MSURTORI GEODEZICE PRIN UNDECURSUL 5. Propagarea undelor in atmosfera

CURSUL 5. Propagarea undelor in atmosferaUnda reprezint:fenomenul de propagare a unei oscilaii ntr-un mediu elastic. Dup modul de oscilaie a particulelor mediului fa de direcia de propagare se deosebesc dou tipuri fundamentale de unde: a) unde transversale b) unde longitudinale

Lungimea de und reprezint:

un parametru de baz al oricrui fenomen ondulatoriu (und) care se propag n spaiu reprezint distana parcurs de und pe durata unei oscilaii, saudistana dintre dou puncte din spaiu ntre care defazajul relativ al oscilaiilor este de 2 radiani.

Viteza luminii n vid Este o important constant fizic universal; conform cunotintelor pe care le avem n prezent, este viteza de propagare a luminii n vid perfect - independent de parametri fizici ai luminii cum sunt: culoarea, intensitatea, direcia, polarizarea sau durata propagrii. Aceast caracteristic este proprie nu numai luminii din spectrul vizibil, ea este valabil tuturor radiaiilor de natur electromagnetic cum sunt: undele radio, lumina infraroie i ultraviolet, radiaiile X i Gamma.

Viteza luminii n vid, conform teoriei relativitii restrnse al lui Einstein reprezint valoarea limit a vitezei pe care o poate atinge un corp, indiferent de mediul n care se propag.

Valoarea sa, exprimat n uniti din Sistemul Internaional, este de 299.792.458 m/s (metri pe secund)

Determinri experimentale de mare precizie au demonstrat stabilitatea foarte mare a valorii vitezei luminii n vid: msurtorile de laborator au artat c variaia vitezei de propagare pentru raze de lumin de culori (lungimi de und) diferite se ncadreaz ntr-o abatere de valori ce reprezint unu la 10 la puterea 14 parte din valoarea determinat.

Dei simbolul vitezei n fizic este "v," pentru viteza luminii n vid se folosete un simbol consacrat, litera "c.

Lumina se propag cu vitez att de mare nct nici un fapt empiric comun nu permite evaluarea sa pe cale obiniut, de-a lungul istoriei au existat polemici tiinifice i filozofice privind caracterul finit sau infinit al vitezei ei. Viteza de propagare a luminii este de milioane de ori mai mare dect a sunetului, poate nconjura Pmntul de aproximativ 7 ori n decursul unei secunde, parcurge distana de la Pmnt la Lun n mai puin de 1,3 secunde. Pentru a fi posibil msurarea cu suficient precizie a valorii vitezei luminii a fost nevoie de tehnici speciale care au evoluat odat cu dezvoltarea diferitelor ramuri ale fizicii.Prima determinare experimental a valorii vitezei luminii, dup nenumrate ncercri euate a fost fcut de ctre Ole Rmer n anul 1676.

Sunetul se poate propaga prin cele 3 medii : gazos, lichid si solid. El nu se poate propaga in vid. Sunetul este produs prin comprimarea si decomprimarea straturilor succesive din mediu.Perturbatia se transmite din aproape in aproape prin mediul elastic, creandu-se unde elastice, care iau alternativ forma unei compresiuni sau a unei rarefieri

Viteza sunetului este unul dintre parametrii care descriu propagarea sunetului printr-un mediu. Aceast vitez depinde de proprietile mediului de propagare, n particular de elasticitatea i densitatea acestuia.n fluide (gaze i lichide) particip la propagarea sunetului numai deformarea volumic a mediului; la solide mai intervin i forele de forfecare.

n aer i alte gaze viteza sunetului depinde n primul rnd de temperatur. De exemplu la 0C viteza sunetului este de 331,5 m/s, iar la 20C aproximativ 343,4 m/s. Presiunea are un efect mic, iar umiditatea nu are aproape nici un efect asupra vitezei. Mach, dup numele fizicianului austriac Ernst Mach) este o unitate de msur folosit n aerodinamic pentru a exprima viteza unui corp care se deplaseaz ntr-un fluid: proiectil, avion, rachet etc. Viteza Mach 1 este egal cu viteza sunetului n fluidul respectiv; n condiii standard Mach 1 este egal cu 1224 km/h (sau 340 m/s).

Generarea undelor electromagneticeCmpul electromagnetic este consecina cmpurilor variabile electric i magnetic, care se genereaz n jurul unui conductor parcurs de un curent (electric) variabil (n timp). n principiu orice corp ce produce cmp electric sau magnetic variabil, poate genera (radia) unde electromagnetice n spaiu, ns radiaia va fi eficient numai dac sunt ndeplinite i urmtoarele condiii:Frecvena cmpului (oscilaiei) este suficient de ridicat;Dimensiunile sistemului radiant s fie comparabile cu lungimea de und.

Undele electromagnetice reprezint variaii (periodice) n timp i n spaiu ale cmpului electromagnetic. Ele sunt generate n jurul antenelor de emisie, care reprezint sisteme oscilante deschise i se propag n spaiu cu viteza luminii. Sunt caracterizate de o serie de parametri ca: intensitatea, polarizarea, lungimea de und, etc.

Distana parcurs n spaiu ntr-un interval de timp corespunztor unei perioade a oscilaiei se numete lungime de und ( ) . Cum undele electromagnetice se propag n vid cu viteza luminii, relaia dintre lungimea de und i frecven n acest caz este:

La distan mare de antena de emisie, undele electromagnetice sunt plane i sunt caracterizate de doi vectori: E , intensitatea cmpului electric, i H , intensitatea cmpului magnetic. Acetia sunt perpendiculari ntre ei i, n acelai timp, pe direcia de propagare. n figur se arat modul de variaie n timp a cmpului electromagnetic.

Planul cruia aparine vectorul E se numete plan de polarizare. Dac antena radiaz un cmp electromagnetic cu vectorul E vertical, rezult unde polarizate vertical. Acestea vor induce o tensiune maxim numai n antenele de recepie cuprinse n plan vertical (adic cuprinse n planul de polarizare i deci paralele cu vectorul E ). Polarizarea undelor depinde n primul rnd de construcia antenelor de emisie i poate fi orizontal, vertical sau circular (cnd vrful vectorului E descrie o elice n spaiu). Polarizarea orizontal se folosete cu precdere la emisiunile TV, ntruct astfel de unde sunt mai puin atenuate de suprafaa Pmntului i sunt mai puin reflectate.

n propagarea lor, undele electromagnetice sunt supuse fenomenelor de reflexie, refracie, difracie, schimbarea planului de polarizare, etc. Particularitile propagrii depind n primul rnd de frecven. ntlnind diverse obstacole n propagarea lor, undele electromagnetice induc n acestea cureni electrici; la rndul lor, acetia genereaz cmpuri electromagnetice proprii, adic undele reflectate. Reflexia undelor electromagnetice se supune acelorai legi ca i reflexia optic. Corpurile conductoare reflect undele electromagnetice mai bine dect cele izolatoare.

Reflexia poate avea loc i la incidena undei cu neuniformitile din troposfer sau cu straturile ionizate din ionosfer.ntr-un mediu omogen, undele electromagnetice se propag n linie dreapt. ntlnind straturi neomogene n atmosfer, traiectoria undelor se curbeaz, adic apare reflexia. n anumite condiii meteorologice, este posibil ca, datorit reflexiei, undele radiate n sus s se ntoarc pe Pmnt. Pe suprafaa solului are loc o nou reflexie , generndu-se astfel o (alt) und care se poate propaga la distane mari.

Anumite obstacole ntlnite pe direcia de propagare pot fi ocolite de undele electromagnetice, fenomen ce se numete difracie. Explicaia fenomenului const n aceea c suprafaa obiectului devine un (nou) generator de unde n toate direciile. Difracia este cu att mai evident cu ct obiectul are dimensiunile mai apropiate de lungimea de und. De exemplu, undele de difracie se pot obine la suprafaa (sferic) a Pmntului pentru undele lungi, sau pe culmile munilor, n cazul undelor ultrascurte.

La propagarea undelor electromagnetice, o mare influen o au starea i structura atmosferei. Din punctul de vedere al structurii sale, atmosfera este mprit n trei grupe:Troposfera, a crei limit superioar este decca. 10 12km;Stratosfera, a crei limit superioar este decca. 60 80km;Ionosfera.

Ionosfera

Ionosfera este compus din cteva straturi cu concentraii mari de ioni, deci cu proprieti bune n privina conductivitii electrice, astfel c undele electromagnetice ce ajung acolo vor fi reflectate. Aceste straturi au fost notate D, E i F n figur. Gradul de ionizare al acestor straturi depinde de radiaia solar, modificndu-se n consecin de la un anotimp laaltul, de la noapte la zi, sau chiar de la o or la alta. Mrimea energiei electromagnetice reflectat de la straturile ionizate depinde de frecvena undelor, de starea atmosferei i de unghiul de inciden.

Undele electromagnetice se pot clasifica dup traseele de propagare undele de suprafa, care ajung la punctul derecepie propagndu-se la suprafaa Pmntului; undele spaiale, care ajung la punctul de recepiedup ce sunt reflectate de troposfer sau ionosfer.

SPECTRUL ELECTROMAGNETIC Cmpul electromagnetic este un cmp rotational i se propag n spaiu sub forma undelor electromagnetice, cu o vitez care depinde de pemitivitatea dielectric i permeabilitatea magnetic a mediului considerat. Frecvena undelor obinute este egal cu frecvena cu care se deplaseaz electronii. Cu ct este mai mare frecvena, cu att o cantitate mai mare de energie este transportat n acelai interval de timp. Lungimea de und a undelor electromagnetice variaz ntr-un interval foarte larg. Astfel, n telecomunicaii se folosesc unde electromagnetice ale cror lungimi de und pot ajunge la valori de ordinul kilometrilor, pe cnd lungimile de und ale radiaiilor gamma emise de unele elemente radioactive au valori de

Undele (radiaiile) electromagnetice au fost prezise teoretic de ecuaiile lui Maxwell i apoi descoperite (confirmate experimental de Heinrich Hertz. Ele se propag n aer cu viteza luminii aproximativ egal cu viteza lor de propagare n vid. Conform acestei teorii, emise de J. C. Maxwell in 1865, lumina i radiaiile asemntoare (radiaiile infraroii, ultraviolete, etc) sunt tot de natur electromagnetic, diferind ntre ele prin lungimile de und.

Spectrul electromagnetic cu indicarea domeniului frecvenelor i cel al lungimilor de und.

Spectrul radiaiilor electromagnetice este mprit dup criteriul lungimii de und n cteva domenii, de la frecvenele joase spre cele nalte:

Ce unde electromagnetice se folosesc la msurarea electronic a distanelor ?Raze laser, Infraroii, Microunde,Ultraviolete,Unde radio,Unde radar.

Presiunea atmosferic

Variaia presiunii atmosferice

Temperatura aerului

Umiditatea aerului