Atmosférické útlumy

Atmosférický útlum je proces, při kterém elektromagnetické záření – včetně rádiových vln, mikrovln, infračerveného záření, viditelného světla a vyšších frekvencí – ztrácí intenzitu při průchodu zemskou atmosférou. Toto snížení je způsobeno dvěma hlavními fyzikálními mechanismy: absorpcí (kdy energii pohlcují molekuly atmosféry a přeměňují ji na teplo nebo vnitřní excitaci) a rozptylem (kdy je vlna odkloněna částicemi nebo molekulami, což vede ke ztrátě signálu v původním směru šíření).

Atmosférický útlum je základním faktorem při návrhu, provozu a spolehlivosti bezdrátových komunikačních systémů, satelitních spojů, dálkových měřicích přístrojů a astronomických observatoří. Jeho velikost závisí na frekvenci záření, složení a hustotě atmosféry, počasí a geometrické dráze skrz atmosféru.

Základní pojmy

Elektromagnetické záření a atmosféra

Elektromagnetické vlny interagují s atmosférou složitým způsobem. Molekuly jako kyslík, vodní pára, oxid uhličitý a ozon absorbují energii na specifických frekvencích, zatímco další složky (jako aerosoly, prach a srážky) rozptylují a absorbují energii v širších pásmech. Atmosférický útlum je zvláště významný na vyšších frekvencích (mikrovlny, milimetrové vlny a optika).

Absorpce

Absorpce nastává, když energie elektromagnetické vlny odpovídá energii potřebné k vybuzení rotačních, vibračních nebo elektronických přechodů v molekulách atmosféry. Každý plyn má charakteristické absorpční čáry nebo pásma – oblasti spektra, kde je útlum obzvlášť silný.

• Kyslík: Silná absorpce kolem 60 GHz a 118 GHz.
• Vodní pára: Silné čáry při 22 GHz, 183 GHz a 325 GHz.
• Ozon a CO₂: Absorbují v infračervené a ultrafialové oblasti.

Absorpce je ovlivněna atmosférickým tlakem (tlakové rozšíření čar) a teplotou (Dopplerovo rozšíření), přičemž celkový účinek je kumulativní podél dráhy šíření.

Rozptyl

Rozptyl je odklonění elektromagnetické energie molekulami a částicemi:

• Rayleighův rozptyl (částice mnohem menší než vlnová délka): Zodpovědný za modrou barvu oblohy; silně závislý na vlnové délce.
• Mieův rozptyl (částice podobné velikosti jako vlnová délka): Převládá u mlhy, oblak a aerosolů; méně závislý na vlnové délce.
• Neselektivní rozptyl (částice mnohem větší než vlnová délka): Déšť, sníh, kroupy – zeslabují všechny vlnové délky podobně.

Pro komunikaci a detekci je každá energie rozptýlená mimo přímou linii mezi vysílačem a přijímačem považována za ztracenou.

Koeficient útlumu (β)

Koeficient útlumu kvantifikuje ztrátu signálu na jednotkovou vzdálenost, obvykle v dB/km, a zahrnuje jak absorpci, tak rozptyl. Liší se podle frekvence, složení atmosféry, teploty, tlaku i přítomnosti částic či srážek.

[ I = I_0 \exp(-\beta x) ]

• (I_0): Počáteční intenzita
• (I): Intenzita po vzdálenosti (x)
• (\beta): Koeficient útlumu

Celkový útlum

Celkový útlum je souhrnná ztráta signálu na určité dráze:

[ A = \beta \cdot L ]

Kde (A) je celkový útlum (dB), (\beta) je koeficient útlumu a (L) délka dráhy (km).

Útlum volným prostorem vs. atmosférický útlum

Útlum volným prostorem (FSPL) popisuje ztrátu signálu způsobenou geometrickým šířením ve volném prostoru:

[ \text{FSPL (dB)} = 20 \log_{10}(d) + 20 \log_{10}(f) + 32,44 ]

Atmosférický útlum se k FSPL přičítá, zejména na vysokých frekvencích a při dlouhých průchodech atmosférou.

Specifický útlum

Specifický útlum označuje ztrátu na jednotkovou délku při dané frekvenci a za definovaných atmosférických podmínek. Je zásadní pro výpočty linkových rozpočtů v telekomunikacích a při interpretaci dat dálkového průzkumu Země.

Mechanismy podrobněji

Absorpce

Absorpce je frekvenčně selektivní, probíhá na specifických rezonančních frekvencích atmosférických plynů. Nejvýznamnějšími přispěvateli jsou:

• Kyslík (O₂): Silná absorpce při 60 GHz a 118 GHz.
• Vodní pára (H₂O): Absorbuje při 22 GHz, 183 GHz a 325 GHz.
• Ozon (O₃): Převládá v ultrafialové oblasti.
• Oxid uhličitý (CO₂): Významný v infračervené oblasti.

Šířka a síla absorpčních čar závisí na tlaku a teplotě. Kumulativní absorpce se modeluje pomocí Beer-Lambertova zákona (viz výše).

Rozptyl

Rozptyl závisí na velikosti částic a vlnové délce:

• Rayleighův rozptyl: Intenzita ∝ (\lambda^{-4}) (silný pro krátké vlnové délky, např. modré světlo).
• Mieův rozptyl: Významný u oblak/mlhy; slaběji závislý na vlnové délce.
• Neselektivní rozptyl: Všechny vlnové délky stejně, např. dešťové kapky.

Rozptyl je hlavním zdrojem útlumu a ztrát v optických a milimetrových systémech a při nepříznivém počasí.

Kvantifikace útlumu

Koeficient útlumu

[ \beta(f) = \beta_{abs}(f) + \beta_{scat}(f) ]

Normy jako ITU-R P.676 (plynný útlum) a ITU-R P.838 (dešťový útlum) poskytují modely pro β za různých podmínek.

Celkový útlum

Pro dráhu délky (L):

[ A = \beta \cdot L ]

Pro nehomogenní podmínky je třeba β integrovat po celé dráze.

Příklad:

Downlink 40 GHz, 6 km, vlhké podmínky, β = 1,2 dB/km:

[ A = 1,2 \times 6 = 7,2 \text{ dB} ]

Závislost na frekvenci

• Pod 10 GHz: Útlum je nízký; vhodné pro dálkové komunikace.
• 10–100 GHz (mikrovlny až mm-vlny): Silná absorpce v určitých pásmech (22, 60, 183 GHz atd.); útlum může přesáhnout 10 dB/km.
• Nad 100 GHz: Útlum prudce roste; použitelné jen pro krátké nebo vysokohorské trasy.

Déšť, sníh a mlha způsobují výrazný dodatečný útlum, zejména nad 10 GHz.

Aplikace a důsledky

Telekomunikace

Atmosférický útlum omezuje dosah a spolehlivost satelitních, pozemních mikrovlnných a mm-vlnových systémů. Návrh musí počítat s nejhorším útlumem (např. dešťové útlumy) použitím vyššího výkonu, diverzity nebo opravou chyb.

Dálkový průzkum Země

Útlum ovlivňuje kalibraci senzorů a přesnost získaných dat. Klíčové jsou korekční algoritmy a správná volba kanálů, zejména pro atmosférické profilování (např. využití absorpčních čar) a pozorování Země.

Astronomie

Atmosférický útlum omezuje pozorování ze země na mnoha frekvencích. Observatoře ve vysokých nadmořských výškách nebo na oběžné dráze se většině těchto ztrát vyhnou.

Solární energie a LIDAR

Útlum snižuje intenzitu slunečního záření na povrchu a ovlivňuje měření LIDARem, zejména v oblacích nebo při vysoké vlhkosti.

Modelování a předpověď

Útlum se předpovídá pomocí modelů a norem:

• ITU-R P.676: Plynný útlum.
• ITU-R P.838: Dešťový útlum.
• ITU-R P.840: Útlum způsobený oblačností/mlhou.
• Kódy radiačního přenosu: MODTRAN, HITRAN pro detailní spektra.

Měření z meteorologických stanic, radiosond a dálkového průzkumu slouží k kalibraci a ověření těchto modelů.

Shrnutí: Klíčové faktory ovlivňující atmosférický útlum

Závěr

Atmosférický útlum je klíčovým aspektem při plánování a provozu všech systémů, které vysílají nebo přijímají elektromagnetické signály skrz atmosféru. Jeho dopad závisí na frekvenci, počasí i délce dráhy, a proto vyžaduje pečlivé modelování a robustní technická řešení, aby byla zajištěna spolehlivá komunikace, přesný dálkový průzkum i efektivní astronomická pozorování.

Chcete-li více informací o optimalizaci vašich systémů proti atmosférickému útlumu, kontaktujte naše odborníky nebo naplánujte si demo .