36
4. Atmosfera

4. Atmosfera

Embed Size (px)

DESCRIPTION

4. Atmosfera. Pregled tema. Atmosfera Ionosfera Gubitci u slobodnom prostoru Utjecaj hidrometeora Sunčeve pjege Polarizacija i depolarizacija. Atmosfera. Troposfera Stratosfera Mezosfera D sloj ionosfere Termosfera E sloj ionosfere F slojevi ionosfere Egzosfera. Atmosfera. - PowerPoint PPT Presentation

Citation preview

4. Atmosfera

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

2

Pregled tema

Atmosfera Ionosfera Gubitci u slobodnom prostoru Utjecaj hidrometeora Sunčeve pjege Polarizacija i depolarizacija

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

3

Troposfera Stratosfera Mezosfera

D sloj ionosfere Termosfera

E sloj ionosfere F slojevi ionosfere

Egzosfera

Atmosfera

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

4

Atmosfera

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

5

Atmosfera Troposfera

Od razine mora do 8 km na polovima ili 15 km na ekvatoru

Najgušći sloj atmosfere Temperatura pada od +17 do -52 stupnja Celzijusa Svi vremenski i klimatski utjecaji nalaze se u ovom

sloju Naziva se još i donja atmosfera Najveći utjecaj na komunikacije – gušenje signala

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

6

Atmosfera Temperaturna inverzija u troposferi

Različite gustoće hladnog i toplog zraka – ogib

Moguće širenje na velike udaljenosti - stotine km

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

7

Atmosfera Stratosfera

Sloj atmosfere iznad troposfere na visini do 50 km Suh i manje gust sloj od troposfere Temperatura raste do – 3 stupnja Celzijusa zbog

ultraljubičastog zračenja Ozonski sloj nalazi se u stratosferi 99% zraka nalazi se u stratosferi i troposferi Vrlo malen utjecaj na elektromagnetske valove i

komunikaciju

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

8

Atmosfera Mezosfera

Sloj atmosfere iznad stratosfere na visini do 85 km Temperatura opet pada do -93 stupnja Celzijusa

zbog CO2

CO2 grije donju atmosferu, hladi srednji i viši sloj atmosfere ispuštajući toplinu u svemir

Najhladnije mjesto na Zemlji Stratosfera i mezosfera nazivaju se srednjom

atmosferom D sloj ionsfere

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

9

Atmosfera Termosfera

Sloj atmosfere iznad mezosfere do visine od 600 km Temperatura raste s visinom zbog zračenja Sunca do

17127 stupnjeva Celzijusa Gustoća plinova je jako malena pa se njihovo

toplinsko djelovanje ne može osjetiti Kemijske reakcije su puno brže nego na površini

Zemlje Još se naziva višim slojem atmosfere E i F slojevi ionosfere

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

10

Atmosfera Egzosfera - svemir

Sloj iznad termosfere Sastoji se od vrlo malih količina vodika i helija Prelazak u svemir Teško odrediva granica atmosfere i svemira

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

11

Ionosfera Ionizacija nastaje kad ultraljubičasti valovi visoke

energije iz Sunca ulaze u atmosferu, udaraju atome plina i doslovno izbijaju elektron od atoma – atom postaje pozitivno nabijen (ion).

Elektroni apsorbiraju energiju ultaljubičastih valova i stvaraju se ionizirani slojevi.

Stupanj ionizacije ovisi o gustoći atoma u atmosferi i jakosti ultraljubičastog zračenja koje ovisi o aktivnosti Sunca.

Ultraljubičasti valovi imaju različite frekvencije što dovodi do više slojeva na različitim visinama.

Ultraljubičasti valovi niže frekvencije manje prodiru u atmosferu pa stvaraju sloj na većoj visini, dok oni više frekvencije stvaraju sloj na manjoj visini jer prodiru dublje.

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

12

Ionosfera Kut elevacije Sunca određuje debljinu ioniziranih slojeva

i mijenja se ovisno o dobu dana i godine. Rekombinacija – obrnut postupak od ionizacije –

slobodni elektroni i pozitivni ioni se sudaraju. Od ranog jutra do kasnog popodneva ionizacija

nadmašuje rekombinaciju – najveći utjecaj na elektromagnetske valove.

Od popodneva, kroz noć i do zore rekombinacija je jača od ionizacije.

Iako se zove ionosfera, elektroni su ti koji utječu na širenje elektromagnetskih valova.

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

13

Ionosfera Više slojeva električki nabijenih atoma plina -

ioniD slojE slojF1 slojF2 sloj

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

14

Ionosfera D sloj (50 – 80 km) – samo po danu

Reflektira VLF (3-30 kHz), LF (30-300 kHz) i MF (0,3-3 MHz) frekvencije

Prigušuje HF (3-30 MHz) valove, malo utječetj. propušta VHF (30-300 MHz) i više frekvencije

E sloj (100-125 km) Praktički nestaje po noći (24:00h) Ogib signala, u HF području

ogiba signal nazadna Zemlju na udaljenostii do 2000 km

F sloj Jedan sloj po noći a dva po danu F1 300 km, F2 – 400 km Domet vrlo velik Više frekvencije prolaze kroz atmosferu

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

15

Ionosfera Promjene u ionosferi

Dnevne Okretanje Zemlje (dan – noć)

27-dnevne Okretanje Sunca (Sunčeve pjege)

Sezonske Okretanje Zemlje oko Sunca D, E, F1 najveća ionizacija ljeti F2 najveća ionizacija zimi

11-godišnje zbog Sunčevih pjega - jača ionizacija

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

16

Ionosfera 4D Google Earth Ionosfera

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

17

Gubitci u slobodnom prostoru

Načini širenja elektromagnetskog vala Površinski val – po površini Zemlje Prostorni val – kroz donju atmosferu Svemirski val – refleksija više atmosfere

Kod satelitskih komunikacija – LOS Nužna je optička vidljivost Vrlo velike udaljenosti

Gubici ovise o: Udaljenosti d Frekvenciji f

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

18

Gubitci u slobodnom prostoru

dd

L4

log2016

2

22

Gubici u slobodnom prostoru za f = 11 GHz

100

120

140

160

180

200

220

1 2 5 10 20 50 100 200 500 1000 2000 5000 10000 20000

d (km)

L (

dB)

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

19

Gubitci u slobodnom prostoru

Gubitci u slobodnom prostoru za d = 36000 km

100

120

140

160

180

200

220

1 2 5 10 20 50 100 200 500 1000 2000 5000 10000

f (MHz)

L (

dB)

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

20

Utjecaj hidrometeora Kiša - gušenje i raspršenje EM vala

Magla Oblaci Snijeg

Jačina kiše Frekvencija signala Temperatura Veličina kapljica

Plinovi u atmosferi – gušenje EM vala Sastav atmosfere Magnetski moment

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

21

Utjecaj hidrometeora Kiša

Iznad 10 GHz kiša predstavlja najveći problem Prigušenje signala, razlika u fazi, depolarizacija Gubitak u sredstvu zbog kiše

- gušenje po jedinici duljine kod jačine kiše R,

le - ekvivalentni put kiše jačine R

p(R) je vjerojatnost jačine kiše R u %

)()()( RpRlRL es

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

22

Utjecaj hidrometeora ovisi o jačini kiše, veličini kapljica i temperature

R je jačina kiše dok su a i b konstante Kod T = 0°C, a i b ovise o frekvencij (u GHz) prema

a =GafEa

Ga = 6,39x10-5, Ea = 2,03 za f <2,9 GHz,

Ga = 4,21x10-5, Ea = 2,42 za 2,9 GHz <= f <= 54 GHz,

Ga = 4,09x10-2, Ea = 0,699 za 54 GHz <= f<= 100 GHz,

Ga = 3,38, Ea = -0,151 za f > 100 GHz

dB/kmbaRR

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

23

Utjecaj hidrometeorab =GbfEb

Gb = 0,851, Eb = 0,158 za f<8,5 GHz, Gb = 1,41, Eb = -0,0779 za 8,5 GHz <= f <= 25 GHz, Gb = 2,63, Eb = -0,272 za 25 GHz <=f <= 164 GHz, Gb = 0,616, Ea = -0,0126 za f >164 GHz.

le - intenzitet kiše nije jednak cijelim putem veze, aproksimira se kao

le(R) = [0,00741R0,766 + (0,232 – 0,00018R) sin]–1

- kut elevacije

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

24

Utjecaj hidrometeora Ukupna vjerojatnost (u %) kiše jačine R data je s

M - srednja godišnja vrijednost padavina u mm

Rice-Holmbergov omjer oluje

0,03 0,258 1,63( ) 0,03 0,2(1 )( 1,86 )87,66

R R RMp R e e e

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

25

Utjecaj hidrometeora

Gušenje kiše u ovisnosti o frekvenciji i jačini R

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

26

Utjecaj hidrometeora Veličine kapljica kiše za različite jačine oborina

Utjecaj ostalih hidrometeora: magle, leda, snijega temelji se na sličnim principima kao i kiša, ali je njihov utjecaj barem red veličine manji.

Uvjeti Veličina kapljice (m)

izmaglica 0,01-3

magla 0,01-100

oblaci 1-50

lagana kiša 3-800

srednja kiša (4mm/hr) 3-1500

jaka kiša (16mm/hr) 3-3000

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

27

Utjecaj hidrometeora Sastav suhe atmosfere od razine mora do 90 km

Sastojak Postotak po volumenu Postotak po težini

Dušik 78,088 75,527

Kisik 20,949 23,143

Argon 0,93 1,282

Ugljični dioksid 0,03 0,0456

Neon 1,8x10-3 1,25x10-3

Helij 5,24x10-4 7,24x10-3

Metan 1,4x10-4 7,75x10-5

Kripton 1,14x10-4 3,30x10-4

Došični oksid 5x10-5 7,60x10-5

Ksenon 8,6x10-6 3,90x10-5

Hidrogen 5x10-5 3,48x10-6

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

28

Utjecaj hidrometeora

Hidrometeori djeluju na širenje elektromagnetskog vala prigušenjem i raspršenjem, dok plinovi djeluju samo kao prigušivači.

Ipak neki plinovi imaju stalne (permanentne) električne i (ili) magnetske dipole pa mogu prigušivati mikrovalove.

Molekule dušika, npr., nemaju permanentne električne ili magnetske dipole pa ne prigušuju mikrovalove.

Većina plinova neznatno utječe na valove ispod 30 GHz.

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

29

Utjecaj hidrometeora

Kisik ima mali magnetski moment koji ima za rezultat malo prigušenje vala na frekvencijama iznad 30 GHz.

Vodena para je plin s permanentnim električnim dipolom i prigušuje valove iznad 10 GHz.

Količina vodene pare može iznositi 1 mg/m3 u hladnim suhim klimama a do 30g/m3 u toplim vlažnim klimama.

U pustinji nema vodene pare a u džungli je može biti do 4%.

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

30

Sunčeve pjege Temperatura od 4000 K prema okolnoj temperaturi od

5800 K Može se vidjeti sa Zemlje teleskopom Broj i veličina se mijenja svakih 11 godina Utječe na klimatske uvjete na Zemlji Magnetska aktivnost - X zračenje i ioni koji smetaju

elektromagnetskim valovima blizu površine Zemlje, posebice ionosfera

Okretanje Sunca oko svoje osi - 27 dnevni ciklus sunčevih pjega

Sunčeve pjege više utječu na niske frekvencije a manje na UHF i mikrovalne frekvencije.

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

31

Sunčeve pjege

Aktivnost sunčeve pjege – dolje lijevo

Ultraljubičasta slika – 25.09. 2009

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

32

Polarizacija i depolarizacija Linearna polarizacija

Okomita – E komponenta Vodoravna – E komponenta

Kružna

E

HOkomita antena zemlj

a

E

H

Vodoravna antena

zemlja

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

33

Polarizacija i depolarizacija

Linearna polarizacija Kružna polarizacija

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

34

Polarizacija i depolarizacija Depolarizacija

Nastaje kad EM val putuje kroz medij koji je anizotropan tj. nesimetričan u odnosu na upadni val.

Vrlo velik utjecaj u frekvencijskom pojasu 6/4 GHz a manju u pojasu 14/11 GHz.

Depolarizacija nastaje od različitog prigušenja i faznog pomaka ortogonalnih komponenata upadnog vala.

Ovisi o frekvenciji, kutu elevacije i jačini kiše.

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

35

Polarizacija i depolarizacija

Utjecaj kiše može se smanjiti kružnom polarizacijom.

Polarizacija se mijenja tijekom jedne periode EM vala u smjeru kazaljke na satu ili u suprotnom.

Odašiljač i prijamnik moraju biti sinkronizirani. Orijentacija se određuje dizajnom antene i ne može

se lako mijenjati tijekom uporabe.

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2009/10

36

Polarizacija i depolarizacija Helikoidne žičane antene Reflektirani val od okruglih kišnih kapi odbija se na

antenskom sustavu koji je osjetljiv samo na izvornu polarizaciju.

Refleksije od zrakoplova (koji nije okrugao) ima nešto energije od ispravne polarizacije, pa će radar, napr. moći detektirati zrakoplov a ignorirati kišu!