System lokalizacji wyładowań atmosferycznych jako element informacyjny dla logistyki ratownictwa medycznego

Transkrypt

1 ŁUKASIK Zbigniew 1 WOJCIECHOWSKI Jerzy 2 System lokalizacji wyładowań atmosferycznych jako element informacyjny dla logistyki ratownictwa medycznego WSTĘP Zjawiska atmosferyczne, jakimi są burze oraz towarzyszące im wyładowania atmosferyczne stanowią duże zagrożenie dla zdrowia i życia ludzi. Porażenia prądem elektrycznym wyładowań atmosferycznych niosą ze sobą tragiczne skutki, jakimi są zgony lub bardzo ciężkie uszkodzenia ciała osób poszkodowanych. Zagadnienie to nabiera szczególnie dużej wagi w okresie częstego występowania burz, a więc przede wszystkim w czasie letnich wakacji oraz w miejscach dużych skupień ludności. Zagrożenie jest statystycznie szczególnie duże w miejscach letniego, zbiorowego wypoczynku na terenach otwartych. Wydaje się naturalne, że zarówno osoby wypoczywające, jak i służby ratownictwa powinny być koniecznie informowane o możliwości wystąpienia burzy oraz powinny być im dostarczane informacje o statystyce wyładowań atmosferycznych danego terenu. Na terenie Polski oraz całej Europy działają systemy wykrywania burz i ewidencji wyładowań. Powinny stać się one stałym elementem bezpieczeństwa obywateli oraz informacji dla służb ratownictwa medycznego o zwiększeniu prawdopodobieństwa zajścia wypadku, związanego z porażeniem wyładowania atmosferycznego. 1. SKUTKI PORAŻEŃ WYŁADOWANIAMI ATMOSFERYCZNYMI Niekontrolowany przepływ prądu elektrycznego przez organizm człowieka niesie ze sobą tragiczne skutki. Wartości graniczne bezpiecznego i dopuszczalnego dla organizmu człowieka natężenia prądu podawane są przede wszystkim w normach zawierających przepisy BHP [1]. Przyjmuje się w nich wartości napięć bezpiecznych z podziałem na prąd przemienny i stały oraz z wyróżnieniem warunków środowiskowych. Podawanie wartości napięć, a nie prądów, które faktycznie wywołują negatywne skutki rażenia związane jest z założeniem, określonej empirycznie, wartości rezystancji ciała człowieka. Przedstawiane w normach wartości napięć bezpiecznych wynoszą odpowiednio: 50V AC warunki środowiskowe suche, 25V AC warunki środowiskowe wilgotne i gorące (12V ekstremalne), 120V DC warunki środowiskowe suche, 60V AC warunki środowiskowe wilgotne i gorące (30V ekstremalne). Za wartość graniczną bezpiecznego natężenia prądu przyjmuje się: 25 ma AC oraz 50 ma DC. Są to wartości prądu, które nie niosą ze sobą negatywnych skutków oddziaływania na organizm ludzki, a człowiek poddany ich działaniu może samodzielnie uwolnić się od elementu będącego pod napięciem. Prądy wyładowań atmosferycznych bezpośrednich lub tylko indukowanych mają wielokrotnie większe wartości od podanych. Porażenie piorunem, poza przypadkami śmiertelnymi, może skutkować wielorakimi objawami, a najważniejsze z nich to: oparzenia, zatrzymanie krążenia, zaburzenia pracy serca, zatrzymanie oddechu, obrzęk mózgu, drgawki i inne. Rozróżnia się następujące rodzaje porażeń człowieka przez wyładowanie atmosferyczne: bezpośrednie (prąd rażeniowy przepływa bezpośrednio przez człowieka, najczęściej na drodze głowa-nogi), boczne (występuje w sytuacji uderzenia piorunu w drzewo, pod którym stoi człowiek; przede wszystkim obrażenia bocznej części ciała poszkodowanego), wskutek dotykania przedmiotu, w który wystąpiło 1 Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu, Wydział Transportu i Elektrotechniki, Radom; ul. Malczewskiego 29. Tel: , , Fax: , z.lukasik@uthrad.pl 2 Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu, Wydział Transportu i Elektrotechniki; Radom; ul. Malczewskiego 29. Tel: , , Fax: , j.wojciechowski@uthrad.pl 7891

2 uderzenie piorunu, porażenie napięciem krokowym (wynikające z przebywania w określonej odległości od miejsca uderzenia piorunu). Liczba osób porażonych w poszczególnych latach jest różna, a ma to zapewne związek zarówno z intensywnością występowania burz, obszarem ich występowania, jak i czynnikiem stochastyczności. Liczbę porażeń spowodowanych wyładowaniami atmosferycznymi w Polsce, w latach przedstawiono na poniższym rysunku [6]. Należy podkreślić, że z danych statystycznych wynika, iż porażenia spowodowały śmierć poszkodowanych w około 30% przypadków. Zazwyczaj (około 75%) ofiarami wypadków byli mężczyźni. Rys. 1. Liczba porażeń wyładowaniami atmosferycznymi osób na obszarze Polski w latach [6] 2. PROCES TWORZENIA BURZ I WYŁADOWAŃ ATMOSFERYCZNYCH Pod względem elektrycznym kula ziemska stanowi kondensator z nagromadzonym ładunkiem elektrycznym, w którym na skutek nieidealności dielektryka następuje przepływ prądu pomiędzy okładzinami. Dla układu kuli ziemskiej okładkami są ziemia oraz jonosfera, a przestrzeń pomiędzy nimi pełni funkcję dielektryka. W kondensatorze takim zachodzi ciągła wymiana energii, od najbardziej gwałtownego zjawiska, czyli wyładowania atmosferycznego do przepływu prądu o minimalnych wartościach. Wyładowanie atmosferyczne to zjawisko przepływu prądu elektrycznego towarzyszące burzom i przenoszące ze sobą duże wartości ładunku elektrycznego. W polskich warunkach występują dwa rodzaje burz, tj. frontalne i wewnątrzmasowe, które dodatkowo dzieli się na termiczne i adwekcyjne. Wyładowania atmosferyczne, w przypadku burz wewnątrzmasowych, związane jest z chmurami typu Cumulonimbus, mogącymi powstać z chmur typu Cumulus. Aby doszło do takiej przemiany muszą występować określone warunki atmosferyczne, tj.: silne wznoszące prądy powietrza, odpowiednio dużo wilgoci w atmosferze, odpowiednie stężenie jąder kondensacji w powietrzu. Każda chmura burzowa rozwija się zazwyczaj według trzech fazach, tj. fazy wzrostu, dojrzałej i zaniku. Wyładowania atmosferyczne są charakterystyczne dla fazy dojrzałej rozwoju chmury burzowej. W wyniku skomplikowanych procesów fizycznych w chmurach burzowych gromadzi się ładunek elektryczny, któremu towarzyszy potencjał elektryczny o znacznych wartościach. Z chwilą przekroczenia wartości krytycznej potencjału (5-10 kv/cm) zaczyna rozwijać się wyładowanie atmosferyczne, najpierw w postaci wyładowania niezupełnego (wyładowania pilotujące-lider), a następnie wyładowania zupełnego (główne wyładowanie piorunowe). Po pierwszym wyładowaniu następuje szereg wyładowań powtórnych. Ocenia się, że prąd wyładowania głównego może osiągać wartość maksymalne do 250 ka, a temperatura w kanale łukowym wynosi C. Wyładowanie może nastąpić pomiędzy chmurą i ziemią (typ GC lub CG - cloud to grodn lub ground to cloud), bądź pomiędzy samymi chmurami (typ CC - cloud to cloud). W przypadku wyładowań doziemnych mogą one być: dodatniego bądź ujemnego ładunku, odgórne bądź oddolne oraz zupełne bądź niezupełne. Istnieje więc możliwość rozwijania się wyładowania od ziemi, z czym mamy do czynienia w przypadku wysokich obiektów naziemnych. Szacuje się jednak, że 90% przypadków wyładowań to odgórne, ujemne. 7892

3 Należy podkreślić, że w procesie wyładowania atmosferycznego duże znaczenia ma charakter przypadkowości tego zjawiska. 3. SYSTEMY DETEKCJI BURZ I REJESTRACJI WYŁADOWAŃ ATMOSFERYCZNYCH W skali globalnej, europejskiej oraz krajowej istnieją centralne oraz regionalne systemy detekcji burz i rejestracji wyładowań atmosferycznych. Różnią się one właściwościami, możliwościami oraz obszarem zasięgu. Ze względu na budowę można je podzielić na: systemy naziemne stacje detekcji rozmieszczone są na powierzchni ziemi, systemy satelitarne stacje znajdują się na orbitach okołoziemskich. Systemy satelitarne mają możliwości obserwacji globalnej zjawisk wyładowań atmosferycznych, jednak ze względu na wysoki koszt budowy i eksploatacji są one mniej rozpowszechnione niż systemy naziemne. W skali światowej działają dwie duże, zintegrowane sieci naziemnych systemów wykrywania wyładowań atmosferycznych. Są to: NALDN (North American Lightning Detection Network) obszar USA i Kanady, EUCLID (European Cooperation for Lightning Detection) obszar Europy. Europejska sieć EUCLID obejmuje systemy detekcji działające między innymi w: Polsce, Słowacji, Hiszpanii, Austrii, Belgii, Holandii, Niemczech, Wielka Brytania, Czechach, Włoszech, Chorwacji, Portugalii, Francji, Norwegii oraz Szwecji. Sieć składa się z około 150 czujników, rozmieszczonych w 27 krajach Europy. Każdy system zachowuje swoją niezależność narodową i dostarcza danych dla poszczególnych aplikacji użytkowników w ich własnym kraju oraz dla sieci ogólnej. Podstawowe zastosowanie operacyjne sieci EUCLID to: meteorologia, hydrologia, zakłady energetyczne, komunikacja, ubezpieczenia, leśnictwo oraz obrona i lotnictwo. Sieć jest jednorodna pod względem jakości, skuteczności wykrywania i dokładności lokalizacji wyładowań. Przyjęto zasadę, że dane otrzymywane z czujników poszczególnych systemów przesyłane są bez analizy do analizatora centralnego i tam dopiero poddawane są opracowaniu. Rys. 1. Ekrany wizualizacji zjawisk wyładowań atmosferycznych zarejestrowane w dniu 7 lipca 2015 w systemie PERUN i sieci EUCLID [6],[7] Polski system detekcji burz i wyładowań atmosferycznych PERUN (SAFIR) skupia się wokół Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej (IMGW) [3],[4],[5],[7]. Został on wybudowany w 2001r. i oddany do użytku w roku następnym. System wykrywa min. 95% wyładowań atmosferycznych na terenie Polski oraz krajów sąsiednich. Wykrywa on wyładowania wszystkich typów, z ich klasyfikacją i pomiarem wielkości charakterystycznych. W skład systemu wchodzi 9 stacji detekcji, znajdujących się w Białymstoku, Częstochowie, Gorzowie Wielkopolskim, Kaliszu, Olsztynie, Sandomierzu, Toruniu, Warszawie i Włodawie. Centralnym elementem sieci jest jednostka główna, przyjmująca i przetwarzająca dane ze wszystkich stacji detekcji. W skład systemu wchodzi także około

4 użytkowników terminali klienta LTS2005, tj. min. Biura Prognoz Meteorologicznych oraz Lotniskowe Stacje meteorologiczne. Terminale LTS2005 wraz z oprogramowaniem dostarczają czytelnej i prostej w odbiorze wizualnej informacji o wyładowaniach atmosferycznych oraz posiadają funkcję powiadamiania o zbliżającym się niebezpieczeństwie. Działanie detektorów w systemie PERUN opiera się na obserwacji i rejestracji fal elektromagnetycznych niskich częstotliwości, tj. poniżej 1 MHz. Generacja fal w tej części widma stanowi charakterystyczny element towarzyszący przepływowi prądu w kanale wyładowania atmosferycznego. Maksymalne nasilenie wartości emitowanego pola elektromagnetycznego następuje w chwilach zmian wartości prądu piorunowego, w szczególności dla wyładowania typu chmuraziemia. Stacje detekcji są więc czujnikami pola elektromagnetycznego, które składają się z: zestawu anten prętowych, elektronicznego układu sterowanie-pomiar-analiza, konwertera optycznego oraz modemu komunikacyjnego. Detektory przekazują dane za pośrednictwem sieci LAN i WAN do głównej jednostki przetwarzania i analizy. W jej skład wchodzą wzajemnie rezerwujące się komputery, pozwalające na bezpieczną i niezawodną pracę całego systemu. Oprogramowanie zainstalowane u użytkowników systemu pozwala na wykonanie następujących czynności [3],[5],[7]: wizualizację lokalizacji wyładowań w czasie rzeczywistym z funkcjami dodatkowymi, tj. klasyfikacją wyładowania (chmura-chmura, chmura-ziemia) oraz czasem jego wystąpienia (archiwizacja do 24 godzin), wizualizację wyników analizy gęstości wyładowań na kilometr kwadratowy dla określonego przedziału czasu, i dla określonego obszaru wraz z intensywnością wyładowań, wizualizację lokalizacji komórek burzowych wraz z wektorem prędkości ich przemieszczania się (mapy izokeuraniczne, tj. przedstawiające liczbę dni burzowych w danym okresie), listing wyładowań chmura-ziemia wraz z ich danymi lokalizacyjnymi oraz parametrami elektrycznymi, listing wyładowań chmura-chmura wraz z ich przybliżonymi danymi lokalizacyjnymi, parametry analizy danych w formie statystycznej. Zastosowana technika systemu PERON pozwala na pełną, założoną konstrukcyjnie detekcję i parametryzację piorunów na obserwowanym obszarze. Rys. 2. Ekran wizualizacji zjawisk wyładowań atmosferycznych z systemu PERUN ( ) [7] Podstawowymi parametrami jakościowymi tego typu systemów jest skuteczność detekcji i dokładność lokalizacji wyładowań atmosferycznych. Jest oczywiste, że wraz ze wzrostem liczby detektorów wzrasta również jakość wykonywanych obserwacji. Dla systemu PERUN, w okresie jego powstawania, przeprowadzono liczne symulacje pozwalające połączyć dużą dokładność z minimalizacją liczby detektorów, a więc minimalizacją kosztów budowy i funkcjonowania systemu. W założeniach polski system detekcji wyładowań miała charakteryzować 95% skuteczność wykrywania zjawiska piorunowego z dokładnością lokalizacji poniżej 1 km. Według przykładowych 7894

5 analiz [7] wykonanych dla dwóch sezonów burzowych PERUN spełnia postawione przed nim wymagania. Najlepsze rezultaty uzyskano w centralnej części Polski, która jest jednocześnie centralną częścią całego systemu. Skuteczność jest mniejsza w obszarach zewnętrznych systemu oraz pomiędzy poszczególnymi stacjami detekcyjnymi. WNIOSKI Dla bezpieczeństwa ludzi oraz szybkiego działania służb ratunkowych znaczenie mają zarówno lokalne systemy detekcji burz, jak i ogólnopolska centralna sieć detekcji. Najważniejsze jednak jest świadome i powszechne korzystanie z dostępnej infrastruktury powiadamiania o zagrożeniu. Proces udostępniania informacji rozwija się poprzez inicjatywy lokalne, powiadamianie smsami oraz informatorami społecznościowymi, letnie akcje w obszarach atrakcyjnych turystycznie. Szkoleniami z zakresu systemów lokalizacji burz powinni być także objęte służby ratownictwa medycznego. Streszczenie W artykule przedstawiono krajowy, ogólnopolski system detekcji burz i wyładowań atmosferycznych, mogący pełnić ważną funkcję elementu informacyjnego dla służb ratownictwa medycznego. Zaprezentowano zarys zasady działania, najważniejsze dane techniczne oraz parametry systemu PERUN. W publikacji podano możliwości eksploatacyjne systemu z punktu widzenia użytkownika ostatecznego, czyli jednostek meteorologicznych, ratunkowych, wojskowych i innych. W artykule przedstawiono dodatkowe informacje, tj. oddziaływanie prądu elektrycznego na ciało człowieka, normy dopuszczalnych wartości prądu i napięcia rażenia oraz opisano zjawisko powstawania burz i wyładowań atmosferycznych. Słowa kluczowe: doziemne wyładowanie atmosferyczne, porażenie piorunem, PERUN The lightning localization system as an informational element for Emergency Medical Service logistics Abstract The article presented storm and lightning domestic detective system, which can provide a good information source for Emergency Medical Service. Showed the epitome of working rules, the most important technical data and PERUN system parameters. Exploitative possibilities of system were presented in this publication for final users such as meteorological, emergency, military entities (and others). Described accessory information, such as electricity affection on a human body, acceptable standards of electricity parameters and voltage destruction, the formation of storms and lightning phenomena. Keywords: cloud-to-ground discharge, struck-by-lightning, PERUN BIBLIOGRAFIA 1. PN-HD : 2009, Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym. 2. Kaliszan M., Karnecki K., Jankowski Z., Przypadek śmiertelnego rażenia piorunem w nietypowym miejscu centrum miasta. Archiwum Medycyny Sądowej i Kryminologii, 2012, LXII. 3. Bodzak P., System detekcji i lokalizacji wyładowań atmosferycznych. Gazeta Obserwatora IMGW, 5/ Janiszewski F., Instrukcja dla stacji meteorologicznych. Wyd. I. Warszawa: Wydawnictwa Geologiczne, 1988, ISBN Bodzak P., Systemy detekcji i lokalizacji wyładowań elektrycznych w atmosferze. Praca magisterska, Uniwersytet Warszawski, Wydział Fizyki, Warszawa, Skrok M., Nowicka A., Jurkowski P., Skutki porażeń wyładowaniami atmosferycznymi. Na ratunek, 03/