Radarowy zawrót głowy

Ile razy można zmieniać zastosowanie i przenosić z miejsca na miejsce radar z anteną o średnicy rzędu 30 m, wieżą, budynkiem i całym zapleczem?

Historia rozpoczęła się w czasach, gdy Francja prowadziła na południowym Pacyfiku naziemne próby nuklearne, czyli w latach 60-tych. Mimo że zimna wojna toczyła się raczej między światem kapitalizmu i socjalizmu, rząd Stanów Zjednoczonych postanowił zbadać, jakież to efekty francuskie poczynania wywołają w jonosferze. Projekt zlecono Instytutowi Stanforda, który później stał się niezależną instytucją naukową SRI International.

Czym szczególnym wyróżnia się jonosfera znajdująca się ponad 60 km nad ziemią? Obecnością swobodnych elektronów i jonów, które tworzą plazmę, czwarty stan skupienia materii. Powstanie tego tajemniczego stanu można sobie wyobrazić śledząc kolejne etapy podgrzewania materii. Wraz ze wzrostem temperatury substancja przechodzi kolejno od stanu stałego przez ciecz do gazu. Gdy będziemy dalej podgrzewać gaz, w określonych warunkach elektrony zaczną odrywać się od atomów pozostawiając dodatnio naładowane jony. To właśnie jest plazma - postać gazu zdolna do przewodzenia prądu elektrycznego (mamy przecież swobodne ładunki) i oddziałująca z polem magnetycznym (bo pole magnetyczne i elektryczne to jak para papużek nierozłączek). Najbliższa nam większa ilość plazmy w stanie naturalnym znajduje się właśnie w jonosferze. Jednym z istotnych dla naukowców parametrów jonosfery jest temperatura. Ale w jaki sposób ją zmierzyć, skoro dzieli nas odległość rzędu 100 i więcej kilometrów? Balon nie doleci, prędzej rakieta, ale to drogie przedsięwzięcie, które pozwala zebrać dane jedynie w krótkim czasie. Narzędziem, które sprawdza się tu znakomicie jest specjalistyczny radar, odbierający promieniowanie pochodzące z niekoherentnego (czyli niespójnego) rozpraszania fali radiowej przez elektrycznie naładowane cząstki. Taki radar różni się nieco od znanego powszechnie urząadzenia, którym policja sprawdza prędkość samochodów. Radar wypromieniowuje w impulsie moc rzędu megawatów, z czego z powrotem do czaszy anteny dociera sygnał o mocy zaledwie rzędu pikowatów, a więc 1018 razy mniej. Tak mała energia wystarcza, by dzięki wyrafinowanym algorytmom analizy sygnałów odszyfrować tajniki jonosferycznej plazmy.

W Kalifornii powstał taki właśnie radar do badania jonosfery, który zamierzano wysłać w pobliże francuskiego poligonu nuklearnego.
Gdy radar był gotowy, Francja zrobiła psikusa i podpisała układ o zakazie naziemnych prób nuklearnych (dalsze próby zeszły pod ziemię, ale ich szpiegowanie to już dziedzina sejsmologii). Cóż więc zrobić z tak kosztownym sprzętem? Rychło pojawiła się myśl, że zorze polarne mogą wpływać na rozchodzenie się fal radiowych w podobny sposób jak wybuchy jądrowe. Zorze pojawiają się w obszarze tzw. owala zorzowego - pierścienia otaczającego bieguny magnetyczne (nie mylić z geograficznymi). Gotowy radar przeniesiono z Kalifornii na Alaskę, gdzie z powodzeniem pracował w latach 1971 - 1982. Zebrano dane z całego, 11-letniego cyklu aktywności słonecznej, w miejscu znajdującym się w nocnym zasięgu owala zorzowego. Charakterystyczną cechą owala (dokładnie tak, nie okręgu) zorzowego jest niesymetria względem bieguna. Dzieje się tak za sprawą Słońca. Nasza gwiazda wysyła w kosmos strumienie naładowanych cząstek, zwane wiatrem słonecznym. Część Ziemi znajdująca się od strony Słońca, czyli tam gdzie mamy dzień, jest narażona na bezpośrednie podmuchy tego wiatru. Gdyby nie ochronna warstwa ziemskiego pola magnetycznego (magnetosfery), słoneczne bombardowanie byłoby zabójcze dla życia. Wiatr słoneczny zmienia kształt linii sił pola magnetycznego podobnie jak zwykły wiatr targa chorągiewkę czy długie włosy. Nasza magnetosfera ulega kompresji od strony Słońca (dziennej) i rozciągnięciu od strony przeciwnej (nocnej), gdzie tworzy się długi ogon. Stąd zorze polarne w nocy sięgają dalej na południe niż w dzień. Tak, zorze w ciągu dnia też występują, mimo że ich nie widać. Widzi je jednak radar, który wysyła w stronę jonosfery falę radiową dużej mocy i nasłuchuje echa pochodzącego od naładowanych cząstek plazmy.

Wkrótce po tym, jak w północnej Europie powstała nowa sieć radarów do badania jonosfery (EISCAT), Amerykanie zdecydowali się znaleźć dla radaru nową lokalizację - w zasięgu pasa zórz w dzień i po jego wewnętrznej stronie w nocy. Wynikało to z faktu, że europejska sieć radarów znajdowała się na tej samej geomagnetycznej szerokości co Alaska, a więc tamtejszy radar przestał mieć znaczenie. Zainteresowanie militarne zmalało, pojawiło się jednak czysto naukowe zapotrzebowanie na badanie zjawisk zachodzących w naturalnej plazmie. Kraniec fiordu Søndre Stromfjord (Kangerlussuaq) w zachodniej Grenlandii nadawał się do tego celu znakomicie. Istniała tam wówczas amerykańska baza wojskowa, stanowiąca dobre zaplecze logistyczne, a Duńskie Centrum Polarne i Duński Instytut Meteorologiczny były żywo zainteresowane posiadaniem radaru na swoim terenie.

W ciągu ośmiu miesięcy radar zdemontowano, przewieziono, złożono ponownie i na nowo rozpoczęto pomiary. Skutki tej szybkiej przeprowadzki pokutują do dziś. Budynek stacji postawiono bez uwzględnienia właściwościu znajdującej się pod nim zmarzliny. Ślizganie się budynku w rozmarzającym latem gruncie powoduje jego pękanie oraz naprężenia i wygięcia falowodu, którym fala nadawcza wędruje z nadajnika do czaszy anteny. Problemy są natury technicznej i estetyczno-funkcjonalnej.
Stację prowadzi niedochodowa organizacja naukowa SRI International finansowana z NSF (National Science Fundation). Badania wykonuje się na życzenie zainteresowanych naukowców, a zebrane dane są dostępne bezpłatnie na stronie www.isr.sri.com. Budżet przeznaczony na projekt ograniczony jest głównie do funkcjonowania i modernizacji sprzętu pomiarowego, zdecydowanie mniejszy nacisk kładzie się na zaplecze. Nie dziwi więc stary sprzęt, taki jak meble pochodzące z wojskowego demobilu i wystrój baraków bazowych pochodzący sprzed kilkudziesięciu lat.
Oprócz badań radarowych, w stacji prowadzi się rozliczne pomiary za pomocą urządzeń optycznych i radiowych należących do różnych uniwersytetów i instytutów naukowych.

Grenlandzki radar pracuje średnio 160 godzin miesięcznie. Mimo postępującej w świecie pomiarowym automatyzacji, podczas działania radaru musi dyżurować przeszkolony człowiek, a obsługa stacji musi posiadać odpowiednią wiedzę techniczną. Czy łatwo znaleźć pracownika na takie stanowisko? Ściągnąć ludzi do pracy na grenlandzkim odludziu, gdzie najbliższą osadą jest niezbyt miłe Kangerlussuaq obsługujące lotnisko? Faktem jest, że firma SRI zainteresowała się aplikacją przesłaną z Polski i rozpatrzyła ją pozytywnie...

Wykorzystałem informacje historyczne spisane przez Mary McCready z SRI International.

ToMasz, 08-06-2006



Sondrestrom Radar jesienią


profil gęstości elektronów
Zorza polarna na wykresie gęstości elektronów.
Poziome czarne linie narysowane co 100 km wysokości.

Sznurki

Po angielsku: