www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Propagacja fali elektromagnetycznej

Propagacja fali elektromagnetycznej

subrefrakcja
bez refrakcji
pod
wpływem
refrakcji
superrefrakcja
horyzont optyczny
radio horyzont

Rysunek 1. Wpływ refrakcji na zasięg horyzontu radiowego

subrefrakcja
bez refrakcji
pod
wpływem
refrakcji
superrefrakcja
horyzont optyczny
radio horyzont

Rysunek 1. Wpływ refrakcji na zasięg horyzontu radiowego

subrefrakcja
bez refrakcji
pod
wpływem
refrakcji
superrefrakcja
horyzont optyczny
radio horyzont

Rysunek 1. Wpływ refrakcji na zasięg horyzontu radiowego

Propagacja fali elektromagnetycznej

Propagacja fali elektromagnetycznej w jednorodnym ośrodku o stałej charakterystyce przebiega zgodnie z prawami quasi-optycznymi. W praktyce jednak takie warunki są stosunkowo rzadkie w atmosferze ziemskiej.

Anomalie w propagacji fal elektromagnetycznych

Propagacja anomalna (w źródłach anglojęzycznych określana jako anaprop) występuje, gdy współczynnik załamania światła zmienia się pod wpływem gradientu temperatury, ciśnienia powietrza i wilgotności. Wpływ wymienionych czynników może prowadzić do powstania różnych niestandardowych warunków propagacji fali elektromagnetycznej.

Warstwa inwersyjna

Rysunek 2: Inwersja atmosferyczna

Warstwa inwersyjna

Rysunek 2: Inwersja atmosferyczna

Jedną z najczęstszych anomalii warunków atmosferycznych w całej Europie jest inwersja temperatury, która występuje, gdy w pogodną noc ziemia wypromieniowuje ciepło z dnia. Temperatura gruntu spada, ale górna atmosfera pozostaje stosunkowo ciepła. W tym przypadku gradient temperatury jest przeciwieństwem (odwrotnością) normalnego ujemnego gradientu temperatury, gdzie temperatura atmosfery maleje wraz ze wzrostem wysokości. Ta inwersja temperatury powoduje zakrzywienie toru propagacji fali elektromagnetycznej w kierunku powierzchni Ziemi. To znacznie zwiększa zasięg aktywnych pojazdów radiowych, w tym radarów.

Superrefrakcja

W pewnych szczególnych przypadkach, np. nad powierzchnią morza, gdy cieplejsze powietrze od lądu jest wypierane przez chłodniejsze od wody, może wystąpić zjawisko superrefrakcji. Znane są przykłady, gdzie teoretyczny zasięg radiowozu został przekroczony o 600%.

W warunkach superrefrakcji sygnał odbity od celu może pojawić się w kolejnym (lub nawet po jednym) okresie sondowania. Oczywiście pozycja znaku celu na wyświetlaczu radaru nie odpowiadałaby wtedy rzeczywistej pozycji celu w przestrzeni i jego współrzędne byłyby mierzone nieprawidłowo.

Kanał atmosferyczny

W normalnych warunkach atmosferycznych najcieplejsze powietrze znajduje się przy powierzchni Ziemi. Wraz ze wzrostem wysokości, powietrze stopniowo staje się chłodniejsze. Czasami jednak dochodzi do nietypowej sytuacji, w której warstwy ciepłego powietrza tworzą się nad warstwami zimnego powietrza. Taka sytuacja nazywana jest inwersją temperatury. Wystąpienie inwersji temperatury powoduje uwięzienie warstw zimnego powietrza pomiędzy powierzchnią Ziemi a warstwą ciepłego powietrza lub pomiędzy dwoma warstwami ciepłego powietrza. W ten sposób powstaje coś, co nazywa się kanałem atmosferycznym (w źródłach anglojęzycznych określana jako ducting).

warstwy inwersyjne
martwa strefa

Rysunek 3: Kanał atmosferyczny

warstwy odwrotne
martwa strefa

Rysunek 3: Kanał atmosferyczny

Jeśli fala elektromagnetyczna (szczególnie z pasma HF i VHF) emitowana przez antenę nadawczą wejdzie w taki kanał z zimnym powietrzem pod bardzo małym kątem padania, może rozchodzić się daleko poza normalny zasięg linii wzroku. Kiedy kanały atmosferyczne powstają z inwersji temperatury, dobry odbiór telewizji ze stacji oddalonej o setki mil nie jest niczym niezwykłym. Powodem jest różnica w gęstości i współczynniku załamania światła dla ciepłego i zimnego powietrza. Nagła zmiana gęstości powietrza, gdy fala elektromagnetyczna wchodzi w warstwę ciepłego powietrza nad kanałem, powoduje jej załamanie z powrotem w kierunku Ziemi. Kiedy fala uderza w Ziemię lub warstwę ciepłego powietrza poniżej kanału, zostaje ponownie odbita lub załamana w górę i podróżuje dalej w dół kanału z wielokrotnymi odbiciami. Przykład propagacji fali radiowej przez kanał atmosferyczny przedstawiono na rysunku 3.

Subrefrakcja

Możliwa jest również sytuacja odwrotna, gdy warunki atmosferyczne są takie, że trajektoria fali elektromagnetycznej zagina się od powierzchni ziemi, a nie w jej kierunku. Zjawisko to nazywane jest refrakcją ujemną lub subrefrakcją. W warunkach subrefrakcji następuje zmniejszenie zasięgu detekcji celów. Widać to w pojawieniu się spadków zasięgu radaru przy małych kątach wzniesienia.

W tabeli 1 przedstawiono przegląd różnych warunków anomalnych propagacji elektromagnetycznej.

Refrakcja Gradient
współczynnika
refrakcji
Schematyczne
przedstawienie
Warunki występowania
Negatywna
(subrefrakcja)
>0 Opady śniegu,
Sytuacja, w której wraz ze wzrostem wysokości temperatura spada znacznie szybciej, a wilgotność znacznie wolniej niż w normalnej atmosferze.
brak 0 Jeśli współczynnik załamania światła nie zmienia się w pewnym przedziale wysokości.
Pozytywna,
słaba
od 0 do
−4·10−8
rainy, cheerless weather, if the temperature reduced dependent of the height fundamentally fast, the humidity reduced more slowly than in the normal atmosphere
Pozytywna,
normalna
−4·10−8 Zachmurzenie przy dobrym wymieszaniu warstw atmosferycznych. Odpowiada normalnej atmosferze, jeśli temperatura powietrza spada o 6,5° na 1 km wysokości, a ciśnienie spada o 3,5 mbar na 1 km wysokości.
Pozytywna,
zwiększona
od −4·10−8
do −17,5·10−8
Pogodę po zachodzie słońca, kiedy temperatura powietrza nieznacznie spada wraz z wysokością, tzn. zaczyna się inwersja temperatury
Pozytywna,
krytyczna
−17,5·10−8 Przejrzysta pogoda po zachodzie słońca z inwersją temperatury
Superrefrakcja mniej niż
−17,5·10−8
Wysokie ciśnienie, znaczna inwersja temperatury i obniżona wilgotność powietrza. Znaczny nad kontynentem w nocy i nad ranem, nad morzem przy bezchmurnej pogodzie często przez całe dni, kiedy powietrze przy powierzchni morza jest mniej ciepłe i bardziej wilgotne niż w wyższych warstwach.

Tabela 1 - Klasyfikacja załamania fal radiowych w atmosferze ziemskiej