Radar Grondbeginselen

Anomalieën in de voortplanting van elektromagnetische golven

De voortplanting van elektromagnetische golven in een homogeen medium met constante eigenschappen volgt quasi-optische wetten. In de praktijk zijn dergelijke omstandigheden in de atmosfeer van de aarde echter betrekkelijk zeldzaam.

Abnormale voortplanting

Anomale of afwijkende voortplanting (in Engelstalige bronnen anaprop genoemd) doet zich voor wanneer de brekingscoëfficiënt verandert ten gevolge van temperatuurgradiënt, luchtdruk en vochtigheid. De invloed van de genoemde factoren kan leiden tot verschillende niet-standaardomstandigheden voor de voortplanting van elektromagnetische golven (figuur 1).

inversielaag

Figuur 2: Atmosferische inversie

inversielaag

Figuur 2: Atmosferische inversie

Een van de meest voorkomende anomalieën van de atmosferische omstandigheden in Europa is de temperatuurinversie, die optreedt wanneer de grond warmte uitstraalt van de warmte van de dag op een heldere nacht. De grondtemperatuur daalt, maar de bovenste atmosfeer blijft relatief warm. In dit geval is de temperatuurgradiënt het omgekeerde (inverse) van de normale negatieve temperatuurgradiënt, waarbij de temperatuur van de atmosfeer daalt naarmate de hoogte toeneemt. Deze temperatuurinversie resulteert in een kromming van het voortplantingstraject van de elektromagnetische golven naar het aardoppervlak (figuur 2). Hierdoor wordt het bereik van actieve radiovoertuigen, waaronder radars, aanzienlijk vergroot.

Superrefractie

In sommige speciale gevallen, zoals boven het zeeoppervlak, wanneer warmere lucht van het land wordt verdrongen door koelere lucht van het water, kan het verschijnsel van super-refractie optreden. Er zijn voorbeelden bekend waarbij het theoretische bereik van een radiografisch voertuig met 600% werd overschreden.

Onder omstandigheden van sferische breking kan een door een doel gereflecteerd signaal in de volgende (of zelfs na één) pulsperiode verschijnen. Het is duidelijk dat de positie van het merkteken op het radarscherm dan niet zou overeenstemmen met de werkelijke positie van het doel in de ruimte en dat de coördinaten ervan onjuist zouden worden opgemeten.

Ducting

Onder normale atmosferische omstandigheden is de warmste lucht dicht bij het aardoppervlak. Naarmate je hoger komt, wordt de lucht geleidelijk koeler. Soms doet zich echter een ongewone situatie voor waarbij zich lagen warme lucht vormen over lagen koude lucht. Deze situatie staat bekend als een temperatuurinversie. De atmosfeer zelf kan een tunneleffect vormen tussen de grond en een bepaalde hoogte of tussen twee luchtlagen. Het optreden van een temperatuurinversie resulteert in lagen koude lucht die opgesloten zitten tussen het aardoppervlak en een laag warme lucht, of tussen twee lagen warme lucht. De radargolven worden binnen deze lagen afgebogen en vormen zo een natuurlijke golfgeleider.

inverse lagen

blind zone

Figuur 3: Golfgeleiderforming in de atmosfeer

inverse lagen

blind zone

Figuur 3: Golfgeleiderforming in de atmosfeer

Indien een door een zendantenne uitgezonden elektromagnetische golf (met name van de HF- en VHF-banden) met een zeer kleine invalshoek in een dergelijk kanaal met koude lucht terechtkomt, kan deze zich tot ver buiten het normale bereik van de gezichtslijn voortplanten. Wanneer atmosferische kanalen ontstaan door temperatuurinversies, is een goede televisie-ontvangst van een zender honderden kilometers verderop niet ongewoon. De reden is het verschil in dichtheid en brekingsindex voor warme en koude lucht. Een plotselinge verandering in de luchtdichtheid wanneer een elektromagnetische golf een laag warme lucht boven een kanaal binnendringt, doet deze terugkaatsen in de richting van de aarde. Wanneer de golf de aarde of de warme luchtlaag onder het kanaal raakt, wordt hij weer naar boven weerkaatst of gebroken en reist hij verder door het kanaal met meerdere weerkaatsingen. Een voorbeeld van de voortplanting van radiogolven door een atmosferisch kanaal is afgebeeld in figuur 3.

Subrefractie

De omgekeerde situatie is ook mogelijk wanneer de atmosferische omstandigheden van dien aard zijn dat de baan van de elektromagnetische golf van het aardoppervlak af buigt in plaats van ernaar toe. Dit verschijnsel wordt negatieve breking of sub-refractie genoemd. Onder subrefractie is er een afname van het waarnemingsbereik van doelen. Dit is te zien aan het verschijnen van dips in de radardekking bij kleine elevatiehoeken.

Tabel 1 geeft een overzicht van de verschillende anomalieën bij elektromagnetische voortplanting.

Refractie	Brekingsindex gradiënt	Schematische voorstelling	Omstandigheden van het voorval
Negatief (subrefractie)	>0		Sneeuwval, Een situatie waarin, met toenemende hoogte, de temperatuur veel sneller daalt en de vochtigheid veel langzamer afneemt dan in een normale atmosfeer.
Geen	0		Als de brekingsindex niet verandert op een bepaald hoogte-interval.
Positief, zwak	van 0 tot −4·10−8		Regenachtig, bewolkt weer als, met toenemende hoogte, de temperatuur veel sneller daalt en de vochtigheid langzamer daalt dan in een normale atmosfeer.
Positief, normaal	−4·10−8		Bewolkt als de atmosferische lagen goed gemengd zijn. Dit komt overeen met een normale atmosfeer wanneer de luchttemperatuur met 6,5° daalt per 1 km hoogte en de druk met 3,5 mbar daalt per 1 km hoogte.
Positief, toegenomen	van −4·10−8 tot −17,5·10−8		Helder weer na zonsondergang wanneer de luchttemperatuur licht daalt met de hoogte, d.w.z. de temperatuurinversie begint
Positief, kritisch	−17,5·10−8		Helder weer na zonsondergang met temperatuur inversie
Super refractie	minder dan −17,5·10−8		Hoge druk, aanzienlijke temperatuurinversie en verminderde vochtigheid. Significant boven het vasteland 's nachts en 's morgens, boven zee bij helder weer vaak hele dagen lang, wanneer de lucht aan het zeeoppervlak minder warm en vochtiger is dan in de hogere lagen.

Tabel 1 - Classificatie van radiogolfbreking in de aardatmosfeer