Radar Basics

Anomálie v šíření elektromagnetických vln

Šíření elektromagnetických vln v homogenním prostředí s konstantními vlastnostmi se řídí kvazioptickými zákony. V praxi jsou však takové podmínky v zemské atmosféře poměrně vzácné.

Abnormální šíření

K abnormálnímu nebo anomálnímu šíření (v anglicky psaných zdrojích označovanému jako anomalous propagation, «anaprop») dochází při změně koeficientu lomu v důsledku teplotního gradientu, tlaku vzduchu a vlhkosti. Vliv uvedených faktorů může vést k různým nestandardním podmínkám šíření elektromagnetických vln (obr. 1).

inverzní vrstva

Obrázek 2: Atmosférická inverze

inverzní vrstva

Obrázek 2: Atmosférická inverze

Jednou z nejčastějších anomálií atmosférických podmínek v Evropě je teplotní inverze, která vzniká, když země během jasné noci vyzařuje teplo. Přízemní teplota klesá, ale horní vrstvy atmosféry zůstávají relativně teplé. V tomto případě je teplotní gradient opačný (inverzní) než normální záporný teplotní gradient, kdy teplota atmosféry s rostoucí nadmořskou výškou klesá. Tato teplotní inverze má za následek zakřivení dráhy šíření elektromagnetických vln směrem k zemskému povrchu (obrázek 2). Tím se výrazně zvyšuje dosah aktivních rádiových vozidel, včetně radarů.

Superrefrakce

V některých zvláštních případech, například nad mořskou hladinou, kdy je teplejší vzduch z pevniny vytlačován chladnějším vzduchem z vody, může docházet k superrefrakci. Jsou známy příklady, kdy byl teoretický dosah rádiového vozidla překročen o 600%.

Za podmínek sférické refrakce se signál odražený od cíle může objevit v následující (nebo dokonce až po jedné) sondážní periodě. Je zřejmé, že poloha značky cíle na radarovém displeji by pak neodpovídala skutečné poloze cíle v prostoru a jeho souřadnice by byly změřeny nesprávně.

Atmosférický kanál

Za normálních atmosférických podmínek se nejteplejší vzduch nachází v blízkosti zemského povrchu. S rostoucí nadmořskou výškou se vzduch postupně ochlazuje. Někdy však nastane neobvyklá situace, kdy se nad vrstvami studeného vzduchu vytvoří vrstvy teplého vzduchu. Tato situace se nazývá teplotní inverze. Výskyt teplotní inverze způsobuje, že mezi zemským povrchem a vrstvou teplého vzduchu nebo mezi dvěma vrstvami teplého vzduchu jsou uvězněny vrstvy studeného vzduchu. Vzniká tak tzv. atmosférický kanál (v anglicky psaných zdrojích označovanému jako ducting).

inverzní vrstvy

„slepé zóny“

Obrázek 3: Atmosférický kanál

inverzní vrstvy

„slepé zóny“

Obrázek 3: Atmosférický kanál

Pokud elektromagnetická vlna (zejména v pásmech SW a VKV) vysílaná vysílací anténou vstoupí do takového kanálu se studeným vzduchem pod velmi malým úhlem dopadu, může se šířit daleko za běžnou přímou viditelnost. Pokud atmosférické kanály vznikají v důsledku teplotních inverzí, není dobrý příjem televize ze stanice vzdálené stovky kilometrů ničím neobvyklým. Důvodem je rozdíl v hustotě a indexu lomu teplého a studeného vzduchu. Náhlá změna hustoty vzduchu, když elektromagnetická vlna vstoupí do vrstvy teplého vzduchu nad kanálem, způsobí její lom zpět k Zemi. Když vlna narazí na Zemi nebo na vrstvu teplého vzduchu pod kanálem, odrazí se nebo se opět zalomí směrem vzhůru a pokračuje dále po kanálu s mnohonásobnými odrazy. Příklad šíření rádiových vln atmosférickým kanálem je znázorněn na obrázku 3.

Subrefrakce (záporná refrakce)

Opačná situace je také možná, pokud jsou atmosférické podmínky takové, že se trajektorie elektromagnetických vln ohýbá směrem od zemského povrchu, nikoli k němu. Tento jev se nazývá negativní refrakce nebo subrefrakce. Při subrefrakci dochází ke snížení detekčního dosahu cílů. To se projevuje poklesem radarového pokrytí při malých výškových úhlech.

Tabulka 1 uvádí přehled různých anomálních podmínek elektromagnetického šíření.

Refrakce	Gradient indexu lomu	Schematické znázornění	Podmínky výskytu
Negativní (subrefrakce)	>0		Sněžení, Situace, kdy s rostoucí nadmořskou výškou klesá teplota mnohem rychleji a vlhkost klesá mnohem pomaleji než v normální atmosféře.
nulová	0		Pokud se index lomu v určitém výškovém intervalu nemění.
Pozitivní, slabý	od 0 do −4·10−8		Deštivé, oblačné počasí, pokud s rostoucí nadmořskou výškou klesá teplota mnohem rychleji a vlhkost klesá pomaleji než v normální atmosféře.
Pozitivní, normální	−4·10−8		Zataženo, když jsou atmosférické vrstvy dobře promíšené. Odpovídá normální atmosféře, pokud teplota vzduchu klesne o 6,5° na 1 km výšky a tlak klesne o 3,5 mbar na 1 km výšky.
Pozitivní, zvýšený	od −4·10−8 do −17,5·10−8		Jasné počasí po západu slunce, kdy teplota vzduchu s výškou mírně klesá, tj. začíná teplotní inverze.
Pozitivní, kritické	−17,5·10−8		Jasné počasí po západu slunce s teplotní inverzí
Superrefrakce	méně než −17,5·10−8		Vysoký tlak, výrazná teplotní inverze a snížená vlhkost vzduchu. Výrazný nad pevninou v noci a ráno, nad mořem za jasného počasí často po celé dny, kdy je vzduch u hladiny moře méně teplý a vlhčí než ve vyšších vrstvách.

Tabulka 1 - Klasifikace lomu rádiových vln v zemské atmosféře