Simulation elektromagnetischer Felder durch Folge eines Blitzeinschlags auf dem Gaisberg und der anschließende Vergleich der Ergebnisse mit Messungen der ALDIS-Blitzortungssensoren

Zusammenfassung

Dieser Beitrag präsentiert Ergebnisse aus elektromagnetischen Feldberechnungen unter Verwendung der FDTD-Methode (Finite-Differenzen-Methode im Zeitbereich). Konkret wurde die Ausbreitung eines elektromagnetischen Felds simuliert, welches mit einer bestimmten, messtechnisch erfassten Blitzentladung (sog. „Event“) am Gaisberg-Sendeturm (Salzburg, Österreich) in Verbindung steht. Digitale Geländemodelldaten der realen Ausbreitungspfade vom Gaisberg zu sieben Sensoren des Blitzortungsnetzwerks ALDIS wurden zur Initialisierung der FDTD-Simulationsdomäne verwendet. Um den Blitzkanal zu modellieren, wurde das MTLE-Modell (Modified Transmission Line Model with Exponential Decay) angenommen und der an der Turmspitze, also am Fußpunkt des Blitzkanals, gemessene Blitzstrom als Feldquelle in der Simulation verwendet. Damit wurden die elektromagnetischen Felder entlang der verschiedenen Pfade simuliert und die resultierende Maximalfeldstärke des magnetischen (H‑)Felds an den Sensorstandorten mit der tatsächlich gemessen Feldstärke der ALDIS-Sensoren verglichen. Die Ergebnisse der 3D-FDTD-Feldberechnungen korrelieren gut mit den tatsächlich registrierten Sensor-Messwerten zum gegebenen Event, während die zylindrisch-symmetrische 2D-FDTD-Simulation nicht für alle Ausbreitungspfade in der Lage ist, die gemessenen Feldwerte zu reproduzieren. Der Grund liegt in der komplexen Struktur des alpinen Geländes und den damit verbundenen Reflexionen und Beugungsphänomenen in Tälern und an Bergkämmen. Des Weiteren konnte anhand eines Sets von Sensor-Messwerten von 54 Events verifiziert werden, dass der Einschlag auf der Spitze eines Bergs im Gegensatz zu einem Einschlag auf ebenem Boden zu erhöhten gemessenen Feldwerten führen kann. Dies folgt aus der speziellen Bergtopographie vom Einschlagspunkt in die gegebene Ausbreitungsrichtung. Im Allgemeinen führt stark unebenes Gelände, wie es etwa im alpinen Raum vorliegt, zu einer Dämpfung des Felds entlang des Ausbreitungspfads.

Abstract

In this paper, the results of electromagnetic field computations using the finite-difference time-domain (FDTD) method are presented. Specifically, the propagation of an electromagnetic field caused by a lightning event on the Gaisberg mountain (Salzburg, Austria) was simulated. To initialize the FDTD simulation domain, digital elevation model (DEM) data of the real propagation paths from the Gaisberg to seven different sensors of the lightning detection network ALDIS were used. To model the lightning channel, the MTLE (modified transmission line model with exponential decay) was applied, and the lightning current measured at the top of the tower, that is, at the base of the lightning channel, was used as the current source in the simulation. This way, the electromagnetic fields were simulated for the different propagation paths, and the resulting peak values of the magnetic (H) fields at the ALDIS sensor locations were compared with the values actually measured by the ALDIS sensors. The results of the 3D FDTD computations correlate well with the values actually recorded by the sensors for a given event, while the cylindrical symmetrical 2D FDTD simulation is not capable of reproducing the values measured. This can be explained by the fact that the complex terrain of the Alpine region with its reflections and diffraction phenomena in valleys and on mountain ridges cannot be represented accurately in 2D FDTD simulations. Furthermore, by using a set of sensor values from 54 (normalized) events, we were able to verify that a strike on top of a mountain can lead to higher values compared to a strike on flat terrain. This is due to the specific topography from the strike point in the given direction of propagation. In general, rough terrain like the Austrian Alps has an attenuating effect on the propagating electromagnetic fields.