بخشی از مقاله
چکیده
ضریب شکست جو و تغییرهای آن در راستای عمودی میتواند باعث گیر افتادن امواج الکترومغناطیسی در یک لایه باریک شودکه کانالهای جوی نامیده می شوند. اغلب عملکرد رادارها بر فراز دریاها و اقیانوس ها تحت تاثیر کانالهایی قرار میگیرند که ناشی از تبخیر آب هستند. ارتفاع کانال تبخیری، از عوامل کنترل انشار امواج رادیویی هستند که جهت ارزیابی برد انتشار باید به دقت تعیین شوند. ارتفاع کانال تبخیری به متغییرهای جوی مانند رطوبت و فشار وابسته است، شکست پذیری و بهترین ویژگی برای کمیکردن انتشار امواج در نزدیک سطح آب است.
در خلیج فارس به علت این که دمای سطح آب بالا است و در نتیجه تبخیر زیاد این ناحیه آبی یکی از بدترین شرایط کانال تبخیری در سراسر دنیا است. در این تحقیق با استفاده از نرم افزار AREPS ارتفاع کانال تبخیری در خیلج فارس محاسبه شده سپس به بررسی تاثیر هر یک از متغیرهای جوی بروی ارتفاع کانال تبخیری پرداخته شده همچنین رگرسیون ارتفاع کانال تبخیری و دادههای وردی را محاسبه شد و به پیش بینی انها پرداخته شده .
مقدمه
انتشار امواج رادیویی بالای سطح زمین به نمایه قائم ضریب شکست جو بستگی دارد. شکست مشخصهای از جو است که سبب میشود موج الکترومغناطیسی هنگام عبور از محیط خم شود. ضریب شکست جو تابعی از دما، رطوبت، فشار و طول موج است. بین این عوامل، رطوبت در بسامدهای ریز موج و دما در بسامدهای فروسرخ بیشتر تاثیر گذار هستند. با توجه به قوانین جهانی مخابرات، مقدار متوسط ضریب شکست در ارتفاع میانی 1/000315 است که انحراف کوچکی از این مقدار بر انتشار امواج رادیویی اثرهای مهمی دارد. از آنجاکه اغلب تغییرات در مکانهای چهارم تا ششم اعشار ضریب شکست اتفاق می افتد، معمول است که بهجای استفاده از ضریب شکست n از پارامتری به نام شکستپذیری N استفاده می کنند که برای امواج رادیوئی 1-100GH با رابطه زیر تعریف میشود .
که T دمای مطلق جو، P فشار کل و e فشار بخار آب بر حسب میلیبار هستند. همچنین در اکثر موارد کاربردی معمول است که ازپارامتر دیگری به نام شکستپذیری اصلاح شده با درنظر گرفتن انحنای زمین، استفاده می کنند.
تغییرات اساسی در شکستپذیری جو در بعد قائم اتفاق میافتد . گرچه ممکن است این تغییرات در بعد افقی نیز موجود باشند ولی بهدلیل کوچک بودن این تغییرات بخصوص روی آب از آنها صرف نظر میشود
ساختار انتشار امواج برحسب مقدار گرادیان عمودی شکستپذیری اصلاح شده شامل دو بخش استاندارد و غیراستاندارد است. انتشار استاندارد بر حسب مقدار گرادیان شکستپذیری اصلاح شده خود به سه گروه تقسیمبندی میشود.
الف - بالاشکستی
ب - شکست بهنجار
ج - زیرشکستی
همچنین انتشار غیراستاندارد زمانی رخ میدهد که بالاشکستی و زیرشکستی بهترتیب مربوط به خمش موج بهطرف داخل و خارج سطح زمین است. شکست بهنجار نیز موقعی اتفاق میافتد که شرایط دمایی و رطوبتی بر انتشار امواج تأثیر چندانی ندارند.
انتشار غیراستاندارد در شرایط خاص دمایی و رطوبتی در لایه مرزی جو که در نتیجه آن مقدار گرادیان شکستپذیری اصلاح شده منفی است اتفاق میافتد. تحت چنین شرایطی شعاع انحناء موج از شعاع انحناء زمین کوچک تر خواهد شد. موج با زمین برخورد میکند و پس از بازتابش از سطح وارد ناحیهی شکست میشود تا دوباره به ناحیه ی بحرانی برسد و موج را به سمت زمین برگردد. در این مورد موج شکست یافته را به اصطلاح بهدام افتاده نامند. زیرا موج در ناحیهی باریکی از وردسپهر محبوس میشود که بهآن کانال گویند. در واقع یک موجبر جوی، یک موجبر ایدهال نیست زیرا برای جلوگیری از فرار موج از موجبر دیوارههای سختی وجود ندارد
شکل 1 انواع شکست - Price, 2007 -
بهطور کلی کانالهای جوی به دو دسته سطحی4، SD، و کانال مرتفع5، ED، تقسیمبندی میشوند. کانال های سطحی نیز شامل سه نوع کانال سطحی، پایهای سطحی6، SBD، و کانال تبخیر7 است. کانال مرتفع و کانال پایهای سطحی هم روی سطح آب و هم روی خشکی اتفاق میافتد ولی کانال تبخیر فقط روی سطح دریا و اقیانوس تشکیل میشود. شکلگیری کانال تبخیر از دو مورد دیگر محتملتر است بهطوری که در بعضی از مناطق جهان از جمله خلیج فارس در بیش از 50% مواقع تشکیل میشود
کانال تبخیری
یکی از مهمترین موجبرهای رادیوئی کانال تبخیر است که در بالای سطح آب اقیانوس تشکیل می شود و در نواحی نیمهگرمسیری حضوری تقریبا همیشگی دارد . - Kukushkin, 2004 - ارتفاع کانال تبخیر در عرضهای شمالی در طول شب از یک تا دو متر و در نواحی استوایی در طول روز تا حدود 40 متر متغییر است. متوسط جهانی ارتفاع کانال حدود 13 متر است.
کاهش سریع مقدار بخار آب سبب کاهش سریع شکستپذیری میشود. این امر به تشکیل کانال تبخیر در ارتفاعهای پایین منجر میشود که انرژی رادار را به دام میاندازد
رطوبت بالا در نزدیکی سطح دریا، اهمیت آن را در تعیین مقدار ضریب شکست افزایش میدهد . کاهش رطوبت و فشار بخار آب در اثر افزایش ارتفاع در چند ده متر نزدیک به سطح دریا منجر به کاهش کلی شکست اصلاح شده میشود. با افزایش گرادیان اضافی ناشی از انحنای زمین، در ارتفاعهای بالاتر شکست اصلاح شده نیز افزایش می یابد. کاهش اولیه شکست اصلاح شده و افزایش آن همراه با افزایش ارتفاع سبب میشود امواج رادیویی بهدام افتند و به اصطلاح کانال تبخیر شکل گیرد. در این حالت نمایه شکستپذیری اصلاح شده با یک تابع لگاریتم خطی تقریب زده میشود. ارتفاع کانال از مهمترین ویژگیهای کانال تبخیر - ارتفاعی که ضریب شکست موثر کمینه میشود - است .
اثرات کانال تبخیری بر انتشار امواج
در سراسر جهان عملیات دریایی برای اهداف هوایی کم ارتفاع مانند موشکهای دریایی ضدکشتی و هواپیماهایی با ارتفاع پرواز کم، بهشدت تحت تأثیر برد آشکارسازی رادار قرار دارد. کانال تبخیر نهتنها سبب افزایش برد آشکارسازی رادار و سیستمهای الکترواپتیکی میشود بلکه میتواند بر روی سیستمهای گیرنده- فرستندهی خارج از مرزهای کانال باعث اثرات چشمگیر شود. اگر رادار یا سیستم الکترواپتیکی داخل کانال قرار گرفته باشد، ارتفاع رادار از ارتفاع کانال کمتر باشد، ممکن است هدفهای بالای کانال تشخیص داده نشوند.
همچنین وقتی که سیستم رادار بالای کانال قرار گرفته باشد ممکن است هدفهای داخل کانال بهویژه در مسافت های نزدیک توسط آن بهخوبی آشکارسازی نشوند. علاوه بر این پراکندگی امواج رادار و سیستمهای الکترواپتیکی از سطح دریا حساسیت شدیدی به زاویه خراشان1 دارد و این زاویه نیز به نمایه شکست چندین متری بالای سطح دریا حساسیت زیادی دارد. همچنین هنگامی که گرادیان شکست نزدیک سطح بزرگتر شود بر روی کلاتر دریا2 تأثیر زیادی میگذارد .
از آنجا که کانال تبخیر یک حضور دائمی یا نیمه دائمی بر فراز دریا و اقیانوس دارد، بهمنظور ارزیابی صحیح برد آشکارسازی رادار جهت بهینهسازی پوششهای راداری و جلوگیری از تهدیدات نظامی، اطلاع از وجود، ارتفاع و عمق کانال در نزدیکی افق بر روی سطح دریا حیاتی است
در محاسبه نمایه قائم شکستپذیری و در نتیجه تعیین ارتفاع کانال تبخیر، اندازهگیری مستقیم دقیق دما، رطوبت و فشار در فواصل نزدیک به هم بر فراز دریا مطمئنترین روش است. امکان اندازهگیری مستقیم نمایه شکستپذیری از سکوی نسب شده در دریا وجود ندارد. برای اندازه گیری دقیق متغیرهای جوی بر فراز دریا توسط کشتی نیز مشکلاتی مانند ایجاد موج، آلودگی گرمایی ناشی از حرکت کشتی و خطای ابزارهای اندازهگیری وجود دارد. همچنین دقت دستگاههای اندازهگیری در تماس با ذرات شور کاهش مییابد. این اندازهگیریها اغلب توسط رادیو سوند3، راکت سوند 4 و شکستسنج5 میکروموجی انجام میشوند. این روشها نیز دارای مشکلاتی هستند از جمله اینکه: این روشها نه قادر به اندازهگیری در فواصل نزدیک به سطح هستند و نه توان تفکیک قائم بالایی دارند و همچنین دارای حسگرهای سریع پاسخ با دقت بالا نیز نیستند.
باتوجه به مشکلات عنوان شده، در چندین دهه اخیر برای تقریب نمایه شکستپذیری در سطح بالای دریا و اقیانوس از روشهای حجمی استفاده میشود. در مدلهای حجمی لایه سطحی به مقادیر سرعت باد، دما، رطوبت و فشار در ارتفاع مشخصی در بالای سطح، در داخل لایه سطحی و مقدار دمای سطح آب نیاز است که اغلب با عنوان مقادیر حجمی شناخته میشوند. این مقادیر بهراحتی میتوانند بهطور پیوسته توسط کشتی، بویه و سکوی نسب شده در دریا اندازهگیری شوند
