Czynniki tłumienia fal radiowych w atmosferze ziemskiej

Transkrypt

1 WILK Jacek 1 MARCINIAK Marian Czynniki tłumienia fal radiowych w atmosferze ziemskiej WSTĘP Politechnika Świętokrzyska w Kielcach uczestniczyła w programie badań międzynarodowego Europejskiego Projektu ICT CST Action IC080 Propagation tools and data for integrated Telecommunication, Navigation and Earth bservation systems [6], w ramach którego skupiono się na analizie czynników wpływających na propagację sygnałów radiowych w atmosferze ziemskiej, również w obszarze Polski [10, 11, 13]. W zakresie tym przeprowadzono szereg eksperymentów, powtarzanych w tych samych, podobnych, jak i różnych warunkach atmosferycznych, co pozwoliło oszacować wpływ wielu rozmaitych zjawisk na transmisję sygnałów radiowych, również z wykorzystaniem opracowanych do tego celu matematycznych modeli problemów. Do badania wpływu warunków panujących w atmosferze ziemskiej (w szczególności wpływu hydrometeorów) na propagację sygnałów radiowych w obszarze Kielc, w ramach Europejskiego Projektu Badawczego ICT CST Action IC080 Propagation tools and data for integrated Telecommunication, Navigation and Earth bservation systems, wykorzystano naziemną, stacjonarną stację satelitarną zlokalizowaną na Wydziale Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki Politechniki Świętokrzyskiej [9]. Terminal ten: (1) korzysta z sygnałów rozsiewczej służby satelitarnej BSS; () wyposażony jest w datalogger, który umożliwia zdalne przekazywanie wyników pomiarowych; (3) wykorzystuje cyfrowe techniki teletransmisyjne. Parametry geograficzne lokalizacji miejsca odbioru (stanowiska laboratoryjnego) są następujące: kąt azymutu wynosi 9,81º, kąt elewacji 31,34º, zaś kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji konwertera 6,17º. Wysokość umiejscowienia masztu antenowego na hali HD wynosi 83,07 m n.p.m. W warunkach wymaganej bezpośredniej widoczności anten, przeszkody terenowe nie powodują wzrostu tłumienia. W przypadku pozyskiwania danych liczbowych posłużono się również metodą przeglądu literaturowego. Przeprowadzone badania obejmowały nie tylko część praktyczną, ale również część teoretyczną, w ramach której dokonano m.in. analizy warunków propagacyjnych fal radiowych w wolnej przestrzeni propagacyjnej oraz rzeczywistych warunków pracy systemów telekomunikacyjnych w stratnym środowisku atmosfery ziemskiej. W toku badań przeanalizowano szczególnie wpływ troposfery na propagację fal radiowych, w szczególności: refrakcję troposferyczną, tłumienie troposferyczne (wpływ różnego rodzaju hydrometeorów) oraz naturalne źródła szumów występujące w atmosferze ziemskiej. Już niegdyś dostrzeżono wiele korzyści wynikających z lokalizacji i położenia morfologicznego miasta Kielce. W pobliżu Kielc, w miejscowości Psary-Kąty mieściło się jedyne w Polsce Centrum Usług Satelitarnych. bszar Kielc objęto także badaniami w ramach Europejskiego Projektu Badawczego ICT CST Action IC080. Część z nich dotyczącą analizy wpływu atmosfery ziemskiej na tłumienie fal radiowych w warunkach transmisji satelitarnej zamieszczono w niniejszym artykule. trzymane wyniki poddano wielostopniowej weryfikacji pod kątem wystąpienia błędów oraz zgodnie z wytycznymi procedur ITU-R. W przyszłości wyniki badań mogą zostać dalej wykorzystane do łączenia wielu niezależnych sygnałów informacyjnych w jeden wspólny sygnał transmitowany łączem satelitarnym metodą transmultipleksacji sygnałów []. 1 Politechnika Świętokrzyska, Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki, Al Lecia Państwa Polskiego 7, Kielce, jwilk@tu.kielce.pl Politechnika Świętokrzyska, Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki, Al Lecia Państwa Polskiego 7, Kielce, marian.marciniak@ ieee.org 6578

2 1. SKŁAD ATMSFERY ZIEMSKIEJ RAZ WPŁYW UWARUNKWAŃ ATMSFERYCZNYCH NA PRPAGACJĘ FAL RADIWYCH W BSZARZE KIELC Na potrzeby łączności satelitarnej fale radiowe propagowane są w atmosferze ziemskiej, która stanowi zewnętrzną powłokę gazową otaczającą kulę ziemską. W jej skład wchodzi mieszanina gazów, przy czym tylko azot, tlen oraz inne gazy (argon, hel, krypton, ksenon, metan, neon, wodór) zachowują stały udział w objętości atmosfery. Pozostałe zmienne składniki (m.in.: para wodna 3, dwutlenek węgla 4, tlenek azotu 5, ozon 6, dwutlenek siarki 7 ) przyjmują różne wartości w czasie i przestrzeni (zależnie od: (1) lokalizacji; () pory roku; (3) uwarunkowań naturalnych oraz (4) zanieczyszczeń przemysłowych) [4, 14]. W obszarze miasta Kielce wyróżnić można wiele źródeł zanieczyszczeń powietrza, pewną ich część stanowią tzw. niskie emitory mające wpływ na propagację fal radiowych w skali lokalnej (transport, ciepłownictwo i przemysł). Najwięcej zanieczyszczeń produkuje Cementownia Nowiny Sp. z o.o. oraz ZCW Trzuskawica SA, które emitują rokrocznie do atmosfery ziemskiej przynajmniej 500 Mg pyłów i gazów (bez uwzględnienia C ). Powietrze zanieczyszczają także elektrociepłownie (70% emisji): PGE Elektrociepłownia SA, kotłownie Kieleckiej Spółdzielni Mieszkaniowej oraz Miejskiego Przedsiębiorstwa Energetyki, lokalne i przydomowe kotłownie, komunikacja drogowa, transport, jak również zakłady przemysłowo-usługowe. becnie w obszarze Kielc notuje się znaczną poprawę czystości powietrza w stosunku do lat osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych XX wieku, zaś ryzyko spowodowane przemysłem cementowo-wapienniczym jest ograniczone na skutek stabilnej zawartości tlenku węgla do pyłu zawieszonego 8. Stężenie średnioroczne N zmierzone w Kielcach wynosiło 5,1 μg/m 3 ; stężenie średnioroczne benzenu,7 μg/m 3 ; najwyższe godzinowe stężenie S wynosi 93,4 μg/m 3 ; stężenie średnioroczne ołowiu 0,045 μg/m 3 ; stężenie średnioroczne pyłu PM10 około 40 μg/m 3 ; stężenie 8-godzinne tlenku węgla 4306 μg/m 3 [4]. Ponieważ ruch mas powietrza jest niewielki na wysokości powyżej 100 km od powierzchni Ziemi, w dolnej części atmosfery występuje koncentracja najcięższych gazów (zwłaszcza azotu i tlenu), zaś stężenie lekkich gazów rośnie wraz ze wzrostem wysokości. W konsekwencji na znacznej wysokości różnice mas gazów wchodzących w skład atmosfery wpływają na rozwarstwienie atmosfery. prócz wymienionych domieszek gazowych w atmosferze występują także domieszki stałe i ciekłe (tzw. aerozole) o charakterze organicznym (pyłki roślin, bakterie), jak również nieorganicznym (dym, sadza, sól morska, popiół). Koncentracja pyłu zawieszonego jest zatem maksymalna w dolnych granicach troposfery 9. W centralnej części obszaru Kielc panuje niekorzystny topoklimat, szczególnie 3 Zasadniczo zawartość pary wodnej przy powierzchni Ziemi waha się w przedziale od 0% do około 4% objętości czystego powietrza, stąd w literaturze przyjmuje się średnio %. prócz postaci gazowej, woda występuje w atmosferze również w postaci ciekłej tworząc chmury i mgły oraz stałej formując kryształki lodu. Większościowy jej udział ma miejsce w troposferze (do wysokości 10 km od powierzchni Ziemi), przy czym notuje się gwałtowny spadek zawartości wody w atmosferze wraz ze wzrostem wysokości. 4 Dwutlenek węgla (C ) stanowi około 0,03% objętości czystego powietrza w atmosferze. Jego procentowy udział przy powierzchni Ziemi wzrasta wskutek ciągłej eksploatacji nieodnawialnych źródeł energii (węgiel, ropa naftowa). Z ww. względów w aglomeracjach miejskich gaz ten może stanowić nawet 0,08% objętości czystego powietrza. Dwutlenek węgla zatrzymuje długofalowe promieniowanie powierzchni Ziemi, a przepuszcza krótkofalowe promieniowanie Słońca (w konsekwencji przyczynia się do podwyższenia temperatury). 5 Tlenek azotu, podobnie jak tlenek siarki, fosforu i in. stanowi produkt spalania (źródłem jest przemysł i motoryzacja). Wielkość emisji liniowej pochodzącej z transportu drogowego w obszarze Kielc nie jest obecnie monitorowana. Największa koncentracja metali ciężkich występuje na obszarach silnie uprzemysłowionych, w godzinach szczytu, w centralnej części miasta. 6 Trójwartościowy tlen (ozon) występuje w 90% w stratosferze oraz w 10% w troposferze, przy czym jego maksymalna koncentracja znajduje się na wysokości 0-30 km od powierzchni Ziemi (w warstwie ozonowej). Pomiary ozonu ze stacji obserwacyjnej zlokalizowanej na Świętym Krzyżu pozwoliły odnieść otrzymane dane do obszaru miasta Kielce. Średnia liczba dni z lat w których zawartość ozonu przekraczała dopuszczalne stężenie w atmosferze wynosiła Dwutlenek siarki stanowi produkt uboczny spalania paliw kopalnych (jego zawartość w powietrzu zmienia się w zależności od stopnia zanieczyszczeń przemysłowych w atmosferze). cena czystości powietrza w obszarze Kielc przeprowadzana jest w trzech głównych stacjach monitorujących tło oraz jednej stacji badającej wpływ transportu. Pomiarów stężenia dwutlenku siarki (podobnie jak: dwutlenku azotu, ołowiu i pyłu zawieszonego) dokonuje się w: (1) dwóch stacjach zlokalizowanych na Alei IX wieków Kielc (na jednej z nich mierzy się również poziom tlenku węgla i benzenu); () stacji na ulicy Gałczyńskiego oraz (3) stacji zlokalizowanej na ulicy Jagiellońskiej (na stacji tej mierzone jest również stężenie benzenu). Dodatkowo badany jest poziom: arsenu, kadmu, niklu, ołowiu, benzo(a)pirenu oraz ich związków zawartych w pyle zawieszonym. 8 cena jakości powietrza jest przeprowadzana zgodnie z rozporządzeniami Ministra Środowiska z dnia: 3 marca 008 r. (Dz. U. Nr 47/008, poz. 81), 6 marca 008 r. (Dz. U. Nr 5/008, poz. 310), 7 kwietnia 001 r. Prawo ochrony środowiska (Dz. U. Nr 5/008, poz. 150, z późn. zm.) art. 6 i art , 17 grudnia 008 r. (Dz. U. Nr 5/009, poz. 31) oraz z dnia 13 kwietnia 01 r. dotyczy zmian w ustawie Prawo ochrony środowiska oraz kilku innych ustaw (Dz.U. z 01 r., poz. 460). 9 W ogólnej teorii pył stanowi mieszaninę małych cząsteczek stałych zawartych w powietrzu atmosferycznym. Jako pył zawieszony rozumieć należy mieszaninę organicznych i nieorganicznych substancji (metali ciężkich, węglowodorów aromatycznych, dioksan i furan). Podziału pyłu dokonuje się w zależności od rozmiarów cząsteczek w nim zawartych na: (1) całkowity pył zawieszony (TSP) odnosi się do sumarycznej zawartości pyłu 6579

3 wskutek zanieczyszczeń spowodowanych pyłem PM10. Położenie morfologiczne miasta wpływa bowiem na tworzenie się zastoisk powietrza wraz zanieczyszczeniami. dnotowano okresowe zmiany stężenia pyłu zawieszonego (podobnie jak tlenku węgla) w zależności od pory roku, jak również lokalnych uwarunkowań (maksymalny poziom przypadł na okres zimy, co spowodowane było wykorzystaniem węgla kopalnego w charakterze podstawowego paliwa sektora gospodarki komunalnej). Aerozole atmosferyczne odgrywają także istotną rolę w procesach pogodotwórczych (m.in. opady deszczu), gdyż stanowią dla zawartej w powietrzu pary wodnej jądra kondensacji na których osadza się w niskiej temperaturze para wodna. Przy powierzchni Ziemi liczba pyłków sięga na 1 cm 3, zaś na wysokości 3 km wynosi ona 100 w warunkach czystego nieba. Wystąpienie opadów deszczu zmniejsza stopień zapylenia atmosfery o jego wartość w odległości 0 km od brzegu wynosi zaledwie 1000 pyłków / 1 cm 3 (opady deszczu powodują wymywanie zanieczyszczeń atmosferycznych). W dużej aglomeracji miejskiej największa część zanieczyszczeń występuje na wysokości do 700 m od powierzchni Ziemi. W przypadku, gdy wymiary cząstek przewyższają długość propagowanej fali radiowej zachodzi na nich zjawisko rozproszenia geometrycznego, zaś gdy ich wymiar jest porównywalny z długością propagowanej fali rozproszenia dyfrakcyjnego (konsekwencją opisanych zjawisk są zaniki dyfrakcyjne) [1]. Tab. 1. Koncentracja jąder kondensacji w atmosferze ziemskiej [15] Miejsce pomiaru Koncentracja cząstek / cm 3 Średnia Minimalna Maksymalna bszar wiejski bszar miejski bszar wielkomiejski Warto zaznaczyć, ze o ile skala pozioma uwarunkowań zachodzących w atmosferze ziemskiej sięga długości obwodu Ziemi, czyli dystansu 40075,014 km, o tyle skala pionowa krótkotrwałych zjawisk pogodowych w każdej lokalizacji dotyczy znacznie krótszych odległości wynoszących około 10 km. Zasadniczą trudność badaczom sprawia określenie wysokości do której sięga atmosfera ziemska [16]. Wraz ze wzrostem wysokości maleje bowiem gęstość powietrza, zmieniają się inne cechy fizyczne atmosfery, jak np.: ciśnienie, masa, temperatura, aż atmosfera przechodzi w przestrzeń międzyplanetarną. Z ww. względów przyjmuje się, że atmosfera składa się z dwóch warstw: (1) homosfery oraz () heterosfery. Homosfera zawierająca obojętne elektrycznie cząstki sięga do wysokości około 100 km (proporcje stałych składników pozostają niezmienne do wysokości około 80 km od powierzchni Ziemi). Na wysokości powyżej 100 km znajduje się druga warstwa zjonizowana heterosfera, którą charakteryzuje zmienny (w zależności od wysokości) skład chemiczny cząsteczek zawierających ładunek elektryczny. koło 50% masy powietrza tworzącego atmosferę koncentruje się na wysokości do około 5 km od powierzchni Ziemi, zaś 99% na wysokości do 35 km. w powietrzu; () pył zawieszony drobny (PM10) dotyczy frakcji pyłu zawartego w powietrzu o średnicy cząsteczek poniżej 10 μm oraz (3) pył zawieszony bardzo drobny (PM,5) stanowi frakcję pyłu o średnicy cząsteczek poniżej,5 μm. 6580

4 Rys. 1. Skład atmosfery ziemskiej w procentach jej masy Podziału atmosfery na warstwy (sfery) dokonano uchwałą Komisji Aerologicznej Światowej rganizacji Meteorologicznej w 1961 roku (dawniej dokonywano podziału jonosfery na warstwy o określonej grubości, z czasem udowodniono, że taki podział nie odzwierciedlał stanu rzeczywistego [1]). Z uchwały Komisji Aerologicznej Światowej rganizacji Meteorologicznej wynika, że kolejne warstwy, takie jak: (1) troposfera; () stratosfera; (3) mezosfera; (4) termosfera; (5) jonosfera; (6) egzosfera, wyznaczone są poprzez wzrost lub spadek temperatury wraz z wysokością. Powyżej atmosfery ziemskiej znajduje się nacechowana stanem wysokiej próżni przestrzeń kosmiczna. Występują w niej cząsteczki wiatru słonecznego, pierwotne promieniowanie kosmiczne (w tym galaktyczne) oraz promieniowanie pochodzące ze Słońca. Powierzchnie graniczne (przejściowe) sfer nazwano: (1) tropopauzą; () stratopauzą; (3) menopauzą (4) oraz termopauzą. Średnia wysokość tropopauzy zmienia się w zależności od szerokości geograficznej i wynosi do 7 km na biegunie oraz od 16 do 18 km na równiku. Na rysunku przedstawiono częściowe wyniki prac ww. Komisji w postaci pionowej struktury atmosfery podjęte uchwały dotyczą całego świata (obowiązują również na terenie województwa świętokrzyskiego). Rys.. Przekrój pionowy atmosfery ziemskiej [7] 6581

5 Tłumienie w atmosferze powoduje nie tylko zmniejszenie poziomu pożądanych sygnałów (w skrajnych przypadkach może stać się przyczynkiem do zerwania łączności pomiędzy satelitą i Ziemią), ale także szumów kosmicznych (wtórne promieniowanie kosmiczne). Na rozchodzenie się fal radiowych największy wpływ mają dwie warstwy atmosfery: (1) niezjonizowana (obojętna elektrycznie) troposfera propagacja w tym obszarze uzależniona jest w znacznym stopniu od aktualnych warunków meteorologicznych (w tym opadów deszczu) oraz () zjonizowana jonosfera ziemska (w ogólnej teorii analiza wyższych warstw atmosfery jest przedmiotem badań aeronomii stanowiącej, podobnie jak meteorologia, dział geofizyki). Transmisji fal radiowych zarówno w środowisku niedyspersyjnym, jak i dyspersyjnym atmosfery ziemskiej towarzyszy nieodzowne dla propagacji w atmosferze zjawisko wydłużenia drogi propagowanej fali radiowej (mechanizm jego powstawania jest odmienny dla troposfery i jonosfery ziemskiej). Ze względu na to, że długość trasy propagacji zależy od położenia obsługiwanego obszaru i przekłada się na wypadkową tłumienność atmosfery, najbardziej tłumione są sygnały propagowane stycznie do powierzchni Ziemi, zaś najmniej sygnały propagowane pionowo pod dużymi kątami elewacji. Nie bez znaczenia w tym zakresie jest również badanie wpływu częstotliwości na zjawisko rozpraszania światła [5]. Analiza teoretyczna zebranych dotychczas informacji pozwala stwierdzić, że na propagację fal radiowych o częstotliwości do 3 GHz (10 cm) kluczowy wpływ ma jonosfera ziemska, zaś powyżej 3 GHz troposfera ziemska (jonosfera stanowi wówczas warstwę niemal transparentną) Absorpcja molekularna w gazach atmosferycznych Za tłumienie fal radiowych w troposferze odpowiada nieodzowne dla komunikacji satelitarnej zjawisko absorpcji molekularnej, w stanowiących składniki powietrza gazach atmosferycznych, na skutek którego wzbudzone atomy i cząsteczki pochłaniają energię propagowanej fali radiowej, a w konsekwencji przyczyniają się do spadku jej amplitudy i zaniku sygnału (proces absorpcji produkuje również szumy termiczne, których wielkość jest zależna od intensywności absorpcji molekularnej). Wskutek pochłaniania energii propagowanej fali radiowej atomy i cząsteczki zmieniają swój poziom energetyczny, przechodząc ze stanu o mniejszej energii do stanu o większej energii. Jako że dozwolone poziomy energetyczne mają wartości dyskretne, przejścia te mają charakter typowo rezonansowy (zjawisko selektywnego tłumienia fal radiowych zachodzi wskutek elastyczności wiązań międzyatomowych i drgań własnych cząsteczek gazów). W toku analizy tematu stwierdza się, że ten rodzaj tłumienia uwidacznia się zwłaszcza w tlenie, parze wodnej oraz azocie dla fal o częstotliwości powyżej 100 GHz. Jak podkreślono: w normalnych warunkach tylko cząsteczki tlenu i wody powodują efekt tłumienia, natomiast pozostałe gazy znajdujące się w atmosferze mogą mieć wpływ na tłumienie fali elektromagnetycznej w warunkach bardzo suchego powietrza i powyżej częstotliwości 70 GHz [1]. Można zatem dokonać podziału tłumienia L g na tłumienie powietrza suchego (tlen i azot) oraz tłumienie pary wodnej, zaś jego sumaryczną wartość wyrazić poprzez przybliżoną zależność: Lg [ db ] Lg, [ db] Lg, H [db]. (1) Pierwszy ze składników równania: L [db] absorpcja w tlenie, uwarunkowany jest rozkładem g, tłumienia jednostkowego ( l) [db/km] wzdłuż trasy propagacji fali radiowej: gdzie: l L [db] ( l) dl, () g, l [km] odcinek trasy propagacji fali radiowej w tlenie; (l) [db/km] rozkład tłumienia jednostkowego w tlenie na odcinku l. W analogiczny sposób, poprzez całkowanie tłumienności jednostkowej, wyznacza się drugi składnik równania absorpcję w parze wodnej: 658

6 gdzie: l H L [db] ( l) dl, (3) g, H l H [km] odcinek trasy propagacji fali radiowej w parze wodnej; H (l) [db/km] rozkład tłumienia jednostkowego w parze wodnej na odcinku l. Wypadkową wartość absorpcji molekularnej g można wyrazić zatem jako sumę tłumienia jednostkowego w parze wodnej oraz tlenie:. (4) g H W rzeczywistości jednak każdy gaz absorbuje energię fali radiowej, pojedyncze molekuły gazów mają właściwości elektrycznego dipola (pary wodnej) lub magnetycznego dipola (tlenu), zaś zjawisko absorpcji molekularnej zachodzi dla każdej częstotliwości. Jego wymiar zależy od kwadratu częstotliwości fali radiowej i osiąga największą wartość dla molekuł spolaryzowanych (np. H ), których końce (o przeciwnych znakach) ustawiają się zależnie od kierunku linii pola elektrycznego, pochłaniając jego energię. wartości tłumienia w gazach atmosferycznych L g decyduje przede wszystkim: (1) częstotliwość; () kąt elewacji oraz (3) wysokość terminala nad poziomem morza. Egzemplifikację wpływu wielkości zależnych od wysokości (ciśnienie, temperatura i stężenie pary wodnej w atmosferze wilgotność bezwzględna) stanowi kąt elewacji. Wartość tłumienia L g zależy bowiem od długości trasy jaką przebywa fala radiowa w gazach atmosferycznych. bserwuje się jego wzrost dla małych kątów elewacji wskutek wydłużenia drogi propagacji. Dla kątów elewacji (α < 10º) należy dodatkowo uwzględnić krzywiznę Ziemi. Jako że zwiększenie częstotliwości przekłada się na wzrost wartości tłumienia L g, można wyznaczyć jego lokalne maksima w tlenie (dla 60 GHz i 118,74 GHz) oraz parze wodnej (dla,3 GHz, 183,3 GHz, 33,8 GHz). Wykorzystanie tych częstotliwości wiązać się będzie ze znacznym tłumieniem wprowadzanym przez gazy atmosferyczne [8]. Stosunkowo szerokie pasmo absorpcji energii pola magnetycznego w tlenie zawiera się w przedziale częstotliwości od 50 GHz do 70 GHz oraz selektywnie na wyższych częstotliwościach. Rezonans tlenu w znacznym stopniu wpływa na zwiększenie tłumienia L g przy wykorzystaniu częstotliwości od 57 GHz do 64 GHz na potrzeby łączności satelitarnej (z oczywistych względów do zastosowań praktycznych powszechnie wykorzystywane są okna transmisyjne o niewielkiej wartości wnoszonego tłumienia). ile absorpcja w cząsteczkach tlenu L [db] przyjmuje wartość niemalże stałą w czasie, o tyle absorpcja w cząsteczkach pary wodnej L g, H [db ] zależy od wilgotności powietrza atmosferycznego, czyli prężności pary wodnej i w konsekwencji zmienia się w czasie (obserwuje się znaczne wahania jej wartości). Szerokie pasmo absorpcyjne pary wodnej zlokalizowane jest wokół częstotliwości GHz oraz selektywnie na wyższych częstotliwościach (powyżej 00 GHz). Na podstawie empirycznych wyników pomiarowych w ITU-R opracowane zostały krzywe tłumienia jednostkowego, które posłużyły do aproksymacji absorpcji molekularnej w tlenie oraz parze wodnej γh, w zależności od częstotliwości propagowanej fali radiowej (poniżej 54 GHz, od 54 GHz do 60 GHz, od 60 GHz do 6 GHz, od 6 GHz do 66 GHz, od 66 GHz do 10 GHz, od 10 GHz do 350 GHz) [3]. Szczegółowe procedury służące oszacowaniu wartości tłumienia spowodowanego absorpcją w gazach atmosferycznych, dla fal w zakresie częstotliwości od 1 GHz do 350 GHz oraz od 1 GHz do 1000 GHz, zawarte są w rekomendacji ITU-R Rec. P [3]. Uproszczone algorytmy obliczania tłumienia mogą być stosowane do wysokości 10 km. W przypadku ich implementacji bezwzględna różnica wyników w stosunku do metod opianych w rekomendacji nie przekracza na ogół wartości większej od 0,1 db/km (maksymalnie wynosi 0,7 db/km przy częstotliwości 60 GHz). Powyżej wysokości 10 km zaleca się korzystanie z dokładnej analizy (linia po linii). H g, 6583

7 * znaczenia: wypadkowe tłumienie jednostkowe w gazach atmosferycznych; g tłumienie jednostkowe w tlenie; tłumienie jednostkowe w parze wodnej. H Rys. 3. Tłumienie jednostkowe w gazach atmosferycznych w funkcji częstotliwości fali radiowej w warunkach normalnych (opracowanie własne na podstawie [3]) Poniżej 10 GHz, zarówno tłumienie powietrza suchego, jak i pary wodnej jest stosunkowo niewielkie i z tego względu w przypadku wyznaczenia bilansu łącza często pomijane (na ogół nie przekracza wartości 0,1 db). Jak podkreślił autor: dla częstotliwości powyżej 10 GHz, [ ] (tłumienie przyp. J.W.) rośnie szczególnie dla niskich kątów elewacji. Przy częstotliwości GHz (co odpowiada paśmie pochłaniania pary wodnej), w odniesieniu do średniej gęstości pary wodnej oraz dla kątów elewacji większych niż 10 absorpcja nie przekracza db [1]. Dokonując analizy porównawczej tłumienia L g w parze wodnej i tlenie zauważa się, że do częstotliwości 10 GHz większy wpływ na propagację mikrofalowego sygnału satelitarnego ma tłumienie powietrza suchego. Natomiast dla fal radiowych o częstotliwości powyżej 10 GHz obserwuje się znaczy wzrost tłumienia pary wodnej (szczególnie dla małych kątów elewacji). Poniżej na rysunku 4 przedstawiono zależność wypadkowego tłumienia w gazach atmosferycznych w funkcji częstotliwości (w zakresie od 1 GHz do 50 GHz) w miejscu lokalizacji stanowiska laboratoryjnego na Politechnice Świętokrzyskiej w Kielcach. 6584

8 * Miejsce lokalizacji: stanowisko laboratoryjne Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach. Rys. 4. Wypadkowe tłumienie w gazach atmosferycznych w funkcji częstotliwości fali radiowej w obszarze Kielc W rekomendacji ITU-R Rec. P przedstawiono ponadto przebiegi tłumienia gazów atmosferycznych dla trasy zenitalnej (α = 90º) w warunkach normalnych (przy czym w kalkulacjach tych wzięto pod uwagę własności pary wodnej do wysokości km) [3]. Rys. 5. Tłumienie zenitalne w gazach atmosferycznych w funkcji częstotliwości fali radiowej w warunkach normalnych [3] 6585

9 Wartość tłumienia zenitalnego umożliwia obliczenie tłumienia fal mikrofalowych w gazach atmosferycznych dla innych kątów elewacji (w zakresie: 10º < α < 90º) w oparciu o zależność: gdzie: Lg( wypadkowe ) L g ( ) [ db], (5) sin L g (wypadkowe) [db] całkowite tłumienie gazów atmosferycznych dla trasy zenitalnej. Statystyczne obliczenia przeprowadza się na podstawie map wilgotności powietrza (materiał wejściowy stanowią zwykle miesięczne lub roczne mediany zawartości pary wodnej, które wyrażane są przez ITU-R w postaci izolinii [g/m 3 ] na mapach absolutnej wilgotności powietrza). Przyjmuje się, że dla fal radiowych o częstotliwości powyżej 18 GHz, gazy atmosferyczne mogą wprowadzać tłumienie na poziomie kilkunastu db. Minimalna wartość tłumienia atmosferycznego przekracza 3 db dla częstotliwości powyżej 50 GHz. Można zaobserwować, że tłumienie jest znacznie większe aż do częstotliwości około 70 GHz, zaś fale radiowe podlegają znacznemu tłumieniu w atmosferze ziemskiej powyżej 100 GHz. Czynniki te pozwalają stwierdzić, że pasma częstotliwości powyżej 50 GHz nie będą w najbliższym czasie wykorzystywane do potrzeb łączności satelitarnej, ani też komunikacji z platformami stratosferycznymi. WNISKI Biorąc pod uwagę zjawiska towarzyszące propagacji fal radiowych należy rozważyć przypadek w którym tor fali radiowej prowadzi poprzez rzeczywiste, niejednorodne, niestacjonarne i stratne środowisko propagacyjne. W konsekwencji na trajektorię propagowanego sygnału, a w szczególności na jego tłumienie oprócz czynników warunkujących tłumienie w wolnej przestrzeni propagacyjnej (częstotliwość sygnału, długość trasy) wpływają również aktualne warunki atmosferyczne, zaś wartość tłumienia jest większa od wartości tłumienia podstawowego o składnik wynikający z różnych od wolnej przestrzeni warunków propagacji fal radiowych: L rz [db] = L 0 [db] + L rwp [db]. ile transmisja satelitarna nie jest nacechowana występowaniem spowodowanych zjawiskiem interferencji fal odbitych, krótkotrwałych, głębokich zaników selektywnych, które towarzyszą propagacji fal mikrofalowych w naziemnych liniach radiowych, o tyle znaczący wpływ na odbiór fal mikrofalowych ma tłumienność atmosfery ziemskiej zwłaszcza absorpcja molekularna w gazach atmosferycznych (również w warunkach czystego nieba clear sky) oraz absorpcja i rozpraszanie fal radiowych w hydrometeorach (zaniki opadowe) [8]. Bilans łącza dodatkowo pogarsza zjawisko refrakcji fal radiowych. Dla okien radiowych na częstotliwości około 4 i 6 GHz do strat w wolnej przestrzeni L 0 dodawać można około 1 db jako wynik tłumienia atmosfery ziemskiej (dodatkowe 4 db wnosi oddziaływanie intensywnych opadów deszczu). Zebranie powyższych danych pozwolić może na zgromadzenie zapasu sygnałowego, kompensującego wpływ niekorzystnych warunków atmosferycznych, w tym również na minimalizację ryzyka utraty sygnału satelitarnego (w przypadku wystąpienia skrajnie niekorzystnych warunków pogodowych). Streszczenie W artykule zaprezentowano wpływ tłumienności atmosferycznej na odbiór mikrofalowych sygnałów satelitarnych z uwzględnieniem ich częstotliwości nośnej. Skupiono się na analizie propagacji fal radiowych w systemach łączności satelitarnej w troposferze ziemskiej. W praktyce, tłumienie atmosferyczne znacząco wpływa na jakość odbioru sygnałów mikrofalowych, szczególnie ze względu na zjawisko absorpcji i refrakcji występujące na cząsteczkach gazów. Badania są przydatne dla inżynierów łączności satelitarnej, gdyż mogą przyczynić się do optymalizacji i poprawy wydajności działania łączy satelitarnych, co w przyszłości może doprowadzić do minimalizacji ryzyka utraty sygnału lub przerw w ciągłości świadczenia usług, co jest zgodne z założeniami sieci GIN oraz Europejskiego Projektu Badawczego ICT CST Action IC080 Propagation tools and data for integrated Telecommunication, Navigation and Earth bservation systems. Słowa kluczowe: absorpcja molekularna, tłumienie w atmosferze ziemskiej. 6586

10 The attenuation factors of radio waves in the Earth's atmosphere Abstract This article presents the influence of atmospheric attenuation on the reception of microwave satellite signals with respect to their carrier frequency. It deals with propagation concerns for satellite communications systems in the troposphere. In practice, the presence of atmospheric attenuation has a considerable influence on the quality of microwaves signals, especially due to absorption and reflection by gas molecules. In the future, the research results can be useful to satellite communications engineers as they can contribute to optimize and improve the performance of satellite links which may lead to minimize the interruption or lack of communication between the terminal and the satellite, which is consistent with the scientific goals of the Global Integrated Networks and the European Research Project ICT CST Action IC080 Propagation tools and data for integrated Telecommunication, Navigation and Earth bservation systems. Keywords: molecular absorption, atmospheric attenuation. BIBLIGRAFIA 1. Bem J., Anteny i rozchodzenie się fal radiowych, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa Ciosmak J., Algorytm wyznaczania nieseparowalnych dwuwymiarowych zespołów filtrów dla potrzeb systemów transmultipleksacji. Przegląd Elektrotechniczny 011, nr ITU-R Rec. P , Attenuation by atmospheric gases, Genewa 01, REC-P I/en (wersja elektroniczna). 4. Jędras J., Romańska-Spaczyńska M., cena jakości powietrza w województwie świętokrzyskim w roku 011. cena roczna i klasyfikacja stref na podstawie art. 89 ustawy z dnia 7 kwietnia 001 r. Prawo ochrony środowiska (tekst jednolity Dz. U. Nr 5/008, poz. 150 z późn. zm.) z uwzględnieniem wymogów dyrektywy 008/50/WE i dyrektywy 004/107/WE, Wydział Monitoringu Środowiska WIŚ, Kielce Marciniak M., Natarov D. M, Sauleau R., Nosich A. I, Effect of Periodicity in the Resonant Scattering of Light by Finite Sparse Configurations of Many Silver Nanowires. Plasmonics 014, nr. 6. Memorandum of Understanding for the implementation of a European Concerted Research Action designated as CST Action IC080 Propagation tools and data for integrated Telecommunication, Navigation and Earth bservation systems, domain_files/ict/action_ic080/mou/ic080-e.pdf 7. Struktura Ziemi, Atmosfera, dfc6d0.jpg 8. Szóstka J., Mikrofale, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa Wilk J., Ciosmak J., Badanie wpływu mżawki na odbiór mikrofalowych sygnałów satelitarnych. Logistyka 014, nr Wilk J. Ł., The influence of the antenna parameters on a digital satellite signal reception. CEEPUS CII-CZ M-43894, Brno Wilk J. Ł., The measurment processing of satellite signal, CEEPUS CII-CZ M Brno Wilk J. Ł., Naturalne źródła szumów w transmisji satelitarnej, [w]: Rola Informatyki w Naukach Ekonomicznych i Społecznych. Innowacje i implikacje interdyscyplinarne, (red.) T. Grabiński, Wydawnictwo Wyższej Szkoły Handlowej im. B. Markowskiego w Kielcach, t. II, Kielce Wilk J. Ł., Współpraca naukowa w ramach Projektu Europejskiego CST IC080, [w:] Wschód i Zachód w wymiarze globalnym. Doświadczenia z przeszłości a perspektywy na przyszłość, (red.) M. Miłek, G. Wilk-Jakubowski, R. S. Brzoza, Wydawnictwo Stowarzyszenia Współpracy Polska- Wschód. ddział Świętokrzyski, Kielce pracowanie ekofizjograficzne wykonane na potrzeby studium uwarunkowań i kierunków zagospodarowania przestrzennego miasta Kielce, (red.) B. Szulczewska, A. Cieszewska, R. Giedych, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego, Warszawa

11 15. Woś A., Meteorologia dla geografów, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa Zwoździak J., Zwoździak A., Szczurek A., Meteorologia w ochronie atmosfery, ficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław