Aportaciones a la caracterización de las emisiones ópticas producidas por rayos y su detección desde el espacio

Abstract

(Castellà) Este trabajo de investigación se centra en la caracterización de las emisiones ópticas generadas por diversos procesos de rayos, con el objetivo de mejorar la interpretación de las detecciones ópticas realizadas desde el espacio. Las observaciones se efectuaron en el laboratorio natural de rayos en Barrancabermeja, Colombia, donde se ha desplegado un conjunto de instrumentos que complementan las mediciones espaciales. Durante la caracterización, se identificaron patrones específicos en las emisiones ópticas asociados a distintos procesos de rayos. Por ejemplo, algunas descargas presentan oscilaciones en sus emisiones ópticas, posiblemente relacionadas con la propagación inicial del líder en dirección vertical dentro de la nube de tormenta y su posterior transición a una propagación horizontal, fenómeno observado tanto en rayos intranube como nube-tierra. Asimismo, se detectaron rayos con propagación rápida (menos de 6 ms) que generan una forma de onda característica en la emisión óptica, acompañada de emisiones VHF que son captadas por redes de localización, mostrando una alta correlación con la forma de onda óptica. En cuanto a los líderes que se propagan hacia abajo en los rayos nube-tierra, sus emisiones ópticas se superponen con la luz detectada a lo largo del canal, lo que dificulta observar variaciones ópticas que se correlacionen directamente con su propagación.

Además, se llevó a cabo un análisis detallado de las formas de onda de las emisiones ópticas de rayos con corriente continua negativa observadas desde tierra, con el fin de evaluar la capacidad de detección de GLM (Geostationary Lightning Mapper) de estas corrientes. La comparación de las señales terrestres con las espaciales permitió una mejor comprensión de las diferencias en las detecciones desde el espacio, especialmente en relación con la duración reducida de las corrientes continuas reportadas.

Adicionalmente, se brindó soporte terrestre al proyecto ALOFT, una campaña de medición suborbital dedicada a investigar las emisiones de alta energía provenientes de las nubes de tormenta. Para ello, se empleó el avión ER-2, que voló a una altitud de 60,000 pies, equipado con ocho instrumentos, incluidos un conjunto de 25 fotómetros y dos detectores de alta energía. Como parte del apoyo a las mediciones de ALOFT, se instalaron una estación LMA, un sensor de alta energía activado por señales de VHF, una antena de campo magnético de LF y un interferómetro en la isla de San Andrés, Colombia.

(English) This research focuses on the characterization of optical emissions generated by various lightning processes, with the aim of improving the interpretation of optical detections made from space. Observations were conducted at the natural lightning laboratory in Barrancabermeja, Colombia, where a set of instruments has been deployed to complement space-based measurements. During the characterization, specific patterns in the optical emissions associated with different lightning processes were identified. For instance, some discharges exhibit oscillations in their optical emissions, possibly related to the initial vertical propagation of the leader within the storm cloud and its subsequent transition to horizontal propagation, a phenomenon observed in both intracloud and cloud-to-ground lightning. Additionally, fast-propagating lightning (less than 6 ms) was detected, generating a characteristic waveform in the optical emission, accompanied by VHF emissions that are captured by localization networks, showing a high correlation with the optical waveform. In the case of leaders propagating downward in cloud-to-ground lightning, their optical emissions overlap with the light detected along the channel, making it difficult to observe optical variations that directly correlate with their propagation.

Furthermore, a detailed analysis of the waveforms of optical emissions of lightning with negative continuous current observed from ground was conducted to evaluate the detection capability of these currents by the Geostationary Lightning Mapper (GLM). The comparison of ground-based signals with those obtained from space provided a better understanding of the differences in lightning detections from space, particularly regarding the reduced duration of the reported continuous currents.

Additionally, ground support was provided for the ALOFT project, a suborbital measurement campaign focused on investigating high-energy emissions from storm clouds. The ER-2 aircraft, flying at an altitude of 60,000 feet, was equipped with eight instruments, including an array of 25 photometers and two high-energy detectors. As part of the support for ALOFT measurements, an LMA station, a high-energy sensor triggered by VHF signals, a magnetic field LF antenna, and an interferometer were installed on the island of San Andrés, Colombia

(Català) Aquest treball de recerca se centra en la caracterització de les emissions òptiques generades per diversos processos de raigs, per tal de millorar la interpretació de les deteccions òptiques realitzades des de lespai. Les observacions es van fer al laboratori natural de raigs a Barrancabermeja, Colòmbia, on s'ha desplegat un conjunt d'instruments que complementen els mesuraments espacials. Durant la caracterització, es van identificar patrons específics a les emissions òptiques associats a diferents processos de raigs. Per exemple, algunes descàrregues presenten oscil·lacions en les seves emissions òptiques, possiblement relacionades amb la propagació inicial del líder en direcció vertical dins del núvol de tempesta i la seva transició posterior a una propagació horitzontal, fenomen observat tant en raigs intranúvol com núvol-terra. Així mateix, es van detectar raigs amb propagació ràpida (menys de 6 ms) que generen una forma d'ona característica a l'emissió òptica, acompanyada d'emissions VHF que són captades per xarxes de localització, mostrant una alta correlació amb la forma d'ona òptica. Pel que fa als líders que es propaguen cap avall als raigs núvol-terra, les seves emissions òptiques se superposen amb la llum detectada al llarg del canal, cosa que dificulta observar variacions òptiques que es correlacionin directament amb la seva propagació. A més, es va dur a terme una anàlisi detallada de les formes d'ona de les emissions òptiques de raigs amb corrent continu negatiu observades des de terra, a fi d'avaluar la capacitat de detecció de GLM (Geostationary Lightning Mapper) d'aquests corrents. La comparació dels senyals terrestres amb els espacials va permetre una millor comprensió de les diferències en les deteccions des de l'espai, especialment en relació amb la durada reduïda dels corrents continus reportats. Addicionalment, es va oferir suport terrestre al projecte ALOFT, una campanya de mesurament suborbital dedicada a investigar les emissions d'alta energia provinents dels núvols de tempesta. Per fer-ho, es va fer servir l'avió ER-2, que va volar a una altitud de 60.000 peus, equipat amb vuit instruments, inclosos un conjunt de 25 fotòmetres i dos detectors d'alta energia. Com a part del suport als mesuraments d'ALOFT, s'hi van instal·lar una estació LMA, un sensor d'alta energia activat per senyals de VHF, una antena de camp magnètic de LF i un interferòmetre a l'illa de Sant Andreu, Colòmbia.