Characteristics of Upward Lightning Flashes

In addition to the general aims of lightning research such as lightning physics and meteorology, the study of upward lightning is of particular importance in protection of tall objects such as wind turbines and telecommunication towers. It also helps us in better understanding the lightning initiation process and its role in the earth- atmosphere electrical balance. Within this context, this thesis presents an analysis on various aspects of upward lightning discharge (negative, positive, bipolar) using experimental observation and theoretical modeling for better understanding of its initial stage, the propagation of its electromagnetic field along irregular terrain and its interaction with the ionosphere. Our investigation on the superimposed impulsive components of the initial stage of upward negative flashes revealed that they can transfer net negative charges to ground by both M-component and return stroke modes of charge transfer, which can be distinguished by their associated electric field signature. Moreover, we investigated the ability of Lightning Location Systems (LLSs) to locate and detect upward negative flashes. Different aspects of upward negative flashes which might affect the evaluation performance of LLSs were discussed. It is found that LLSs tend to overestimate the peak current values of RS pulses of upward negative flashes. Using full-wave numerical simulation, it is demonstrated that this overestimation is mainly due to electric field enhancement by wave propagation along mountainous terrain around Säntis Tower. Using simultaneous channel-base current and electric field records of upward positive flashes, we observed that two types of pulsations can be distinguished during the course of progression of upward negative leaders which are very similar to ¿Classical PBPs¿ and ¿Narrow PBPs¿ of the initial stage of downward negative leaders suggesting a general similarity between upward and downward negative leaders. We present and discuss current waveforms associated with 13 bipolar flashes recorded at the Säntis Tower during the period from June 2010 to January 2015. We have found two flashes of our data base each characterized by a sequence of two upward leaders of opposite polarity within the same flash, a scenario that has never been reported from previous observations at instrumented towers. The obtained results suggest that the traditional classification of bipolar flashes should be revisited. We present simultaneous channel-base current and wideband electric field waveforms at 380 km distance from the strike point associated with upward flashes initiated from the Säntis Tower. The dataset presented in this study represents, to the best of the Author¿s knowledge, the first simultaneous records of lightning currents and distant fields associated with natural upward flashes featuring ionospheric reflections. The data are used to infer the characteristics of the ionospheric layers. We present a full-wave 2D FDTD analysis of the field propagation including the effect of the ionospheric reflections and the results are compared with the experimental data. Furthermore, we present a novel semi-analytical simplified approach based on the ray tracing concept to estimate radiated electric fields associated with lightning return strokes, taking into account ionospheric reflections

Intégration du système de mesure de foudre au Säntis avec un capteur de champ électrique installé par la HES-SO Valais

Ce projet a pour but d’intégrer un capteur de champ électrostatique à l’installation de mesure de signaux de foudre en opération au Mont Säntis. Cette installation, conçue à des fins de recherche, pourra aussi servir d’outil d’alerte pour orage imminent

Investigación de las estructuras eléctricas y líderes de rayos en tormentas : aportaciones a las condiciones de inicio de rayos gamma terrestres

Tesi per compendi de publicacions.This thesis presents a characterization of the charge structures of thunderstorms and lightning leader development, and their relationship with the emissions of terrestrial gamma ray flashes (TGFs). The results include a detailed view of thundercloud charge distributions, their altitude range and life cycle evolution. The altitude of charge centers and the identification of complex charge structures have also been included. Additionally, the developments of the lightning leaders, their altitudes of initiation, polarities, and spatial and temporal characteristics across different seasons are studied by analyzing the lightning leader signature from a Lightning Mapping Array (LMA), which was installed also for the first time in the tropics during this work. According to the characterization of charge structures, a lightning leader model is developed. The main goal of the model is to analyze the potential and the electric field stress expected during lightning discharge simulations. In addition, simulations about TGF emissions obtained from particle interactions have been included. In this case, the LEPTRACK program is used along with the main results of the leader model in order to analyze the electrical conditions favorable for TGF production. Finally, an overview of the experimental and field work carried out during this thesis is summarized. Ali the specialized instruments for lightning and thunderstorm measurements installed in the Colombia are detailed as well. The organization of this thesis is as follows: Chapter 1 contains the introduction addressing the state of the art of the main topic. Chapter 2 describes all the fieldwork undertaken during this thesis. Chapter 3 includes the content of the papers used for this thesis, and summarizes the main results and the conclusions of them. Chapter 4 shows the developed lightning leader model and the main results of the TGF simulations. Finally, chapter 5 presents the overall conclusions and forthcoming work.Este trabajo de investigación presenta la caracterización de estructuras eléctricas y líderes de rayos en tormentas y su relación con inicios de rayos gamma terrestres (TGFs). La investigación aporta información detallada de distribuciones de carga eléctrica, sus límites espaciales, desarrollo vertical, evolución durante su ciclo de vida e identificación de centros carga y distribuciones de carga complejas. Adicionalmente, mediante el análisis morfológico de líderes de rayos, se ha desarrollado una caracterización de alturas de inicio, trayectorias, direcciones de propagación al igual que identificación de polaridades y análisis de variabilidad temporal y espacial. Toda la caracterización mencionada fue derivada de mediciones del sistema de alta precisión de detección de tormentas eléctricas Lightning Mapping Array, el cual por primera vez se instaló en regiones tropicales durante el desarrollo de esta investigación. A partir de los resultados experimentales, caracterización de líderes y de estructuras de carga, se elaboró un modelo simplificado de líderes de rayos que aproxime las condiciones de potenciales y campos eléctricos durante propagación de descargas. Como resultado del modelo fue posible obtener distribuciones de potenciales debido a estructuras eléctricas y bajo la interacción de líderes. Adicionalmente, mediante la integración de los resultados del modelo de líder y el programa de simulación de interacción de partículas LEPTRACK , se muestran algunas condiciones eléctricas favorables que puedan dar inicio a rayos gammas terrestres (TGFs) debido a procesos de líderes de rayos y estructuras eléctricas próximas a las reportadas . Finalmente, en el documento se realizó una recopilación de todo el trabajo experimental desarrollado que permitió la puesta en marcha de toda una infraestructura altamente especializada para la investigación de tormentas eléctricas en regiones tropicales caso Colombia.Postprint (published version

Investigación de las estructuras eléctricas y líderes de rayos en tormentas : aportaciones a las condiciones de inicio de rayos gamma terrestres

This thesis presents a characterization of the charge structures of thunderstorms and lightning leader development, and their relationship with the emissions of terrestrial gamma ray flashes (TGFs). The results include a detailed view of thundercloud charge distributions, their altitude range and life cycle evolution. The altitude of charge centers and the identification of complex charge structures have also been included. Additionally, the developments of the lightning leaders, their altitudes of initiation, polarities, and spatial and temporal characteristics across different seasons are studied by analyzing the lightning leader signature from a Lightning Mapping Array (LMA), which was installed also for the first time in the tropics during this work. According to the characterization of charge structures, a lightning leader model is developed. The main goal of the model is to analyze the potential and the electric field stress expected during lightning discharge simulations. In addition, simulations about TGF emissions obtained from particle interactions have been included. In this case, the LEPTRACK program is used along with the main results of the leader model in order to analyze the electrical conditions favorable for TGF production. Finally, an overview of the experimental and field work carried out during this thesis is summarized. Ali the specialized instruments for lightning and thunderstorm measurements installed in the Colombia are detailed as well. The organization of this thesis is as follows: Chapter 1 contains the introduction addressing the state of the art of the main topic. Chapter 2 describes all the fieldwork undertaken during this thesis. Chapter 3 includes the content of the papers used for this thesis, and summarizes the main results and the conclusions of them. Chapter 4 shows the developed lightning leader model and the main results of the TGF simulations. Finally, chapter 5 presents the overall conclusions and forthcoming work.Este trabajo de investigación presenta la caracterización de estructuras eléctricas y líderes de rayos en tormentas y su relación con inicios de rayos gamma terrestres (TGFs). La investigación aporta información detallada de distribuciones de carga eléctrica, sus límites espaciales, desarrollo vertical, evolución durante su ciclo de vida e identificación de centros carga y distribuciones de carga complejas. Adicionalmente, mediante el análisis morfológico de líderes de rayos, se ha desarrollado una caracterización de alturas de inicio, trayectorias, direcciones de propagación al igual que identificación de polaridades y análisis de variabilidad temporal y espacial. Toda la caracterización mencionada fue derivada de mediciones del sistema de alta precisión de detección de tormentas eléctricas Lightning Mapping Array, el cual por primera vez se instaló en regiones tropicales durante el desarrollo de esta investigación. A partir de los resultados experimentales, caracterización de líderes y de estructuras de carga, se elaboró un modelo simplificado de líderes de rayos que aproxime las condiciones de potenciales y campos eléctricos durante propagación de descargas. Como resultado del modelo fue posible obtener distribuciones de potenciales debido a estructuras eléctricas y bajo la interacción de líderes. Adicionalmente, mediante la integración de los resultados del modelo de líder y el programa de simulación de interacción de partículas LEPTRACK , se muestran algunas condiciones eléctricas favorables que puedan dar inicio a rayos gammas terrestres (TGFs) debido a procesos de líderes de rayos y estructuras eléctricas próximas a las reportadas . Finalmente, en el documento se realizó una recopilación de todo el trabajo experimental desarrollado que permitió la puesta en marcha de toda una infraestructura altamente especializada para la investigación de tormentas eléctricas en regiones tropicales caso Colombia

Corona discharges from grounded rods and 337/777 nm emissions of laboratory long sparks

Tesi en modalitat de compendi de publicacions, amb menció internacionalThis thesis presents an investigation on the signatures of corona discharges from grounded rods under thunderstorms and in the laboratory, with optical detections in the 337/777 nm wavelengths for high voltage sparks. This PhD project is contextualized in the European program: Science and Innovation with thunderstorms (SAINT), funded by the Horizon 2020 / Marie Sklodowska Curie Action (Grant agreement ID: 722337). Under conditions of electrification, charged clouds produce an enhancement of the electric field at the ground level. That, in turn, can lead to corona discharges that produce a space charge layer in the vicinity of grounded structures. The study of this phenomenon is useful for the understanding of lightning-related processes and attachment. In addition to the electrical current obtained from the discharges, another important variable is the optical signature generated by the plasma channels. Emissions in many spectra lines associated with reactions of streamers and leaders with the main components of the atmosphere are relevant for visual observations. This work presents a chapter for current literature review of the processes associated with lightning and the main concepts applied. Then, a detailed description of the instrumentation available for the tests carried out in the laboratory and in the field is provided. The first article of this compendium presents data obtained with experiments of a grounded rod under high background electric field in the laboratory and the field. A limited number of works in the literature have presented such data. An analysis correlating pulse frequency, electric field level and average wind speed is the main novelty of the article. A congress paper annexed in the thesis complements the findings comparing the discharges observed at two other experimental sites. The second article describes a compilation of results obtained in the laboratory for investigating optical signatures in two specific lines of the spectra (337 nm and 777 nm), the ones with stronger emissions in lightning-like events. There is special relevance of such experiments for supporting satellite-based observations of lightning by the Atmosphere-Space Interactions Monitor (ASIM) that perform optical measurements in the same wavelength ranges and the operational lightning imagers such as Geostationary Lightning Mapper (GLM) and the future Meteosat Third Generation Lightning Imager (MTG-LI). The conclusions are presented, together with the prospects for future work following the original results achieved with this PhD. This thesis ends with a detailed description of the dissemination activities (presentation at seminars and conferences, coauthored publications in journals and at conferences) and training activities received throughout this project. Finally, the appendix present additional developments and applications of the sensor developed during this doctorate, comprising experiments performed during a two-month internship at the Eindhoven University of Technology (TU/e), and one section with results for the use of photometers to determine the initiation of an upward leader. Such experiments are particularly interesting for understanding space charge production and in the validation of lightning rods. The concepts applied to the development of a corona discharge current sensor were patented together with Dena Desarrollos, the company where the investigations were carried out during this doctorate.Esta tesis presenta una investigación sobre las huellas de descargas de corona en pararrayos durante tormentas eléctricas y en el laboratorio, con detecciones ópticas en las longitudes de onda de 337/777 nm para descargas de alto voltaje. Este proyecto de doctorado se contextualiza en el programa europeo: Science and Innovation with thunderstorms (SAINT), financiado por la Acción Horizon 2020 / Marie Sklodowska Curie (Acuerdo de subvención ID: 722337). En condiciones de electrificación, las nubes cargadas producen un aumento del campo eléctrico a nivel del suelo. Eso, a su vez, puede ocasionar descargas de corona que producen una capa de carga espacial en las proximidades de las estructuras conectadas a tierra. El estudio de este fenómeno es útil para comprender los procesos y la conexión de los canales de los rayos. Además de la corriente eléctrica obtenida de las descargas, otra variable importante es la huella óptica (las señales ópticas a lo largo del tiempo) generada por los canales de plasma. Las emisiones en muchas líneas espectrales asociadas con reacciones de streamers y líderes con los componentes principales de la atmósfera son relevantes para las observaciones visuales. Este trabajo presenta un capítulo de revisión de la literatura actual sobre los procesos asociados a las descargas atmosféricas y los principales conceptos aplicados. A continuación, se realiza una descripción detallada de la instrumentación disponible para las pruebas realizadas en laboratorio y en campo. El primer artículo de este compendio presenta datos obtenidos con experimentos de una varilla puesta a tierra sujeta a un campo eléctrico de fondo elevado en laboratorio y en campo. Un número limitado de trabajos en la literatura han presentado dichos datos. Un análisis que correlaciona la frecuencia del pulso, el nivel del campo eléctrico y la velocidad media del viento es la principal novedad del artículo. Un artículo presentado en congreso adjunto a la tesis complementa los resultados y realiza una comparación de las descargas observadas en otros dos sitios experimentales. El segundo artículo presenta una recopilación de resultados obtenidos en el laboratorio para la investigación de la huella óptica en dos líneas específicas de los espectros (337 nm y 777 nm), las que tienen emisiones más intensas en los rayos. Existe una relevancia especial de dichos experimentos para respaldar las observaciones de rayos basadas en satélites por el Monitor de Interacciones Atmosfera-Espacio (ASIM) que realiza mediciones ópticas en los mismos rangos de longitud de onda y los generadores de imágenes de rayos operacionales como Geostationary Lightning Mapper (GLM) y el futuro Meteosat Third Generation Lightning Imager (MTG-LI). Se presentan las conclusiones, junto con las perspectivas de trabajo futuro siguiendo los resultados originales alcanzados con este doctorado. Esta tesis finaliza con una descripción detallada de las actividades de difusión (presentación en seminarios y congresos, publicaciones en coautoría en revistas y congresos) y actividades formativas recibidas a lo largo de este proyecto. Finalmente, el apéndice presenta desarrollos y aplicaciones adicionales del sensor desarrollado durante este doctorado, que comprende experimentos realizados durante período de prácticas de dos meses en la Universidad Tecnológica de Eindhoven (TU/e), y un apartado con resultados para el uso de fotómetros para determinar la iniciación de un líder ascendente. Estos experimentos son particularmente interesantes para comprender la producción de cargas espaciales y en la validación de pararrayos. Los conceptos aplicados al desarrollo del sensor de corriente de descarga corona fueron patentados junto con Dena Desarrollos, empresa donde se llevaron a cabo las investigaciones durante este doctorado.Postprint (published version

Técnicas avanzadas para el tratamiento y procesamiento de señales de campos electromagnéticos generados por rayos

Los rayos son transitorios de alta corriente cuya energía es radiada desde las bajas frecuencias hasta algunos cientos de MHz. Estas descargas eléctricas son consideradas como una de las fuentes de perturbación electromagnética más severas, pueden afectar equipos y sistemas eléctricos, electrónicos y de comunicaciones y, en caso, extremo pueden causar la muerte de personas y animales. Durante varias décadas, el estudio de los rayos se ha basado en la medición remota de los campos eléctricos y magnéticos generados durante el proceso de la descarga (LEMF). Estas mediciones se han convertido en una de las herramientas más útiles en la investigación de los rayos y su estudio ha permitido entender buena parte de los procesos que se desarrollan durante este fenómeno atmosférico. No obstante, dichos registros de campo eléctrico y magnético siempre están distorsionados por ruido y otras componentes indeseadas. Esta situación afecta la interpretación de las características de la forma de onda y dificultan su caracterización en el dominio del tiempo y en el dominio de la frecuencia. Esta tesis presenta una discusión sobre un conjunto de nuevas técnicas que facilitan la reducción de ruido y permiten un adecuado análisis tiempo-frecuencia sobre señales de campo eléctrico y campo magnético radiadas por los return strokes de flashes nube-tierra (CG). Las técnicas de reducción de ruido se basan en el desarrollo de filtros adaptativos en el dominio de la transformación de Fourier fraccionaria discreta (DFRFT) y en la combinación de la aproximación local polinomial (LPA) con el algoritmo de intersección de intervalos de confianza (ICI). Por su parte, se propone desarrollar el análisis-tiempo frecuencia usando la transformación polinomial de Fourier (LPFT), la cual es una representación tiempo-frecuencia que utiliza en su kernel una función polinomial para describir las características de frecuencia instantánea (IF) de señales de fase variante en el tiempo. Para facilitar la comprensión de las técnicas propuestas se presenta una revisión teórica ilustrando sus propiedades, ventajas y desventajas. Así mismo, se proponen un conjunto de algoritmos necesarios para su implementación computacional, evaluando su complejidad y tiempo de cómputo requerido. Los resultados muestran que las técnicas de reducción de ruido basadas en la DFRFT y LPA-ICI tienen mejor desempeño y proporcionan mejores resultados que aquellos obtenidos con métodos convencionales como la FT, los filtros lineales FIR y varios métodos robustos basados en la transformación de wavelets discreta (DWT), los cuales han sido presentados y validados en otras investigaciones. Por su parte, el estudio reveló que la aplicación de la LPFT sobre las señales de LEMF mejora la concentración de energía, aumenta la resolución de los periodogramas y reduce los errores en la estimación de la IF. Además, el uso de esta técnica de procesamiento permite identificar componentes adicionales de media frecuencia (a partir de 50 kHz y superior) que no son observadas usando técnicas convencionales como la transformación de Fourier de corto tiempo (STFT) y la transformación de wavelets (usada en trabajos previos). Estas bandas de frecuencia, aunque poseen baja energía, son intensificadas al aumentar el orden polinomial. La prueba y validación las técnicas propuestas fueron realizadas usando registros de campo eléctrico y magnético capturados por diferentes sistemas de medición instalados en Colombia (2004, 2013 y 2016) y Sri Lanka (2016). Estas mediciones permitieron analizar el comportamiento de 509 flashes CG y caracterizar los parámetros temporales y espectrales de 1385 return strokes capturados en el rango de 0 a 250 km. Adicionalmente, a partir de las mediciones y del procesamiento (filtrado y análisis tiempo-frecuencia) de los registros disponibles se realizaron comparaciones con diferentes regiones del mundo. Estas comparaciones mostraron que, aunque Bogotá se encuentra localizada en una latitud cerca de la línea del Ecuador, los flashes y los return strokes medidos en la ciudad y sus alrededores exhibe un comportamiento diferente al reportado en las regiones tropicales, subtropicales y templadas. Estas diferencias son más notorias en algunos parámetros de los flashes CG negativos (porcentaje de flashes con un solo stroke, multiplicidad promedio, duración del flash e intervalo entre strokes), así como algunos parámetros de los return strokes (valor máximo del campo eléctrico, tiempo de frente, tiempo de cruce por cero y el sobrepico de polaridad opuesta). La variación de estos parámetros se puede deber a la localización geográfica de Bogotá (región montañosa) y sus condiciones climáticas.Abstract: Lightnings are high current transients whose energy is radiated from low frequencies up to several hundred MHz. These discharges are considered one of the most severe sources of electromagnetic disturbances, can affect equipment and electrical, electronic and communications systems, and in extreme case, can cause the death of people and animals. For several decades, the study of lightning has been based on the remote measurement of electric and magnetic fields generated during the discharge process. These measurements have become one of the most useful tools in the investigation of lightnings and their study have allowed to understand a good part of the processes that are developed during this atmospheric phenomenon. However, such electric and magnetic field records are always distorted by noise and other unwanted components. This situation affects the interpretation of the characteristics of the waveform and make it difficult to characterize it in both the time and the frequency domain. This thesis presents a discussion on a set of new techniques that facilitate the reduction of noise and allow an adequate time-frequency analysis on electric field and magnetic field signals radiated by return strokes of cloud-ground (CG) flashes (LEMF). The noise reduction techniques are based on the development of adaptive filters in the discrete fractional Fourier transform (DFRFT) domain and the combination of the local polynomial approximation (LPA) with the intersection of confidence intervals (ICI) algorithm. On the other hand, it is proposed the frequency-time analysis of LEMF signals using the local polynomial Fourier transform (LPFT), which is a time-frequency representation that uses a polynomial function in its kernel to describe the instantaneous frequency (IF) characteristics of time-varying phase signals. To facilitate the understanding of the proposed techniques, a theoretical review is presented illustrating its properties, advantages and disadvantages. In addition, a set of algorithms necessary for its computational implementation is proposed, evaluating its complexity and computational costs. The results show that noise reduction techniques based on DFRFT and LPA-ICI perform better and provide better results than those obtained with conventional methods such as FT, FIR linear filters and several robust methods based on the discrete wavelets transform (DWT), which have been presented and validated in other investigations. The study also revealed that the application of LPFT on LEMF signals improves the energy concentration, increases the resolution of periodograms and reduces the errors during the IF estimation. In addition, the use of this signal processing technique allows the identification of additional medium-frequency components (from 50 kHz and above) that are not observed using conventional techniques such as the short-time Fourier transform (STFT) and the wavelets transform (used in previous works). These frequency bands, although possessing low energy, are intensified by increasing the polynomial order. The testing and validation of the proposed techniques were performed using electric and magnetic field records captured by different measurement systems installed in Colombia (2004, 2013 and 2016) and Sri Lanka (2016). These measurements allowed to analyze the behavior of 509 CG flashes and to characterize the temporal and spectral parameters of 1385 return strokes captured in the range of 0 to 250 km. In addition, comparisons with different regions of the world were made from the measurements and the processing (filtering and time-frequency analysis) of the available records. These comparisons showed that, although Bogota is located at a latitude near the line of the Equator, the flashes and the return strokes measured in the city and its surroundings exhibit a behavior different from that reported for tropical, subtropical and temperate regions. These differences are more noticeable in some parameters of the negative CG flashes (percentage of flashes with a single stroke, average multiplicity, duration of the flash and interval time between strokes), as well as some parameters of the return strokes (maximum value of the electric field, time front, crossing time by zero and the overlap of opposite polarity). The variation of these parameters largely depends on the geographical location of Bogota (mountainous region) and its climatic conditions.Doctorad