemzői határozhatók meg. Mivel a Q-viharok jelei elfedik az ELF háttérzajt, amelyből a SR paraméterek meghatározása történik, így a két jelenség csak külön-külön vizsgálható, és így mindkét jelenségkör elemzése szükséges ahhoz, hogy a villámaktivitásról a TMV szempontjából teljes képet alkothassunk. A kutatási projekt keretében a kifejlesztett módszereket napi, szezonális és ENSO időskálán alkalmazzuk a villámaktivitás TMV alapú globális eloszlásának meghatározására, és elemezzük, hogy az eredmények hogyan viszonyulnak az optikai, illetve a VLF sávú villámészlelések alapján felállított eloszlásokhoz. Kiemelt vizsgálatot tervezünk Európára vonatkozóan, ahol a villámok polaritásának és típusának (felhő/földvillám) tekintetében is összehasonlítjuk a különböző megfigyelési módszerekből kapott eredményeket. A projekt keretében vizsgálni kívánjuk, hogy milyen bizonytalansággal határozható meg az extrém villámok TMV-sa, és hogyan paraméterezhető a Föld-ionoszféra hullámvezető nappal-éjszakai aszimmetriája az alkalmazott modellben ennek a bizonytalanságnak a minimalizálása érdekében.

The main question of the proposed research is that what novel properties of the lightning activity, which cannot be obtained from currently available statistics, can be found via the analysis of ELF-band radio observations. We plan to introduce total CMC rate as a new parameter for the characterization of the global lightning activity. This quantity is a sum of contributions from Q-burst-producing extreme intense lightning strokes and from the rest of lightning activity. Characteristics of ordinary lightning activity can be inferred from SR parameters, whereas the properties of individual extreme lightning strokes can be obtained from the analysis of Q-burst signals. As signals of Q-bursts mask the ELF background from which the SR parameters are derived, the two phenomena can not be investigated simultaneously. Therefore, we must study both phenomena in order to get a complete picture of the lightning activity based on the CMC. We plan to investigate how CMC-based distributions of the global lightning activity, obtained by methods developed in this project, are related to distributions based on optical and VLF band observations on diurnal, seasonal and ENSO timescales. Lightning activity in Europe will be studied in this sense specifically also from the point of view of polarity and type (cloud/ground) of strokes. We plan to quantify the uncertainty of CMC estimations from Q-bursts and examine how the day-night asymmetry of the Earth-ionosphere waveguide must be parameterized in the models to minimize that uncertainty.

3. Mi a kutatás jelentősége? – Impact of the research.

A kutatás eredményeképpen teljesebb képet kaphatunk a Föld egyik fontos éghajlati jellemzőjének, a villámtevékenységnek a globális eloszlásáról, amit egy abszolút fizikai mennyiség, a TMV földrajzi eloszlásával jellemezhetünk. A TMV olyan új elem a globális villámaktivitás jellemzésére (az eddig használatos paraméterek - a villámszám/sűrűség, a VLF energia, illetve a csúcsáram - mellett), amellyel az összetett kisülési folyamat egy olyan szegmensét lehet vizsgálni, amit eddig az éghajlatkutatásban nem vettek figyelembe. A SR paramétereken és a Q-viharokon alapuló elemzés egymást kiegészítve szolgáltatja a villámaktivitás teljes TMV értékét. A Q-viharokra kiterjesztett kutatás hozadéka, hogy az intenzív villámok járuléka külön is számszerűsíthetővé és vizsgálhatóvá válik. Ez újabb éghajlati paraméter bevezetését teszi lehetővé, amellyel a zivatarok elektromos aktivitásának a TMV szempontjából extrém szegmense jellemezhető, és az éghajlat változásának a hatásai ilyen tekintetben vizsgálhatókká válnak. Az azonosított és kiértékelt villámok paraméterkészlete a kisülés polaritását is tükröző becsült TMV értékkel kiegészíthető, ami által ezeknek a villámoknak az egyedi tulajdonságairól teljesebb kép alkotható. A projektben tervezett eljárás egyedülálló jelentőségű abban a tekintetben, hogy segítségével úgy globális, mint akár szubkontinentális léptékben egyenletes lefedettségű észleléseken alapuló kép alkotható a villámtevékenységről és különböző (pl. akár tízperces) időbeli felbontásban is képes globálisan reprezentatív, számszerűsíthető fizikai paramétert szolgáltatni. A javasolt kutatás több szempontból is hiánypótló. Tartalmazza egy eljárás kidolgozását valamely ELF állomás adataiból származtatott TMV érték megbízhatóságának ellenőrzésére távoli, független mérések segítségével, amire jelenleg nincs gyakorlat. Másrészt jelenleg nincsenek ismereteink arról, hogy Európában milyen eloszlást mutat a nagy TMV-sú villámok előfordulása. Az eredmények támogatják az extrém kisüléseknek tulajdonítható villámkárok szempontjából veszélyeztetettebb régiók kijelölését, és a felsőlégköri elektro-optikai emissziók megfigyelésén alapuló vizsgálatokat.

As a result of the proposed research, the distribution of the global lightning activity, which is an important climate characteristic, can be described by an absolute physical quantity, the CMC. The novelty of using CMC is that it characterizes a segment of the complex lightning discharge process which has not been taken into account yet in climate studies based on routine observations of flash number/rate, emitted VLF energy, and peak current so far. The analyses based on SR parameters and on Q-bursts together give the total CMC value of the lightning activity. The analysis of Q-bursts allows quantifying the contribution of extreme lightning strokes separately. This allows introducing a new climate parameter which describes the extreme segment of the electrical activity of thunderstorms in terms of CMC, so effects of the changing climate can be examined from this aspect, too. The set of parameters describing lightning strokes can be extended with the estimated, signed CMC value which independently reflects the polarity of the discharge. This makes the characterization of individual lightning strokes more complete. The proposed research is exceptionally novel from the point of view that it provides a globally representative view on lightning activity. This view is based on quasi-uniform detection efficiency either on global or sub-continental scales, can be obtained in different time resolutions (as high as 10 minutes) and is given in terms of absolute physical units. The proposed research would fill several gaps in the discipline. It includes the development of a method for verifying the reliability of CMC values derived at an ELF station by independent, remote measurements. No procedure is available for that currently. On the other hand, we do not have information yet on the occurrence statistics of high CMC lightning strokes in Europe. The results would facilitate mapping areas of increased risk due to lightning-related natural hazards and would also support research on transient luminous events.

4. A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára – Summary for readers of common knowledge

A villámok tanulmányozásával számos lehetőség nyílik a földkörüli térség légköri elektromossággal kapcsolatban álló folyamatainak a megismerésére. Ebben a projektben a villámkisülések extrém alacsony frekvenciasávban (ELF) keltett rádiósugárzásán alapuló vizsgálatokra koncentrálunk. Kizárólag az ilyen sugárzásnak az észlelésével becsülhető egy olyan paraméter, amely az átáramlott töltésmennyiség szempontjából jellemzi a villámaktivitást valamely észlelőállomástól akár több ezer kilométer távolságban is. Ez a sugárzás gerjeszti a földfelszín és az ionoszféra hullámvezető elektromágneses sajátrezgéseit, a Schumann-rezonanciákat (SR) is. Az észlelőállomásokon felvett rezonancia paraméterekből levezethető az ELF hullámokat keltő villámok területi eloszlása, míg az extrém mennyiségű töltés átáramlásával járó kisülések egyedileg is jellemezhetők az általuk keltett, a háttérzajból kiemelkedő, jól azonosítható jelek (Q-viharok) elemzésével. A javasolt kutatás célja, hogy a villámaktivitás eloszlásának és intenzitásának az átáramlott töltésmennyiségen alapuló jellemzéséhez a SR paraméterek és a Q-viharok elemzésén alapuló módszereket dolgozzon ki, és vizsgálja meg, hogy ezeknek a módszereknek a felhasználásával milyen új információk nyerhetők a globális vagy regionális léptékű zivatartevékenységről és annak változásairól a hagyományosan használt jellemzőkön (pl. villámszám) túlmenően. Az éghajlatkutatás szempontjából különös fontosságú a várható eredmények között az extrém villámok járulékának meghatározása a teljes villámaktivitásban. A tervezett munka a globális eloszlások jellemzésén túlmenően kiemelten fókuszál Európára, ahol hasonló vizsgálatokra eddig még nem került sor.

By studying lightning, we can obtain more information on atmospheric electricity-related processes of the near-Earth space. In the present project, we focus on the investigation of radio emissions from lightning discharges in the extremely low frequency band (ELF). Examination of this type of electromagnetic (EM) radiation is the only way to estimate a quantity that characterizes lightning activity occurring even at global distances from the observer in terms of the amount of transported electric charge. ELF-band radiation from lightning excites natural EM vibrations of the Earth-ionosphere waveguide, the so-called Schumann resonances (SR). Spatial distribution of bulk lightning activity can be deduced from the recorded resonance parameters. Lightning discharges with extreme charge fluxes can be characterized individually via the analysis of high amplitude, easily detectable transient signals (Q-bursts) they produce. The objective of the proposed research is to develop ELF observation-based techniques for the characterization of the lightning activity in terms of the transported amount of charge. We will apply these new techniques to expand our knowledge on variations of the thunderstorm activity beyond the information based on traditional lightning statistics (e.g., flash number densities). Determination of the contribution of extreme lightning strokes to the entirety of lightning activity is of particular importance from the point of view of climate research and risk assessment. In addition to the characterization of the global lightning activity in this sense, our proposed research particularly focuses on Europe where similar studies have not been performed yet.