Instrumentation and signal processing applied to atmospheric electricity

Abstract

O conhecimento atual diz-nos que a atmosfera da Terra em si aprensenta-se como um circuito elétrico global, que proporciona uma atmosfera continuamente eletrificada. O estudo deste circuito global, bem como os efeitos, globais e locais, sobre a componente vertical do campo eléctrico atmosférico, geralmente designada como gradiente de potencial, são de grande importância não só devido à resposta dinâmica do gradiente de potencial em relação a estes efeitos, mas também porque é possível recuperar informações a partir das suas medidas para inferir propriedades importantes de fatores externos. Desta forma, o impacto dos efeitos externos sobre o gradiente de potencial foram estudados para Lisboa desde 1955 a 1991. As medições foram feitas usando um electrómetro Benndorf na estação meteorológica de Portela (nos subúrbios de Lisboa e perto do Aeroporto de Lisboa). Como Lisboa é uma cidade histórica, muito povoada e perto do mar, que fornece um conjunto de efeitos externos, como a poluição, que podem e devem ser estudados com recurso a mediadas de gradiente de potencial. O estudo elaborado contempla o efeito da poluição antropogénica como um efeito local no gradiente de potencial e a confirmação de um ciclo semanal persistente, devido à poluição urbana. Este estudo foi complementado com uma análise da dependência da direção do vento. Um segundo estudo foi feito sobre o efeito da humidade relativa sobre o gradiente de potencial. Uma formulação foi desenvolvida para relacionar propriedades microfísicas dos aerossóis, principalmente o parâmetro de higroscospicidade, com a medida macrofísica que é o gradiente de potencial. Resultados razoáveis foram obtidos entre o modelo e os dados experimentais, indicando a presença de uma fracção de aerossóis higroscópicos. Um terceiro estudo foi baseado num evento particular, o incêndio do Chiado, que teve lugar no dia 25 de agosto de 1986 e é considerado o acidente mais trágico que ocorreu em Lisboa desde o terramoto de 1755. O efeito da pluma de fumo sobre o gradiente de potencial, assim como o transporte da pluma desde área do Chiado até à Portela foram estudados. Foi observado pela primeira vez que o fumo do incêndio foi responsável por um aumento de gradiente de potencial significativo com uma baixa probabilidade de ocorrer por acaso. Este estudo pode incentivar o uso de medições gradiente de potencial em detectores de rede de incêndios. Finalmente, foram realizadas simulações sobre o Circuito Global Elétrico (circuito primário) e seu acoplamento para medições locais (circuito secundário). O objectivo foi o de separar os efeitos globais dos efeitos locais gerados pela poluição sobre a resistência colunar na superfície da Terra onde as medições são realizadas; Abstract: Present knowledge tells us that Earth’s atmosphere itself represents a global electrical circuit, which provides a continuous electrified atmosphere. The study of this global circuit as well as the effects, globally and locally wise, on the vertical component of the atmospheric electrical field, usually referred as Potential Gradient, are of great importance not only because of the dynamical response of the Potential Gradient to those effects, but also because it is possible to retrieve information from its measurements to infer the proprieties of important external factors. In this way, the impact of external effects on the Potential Gradient was studied for Lisbon from 1955 to 1991. The measurements were done using a Benndorf Electrograph at the Portela meteorological station (in the suburbs of Lisbon and near the Lisbon Airport). Since Lisbon is an historical city, very populated and near sea, it provides a set of external effects, like pollution, which can and should be studied through measurements of Potential Gradient. The core study done contemplates the effect of anthropogenic pollution as a local effect on the Potential Gradient and the confirmation of a persistent weekly cycle, due to urban pollution. This study was complemented with a wind direction dependence analysis. A second study was made regarding the effect of relative humidity on the Potential Gradient. A formulation was developed to relate microphysical proprieties of the aerosols, mainly the hygroscopicity parameter, with the macrophysical measure of Potential Gradient. Reasonable fits were obtained between the model and the experimental data indicating the presence of a small fraction of hygroscopic aerosols. A third study was based on a particularly event, the Chiado’s fire that took place on 25th of August 1989 and is considered the most significant hazard which occurred in Lisbon since the 1755 earthquake. The effect of the smoke plume on the Potential Gradient, but also how the plume travelled from the Chiado area to Portela was studied. It was observed (for the first time) that the fire smoke was responsible for a significant Potential Gradient increase with a low probability to occur by chance. This study might encourage the use of Potential Gradient measurements in fire network detectors. Finally, simulations regarding the Global Electrical Circuit (primary circuit) and its coupling to local measurements (secondary circuit) were performed. The objective was to separate the global effects from the local effects generated by pollution on the columnar resistance at Earth surface where measurements are made.