[論文レビュー] On the effects of channel tortuosity on the close electromagnetic fields associated with lightning return strokes

J. Peer, A. Kendl|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2010

Lightning and Electromagnetic Phenomena参考文献 14被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、任意の形状のチャネルをパrametricなデカルト座標表現を用いて、高さに応じたリターンストローク速度を考慮した、稲妻の電磁界一般方程式を導出する。チャネルのねじれ（曲がりくねり）が近接電磁界を顕著に歪めることが示され、特に電場の誘導成分において、磁場ピークの時間的シフトと、20 mの距離で最大11%の誘導電場振幅の変化が生じる。ピーク効果は主に最初の2マイクロ秒に集中する。

ABSTRACT

The electromagnetic fields associated with tortuous lightning channels are usually characterised by a pronounced fine structure. This work investigates and quantifies the effects of channel tortuosity on the return stroke electromagnetic field shapes in the close lightning environment (the range up to 100m from the lightning striking point). General equations for lightning return stroke electromagnetic fields for arbitrarily located observation points are derived from Maxwell's equations. In order to include arbitrary channel shapes, the channel is described by a parametric representation in Cartesian coordinates with the channel length as the free parameter. The return stroke current required for the evaluation of the derived equations is calculated from a current generation type model. The field computations show that amplitudes and waveforms of the electromagnetic fields in the close lightning environment are considerably influenced by the channel shape. In particular, the induction component of the electric fields radiated by a tortuous lightning channel differs significantly from that associated with a straight channel.

研究の動機と目的

• 標準的な直線チャネル仮定を越えて、任意のチャネル幾何形状を想定した稲妻リターンストロークの電磁界をモデル化すること。
• チャネルのねじれが、打撃点から100 m以内の近接電磁界に与える影響を定量化すること。
• 特に一時的な磁場パulsesによって駆動される生物組織内の誘導電場に及ぼすねじれの影響を調査すること。
• 任意の観測点位置と可変なリターンストローク速度を扱える一般化された場の計算フレームワークを構築すること。

提案手法

• デカルト座標系におけるマクスウェル方程式から出発し、長さを自由パラメータとするパラメトリックチャネル表現を用いて一般化された電磁界方程式を導出する。
• 高さに応じたリターンストローク速度を考慮するため、実際の長さと遅延長さの式を定式化する。
• Coorayら（2004）の電流生成タイプモデルを用いて、チャネル長の関数としてリターンストローク電流分布を計算する。
• 正確な場の計算を実現するため、MATLABで台形則を用いた数値積分を実装し、空間分解能1 m、時間分解能5×10⁻⁹ sを設定する。
• 全電場と誘導電場を評価し、誘導成分を静電的寄与から分離する。
• 境界条件を単純化し水平成分に注目するために、完全導体地面平面仮定を採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チャネルのねじれは、稲妻リターンストロークの近接電磁界の振幅と波形にどのように影響するか？
• RQ2 チャネル形状が生物組織内の誘導電場に与える影響は何か。特に最初の2マイクロ秒における影響を問う。
• RQ3 ねじれの影響により、磁場の時間微分はどのように変化し、誘導電場にどのような影響を及ぼすか？
• RQ4 下部チャネルセグメントの姿勢が、放射電磁界の全体的な振幅にどの程度寄与するか？
• RQ5 電磁界の微細構造は、稲妻打撃点からの距離が増加するにつれてどのように変化するか？

主な発見

• ねじれたチャネルからの電場の誘導成分は、直線チャネルと顕著に異なる。特にピーク振幅とタイミングにおいて顕著な差が生じる。
• 正のx軸方向20 mでは、ねじれたチャネルのピーク誘導電場は直線チャネルの55%に低下するが、負のx軸方向20 mでは、直線チャネルのピークを1.1%上回る。
• ねじれたチャネルが放射する磁場のピークは、直線チャネルと比較して時間的にずれるため、磁場の時間微分が変化する。
• 打撃点からの距離が増加するにつれて、異なる方向を向いた複数のチャネルセグメントからの寄与により、電磁界の微細構造の相対的振幅が増大する。
• 誘導電場の主な変化は、磁場変化が最も速い最初の2マイクロ秒に集中する。
• 近接環境では、誘導電場が支配的な静電的成分によって重畳されるため、分離しない限り顕著に見えにくい。