I forrige innlegg kom det et spørsmål fra Benny / Sven-Ove:
Jeg innrømmer med en gang at jeg ikke er fysiker, så slipper noen å lure... Jeg aner ikke hvordan en radar fungerer, men jeg skjønner at det har med å sende ut ting og så registrere hvordan det returneres, eller ikke returneres. Så forstår jeg at man i dette tilfellet bruker antenner til å sende ut signaler, som reflekteres, eller ikke, av f.eks. nordlys. Er det mulig, på enkelt vis, å fortelle litt mer om hvordan denne radaren fungerer, og hva den måler?
Jeg tenkte derfor jeg skulle skrive et lite blogginnlegg om hva det er vi måler med radaren, og «helt enkelt» prøve å forklare hvordan den virker.
Det har absolutt å gjøre med å sende ut signaler og se hvordan de returneres. Det har seg slik at langt oppe i atmosfæren, fra ca. 50 km og oppover til 500–1000 km (fly går «bare» i ca. 13 km høyde), er det vi kaller ionosfæren. Her er solstrålingen mye mer energirik enn her på jordoverflaten, og luftmolekylene og -atomene ioniserte av strålingen fra solen – altså er «luften» her oppe elektrisk ladd: Negativt ladde elektroner flyter rundt blant positivt ladde atomer og molekyler.
Dette gir ionosfæren ganske spesielle egenskaper – blant annet reagerer den på jordens magnetfelt. I tillegg vil den reflektere radiosignaler tilbake til bakken. Dette er grunnen til at man med walkie-talkie-er i gamle dager kunne snakke på tvers av atlanteren: Radiosignalene «spretter» oppunder ionosfæren, og kan på den måten nå mye lenger enn man har fri sikt til.
Dette blir litt på samme måte som i mikrobølgeovnen din – du kan se inn vinduet, gjennom metallgitteret, men på grunn av metallgitteret kommer ikke strålingen ut av vinduet – den blir reflektert tilbake inn i mikrobølgeovnen. Hvor tett gitteret er bestemmer hva som reflekteres – det slipper for eksempel gjennom synlig lys (det er derfor du kan se maten), mens mikrobølgene blir reflektert av gitteret og holdt inne i ovnen. Husk at mikrobølger og synlig lys (og radiobølger og røntgenstråling) er akkurat det samme – synlig lys har bare mye kortere bølgelengde enn mikrobølger.
Da kommer vi til viktig punkt nr. 2: Elektronene i ionosfæren virker også som et slags «gitter» på denne måten, og hvor høyt oppe signalet reflekteres, er (enkelt sett) kun bestemt ut ifra på frekvensen til signalet du sender ut og tettheten av elektroner der hvor signalet blir reflektert. Dette betyr at vi til enhver tid enkelt kan regne ut hvilken elektrontetthet det var der signalet ble reflektert. Se bildet til høyre viser for en simpel forklaring: Ulike farger representerer ulik elektrontetthet, og signalet vi sender opp blir kun reflektert der det «stemmer overens» med elektrontettheten, og ikke andre steder.
Vi kan da sende ut signaler med en viss frekvens, måle tiden det tar før vi får det igjen, og ved hjelp av vei-fart-tid-formelen kan vi enkelt regne ut høyden signalet ble reflektert i. Dette fungerer på samme måte som en politiradar – den vet hele tiden hvor langt det er fram til bilen som måles (og bruker to eller flere slike målinger for å regne ut hastigheten til bilen).
Vi kan da prøve på nytt med en annen frekvens (alt dette gjøres ekstremt raskt av datamaskiner), og når vi legger sammen alle målingene får vi en fin kurve som viser tettheten av elektroner oppover i ionosfæren. Elektrontettheten er en veldig sentral egenskap som det er viktig å ha oversikt over – den er et vesentlig grunnlag for mange andre målinger.
Hva har dette å gjøre med nordlys? Nordlys forårsakes av partikler som «regner ned» med stor kraft inn i atmosfæren vår. Der kolliderer de med atomer og molekyler, som sender ut lys på grunn av den ekstra energien de har fått. Men partiklene som regner ned slår også elektroner vekk fra atomer og molekyler, slik at elektrontettheten blir høyere. Som forklart over ser vi dette på målingene våre, og vi kan da «se» nøyaktig hvor nordlyset er til enhver tid, selv om det er litt overskyet.
Av andre ting vi kan måle er f.eks. hastigheten til partikler langsmed radar-strålen (i retningen vi «ser» med radaren). Dette blir litt som å kaste en sprettball mot en vegg som beveger seg: Om veggen beveger seg vekk fra deg, spretter ballen tilbake med lavere fart enn du kastet den ut med, og omvendt. Dette kan gi oss verdifull informasjon om hvordan store «skyer» av ioner i ionosfæren beveger seg rundt. Dette er for eksempel veldig nyttig i forhold til GPS-systemet, for om det plutselig kommer en sky med veldig høy elektrontetthet kan GPS-en vise feil posisjon, fra noen meter til noen hundre meter. Det har stor innvirkning på f.eks. oljeboring – de er veldig avhengig av nøyaktig posisjonering av boreutstyret!
Vi kan også måle temperaturen til både ionene og elektronene. Dette kan for eksempel hjelpe forskerne å skille fra hverandre ulike fenomener som ellers hadde sett ganske like ut.
Hvis du (ja du ja, ikke bare karen som stilte spørsmålet) nå skjønner litt mer av hva radamålinger kan si oss, hvorfor det er viktig og hvordan det virker, så kan du gi deg en klapp på skulderen.
Og hvis du sitter inne med enda flere spørsmål enn før du begynte å lese, så har jeg virkelig nådd målet mitt.
Noe du vil si?