Radar - månen, solen och himlakropparna


Månen - radareko och ELINT-reflektor Solen - radareko och strålningskälla En del av rymden - Orions bälte i mitten av bilden
Ovanstående tre foton av månen, solen och delar av stjärnbilden Orion (längst upp till vänster den ljusstarka röda stjärnan "Betelgeuse", nere till höger den ljusstarka blå stjärnan "Rigel" och mitt emellan dessa båda stjärnor bl a de tre stjärnorna något snett ovanför varandra som bildar Orions bälte) har tagits med en "naken" standard digital kompaktkamera dvs kameran har använts utan hjälpmedel som t ex teleskop. De två första bilderna har tagits i Karlshamn medan stjärnfotot har tagits på Gran Canaria (N 27.76991083442..°, V 15.54305523634..° i sydostlig riktning 2011-01-05 kl 22:03 UTC för den som vill simulera den aktuella stjärnhimlen i t ex det mångsidiga och tydliga gratisprogrammet Stellarium (se exemplet nedan).

Stellarium - Simulerad stjärnhimmel enligt ovan, grundbild mot sydost. Stellarium - Simulerad stjärnhimmel som bilden till vänster med markerade stjärnbilder och vissa stjärnnamn. Stellarium - Simulerad stjärnhimmel som den mittersta bilden och dessutom illustrerad.
Ovanstående tre bilder är delar av några skärmdumpar från det förnämliga gratisprogrammet "Stellarium" inställt på tid och plats enligt ovan. Programmet kan fritt hämtas på Stellariums hemsida.


Radarn och himlakropparna

År 1946 mottogs det första radarekot från ett objekt utanför jordens atmosfär. Det var vår närmaste granne månen som då fångades in med radar. Medelavståndet från jorden till månen är c:a 384 000 km. Radarstrålning är liksom ljuset elektromagnetiska vågor och utbreder sig lika snabbt (ljushastigheten i vakuum = c0 = 299 792 458 m/s). Detta innebär att radarstrålningen behöver 384 000 000 [m] / c0 [m/s] ≈ 1.28 s för att förflytta sig mellan jorden och månen. Återresan månen-jorden tar lika lång tid varför ekot alltså återkommer till radarmottagaren c:a 2.56 sekunder efter att pulsen skickats iväg. Eftersom avståndet mellan jorden och månen varierar kan månekot ta mellan 2.4 och 2.7 sekunder. Under slutet av 1950-talet hade månen utforskats med radar på ett stort antal frekvenser i området 15 MHz - 35 GHz. Även andra himlakroppar utforskades därefter med radar. Dessa var Venus, Merkurius, Mars och solen. Så småningom kunde radarmätningar (sändning och mottagning) göras på samtliga större himlakroppar i vårt solsystem. Dock får man ha litet tålamod med den här typen av radarekon. T ex tar solekot c:a 16.6 minuter och ekot från Pluto då (1971) behövde mellan 8.6 timmar och 9.2 timmar (på Plutos maxavstånd skulle det krävas nära 14 h väntetid). En komplikation vid långa väntetider är att jorden roterar kring sin egen axel.

Vid radarastronomi (eller radioastronomi) som omfattar objekt utanför vårt eget solsystem används endast lyssning. Detta eftersom radarekona blir så svaga att de inte kan uppfattas i det omgivande bruset vid de ofantliga avstånd som det är frågan om. Vi har effektiva filter mellan oss och rymden bl a genom vårt ozonlager, vår jonosfär samt molekylabsorption i atmosfären. Det finns bara vissa elektromagnetiska våglängdsområden (s k "fönster") där strålningen från rymden når ned till jordytan. Det "optiska fönstret" 0.30 - 0.80 µm (dvs något större våglängdsområde än vad vi kan uppfatta med våra ögon) är det ena och det andra är "radiofönstret" vid c:a 10 MHz - 300 GHz. Det optiska fönstret släpper med viss ökad dämpning igenom även den undre delen av de infraröda vågorna upp till c:a 1.3 µm våglängd. Ett radioteleskop på månen skulle alltså ha helt andra förutsättningar att ta emot elektromagnetiska vågor från rymden än de jordbaserade.

Astronomiskt observatorium för synlig elektromagnetisk strålning (teleskop).    Det kompakta Schmidt-Cassegrainteleskopet är på plats i ett observatorium.    Schmidt-Cassegrainteleskopet (här sett från rymdsidan) är en blandning av lins- och spegelteleskop.

Månen och ELINT (radarsignalspaning)

De flesta känner säkert till att USA i början av 1960 utövade signalspaning mot Sovjetunionen med hjälp av höghöjdsflygplan av typen U-2 (maxhöjd c:a 70 000 ft dvs drygt 21 300 m). Tanken var att varken Sovjets radar eller vapen skulle kunna nå planet på denna höjd. En viktig del av signalspaningen var radarsignalspaning eller ELINT. Den 1 maj 1960 sköt Sovjet ner ett U-2 som flög över landet. USA slutade då med dessa överflygningar och ersatte dem snart med spaningssatelliter istället. Det som kanske är mindre känt är att även månen användes i detta sammanhang. En antenn med en diameter på 600 ft (drygt 180 m) sattes upp vid Sugar Grove (Virginia). Antennen fångade upp ELINT-signaler från Sovjet som reflekterades via månen.

Parabolantenn för ickejordiska kontakter.    Parabolantenn för ickejordiska kontakter.    Parabolantenner för ickejordiska kontakter.

Solen, månen och andra radarkällor

Infraröd elektromagnetisk utstrålning från två människor på olika avstånd från IR-kameran. Förutom att reflektera (radar-)strålning är många himlakroppar också källor till strålning i radarområdet. En ideal s k "svartkropp" är ett objekt som absorberar all infallande elektromagnetisk strålning och därmed inte reflekterar någonting. Den strålning som avges beror endast på svartkroppens temperatur. En svartkropps utstrålning av elektromagnetiska vågor ökar kvantitativt exponentiellt med kroppens temperatur (proportionellt mot temperaturen i kelvin upphöjt till 4, Stefan-Boltzmanns lag). Samtidigt ökar den utstrålade medelfrekvensen på de elektromagnetiska vågorna med kroppens temperatur (Wiens förskjutningslag). Som exempel kan nämnas att solen, som väsentligen är en svartkropp, uppskattningsvis i medel har yttemperaturen 5800 K (K = kelvin, temperaturen i grader Celsius får man fram genom att minska antalet kelvin med 273.15). Jorden är betydligt svalare än solen med en medel yttemperatur på c:a 288 K (dvs 288-273.15 = 14.85°C).

Även om människan inom vissa frekvensområden fungerar som en "svartkropp" gäller inte detta generellt. T ex är vi relativt bra reflektorer för synligt ljus och radarvågor. Om människan ändå skulle betraktas som en svartkropp så är vår medel yttemperatur kring 305 K (c:a 32°C) vilket enligt Wiens förskjutningslag ger maximal elektromagnetisk utstrålning kring 9.5 µm dvs i det infraröda området (värmestrålning). Detta stämmer ganska bra med verkligheten.

Huvuddelen av solens utstrålning hamnar inom området 0.1 - 4.0 µm med ett maximum kring 0.5 µm (vilket passar bra för oss eftersom synligt ljus för människor finns mellan 0.38 - 0.78 µm, dvs i frekvensområdet 789 THz - 384 THz, 1 THz = 1 terahertz = 1000 GHz). Ett annat exempel är stjärnan Vega som har ungefärliga yttemperaturen 10 000 K. Max utstrålning från Vega sker kring 0.29 µm dvs ultraviolett strålning.

Även om solen alltså huvudsakligen strålar på frekvenser långt ovanför radarområdet förorsakar solen även i sitt normaltillstånd störningar inom mikrovågsområdet. Ju högre yttemperatur desto mer mikrovågsstrålning emitteras normalt från en himlakropp. Detta kan användas när olika radarsystem ska mätas upp och kalibreras. Genom att radarantenner med smala strålningslober riktas mot solen kan t ex antennriktningar, strålningskarakteristik, brusnivåer och mottagarkänslighet regelbundet kontrolleras. Även månen med sin mycket lägre, jämnare och mer noggrant kända yttemperatur, kan användas för detta (månen genererar ingen strålning själv utan reflekterar enbart andra elektromagnetiska källors strålning). Både solen och månen upptar litet drygt 0.5° lobbredd på himlen. Önskas ännu större noggrannhet kan antennen istället riktas mot t ex Cassiopeia A (en supernovarest på avståndet c:a 11 000 ljusår som näst efter solen är den starkaste astronomiska radiokällan på jordens himmel) eller mot Cygnus A (i stjärnbilden "Svanen", en av de ljusaste och mest kända radiogalaxerna) på ett avstånd från oss på c:a 600 miljoner ljusår.

Den elektromagnetiska strålningens spektrum
Typ alternativt Färg
Ungefärligt våglängdsområde
Frekvensområde
   Radiostrålning        300 000 mil - 0.3 m     1 Hz - 1 GHz
   Mikrovågsstrålning        0.6 m - 1.0 mm     500 MHz - 300 GHz
   Infraröd strålning, "IR"        1.0 mm - 780 nm     0.30 - 384 THz
   Röd        780 - 625 nm     384 - 480 THz
   Orange        625 - 590 nm     480 - 510 THz
   Gul        590 - 565 nm     510 - 530 THz
   Grön        565 - 520 nm     530 - 580 THz
   Cyan        520 - 500 nm     580 - 600 THz
   Blå        500 - 450 nm     600 - 670 THz
   Indigo        450 - 430 nm     670 - 700 THz
   Violett        430 - 380 nm     700 - 789 THz
   Ultraviolett strålning, "UV"        400 - 100 nm     750 - 3 000 THz
   Röntgenstrålning        100 - 0.01 nm     3 000 - 30 000 000 THz
   Gammastrålning        < 0.01 nm     > 30 000 000 THz

Anm 1: "Optisk strålning" brukar definitionsmässigt omfatta våglängdsområdet 100 nm - 1 mm.
Anm 2: "Synlig strålning" omfattar (för människan) det ungefärliga våglängdsområdet 380 nm - 780 nm.
Anm 3: Den infraröda strålningen ("IR") indelas i IRA (780-1400 nm), IRB (1.4-3.0 µm) och IRC (3.0 µm-1 mm).
Anm 4: Det ultravioletta området ("UV") indelas i UVA (400-315 nm), UVB (315-280 nm) och UVC (280-180 nm).
Anm 5: "Joniserande elektromagnetisk strålning" (våglängder < UV) har förmågan att slå ut elektroner ur atomer.
Anm 6: Kortvågig UV-strålning har tillräcklig energi för att kunna slå ut elektroner ur molekyler.
Anm 7: 1 mm = 1 000 µm = 1 000 000 nm, (mm = millimeter, µm = mikrometer, nm = nanometer).
Anm 8: Jämförelse: Ett hårstrå från människan är mellan 70-100 µm tjockt. Virus kan vara 20-200 nm stora.
Anm 9: 1 THz = 1 000 GHz = 1 000 000 MHz, (THz = terahertz, GHz = gigahertz, MHz = megahertz).

Astronomiska enheter

Avstånden i rymden är så ofantligt stora att våra normala längdenheter meter och kilometer blir ganska opraktiska. Ett vanligt avståndsmått är den astronomiska enheten [AE] (eng. astronomical unit [AU] eller [au], fransmännen har som vanligt vänt på ordningen till [ua]). Den astronomiska enheten är ungefär medelavståndet mellan jorden och solen vilket innebär att 1 AE = 1.495 978 706 91 x 1011 m dvs strax under 150 000 000 km (150 miljoner km).

Andra och mer populära astronomiska längdmått är ljusåret, ljusminuten och ljussekunden. Ljushastigheten i vakuum är konstant: c0 = 299 792 458 m/s. På en sekund hinner ljuset 299 792 458 m (= 1 [s] x c0). En ljussekund motsvaras alltså av 299 792 458 m eller knappt 300 000 km. En ljusminut anger sträckan som ljuset färdas på en minut vilket alltså ger: 1 ljusminut = 60 [s/min] x c0 = 1.7987547480.. x 1010 m dvs nära 18 miljoner km. Ett ljusår anger den sträcka som ljuset färdas i vakuum under ett år. Det år som normalt används vid astronomiska beräkningar är det s k Julianska året. Det Julianska året är exakt 365.25 dagar vilket ger 365.25 [dagar/år] x 24 [h/dag] x 60 [min/h] x 60 [s/min] = 31 557 600 s/år. På ett år hinner alltså ljuset 31 557 600 [s] x c 0 = 9 460 730 472 580 800 m. Ett ljusår är alltså drygt 9.46 biljoner km. Inom vårt egna solsystem är ljusåret en alltför stor enhet varför ljusminuten och även ljussekunden kommer till användning.

Den längdenhet som främst används bland astronomerna är parsec [pc]. En parsec motsvarar c:a 3.262 ljusår.

Några astronomiska avstånd

Avstånden mellan t ex jorden och de andra planeterna i vårt eget solsystem varierar relativt mycket. Detta eftersom himlakropparna hela tiden rör sig i sina olika banor kring vår sol. Därigenom rör de sig också i förhållande till varandra. För att förenkla bilden redovisas därför oftast avstånden från vår sol med denna i centrum. Här nedan framgår medelavstånden inom vårt eget solsystem utgående från solen. Dessutom anges storleken med planeternas radie i förhållande till jordens radie (som är c:a 6400 km) och omloppstiden för respektive planets bana kring solen. Bl a kan vi se i tabellen att det tar 8.32 minuter (dvs 8 minuter och 19.2 sekunder) för solljuset att nå jorden på medelavståndet. De stackars invånarna på Pluto får i sin tur vänta i nästan fem och en halv timma på solljuset (328.51 [min] / 60 [min/h] = 5.48 h). Pluto har för övrigt den mest eliptiska banan runt solen och dess avstånd till solen varierar därför kraftigt mellan sitt minsta avstånd 28 AE (innanför Neptunusbanan !) och sitt största avstånd på hela 50 AE.

Avstånden i vårt eget solsystem blir helt försumbara i perspektivet att vår egen galax Vintergatan (alla stjärnor vi kan se med blotta ögat tillhör Vintergatan) har en diameter på minst 100 000 ljusår och att det för oss idag på något sätt observerbara universummet är c:a 46 miljarder ljusår stort.

Medelavstånd från solen till: [AE] [km] [ljussekunder] [ljusminuter] Radie i förh till jorden Omloppstid
Solen 0 0 0 0 109 -
Merkurius 0.4 59 800 000 199.60 3.33 0.375 88 dagar
Venus 0.7 105 000 000 349.30 5.82 0.953 225 dagar
Jorden ("Tellus") 1.0 149 597 871 499.00 8.32 1.000 365.25 dagar
Mars 1.5 224 000 000 748.51 12.48 0.531 1.88 år
Jupiter 5.2 778 000 000 2 594.82 43.25 11.1 11.9 år
Saturnus 9.5 1 420 000 000 4 740.55 79.01 9.38 29.5 år
Uranus 19.2 2 870 000 000 9 580.89 159.68 3.91 84 år
Neptunus 30.1 4 500 000 000 15 020.04 250.33 3.75 165 år
Pluto 39.5 5 910 000 000 19 710.69 328.51 0.180 248 år

Anm 1: Medelavståndet mellan jorden och månen är c:a 384 000 km (dvs c:a 1.28 ljussekunder). Månens radie är c:a 0.27 av jordens radie.
Anm 2: Eftersom både solen och månen blir ungefär lika stora när de betraktas från jorden kan det bli solförmörkelse vid nymåne.




© Göran Mossberg