JPH0627876B2

JPH0627876B2 - 多機能型雷警報器

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Publication number: JPH0627876B2
Application number: JP2112599A
Authority: JP
Inventors: 儀一郎加藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-04-27
Filing date: 1990-04-27
Publication date: 1994-04-13
Anticipated expiration: 2009-04-13
Also published as: AU625891B1; DE4113935C2; GB2254701B; GB9107665D0; DE4113935A1; FR2676547B1; FR2676547A1; GB2254701A; JPH049792A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明の装置は主に飛行場等の安全対策に使用される。
飛行場の場合は、気象観測の情報が豊富であり、レーダ
ー情報により、遠方の発雷は早くからわかる。それにも
かかわらず、地上で航空機を整備している際に、その航
空機に落雷があり、整備員が死傷する事故や、航空機の
離陸と着陸の際に、予期せざるマイクロバースト（瞬間
突風）に見舞わられる危険（第１図）がある。

このため、適当な時期に適当な警報が特に必要である。
安全対策の第一は、これらの情報をタイミングを逸せず
活用することである。

中距離程度の雷の活動が把握出来れば、油断することな
く、種々の気象情報を利用して安全対策に十分な働きが
出来る。しかしマイクロバーストはごく短時間の活動だ
し、事件の僅か数分まえでなければ、だれでも予測が困
難な問題である。

通常の襲雷予知に並行して、マイクロバーストの発生前
の貴重な数分を、あらかじめ、電気的な方法で予知する
多機能型雷警報器を提案するものである。

なお、第１図について簡単に説明すれば、滑走路１０１
にある航空機１０２が離陸する場合、通常は予定のコー
ス１０３を飛行するが、マイクロバーストが襲ったとき
は、下降気流１０４の影響により、航空機１０２は１０
５の方向に降下して事故を起すのである。

［従来の技術］特公平１−３２９５９号公報に示すように、従来はゴル
フ場などレジャー施設における落雷事故防止に重点がお
かれているため、中距離（約３０km）のもので、とくに
１０km付近へ落雷が侵入する危険を予知し警報するもの
である。

たとえば第２図のモデル的な雷雲と、その地表電界を示
し、第３図はその雷雲が矢印のように進行した場合に、
第２図の（Ａ）点で観測した場合、時間の経過とともに
地表電界強度がどう変化するかを示す。図中記号Ｋで示
される区域では、電界急変化検出器の信号と、コロナ電
流が同時に検出されるので、雷が頭上に接近しているこ
とが解る。しかし、これだけの機能では、上記したマイ
クロバーストを事前に予知することは不可能である。

［本発明が解決しようとする課題］地上の誘導電極板に誘導する電圧が、雷放電で急変化す
る数を一定時間積算して、ある設定値を超えた場合に信
号する電界急変化検出器は、通常３０km圏内での雷放電
を検知するが、さらに受信感度を下げると１０km以内に
限定することも可能である。そのほか、多くの落雷から
至近地点に落雷したことを鑑別することも益々貴重であ
る。

近年マイクロバーストの発生機構については、専門の研
究者によりほぼ解明された。即ち、大気が不安定で雷雲
の発生しやすい状態の時に、発生した雲の中心部には強
い上昇気流があって、雲の高さが１２０００ｍ位になる
と、その辺の温度は−４０℃〜−６０℃にもなるので、
あられやひょうが大量にできて、それらは、もはや上昇
気流で支えきれず落下するようになる。従って始めは雲
頂付近に激しい対流が起るが、上昇気流と下降気流のバ
ランスが変わってくるため、次第に激しい対流の箇所が
下降してゆく。

この間の激しい摩擦と上下運動で、正と負の電荷が分離
して、雲頂付近に正電荷、その下側に負電荷が蓄積され
て雲内放電が起こる。

負電荷の中心付近はおよそ地上６km（−１０℃位のとこ
ろ）で、この時の放電の数は、およそ１分間に３〜５個
位の割合である。しかし、この付近に順調に負電荷が蓄
えられたとしても、まだ地上放電を開始するまでの活発
なエネルギーとは言えないから、いつもすぐ落雷すると
いうわけにいかない。ある場合は雲頂の氷が負電荷の中
心を突き抜け、氷が解けて氷まじりの大量の降水現象が
起こる。この時に正電荷も氷と一緒に負電荷の下側（０
℃以上）に潜りこんで、負電荷を引き付け、この刺激が
地上落雷を誘因する結果になる。この段階になると最初
の地上落雷から数分遅れて、強い下降気流が発生する。

以上がマイクロバーストの発生機構と電気的現象の相関
関係である。

最初の地上落雷とマイクロバーストの発生までに数分の
時間遅れがあるのは、雲の中に存在する対流箇所と地上
までの距離のためで、落雷は下降気流の中心が地上のす
ぐ直上にくるよりも早く起こるためである。即ち、マイ
クロバーストに先立ち最初の地上落雷があり、それより
も少し前に活発な雲内放電がおこることが高名な研究者
により発表されている。第４図に雲内放電と大地放電の
電気的構造模型を示す。（ａ）は二極型、（ｂ）は三極
型の雷雲である。

本発明は、従来からの襲雷予知装置に、上記したマイク
ロバースト発性の機構に基づく固有な電気的現象をキャ
ッチできる手段を組み入れた、多機能型雷警報器を提案
する。

［課題を解決するための手段］上記した問題を解決するため、雷雲の電荷及び雷放電に
よる電荷の急速な移動が、地表の観測点に及ぼす効果に
ついて考えられる点は、１．電界急変化と雷雲までの距離雷放電に伴う電磁波の受信感度の強弱で雷雲までの距離
を推定することは、電波の性質が複雑であるために困難
である。しかし、電界の急変化を検出した場合には、下
記の数式が利用できる。電界急変化の信号量をＳとすれ
ば、Ｓ＝Ｑ（１／ｄ^ｎ）ただし、Ｑ；中和した電荷量ｄ；距離ｎ；雷雲からの距離により、最高２から１または１以下
になる（雲が近い時）つまり、雷雲が点電荷と思ってよい位遠方ならば距離の
自乗に反比例し、点電荷と考えられない位接近すると逆
比例に近くなる。

２．コロナ電流と雷雲までの距離コロナ電流はコロナ針電極に作用する電界の自乗に略比
例し、電界の強さは雷雲までの距離に略逆比例するか
ら、雲の電荷量が同じなら、コロナ電流は電荷の分布中
心からの距離の三乗に逆比例する。

３．空間電荷とコロナ電流の関係通常の場合、雲の雲底と地表面の間には、雲底の電荷と
は逆の極性の空間電荷が存在することが知られている。
それらの状況を電気力線を用いて表現すれば第５図
（ａ）のようになる。図における記号の−は負電荷、
は空間電荷、＋は地表電荷、は電気力線とする。

第５図（ｂ）は、その雲から落雷があった場合で、雲の
負電荷は急激に減少するが、空間電荷の分布はすぐに変
化しない（１部分は落雷の際の放電路によって中和され
る）。

大地は導体であるから直ちに負電荷が現れ、地表面電界
は図示のように逆転してかなり強大になる。この時に、
極性の変化を伴う大幅な地表電界強度の変化を時間の経
過と関連して表わせば、前記の第３図のうちＰ点に相当
する。

次にこの原理をわかりやすく説明するために具体的な数
字を用いる。例えば雲底と大地間との距離を１km、大地
と雲底との間の電位差を約１億ボルトとして、もし空間
電荷かないとすれば、地表電界値は、Ｘ＝１×１０^８／１×１０^３＝１×１０^５Ｖ／ｍとなる。

実測値Ｘ_ａは、１０^４Ｖ／ｍ位であるから、その差はＸ−Ｘ_ａ＝９×１０^４Ｖ／ｍとなる。

実際は空間電荷があるので、その空間電荷に基づく地表
の逆電界をＸ_ｂとすると、このＸ_ｂが上記の差値９×１
０^４Ｖ／ｍになる。

そこで近傍に落雷があって頭上の雲の電荷が殆ど零にな
ったとすると、空間電荷の大部分が一瞬取り残されるの
で、これによる地表電界Ｘは、逆向きで略９万Ｖ／ｍに
近い値となる。従って落雷直前のものに比べ、逆向きの
相当強い電界を生じる。従って、極性の急反転をともな
う、大幅なコロナ電流値の変化が検出された場合にかぎ
り近傍に落雷したと見なすことが出来る。

以上に述べた襲雷と、近傍落雷の科学的な予知原理を利
用すれば、襲雷を段階的に予知することも、頭上に発達
中の強い電荷を持った対流性の雲があることも、近傍に
落雷があったことも判断することが可能である。

即ち、地上に絶縁した電極板と針電極を併設し、電極板
には、感度調整の大なる第一電界急変化検出器と感度調
整の小なる第二電界急変化検出器を接続し、針電極には
直流増幅器及び第６図に示したような中心が零目盛り
で、その両側に正電流と負電流の設定針を取り付けたコ
ロナ電流計を接続する。第一電界急変化検出器とコロナ
電流計の各々の単独信号出力で注意報を、第一電界急変
化検出器と、正負いずれの場合でもコロナ電流計の同時
信号出力で警戒警報を報知する。

また、前記設定針付きのコロナ電流計には、さらに正電
流と負電流が設定値を超えた場合に動作するリレーと、
その保持回路が接続されており、極性の急反転を伴うコ
ロナ電流の大幅な変化を検出した場合に信号を出力する
回路を設け、その信号出力で落雷点が至近距離に接近し
たことを知らせる落雷警報を報知する。さらに前記第二
電界急変化検出器の信号出力で非常警報を発報する。

上述した中では感度調整の大なる第一電界急変化検出器
と、感度調整の小なる第二電界急変化検出器と区別した
が、実際には下記のごとく、検出器の主な構成要素であ
る低周波増幅器、雷放電の数を積算するためのカウンタ
ー、一定の積算時間を限定するためのタイマーの各々に
切り替えスイッチを取り付けたものを使用する場合が多
い。第７図は電界急変化検出器のブロックごとの結線図
である。利得切替えスイッチ付き低周波増幅器４１、カ
ウント数切替えスイッチ付き積算器４２、時限時間切替
えスイッチ付きタイマー４３、警報出力回路４４からな
る。そして（ｉ）は入力側、（ｏ）は出力側である。

［作用］本発明は、複数の電位急変化検出器と設定針付きのマイ
クロアンメーターを利用したリレー回路により、誘導電
界ならびに静電界を観測しているので、近傍の空間電荷
に影響されることもなく、正確に雷雲の接近を知ること
が出来る。

また雷が遠方から接近する場合は、電界急変化検出器の
検出可能な最低感度は、雷の放電電荷量が同じならば雷
放電までの距離の自乗に略比例するから、適当な感度を
選択すれば、必要以上に遠いものは、カウントせず、と
くに接近時の雷は感度が急増するため、接近の度合いが
明確に判断できる。

頭上での雷放電の場合に、電界急変化検出器の検出可能
な最低感度は距離に正比例するから、比較的小さくて適
当な感度を選択すれば、頭上の雷のみ監視することが出
来る。また雷雲が頭上から遠ざかってゆく際の信号の強
さと距離は逆比例するので、判断がきわめて容易であ
る。

また、コロナ電流計は雷雲の電荷の分布中心から、距離
（電気力線は雲から直角に出て、地上に直角に入る）の
三乗に比例して増加するので、頭上の対流性の雲が雷雲
に発達する場合は、鋭敏に動作する。また、マイクロバ
ーストの前兆ともいえる雲底の負電荷が正電荷に変化し
た場合の監視についても、タイミングを逸することがな
い。

また多くの落雷の中から、ごく近傍に発生した落雷だけ
を選別することも可能である。

本発明の雷警報器は遠方の発雷や、その雷の接近を素早
く予知し、頭上で発達中の強い電荷を持つ対流性の雲も
早期に発見することが出来る。そして、落雷点の接近も
判断し、雷の遠ざかる様子にいたるまで、事細かに知る
ことができる。その結果として、航空機の離陸や着陸の
際に、最も恐れられているマイクロバーストの前兆とし
て現れる活発な雲内放電、地表電界の負極性から正極性
への転換、最初の地上雷撃などの諸現象が続けて起こっ
た場合には、それらを総合的に判断してマイクロバース
トの発生を事前に予知することも可能である。

［実施例］本発明の多機能型警報器の一実施例を第８図に示す。１
は誘導電極板、２は接地端子、２３は中程度の受信感度
を有する電界急変化検出器、２４は、さらに低い感度の
電界急変化検出器、５はコロナ針電極、６は雨切り型の
絶縁碍子、７は直流増幅器、８は前記した中心が零で両
側に設定針を持つマイクロアンメーター、９は前記マイ
クロアンメーターの正電流および負電流の各々に対して
個別に連動して作動するメーターリレー、１０は同じ
く、正負電流のいずれに対しても動作するメーターリレ
ー、そして、正電流接点を１１、負電流接点を１２とす
る。１３，１４は保持回路（復帰時間０．１〜０．５
秒）、１５は前記正電流接点、負電流接点が同時に動作
した場合に働くリレーで、１６は『注意報』、１７は
『警報』、１８は『非常警報』である。そして１９は
『落雷警報』である。

マイクロバーストを予知する場合には、前記したマイク
ロバーストの発生機構を考慮し、前記の注意報、警報、
非常警報、落雷警報等の各種警報を総合的に判断して決
める。

［効果］従来の雷警報器は、ゴルフ場など限られた区域に遠方か
らの接近する雷、または強い電荷をもつ対流性の雲が、
頭上で発達中であることを発見することが主たる目的で
あった。

本発明のものは、従来のものをさらに改良して精度を高
めたものである。雷の電荷が点と見なせる位遠方から雷
雲が接近する場合と、雷が頭上によって、雷の電荷は点
とは見なせない場合では、雷放電に伴う電界変化の信号
量は、前者では距離の自乗に逆比例、後者では単に距離
に逆比例することに着目し、前述したごとく、感度の著
しく異なる２つの電界急変化検出器を組み合わせて使用
していることが特長である。即ち、雷が遠方から接近す
る場合は、感度大なる電界急変化検出器の検出可能な最
低感度の付近では、距離が少しでも離れれば感度は無く
なるし、少しでも近づけば、信号量は距離の自乗に逆比
例するので、極端に多くなるため、遠方の雷に対して、
必要以上のものは感知せず、少しでも接近する気配のあ
る雷には極めて敏感である。

また、感度小なる電界急変化検出器では頭上と、ごく近
傍の雷だけ応答させるように、検出可能の感度を設定す
ることも可能である。この場合は頭上の雷が頭上から離
れてゆく場合には、信号量は距離に比例して減少するか
ら、雷の危険が無くなり、警報を解除するためのタイミ
ングを把握しやすい。かように遠方から接近する雷の予
知、または頭上の雷が去って行く場合の判断には、単独
の電界急変化検出器を用いるよりも、本発明のごとく感
度の異なる複数のものを使用する方が極めて有利であ
る。

また、コロナ針電極に接続しているメーターリレー型の
マイクロアンメーターは、中心が零目盛りで両側に正負
の電流目盛りが刻まれているから、雲底の電荷の極性が
正負いずれであるかの判断も容易である。また、極性の
変化を伴う大幅な電流値の変化は、放電量が大きく、至
近距離の大地放電を意味する。前述した感度の小なる電
界急変化検出器の信号と、コロナ電流の変化を同時に監
視すれば、航空機の離着陸の際に最も恐れられているマ
イクロバースト（雷雨性の突風）のごとく、その発性前
の数分前までは、だれも予測できない自然現象について
も、本発明の多機能型雷警報器では、これを事前に予測
することも可能である。

また、電界急変化検出器は、増幅器の感度、積算器のカ
ウント数、タイマーの限定時間等について、各々、複数
段階に切り替え可能のごとく、切り替えスイッチを備え
ているので、感度および一定時間内の雷放電の一定のカ
ウント数の設定値を自由に変えることにより、前記した
２つの検出器は、感度および設定条件の異なる、いく種
類もの組みあわせが自由に得られるので、その組みあわ
せを種々と調整することにより、さらに正確な雷予知を
期待することも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は航空機の離陸時に「マイクロバースト」が襲っ
た場合の想像図。第２図はモデル的な雷雲と地上電界強
度の関係を示した図。第３図は上記の雷雲が矢印のよう
に進行した場合、第２図（Ａ）点で観測した、地表電界
強度の時間的変化を示すグラフ、第４図は雷雲の電気的
構造模型で、（ａ）は二極型、（ｂ）は三極型である。
第５図（ａ）は落雷前の地表電界と空間電荷の関係を電
気力線で示す図、第５図（ｂ）は第５図（ａ）のものが
落雷（大地放電）によりどう変化するかを同じく電気力
線で示す図、第６図は中心が零目盛りで、両側に正負両
方の電流に対応できる設定針を持つ、メーターリレー型
マイクロアンメーターである。第７図は感度および積算
器のカウント数、タイマーの時限時間等を複数段階に切
り替え可能のごとく、切り替えスイッチを備えた電界急
変化検出器のブロックごとの結線図。第８図は上述した
ごとき、マイクロバーストの予知も可能のごとく設計さ
れた中距離用の襲雷警報器であり、本発明の複数の電界
急変化検出器を持つ、多機能型のものである。１……誘導電極板、２……接地端子、５……コロナ針電
極、６……雨切り型の絶縁碍子、７……直流増幅器、８
……マイクロアンメーター、９，１０……メーターリレ
ー、１１……正電流接点、１２……負電流接点、１３，
１４……保持回路、１５……リレー、１６……注意報表
示器、１７……警戒警報表示器、１８……非常警報表示
器、１９……落雷警報表示器、２３……高い受信感度の
電界急変化検出器、２４……低い受信感度の電界急変化
検出器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】地上に絶縁した電極板と針電極を並設し、
電極板には感度調整の大なる第一電界急変化検出器と、
感度調整の小なる第二電界急変化検出器を接続し、針電
極には直流増幅器及び設定針付きのコロナ電流計を接続
する。第一電界急変化検出器とコロナ電流計の各々の単
独信号出力で注意報第一電界急変化検出器の信号出力と
正負いずれの電流でもコロナ電流計の信号出力が同時な
ら警戒警報、第二電界急変化検出器の信号出力で非常警
報を発報する多機能型雷警報器。
【請求項２】第１項記載の装置において、前記設定針付
きのコロナ電流計には、さらに正電流と負電流が設定値
を超えた場合に動作するリレーと、その保持回路が接続
されており、極性の急反転を伴うコロナ電流の大幅な変
化を検出した場合に信号を出力する回路を設け、その信
号出力により、落雷点の接近を知らせるための落雷警報
を発報する多機能型雷警報器。
【請求項３】第１項記載の装置において、前記電極板に
接続する雷放電検出器は、複数の感度切り替えスイッチ
を持つ低周波増幅器と、複数のカウント数の切り替えス
イッチを持つ積算器、そして複数の設定時間の切り替え
スイッチを持つタイマー、そして警報信号を出力する回
路で構成されている。