www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Principiile Radiolocaţiei

Absorbție și atenuare

Ilustrație 1: Absorbția unei unde electromagnetice de către atmosferă și componentele sale, ① ploaie puternică, ② ceață/nori, ③ ploaie moderată, ④ dispersie moleculară

Atenuare
Frecvență
① ploaie puternică
② ceață/nori
③ ploaie moderată
④ dispersie moleculară

Ilustrație 1: Absorbția unei unde electromagnetice de către atmosferă și componentele sale.

Absorbție și atenuare

O undă electromagnetică care trece prin atmosferă este parțial absorbită de componentele acesteia; în unele cazuri, această absorbție poate fi chiar totală. Energia astfel transferată către mediul absorbant va provoca diverse efecte, printre care încălzirea și reemiterea unei părți din energie la o lungime de undă diferită.

Absorbția depinde de frecvența (inversa lungimii de undă) utilizată. Oxigenul, vaporii de apă și precipitațiile au toate o frecvență de rezonanță care depinde de dimensiunile lor. Atunci când lungimea de undă utilizată este aceeași cu frecvența de rezonanță a acestor două molecule, o mare parte din energia fasciculului este utilizată pentru a le face să vibreze.

Graficul arată că absorbția variază în funcție de mediul absorbant. Oxigenul are o rată de absorbție scăzută până când se întâlnește zona de rezonanță a acestuia la peste 60 GHz. Absorbția vaporilor de apă se situează în jurul valorii de 20-30 GHz. Absorbția apei lichide este semnificativă sub 10 GHz. Această absorbție legată de precipitații depinde, de asemenea, de intensitatea acestora.

Atenuarea semnalului depinde, prin urmare, de frecvența utilizată și de lungimea traseului prin mediul absorbant. Aceasta poate varia, de asemenea, în funcție de temperatura mediului.

Ilustrație 2: Atenuarea în ploaie pentru diferite lungimi de undă

Atenuarea în ploaie

Orice undă electromagnetică poate fi absorbită atunci când trece prin orice mediu, deoarece excită moleculele care îl compun. Acest lucru poate elimina o parte din fotoni și poate schimba nivelul energetic al mediului. Aerul nu este foarte absorbant, dar moleculele de apă sunt foarte absorbante. Cu cât lungimea de undă purtătoare a fasciculului radar este mai apropiată de cea a picăturilor de apă (între 0,1 și 7 milimetri), cu atât mai excitat va fi dipolul acestor molecule și cu atât mai mult va fi atenuată unda de precipitațiile întâlnite.

Această diagramă arată efectul de atenuare a semnalului radar de către ploaie la diferite lungimi de undă. Cazul utilizat este cel al unei furtuni cu diametrul de 20 de kilometri, a cărei rată de precipitații crește liniar spre centru, cu 100 mm/h, și apoi scade liniar pe partea cealaltă.

Linia albastră reprezintă curba teoretică normalizată a semnalului neatenuat care se deplasează înainte și înapoi prin furtună. Curba violet este cea observată cu un radar care utilizează banda S (10 cm). Următoarele curbe, în galben și cyan, reprezintă semnalul de întoarcere pentru radarele din banda C (5 cm) și, respectiv, din banda X (3 cm). Diferența față de semnalul teoretic devine din ce în ce mai mare pe măsură ce lungimea de undă se scurtează, din cauza absorbției unei cantități tot mai mari de energie de către moleculele de apă.

Diagrama arată, de asemenea, că atenuarea variază în funcție de rata precipitațiilor: fasciculul din banda X este total absorbit de la 20 mm/h, fasciculul din banda C de la 60 mm/h, dar pierderea este neglijabilă pentru fascicululul din banda S, chiar și la vârful precipitațiilor.

Prin urmare, atenuarea este, în general, minimă în zăpadă, chiar și pentru banda X. În cazul unei ploi ușoare sau moderate, banda X este afectată în mod semnificativ, dar banda C este în continuare doar puțin afectată. Pe de altă parte, în cazul ploilor abundente, doar banda S suferă o pierdere minimă. Din aceste motive, radarele meteorologice în banda S, mai scumpe, sunt utilizate în regiunile în care se produc furtuni/ploi intense o mare parte a anului: tropicele, sudul Statelor Unite sau Europa etc. Radarele în bandă C reprezintă un bun compromis pentru regiunile temperate, unde nivelul precipitațiilor este în general scăzut sau moderat. Radarele în bandă X sunt potrivite doar pentru utilizarea pe distanțe scurte din cauza atenuării puternice a semnalului lor.

Lecturi recomandate: Recommendation ITU-R P.676-10 “Attenuation by atmospheric gases” (in Englischer Sprache)