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

Abstract

This 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.