NEMZETI KÖZSZOLGÁLATI EGYETEM KATONAI MŰSZAKI DOKTORI ISKOLA. Csuka Antal

Átírás

1 NEMZETI KÖZSZOLGÁLATI EGYETEM KATONAI MŰSZAKI DOKTORI ISKOLA Csuka Antal A lézerfény terjedése nemlineáris inhomogén közegben, kísérő jelenségek, összefüggések feltárása, elemzése matematikai módszerekkel és kísérleti Doktori (PhD) értekezés tervezet Témavezető: Dr. habil. Ványa László ezredes, (PhD) egyetemi docens BUDAPEST, 014

2 TARTALOMJEGYZÉK BEVEZETÉS... 6 A TUDOMÁNYOS PROBLÉMA MEGFOGALMAZÁSA KUTATÁSI HIPOTÉZISEK KUTATÁSI CÉLKITŰZÉSEK... 1 KUTATÁSI MÓDSZEREK AZ ÉRTEKEZÉS FELÉPÍTÉSE FEJEZET A SZABADTÉRI OPTIKAI ADATTÁTVITEL HELYE ÉS SZEREPE A lézerforrások fejlődése és alkalmazásuk kérdései A félvezető lézerek felépítése és működése A lézerfény tulajdonságai Következtetések FEJEZET A FÉNY ÉS TERJEDÉSÉT BEFOLYÁSOLÓ LÉGKÖRI FOLYAMATOK A fény, mint elektromágneses hullám A fényhullám és a gázmolekulák kölcsönhatása A légkör termikus folyamatai A légkör fényátbocsátását befolyásoló tényezők Az aeroszolok spektrális abszorbciója A széndioxid hatása a fényterjedésre A levegő páratartalma A fény légköri refrakciója Következtetések FEJEZET INHOMOGÉN, IZOTRÓP GÁZHALMAZÁLLAPOTÚ KÖZEG MATEMATIKAI MODELLJE A közeghatár komplex értelmezése és dualitása A közeghatár értelmezése hullámegyenletekre alapozottan A közeghatár értelmezése a közeg anyagi szerkezetére... alapozottan A fényterjedést befolyásoló másodlagos tényezők- rendellenes hullám A gázhalmazállapotú közeg matematikai modellje Következtetések

3 4. FEJEZET A FÉNY LÉGKÖRI REFRAKCIÓJÁNAK VIZSGÁLATA MATEMATIKAI ESZKÖZÖKKEL Korrekciós tényezők bevezetése A fényterjedés vizsgálata tapasztalati összefüggésekre alapozottan Következtetések FEJEZET A SZABADTÉRI MÉRÉS ELVE ÉS ESZKÖZEI A töbszörös refrakció fényterjedést befolyásoló hatása Távolság meghatározása méréssel Mikroklímatikus tényezők hatása A lézerforrás átalakítása, kiegészítése Modulált lézerfény előállítása A forrás rögzítésének és beállításának elemei Következtetések FEJEZET A FÉNY LÉGKÖRI REFRAKCIÓJÁNAK VIZSGÁLATA Optikai érzékelő CCD sorkamerával A mérő-vevő és adatgyűjtő felépítése, működése A hengerlencse méretezése és beállítása A hengerlencse anyagának, törésmutatójának meghatározása Következtetések FEJEZET A MIKROVEZÉRLŐ PROGRAMJA AZ ADATKERET FELÉPÍTÉSE, SZERKEZETE Mérési adatok kiértékelése és feldolgozása Mérési eredmények értékelése Mérési eredmények feldolgozásának statisztikai eszközei Következtetések ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK AJÁNLÁSOK LEKTORÁLT PUBLIKÁCIÓIM JEGYZÉKE FELHASZNÁLT IRODALOM RÖVIDÍTÉSEK JEGYZÉKE ÁBRAJEGYZÉK

4 KÉPEK JEGYZÉKE TÁBLÁZATOK JEGYZÉKE MELLÉKETEK

5 BEVEZETÉS A haditechnikai kutatásoknak és fejlesztéseknek a célja a fegyveres összetűzések technikai segített megvívása, élő erőben és tárgyi eszközökben elszenvedett veszteségek lehetőség szerinti csökkentése. Ezeknek, a céloknak az eléréséhez a tudományos kutatás és fejlesztés az eredményei által, a történelem során mindig hatékonyan hozzájárult. Konfliktusokkal teli világunkban, ahol a világméretű béke eszményképe összeegyezhetetlen a mai valósággal, hatalmi érdekekkel és célokkal, a fegyver funkciója változatlan, használata mindig újabb és újabb alkalmat teremt a megméretetéseknek és háborúknak. Ma a Földünk több mint harminc országában vannak háborúk, miközben fegyveres és fegyvertelen békemissziók egész sora igyekszik stabilitást teremteni a feszültségekkel terhelt régiókban. Míg az emberiséggel egyidős fegyver szerepe az idők során alapjában véve nem sokat változott, formája és alkalmazásának módja annál inkább. A lőfegyverek pontosságának és tűzerejének fejlődési szakaszai az emberiség műszaki- technológiai fejlődésének mérföldkövei. Alkalmazásának sajnálatos következményeitől eltekintve, ami mindmáig hatással van egyes országok, régiók gazdasági fejlődésére, vagy éppen népek, népcsoportok, kisebbségek múltat idéző hangulatára, a fegyverfejlesztésnek a műszaki- technológiai versenyben mindig kiemelkedő szerepe volt. Nincs olyan alkalmazott tudomány kezdve a mikrobiológiától az űrkutatásig, amelynek eredményei ne szolgálnák valamilyen formában a hadiipar fegyvercélú eszközeinek fejlesztését. Magneto-hidrodinamika, szupravezetés, lézer, stb. csak néhány azok a korszakalkotó találmányok közül, amelyeknek kulcsszerepük van a fegyverkorszerűsítésben és új fegyverek kifejlesztésében, ugyanakkor a mindennapi életben az energia-, adat-, és információ előállítását, tárolását, átalakítását és továbbítását szolgálják. [1] Szupravezetőkből készült gigantikus elektromágnesek gyorsítják azokat a töltött részecskéket, amelyekkel az atommag tovább bontható, de ugyanilyen mágnesek lényegesen kisebb méretű változatai a biológiai kutatásokban, orvostudományban, gyógyászatban, valamint a fegyvercélú alkalmazásokban fontos szerepet töltenek be. A hidegháborús időszakban és azt megelőző néhány évtizedben, a csúcstechnológiát birtokló országok a műszaki- technológiai fejlesztésekben jelentős előnyökre tettek szert. Kiemelten támogatott és kiválóan felszerelt kutatóközpontok 6

6 eredményei új lendületet adtak a fejlesztéseknek, aminek következtében az innovációs tevékenység eredményei a haditechnikába is gyorsan beépültek. Ezekkel a fejlesztésekkel a két világháború által megtépázott és gazdaságilag visszavetett országok nem mindegyike tudta felvenni a versenyt. A behozhatatlan előnynek köszönhetően az ipari nagyhatalmak új fegyvercélú eszközeik példátlan módon fejlődtek, aminek eredményeképpen mára a hagyományos fegyverek olyan új fegyverekkel bővültek, mint az irányított energiájú fegyverek. 1 [] Az irányított energiájú fegyverek négy jelentősebb eszközcsoportba sorolhatók: akusztikus fegyverek; [3] mikrohullámú fegyverek; [4] részecske fegyverek; [5] lézerfegyverek. [6][7] A felsoroltak mindegyikét külön- külön is nagyszámú, különböző rendeltetésű, felépítésű és egyben eltérő fizikai elvek szerint működő fegyverek alkotják. Néhány kivételtől eltekintve a megnevezésük alapján következtetni lehet az energia továbbításában kulcsszerepet játszó energiahordozóra. Elektromágneses hullám előállítására és célfelületre továbbítására alkalmas a mikrohullámú-, és a lézerfegyver, nagy energiájú töltött részecskék állíthatók elő a részecskefegyverekkel, míg az akusztikus fegyverek rugalmas közegben (levegőben) terjedő akusztikus, azaz mechanikai hullám előállítására alkalmasak. Az irányított energiájú fegyverek célfelületen kifejtett szokatlan hatásuk következtében, ami minden tekintetben eltér a hagyományos, kinetikus energiát használó fegyverektől, előnyösen használhatók védekezésnél és támadásnál egyaránt. Ezektől, a ma még újdonságnak számító fegyverektől a hadmérnökök annak a technikai fölénynek a megszerzését és megtartását várják, a harci cselekmények során, amelyekre vonatkozó elképzelések meglepően nagy nyilvánosságot kaptak, az utóbbi időben a különféle kiadványokban, a nyomtatott sajtóban és a világhálón. Szárazföldi (katonai páncélozott), légi járművekre telepített változataikat bemutató, szabad források útján is hozzáférhető, dokumentumok, képek, videofilmek tömege 1 Magyar- amerikai együttműködés, amelynek a tárgya a SCUD rakéták elleni védelem. 7

7 igyekszik elrettentő hatásukat megerősíteni, azzal együtt, hogy egyelőre kissé futurisztikus és szokatlan képet festenek a jövő hadszíntereiről. [8] Az irányított energiájú fegyverek fizikai alapelvei-, felépítésük és működésük a hozzáférhető szakirodalomban esetenként az elvártnál nagyobb tudományos alapossággal, meggyőző formában és kellő szakmai részletességgel vannak tárgyalva, ami stratégiai jelentőségüket figyelembe véve, a műszaki- technológiai fölény bizonyításának még ma is egy szokatlan formája. A figyelemfelhívásnak ez a formája, vélhetően alkalmazásuk előkészítő szakaszának tekinthető, aminek része a nemzetközi normák és szabványok kidolgozása, felhasználásuk jogi szabályozása, de szerepe lehet a harcoló felek műszaki- technológiai értelemben vett felzárkóztatásában is. A kérdés persze az, hogy az említett figyelemfelhívás tekinthető-e a fenyegetés egy olyan formájának, ami a hagyományokat megtörve egyszerűen csak nagy nyilvánosságot kapott, vagy ettől eltérő és eddig még nem tisztázott stratégiai szerepe van. [9] Megválaszolatlan kérdések, és ellentmondások egész sora teszi zavarossá az irányított energiájú fegyverek stratégiai jelentőségéről és jövőjéről alkotott képet. Tény, hogy a konfliktusok rendezésének módja az emberiség fejlődésével az elmúlt egy évszázadban gyökeresen megváltozott, de a napi hírek - néhány kivételtől eltekintve ma mégsem az irányított energiájú fegyverekkel elért sikerekről szólnak. [10] Fejlesztésük ütemét néhány évtizeddel ezelőtt még a nagyhatalmi törekvések politikai céljai, ma leginkább a gazdasági válság financiális megszorításai befolyásolják. Néhány évvel ezelőtt még több billió dollár évi támogatást élvező, megkérdőjelezhetetlen jelentőségű, műszaki főlényt garantáló fejlesztések mára megtorpanni látszanak. Példa erre a YAL-1 projekt, aminek ütemterv szerinti fejlesztése és hadrendbe állítása máig sem valósult meg a költségvetésének a lefaragása miatt. [11] Az említett példa is azt igazolja, hogy még a nagyhatalmi érdekek is áldozatul eshetnek a globális, főként gazdasági folyamatoknak, és a biztonságpolitikát meghatározó jelentős fejlesztések is alá vannak rendelve a financiális rendszernek. YAL-1 projekt: átalakított Boeing 747 teherszállító repülőgépek fedélzetén elhelyezett 3 MW teljesítményű, oxigén-jód gázlézer fegyvercélú alkalmazása. 8

8 Figyelembe véve azt, hogy a Földünk ásványkincsei és erőforrásai egyenlőtlenül oszlanak el, miközben a határok részben átjárhatóvá váltak nem csak az emberek, hanem a stratégiai jelentőségű technika és technológia, ásványkincsek és erőforrások számára is, a világméretű verseny mára más formát öltött és perspektívái is egészen mások, mint néhány évtizeddel ezelőtt. Ebből a versenyből természetesen a műszaki-, és technológiai értelemben dinamikusan fejlődő országok sem maradhattak ki. Példa erre Kína, mint az egyik legjelentősebb gazdasági és ipari nagyhatalom. De természetesen nem csak Kínát lehetne itt megemlíteni, hanem minden olyan gazdasági értelemben gyorsan fejlődő országot is, amelyik mielőbbi felzárkózásra törekszik. A társadalmi, gazdasági és politikai környezet átalakulásával és megváltozásával a stratégiai célok is újrafogalmazódtak az idők folyamán. Erre talán a legjobb példa az 1980-as évek űrháborús tervei. Ma az új eszközök, új célkitűzései másfajta veszélyekre hívják fel a figyelmet. Az elemző kutatások és programok ma elsősorban a kémműholdak elleni védelmet emelik ki, mint elsődleges stratégiai programot, és a lézerfegyverek felhasználásával felszerelt műholdak támadásainak az elhárításával foglalkoznak. [1][13] Az irányított energiájú fegyverek fejlesztése, sok más műszaki- technológiai fejlesztéshez képest, viszonylag rövid idő alatt ment végbe. Megjelenésükkel, a hagyományosnak tekinthető, fizikai megsemmisítés céljára kifejlesztett fegyverek természetesen nem szorultak teljesen a háttérbe, elrettentő erejük következtében, eddigi szerepüket változatlanul megtartják, csak azért is, mert alkalmazásuk sajnálatos következményei a köztudatba nagyon mélyen vésődtek, a történelem során. Az irányított energiájú fegyverek ma többnyire még az újdonság erejével hatnak, és ebben az a legkülönösebb, hogy néhány kivételtől eltekintve mégsem kifejezetten a terrorizmus, agresszió és fenyegetőzés eszközeként kerülnek szóba. Figyelembe véve azt, hogy általuk a hadviselés részleges vagy teljes reformja valósulhat meg a közeljövőben, nem vitás az, hogy jelentőségük megkérdőjelezhetetlen. 9

9 A TUDOMÁNYOS PROBLÉMA MEGFOGALMAZÁSA Az értekezésemben az irányított energiájú fegyverek tárgykörébe tartozó, különböző tudományterületek eredményeinek mélyreható ismertetésére és kutatására belátható módon nem vállalkozhattam, ezért a korábbi kutatásaim tapasztalatait felhasználva, a kutatási területemet a lézerforrások alkalmazására és ezen belül is a lézerfény továbbításának vizsgálatára szűkítem le. Akár szabadtéri adat- és információtovábbításról, akár ballisztikus rakéták és tüzérségi lövedékek levegőben történő megsemmisítéséről beszélünk, az energiaátvitel minden esetben ugyanazzal a monokromatikus, koherens elektromágneses sugárzással történik. A múlt század második felétől kezdődően a lézer elterjedésével, azoknak az alkalmazásoknak a köre is folyamatosan bővült, amelyek esetében a Földünk légköre energiatovábbító közegként kerül szóba. A tudományos világ ma kritika nélkül elfogadja, és felhasználja azokat a fényterjedéssel kapcsolatos eredményeket, amelyek jóval a lézerek megjelenését megelőzően születtek, annak ellenére, hogy minden kétséget kizáróan ismertek azok a környezeti hatások, amelyek felelősek a levegő minőségének romlásáért és optikai tulajdonságainak a megváltozásáért. Tény, hogy alkalmazástól függően a fényterjedéssel összefüggő jelenségek egy része nincs lényeges hatással az egyes eszközök működésére, vagy éppen a hullámterjedéssel összefüggő más jelenségek kompenzálják azt, de minden más esetben jóval több figyelmet érdemelnek. Ilyen kísérő jelenségek egyike a lézerfény terjedésének megváltozása akkor, amikor a hullám továbbításának a közege a Földünk légköre. A Föld felszínét övező atmoszféra, egy jellemzően nemlineáris 3, inhomogén és anizotrop közeg, aminek összetétele, állapotjelzői térben és időben látszólag kiszámíthatatlanul változnak. Mivel minden ilyen esetben, az atmoszférában lejátszódó összetett folyamatokról van szó, nem kétséges, hogy bonyolult összefüggések feltárására van szükség. Az ok-okozati összefüggések tisztázásával a megengedhető határig alkalmazott egyszerűsítésekkel, ebben a témában tapasztalható hiányosságok megszüntethetők és felszámolhatók. A Föld légkörének a fényterjedésre gyakorolt hatását a kutatók nagyon régóta vizsgálják. Jól dokumentált 3 A nemlineáris rendszerek értelmezhetők, ha a klasszikus fizikában abszolútnak tekintett tér és idő helyett a speciális relativitás elméletét vezetjük be. 10

10 eredmények egész sora található a szakirodalomban, de ezek csaknem mindegyike több mint éves. Az utóbbi három-négy évtized lézer-technikai fejlesztései nyomán egyre több olyan korszerű eszköz jelent meg, amelyekkel a lézerfény és légkör kölcsönhatásai vizsgálhatók. A fény terjedésére vonatkozó alaposnak tekinthető kutatások eredményei az első mézerek megépítésének évében és az azt megelőző időszakban, az 50-es, 60-as években születtek. A mai fényterjedéssel kapcsolatos eredményeink és következtetéseink javarészt ezekre az eredményekre támaszkodnak, miközben köztudott, hogy a környezetünk, így a Földet övező légkör összetétele, komplex, részben, vagy teljes egészében ismert folyamatok következtében időközben jelentős mértékben megváltozott. Ahhoz, hogy felszámolhassuk a hiányosságokat fehér foltokat, a fény terjedésével kapcsolatos jelenségek folyamatos felülvizsgálatára, az összefüggések pontosítására van szükség. Vizsgálni kell az összefüggések érvényességét és érvényességének korlátait a monokromatikus sugárzás (lézerfény) esetében is. Az említett jelenség mélyrehatóbb vizsgálata, elemzése és részletesebb bemutatása a kutatás céljára alkalmas eszközök beszerzésével, ennek hiányában egyedi fejlesztésű eszközök megtervezésével és megépítésével lehetséges. KUTATÁSI HIPOTÉZISEK A légkör állapotjelzőinek és a gázösszetevők koncentrációjának megváltozása felelőssé tehető a szabadtéri lézeres mérések pontatlanságáért és instabilitásáért, a jelenség mélyrehatóbb megismerésével, előrelátó eszköztelepítéssel és a kompenzálás módjának kidolgozásával a hibák aránya tovább csökkenthető; Fluidumok belsejében a koncentráció-, és összetételbeli különbségek eredményeképpen kialakuló inhomogenitások a klasszikus értelemben vett közeghatártól eltérő tulajdonságokat mutatnak, ezért ennek fogalmának újraértelmezésére és új matematikai modell kidolgozására van szükség; Differenciálgeometriai eszközök felhasználásával a lineáris inhomogén, anizotróp gázhalmazállapotú közegben az elméleti közeghatárt átlépő elemi fénysugár elhajlását kifejező differenciál függvény levezetését követően 11

11 következtetni lehet a fénysugár pályájának alakjára és a terjedés irányváltozását meghatározó állapotjelzők szerepére; A Föld légkörében jelen levő inert gázok százalékos arányának folyamatos növekedése miatt, a 60-as és 90-es évek közt, a fény légköri refrakciójának meghatározására kidolgozott tapasztalati, más szóval empirikus összefüggések pontossága és megbízhatósága ma már megkérdőjelezhető ezért újabb összefüggések, vagy korrekciós tényezők kidolgozására van szükség; A félvezetőlézerek, mint kis nyílásszögű, koncentrált fénynyalábot előállító sugárzók, felhasználhatók nehezebben felderíthető közép-hatótávolságú pontpont összeköttetésű szélessávú szabadtéri optikai adatátviteli rendszerek kiépítésére; Kisebb átalakításokkal és kiegészítésekkel a mutató eszközökként használt félvezető lézerforrások alkalmassá tehetők a lézerfény légköri refrakciójának szabadtéri mérésére; Érzékeny, nagyfelbontású CCD sorkamera felhasználásával, olyan felügyeletet nem igénylő, nagy érzékenységű processzoros mérő- vevő és adatgyűjtő tervezhető, építhető, aminek segítségével a légköri refrakció vizsgálatára alkalamas adatok nyerhetők. KUTATÁSI CÉLKITŰZÉSEK 1. Feltárni a lézerforrások, ezen belül is a félvezetőlézerek felépítését, működését és megvizsgálni a méréstechnikai felhasználásuk lehetőségeit. 3. Tisztázni a fényterjedés mechanizmusát, megismerni a fény és a levegőt alkotó gázok mikro-, és makroszkopikus rendszeren belül értelmezhető kölcsönhatásait. 4. Megalkotni a gázhalmazállapotú közeg matematikai modelljét. 5. Kidolgozni egy mérési elvet, ami lehetővé teszi azt, hogy egyszerű vizsgálható legyen a lézerfény légköri refrakciója. 6. Megtervezni a mérés forrás és vevő oldali eszközeit, valamint azok elhelyezését, telepítését. 7. Megoldani, amennyiben szükség van rá, az adatok továbbítását olyan helyre, ahol biztonságosan tárolhatók és feldolgozhatók. 1

12 8. Megtervezni és elkészíteni az adatfeldolgozás program-eszközeit. 9. Kiértékelni az adatokat és megfogalmazni a következtetéseket. KUTATÁSI MÓDSZEREK A kutatási témával kapcsolatban megjelent szakirodalmi források, publikációk felkutatása, rendszerezése, az eddigi eredmények tanulmányozása, a jelen témához kapcsolódó kutatási eredmények megismerése; Meghatározni a nagytávolságú mérések céljára alkalmas félvezetőlézerek kiválasztásának szempontjait; Értelmezni a fény terjedésének irányváltozásával, refrakciójával összefüggésbe hozható közeghatár fogalmát, gáz-halmazállapotú közeg esetében; Igazolni differenciálgeometriai és levezetéssel, hogy a lézerfény terjedésének iránya inhomogén közegben megváltozik; Megtervezni és kivitelezni a légkörben terjedő lézerfény irányváltozásának kimutatására alkalmas mérőeszközt; A mérési eredmények felhasználásával megvizsgálni a légkör állapotjelzőinek megváltozása és a lézerfény terjedési irányának megváltozása közti összefüggéseket és javaslatot megfogalmazni a szükséges korrekciós tényezők bevezetésére; A forrásirodalomban megjelent kutatási eredmények, leírások és konstrukciók kritikai elemzése; A mérés-, és eszköztervezéshez szükséges elméleti és gyakorlati számítások elvégzése; Az értekezésem megírása során nem tekintem a kutatás tárgyának: az irányított energiájú-, és ezen belül a lézerfegyverek felépítésének-, működésének-, és továbbfejlesztésének vizsgálatát; a légkör állapotjelzőinek olyan időfüggő kapcsolatainak vizsgálatát, mint amilyen a nemlinearitása, mivel az olyan többváltozós 13

13 differenciálegyenletekhez vezet, amelyeknek megoldása jobb esetben is csak izoklínákkal adható meg; felületi-, nem koncentrált sugárzókat használó pont-pont összeköttetésű, nagy hatótávolságú szabadtéri optikai adat-, és információátviteli rendszerek vizsgálatát; AZ ÉRTEKEZÉS FELÉPÍTÉSE Az értekezésem bevezetőből, 7 fejezetből, a kutatási eredmények összefoglalásából, valamint mellékletekből áll. A bevezetőben összefoglaltam az irányított energiájú fegyverekkel kapcsolatos általános tudnivalókat, mivel ez volt a korábbi témához kapcsolódó kutatásaim tárgya. A kitűzött célok elérése érdekében értekezésemet az alábbi fejezetek szerint építettem fel: Első fejezet Áttekintem rádióhullámokat kibocsátó eszközeink alternatív megoldásának tekinthető szabadtéri optikai adatátvitel helyét és szerepét az adat-, és információtovábbításban. Foglalkozok a monokromatikus sugárzást előállító lézerforrások fejlődésével, az előállított sugárzás hullámhosszának, eszközkínálatának kiszélesedésével, bővülésével, végül a fényenergia térbeli eloszlását alapul véve, végzek egy rövid összehasonlítást. Második fejezet Megvizsgálom azokat a mikroszkopikus és makroszkopikus kölcsönhatásokat, amelyek a fényterjedést befolyásolják. Sorra veszem az egyes tényezőket és vizsgálom a hatásukat a fény hullámhosszának függvényében. Harmadik fejezet Vizsgálom a közeghatár és a határréteg fogalmát, olyan ismert összefüggésekre alapozottan, mint az elektromágneses hullámok hullámegyenlete és a közeg anyagi szerkezete. Kidolgozok a fluidumok esetében egy alkalmazható matematikai modellt és indokolom a használatát. 14

14 Negyedik fejezet A gázhalmazállapotú közeg modelljére alapozottan, ismertetem a fényhullám terjedését leíró parciális differenciálegyenlet levezetését. A fejezet végén összefoglalom a fény törésmutatóját leíró ismertebb tapasztalati összefüggéseket és egy kritikai elemzés keretében, levezetéssel bizonyítom, hogy a megfogalmazott kijelentések nem mindegyike helytálló. Ötödik fejezet Ismertetem a fényterjedés mérésének az elvét és az optikai mérés forrásoldali eszközeit. Részletesen kitérek a mérési helyszín kiválasztásának szempontjaira és az eszközelhelyezés megtervezésére. Foglalkozok érintőlegesen a lézerforrás átalakításával, az az ehhez szükséges kiegészítő mérésekkel, számításokkal. Hatodik fejezet Ismertetem a fényforrástól több száz méterre elhelyezett mérő-vevő és adatgyűjtő felépítését, rögzítésének formáját, a felhasznált CCD sorkamera kiválasztásának szempontjait, beépítését és az adattovábbítás eszközeit. A fejezetben helyet kapnak olyan kiegészítő mérések és számítások, amelyek a szokásostól eltérő megoldásokat tartalmaznak, úgymint; ismeretlen anyag törésmutatójának a meghatározása, abban az esetben, ha cél-mérőműszer nem áll rendelkezésre. Hetedik fejezet A fejezeten belül érintőlegesen kitérek a mérőprogram felépítésére, a továbbított adatcsomag szerkezetére. Az utolsó alfejezetben összefoglalom a mérési eredményeket. 15

15 1. FEJEZET A SZABADTÉRI OPTIKAI ADATTÁTVITEL HELYE ÉS SZEREPE Az információátadás igénye és szükségessége a mindennapi életben könnyen lemérhető. A távközlés a gazdaság és a társadalom minden részét átszövi. Míg a hazai távközlés a nyolcvanas évek közepén elsősorban a fejletlenségével hívta fel magára a figyelmet, mára ez alapjaiban megváltozott. Fejlesztésének ütemét ma főként a gazdaságpolitika, néhány évtizeddel ezelőtt pedig az éppen hatalmon levő kormányok által gyakorolt távközlési politika határozta meg. [14] Távközlési rendszerek egész sora alakult ki az idők folyamán, kezdve az elosztott paraméterű hálózatoktól (vezetékes rendszerek) a digitális cellás és szórt spektrumú rádiórendszereken át a műholdas távközlésig. [15][16][17] A katonai és polgári célú rádiórendszerek közt, az alkalmazott információvédelmi eljárások tekintetében, ma már nincs lényeges különbség, legfeljebb azok szintje és protokoll rendszere más és más. A titkosítási eljárásoknak köszönhetően a mai információtovábbítás biztonságosnak tekinthető, és ott ahol ez feltétlen szükséges a kommunikációs csatornák lehallgathatatlansága is biztosítható. Kódolt üzenetek ma nehezen, vagy csak késve fejthetők meg, azonban a ma még biztonságosnak vélt technikák, modulációs adás és üzemmódok, ugrókódos adat-, és információtovábbítási eljárások egyáltalán nem biztos, hogy a. század hadszínterén is megállják majd a helyüket, és ugyanazt a biztonságot adják, mint amit ma. [18] Úgy vélem, hogy csak idő kérdése, az hogy a számítógép elérje azt az adatfeldolgozási sebességet, amelynél a továbbított, kódolt információ közel valós idejű megfejtése, a frekvenciaugratásos rendszerek frekvenciakövetésével megvalósuljon. Ez nem csak adatfeldolgozási sebesség kérdése, hanem a maitól lényegesen eltérő adatfeldolgozási eljárások, technikák és eszközök bevezetése és alkalmazása is. A technikai fejlődés ütemének összefüggéseit vizsgálva, fellelhetők azok a kapcsolatok, amelyek azt bizonyítják, hogy egy haditechnikai eszköz korszerűsítését, vagy új eszköz megjelenését rövidesen a védő-, és elhárító eszközök kifejlesztése követi. [19] Technikai eszközeink rendkívül gyors fejlődésének 16

16 következtében semmiképpen sem lehetünk biztosak abban, hogy az említett eszközök megjelenéséig sokáig kell várnunk. Azt követően, hogy az első mobil kommunikációs eszköz, egy katonai teherautó platóján útra kelt, és az interferencia jelenségét felismerve a szakemberek, ennek kiküszöbölésén kezdtek dolgozni, a kommunikációs eszközök fejlesztésének egy új korszaka kezdődött. A rádiófrekvenciás sávok telítettségével az RF 4 szennyezettség gyorsuló ütemben nő, ezért szükségessé vált az eszközök működésének biztonságát szavatoló szabványosítás bevezetése. A mai szabványrendszereken belül a katonai szabványok önálló fejezetet alkotnak. 5 [0] A rádióhullámokat kibocsátó eszközeink tömeges gyártása a múlt század elején kezdődött. A harmincas és nyolcvanas évek közt, a rádióelektronikai harc céljára rendszeresített fegyvertechnikai eszközök fejlesztése elsősorban a hatótávolság növelését, és az egyre nagyobb adó oldali teljesítmény elérését tűzte ki célul. A mai korszerű, hálózatokba szervezett infokommunikációs rendszereink fejlesztésének iránya nem feltétlenül az adótornyok és átjátszó állomások teljesítményének-, hanem a számuknak, más szóval; területi lefedettségüknek a növelése. Az adat-, és információátvitel sebességének növelése nem csak a környezetünkre, hanem mi magunkra is hatással van. Az ember információ feldolgozó képességének korlátai vannak. Életünket és életterünket behálózó híradástechnikai és kommunikációs eszközeink életminőséget befolyásoló, veszélyeztető hatása régóta foglalkoztatja a kutatókat, és feltehetően nem alaptalanok azok az aggodalmak, amelyek ezzel kapcsolatban időnként megfogalmazódnak. Az emberiség evolúciós folyamata aránytalanul hosszabb időt vett igénybe, mint amennyi idő alatt a rádiófrekvenciás, elektromágneses hullámokat kibocsátó, technikai eszközeink a mai fejlettségi szintet elérték, érthető tehát, hogy a gyorsan változó környezethez az emberi szervezet nehezen tud alkalmazkodni. [1] Nem kétséges hogy gazdasági és gazdaság-politikai érdekeket sértenek azok a biológiai kutatások, amelyek a rádióhullámok egészségkárosító hatásait vizsgálják. A dolgot nehezíti az, hogy nagyon sok speciális szakterület bevonására van szükség akkor, 4 Rádiofrekvenciás. 5 MIL-SDT-461, 46,

17 amikor a rádióhullámokat kibocsátó eszközeink számának rohamos növekedésének következményeit kell felmérni. [] Nem csak a frekvenciasávok túltelítettsége, vagy az impulzus-modulált, kódolt adásmódok egyelőre kevéssé ismert élettani hatásai miatt egyre sürgetőbb új információtovábbításra alkalmas megoldások és eljárások kidolgozása, hanem ez ma az adat-, és információtovábbításból fakadó igény is egyben. A szükséges védelmi intézkedések mellett ott ahol megoldható, a vezetékes rendszerek mellett nagy kapacitású szabadtéri optikai adatátvitellel az említett, jövőképet beárnyékoló problémák egy része megszüntethető. [3][4] A védelmi intézkedések alatt azokat az eljárásokat és műszaki megoldásokat értem, amelyekkel az optikai információs csatorna lehallgatása megakadályozható és a lézerforrások alkalmazásával együtt járó veszélyek kiküszöbölhetőek. Korszerű kommunikációs eszközök nélkül a csapatok és a vezetési pontok közti információcsere elképzelhetetlen. Ott ahol automatikus kereső és lehallgató berendezések folyamatosan pásztázzák a rádióhullám tartományokat, az információvédelmet biztosító technikai eljárások jelentik esetenként az egyedüli megoldást és védelmet. A mai rádiórendszerek esetében kiforrott kódolási technikák biztosítják mindezt, de az információtechnológia korábban említett gyorsütemű fejlődése miatt, egyáltalán nem kizárt, hogy új adat-, és információtovábbítási védelmi eljárások, módszerek és eszközök kidolgozása válik szükségessé a közeljövőben. A jövő információvédelmi és titkosítási eljárásának egyike lehet a; kvantum-kriptográfia. [5] A technikai és technológiai fejlődés eredményeképpen az eszközeink egyre bonyolultabbak, egyre összetettebbek, ami olykor azt a téves látszatot kelti, hogy a biztonságérzetünk biztosításának és fokozásának nincs is más módja. Az elektronikai hadviselés történetéből több olyan eseményt is ismerünk, amelyek során a kor műszaki technológiai fejlettségi szintjével egyáltalán nem összeegyeztethető színvonalú, meglepően egyszerű, a veszteségeket jelentős mértékben sikerült csökkenteni. Ilyen eszközök a célravezető akusztikus detektorokkal felszerelt torpedók félrevezetésére alkalmas egyszerű zajkeltők, a légvédelemi radarok és rakétarendszerek lefogásának, megbénításának egyszerű 18

18 eszközei, úgymint passziv zavarók; dipólfelhők 6, föld- levegő, levegő- levegő, passzív infra önirányítású, kis hatótávolságú rakéták, úgymint Sztrela, Stinger, stb. és ezek ellen bevethető infra-csapdák, hamis célok 7 és még nagyon sok más leleményes megoldás. [6] A csúcstechnika előretörésével a jól bevált és egyszerű megoldások, eszközök nem szorulnak a háttérbe, és vélhetően nem merülnek feledésbe. Még ha nem is mindig a legegyszerűbb eszköz, az optikai kommunikációs eszközök a harctéri rádiórendszerek alternatív megoldásainak tekinthetők. Szabadtéri optikai csatornán továbbított információnak harcászati- taktikai szempontból nagy jelentősége lehet, figyelembe véve azt, hogy egy optikai adó-vevő eszköz mobilitása megközelíti a rádiórendszerekét. [7] A gyorsan és egyszerűen telepíthető optikai kommunikációs csatornára az ellenség nem biztos, hogy azonnal felfigyel, emellett az optikai kommunikációs rendszerek használhatók tartalék információs rendszerekként is, például katasztrófa sújtotta területeken abban az esetben, ha a telepített, vagy mobil rádiórendszerek átjátszó állomásai természeti csapás-, vagy harctéri körülmények között, találat következtében, megsérülnek. [8][9] Az adatátviteli technikák ma létező alternatívái; óceánok mélyére fektetett optikai kábelek, a vezeték nélküli, rádióhullámokat kibocsátó eszközeinknek csak egy részét képesek helyettesíteni. [30] Ennek két oka van: Az egyik az, hogy az optikai vezetékes rendszereknek magasak a telepítési költségei, a másik pedig az, hogy a hordozható adatátviteli eszközök iránt egyre nagyobb az igény. Az optikai, vezetékes rendszerek üzemeltetési költségei nagyságrendekkel kisebbek, mint a rádióhullámokat kibocsátó eszközökből felépített hálózatoké, de a sávszélességük ugyanakkor szor nagyobb, mint a rádiófrekvenciás eszközökké. A vivő frekvenciájának növekedésével a sávszélesség változása az 1. ábrán látható. 6 Chaff. 7 Decoy. 19

19 1. ábra Az optikai adatátvitel sávszélessége Forrás:[31] Ha összehasonlítjuk az említett adatátviteli rendszereket, akkor a nagyságrendekkel nagyobb sávszélesség mellett a magasabb antenna nyereséget sem lehet figyelmen kívül hagyni. (1. táblázat) 1. táblázat: Optikai és 30 GHz-es RF adatátvitel nyereségének összehasonlítása. [31] Vivő Sugárzó átmérője (D) [cm] Hullámhossz (λ) [m] Optikai ,5 10 Nyílásszög (~λ/d) [fok] 0,0009 (15µrad) Nyereség ~(D/λ) [db] 11 RF 100 3,3 10 0, Az antennanyereség annak tulajdonítható, hogy a km magasan, geo-szinkron pályán található műhold, amely 30 GHz-en sugároz, a Föld felszínén hozzávetőleg 400 km átmérőjű körrel határolt felületet sugároz be, 8 míg az optikai adóval felszerelt GEO műhold hozzávetőleg 600 m átmérőjű felületre képes fókuszálni a fényenergiáját. Szabadtéri optikai adat- és információátvitel céljára általában kis nyílásszögben sugárzó lézerek, infra-lézer források 9 használhatók a legeredményesebben. Ennek, a légkör csillapító hatásán kívül, amelyekről a továbbiakban bővebben is lesz szó, biztonsági okai is vannak, ugyanis egy meghatározott teljesítményküszöbön felül a lézerfény egészségkárosító hatása 8 A polarizációs síkra merőleges síkon a besugárzást az RF hullámok esetében is megvilágításként említi gyakran a szakirodalom. 9 Elérhető sávszélesség; DS szabvány; 6,31 Mbps, 100THz-en. 0

20 jelentős 10 lehet és rövid expozíció esetén is vakságot okozhat, emellett a rádióhullámokhoz hasonlóan a fény esetében is kialakulhatnak azok a jelenségek, amelyek a rádióhullámok esetében is zavaróak lehetnek, ilyen az interferencia, lebegés, stb. [3] A szabadtéri optikai adatátviteli hullám-egyenlete nagyon hasonlít a rádiófrekvenciás rendszerekéhez: P R = L R 4π A λ R λ ( 4πR) 4π A λ T L T P T, [31] (1) ahol; P T/R - az adó/vevő teljesítménye; L T/R - adó/vevő veszteségei; A T/R - adó/vevő sugárzó/vevő felület; R - távolság; λ - hullámhossz; η - vevő érzékenysége [foton/bit]. Az egyenlőség jobb oldalán lévő első szögletes zárójelben lévő tag a vevő nyereségét-, a második szögletes zárójelben lévő tag az adatút veszteségeit-, míg a harmadik szögletes zárójelben lévő tag a forrás antenna nyereségét fejezi ki. Az optikai adatátviteli csatorna sávszélessége: BW λ/d, ahol; D a sugárzó átmérője, amit a fénysugár átmérőjeként is értelmeznek gyakran. Szabadtéri összeköttetést biztosító optikai adat-utak évek óta léteznek toronyházak és magasabb épületek tetején elhelyezve. (1. kép) Általuk kiküszöbölhetők az optikai föld-, és légkábelek, valamint a rádióhullámokat kibocsátó eszközeink egy része, mindamellett, hogy hatékonyan csökkenthető, ezáltal az interferencia kialakulásának esélye, a rádiófrekvenciás hullámokkal való szennyezés nemkülönben. [31] Professzionális optikai adó-vevő készülékeket több cég is gyárt. Ilyen többek között az OC-3 típusjelzéssel ellátott optikai adó-vevő is. [4] A kísérleti eredmények tükrében vizsgálva a professzionális eszközök műszaki adatait, megfigyelhető, hogy a bizonytalan és nehezen előre jelezhető légköri állapotváltozások miatt, a gyári eszközök teljesítményét nagyon óvatos becsléssel határozzák meg a gyártók. 10 Teljesítmény küszöbérték; 1.5 mw/cm 785 nm. 1

21 1. kép Optikai adó-vevő Forrás [31] Adat-, és információátvitelre alkalmas eszközeink időjárástól-, és légköri képződményektől függően esetenként több tíz-, műholdas rendszereknél több ezer kilométer áthidalására is alkalmasak. A szakirodalmi források, földi állomások esetén is beszámolnak egymástól nagyon nagy távolságra elhelyezett adó-vevő párral végzett eredményes kísérletekről. 11 Pont-pont összeköttetésű szabadtéri optikai kommunikációs rendszerek, nagy hatótávolságú lézerfegyverek, lézeres célzó és irányzó eszközök, ballisztikai-, és geodéziai mérések mérőműszerei, műholdak és földfelszíni bázisállomások közti lézeres kapcsolatok csak néhány kiragadott példa mindazok közül, amelyek esetében az energiaátvitel hatásfokának növelése és stabilitásának a biztosítása elsődleges feladatnak tekinthető. A stabilitás javításának előfeltétele a fényhullámot előállító eszköz-, az általa előállított fény tulajdonságainak-, és a fény terjedésében szerepet játszó tényezők és kölcsönhatások megismerése. A továbbiakban elsőként azzal a fényhullámot előállító eszközzel foglalkozok, amelyik tulajdonságai révén alkalmas jól fókuszált és kis nyalábátmérővel jellemezhető koherens fénysugár előállítására. Ez az eszköz a lézer. Megismerését egy rövid fejlődéstörténeti áttekintéssel kezdem. 11 Nagytávolságú (DX) szabadtéri optikai adatátvitelre példa az 1991 június 08-ai sikeres kísérlet, WA7LYI és a 153,97 mérföld távolságra lévő KY7B között, 18 collos Fresnel lencse-, elektronsokszorozó cső-, és 15mW-os HeCd lézer alkalmazásával.

22 1.1 A lézerforrások fejlődése és alkalmazásuk kérdései Az első működőképes rubinlézer megépítésének éve (1960) úgy rögzült a technikatörténetben, mint az egyik legjelentősebb dátum az emberiség műszaki értelemben vett fejlődéstörténetében. [33]Az elmúlt alig több mint öt évtized, ami alatt a lézerforrások mai ismert formájukat és jellemző paramétereiket elnyerték, nagyon rövid időnek számít, következésképpen egy példátlanul dinamikus fejlődésről beszélhetünk. A lézer megjelenése nagymértékben hozzájárult a technikai eszközeink bővüléséhez és gyors fejlődéséhez. A lézerforrások fejlődéstörtének megismerését nagyon sok elektronikus forrásanyag és nyomtatott formában megjelent kiadvány segíti. A legkiválóbbak, több száz oldal terjedelemben, a kvantumfizikai alapoktól kezdve, teljes részletességgel tárgyalják a lézerforrások működésének alapelveit és fejlődésük fontosabb szakaszait. [34][35] A nagyon sok érdekes részletet magába foglaló fejlődéstörténetből, ami a többi mellett egy 30 évig tartó szabadalmi vita okát is feltárja, én a továbbiakban a lézerek egyik legfontosabb műszaki jellemzőit emeltem ki és foglaltam. táblázatba; az előállított sugárzás hullámhosszát és a lézer típusát. [36]. táblázat: A lézerek típusai és hullámhosszuk. [34][37] Hullámhossz [nm] Típus Hullám -hossz [nm] Típus Hullám -hossz [nm] Típus 157,5 Fluor 437,1 Argon 68,0 Arany 157,6 Fluor 441,6 Hélium- Kadmium 63,8 Hélium- Neon 173,6 Rubin (4x) 454,5 Argon 647,1 Kripton 193 Argon- 457,7 Kripton 657,0 Kripton fluorid 13 Nd:YAG (5x) 457,9 Argon 676,5 Kripton Kripton-klorid 461,9 Kripton 680 GaAlInfoszfid 31,4 Rubin (3x) 463,4 Kripton 687,1 Kripton 44 Argon (x) 465,8 Argon 694,3 Rubin 48 Kriptonfluorid 468,0 Kripton 7,9 Ólom 57, Argon (x) 47,7 Argon 75,5 Kripton 63 Nd:YLF (4x) 476, Kripton 799,3 Kripton 66 Nd:YAG (4x) 476,5 Argon 85,4 Kalcium 75,4 Argon 476,6 Kripton 866, Kalcium 3

23 305,5 Argon 48,5 Kripton 904 Gallium- Arzenid 308 Xenon-klorid 484,7 Kripton 1053 Nd:YLF 31,0 Arany 488,0 Argon 1060 Nd:Üveg 35 Hélium- 495,6 Xenon 1064 Nd:YAG Kadmium 333,6 Argon 496,5 Argon 109,3 Argon 337,1 Nitrogén 501,7 Argon 1130,0 Bárium 347, Rubin (x) 510,5 Réz 115,3 Hélium- Neon 350,7 Kripton 514,5 Argon 190,0 Mangán 351 Nd:YLF (3x) 50,8 Kripton 1300 InGaAsfos zfid 351 Xenon-fluorid 57 Nd:YLF (x) 1313 Nd:YLF 351,1 Argon 58,7 Argon 1315 Jód 353 Xenon-fluorid 530,9 Kripton 1319AG Nd:YAG 355 Nd:YAG (3x) 53 Nd:YAG (x) 1500 InGaAsfoszfid 356,4 Kripton 534,0 Mangán 153 Hélium Neon 363,8 Argon 539,5 Xenon 396 Hélium Neon 406,7 Kripton 543,5 Hélium- Neon 940 Er:YAG 413,1 Kripton 568, Kripton 3391 Hélium- Neon 415,4 Kripton 578, Réz 3508 Hélium- Xenon 48 Nitrogén 595,6 Xenon Különböző méretű és teljesítményű lézerforrások a hétköznapi eszközeinkben is megtalálhatók. Felhasználásukat röviden az alábbiak szerint foglaltam össze: Energia-, átvitel, átalakítás és továbbítás; pl. lézerhajtómű; [38][39] Anyagmegmunkálás; fémes és nemfémes anyagok megmunkálása, a gépgyártástól a mikroelektronikáig; [40][41] Robottechnika; AGV; 1 Reverse engineering folyamatok támogatása; lézerszkenner; Vegyi elemzés és folyamatok irányítása; Gépgyártás és minőség ellenőrzés műszerei és gépi berendezései; Környezetvédelemi mérések mérőműszerei (levegő-, vízelemzés); 1 Automated Guide Vehicle kezdőbetűkből alkotott mozaikszó; önműködő, vezető nélküli járművek és szállítóeszközök. 4

24 Méréstechnika; Vegyelemzés és szennyezőanyag mérés; [4][106] Optikai adatátviteli-, és kommunikációs rendszerek; szabadtéri és vezetékes összeköttetésekhez; [43][44] Számítástechnika; adatrögzítés, tárolás, információfeldolgozás, stb.; Biztonságtechnika; lézer-radar, optikai sorompók, stb.; Gépjármű technikai fejlesztések; [45][46] Szórakoztató elektronika; Orvosi műszerek és berendezések, gyógyászati segédeszközök; [47] Interaktív oktatási célú eszközök; képmegjelenítők, mutató eszközök; Speciális alkalmazások; lézeres hűtés; [48][49][50] Plazma előállítás és indukálás, stb. [51] [06] Az alkalmazások köre természetesen nem korlátozódik a fent említett néhány példára. A lézerek megkülönböztethetők felépítésűk-, működési elvük-, adott alkalmazásban betöltött szerepük, funkciójuk-, teljesítményük szerint. Léteznek egy adott hullámhosszon működő lézerek, de vannak olyanok is, amelyek különböző módon hangolhatók. 13 [5] Az említett alkalmazások mindegyike, közvetlenül, vagy közvetve a fegyvertechnikai kutatásokat és fejlesztéseket is szolgálják, egyben. Lézerek nem csak a nagyteljesítményű lézerfegyverekben, azok célzó- követő rendszereiben találhatók meg, hanem különböző teljesítményű és hullámhosszon működő források a legkülönbözőbb fegyvertechnikai alkalmazásokban is előfordulnak. A lézerek kimondottan katonai célú felhasználásai nagyvonalakban a következők: Műholdak közti adat-, és információcserét biztosító eszközök; Lézer-radar (LIDAR); [53] Vegyelemző berendezések; Rakéták navigációs berendezései; Biztonsági berendezések; Ellenség- barát felismerő rendszerek; Lézer-giroszkóp; [54] 13 Ilyenek a festéklézerek. 5

25 Terepi mérő és ballisztikai rendszerek; Kézi fegyverek célzó-irányzó eszközei; Lézerfegyverek, stb. 14 [55][56][57][58][59] A felsorolt alkalmazások csaknem mindegyikében más és más teljesítményű-, és hullámhosszon működő lézerforrás található. Az összes közül méreteit tekintve a legkisebb, a legkönnyebben és a legolcsóbban beszerezhető a félvezető lézer. Felépítése, működése és az általa előállított lézerfény tulajdonságai; geometriája és energia eloszlása, sok tekintetben más, mint a többi lézer esetében. Ezeknek a részleteknek az ismerete elengedhetetlenül szükséges a helyes kezelésükhöz és megfelelő használatukhoz. 1. A félvezető lézerek felépítése és működése A szilárdtest lézerektől és működésétől eltérő félvezető lézer kevesebb, mint egy évtizeddel ezelőtt került először kereskedelmi forgalomba, azt követően, hogy az optikai adattárolók, amelyeknek ma is egyik alapeleme széles körben elterjedtek és ismerté váltak. A félvezetőlézer működését tekintve azért más, mint a többi lézer, mert nem individuális anyagi részecskék, atomok, ionok, molekulák vagy szilárdtestben lévő adalékrészecskék, energiaállapotai közötti átmeneteken működnek, hanem a félvezető anyag kollektív elektronállapotai, sáv-sáv között. [60] A félvezetőlézerek hetero átmenet 15 kialakítására alkalmas direkt sávú félvezetőanyagokból készülnek 16 planár technológiával. Ezzel a ma elérhető hatásfok, teljesítménytől függően körülbelül 30 %. A félvezető lézer teljesítmény/áram karakterisztikája jóval meredekebb, mint a LED 17 diódáké. A meredekséget az adatlapok adják meg. [61][6] A legolcsóbb félvezető lézerek mutató eszközök, pointerek formájában kerülnek kereskedelmi forgalomba. Gyors elterjedésük főként a kis méreteiknek és alacsony áruknak köszönhető. Ilyen lézert ma bárki vásárolhat, néhány mw-os, de akár a néhány Watt teljesítményű változataik is könnyen beszerezhetők. A Titkosszolgálati célú lézeres eszközök egyike a nagy hatótávolságú lézeres lehallgató-készülék. 15 Különböző tiltott sávszélességgel rendelkező félvezetőanyagokból kialakított félvezető átmenet. 16 A vegyérték sáv teteje és a vezetési sáv alja ugyanazon az elektron szinten található. 17 Fénykibocsátó dióda (Light Emitting Diode) kezdőbetűiből alkotott mozaikszó. 6

26 mw teljesítményű pointerek 18 nem tekinthetők mutató eszközöknek, hiszen az általuk előállított lézerfény erőssége messze meghaladja azt az igényt, ami az ilyen szemben, a legtöbb esetben megfogalmazódik mi több, az ilyen teljesítményű eszközök komoly veszélyt jelenthetnek az ember testi épségére. [63] Természetesen elképzelhető olyan felhasználása is, ahol a nagy teljesítmény alapvető követelmény, mint például a csillagászatban. [64] A kereskedelemben viszonylag olcsón beszerezhető lézerforrások teljesítménye közt jelentős különbségek lehetnek. Teljesítményük szerint a következőképpen osztályozhatók: I. osztály; Nagyon kis teljesítményű, úgynevezett beépített lézerek; II. osztály; Kisteljesítményű lézerek, amelyek fényteljesítménye kisebb, mint 1mW; III. a. osztály; Közép-kisteljesítményű félvezető lézerek; (1mW-5mW); III. b. osztály: Közép-nagyteljesítményű félvezető lézerek; (5mW-500mW), amely a szemre nagyon veszélyes; IV. osztály; Nagy teljesítményű félvezető lézerek, amelyek fényteljesítménye meghaladja az 500mW-ot; bőrre és szemre egyaránt veszélyes. A leggyakoribb mutató-eszközök felépítése a. ábrán látható. [65]. ábra Lézer mutatóeszközök (pointerek) felépítése (Forrás:[66]) Felül az egyszerűbb és egyben olcsóbb változata látható, amely egy 680 nm hullámhosszon működő GaAlIn- foszfid alapanyagú vörös fényű félvezetőlézer. 18 Pointer; mutató eszköz angol megfelelője. 7

27 Ebben a típusban a lézerforrás direkt sávú félvezetőből készül. Alul az optikai rezonátorral felépített, valamivel bonyolultabb-, és egyben nagyobb teljesítményű változata látható, amely 53 nm-es hullámhosszon működő, Nd:YAG, frekvenciakétszerezett zöld lézerként kerül forgalomba. Az utóbbinak a szabályzó áramköre lényegesen bonyolultabb. [66] Az áramkör feladata az, hogy egy fotódióda segítségével folyamatosan mérje az optikai rezonátorból kilépő fényteljesítményt és szabályozza a lézerdióda gerjesztő forrásának pumpáló fényforrásának az áramát. A lézerdióda öregedése során a fényteljesítmény csökkenést a szabályzóáramkör a gerjesztő forrás áramának a növelésével kompenzálja, és állandó értéken tartja a fényteljesítményt, mindaddig, ameddig a lézerforrás még működőképes. Ez az élettartam meghosszabításának egy olyan formája, amelynek során a fokozódó igénybevétel valójában a félvezetőlézer gyorsuló tönkremeneteléhez vezet. Élettartamát több más tényező is befolyásolja, úgymint a tápfeszültség, hőmérsékletingadozás, mechanikai igénybevétel, statikus töltések, stb. [67] Az áramkörlemezen található trimer potenciométerrel a forrás gerjesztő-árama és a lézer fényteljesítménye szabályozható (. kép). [68][69] Az optikai rezonátorból kilépő fény kollimáló lencserendszeren halad át, aminek feladata az asztigmatikus fénynyaláb formálása.. kép A lézerdióda forrásáramának szabályozása smd 19 trimer potenciométerrel (A szerző felvétele) Az optikai rezonátort is tartalmazó szétbontott lézerről készítettem néhány felvételt, amelyek a. és 3. képen láthatók. A lézerforrás felépítését annak okán is vizsgáltam, 19 Smd- Sourface Mounted Device mozaikszó jelentése; felületszerelt alkatrész 8

28 hogy a tervezett átalakítások el kellett végezzem rajta, modulált lézerfény előállításához csatlakozót kellett illesszek hozzá. (6. fejezet, 1. ábra) A szétbontott lézerről leválasztott műanyag kollimáló lencse a bal felsőképen-, (3. kép) a Nd:YAG kristályból készült optikai rezonátor a jobb felső és bal alsó képeken-, a pumpáló fényforrás pedig a jobb alsó képen látható. [70] Optikájának minden más lencséje üvegből készült és a. képen látható sárgaréz hengeres alkatrészbe van beépítve. A félvezetőlézer felépítését a törésmutató meghatározásánál is használt műhelymikroszkóppal vizsgáltam. 0 (6. fejezet,. kép) [71][177] Főként nagyobb nagyítás mellett több olyan sérülés és hiba figyelhető meg a kristály és a tükör felületén, amelyek nem a lézer szétbontása során keletkeztek, hanem gyári hibáknak tekinthetők. Elképzelhetőnek tartom, hogy a 1. képen látható feltűnően egyenlőtlen fénysűrűség eloszlás, ami az 4. ábrán látható ideális Gauss görbe szerinti egyenletes eloszlástól minden tekintetben eltér a felületi hibákkal összefüggésbe hozhatók. A lézer által előállított fény tulajdonságai a további felhasználásának szempontjából fontosak, ezért ezzel a továbbiakban részletesebben is foglalkozok. 3. kép A félvezetőlézer gerjesztő forrása és optikai rezonátora (A szerző felvétele- nagyítás 1: 50, 1: 75) 0 A mikroszkóp pontossága hosszmérésnél; 0,01mm, szögmérésnél; 1 ívperc (1/60 ). 9

29 1.3 A lézerfény tulajdonságai A félvezető lézerek által előállított fénynek a fontosabb tulajdonságai a következők: Kollimált; párhuzamos elemi fénysugarakból álló fénynyaláb; Monokromatikus; [7] Koherens; a forrás által előállított fénysugarak fázisa azonos; 1 [86] Alkalmas nagyon rövid impulzusok előállítására is [174] Egyedi fénynyaláb profil a terjedés irányában. (4. sz. melléklet) A lézerfény divergenciájának szöge általában különbözik az átmenettel párhuzamos és az arra merőleges tengelyekre, mint ahogy az a 3. ábrán is látható. [73][74][75] A félvezetőlézerek úgynevezett elliptikus, asztigmatikus, Gauss fénynyalábot állít elő, amit megfelelően méretezett lencserendszerrel körkörössé és szimmetrikussá lehet formálni. [76] Az aszimmetriának az oka részben az, hogy a félvezetőkristály a félvezető átmenettel párhuzamos-, és rá merőleges geometriai méretei közt különbség van. A fénysugár körkörössé és divergensé tétele a félvezetőlézerek esetében valamivel bonyolultabb, mint például a gázlézerek esetében. Az asztigmatizmusra vonatkozó adatok, típustól függőek és a gyártók katalógusaiban megtalálhatók.[77] 3. ábra A félvezetőlézer fénysugarának geometriája (A szerző rajza) 1 Beszélhetünk térbeli és időbeli koherenciáról. Atto szekundum; s, Femto szekundum; s. 30

30 A félvezetőlézer által előállított fény, intenzitás-eloszlása, ha nem is tökéletesen, de jól közelíti az 4. ábrán látható ideális, Gauss görbe szerinti eloszlást. A térbeli energia eloszlás a 4. sz. melléklet, 1. ábráján látható. Az eloszlás az alábbi függvénnyel adható meg: r r w P I w ( r ) = I0e = e w ahol; w = w( z ) - a fénysugár átmérője; π, [76] () P I 0 r - a fénysűrűség, feltételezve azt, hogy a fényterjedés irányába fényteljesítmény változás nem következik be; - a fényintenzitás; - a sugár. 4. ábra A lézerfény Gauss görbe szerinti eloszlása (A szerző rajza)[76] A különböző lézerek eltérő térbeli fényenergia eloszlással jellemezhetők, aminek eredményeképpen különböző profilú fénynyalábot állítanak elő. Mivel a továbbiakban a fényenergia eloszlás nagyon fontos lesz a lézer méréstechnikai alkalmazása szempontjából fontosnak tartottam bemutatni a különbségeket. A 4. sz. mellékletben néhány ismertebb lézer profilja látható. Gázlézerek esetében (Argon ion és HeNe 3 ) a fényerő térbeli eloszlása jól követi az ideális Gauss féle eloszlást, 4 minden más esetben, így a félvezetőlézerek 3 A HeNe lézereknek létezik az 543,5 nm-es és 63,8 nm-es változata is (. táblázat). 31

31 esetében is, a fényerő eloszlása ettől kisebb, vagy nagyobb mértékben eltér. Az eltérést az ( M ) 5 tényező fejezi ki. Kollimált, TEM 00 módusú félvezető lézerek esetében, az M tényező értéke, típustól függően; 1,1 és 1,7 között változik. 6 Az eloszlást alaposabban megvizsgálva, megállapítható az, hogy a legnagyobb fényerőváltozás (60 %) a sugár 1/6-a és 5/6-a között van. A lézerfény légköri refrakciójának mérésére kidolgozott mérési elv, amelyet a későbbiekben részletesebben is ismertetek, a fényerő Gauss görbe szerinti eloszlásán alapul. 1.4 Következtetések Megvizsgáltam a rádióhullámokat kibocsátó eszközeink számának növekedéséből fakadó problémákat, amelyek következtében a ma még viszonylag kis számban és elszórtan alkalmazott alternatív megoldások, úgymint a szabadtéri optikai adatátvitel elterjedése várható a közeljövőben, abban az esetben, ha a szükséges szabványrendszereket, és védelmi megoldásokat sikerül kidolgozni és átültetni a gyakorlatba; Ismertettem röviden a lézerek fejlődéstörténetét, csoportosításának szempontjait összefoglaltam a típusait, és megemlítettem a néhány olyan fontosabb jellemzőjét és tulajdonságát, amelyek lehetővé teszi a célnak megfelelőbb eszköz kiválasztását és méréstechnikai alkalmazását; Összehasonlítottam néhány ismertebb lézer térbeli energia eloszlását és megállapítottam azt, hogy a félvezető lézer fényenergia eloszlásánál valamivel kedvezőbb a HeNe lézer; Megvizsgáltam a félvezető lézerek felépítését, részegységeinek funkcióját és működését, kezdve az optikai rezonátortól a vezérlőáramkörig; Nem vizsgáltam az optikai rezonátor méretei-, és a fénysugár átmérője közti összefüggéseket. 4 A Gauss és a Bessel függvény által megadott Airy féle eloszlás nem sokban különbözik egymástól. Az utóbbinál a fókuszsíkban figyelembe vehető eloszlás átmérője;,44λ. 5 Ideális Gauss profil; M = 1, valós profil; M > 1. 6 A nagyteljesítményű, több-módusú lézerek esetében; M = ( 3 4 ). 3

32 Nem vizsgáltam, hogy az ernyőn megfigyelhető fénypontok egyenlőtlen eloszlása a fénysűrűség terjedés irányú megváltozásának-, az optikai rezonátor és a féligáteresztő tükör hibáinak-, vagy az elemi fénysugarak légköri terjedésének a következménye-e. 33

33 . FEJEZET A FÉNY ÉS TERJEDÉSÉT BEFOLYÁSOLÓ LÉGKÖRI FOLYAMATOK A vezetékes és rádióhullámokat kibocsátó kommunikációs eszközeinkkel ellentétben, a szabadtéri optikai rendszerek stabilitását és hatásfokát több olyan tényező is befolyásolja, amelyeket egyáltalán nem-, vagy csak nagyon kis mértékben tudunk befolyásolni. A jelenségek feltárásának és megismerésének a célja, olyan megoldások kidolgozása, amelyekkel a nemkívánatos jelenségek hatása csökkenthető, vagy éppen teljesen egészében kiküszöbölhető. Ehhez mindenekelőtt a fény terjedésének a mechanizmusát kell tisztázni és azokat a légköri folyamatokat, amelyek a fény terjedésével kapcsolatos jelenségekért felelősek..1 A fény, mint elektromágneses hullám A fény kettős természete; hullám és részecske, régóta foglalkoztatja a kutatókat. A jelenségek megismerése nem Einsteinnel kezdődött, hanem jóval előbb. Az Einstein féle kvantumelmélet kidolgozásához és megalapozásához nagyon sokan hozzájárultak: Max Planck 1900-ban írta le először és igazolta azt, hogy az elemi fénykvantum energiája kizárólag annak rezgésszámától, azaz frekvenciájától függ. [78][79] A részecskék (elektronok is) hullámtermészetével kapcsolatos elméletet később Broglie fogalmazta meg; D = h p 7 formában, ahol D a monokromatikus elektromágneses sugárzás hullámhossza, más szóval Broglie féle hullámhossz. [80] A fény későbbi korpuszkuláris értelmezése; amit ma fotonnak nevezünk (lásd Gilbert N. Lewis 196) sok tekintetben eltért attól, ahogy azt Einstein ε = h ν energiájú és h p = 8 impulzussal rendelkező fénykvantumokként, később újra megfogalmazta. 9 λ [81] 7 ħ h/π, ħ=(1,05443±0,00004) Js.. 8 h=6, Js a Planck féle állandó,λ a hullámhossz, ν a rezgésszám. 9 Einstein a fotonokat dualisztikusan részecskéknek és hullámoknak tekintette. 34

34 A h hatáskvantum a klasszikus statisztika és a hősugárzásra érvényes törvények közötti ellentmondás feloldását szolgálta. Létezésének következtében a klasszikus szemlélet és értelmezés az atomi méretek világában nem érvényes. A fénykvantum energia alapon történő megfogalmazása a fotonok energiája és rezgésszáma közt teremt kapcsolatot és a mai napig a legtöbb fénnyel kapcsolatos jelenségre kielégítő magyarázatot ad. A különböző rezgésszámú fotonok eltérő energiával rendelkeznek és az eltérő energiájú kvantumok tovaterjedése eredményezi mindazokat a jelenségeket, amelyek a fény hullámtermészetével hozhatók összefüggésbe. Ilyen jelenségek a fény refrakciója 30, diffrakciója, interferenciája, diszperziója, stb. [8][83] Kvantitatív alakban a dualisztikus szemléletet a Schrödinger féle hullámegyenlet fogalmazza meg. Minden hullámjelenség, amely Ψ amplitúdóval és λ hullámhossznak megfelelő periodicitással csillapítás nélkül terjed a térben, követi a következő egyenletet.: π ψ + ψ = 0, [84] (3) λ A fény is ilyen hullámjelenség. Ennek az elektromágneses hullámnak a hullámhossza és frekvenciája közti összefüggés és a rádióhullámok tartományában elfoglalt helye a 5. ábrán látható. Az elektromágneses hullámok egyik, vagy másik csoportját hullámhossztól függően különféle névvel és toldalékszókkal látták el. A nagy frekvenciájú rezgéseket, amelyekhez a rövid hullámhossz társul- ilyen a fényhullám is-, gyakran a sugár toldalékszóval illetik; úgymint a Röntgen-, vagy infravörös sugár, míg az alacsonyabb frekvenciájú elektromágneses hullámok esetében valamivel gyakoribb a hullám toldalékszó használata. Az utóbbira példa a mikrohullám, hosszúhullám, stb. Az elektromágneses hullámok spektrumában a szabad szemmel látható fény csak egy keskeny-, míg a lézerek ennél jóval szélesebb frekvenciatartományt foglalnak el. 30 A refrakció okozta fényterjedésben bekövetkező változásokat elsőként Picard említi a Mesure de la tere munkájában 1671-ben. A fénytörési együttható kifejezést elsőként Maupertuis használta Laplandban végzett kutatásai során ( ), amikor a Föld alakjának a meghatározásán dolgozott. 35

35 5. ábra Az elektromágneses hullámok spektruma (a szerző rajza) A fény és általában az elektromágneses hullámok terjedési sebességének meghatározásánál a mai napig sok bizonytalanság tapasztalható. 31 [85] A fény egy transzverzális hullám, amelynek terjedési sebességét, más szóval fázissebességét a következő összefüggés írja le; v = C r 0 ε µ ahol; C 0 - a fény sebessége a légüres térben; n - a közeg törésmutatója; ε r - a közeg relatív permittivitása; µ r - a közeg relatív permeabilitása. 3 [86] r C0 =, [81] (4) n Légüres térben végzett mérések első értékelhető eredménye 1676-ból maradt ránk és Ole Christensen Roemer nevéhez fűződik. [87] Azóta nagyon sokan megmérték a fény sebességét. A legújabb tudományos kutatások eredményei szerint a bizonytalanság óvatos mérlegelésével a sugárzás, a fény sebessége, légüres térben C 0 =(,99790±0,00006) 10 8 m/s 33 [80][85][88][118] 31 A fény sebességének mérésére 196 és 1951 közt több eljárást és módszert is kidolgoztak a kutatók. Ezek közül a legismertebbek Michelson, Michelson-Pease és Pearson, Hüttel, Anderson, Bol, Essen, Bergstrand, Alakson és Froome féle mérési eljárások. 3 Az itt szereplő dielektromos együttható és mágneses permeabilitás nagyfrekvenciás értékei lényegesen eltérnek a stacionárius értékektől. 33 Általánosan elfogadott értéke; C=99 79,5 km/s. 36

36 . A fényhullám és a gázmolekulák kölcsönhatása A fény, mint minden elektromágneses hullám kölcsönhatásba lép a levegőt alkotó gázmolekulákkal. Dipólusok kialakulása és a gerjesztő hullámra való visszahatásuk jól modellezhető az elektrosztatikából és elektrodinamikából ismert összefüggések segítségével. A kölcsönhatás tapasztalati összefüggéseit az indukált polarizáció fejezi ki. A gázmolekulák indukált polarizációval válaszolnak a külső elektromos térre. [89] Egy olyan gázelegyben, mint amilyen a Földünk légköre, különféle eloszlásban nagyon sokféle molekula megtalálható, ezért az adott válasz csakis egy komplex függvény lehet. Jelöljük a közeg átlagos dipólus momentumát elektromos tér effektív értéke pedig legyen E r r '. A p = ε γ 0 mol r E' p r -vel, az összefüggés a válaszfüggvényt adja meg, amelyben ε0 a levegő permittivitása és γ mol a molekulák polarizálhatósága 34 [90]. Ezek az állandók mindegyike függ a gáz összetételétől és a molekulák felépítésétől. [91][9] A makroszkopikus polarizációs vektor P r. Legyen η a térfogategységben megtalálható molekulák száma. A makroszkopikus polarizációs vektor a dipólus momentum függvényében a r r következőképpen fejezhető ki; P = η p A makroszkopikus polarizáció arányos a dielektromos szuszceptibilitással ( χ e ), ami az alábbi összefüggéssel adható meg: χe η. (5) γ Eltérő tulajdonságú gázmolekulák esetében a makroszkopikus polarizáció egy komplex mennyiség. Olyan több komponensű gázok esetében, mint amilyen a levegő is, a makroszkopikus polarizáció figyelembevétele egy kezelhetetlen, komplex függvényrendszert eredményez, ezért a fény terjedését a légkörben az egyszerűsítések adta lehetőségekkel kell vizsgálni és megfogalmazni. Az egyszerűsítések egy nagyon szélsőséges példája az a megfogalmazás, amely szerint; a fény egyenes vonalban terjed. Ha nem tesszük hozzá, hogy ez csak az abszolút vákuumra igaz, akkor ez a kijelentés hibás és megalapozatlan. Lássuk be, az abszolút szó használatáról a tudományos szakirodalom is gyakran megfeledkezik, ami miatt a fény egyenes vonalban terjed a vákuumban, mondat fizikai háttere vitatható. A 34 γ mol =,133±0, m 3 mol 37

37 vákuum és az abszolút vákuum fogalma mindemellett tisztázásra vár. Mai ismereteink szerint elképzelhetetlen a fizikai térnek az a formája, amelyet semmi sem tölt ki, és amire a közeg kifejezés egyáltalán nem használható. Ha a fotonok, amelyeknek nincs tömegük és a teret kitöltő atomok, molekulák kölcsönhatásáról az utóbbi hiánya miatt nem beszélhetünk, akkor az abszolút vákuumban a fény terjedése feltehetően egyenes vonalú, de minden más közegben a gázatomok és molekulák indukált polarizációja miatt kialakuló kölcsönhatások eredményeképpen ettől eltérő. A rendszer egészére vonatkozó megállapításokat nem tudunk tenni, ha megfigyeléseinket nem terjesztjük ki a molekulaszintű makroszkopikus kölcsönhatásokon túlra. A lépték megváltoztatásával, az új törvények és törvényszerűségek miatt, az ok-okozati összefüggéseket rendszere megváltozik. A vizsgálat alá vont térelem és a makroszkopikus világ közti több nagyságrendű különbségek miatt, az ott bekövetkező változások nyomon követése látszólag értelmetlenné válik, annak következtében, hogy a tér fizikai méreteinek növelésével behatárolhatóvá-, és megfigyelhetővé válnak azok a kölcsönhatások, amelyek a makroszkopikus állapotváltozásokért felelősek. Makroszkopikus rendszerre vonatkozó kölcsönhatásokat eredményeznek a vizsgált rendszer határain kívülről érkező sugárzások. A sugárzások, amelyek a Föld légkörén áthaladnak az 5. ábrán látható teljes hullámtartományt lefedik, kezdve az ionizáló és kozmikus sugárzásoktól a hosszúhullámok legalsó határáig. A napsugárzás annak ellenére, hogy viszonylag széles frekvenciatartományt fed le, csak egyike azoknak a sugárzásoknak, amelyek a vizsgált rendszer egészére kiterjeszthető makroszkopikus állapotváltozásokat eredményeznek. Az állapotváltozások eredményeképpen a gázkeverék hőmérséklete, entalpiája növekszik, és a rendszer állapotjelzői 35 megváltoznak. Gázhalmazállapotú közeg esetében az állapotjelzők megváltozása a mikroszkopikus rendszerben nehezen, vagy egyáltalán nem értelmezhetők. Ennek oka az, hogy az atomok és molekulák mérete nem összemérhető azzal a szabad úthosszal, amely a térben, a mozgásukhoz rendelkezésükre áll. (1 sz. melléklet 1. táblázat) Ez szükségessé teszi a rendszer egészére kiterjedő és a mikrovilágtól független új szemlélet és az összefüggések új rendszerének a kialakítását. 35 A gáz hőmérséklete, nyomása, sűrűsége. 38

38 A makroszkopikus rendszeren belüli vizsgálat, a jelenségek értelmezése és összefüggéseinek rendszere figyelmen kívül hagyja a mikroszkopikus rendszeren belül értelmezett jelenségek ok okozati összefüggéseit, elszakad a fény korpuszkuláris értelmezésétől és a hullámtani összefüggések új rendszerében vizsgálja a kölcsönhatásokat. Ennek a szemléletnek a kialakításában szerepet kaptak azok a kölcsönhatások, amelyek új jelenségek kialakulásáért felelősek. A kiterjedt vizsgálat eredményeképpen, a makroszkopikus rendszerre befolyást gyakorló tényezők nagy száma miatt, az itt értelmezhető jelenségek száma is lényegesen nagyobb, mint a mikro-rendszeren belüliek. A makroszkopikus rendszeren belül a figyelembe vehető tényezők legnagyobb része a fényterjedéssel is összefüggésbe hozhatók. Nem csak a közegjellemzők befolyásolják a fényhullám terjedését, hanem a fényhullám is hatást gyakorol a közegjellemzőkre. A kölcsönhatások rendszerében a hullámforrások közegjellemzőt befolyásoló tulajdonsága nem hagyható figyelmen kívül, amennyiben a fényterjedés mechanizmusának legapróbb-, és bizonyos esetekben elsőre lényegtelennek tűnő részleteit is fel kell tárni. Példa erre a fizikai hátteret és tartalmat jobban kifejező fényhullám, ami nehezen összeegyeztethető az elemi fénysugár elvont fogalmával, miközben éppen ez utóbbinak van nagyobb szerepe a fényterjedés elméletének a tisztázásában. A fényterjedéssel kapcsolatos elméleti ismeretek gyakorlatba történő átültetésének egyik eszköze a matematikai és fizikai modellek azonossá-, vagy legalábbis hasonlóvá tétele. Földünk légköre egy jellemzően nemlineáris, inhomogén gázhalmazállapotú közeg, amelynek összetétele, állapotjelzői és az ezekből származtatott fizikai jellemzői, úgymint; sűrűsége, fajtérfogata, törésmutatója, térben és időben folyamatosan változik. A gázkeverék, amit levegőnek hívunk, fizikai, kémiai és optikai tulajdonságokkal rendelkezik. Átlagos összetétele az 1 sz. melléklet a. táblázatában megtalálható. Állapotjelzőinek megváltozására és optikai tulajdonságaira hatással van az összetétele és a benne található lebegő részecskék, aeroszolok mennyisége. [93] A kémiai összetétel által befolyásolt fizikai és optikai tulajdonságok komplexitása miatt, a levegőben terjedő fény vizsgálatánál rendszerint eltekintünk a mikroszkópikus rendszer kölcsönhatásaitól és csak a vizsgált rendszer egészére vonatkozó optikai tulajdonságokat vesszük figyelembe. 39

39 A fény terjedését befolyásolják a; termikus hatások, a légáramlatok okozta vibrálás, szóródás, stb.; gázösszetevők koncentrációja; aeroszolok jelenléte; [94][95] páratartalom; háttérsugárzás. [96].3 A légkör termikus folyamatai A napfény beesési szögének folyamatos változása miatt, a nap folyamán a légkörön keresztül a földfelszínt elérő napsugárzás intenzitása folyamatosan változik, ami a légkör és a földfelszín energiamérlegére hatással van. Az energiamérleget befolyásolja a: napsugárzás közvetlen elnyelése, a földfelszín által; földfelszín és a légkör közötti folyamatos és állandó hőenergia átvitel sebessége; látens hő-átvitel. A Földet övező légkör felmelegedését és lehűlését közvetlenül befolyásolja a: rövidhullámú napsugárzás, ami a fűtést eredményezi és, amire hatással van az; o ultraibolya sugárzás, aminek egy részét a sztratoszférikus ózon nyeli el; o infravörös közeli sugárzás, aminek egy részét a troposzférikus vízvízgőz és a felhők, valamint a széndioxid nyeli el, sávokban; o többi látható és infravöröshöz közeli sugárzás, amelyet a földfelszín nyel el, vagy visszaverődik az űrbe. hosszúhullámú, infravörös sugárzás, ami a hűtésért felelős és a: o vízgőz-, széndioxid-, és ózonmolekulákról; o felhőkről, valamint a; o földfelszínről visszaverődve kerül a levegőbe. [97][98] 40

40 A földfelszínt övező levegőburok hőmérséklete, napszaktól és évszaktól függően eltérő mértékben változik. A légkörhöz képest a földfelszín lényegesen nagyobb mennyiségű hőt nyel el a nap folyamán, mint a levegő. Úgy napközben, mint éjszaka, a tárolt hőmennyiség egy része sugárzás 36 és hőátadás 37 útján kerül ismételten a levegőbe. A földfelszín hőelnyelő képessége hatással van a globális klíma és egyik- másik hely mikroklímájának a kialakulására. Az alacsonyabban levő légrétegek gyorsabban és nagyobb mértékben melegednek fel, mint a magasabban levők. A felmelegedett alsó rétegekben levő levegő, kisebb sűrűsége miatt a emelkedni fog és eltávolodnak a hő-felvétel helyétől, majd ezt követően lehűl. A magasabban lévő légrétegekben levő részecskék keveredése az alacsonyabb légrétegekben levőkkel, felszálló áramlatokhoz, légörvények kialakulásához vezet, ami egy folyamatos keveredést eredményez. A függőlegesen mért hőmérsékletváltozás a függőleges hőmérsékleti gradienssel fejezhető ki. [99] A hőmérsékleti gradiens a légkör statikus egyensúlyi differenciál egyenletéből határozható meg: c p t = g z A (6) ahol; c p - a levegő fajhője állandó nyomás mellett (1, J/g o C); A - a termikus egyenérték (9, Js /cm g); g - gravitációs gyorsulás (9,81 m/s Magyarország területén); t - a hőmérsékletkülönbség, [ o C]-ban; z - szintkülönbség, [m]-ben. [100] A (6) differencia egyenletet megoldva és a szükséges behelyettesítéseket elvégezve, a hőmérséklet gradienst megadó összefüggéshez jutunk (7): t A g = z c p 4, ,81 = = 0, ,39 C/m 38 [101] (7) 36 radiáció. 37 konvekció. 38 A múlt század első felében figyelembe vett érték; grad t = -0,3 C/m. Ugyanez, a század második felére -0,67 C/m- re csökkent. 41

41 A hőmérsékleti gradiens felszálló légáramlatok esetében negatív, dél körül éri el a minimumot. Ez a folyamat a nap 4 órájában kétszer ismétlődik, stabillá napfelkelte előtt néhány órával válik, amikor a földfelszín lehűl. Mivel mértéke függ a Föld légkörének rétegződésétől, a földközeli-, és a magasabb légrétegek hőmérsékleti gradiensét meg kell különböztetnünk egymástól. A hőmérsékleti gradiens folyamatos csökkenése tapasztalható, ami a klímaváltozással és a légszennyezéssel hozható összefüggésbe. A Föld légkörét alkotó, eltérő sűrűségű légrétegek nem gömbszerű burokként övezik a földfelszínt, hanem az időjárási frontoknak és a helyi mikro-klimatikus tényezőktől függően, az éghajlattól, évszaktól és magasságtól függően, a légkörben foltszerűen fordulnak elő, és helyüket kiszámíthatatlanul változtatják. [10] A légkör sűrűségének megváltozása hatással van a fényhullám terjedésére, a fényhullám energiájának csökkenése a levegő fényátbocsátási tényezőjével hozható összefüggésbe..4 A légkör fényátbocsátását befolyásoló tényezők A különféle gázösszetevők, aeroszolok, vízgőz, szerves anyagok, jég, stb. jelentős abszorpciót és szóródást eredményeznek a levegőben. [103] A levegőt alkotó gázok molekulái a rajtuk áthaladó fény egy részét elnyelik és szórják. A fény szóródásában, a fényhullám energiájának a csökkenésében az aeroszoloknak van nagyobb szerepük..4.1 Az aeroszolok spektrális abszorbciója Amikor a Föld légkörében a fényterjedéssel kapcsolatos jelenségeket vizsgáljuk, ismerni kell a gázösszetevők spektrális abszorbcióját, ami azt mutatja meg, hogy egy adott frekvenciájú fényhullámot milyen mértékben csillapít egy adott gázösszetevő, vagy a gázösszetevőknek egy csoportja. Bizonyos hullámhosszon a levegő fényátbocsátó képessége csökken, vagy éppen teljesen meg is szűnik, ami miatt a Föld légköre lényegében egy sávszűrőnek tekinthető. A gázhalmazállapotú közeg sáváteresztő tulajdonságát az aeroszolok mennyisége határozza meg. Az aeroszolokkal és tulajdonságaikkal, úgymint a; diffúzió, ülepedés, stb., bővebben a levegő-kémiája foglalkozik. [104] A levegő 4

42 szennyezőanyag tartalma nagymértékben függ a földrajzi helytől, időjárástól, vegetációtól, ipari létesítményektől, széljárástól és az urbanizációtól. A levegőben jelen levő, nem ülepedő 1µm- nél kisebb szennyeződések, úgymint a por, korom, stb., a sugárzás terjedésének az irányát megváltoztatatja és a szilárd részecskéken a fotonok energiája elnyelődik. A levegő hullámelnyelő és hullámáteresztő képessége helytől függően változik. Optikai tulajdonságainak meghatározásánál az aeroszolokat gyakran figyelmen kívül hagyják. Ennek oka az, hogy csak komplex mennyiségként fejezhetők ki és a számításainkat adott esetben túlzottan bonyolíthatják. Mennyiségét a levegő fényátbocsátási tényezője és fénytörési mutatója; n, viszonylag jól kifejezi. A törésmutató a fény sebességének a vákuumban,- és adott közegben mért sebességének viszonyaként értelmezhető és fejezhető ki a következők szerint; ahol; n - a közeg törésmutatója; c - a fényhullám vákuumban mért sebessége; 39 v - a vizsgált közegben mért fénysebesség. c n =. [105] (8) v Az aeroszolok fénytörés-mutatója egy komplex mennyiség, amely valós és képzetes résszel írható le, az alábbiak szerint; ahol; na = nr j ni n a - az aeroszolok fénytörési mutatója; n r - valós rész; n i - képzetes rész. [94] Az abszorpciós együtthatót a (9) egyenletben szereplő törésmutató imaginárius részével kifejezve, kapjuk: ahol; π α = λ a n i α a - abszorpciós együttható [1/m]-ben; λ - monokromatikus sugárzás hullámhossza [m]-ben kifejezve. Néhány fontosabb aeroszol fénytörési mutatója a szakirodalmi forrásokban megtalálható. [105] (9) (10) 39 A Kerr cella módszer eredményeként a levegő törésmutatója: n=1,000868, 43

43 Az aeroszolok okozta szóródást a Fraunhofer féle eloszlással és a Mie szóródással szokták figyelembe venni. [106] A légrétegek közti hőmérsékletkülönbség a levegőben légáramlatokat és légörvényeket hoz létre. Az emelkedő légáramlatok, más szóval; termikek magukkal ragadják a Föld felszínének közelében lebegő szennyeződéseket, és a levegő fényátbocsátó képessége tovább csökken. A levegő fényátbocsátó képességét befolyásolja a szennyeződések fényszórási tulajdonsága is, amit a fényszórási együtthatóval lehet kifejezni: ahol; β a fejezik ki: - fényszórási együttható; δ β a = C 1 λ (11) C 1 és δ 40 - konstansok, amelyek a meteorológiai értelemben vett láthatóságot ahol; - V a távolság m-ben. 3,91 C 1 = (0,55 ) V A fényszórási együttható a fény hullámhosszával is kifejezhető: [94] δ (1) β a = 3,91 λ V 0,55 δ (13).4. A széndioxid hatása a fényterjedésre A széndioxid a levegő egyik fő összetevője és egyben az egyik olyan antropogén eredetű gáz, amely a legnagyobb koncentrációban fordul elő. Koncentrációja a levegőben év-, és napszaktól függően változik, és jelentős ingadozást mutat. Légköri tartózkodási ideje meghaladja a 100 évet. Légköri mennyisége a földtörténeti ókorban 41 és a középkorban 4 volt a legnagyobb. A széndioxid egy inert gáz, ami azt jelenti, hogy semmilyen fontosabb légköri reakcióban sem vesz részt, sem a troposzférában, sem pedig a sztratoszférában. A széndioxid légköri koncentrációja évről- évre folyamatosan 40 δ=1 1,6 41 ordivícium, karbon, perm. 4 triász, júra, kréta. 44

44 emelkedik, 00-ben az átlagos koncentrációja körülbelül 370 ppm 43 volt, miközben az ipari forradalom kezdetén (1890) értéke alig érte el a 80 ppm-et. Jelenleg évi növekedése; 1,5 ppm körüli érték.[0] 3. táblázat: Az üvegházhatás kialakulásában szerepet játszó gázösszetevők. [104] Gáz Koncentráció Hőmérséklet (+ T) CO 370ppm 70ppm 3,0 CH 4 1,7ppm 3ppm 0,3 N O 0,3ppm 0,5ppm 0,3 CFC-11 0,ppm,0ppb 44 0,3 CFC-1 0,5ppb 4,0ppb 0,7 O 3 (troposzféra) kétszeres növekedéssel számolva A széndioxidot is csakúgy, mint több más jóval kisebb arányban előforduló gázösszetevőt is, az üvegházhatás növekedésében szerepet játszó elemek közé sorolják, mivel jelentős hatással van a Föld termikus egyensúlyára, és a földfelszíni hőmérséklet kialakulásra. Átlagos koncentrációja és a hőmérsékletváltozás növekedésében játszott szerepe miatt, a széndioxid tartalom változását az ökológiai egyensúly megbomlását prognosztizáló kutatók figyelemmel kísérik. Az 3. táblázatban megfogalmazott jóslat szerint a következő századfordulón, a százalékos aránya megközelítheti az ezredfordulón mért érték kétszeresét. A légköri koncentráció növekedésének hatásai, ha nem is mindig világosan, de azért lassan körvonalazódnak és nem túlzottak azok az aggodalmak, amelyek ezzel kapcsolatban megfogalmazódnak. [107][108] A levegőben viszonylag magas arányban jelen lévő széndioxidnak főként a fényterjedésre gyakorolt hatását tartom szükségesnek kiemelni. A széndioxid a 3-4,5 µm feletti hullám-tartományokban sávzáró tulajdonságokkal rendelkezik. (6. ábra) 0,8 43 ppm: part per million angol mozaikszó rövidítése (1 ppm = 10-4 %). 44 ppb: part pro billion (10-9 ) 45

45 6. ábra A széndioxid és a propán spektrális abszorbciója (Forrás:[97]) Az ábrán összehasonlításképpen berajzoltam a propán karakterisztikáját is, amelynek éppen 3,5 µm -nél van úgynevezett ablaka. Infravörös fényhullám tartományban a spektrális abszorpció lehetővé teszi azt, hogy a széndioxidot és más gázösszetevőket ki lehessen mutatni a levegőben, de detektálásának nem ez az egyedüli módja. [109] A levegő vízgőz tartalma a széndioxidnál is nagyobb mértékben befolyásolja a levegő fényáteresztő képességét..4.3 A levegő páratartalma A levegőben lévő vízgőz sugárzás szempontjából egy aktív nyomgáz, ami csaknem kizárólag a troposzférában fordul elő. A páratartalom is csakúgy, mint a széndioxid, jelentős mértékben befolyásolja a levegő fénytörés-mutatóját, más szóval refrakciós tényezőjét (n) és csakúgy, mint a hőmérséklet esetében, ebben az esetben is beszélhetünk páratartalommal összefüggő gradiensről. A hőmérséklet-gradienshez hasonlóan a páratartalom gradiens is dél körül éri el a minimumát, pozitív előjelű napfelkeltekor és a délelőtt folyamán. A levegő párafelvevő-, és megtartó képessége függ a hőmérsékletétől. Magasabb hőmérsékletű levegő, nagyobb mennyiségű vízgőzt tud magában tartani, vízgőz felvevő képességét, a nedves levegő i-x diagramjai adják meg. [110] A gőzfázis halmazállapot változása és a kondenzáció mérés útján határozható meg, ami a nyomás, a parciális gőznyomás, 45 és a 45 Az adott hőmérséklethez tartozó gőznyomást a Maxwell kritérium adja meg. 46

46 hőmérséklet 46 függvénye. [110][111] Kondenzáció a levegőben mindig harmatpont közelében kezd kialakulni. A levegő vízgőz tartalma a fényteljesítmény változás szempontjából, a legtöbb szabadtéri alkalmazás esetében meghatározó. A vízgőz legfontosabb hullámelnyelő sávjai a következők; λ=,7 µm, λ =6,3 µm, λ >0 µm.. Szennyező anyagoktól mentes, csak vízgőzt tartalmazó levegő átviteli karakterisztikája a 7. ábrán látható. [95] Megfigyelhető, hogy a 0,7; 0,8; 0,96; 1,1; 1,38; és 1,9 µm hullámhosszon a légkör sávzáró tulajdonságokkal rendelkezik, míg a hullámhossz növekedésével a sávzáró tulajdonság változik és a tiltott sávok szélessége növekszik. Az említett tartományban az oxigénnek és a széndioxidnak a csillapító hatása (hullámelnyelő képessége) a vízgőzhöz képest majdhogynem elhanyagolható. 7. ábra A levegő sávzáró tulajdonsága (Forrás:[31]) A levegő vízgőztartalmának változásában és szabályozásában a természeti jelenségeknek és az élőlénynek kiemelkedő szerepük van. A tengerek vize miközben a viszonylag száraz levegőbe párolog, nagy nedvességtartalmú légréteget hoz létre. [101] Vízfelületek felett a légköri összetevők közül a vízgőz tartalom változása, gradiense a legnagyobb, amit nagyon sok, a fény légköri refrakciójával kapcsolatos jelenség is igazol. Ezek a jelenségek főként nagy vízfelületek felett, alacsony magasságban figyelhetők meg. ( sz. melléklet, 3. ábra) [11][113][114] 46 Ez a hőmérséklet a gázok kritikus hőmérséklete (T krit ), amelyhez egy úgynevezett kritikus nyomás (p krit ) is tartozik. Ennek segítségével a gáz Van der Waals konstansai (a és b) kiszámíthatók. A Van der Waals egyenleteket, a Callendar és Mollier féle állapotegyenletek sokkal pontosabban írják le. 47

47 A légkör alacsonyabb rétegeiben és a földfelszín közelében a törésmutató megváltozása az alábbi összefüggéssel határozható meg: grad n =(1/R) (0,+30 grad e-1,85 grad t) [101], (14) ahol; R - a Föld sugara [m]-ben; 47 grad e - a vízgőztartalom változási sebessége [millibar/m]-ben; grad t - a hőmérséklet változás sebessége [ C/m]-ben. A (14)- el megjelölt összefüggésben a 0, érték egy korrekciós tag, egy úgynevezett addiciós állandó, amelyet a Föld gravitációs tere miatt kell figyelembe venni. Tekintettel arra, hogy a következő értékek akár a tízszerese is előfordulhat a gyakorlatban, a következők egészen átlagosnak tekinthetők: grad e =1/300 mb/m és grad t =0,03 C/m. A légköri páratartalom lézerfényre gyakorolt csillapító hatását bemutató diagram a 8. ábrán látható. A levegőben levő pára csillapító hatása az infratartományban működő lézerek esetében, hullámhossztól függően majdhogynem elhanyagolható. [115][4] Megfigyelhető viszont az, hogy a levegőben lévő vízgőz hullámelnyelő képessége a nagyobb hullámhosszak felé fokozatosan csökken. Ez alátámasztja azt a feltevést, miszerint infravörös fénytartományban működő lézerforrásokkal stabilabb optikai kapcsolat létesíthető, mint a rövidebb hullámhosszon működő társaikkal. A sztenderdnek tekintett tiszta időben a légkörben a látótávolság általában 10-5 km, amelyet korrekciós tényezőkkel szokás csökkenteni, aszerint, hogy milyen légköri képződmény zavarja a távolba látást, vagy adott esetben az optikai összeköttetést. [116] Tiszta időben a fény légköri csillapítását a Rayleigh szórás csökkenti, aminek értéke; 0, 1 db/km, esőben pedig az úgynevezett geometriai szórást kell figyelembe venni. Az utóbbi nagyobb mértékben befolyásolja a fényhullám csillapítását. Esőben a látótávolság általában 4 km, és a csillapítás mértéke; 3 9 db/km körüli érték. Hóesésben ez 1 km -re csökken, és a csillapítás elérheti a; 7 1 db/km -t is. Köd és pára esetében főként a Mie féle szóródásnak van jelentősége. A vízgőzzel telített levegőben a látótávolság; m -re is csökkenhet, és a csillapítás ebben az esetben elérheti a db/km -t is. Erős 47 6 A Föld átlagos sugara: R = 6,4 10 m. 48

48 ködben a látótávolság 50m alá is csökkenhet és a csillapítás 300 db/km-t is elérheti. [117] A korábban vizsgált jelenségek mindegyike csaknem kizárólag a fényenergia csökkenésével hozhatók összefüggésbe, aminek oka az, hogy az aeroszolok fényszórási tulajdonsága egy olyan összetett folyamat eredménye, ami nem teszi lehetővé, hogy a fény légköri refrakciójával való kapcsolatát egyszerűen fel lehessen tárni. A fény légköri refrakcióját más összefüggésben, a korábbitól teljesen függetlenül kell vizsgálni. 8. ábra A légköri pára hatása a lézerfény terjedésére (Forrás:[4]) A korábban vizsgált jelenségek mindegyike csaknem kizárólag a fényenergia csökkenésével hozhatók összefüggésbe, aminek oka az, hogy az aeroszolok fényszórási tulajdonsága egy olyan összetett folyamat eredménye, ami nem teszi lehetővé, hogy a fény légköri refrakciójával való kapcsolatát egyszerűen fel lehessen tárni. A fény légköri refrakcióját más összefüggésben, a korábbitól teljesen függetlenül kell vizsgálni. 49

49 .5 A fény légköri refrakciója A geometriai optikából ismert összefüggések és egyenletek alapja az a feltételezés, hogy a fény nem csak vákuumban terjed egyenes vonalban, hanem minden ettől eltérő közegben is. 48 [86][118] Konstans fizikai jellemzőkkel leírható homogén közegben, a fény terjedése jól közelíti ezt a leírásmódot, de látszólag ellentmond annak, hogy a Földet övező különböző vastagságú légrétegekben, a folyton, de ismeretlen törvény szerint változó törésmutató miatt a sugárzás nem egyenes, hanem görbe vonalon halad. 49 [118] Az egyenes vonalú terjedéstől való eltérést sok esetben azért lehet figyelmen kívül hagyni, mert az optikai eszközeink mérete viszonylag kicsi ahhoz az úthosszhoz képest, amit a fény a légkörben, az optikai eszközeinken kívül megtesz, ezért az eszközön belüli fényterjedés okozta hibák és eltérések nem számottevőek, és gyakran elhanyagolhatóak. Földünk légköre nem homogén közeg. A fény terjedésére hatással van a levegőt alkotó gázok térbeli egyenlőtlen eloszlása-, koncentrációja-, a páratartalom, a légköri nyomás és a hőmérséklet eredményezte inhomogenitás, az aeroszolok, stb. Ebben a jellemzően turbulens, inhomogén, nemlineáris és anizotróp közegben a nagy távolságokat áthidaló fényhullámok terjedésében bekövetkező eltérések okozta hibák, egyes esetekben számottevőek lehetnek, ezért azok nem hanyagolhatók el. Amennyiben a fényterjedés irányának a megváltozásával számolnunk kell, az ezzel kapcsolatos eddigi ismereteink-, a geometriai optikából ismert egyszerűsítéseink-, és összefüggéseink egy részének újragondolására és átértékelésére kényszerülünk. A fény eltérő törésmutatójú közegek határán bekövetkező refrakciója az optikai eszközeink fejlesztésének az alapja. A jelenség ismerete és felhasználása nélkül ma nem lennének lencsék, tükrök és ezekből összeállított optikai eszközök. A fény refrakciója következésképpen egy hasznos jelenség, de csak az optikai eszközeinken belül és az azokat határoló felületek mentén, ott ahol a közeg jellemzői részben, vagy egészében, tetszés szerint beállíthatók és a környezettől elszigetelt belső térben annak jellemzői, összetétele, stb. tetszés szerint beállíthatók. Felületekkel határolt zárt térben elhelyezett optikai elemek esetében az aeroszolok bejutása könnyen megakadályozható. [118][119] Az elhatárolt belső térben lévő közeggel ellentétben, 48 A szerző a következőképpen fogalmaz: a sugárzás mozgása egyenes irányú. 49 A szerző nevéhez fűződik a Dowe féle prizma főméreteinek meghatározása szerkesztés útján. 50

50 a külső tér optikai jellemzői instabilak és csak kevéssé, 50 vagy egyáltalán nem befolyásolhatók, aminek következtében az optikai eszközeinken kívüli, fényterjedésben mutatkozó eltérések, irányváltozások és hibák előfordulásának valószínűsége is jóval nagyobb, mint az eszközön belüli. Mivel a fény az optikai eszközeinken kívül nagyságrendekkel hosszabb utat tesz meg, mint azokon belül, a fényterjedésében jól mérhető eltérések mutathatók ki. Az optikai közeg törésmutatójának lokális és egyben szélsőséges megváltozását kísérő optikai jelenségek esetenként jól megfigyelhetők és nagyon szemléletesek tudnak lenni. Egy részük könnyen-, másik részük egyáltalán nem, vagy csak kiegészítő rögzíthetők digitális kamerákkal, vagy fotólemezre. Az 4. képen a repülőgép hajtóművéből kilépő magas hőmérsékletű gázok ( C) hatására a levegő törésmutatójának helyi megváltozása figyelhető meg. [11] A magas hőmérsékletű égéstermék sűrűsége jóval kisebb, mint a környező levegőé, ezért a háttérből, a képrögzítőbe érkező fénysugarak a sűrű és kevésbé sűrű közeget tartalmazó térrészek határán irányváltozást szenvednek. Magas hőmérsékleten a turbulens áramlások a gázelegyet inhomogénné teszik, aminek a következtében az onnan kilépő elemi fénysugarak nem maradnak párhuzamosak. [1][13] A gáz fényáteresztő képessége, transzparenciája csökken és a háttérkép elmosódottá válik. 4. kép A fény légköri refrakciója (Forrás:[10]) 50 Ezüstjodid felhőkbe történő juttatásával, kondenzációs magok, és eső hozható létre. 51

51 Még alacsonyabb hőmérsékletű hősugárzó testek környezetében, vagy gázkéményből kiáramló égéstermék esetében is, például a dízelmozdonyok felett, amelyek állnak, vagy a lassan haladnak, megfigyelhető ugyanez a jelenség, amikor viszonylag kis térfogaton belül a levegő, vagy gáz állapotjelzőinek nagymértékű lokális megváltozása következik be. [14] A fény légköri refrakciójával kapcsolatos optikai jelenségek a természetben is gyakran megfigyelhetők. Ezek egyike a délibáb, más szóval; fata-morgana. [15] Az említett jelenséget a légköri refrakció és teljes visszaverődés külön-külön, de együttesen is létrehozhatja. Délibáb a szárazföld, vagy nagy kiterjedésű vízfelület felett figyelhető meg erős napsütésben akkor, amikor az alsó légrétegek felmelegednek és ritkábbakká válnak, mint a felettük levők. Ilyenkor nagyon távoli épületek, tájak, tájrészek, objektumok fordított képét láthatja a távolban a megfigyelő. Hazánkban főként a Hortobágyon figyelhető meg a délibáb. Ennél valamivel gyakoribb jelenség a fény teljes reflexiója, amit nyáron autóvezetés közben figyelhetünk meg a felmelegedett aszfaltút felett. A távolban a napsütötte országút bizonyos szakaszait úgy látjuk, mintha nedves lenne, vagy fel lenne locsolva és rövid időre nagyon messze levő autó, vagy gyalogos tükörképe is megjelenhet időnként benne. Tovább haladva a kép eltűnik, majd az út másik szakaszán újra láthatóvá válik. A sz. mellékletben a fény természetben is megfigyelhető refrakcióját bemutató néhány felvétel látható. [11][113][114] A fény légköri refrakciójának a jelensége a törésmutató exponenciális görbe szerinti változásával magyarázható. [16] Fénytöréssel kapcsolatos jelenségek akkor figyelhetők meg, ha meghatározott irányból érkező fénysugarak különböző sűrűségű, hőmérsékletű és összetételű levegőrétegeken haladnak át. A fény a levegőrétegek határán megtörik és a beesési szögtől függően eltérő szögben folytatja az útját. Attól függően, hogy honnan érkezik, a részleges visszaverődés és tükröződés következtében a megszokottól eltérő képet továbbít a szemünkbe és ott valójában nem is létező tereptárgyak képe jelenik meg. A fénytörés jelensége jól megfigyelhető akkor is, ha a felhőtlen csillagos égboltot szemléljük nyári estéken. Azt tapasztaljuk, hogy az erősebb fényű égitestek által visszavert fény erőssége szabálytalan időközökben megváltozik, időnként fényesebbeknek, máskor pedig halványabbaknak tűnnek. Ez annak a következménye, 5

52 hogy a fény, különböző sűrűségű és eltérő törésmutatóval jellemezhető légrétegeken halad át. Amikor a légköri refrakció jelensége állóvizek, tengerek felett figyelhető meg, az égi jelenségek rendszerint más formát öltenek. Ennek oka az, hogy a hőátadás következtében előbb a vízfelület, majd a mélyebb rétegek melegednek fel és a levegőbe kerülő nagy mennyiségű vízgőz csillapító és refrakciót előidéző hatása jelentős mértékben befolyásolja a fény légköri terjedését. A..3 alfejezetben említettem, hogy a hőátadás, más szóval termikus konvekció sebessége hatással van a viszkozitásra, ugyanakkor a törésmutató értékét is befolyásokja. A felszíni rétegek viszkozitásának megváltozása az alábbi összefüggéssel adható meg: ahol; j p - a sűrűség; η - a viszkozitás; v y - a hőátadás sebességének gradiense. x j p vy = η, [100] (15) x A vízrétegek és a természetes állóvizek felszínének éves hőmérsékletváltozását általában diagramokkal adják meg. Ezek a diagramok a szakirodalomban megtalálhatók. [100] A sűrűségváltozás a hőátadás sebességének gradiensével arányos, méghozzá negatív előjellel, ami azért is figyelemre méltó, mert csaknem teljesen megegyezik a molekulák diffúzióját leíró Fick törvénnyel, vagy a Fourier féle hővezetés kalorikus differenciálegyenletével. [110] A hőátadás sebességét a földrajzi hely, évszak és napszak egyaránt befolyásolja. A fény refrakciójának jelensége a Föld légkörén kívül is megfigyelhető és sok kutatásnak, tanulmánynak volt eddig is a témája. Sok figyelemreméltó és érdekes eredmény született, amelyeket korábban főként megfigyelésekre és elméleti számításokra alapozottan végeztek a kutatók. [17] Ilyen mérések egyike a légkörön kívüli fényterjedés, optikai kapcsolat stabilitásának a vizsgálata műholdak felhasználásával. [18][19] Az űrkorszakot megelőzően is végeztek hasonló megfigyelésekre és számításokra alapozott méréseket. Ezekben a mérésekben úttörőnek számított K. Exner, aki az űrben található források fényének elhajlásával 53

53 kapcsolatos mérései során azt találta, hogy a világűrből hozzánk érkező fényhullámok görbületének sugara a 4000m-t is eléri. Ez úgy vélem egy meglepően kis érték, ami önmagában is több kérdést felvet, úgymint: [118][130][131][13] Amit a távolban látunk az valóban ott van, vagy csak érzéki, optikai csalódás? Minden eddig említett jelenség azt látszik megerősíteni, hogy a fény egyenestől eltérő, görbe vonalú légköri terjedésének következtében, minden megfigyelés csupán optikai csalódás. Fontosnak tartom hangsúlyozni, hogy különbséget kell tennünk az asztronómiai léptékű, függőleges irányú és a földfelszíni, Föld léptékű, vízszintes irányú megfigyeléseink között, mert egyik és másik esetben eltérő hőmérsékletű, sűrűségű és összetételű légrétegeken haladhat át a fény és pályájának görbülete mindig attól függ, hogy sűrűbb közegből érkezik a ritkábba, vagy pedig fordítva. Egyik esetben a pálya homorú, a másik esetben pedig domború. A kétféle pályamodellből következik az, hogy nagy távolságok áthidalása esetén, jelentős eltérésekkel kell számolnunk. A légköri csillapításból adódó teljesítménycsökkenés és a légköri refrakció eredményeképpen fellépő fényterjedésben bekövetkező irányváltozások csökkentik az optikai eszközeink pontosságát, megbízhatóságát és korlátokat jelentenek a fejlesztésük tekintetében. Lézerforrásokat használó eszközeink, úgymint; a pont-pont összeköttetésű optikai adat-, és információátviteli eszközeink; mérőműszereink, lézerfegyvereink pontosságának növelése csak akkor képzelhető el, ha a fény légköri refrakciója által okozott hibák kompenzálásához szükséges automatikus és adaptív szabályozások kidolgozhatók. Ilyen szabályozásra példa az ABL 51 rendszerek adaptív optikája, amelyet a nagyteljesítményű oxigén-jód lézerforrásokhoz, a légköri csillapítás hatásának kompenzálására alkalmaznak. [6][7] Kis teljesítményű lézerforrások esetében ettől eltérő adaptív szabályozási rendszerek kidolgozására van szükség. Ez csak akkor lehetséges, ha a fény légköri terjedésével kapcsolatos jelenségek nem csak analitikus, hanem tapasztalati összefüggései is ismertek. 51 ABL (Air Borne Laser) teherszállító repülőgép fedélzetén elhelyezett lézerfegyver. 54

54 .6 Következtetések Elemeztem a vákuum és az abszolút vákuum fogalma közti különbségeket, kiemeltem a tisztázásának a fontosságát és a gyakori egyszerűsítések lehetőség szerinti mellőzését, ott ahol ez megoldható; Megvizsgáltam az anyagi részecskékből felépülő mikroszkopikus rendszeren belüli jelenségeket, a fényterjedés kvantummechanikai összefüggéseit, a fotonok kölcsönhatását a közeget alkotó anyagi részecskékkel és az indukált polarizációnak ebben betöltött szerepét; Elemeztem a mikroszkopikus-, és makroszkopikus rendszerek kölcsönhatásait és rámutattam arra, hogy a fényterjedés vizsgálatánál az utóbbi előtérbe kerülésével a mikroszkopikus világ kölcsönhatásai háttérbe szorulnak. A mikrorészecskék kölcsönhatásai, mint amilyen az indukált polarizáció is a hullámtani megfogalmazásban nem jut kifejezésre, jobb esetben is csak és egyirányú hatásként szerepel; Megvizsgáltam a légkör összetevőit, termikus folyamatait és a fény terjedését befolyásoló tényezőket, indokoltam és kiemeltem annak fontosságát, hogy a fényenergia csökkenésében-, és a fény légköri refrakciójában lényegesebb szerepet betöltő tényezőket meg kell különböztetnünk egymástól. A kutatott szakirodalmi forrásokban az ismeretek rendszerezésére a szerzők nem minden esetben fektetnek kellő hangsúlyt, sok esetben mindezt az olvasó belátására bízzák; 55

55 3. FEJEZET INHOMOGÉN, IZOTRÓP GÁZHALMAZÁLLAPOTÚ KÖZEG MATEMATIKAI MODELLJE A tapasztalati világ eseményei, a természet-, és alkalmazott tudományok eredményeire alapozottan fogalmazhatók meg, mivel ma kizárólag ezek biztosítják azokat a módszereket és eszközöket, amelyekkel a még kérdéses összefüggések feltárhatók és megismerhetők. Eszközeink megválasztásán következésképpen nagyon sok múlik, főként az, hogy a későbbi eredmények felhasználhatók lesznek-e és hozzájárulnak-e az ismereteink bővítéséhez, vagy sem. A természetben előforduló jelenségek két nagy csoportját különböztetjük meg: Egyik részük szigorú törvényeket követ, ezek a szükségszerű, más szóval determinisztikus jelenségek, míg a másik részük nem követ semmilyen szabályrendszert, ezek az úgynevezett sztochasztikus, vagy véletlen jelenségek. A valószínűség-számítás teszi számunkra lehetővé azt, hogy a környezetünkben zajló sztochasztikus folyamatok megismerhetők legyenek és az eredményük, kimenetük valamilyen objektív mértékszámmal; valószínűséggel, megadható legyen. Figyelembe véve azt, hogy a szükségszerű jelenségek eredménye mást jelent, mint a véletlenszerű események eredménye, az utóbbiak kiértékelése során akkor járunk el helyesen, ha sem többre, sem kevesebbre nem következtetünk, mint amit azok kifejeznek. A valószínűség-számításra alapozott predikciós elméletek mára kiforrottnak és letisztultnak látszanak. Elméleti alapjainak megszilárdításához sokan hozzájárultak. Csak néhány nevet említve; C. Dellacherie, C. S Chou, F.B. Knight; térszemléletű leírásával, Chapman Kolmogorov; a feltételes valószínűség bevezetésével, Doob; a dekompoziciós eljárásával, R. K Getoor; az adaptív függvényelméletével, Lévy, Markov; az axiomáikkal, stb. [133] Az axiómarendszereiket felhasználva, ezekre az elméletekre alapozottan az időfüggő események jól modellezhetők. A számítástechnika rohamos fejlődésével és eszköztárának bővülésével, a véges-elem számítási módszereket használó számítógépes programok megjelenése figyelemreméltó előrelépést jelentett a számítógépes modellezés és szimuláció terén. Az olyan nemlineáris rendszerek 56

56 komplex folyamatainak a modellezése, mint amilyenek a fluidumok 5 állapotváltozásai, különféle célszoftverekkel rövid idő alatt elvégezhetők, az eredmények szemléletesek és meggyőzőek. Szimulációs programjaink sajnos ma még nem képesek eseményfüggő valószínűségi változók kezelésére és a részesemények bekövetkezésének egzakt meghatározására prediktív módszerekkel. A programok által megjelenített eredmények behatárolt hely-, és időfüggő részfolyamatok eredményei, amelyek többnyire a minket érdeklő kiragadott események bekövetkezésének valószínűségét tükrözik és nem minden esetben a tényleges, valós folyamatot. 53 [134][135] A Föld légkörében zajló események egyfelől véletlenszerűek, más szóval; sztochasztikus jellegűek, aminek következtében lefolyásuk iránya és részeseményeik bekövetkezésének ideje és helye csak részben, vagy egyáltalán nem meghatározható, ezért ezeket az események általában a véletlen tömegjelenségek közé soroljuk. Másfelől ugyanezeknek a jelenségeknek egy része determinálható, azaz bekövetkezésüknek a helye és ideje előre meghatározható. A véletlen tömegjelenségek jellemzője az, hogy természetük miatt, a figyelembe vehető körülmények nem határozzák meg tisztán és világosan az események kimenetét, a vizsgálatukat úgynevezett kauzális és sztochasztikus modellekre alapozottan is el kell elvégezni, míg a tapasztalati jelenségek elemzése során általában a Bernoulli 54, Laplace, vagy Csebisev féle eloszlást szokás figyelembe venni. 55 [136] Minden olyan folyamat kauzalitása megfogalmazható, amely determinisztikusnak tekinthető, hiszen az ok- okozati összefüggések egyszerűen feltárhatók. Az összefüggések feltárásánál azonban figyelembe kell venni a következőket: Az eseményeket befolyásoló tényezők egyik része globálisan fejtik ki hatásukat, például az időjárásfrontok hatására megváltozik a légnyomás, hőmérséklet, stb., míg a másik részük csak lokálisan hat. Ilyenek többek között a mikro-klimatikus tényezők is. A globális és lokális tényezők hatása helytől és időtől 5 Gázok és folyadékok 53 Ennek oka a természetes (instabilis, dinamikus) peremfeltételek szükségszerű használata. Az eredmény függ egyrészt a véges elem képzés választott módszertől (Galjorkin, Ritz, stb.), másrészt a tértől (Hilbert, Szoboljev, stb). 54 Jakobus Bernoulli: Ars conjectandi (A sejtés művészete- 1713) 55 A tapasztalati jelenségeket leíró összefüggések nem szükségszerűen tapasztalati, más szóval; empirikus összefüggések! 57

57 függően különböző lehet. A globális tényezők leginkább a determinisztikus folyamatokkal hozhatók összefüggésbe, míg a lokális tényezők általában a sztochasztikus elemi folyamatokért felelősek. Olyan származtatott mennyiségek, mint a sűrűség, vagy állapotjelzők; hőmérséklet, nyomás, stb., kis térrészben történő megváltozása több olyan tényezőtől is függhetnek, amelyek prediktív módszerekkel meghatározhatók. Példa erre a helyi magas széndioxid 56 koncentráció egy fákkal sűrűn benőtt területen a reggeli órákban, vagy a rossz, szikes talaj miatt elpusztult növényzettel fedett terület, esetleg érett gabonatábla, amelynek nagyobb albedója, reflektanciája miatt talajfelszín közeli légrétegek gyorsabban melegednek fel a nyári napsütésben. [137][138][139] A helyi tényezők hatása, aminek következtében a felhőtakaró vélhetően felszakadozik, és a napsugárzás kifejti a hatását egy adott helyen, csak valószínűsíthető, még akkor is, ha a szélirány ismert, vagy meghatározható. A növényzet elpusztulása, vagy a gabonatábla érése nyomán, annak színének megváltozása nemcsak prognosztizálható, hanem determinálható is, azaz meghatározható. Gázhalmazállapotú közeg esetében nincs más lehetőség, mint a térész átalakítása, a méretének megváltoztatása, linearizálása, és olyan térelemek előállítása, amelyekben végbemenő elemi folyamatok igazolhatóan determinisztikus folyamatok. A független változók száma még így is nagyon nagy lehet, ami miatt a rendszert leíró differenciálegyenletek megoldásai csak közelítő megoldások lehetnek és úgynevezett izoklínákkal adhatók meg. A vizsgálat alá vont térrész méretei-, és méreteinek megváltoztatása hatással van a benne zajló folyamatok kimenetére. A sztochasztikus folyamatokban általában meghatározhatók azok a determinisztikus részfolyamatok, amelyek egyszerűbben kezelhetők. Mondhatjuk azt is, hogy a sztochasztikus folyamatokból kiválaszthatók azok a részfolyamatok, amelyek determinisztikussá tehetők. Tudnunk kell azonban azt, hogy nem minden esemény determinisztikussá tétele vezet eredményre, még akkor sem, ha a globális tényezők hatását részben sikerül figyelembe venni. A Föld légkörében zajló folyamatok helytől és időtől függőek. Helytől való függésük azt jelenti, hogy az eseményekhez mindig hozzárendelhető az a tér, amelyben zajlanak. Rész-folyamatok kiválasztása a térelem méreteinek csökkentésével érhető el, oly 56 Gas sylvestre : A levegőtől különböző gáz (széndioxid) létezését, mint a fermentáció melléktermékét, J.B.Van Helmont ( ), flamand kémikus és filozófus mutatta ki elsőként. 58

58 módon, hogy az abban lejátszódó folyamatok determinisztikusak legyenek. Determinisztikusnak akkor tekinthetünk egy folyamatot, ha azt kellően kis térrészben vizsgáljuk ahhoz, hogy minden kétséget kizáróan ki lehessen jelenteni; a térész jellemzői-, és a benne zajló részfolyamatok iránya ismert, meghatározható és valamilyen mértékszámmal kifejezhető. Az események jellegének meghatározását nehezíti az, hogy az egyes tényezők egymástól függetlenül is kifejthetik hatásukat, miközben együttes hatásuk áttekinthetetlen láncolata azt is eredményezheti, hogy a számunkra fontos részfolyamatok nehezen, vagy egyáltalán nem ismerhetők fel. Amennyiben nem dönthető el, hogy sztochasztikus, vagy determinisztikus eseményről van-e szó, azt általában a kétséges eseménynek körébe soroljuk. Kétséges eseményekről és jelenségekről meg lehet állapítani, hogy azok véletlen jelenségek-e, vagy csak annak látszatát keltik, mintha azok lennének. A kétséges események vizsgálatával több kutató is foglalkozott; Szluckij és Romanovszkij megállapította, hogy sok jelenségnél, amikor látszólagos periodicitás mutatkozik, tulajdonképpen véletlen ingadozásokról van szó, amely a periodicitást imitálja. [136] A meteorológiában a mai olyan korszerű eszközöknek köszönhetően, mint a műholdak, automata mérésadatgyűjtők, stb. nagyon pontos mérések végezhetők. Egy adott régió időjárását meghatározó tényezők közti összefüggések a mérési eredmények alapján többé kevésbé pontosan meghatározhatók és többé- kevésbé megbízható prognózis állítható össze. Mondhatjuk azt is, hogy; voltaképpen nincs véletlen jelenség, mert az ismereteink bővülése egy korábban véletlennek hitt jelenséget szükségszerű, determinisztikus jelenséggé változtatja, vagy fordítva. [140] Fluidumok; gázok és folyadékok esetében a vizsgálat tárgyát képező térrész, vagy térfogatelem méretei csak a makro szerkezet határáig csökkenthető, 57 ellenkező esetben újabb problémákkal szembesülünk: sok olyan jelenség van, amelyet ha néhány feltétellel adunk meg, akkor determinisztikusnak tekinthetjük, de ha a jelenség vizsgálatakor a mikroszerkezetet tekintjük, akkor a jelenség sztochasztikusnak bizonyul. [110][140] Erre a legjobb példa; a fizikából ismert 57 A térfogat elemet természetesen nem szabad olyan kicsire venni, hogy a molekuláris méretekben fellépő ingadozások az állapotjelző fajlagos értékét befolyásolják 59

59 nyomás. A nyomás determinisztikus folyamat eredménye akkor, amikor egységnyi felületre ható erőként értelmezzük, ha viszont a kinetikai gázelmélet alapján a közeg mikro-szerkezetét vizsgáljuk és a nyomást, a molekulák és a térrészt határoló felület közti ütközésként értelmezzük, 58 akkor egy jellemzően sztochasztikus folyamatról beszélünk.[136][110] Ebből az következik, hogy a vizsgálat módszere minden esetben meghatározza annak eszközrendszerét, és fordítva. 3.1 A közeghatár komplex értelmezése és dualitása A Föld légkörének fényterjedésre gyakorolt hatása nagyon sok kutatásnak alapja volt az elmúlt több mint egy évszázadban. Az ezzel kapcsolatos jelenségek egy része a középiskolai tankönyvekből is ismert, gondoljunk itt a fény sebességének megváltozására, vagy a fénytöréssel kapcsolatos Snellius- Descartes törvényre. [141] A fényterjedéssel kapcsolatos jelenségek gyors és demonstratív bemutatásához, rendszerint nagyobb sűrűségű közeget is felhasználunk, mint a gázok. Ilyenek a folyadékok, vagy szilárd halmazállapotú anyagok, például az üveg. Kombinációjukból alkotott optikai rendszerekkel a fény terjedése viszonylag egyszerűen tanulmányozható volt, de a geometriai optikából ismert egyszerűsítéseink mellett, a statikus mérések elvégzésének alapfeltétele az volt, hogy a fény terjedését ne befolyásolja a közeg mozgása, áramlása. Statikus rendszerekben tehát mindig ott volt a vizsgálható és meghatározható stabil közeghatár, amelyen a fény áthaladt. Egyszerűsítéseink révén a közeghatár szélességét zérusnak tekintettük és a közeg összetételétől függetlenül azt vettük alapul, hogy a fény egyenes vonal mentén terjed. Az egyszerűsítés abból az egyszerű igényből fakadt, hogy a jelenségek értelmezését és leírását minél inkább megkönnyítsük. Ha viszont a jelenség mélyrehatóbb vizsgálatára kényszerültünk, nem lehetünk ennyire nagyvonalúak. Ennek oka az volt, hogy a közeghatár környezetében lejátszódó olyan folyamatokat, amelyek a fény terjedését befolyásolták, semmiképpen sem hagyhattunk figyelmen kívül. Ilyen 58 Steinhaus kimutatta, hogy bizonyos modelleknél megadva a molekulák kezdő helyzetét és kezdő sebességét, elegendő idő múlva a molekulák a statisztikus elmélet által meghatározott egyenletes eloszlással bírnak. Ezt az eredményt Egerváry Jenő és Turán Pál általánosította különféle modellekre. 60

60 folyamatok voltak; a folyadékok párolgása; a gőz és gáz fázisú levő anyagok keveredése és inhomogén eloszlása a gravitáció hatására a folyadékfelszín közvetlen közelében, vagy áramló gázhalmazállapotú közeg esetében kialakuló egyenlőtlen sebességeloszlás a határfelület közelében. A víz és levegő esetében a vízgőzzel telített felszíni réteg vastagsága függ a vízgőz parciális nyomásától-, hőmérsékletétől. Az eloszlását nagymértékben befolyásolja; a gáz nyomása, hőmérsékleti gradiense a folyadékrétegek közti nyomás és viszkozitás különbség, stb. Ezek mind- mind olyan tényezők, amelyeket korábban figyelmen kívül hagytunk, annak érdekében, hogy a számításainkhoz szükséges egyenletek minél egyszerűbbek legyenek. Határréteg kialakulását eredményezik a viszkozitást befolyásoló termikus jelenségek, úgymint a termikus konvekció, stb., de hosszasan lehetne sorolni azokat a jelenségeket, amelyek kivétel nélkül mind azt igazolják, hogy szigorúan vett éles közeghatárról még a szilárd halmazállapotú közeg és a folyadék,- vagy gázok találkozásának helyén sem beszélhetünk. Nem beszélhetünk hirtelen átmenetről, csak és kizárólag határrétegről, amelynek a vastagsága mindig különbözik a zérustól. Különböző halmazállapotú (folyadék-gáz, gáz- szilárd és folyadék-szilárd) közegek társításával előállított stabil közeghatár létrehozása nem volt különösebben nehéz. Nem így van ez gáz-gáz halmazállapotú közegek esetében. A gázok nem alaktartó fizikai tulajdonságai miatt, szilárd határoló felületek hiányában, nem alkotnak stabil, statikus rendszert. Belsejükben, ha az elméleti határréteg rövid időre ki is alakul, a gázmolekulák mozgékonysága miatt, alakja megváltozik és fenntartása csaknem lehetetlen. A közeghatár és határfelület stabilizálása, fenntartásának technikai módszerei nagyon különbözőek, de mindegyik megoldásnak megvan a maga hátránya, előnytelen tulajdonsága, ami miatt példa értékű megoldásként nem jöhetett szóba. Fluidumok belsejében sűrűség-, és nyomáskülönbség hatására kialakuló közeghatár, áramlási vonalak mentén figyelhető meg a legegyszerűbben. A jelenség, amelyen néhány mérési eljárás is alapul, sok tekintetben hasonlít a természetben is megfigyelhető, fény refrakciójával összefüggő jelenségekre, például a repülőgép hajtóművéből kiáramló magas hőmérsékletű gáz által eredményezett inhomogenitás, stb. Áramló közegben lokális nyomásváltozással sűrűségváltozás hozható létre, ami lehetővé teszi a határréteg kialakulását és megfigyelését. A határréteg a közeg 61

61 folyamatos kényszeráramoltatásával fenntartható, de ehhez bonyolult mérőberendezésekre van szükség. Ilyen mérőberendezések egyike a holografikus interferométer. [17][14] Ezek költséges és bonyolult berendezések, amelyekkel gázdinamikai kísérletek és mérések végezhetők. Ha a teret kisebb térelemekre bontjuk és feltételezzük azt, hogy a térelemek egymástól el vannak szigetelve, azaz izoláltak, a kisebb térrészekre történő bontás a korábban említett okok miatt csak addig a határig folytatható, ameddig az elemi térrész a számunkra még fontos tulajdonságokkal rendelkezik és a benne zajló folyamatok determinisztikusaknak tekinthetők. A térelem térfogatának felső határa legyen az a véges érték, amelynél a határfelület még értelmezhető és tulajdonságai megadhatók. A közeg inhomogenitása mellett a rendszer nem-linearitásával is számolni kell, ami tovább bonyolítja a számításokat, megnehezítve a feladat megoldását, esetenként még annak megfogalmazását is. Tekintsünk el ettől egyelőre és tekintsük a kölcsönhatásokat megszűntnek, amivel a nemlineáris rendszerekre jellemző időtényezőt viszonylag egyszerűen kiküszöbölhető, 59 és egy olyan stacionárius állapotban levő lineáris rendszerhez jutunk, amely lehet a továbbiakban is inhomogén. [143] Ez utóbbi tulajdonságára szükségünk is van, hiszen erre alapozottan lehet vizsgálni a fény terjedését a gyakorlatban is. A térelemeket határoló szabályos határfelületeken belül értelmezni kell a közeghatárt, amely két eltérő tulajdonságú közeget választ el egymástól. Geometriai modellel a képzeletbeli határfelület akkor adható meg a legegyszerűbben, ha az egymástól eltérő közegek határán nincs semmilyen folyamatos átmenet, úgynevezett határréteg. Átmenet nélküli határréteg gázhalmazállapotú közeg esetében nemcsak, hogy nehezen képzelhető el, de még ennél is nehezebben állítható elő, mivel a gázokat alkotó molekulák 60 nem helyhez kötöttek. A gázhalmazállapotú közeg matematikai modelljét a továbbiakban csak statikus rendszerekre értelmezem. Ha a véges térelemben két eltérő törésmutatójú közeg határfelületét kell ábrázolni, akkor azt az 9. ábrán látható alaktalan felületként kell elképzelni. A felület alakját kizárólag az atomok, molekulák egymás közti kölcsönhatása, dinamikai 59 Optikai rendszerekben a nemlinearitás csökkentésével az intermodulációs torzítások (IMD) megszüntethetők. 60 A gázok 3 1cm -ében, 1 atm nyomáson, 0 o C hőmérsékleten , azaz 7 trillió molekula van. 6

62 tulajdonságai, a gázösszetevők eloszlása, vagy külső hatások határozzák meg. A határfelület képi megjelenítésének és ábrázolásának ez a formája vélhetően minden más szabályos felületű alakzatnál jobban követi a valós gázok szerkezetét és belső állapotváltozásait, de mivel ilyen felület csak többváltozós függvényekkel írható le, alkalmazása inkább bonyolítja a számításinkat, mintsem egyszerűsíti. Figyelembe véve azt, hogy nem a rendszer egészére, hanem csak annak egy részére vonatkozóan kell következtetéseket megfogalmazni, elegendő egy elemi fénysugár 61 áthaladását vizsgálni a véges térrészen belül. 9. ábra Közeghatár hálómodellje (A szerző rajza) Amennyiben a felület alakja ismert, akkor már néhány matematikai eszköz is rendelkezésünkre áll ahhoz, hogy a fény terjedését vizsgáljuk. A felület alakjának meghatározására több módszer is létezik: Érintősíkok helyzetének, ill. az érintkezési pont környezetében a metszésvonalak létezése, vagy azok hiányának a vizsgálata; Felületre, vagy felületelemre rajzolt háromszög szögeinek az összege (negatív, vagy pozitív a felület), stb. [144] Legyen az elemi fénysugár (9. ábra), amely az n 0 törésmutatójú közegből az n 1 törésmutatójú közegbe a D döféspontban lép át. Az n normálvektor P-vel jelölt 61 A fizikailag értelmezhetetlen elemi fénysugár, egy matematikai absztrakció, aminek alkalmazásának vannak igazolható korlátai. 63

63 talppontja essen képzeletben egybe a D ponttal, és a piros színű hálóval jelölt közeghatár teljes felülete legyen A H : A = n H A i i= 1, ahol; A i. a felület egy elemi kis darabja. Amennyiben a közeg homogén, elméleti közeghatárról és belépési szögről elvileg nem is beszélhetünk. A Föld légköre azonban nem izotróp és még kevésbé nem homogén közeg, ezért a határfelületet tekintsük értelmezhetőnek. Az állapotváltozásokat leíró állapotjelzők; nyomás, hőmérséklet megváltozása, energiatranszfer útján más származtatott mennyiségek megváltozását vonja maga után. Ilyen a sűrűség, fajtérfogat, stb. Ezek együttesen, de külön- külön is, hatással vannak a közeg optikai tulajdonságaira és törésmutatójára. A törésmutató megváltozása bonyolult kölcsönhatások eredményeképpen, a fény sebességének a megváltozását eredményezi, és fordítva, a fény hullámhossza is hatással van a közeg törésmutatójára, mint ahogy erről korábban is volt szó. [145] A kölcsönhatások bonyolult rendszerében, a térelembe foglalt közeg fényterjedésre-, és a fényterjedés közegjellemzőkre gyakorolt kölcsönös hatása miatt akkor járunk el helyesen, ha az inhomogén gázhalmazállapotú közegben a közeghatárt hullámtani megfogalmazásban és a közeg anyagi szerkezetére alapozottan is vizsgáljuk. A fényterjedés kettőssége, avagy dualitása alatt a továbbiakban nem a fény részecske és hullámtermészetét-, hanem a fényhullám és a közeget felépítő molekulák kölcsönhatásának kétféle értelmezését és vizsgálatának eltérő módszereit-, eszközeit értem. A matematikai modell előállítható a fény, mint elektromágneses hullám, Maxwell egyenleteire-, és a közeg anyagi szerkezetére alapozottan is A közeghatár értelmezése hullámegyenletekre alapozottan Az optika nem vizsgálja a rádióhullámok terjedését leíró egyenletek érvényességét, és csak egészen speciális esetekben foglalkozik ezzel, holott a szakirodalmi források a fényhullámokat és a rádióhullámokat csak a frekvenciatartományuk alapján különbözteti meg. A hullámterjedéssel összefüggő érvényességi korlátok azt jelentik, hogy az optikai jelenségek leírásához és megfogalmazásához az elektromágneses hullámegyenletek minden további nélkül felhasználhatók. A fényáramot alkotó fotonok úgynevezett hullámkvantumokként terjednek a térben, a folyamatos 64

64 energiaáramlást hullámegyenletek írják le. A tér jellemzői és az elektromágneses hullám közti kapcsolatot a dielektromos eltolás fejezi ki: D = ε E, ahol; D a dielektromos eltolás vektora, E az elektromágneses hullám elektromos terének vektora, ε pedig a közeg, a tér dielektromos állandója, más szóval; permitivitása. Legyen a ρ = ρ( x, y,z ) egy vektorfüggvény, amely előállítható a D (eltolás) vektor divergenciájaként; divd = ρ, (16) Ez tulajdonképpen az elektromágneses hullámok térbeli terjedését leíró első Maxwell egyenlet.[101] Általánosítva írhatjuk azt, hogy a D vektor potenciál terében, az u (x,y,z) potenciálfüggvény kielégíti a; u u u u + + = ρ( x,y,z ), (17) x y z úgynevezett Poisson egyenletet, ahol; u=u(x,y,z) egy folytonos és differenciálható függvény, amelynek léteznek parciális deriváltjai. [146] Az 9. ábrán, a vektortérben értelmezett gradiens, a felület normálvektorának (n) az irányát adja meg, ahol; a grad u a u=u (x, y, z) skalár függvény gradiense; u u u gradu = u = i + j + k u = i + j + k, (18) x y z x y k A zárójelben levő kifejezés, a -val jelölt Hamilton (Nabla) operátor. 6 Amennyiben a grad u megadja a közeghatárként értelmezhető felületi normális mindenkori irányát, akkor az elektromágneses hullám egyenleteiből kiindulva, a felületi normális iránya alapján értelmezhetővé válik a felületi normálisa is. Ha ismert a felületi normális térbeli helyzete, akkor a P pontban felvett felületi elem is leírható a vektoranalízis eszközeivel és a felületelemekből pedig végső soron felépíthető maga a felület is. 6 A Hamilton operátornak van egy nagyon fontos tulajdonsága; rendelkezik differenciál és vektor tulajdonságokkal is, aminek köszönhetően a vektortér differenciál leírható. Az operátor nem vektor! 65

65 3.1. A közeghatár értelmezése a közeg anyagi szerkezetére alapozottan Minden valóságos és kiterjedéssel rendelkező gáz egymással kölcsönhatásban álló molekulákból épül fel. A molekuláknak van saját térfogatuk, amellyel csökkentik a mozgásukhoz szükséges teret, mindemellett köztük, úgynevezett kohéziós erők is hatnak. A hő-, és áramlástanból ismert egyszerűsítéseink eredményeképpen, a kohéziós erőket minden olyan esetben figyelmen kívül hagytuk, amikor az lehetséges volt csakúgy, mint több más tényezőt is, amelyek az ideális gázokat a valóságos gázoktól megkülönböztették. Az ideális és valós gázok közti különbséget az a és b, úgynevezett korrekciós tényezőkkel, más szóval; van der Waals állandókkal lehet figyelembe venni. 63 A a a közeg minőségétől függő állandó, míg b a molekulák saját térfogata miatt figyelembe vett állandó. [110] A gázokra ható nyomás növekedésével, a gáz fajtérfogata változik, ami a molekulák közti távolság csökkenéséhez-, és a kohéziós erők növekedéséhez vezet. Az egyenletes eloszlásra törekvő gázrészecskék közt ható erők a gáz belsejében kiegyenlítik egymást, a felszínen 64 levők esetében ezek az erők csak egy oldalon hatnak. A kiegyenlítetlen erők a felszínen levő molekulákat a gáz belseje felé vonzzák, csökkentve a felszíni nyomás értékét. A gáz belsejében és a felszínen mérhető nyomás közti különbséget az a v arányossági tényezővel lehetett figyelembe venni, az egyenletek érvényességének meghatározott határain belül. 65 [110] A belső erők hatásából következően a kohéziós erők nem csak a felszíni rétegekben hoznak létre kisebb nyomást, más szóval felületi feszültséget és tényleges felületet, hanem a térfogaton belül is, amennyiben valamilyen belső lokális nyomásváltozás, dinamikai hatás, sugárzás, stb. hatására a molekulák egy része közelebb kerül egymáshoz. A határréteg kialakulásában és fenntartásában 63 Nagy fajtérfogatok esetén, amikor v>>b és v >>a az állapotegyenlet átmegy az ideális gázok állapotegyenletébe. 64 A korábbi feltételezésre alapozottan, a felszín létezik. 65 A technikai gyakorlat szempontjából rendkívül fontos vízgőz viselkedését a van der Waals egyenletek nem írják le kellő pontossággal, ezért bevezetésre kerültek a Callendar és Mollier féle állapotegyenletek, amelyekben az állandókat függvények helyettesítik. 66

66 következésképpen a kohéziós erőnek nagyon fontos szerepe van. Amennyiben a vizsgált térrész térfogatát-, és a benne található gázmolekulák számát állandónak tekintjük, a molekulák egy részének közeledése, másoktól való eltávolodással jár együtt, figyelembe véve azt, hogy a gáz a rendelkezésére álló teret kitölti. Következésképpen a kohéziós erők a molekulák egy részénél növekszik, a másik részüknél pedig csökken. A külső hatás hirtelen megszűnésével a molekulák térfogaton belüli egyenlőtlen eloszlása nem vezet azonnali visszarendeződéshez, mivel a kohéziós erők éppen ez ellen hatnak, ami egy lokális sűrűségváltozást eredményez a gáz belsejében. Mivel nem izolált molekulacsoportokról és csak azok közt ható erőkről van szó, hanem külső erőkről és hatásokról is, amelyek ezzel ellentétesen hatnak, éles átmenetről, kontrasztos határfelületről semmiképpen sem beszélhetünk, csak és kizárólag folyamatos átmenettel jellemezhető úgynevezett határrétegről. A határréteg vastagságát az előbb említett a és b együtthatók nagymértékben befolyásolják. Az együtthatók anyagi jellemzők, amiből az következik, hogy a határréteg vastagsága függ a gáz anyagi minőségétől. Az anyagi jellemzőkkel összefüggő Van der Waals állandóknak jelentős szerepük van a közeghatár kialakulásában és fennmaradásában. Nyomásváltozás hatására bekövetkező sűrűségváltozás lehetővé teszi azt, hogy a fény refrakcióját vizsgálni lehessen a gázok esetében, azok belsejében is. Mivel a belső zavart eredményező külső hatás megszűnését követően, a belső kohéziós erők egy idő után kiegyenlítődnek és az inhomogenitás magától megszűnik, fenntartása csak különleges mérőberendezésekben, gázdinamikai vizsgálatok során lehetséges. A belső zavart nem csak mechanikai hullám, hanem termikus expanzió is kiválthatja, mint ahogy az a.3 alfejezetben volt szó róla. 3. A fényterjedést befolyásoló másodlagos tényezők- rendellenes hullám A fény és rádióhullámok esetében egyaránt ismertek azok a légköri képződmények, amelyeknek jelentős szerepük van a rádióhullámok továbbításában, vagy éppen terjedésük megakadályozásában. 66 Az elektromágneses hullám 66 A szuperrefrakció, vagy alagúthatás ( Duct ) az optikából ismert teljes visszaverődésnek rádióhullámokra vonatkoztatott megfelelője. Ha a rádióhullámok elhajlásának görbülete; 67

67 frekvenciájának a növekedésével, a rádióhullámok terjedésének iránya a légkörben megváltozik. [101][147] A fényhullám ionizáló hatása régóta ismert és egyszerű kimutatható, és a természetben is megfigyelhetők azok a jelenségek, amelyek ezzel a jelenséggel összefüggésbe hozhatók. 67 Szabad elektronok nem csak ionizált légrétegekben fordulnak elő, hanem bárhol. 68 Az elektromágneses hullámok és az ionizált részecskék kölcsönhatásait régóta vizsgálják a kutatók. A kölcsönhatás eredményeképpen; A Föld mágneses terének hatására, a beeső hullám egy rendes és egy rendellenes sugárra bomlik. A rendellenes sugár polarizációja merőleges az eredetire. Ennek oka az, hogy az elektronok a mágneses tér jelenléte miatt, nem a hullám elektromos terének irányába, hanem ahhoz képest valamilyen szögben terjednek 69 [101] Az ionizált részecskék és az általuk létrehozott ionizált rétegek következésképpen befolyásolják az elektromágneses hullámok és a fény terjedését. Az ionizált rétegben előforduló részecskék száma alapvetően meghatározza a réteg optikai tulajdonságait, de ne feledjük, hogy ionizált részecskék, esetenként nagyon nagy számban, alacsonyabb légrétegekben is előfordulnak. Ilyen részecskéket természetes források; villámlás és a mesterséges források is létrehozhatnak. Utóbbira példa a katódsugárcsöves képmegjelenítő, mikrohullámú sütő, fénymásoló, radioaktív anyagot tartalmazó, vagy felhasználó gépi berendezések és több más ionizáló sugárforrás. A fényhullám frekvenciájától és energiájától függően ionizált részecskéket a lézerforrások is létrehoznak. Az elsődlegesnek tekintett légköri hatások valamivel részletesebb ismertetésénél, a gravitációs tér fényterjedésre gyakorolt hatását is meg kell említeni. A fény terjedését vizsgálva a Föld légkörében, óhatatlanul felmerül a kérdés: Elképzelhető-e valamilyen kölcsönhatás a Föld gravitációs tere és az elektromágneses hullámok között? A gravitációnak a fényhullámra gyakorolt d 7 K = Θ 1,5 10 rad / m, akkor a sugár körülhajlik a földön, az alagútban való terjedésnek ds 6 köszönhetően. A Föld sugara; 6,4 10 m. A könyv szerzője nem említi, hogy a számítások az 50km feletti melyik ionizált légrétegekre vonatkoznak (D réteg; km, E réteg: km) 67 Sarki fény. 68 Heaviside és Kennelly a múlt század elején igazolták, hogy a napsugárzás a felső légrétegeket ionizálja. 69 A szerző nem említ olyan kitételt, ami a fényhullámra való alkalmazását korlátozná. 68

68 közvetlen hatása nem ismert, de nem is értelmezhető a klasszikus Newtoni fizika segítségével, ha a fényt olyan foton-áramnak tekintjük, amelyben ezeknek a részecskéknek, nincs tömegük. Ha a fotonnak nincs tömege, akkor a Föld gravitációs tere a fényhullámra közvetlenül nem hathat ellenben, a gravitációnak a törésmutatóra gyakorolt hatásával mégiscsak foglalkozni kell, hiszen a közvetett hatásról mégiscsak beszélhetünk. A Föld légkörének inhomogenitásáért a gravitáció által előidézett, magasságtól függő légköri nyomás változása a felelős. A Föld légkörét alkotó gázmolekuláknak van tömegük (1 sz. melléklet, 3. táblázat), aminek következtében, azokra olyan súlyerő hat, amelynek a vektora a Föld középpontjának irányába mutat. A súlyerővel szemben, a kohéziós erőket kiegyenlítő, gázmolekulák közti taszítóerő tart egyensúlyt. A gáz-halmazállapotú közeg belső statikus egyensúlyát a következő egyenlet írja le: K -grad p=0, (19) ahol ; K - a térfogategységre vonatkoztatott tömegerő; p - légköri nyomás. [111] A légköri nyomást az úgynevezett barometrikus formula adja meg: ρ 0 gz p0 p = p0 e, (0) ahol; p, p 0 - meghatározott magassághoz tartozó nyomás; ρ 0 g - a po nyomáshoz tartozó légköri sűrűség; - gravitációs gyorsulás; z - magasság. [111] Figyelembe véve azt, hogy barometrikus képlet levezetésénél a Boyle- Mariotte törvény volt felhasználva, a fenti összefüggés csak állandó hőmérséklet esetén érvényes. A Föld légkörének szerkezetéhez egy hőmérsékleti profil is tartozik, amely a hőmérséklet megváltozását adja meg a magasság függvényében. A hőmérséklet, nyomás és gázsűrűség változás a magasság függvényében a 3 sz. melléklet 1. ábráján látható. Zavartalan légkörben, az egyenlő magasságban levő molekulákra elvileg ugyanakkora súlyerő hat, ezért alakult ki az a kép, hogy a Földet héjszerű burkok övezik, amelyeket szféra toldalékszóval kiegészített jelzőkkel illetnek. Nemcsak a 69

69 szilárd kéreggel határolt Föld, hanem az azt övező légkör is megadható fizikai és geometriai modellel egyaránt. Ennek, a következő alfejezetben ismertetett modellel való azonossága úgy vélem nem véletlenszerű. 3.3 A gázhalmazállapotú közeg matematikai modellje A modellnek és modellalkotásnak kiemelkedő szerepe van az elméleti ismeretek gyakorlatba való átültetésében és megalapozásában. A gázhalmazállapotú közeg matematikai modelljének lényege a fény és anyagi közeg kölcsönhatásainak a feltárása oly módon, hogy abból a fény térelemen belüli terjedésére vonatkozó általános következtetéseket lehessen levonni. A fény refrakciója a Huygens- Fresnel 70 elvvel magyarázható. [144] Ez az elv, a Fermat elvvel összhangban azt mondja ki, hogy a fénysugár mindig olyan pályán halad, hogy két pont közti távolságot minél rövidebb idő alatt fusson be. Az alábbi egyenletek a Snellius-Descartes törvények általánosításai: n n n Θ 1 sin 1 = n sin Θ = sin n3 sin sinθ Θ Θ 4 = n sin Θ r 1 r 1 r r (1) Általánosabb formában ugyanez a következőképpen írható: n ( y ) sinθ = állandó [100] () Megfigyelhető az, hogy az általánosítás eredményeképpen felírt egyenletek, valamint a fény terjedését bemutató képi ábrázolás (10. ábra) nem tud elszakadni a közeg rétegzett megjelenítésétől és a terjedési út - geometriai optikából ismert törtvonalas ábrázolásától, annak ellenére, hogy a tudomány a Cassini modell létezését régóta cáfolja. A rétegzett szerkezet lehetőséget ad arra, hogy a fény terjedését a geometriai optikában megszokott módon, egyszerű egyenletekkel vizsgáljuk, de ennek a kényelemnek ára van. Minél durvább a figyelembe vehető rétegvonalas szerkezet egy egyenletes eloszlású inhomogén közegen belül, annál nagyobb lesz a számításunk százalékos hibája. Fluidumok esetében ez az ábrázolási 70 Augustin Fresnel ( ), Christian Huygens ( ), Huygens holland fizikus volt, aki Newton elméletét megcáfolva, máig helytálló és elfogadható magyarázatot adott az eltérő törésmutatójú közegek határán bekövetkező fénytörésre. 70

70 forma elsőre talán azért tűnik elfogadhatatlannak, mert az anyagi szerkezet alkotóelemeinek; atomok és molekulák mobilitása nagyon nagy, ami a közeghatár kialakulását látszólag gátolja és még kivételes esetben sem fordulhat elő hirtelen átmenet két egymástól eltérő tulajdonságú gázhalmazállapotú közeg határán. Márpedig láttuk azt, hogy a fény refrakciója gázok esetében is megfigyelhető, ami a matematikai modell megalkotásának szükségességét is alátámasztja. Θ 1 Θ Θ δ Θ 3 Θ 3 Θ 4 Θ ábra Közegmodell rétegzett vonalas ábrája (A szerző rajza) Legyen a vizsgált térfogat egységnyi, amelyben a rétegvastagság ( 0 < δ 1) tartományon belül vesz fel értékeket. (10. ábra) Ekkor k δ = 1, ahol; k a térfogaton belüli rétegeknek a száma. [148] A rétegzett szerkezetet a következők szerint finomítható: A rendszer inhomogenitásának feltétele; n1 n n3... nk. 1 Növeljük, minden határon túl a (k) rétegek számát. Ekkor a δ = lim, (k δ=állandó) k k határértéknek megfelelően a δ rétegvastagság tart a nullához. A δ=0 esetén viszont nem beszélhetünk sem határrétegről, sem pedig rétegen belüli fényterjedésről. Ha nem beszélhetünk rétegen belüli fényterjedésről, akkor a geometriai optikából megismert egyszerűsítéseink sem vezetnek eredményre, hiszen a Θ közegen belüli szöget a továbbiakban nem tudjuk értelmezni. Ha a rétegvastagságok zérusak azaz, amennyiben azokat megszűntnek tekintjük, a vizsgálat tárgyát képező közeg sem létezik, amelyen a fénysugár áthaladhat, ami viszont ellentmondáshoz vezet. A Θ 1 = Θk + 1 feltétel kielégíti az egyenleteket, de az előbbi feltételezés alapján az; 71

71 n 1 = 1, azaz n1 = n = n, csak nem létező közeghatárra igaz. Ragaszkodva az n említett, minden határon túli finomításhoz, két elvi akadállyal szembesülünk; Fermat elv, 1. a vizsgálat tárgyát képező közeg megszűnik létezni;. közeghatár nélkül, a fény refrakcióját leíró Snellius- Descartes törvények, érvényüket vesztik a gázhalmazállapotú közegek esetében. A rendszer fizikai modellje akkor áll legközelebb a valós inhomogén modellhez, ha a finomítás során teljesül a következő feltétel; 1 δ = lim, amennyiben δ 0, de k k k < δ 0. Ekkor viszont Θ 0 csak akkor igaz, ha Θ1 Θ. A rétegvastagság csökkentése tehát, ahhoz a különleges esethez vezet, ami a Snellius- Descartes törvényben is megfogalmazódik: Amennyiben a fénysugár merőlegesen érkezik a felületre, akkor a közeg törésmutatójától függetlenül mindig merőlegesen lép ki onnan, azaz teljesül a; Θ1 = 0 Θ Θ = 0 feltétel. A Θ 1 = Θ feltételt eddig csak homogén és a közeghatárra merőlegesen érkező fénysugárra volt értelmezve. A Θ szög figyelmen kívül hagyásával a valós, fizikai közeghez közelebb álló, vagy azzal megegyező inhomogén rendszer modelljét kaptuk. Az inhomogén közeg rétegzett modelljében, amelynek a rétegvastagsága a nullához tart, a fentiek egy olyan absztrakciót jelentenek, amely szerint a képzeletbeli közeghatár mindig olyan helyzetet vesz fel, hogy a beeső fénysugár, függetlenül attól, hogy milyen szögben érkezik, mindig merőlegesen haladjon át rajta. Ez mindaddig ellentmondás gondolatát veti fel, ameddig az inhomogén közeg izotróp, vagy anizotróp 71 tulajdonságát figyelmen kívül hagyjuk. Az izotróp és inhomogén tulajdonságok együttes megléte csak akkor képzelhető el, ha vagy a teret ábrázoljuk ortogonális görbült koordinátákkal, vagy az Euklideszi térben elhelyezett közeg matematikai modellje görbült felületekkel határolt. Görbült koordináták bevezetésének ezúttal nincs értelme, hiszen kis térelemben, egyszerű térbeli alakzattal a modell megadható. 71 Izotróp közeg: A tér minden irányába ugyanolyan (fizikai) tulajdonságokkal rendelkezik. 7

72 Gázhalmazállapotú inhomogén, izotróp közeg matematikai modellje következésképpen egy olyan alakzattal közelíthető, amelyben a fényterjedés irányvektora a képzeletbeli felületekre mindig merőleges marad. Az említett feltételeket csak egy térbeli alakzat teljesíti; ez a gömb. (11. ábra) Az ábrán látható alakzat felületén a fénysugár akkor halad át merőlegesen, a felületi normális irányába, ha a képzeletbeli forrás a gömb középpontjában helyezkedik el. Az egyszerűbb szemléltetés és szimmetria megkívánja azt, hogy a koordinátarendszer origója a gömb középpontjával egybeessen. z n 1 n n 3 elem i fénysugár grad u u=áll. y forrás 11. ábra Gömbfelületekkel határolt inhomogén, izotróp közeg modellje (A szerző rajza) x Az ábrán a közeget szimbolizáló koncentrikus gömbfelületek mindegyike más és más törésmutatójú közegnek felel meg; n 1 =n ± dn, n = n 3 ± dn, n k = n k +1 ± dn. (3) Amennyiben dn=állandó akkor közeget inhomogének és lineárisnak-, ha pedig dn=f(x,y,z,t) akkor inhomogénnek és nemlineárisnak tekintjük. A határfelületek egy olyan környezetét kiválasztva, amelynek egyik és másik oldalán a fényterjedést befolyásoló tényezők hatása még érvényesül és kifejezhető az állapotjelzők-, vagy a törésmutató megváltozásával, lehetővé válik a térelemen belül a fénysugár terjedésének vizsgálata differenciálgeometriai. A 73

73 térgeometriai modellből a következők szerint állítható elő a szükséges síkgeometriai alakzat: A fény terjedését elegendő a térrész egy elemi térfogatában vizsgálni ahhoz, hogy későbbiekben a matematikai modell alapján következtetéseket lehessen levonni. A kis térrészben történő vizsgálat lehetővé teszi azt, hogy a közeg izotróp tulajdonságait figyelmen kívül hagyjuk, és anizotrópnak tekintsük. Az anizotróp, inhomogén közeg modellje a 11. ábrán látható. Ha a fénysugár fizikai méreteit figyelmen kívül hagyjuk, és elemi fénysugárnak tekintjük azt, akkor a környezetét a továbbiakban szükségtelen vizsgálni. Ebből következik az, hogy közeghatár alakja a továbbiakban nem meghatározó és síkfelületnek is tekinthető. A síkfelületekből felépített anizotróp inhomogén közeg modellje a 1. ábrán látható. A továbbiakban az x, y és z tengelyekkel jelölt koordináta rendszerben a k, l és m koordinátatengelyekkel jelölt ortogonális térben vizsgálom a fény terjedését. A tengelyek egymáshoz viszonyított helyzete és elforgatásának mértéke éppen csak annyi, hogy két, eltérő törésmutatójú közeg határára a fénysugár merőlegesen érkezzen. 1. ábra Egyszerűsített rétegzett síkmodell (A szerző rajza) Ha a fényterjedés síkvetületét vesszük alapul, a k, l, m tengelyekkel jelölt ortogonális térben és a térrészt az m tengely irányából vizsgáljuk, a feladat egy egyszerű síkgeometriai feladattá egyszerűsíthető. Térelemen belüli folyamatok egy, 74

74 vagy több érintősík térbeli helyzetével megadhatók, következésképpen a fény térelemen belüli terjedése és az állapotváltozások közti összefüggések differenciálgeometriai leírhatók. A törésmutató k tengely menti megváltozása a törésmutató gradiensével adható meg: dn gradn =, (4) dk ahol, a változás kifejezhető a tér dielektromos tényezőjének a relatív megváltozásával, a következők szerint: dn dk figyelembe véve azt, hogy; ε n. [101] dn dε =, (5) n dk ε dk 1 Két eltérő homogenitású közeg határfelületén áthaladó fénysugár refrakciójának vizsgálatánál az említett modellt kétdimenziós alakzattá lehet egyszerűsíteni, amint az a 13. ábrán látható. A síkmértani modell ábráján feltüntettem a képzeletbeli határfelület két tengely menti síkmetszetét és a belépő fénysugarakat két különböző esetben. 1 dγ dγ α 13. ábra Fényterjedés a határrétegben (A szerző rajza) A kétdimenziós modell felhasználásával igazolható a korábbi feltételezés, miszerint a közeghatárról kilépő elemi fénysugár irányváltozása független a belépés szögétől. (α) 75

75 3.4 Következtetések Megvizsgáltam azokat a matematikai módszereket, amelyek felhasználhatók az időfüggő; determinisztikus és sztochasztikus folyamatok esetében és valószínűségi elméletekre alapozottan ismertettem a statisztikai eszközök szerepét a véletlen tömegjelenségek leírásában. Elemeztem a felület és határréteg fogalmát. Rámutattam arra, hogy a felület alakja meghatározható a fény, mint elektromágneses hullám hullámegyenleteiből kiindulva, de értelmezhető a közeg anyagi szerkezetére alapozottan is. Megvizsgáltam a közeghatár értelmezését és feltártam azokat a tulajdonságait, amelyek lehetővé teszik azt, hogy fluidumok belsejében az inhomogenitások és összetételbeli különbségek eredményeképpen kialakuló közeghatárt meg lehessen különböztetni a különböző halmazállapotú közegek érintkezésének helyén értelmezett közeghatártól, és javasoltam a véges térelemet kitöltő inhomogén, izotróp gázhalmazállapotú közeg modellezésére a koncentrikus gömbfelületekből felépülő geometriai modell alkalmazását. Igazoltam, hogy a felületi érintő irányában kiterjedéssel nem rendelkező elemi fénysugár esetében nincs értelme határfelületről-, a határfelület normálisáról és a belépés szögéről beszélni, és cáfoltam az anyagi világ mikro-szerkezetének kölcsönhatásaira alapozottan, a hirtelen átmenettel jellemezhető közeghatár létezését. 76

76 4. FEJEZET A FÉNY LÉGKÖRI REFRAKCIÓJÁNAK VIZSGÁLATA MATEMATIKAI ESZKÖZÖKKEL Az előző fejezetben ismertetett egyszerűsített közegmodell lehetővé teszi, hogy az eltérő törésmutatójú közegek határán áthaladó elemi fénysugár refrakciója vizsgálhatóvá váljon. A továbbiakban ismertetem a fényterjedés irányváltozásának levezetését differenciálgeometriai eszközök felhasználásával. Legyen az n = f ( p,v,t, ρ ) explicit formában megadott függvény, amely a közeg törésmutatója és állapotjelzői közti függvénykapcsolatot fejezi ki. Ez a Biot Arago Lorenz féle törvény: n 1 = n1 1 ahol; n 1, n - a fluidum törésmutatója; p 1, p - nyomása; T 1, T - hőmérséklete; ρ 1, ρ - sűrűsége. p T 1 = p1 T ρ ρ 1, [14] (6) A Föld légkörének magasság szerinti hőmérséklet, nyomás és sűrűség eloszlásának egyik-másik szakasza jól követi ezt a törvényt (3 sz. melléklet, 1. ábra), aminek következtében a magasság növekedésével a törésmutató arányosan változik. A (41) átrendezésével kaptam: ahol; ρ 1 - a normál állapotú gáz sűrűsége. ρ n 1 = ( n1 1), [14] (7) ρ1 A normál állapotú levegő jellemzőiről korábban a.3.1 alfejezetben volt szó. 6 Levegőre, λ 560nm (zöld fény esetében): n1 1 = ρ n = 1 + 0, 00094, [14] (8) ρ1 A törésmutató és a térfogat kapcsolatát a következő függvény írja le; Vv ρ n = = 1 + 0, [14] (9) V ρ1 77

77 A továbbiakban legyen a 14. ábrán látható elemi fénysugár, amely a koordinátarendszer IV. tér-negyedéből érkezik az origóba, az n 1 és n törésmutatójú, tökéletes homogén, lineáris és izotróp közegek határára. A geometriai optika Snellius-Descartes törvényét felhasználva, ami az elektromágneses hullám terjedését írja le két homogén, lineáris és izotróp közeg határán; ahol; α és β A (30) átrendezésével; n sinα =, [105] (30) n sinβ 1 - a belépő és kilépő sugár a határfelület normálisával bezárt szöge. n sinα = sinβ. (31) n A két képzeletbeli közeg határán, az onnan kilépő hullám terjedésének irányváltozását dγ -val jelölve, a 14. ábra alapján; 1 β = α + dγ, (3) 14. ábra Elemi fénysugár refrakciója két eltérő törésmutatójú közeg határán (a szerző rajza) α + dγ, trigonometriai azonosság felhasználásával, A sin( ) = sinα cosdγ + sindγ cosα figyelembe véve azt, hogy; cosdγ = 1 és sindγ = dγ, sinβ -ra a következő kifejezést kaptam; [149] sinβ = sinα + dγ cosα. (33) A (33)-at, (31)-ba helyettesítve, kaptam; 78

78 A (34)-ből kifejeztem n sinα = (sinα + dγ cosα ) (34) n dγ cosα -t; 1 n sinα sinα n 1 n1 n dγ cosα = = sinα n n, (35) n 1 A (35)-ből dγ -t kifejezve és további trigonometriai azonosságok felhasználásával; n1 n dγ = tgα n, (36) A törésmutató megváltozásának parciális differenciálegyenlete a 14. ábra jelöléseivel: n n = dl. (37) l n1 A (37)- et (36)- be helyettesítve, az elemi fénysugár irányszögének megváltozása az l el jelölt tengely mentén; n 1 dγ = tgα dl, (38) l n A törésmutató megváltozása a k tengely mentén, a láncszabály alkalmazásával; n n l =, [150] (39) k l k A 14. ábrán az elemi ívhosszak megváltozását felírva a két tengely mentén és a szinusz és koszinusz szögfüggvények segítségével kifejezve; Az így kapott két összefüggést egymással elosztva; dk = ds sinα, (40) dl = ds cosα, [151] (41) dk tg α =, (4) dl Az (4)-es függvény folytonos és differenciálható. Ha egy pont elég kicsiny környezetében vizsgáljuk, akkor a függvény megváltozása jó közelítéssel helyettesíthető a megváltozás differenciáljával: felhasználásával a törésmutató megváltozása a k tengely mentén; dk dl 1 = tgα = Ennek cos α 79

79 n n = cos α, k l (43) n n 1 =, l k cos α (44) Az (44)- et, (38)- ba helyettesítésével, az elemi fénysugár terjedésének irányváltozása a k tengely mentén; Mivel cos (1 ) cos 3 1 (0,5 ), 1 3 cos α formában is írható, a következők szerint; n tgα 1 dγ = dl, (45) k cos α n egészen o α = 1 -ig, az (45) egyszerűbb n 1 dγ = sinα dl, (46) k n A két közeg határáról kilépő elemi fénysugár γ irányszögének megváltozását általános esetben az (38) és (46) parciális differenciál függvények írják le. Izotróp közegre a két összefüggés csak abban az esetben értelmezett, ha a törésmutató megváltozása, gradiense a két tengely irányába, az alábbiak szerint megegyezik: n n =, (47) l k o A (47)- ben megfogalmazott feltétel (43), vagy (44) alapján szigorúan csak α = 0 -ra teljesül. Ez nagyon kis szögek esetén el is fogadható és összhangban van a 3.3 alfejezetben megfogalmazottakkal, miszerint két eltérő tulajdonságú, eltérő törésmutatójú közeget elválasztó határfelületre merőlegesen érkező fénysugár onnan merőlegesen lép ki. Normál állapotú gáz törésmutatóját az alábbi összefüggés adja meg; ρ = ρ n 1 ( n1 1) 1 ( n1 1) 1, [15] (48) 3ρ1 3 ρ1 ahol; n 1, n - a közeg törésmutatója; ρ 1,ρ - a gáz sűrűsége. A (48) átrendezésével, (46)- ba helyettesítésével és (41) felhasználásával, a kapott összefüggés parciális differenciálásával, az elemi fénysugár irányváltozása a k tengely irányába; 80

80 ( n 1) ρ ( n 1) n1 1 ρ dγ 3ρ1 k 9ρ1 k 9 ρ1 = dl ρ + 1 ( n1 1) 1 1 3ρ1 3 ρ 3 sinα cos α k [15] (49) ρ ( n 1) 1 ρ 1 Ez a függvény megadja a gázhalmazállapotú közeg térelemének elméleti határfelületről kilépő fénysugár irányváltozását. A (49) számlálójában három függvényelem parciális differenciálhányadosa található. Mind a három, külön külön a sűrűség megváltozását írja le a k tengely mentén. Megfigyelhető, hogy a zárójelben azonos együtthatójú, de ellentétes előjelű tagok szerepelnek. A pozitív előjelű tag számlálója négyzetes, ami azt jelenti, hogy gyorsabban nő, mint az előtte levő, ugyanolyan együtthatójú, de negatív előjelű tag számlálója. A γ szög megváltozását a k tengely irányába a sűrűség befolyásolja. A szög dl-től, mint függő változótól függően, négyzetes, parabolikus függvény szerint változik, mint ahogy azt a 14. ábrán vastag vonallal jelöltem. A (49)-ben néhány egyszerűsítés adta lehetőséget kihasználva és figyelembe véve azt, hogy kis szögek esetén; sin α α, a parciális differenciálfüggvény az alábbi egyszerűbb alakra hozható; ( 1 1) ( ) ρ ρ ρ1 3ρ1 k n 1 ( n 1) ( ) ρ α 1 1 ρ ρ α n ( n1 1) 1+ dγ dl ρ 3ρ + (n 1) ρ 1 (n 1) ρ 3 1 dl 1+ 3ρ1 Ha az így kapott differenciál függvényt az n 3ρ 1 1 k ρ ρ 1. (50) = 1 + 0,00094 Biot Arago-Lorenz törvényben megfogalmazott összefüggéssel összehasonlítva látható, hogy a k tengely mentén viszonylag nagy sűrűségváltozások ( is csak nagyon kis γ, irányváltozást eredményeznek, a fény terjedésében. ρ - sűrűség gradiens) k 4.1 Korrekciós tényezők bevezetése Amennyiben a 3. fejezetben vázolt modellek alkalmazásának feltételei adottak, a fényterjedés irányváltozását (49) parciális differenciálfüggvény adja meg. Megfigyelhető, hogy a fényterjedés irányváltozása csak a közeg törésmutatójától 81

81 (n 1 ), sűrűségétől ( ρ ) és a belépés szögétől (α ) függ. Kis szögek esetén, cosα 1, 0 pontosabban α (0 10 ) szögtartományon belül cos α (1 0,984 ) értékhatárok közt változik. A differenciál függvényben nem nehéz felismerni a Fermat elvvel egyező törvényszerűséget, miszerint két különböző törésmutatójú közeg határára merőlegesen érkező fénysugár nem szenved fénytörést. Ez gázok, folyadékok és szilárd halmazállapotú közegek kombinációjából alkotott optikai rendszerek esetében eddig is ismert volt. Amennyiben α = 0, akkor a tört számlálója nulla, aminek eredményeképpen d γ = 0, azaz a határfelületre a k tengely mentén érkező fénysugár a képzeletbeli térelemből úgy lép ki, hogy a felület normálisával nem zár be szöget. Elemi fénysugarat feltételezve, inhomogén, turbulens gázhalmazállapotú közegben, a fenti feltétel csak végtelen kis térfogatú térelemben képzelhető el. A Biot- Arago- Lorenz törvényben megfogalmazott arányosság, ami a fényterjedéssel összefüggő törtvonalas ábrázolásnak felel meg, jelentős eltérést mutat a (48), (49) differenciálfüggvényekben megfogalmazottakhoz képest, ami miatt korrekciós tényezők bevezetésére van szükség. A korrekciós tényezők az egyszerűsítésekből adódó hibák kiküszöbölését szolgálják. A (49) parciális differenciálfüggvény két szögfüggvény elemét megvizsgálva, α 0 feltétel esetén, kis szögtartományon belül, amennyiben a 0 0 < α 8 feltétel teljesül; 1 1 < 1, (51) 3 cos α Feltételezve azt, hogy a törésmutató 1 < n 1, elméleti határokon belüli vesz fel értékeket, ami gázok esetében a korábbi összehasonlítás és feltételezés alapján minden további nélkül megfogalmazható 7, a 3 sz. mellékletben,. ábrán és a (48) ban szereplő ρ ρ 1 viszony kiszámításánál figyelembe vett n = 1,0003 törésmutató érték 33,33 % -al tér el a Michelson féle kísérletben meghatározott és elfogadott törésmutató értéktől. [153] A (51)-ban feltételezett maximum ( n = 1, ) tizedes tört részének százalékos eltérése pedig a Michelson féle 7 Fehér fénnyel végzett kísérletekben a Kerr cella módszer esetében a törésmutató: n K = 1,000868, a Michelson féle kísérletben pedig n M = 1,

82 kísérletben meghatározottól +38,17%-al tér el. Amennyiben az alábbi feltétel teljesül; 1 3 cos α = 1 n ξ, (5) akkor a (49) parciális differenciálfüggvény az alábbiak szerint, egyszerűbb formában is írható; ( n 1) ρ ( n 1) 1 n1 1 ρ 1 1 ρ dγ = + sin dl ξ α, (53) 3 ρ1 k 9 ρ1 k 9 ρ k 1 A (5) egyenletből a korrekciós tényező értéke; ξ = 1, re adódik. A (51) jobb oldali egyenlőtlenségében, a szélső értéket figyelembe véve; 1 = 3 cos α 1, Ennek tizedes része éppen két nagyságrenddel nagyobb, mint a korábban meghatározott n = 1, törésmutató érték. A korábban említett feltétel csak akkor teljesül, ha (53) ban a törésmutató és a sűrűségek aránya a belépési szögtől függetlenül olyan szélsőséges értéket vesz fel, hogy a tört számlálója annak nevezőjével megegyezzen. Ennek a feltételnek megfelelően, felírhatók az alábbi egyenletek; ρ ρ 1 (n 1 1) 1 (n1 1) 1 = 1 = ( n 3 1) 10 3ρ1 3 ρ 1 cos α, (54) 1 3 cos α = 1, (55) ρ ρ 1 + ( n1 1) 1 ( n1 1) ρ ρ 1 Az 1 0 feltételt alapul véve, az alábbi egyenlőtlenséget kapjuk; n ρ ρ ρ ρ1 ( n 1) 1 A (56) ben a jobb oldali egyenlőtlenség alapján a következő közelítő feltételnek kell teljesülnie; 0,03109 ( n 1) (56) 1 10, amiből n -re, az 1, elméleti felső határ adódik. A 3 sz. mellékletben a. ábrán a ξ = 1, szorzótényezőhöz tartozó 83

83 n = 1, törésmutató érték, levegő esetén, a nm hullámhosszon sugárzó forrásokra teljesül. A fenti gondolatmenetet követve, a lézerforrás hullámhosszából kiindulva, bármilyen hullámhosszon működő lézerforrás esetében kiszámítható a szükséges korrekciós tényezők értéke. 4. A fényterjedés vizsgálata tapasztalati összefüggésekre alapozottan A matematikai statisztika-, és valószínűség-számítás eszközeivel, mint például regresszió analízissel meghatározhatók azok a konfidencia-, és predikciós határok, amelyken belül a nemlineáris, inhomogén és anizotróp közegben terjedő fény útvonala valamekkora valószínűséggel meghatározható. Ilyen határok figyelembevétele sajnos nem mindig vezet a mérnöki gyakorlatban megszokott és várt eredményekre. [154] Ott, ahol az analitikus módszerek nem teszik lehetővé a rendszerjellemzők és összefüggésinek feltárását más módszerek alkalmazására van szükség. Astatikus és kvázi-statikus rendszerek matematikai modelljének megalkotásában és a számítások elvégzésében egyre nagyobb szerepet kapnak az empirikus, más szóval tapasztalati összefüggések. A tapasztalati összefüggések használata általánosan elfogadott a mérnöki gyakorlatban és gyakorinak mondható minden olyan esetben, amikor a vizsgált rendszer dinamikája vagy nemlinearitása megnehezíti, vagy éppen lehetetlenné teszi a rendszert leíró differenciálegyenletek megoldását. 73 Műszaki hő-, és áramlástanban, atomfizikában, kémiában, nemkülönben az optikában, gyakoriak az olyan egyenletek, amelyek analitikus úton nem megoldhatók, gondoljunk például a műszaki hőtanból ismert hőátadási tényező meghatározására. Statikus állapotok és rendszerjellemzők esetében, amikor a peremfeltételek ismertek, a differenciálegyenleteknek csak a legegyszerűbb esetben; síklap menti áramlás és lamináris csőáramlás van megoldásuk. A gyakorlati igények és a fejlesztés azonban minden esetben megkövetelik a konkrét, számszerű értékek meghatározását, ezért azt 73 Differenciálegyenletekkel bármilyen folyamatot le tudunk írni, azonban ezeknek, az egyenleteknek csak töredéke oldható meg. A szak-, és tankönyvek rendszerint csak olyan példákat emelnek ki, amelyek esetében a leíró differenciálegyenletek megoldhatók, egy kicsit hamis elképzelést ébreszt, ezáltal az olvasóban. 84

84 a hiányt és űrt, amelyet a megoldhatatlan differenciálegyenletek hagynak maguk után, kísérleti eredményekkel kell, és lehet betölteni. A kísérleti eredmények és azok eredményeképpen előállított tapasztalati összefüggések, egyenletek általánosítása, univerzálissá tétele nem egy egyszerű feladat. A kísérleti eredmények csak akkor fogadhatók el, ha a hasonlóság 74 feltételeit, más szóval kritériumait teljesítik. Hasonlóságról matematikai értelemben akkor beszélünk, ha a valós és kísérleti feltételek hasonlóak, geometriailag hasonló rendszerekben zajlanak, a differenciálegyenletek kezdeti és peremfeltételei azonosak. Ilyen hasonlóságot kifejező hasonlósági kritériumok például; a Reynolds szám, ami a kényszerített határréteg-áramlásnál a sebességeloszlás hasonlósági kritériuma, a Peclet szám, a kényszerített áramlásnál a hőfokeloszlás hasonlóságának kritériuma, a Nusselt szám, amely a hőátadás hasonlósági kritériuma, a Grashof szám, ami a természetes áramlás sebesség mezőjének hasonlósági kritériuma, stb. A hasonlósági kritériumokat leíró összefüggések közti kapcsolatokat rendszerint dimenziónélküli számok jellemezik, amelyek a megalkotójuk nevét kapta, ilyen például a Prandtl szám, Stanton szám, stb. 75 Rajtuk kívül még nagyon sokan állítottak elő jól használható hasonlósági kritériumokat teljesítő tapasztalati összefüggéseket. 76 A tapasztalati összefüggések általában egyszerűek és hasznosak, viszont felhasználásukkor nagyon körültekintően kell eljárni. Felhasználásuknak eleve alapfeltétele az, hogy a feltételek és a körülmények minél jobban hasonlítsanak a kísérleti-, még inkább a valós körülményekhez. Zárt és izolált rendszerek esetében ezek a szigorú feltételek általában teljesülnek is, nyitott rendszerek esetében, mint amilyen a Föld légköre is, csak ritkán, vagy nagyon ritkán. Az összefüggések, amelyek nagyon sok kísérlet és munka eredményeit ötvözik, csak egy-egy részterület eredményeit foglalják magukba, a vizsgált változók szűkebb tartománya miatt az eredmények megbízhatósága korlátozott. [155] Ezektől, az egyenletektől nem várhatjuk az elméleti ismereteink bővülését, mivel nem jut bennük kifejezésre a leírt összefüggés fizikai háttere. Ezekből az egyenletekből nem ismerhetők fel a 74 A hasonlósági kritériumokban saját lépték szerint megválasztott peremfeltételeket és a kísérletileg kapott mért értékek szerepelnek. 75 Az eredményeket M. A. Mihejev foglalta össze, vízszintes lemezek hőátadását M. Fischenden és O. A. Saunders pontosította. 76 A. Eagle, L. Graetz, M. Ferguson, E. N. Sieder, L. Schiller, K. Elser, R.C. Martinelli és még sokan mások. 85

85 valóságos közegeknek az ideális gázok állapotegyenletétől eltérő viselkedésének okai. [110] A fenti két idézet úgy vélem kifejezően és tömören fogalmaz, de mindettől függetlenül a tapasztalati összefüggéseknek a nagy száma azt igazolja, hogy a kísérletek útján nyert eredményeknek megvan a maguk helyük az alkalmazott tudományokban. Az optika és az áramlástan ilyen értelemben is nagyon hasonlóak. A tapasztalati összefüggések a normál állapotú gázok törésmutatójának a megváltozását közelítően jól leírják, de sok esetben ennél pontosabb összefüggésekre is szükség lehet. Ilyen például az, amikor a légköri refrakció okozta optikai hibákat kell kiküszöbölni és a távolságmérők mérési pontosságát kell növelni. Ehhez rendszerint korrekciós tényezők meghatározására van szükség. A fény hullámhosszán alapuló optikai mérések, úgymint spektroszkópiás-, interferenciás és diffrakciós mérések, csak akkor végezhetők el, ha a törésmutató kellően pontos értéke ismert. 77 Ennek elérésén a múlt század közepe óta dolgoznak a kutatók. A több kötetet is kitevő munkásságuk minden részletének ismertetésére nem vállalkozhattam, de néhány fontosabb eredményt időrendi sorrendben kiemeltem: [153] (1953): A régi három elemből álló Edlén féle összefüggés. Ezt mind a mai napig nagyon sok kritikával illetik. Megbocsáthatatlannak tartják, hogy több évtizeddel később maga Edlén tette ismételten közzé az eredményeit, az Allen's Astrophysical Quantities, 4. kiadásában, annak ellenére, hogy ismerté váltak a hiányosságai és hibái. Ezekről az összefüggésekről még ma is úgy nyilatkoznak, hogy használhatatlanok. [156] (1966): Az új Edlén féle légköri diszperziós képlet: 1960-ban Edlén felismerte, hogy a korábbi összefüggései pontatlanok és új együtthatók bevezetésére tett javaslatot. [156] (1967) Owens: Ismerteti a légköri törésmutató változását a légköri nyomás, hőmérséklet és gázösszetétel függvényében. Owens elsőként alkotta meg azokat a tapasztalati összefüggéseket, amelyeket mindmáig felhasználnak a kutatók, a kísérleti eredményeik értékelése során. 77 Az elvárt pontosság ( 10 8 ) 86

86 Owens, Sears és Barell nyomdokaiba lépve a törésmutatót a széndioxid tartalomtól függetlenül is vizsgálja. Owens az ideális gázoktól eltérően vizsgálja a légkör állapotváltozásait és figyelembe veszi a légköri nyomás hatását. [157] (197) Peck és Reeder: Igazolják, hogy az Edlén féle összefüggések pontossága nem megfelelő az infravörös hullámtartományban és a Sellmeier féle összefüggés is hibás, mivel az öt független változó helyett négy használata elegendő. [158] (1981) Johns: Figyelembe veszi a valós gázok állapotváltozásait és a korábbi eredmények hibaanalízisében szerepet vállal. Peck és Reeder eredményeit felülvizsgálta és a látható fénytartományra érvényes kellően pontos összefüggéseket állít elő. [159] (198) Matsumoto: Tanulmányozta a légköri pára törésmutatót befolyásoló hatását és kimutatta az infravörös hullámtartományban a szelektív abszorpciót. [160] (1988) Birch és Downs: A vízgőz eredményezte hibák feltárásában vettek részt és a széndioxid hatását vizsgálták. [161][16] (1988) Beers és Doiron: igazolták Birch és Downs eredményeit. [163][164] (1996) Ciddor: A légköri refrakció meghatározásának ma ismert, legmegbízhatóbb eredményeinek tartja a tudományos közvélemény. Eredményei egy új sztenderdként rögzítésre is kerültek Nemzetközi Földtani Egyesületnél szabványrendszerében. 78 [165] (1998) Bönsch és Potulski: Az új Edlén képletből kiindulva laboratóriumi körülmények között vizsgálták a vízgőz és a széndioxid hatását, 0 C hőmérséklet-, és 400pp széndioxid tartalom körüli értéken. Annak ellenére, hogy a kísérletek körülményei majdnem azonosak a normál állapotú légkörrel 79, fontosnak tartom megjegyezni, hogy az általuk kidolgozott tapasztalati összefüggések mégsem általánosíthatók. [166] 78 International Association of Geodesy (IAG) 79 Az ICAO (International Civil Aviaiton Organization), valamint a DIN 5450 szabvány rögzíti (3. sz. melléklet). 87

87 (004) Mathar, Colavita, Swain, Akeson, Koresko és Hill: Gyakran publikációjuk címétől eltérően a 50nm hullámhossz feletti tartományra is érvényes összefüggéseket dolgoznak ki, amelyek figyelembe veszik a vízgőz hullámsávzáró-, és áteresztő tulajdonságát. [167][168][169] Az új Edlén féle tapasztalati összefüggések a fény hullámhosszát ( λ ), illetve annak reciprokát a fény frekvenciáját, a nyomást (P) és a hőmérsékletet (T) veszi figyelembe. Ezekkel az összefüggésekkel végzett számítások pontossága közelíti a 10 6 értéket, ami kielégítőnek tekinthető, de még mindig több nagyságrenddel elmarad az elvárt; 10-8 értéktől. A törésmutató a következő összefüggéssel határozható meg: N sz = ( n sz 1) 10 6 = 776, + 4, ν ) P / T, (57) sz ahol; N sz, nsz - a száraz levegő fénytörési együtthatója, illetve fénytörésmutatója; ν - a fényhullám frekvenciája [cm -1 ]-ben; P sz - a száraz levegő nyomása [kpa]-ban; T -a levegő hőmérséklete [ K]-ban. [170] Közel fél évszázada a száraz, széndioxid mentes levegő-, vízgőz-, és a széndioxid törésmutatóját külön-külön határozzák meg, majd a három elem törésmutatóját egy általános, Lorenz-Lorentz által kidolgozott képletbe foglalják. Így a levegő törésmutatója, 0 4 atm, K, 0 100% relatív páratartalom és 0 17mb CO parciális nyomás esetén pontossággal határozható meg. A levegő törésmutatójának a meghatározására az alábbi tapasztalati összefüggések használhatók: 1. Általános képlet: n n 3 1 = Ri ρ i, (58) + i= 1 ( n0 ) i 1 1 Ri =, (59) ( n ( 0 ) i + ρ0 ) i [( n ) 1]. Száraz, széndioxid-mentes levegő esetén: ri = 0 i, (60) 88

88 = 8340, , (61) r P ρ1 = 348,38 T P 1 57, σ 38,9 σ 8 9, T 4 0,5844 +, (6) T (ρ 0 ) 1 =ρ 1 (P=1013,5 mb, T=88,16 K), Érvényes; Ǻ, 40 K < T < 330 K, 0 < P <4 atm tartományban. 3. Vízgőz figyelembevétele: r 10 8 =95,35+,64 σ -0,03380 σ 4 +0,00408 σ 6, (63) P ρ = 16, P T 4 [ 1+ ( 37, 10 ) P ] 4 3, , 79 7, , (64) T T T (ρ 0 ) =ρ (P=13,33 mb, T=93,16 K) Érvényes; Ǻ, 50 K < T < 30 K, 0 < P <100 mb tartományban. 4. A szén-dioxid figyelembevétele: = 8, ,8σ + +, (65) r 130 σ 38,9 σ ρ P 3 = 59,37 3 T (66) (ρ 0 ) 3 =ρ 3 (P =1013,5 mb, T=88,16 K), Érvényes; Ǻ, 40 K < T < 330 K, 0 < P <17 mb tartományban. [157] Mivel a Föld légkörét alkotó főbb összetevők (gázok) aránya nagyjából állandónak tekinthető, ezért kialakult egy általánosan elfogadott összetétel, amelyről korábban is volt szó, és amelyet az 1 sz. melléklet, 1. táblázatában foglaltam össze. Mivel a levegő több mint 99 %-át az oxigén, nitrogén és az argon teszi ki, megváltozásuk aránya kismértékűnek tekinthető és számottevően nem befolyásolják a levegő törésmutatóját. [171][3] A normál állapotú levegő szén-dioxid tartalma 0,03 %, térfogategységre számítva. Normál állapotúnak tekinthető a levegő, ha a hőmérséklete; 0 o C (15 C), hőmérséklet gradiensének értéke; -0, C/m és nyomása; 101,347 kpa 80. A levegő összetétele a táblázatba foglalt értékektől jelentős mértékben eltérhet, attól függően, hogy hol történik a mérés. Az összetevők aránya más és más lehet lakott 80 1atm = 101,347 kpa 89

89 területen belül és ipari környezetben, emellett függhet a tengerszinthez viszonyított magasságtól és a légnyomás értékétől is. Sűrű aljnövényzettel benőtt erdős területen a levegő széndioxid tartalma elérheti a 0,07 %-ot (700ppm-et) is. A törésmutató, hőmérséklet, nyomás, páratartalom és szén-dioxid tartalom közt a következő összefüggés írható fel: 0,00093 B n 1= ,00368 t 101, , e 760 B + 0, k ,347 3 (67) ahol: n - a levegő fénytörés-mutatója; t - a levegő hőmérséklete [ o C]-ban; B - a levegő nyomása [Pa] ban; e - a páratartalom térfogatszázalékban; k - szén-dioxid tartalom százalékos aránya. [17] A hőmérséklet/páratartalom/széndioxid/légnyomás a következő arányban vesz részt a törésmutató megváltozásában; 100:6::1. [17] A gázösszetevőknek a levegő törésmutatójának megváltozásában betöltött szerepe mellett a hozzájárulásuk mértékét is ismerni kell, ezért a fenti arányt az alábbi levezetéssel vizsgáltam meg: A légnyomásra a B helyett p jelölést vezettem be és a (67)-ot az alábbiak szerint rendeztem át: n 1 = p 101, , , k 0, ,00368 t Az állapotjelzők törésmutatóra gyakorolt hatása a függvény parciális differenciálásával határozható meg. A (68)- ból, a törésmutató hőmérséklet szerinti parciális deriváltja a következő; n p = 0, t t A törésmutató nyomás szerinti parciális deriváltja: ahol; p t 6 n 783,8858 =, ,0158 k 10 p t - a levegő nyomása Pa ban; - a levegő hőmérséklete o C -ban; e 760 (68), (69) 9 (70) 90

90 k - a széndioxid tartalom százalékos aránya. A (69) és (70) parciális differenciál-egyenletek egyenként két-két ismeretlent tartalmaznak. Az első a törésmutató hőmérséklet szerinti-, a másik a törésmutató légnyomás szerinti megváltozását írja le. A (69) egyenletben a hőmérséklet egy inverz- négyzetes tagként szerepel, negatív előjellel és egy olyan szorzótényezővel, amelynek hatványkitevője nagyobb, mint a (70) egyenlet jobb oldalán lévő szorzótényező hatványkitevője. A két egyenletből az egyes tényezők megváltozásának az iránya is következik. Mindkét parciális differenciálegyenlet azt igazolja, hogy a levegő refrakcióját a nedvességtartalomhoz, a széndioxid tartalomhoz és a nyomáshoz képest a hőmérséklet megváltozása befolyásolja a legnagyobb mértékben, de ez nem elsőfokú, hanem másodfokú inverz függvény szerint változik. Ebből következik az, hogy a hőmérséklet négyzetes arányban-, míg minden más figyelembe vehető tényező arányosan befolyásolja a légkör törésmutatójának értékét. A levegő törésmutatója a rajta áthaladó fény hullámhosszának függvényében megváltozik. Az ebből adódó hiba, korrekciós tényező bevezetésével figyelembe vehető és kiküszöbölhető. Például a zöld, 560nm-es lézerfény esetében, a normálállapotú és összetételű levegő törésmutatója: n=1, körüli érték. A levegő törésmutatójának megváltozása a fény hullámhosszának függvényében, a 3 sz. mellékletben, a. ábrán látható. A levegőben levő pára fénytörési együtthatója: n v = 1, , ami a számítások pontosságát jelentős mértékben befolyásolhatja, ezért Lorentz egy korrekciós tényező bevezetését javasolta, ami a vízgőz esetében: 760 4,04 e 4 Figyelembe véve azt, hogy a szén-dioxidnak is van saját fénytörés mutatója, a javasolt korrekciós tényezőt leíró összefüggés a következő: ,347 1,6 k B 9. Ezek az összefüggések csak λ = 556nm hullámhosszra érvényesek, de általánosítva használhatók a fehér fényre is. [17]

91 A légkör törésmutatóját a termikus fluktuáció 81 is befolyásolja, aminek eredményeképpen a törésmutató periodikus változása figyelhető meg a fény nyomvonala mentén. A jelenséget Karp (1988) figyelte meg és foglalta képletekbe; 3 P 6 n = ,6(1 + 7,5 10 λ ) 10, [173] (71) Te ahol; P - a légköri nyomás [mbar]-ban), T e - a hőmérséklet [ K]- ben. 4.3 Következtetések Igazoltam differenciálgeometriai eszközök felhasználásával, hogy a lineáris, inhomogén gázhalmazállapotú közegben terjedő elemi fénysugár irányváltozása és a közegjellemzők közt nemlineáris kapcsolat van, aminek következtében a fény, a gyakran alkalmazott törtvonalas ábrázolásnak megfelelő egyenes vonalú terjedéstől eltérően, négyzetes parabolikus függvény szerinti pályát követ; Összehasonlítottam a fényterjedés parciális differenciálfüggvényét a Biot Arago-Lorenz törvénnyel és megállapítottam, hogy a fényterjedésben viszonylag nagy sűrűségváltozások is csak nagyon kis irányszög eltérést eredményeznek, amiből következik az, hogy a fény refrakciójának a mérése csak nagy nagyon nagy érzékenységű és egymástól nagy távolságra elhelyezett optikai adó-vevő párral lehetséges; Meghatároztam a közeg törésmutatójának szélső értékeit és ismertettem a differenciálfüggvény egyszerűbb alakjának bevezetéséhez szükséges korrekciós tényező kiszámításának módját, aminek segítségével ismert pályaszakaszokon meghatározható a fényterjedés irányszögének a változása; Elemeztem a fény légköri refrakcióját, röviden ismertettem a jelentősebb eredményeket, amelyek tapasztalati összefüggések formájában váltak ismertté az utóbbi időben, ugyanakkor megállapítottam, hogy a fény légköri refrakciójában jelentősebb szerepet betöltő gázösszetevők koncentrációjának gyorsuló ütemben történő változása miatt, ezeknek a tapasztalati összefüggéseknek érvényessége ma már megkérdőjelezhető. 81 Hőmérséklet ingadozása. 9

92 Megvizsgáltam azokat a törekvéseket, amelyek a levegő törésmutatójának meghatározására vonatkozóan, általános érvényű összefüggések kidolgozását tűzték ki célul. Két parciális differenciálegyenlet segítségével bizonyítottam, hogy a 100:6::1 arány a (68) függvényben szereplő állapotjelzők és fényterjedést befolyásoló összetevők egy meghatározott értékére igaz, semmiképpen sem általánosítható, mivel a törésmutató és ezt befolyásoló állapotjelzők egy része közt nemlineáris kapcsolat van. Nem sikerült a légköri refrakciót befolyásoló gázösszetevők hatását figyelembe venni az elemi fénysugár irányváltozását leíró differenciálfüggvényben. A megismert tapasztalati összefüggések egy részéről, amelyek itt felhasználhatónak tűntek bebizonyosodott, hogy a kidolgozásuk óta eltelt hosszú idő-, és érvényességük korlátai miatt a felhasználhatóságuk megkérdőjelezhető, más esetben igazolható, az, hogy a tapasztalati összefüggések nem általánosíthatók. 93

93 5. FEJEZET A SZABADTÉRI MÉRÉS ELVE ÉS ESZKÖZEI Szabadtéri mérések során a lézerfény terjedése a légkörben, viszonylag egyszerű vizsgálható. A fény légköri refrakciójának kimutatásához nincs másra szükség, mint egy fényforrásra és egy ernyőre. (15. ábra) Amennyiben a forrás és ernyő közti távolság nagy és a mérési elv szükségessé teszi azt, hogy az ernyőn a forrás által előállított fényfolt megfigyelhető legyen, akkor más lehetőség nincs, mint valamilyen lézerforrásnak a használata. Egy néhányszor tíz mw teljesítményű félvezetőlézerrel, több száz méter távolságra elhelyezett ernyőn jól kivehető fényfoltot lehet előállítani, amely a fény hullámhosszától függően, lehet szabad szemmel látható, például egy zöld fényű lézer esetében, vagy láthatatlan, infralézerek esetében. A fényfolt helyzete az ernyőn egy referenciaponthoz viszonyítva akkor változik meg, amikor a forrás és az ernyő közti térben a levegő törésmutatója megváltozik. Ez egy relatív mérési elvnek is felfogható, amelynek mérési eredményeiből, amennyiben szükség az abszolút értékek is kiszámíthatókés a mérés, mintavétel gyakoriságától függően, a mérés pontosságára is lehet következtetni. 15. ábra A szabadtéri mérés elve (A szerző rajza) A fényfolt eltolódása az említett referenciaponthoz viszonyítva (d), esetenként annyira kicsi lehet, hogy szabad szemmel még akkor sem figyelhető meg, ha a forrás és vevő egymástól nagy távolságra van elhelyezve. Ennek oka egyfelől az, hogy az ernyőn a fényerősség eloszlás egyenlőtlen, Gauss görbe szerinti eloszlást követ, másfelől a forrás és vevő közti térben a többszörös refrakció hatása is 94

94 érvényesülhet, ami miatt 15. ábrán vázolt egyszerű mérési elvnek a hátrányai számottevőek. 5.1 A töbszörös refrakció fényterjedést befolyásoló hatása A fény légköri refrakciójával kapcsolatba hozható állapotváltozások, amelyekről korábban is volt szó; sűrűség-, nyomás-, és hőmérséklet, a légköri refrakció kimutatásának szükséges, de nem elégséges feltételei. Szükséges ahhoz, hogy a fényterjedés irányváltozása egy adott térrészben bekövetkezzen, de a fényfolt eltolódásának mértékét, több hasonló fényterjedést befolyásoló részjelenség hatásának előjelhelyes összege adja. A légköri folyamatok nem csak az arányosságra-, hanem egy előre meghatározott irányhoz viszonyítva, annak előjelére is hatással vannak. A mérési eredmények csak akkor fogadhatók el, ha azok bizonyítottan determinisztikus folyamatok eredményei. Ehhez ismerni kell a fényterjedés pályáját, görbületének irányát. A légköri állapotváltozások ennek meghatározás nem egyszerű. A 15 ábra alapján a forrás és ernyő közti távolság növelésével az eltolódás mértéke és a mérés pontossága elvileg növelhető. A fényfolt elmozdulásának a mértékét befolyásolhatja az is, hogy a forrást az ernyővel összekötő szakasz mentén hol alakulnak ki azok a légköri képződmények és állapotváltozások, amelyek törésmutatót befolyásolják. Egymástól nagyobb távolságra elhelyezett eszközök esetében, a fényfolt nagyobb mértékű eltolódására lehet számítani, ami a kiértékelést kétségtelenül megkönnyíti, de ha a fénysugár hosszú utat tesz meg egy olyan jellemzően nemlineárisan, inhomogén közegben, mint amilyen a Földünk légköre, akkor a légköri turbulenciák és helyi állapotváltozások a fény többszöri irányváltozását, refrakcióját is eredményezhetik. Ennek a következménye az is lehet, hogy a vétel helyén a fény irányváltozása nem lesz kimutatható, de ami még ennél is rosszabb, a mérési adatok alapján akár téves következtetések is levonhatók. Ennek egyik esetét a 15. ábrán kék szaggatott vonallal jelöltem. Könnyen belátható, hogy a távolság növelésével a többszörös refrakció okozta mérési hiba is nő és ez a hiba nem küszöbölhető ki, legfeljebb a mérési eredményekre gyakorolt hatása csökkenthető, az alábbiak szerint: 95

95 A fény terjedését befolyásoló közeg állapotjelzőinek folyamatos vizsgálata és a közegjellemzők megváltoztatása; Több fényforrás és mérő- vevő egyidejű használata; Szabadtéri fényinterferencia, vagy holografikus mérési eljárások, alkalmazása. Örvényektől mentes optikai közeg állapotjelzőinek és összetételének teljes ellenőrzés alá vonása azt jelenti, hogy minden egyes mérési ciklus alatt, vagy azt követően, olyan mértékben és irányban kellene a gázhalmazállapotú közeg állapotjelzőit megváltoztatni, hogy a mérési eredményekből a fény terjedésének irányváltozására, minden kétséget kizáróan lehessen következtetni. Az optikai közeg teljes elszigetelése a környezetétől, csak különleges mérőeszközökben, vagy berendezésekben lehetséges. Ilyen eszközök a zárttéri mérések eszközei; az interferométerek. A többszörös refrakció okozta hiba elvileg több fényforrás és érzékelő egyidejű használatával kiküszöbölhető, amennyiben az ernyőt és a forrást összekötő képzeletbeli szakasz mentén, nem egy-, hanem egyidejűleg több helyen mérjük a fény refrakcióját. Kettőnél több eszköz elhelyezésénél számolni kell azzal, hogy minden eszköz, kiterjedésétől, méretétől és elhelyezésétől függően kisebb, vagy nagyobb mértékben befolyásolja abban a térrészben zajló légköri folyamatokat. Emellett a légtömegek szabad mozgását akadályozó tereptárgyak körül légörvények, turbulenciák alakulhatnak ki, aminek eredménye éppen az lesz, aminek a kiküszöbölése fontos lenne, a többszörös refrakció hatásának csökkentése végett. Figyelembe véve azt, hogy a lézerforrások nagyon széles frekvenciatartományban működnek, segítségükkel az infravörös emissziós, vagy abszorpciós 8 spektroszkópiát 83 alkalmazó megoldásokkal és távmérések végezhetők. [137][174] A mérés célkitűzéseit minden részletre kiterjedő méréstervezéssel valósítottam meg. A megoldandó feladatok a következők voltak: 8 A felületi hatást jelentő adszorpcióval az abszorpciót nem szabad összetéveszteni. 83 Elektromágneses hullám-források segítségével, a légkört alkotó atomok és molekulák gerjesztett állapotba hozhatók. Az elnyelt, majd kisugárzott energia mérésével az optikai közeg összetételének és összetevőinek térbeli eloszlása alapján, vegyelemzés végezhető 96

96 Eszközelhelyezés megtervezése; o A lézerforrás és az érzékelő-vevő közti távolság meghatározása méréssel; o Helyi, mikroklímatikus tényezők hatásainak feltárása és megismerése; Lézerforrás átalakítása; Modulált lézerfény előállítására alkalmas elektronikus eszköz megtervezése, megépítése és programozása; Lézerforrás beállítását és rögzítését szolgáló tartó-, és forgatószerkezet megtervezése és megépítése; Mérő- vevő, mérésadatgyűjtő megtervezése, megépítése és programozása; A mérő-vevő rögzítéséhez szükséges betonalap és tartószerkezet elkésztése; Adatátviteli eszközök illesztése a processzoros rendszerhez; Letöltött és összegyűjtött adatok kiértékelése. Az év-, és napszakok ismétlődésének eredményeképpen a fény légköri refrakcióját befolyásoló jelenségek bekövetkezésének helye és ideje közelítően meghatározható és behatárolható. Olyan szabadtéri mérések nem végezhetők, amelyek esetében a többszörös refrakció előnytelen, mérési hibát eredményező hatása valamilyen formában ne érvényesülne. Ha ezt a jelenséget kiküszöbölni teljesen nem is lehet, hatását előrelátó méréstervezéssel; helyszínkiválasztással és eszközelhelyezéssel, valamelyest csökkenteni lehet. Az eszköztelepítés céljára legalkalmasabb helyszín kiválasztásában sokat segíthet egy-egy földrajzi hely kivételes adottságainak a felismerése. A mikroklíma kialakulásában szerepe lehet; a földrajzi hely uralkodó széliránynak, páratartalmának és átlaghőmérsékletnek; a domborzatnak, növényekkel fedett-, és fedetlen területek arányának; építményeknek, ipari létesítményeknek és az urbanizáció mértékének. A mesterséges környezetnek kiemelt szerepe van a fény terjedését erőteljesen befolyásoló, helyhez kötött légköri képződmények kialakulásában. A folyamatosan változó hatások, úgymint a légköri szennyezés növekedése, a globális felmelegedés, következtében a légköri folyamatok kialakulásának feltételei is folyamatosan változnak. Egy szabadtéri mérés esetében a mérés körülményeit mindenkor 97

97 befolyásoló ciklikus légköri állapotváltozások nem teszik lehetővé azt, hogy a mérések ugyanolyan feltételekkel bármikor megismételhetők legyenek, más szóval nem reprodukálhatók. Ez szükségképpen azt eredményezi, hogy a mérés eszközeit úgy kell elhelyezni és telepíteni, hogy azok minél hosszabb ideig helyben maradhassanak, és amennyiben szükséges, akár több hónapon át tartó folyamatos mérést is lehessen végezni velük. Ebben az esetben a méréstervezésnél nem lehet figyelmen kívül hagyni az eszköz-, és adatvédelmet sem. Amennyiben a lézerforrást sikerül magántulajdonban lévő telken belül elhelyezni, a tőle esetenként több száz méterre-, vagy több kilométerre elhelyezett mérő-vevő, az esetek többségében annak határain kívül kerül. A földterület, telek, vagy ingatlan határainak átlépésével kizárt, hogy valamilyen használatot, vagy elhelyezést korlátozó szabályozásba ne ütköznénk, ezért amennyiben az eszközök egyike-, vagy egyike sem, helyezhető el magántulajdonban álló, védett területen, az eszközvédelem többletfeladatot és többletkiadást is eredményezhet. Minél több időt vesz igénybe egy mérés, vagy méréssorozat, annak eszközei annál inkább ki vannak téve a rongálás, vagy eltulajdonítás veszélyének. Tartalék eszköz hiányában, az eredménytelen védelem következménye lehet az, hogy a mérési folyamat hosszú időre megszakad, de eredményezheti azt is, hogy ugyanoda többé semmilyen eszköz sem helyezhető el. A méréstervezésnél a hosszú időre tervezett, folyamatos mérés miatt a kockázati tényezőket mindenképpen figyelembe kellett vennem. Az eszközelhelyezés megtervezésénél az egyik legfontosabb feladat, a végpontok; úgymint a fényforrás és az ernyő közti optimális távolság meghatározása. Ez nem minden esetben egy egyszerű számításon alapuló matematikai feladat, főleg akkor nem, ha egyfelől a forrás és az ernyő közti távolság növelése-, ezáltal a fény légköri refrakciójának minél egyszerűbb kimutatása és minél nagyobb pontosság elérése a cél, másfelől a távolság csökkentése azért, hogy a többszörös refrakció okozta hibákat, minél egyszerűbben ki lehessen küszöbölni. Optimális távolság meghatározásának akkor nincs értelme, ha az eszközelhelyezés szabadsága nem adott. A mérés eszközeinek igény szerinti elhelyezésére a magántulajdonban lévő telkek és építmények nagy száma-, másfelől az erdővel fedett területeknek a nagy aránya miatt nem volt lehetőségem. Az eszközelhelyezésnek az a szabadsága, amire 98

98 ebben az esetben nagy szükség lett volna, az alábbiakban ismertetett helyszín esetében, egyáltalán nem volt adott. Budapest (Pesthidegkút) S N 43, , () Leshegy 199, , m (3) Paprikás patak 45, , m Jegenye völgy Solymár (4) (1) 38, , Kerekhegy 16. ábra Az eszközelhelyezés helyszínrajza (A szerző rajza) Az eszközelhelyezés helyszínének vázlatrajza a 16. ábrán látható. A szintvonalas rajzon feltüntetettem azt a három pontot, ahol a mérés eszközeit; a lézerforrást, a mérő-vevőt és adatgyűjtőt elhelyeztem és az eszközfejlesztéssel egyidejűleg, rövidebb- hosszabb ideig méréseket végeztem. Mivel tartalékeszközök nem álltak rendelkezésemre, hanem a meglévőket építettem át az eszközfejlesztés során, eleinte a lézerforrást az (1)-, a mérő-vevőt a ()-es ponttal jelölt helyre telepítettem, majd egy rövid mérési periódust követően az utóbbit a (3)- as ponttal jelölt helyre helyeztem át. Az ábrán vázolt földrajzi helyen dombok és völgyek váltják egymást, sík, vízszintes terület csak a völgyek alján és a dombok tetején található. A viszonylag nagy szintkülönbségeknek köszönhetően a szemben lévő, többnyire erdővel borított domboldalakra a szabad rálátás mindenkor biztosított, aminek köszönhetően a folyamatos mérésnek nem volt akadálya. Az optikai összeköttetést esetenként csak a sűrű eső, köd, vagy a hóesés zavarta, ami utólag a feldolgozott adatokban is egyikmásik esetben megmutatkozott. A 17. ábrán a völgyszelvény vázlatos rajza látható, amelyet a lézerforrás fénye áthidal. A rajzon az (1)-() szakasznak megfelelő metszetet tüntettem fel, ami 99

99 néhány kisebb részlettől eltekintve csaknem teljesen megegyezik (1)-(3) szakasznak megfelelő völgyszelvénnyel. Ernyő (vevő) (3) +43m (+45m) 513,456 m (474,619m) Lézer- forrás (adó) 1 +38m erdős terület út mentén sávszerűen beépített lakóövezet 0m úttest teljesen beépített zöldövezeti lakóterület 17. ábra A völgyszelvény vázlata (A szerző rajza) Az 17. ábrán látható völgy négy olyan részre tagolható, amelyeken belül változó összetételű-, és hőmérsékletű légtömegek kialakulásának feltételei biztosítottak. A főút bal oldalát rövid szakaszon, néhány lakóépület szegélyezi, a domboldalt összefüggő erdő takarja (5. képen középen), a jobb oldalon; az (1)-el jelölt helyen, magántulajdonban lévő telkek és épületek állnak (5. kép, bal oldalon). 5. kép Az eszközelhelyezés megtervezése (A szerző felvétele) A fákkal sűrűn benőtt domboldalakon szerencsére akad néhány foltszerű, fáktól mentes hely, vagy kőomlásos fal, ahol a mérő- vevőt sikerült elhelyezni (5. kép- jobb oldalon). 100

100 5. Távolság meghatározása méréssel A végpontok elhelyezésének felvázolásához, a forrás és vevő közti pontos távolságot meg kellett mérjem. 84 Ehhez megismertem a távolságmérés elvét, eszközeit és a mérési hibák leggyakoribb okait. [174][175][176][177] A vázlatrajzon jelölt két távolságot; (1)-() és (1)-(3), először közvetett mérés útján határoztam meg, egy PAB- típusú tüzérségi mérőeszközzel, szögek-, és egy ismert távolságra alapozottan. 6. kép Távolságmérés Wild Distomat Di4-el (A szerző felvétele) Később a mérés és számítás sikerült leellenőriznem egy Geonaute-KeyMaze300 típusú műholdas helymeghatározó készülékkel, amennyire annak pontossága ezt lehetővé tette, végül az említett két távolságot egy Heerbug WildDistomat-Di4 típusú, km hatótávolságú, nagy pontosságú lézeres távolságmérővel mértem meg. (6. kép) 5.3 Mikroklímatikus tényezők hatása A fényterjedés vizsgálatára megépített eszközpár adó részét, a lézerforrást, a déli fekvésű hegyoldalban, magántulajdonú telken belül a vázlaton (1)-el jelölt helyen, a műholdas vevő által jelzett 38m tengerszint feletti magasságban helyeztem 84 Lézeres távolságmérőt az optikai modulátor hiánya miatt nem építettem. 101

101 el. A mérő vevőnek a szemben levő domboldalon-, a ()-vel jelölt pontban találtam helyet, a völgy aljától számított; 43m-, a (3) ponttal jelölt hely esetében pedig; 45m magasságban. A lézerforrás fényének nyomvonala, mint ahogy az a 17. ábrán is látható, közelítően vízszintes, enyhén emelkedő. A földrajzi hely adottságait felismerve, megvizsgáltam az eszköztelepítés helyének mikroklímáját és feltártam azokat a jelenségeket, amelyek befolyásolhatják a fény terjedését. A 16. ábrán az (1)-()-vel jelölt szakasz, egy mindkét végén nyitott-, a ()-(3) al jelölt szakasz pedig egy öbölszerű, részben zárt völgyet hidal át. Ebben a két völgyben, a széliránytól függően, nagyon különböző áramlási viszonyok alakulnak ki. Kora reggeli órákban, vagy párás időben, eső után, az erdőből felszálló páraköd foltok mozgása sokat elárul a légtömegek mozgásáról. Az erdő felett az áramlás lelassul, a ködfoltok mozgása és eloszlásának iránya azt mutatja, hogy a szélirányra merőleges irányú keveredés, az áramlás sebességétől függően, általában késve kezdődik el, vagy egyáltalán nem jön létre. A fák lombkoronája feletti apró örvényáramlások a felszálló pára mozgását lelassítják, mintegy megfogva azt, ami a távolból úgy néz ki, mintha a völgyben a lamináris áramlás kialakulásának minden feltétele adott volna. Az uralkodó szélirány ebben a térségben; ÉNy-DK. A szemben lévő domboldal eltérő mértékben beépített, és növényzettel fedett. A talajfelszín feletti légrétegek felmelegedését elsősorban a felületek hőelnyelő, fényvisszaverő és emissziós képessége határozza meg. Ezek az értékek a szakirodalmi forrásokban megtalálhatók.[178] A talajfelszín és a hőelnyelő felületek felmelegedésének mértéke és sebessége elsősorban a tájolásuktól függ. A nyugati és déli fekvésű domboldalak talajfelszíne évszaktól és napszaktól függetlenül lényegesen gyorsabban, és jóval nagyobb mértékben melegszik fel, mint a szemben lévő, erdőkkel fedett északi, vagy a keleti fekvésű domboldalaké. (7. képen alul) Télen, amikor az (1) pontból vizsgálva a Nap a (3)-al jelölt hegyoldal gerince felett, alacsonyan halad át, (11. képen alul) a sugarai eltérő szögben érik az egymással szemben lévő domboldalakat, jelentős talajfelszíni hőmérsékletkülönbséget eredményezve a térképvázlaton jelölt pontok között. Az erdő levegőjének hőmérséklete a legmelegebb nyári napon a 4-6 C ot alig éri el. Ennek oka a növényzet és a fák leveleinek magas spektrális reflektanciája. A talajnak is van saját spektrális reflektanciája, amelyet diagramok segítségével 10

102 adnak meg. [137] A talajfelszín, épületek, stb. által elnyelt, és nagyobb hullámhosszon kisugárzott hő, konvekció útján melegíti fel a körülötte lévő levegőt. Épületek tetőfelülete-, talajfelszín-, patakmeder közelében lévő távvezetékoszlopok-, kőomlásos partfal-, stb. felszínének hőmérséklete sokat elárul a körülötte levő levegő hőmérsékletéről. Mivel a levegő fajhője lényegesen kisebb, mint az említett tereptárgyaké, hőmérséklete az áramlás sebességétől függően változik. 7. kép 01. ápr. 0.-án készült eszköz-elhelyezési terv részlet 85 (A szerző felvétele) A mikroklímát-, és a lézerfény terjedését befolyásoló tényezőnek tekinthető a 7. képen látható épület tetőszerkezete felett kialakuló intenzív termikus hatás, amely a levegő páratartalmát (8. kép) és hőmérsékletét főként nyáron, több tíz fokkal is megnöveli és viszonylag hosszú időn keresztül magas értéken tartja a környező levegő hőmérsékletéhez képest. Mivel a lézersugár a 7. képen látható épület tetőgerince felett cm-re halad el, a légköri refrakció vizsgálatának szempontjából ez különleges adottságnak tekinthető, a következők miatt: Nyáron, napsütéses időben a tetőfelület alacsony reflektanciája miatt a a hőmérséklete a +47 C-ot is eléri és szélcsendes időben, a felette lévő 85 A képen, zöld vonallal jelölt lézerfény nyomvonal, csak illusztráció. 103

103 levegő olyan stabil, helyhez kötött állapotváltozása következik be, amelynek forrása a légmozgás hatására sem változtatja a helyét. A tetőfelület 6-8m-es hossza, a teljes (1)-(3) szakasznak nem több mint 1 / 55 1 / 60 - ad része, ezért az csaknem pontszerűnek tekinthető. Pontszerű intenzív termikus hatások előnyösen kihasználhatók a fény légköri terjedésének vizsgálatakor, főként akkor, amikor ez a hatás, a többszörös refrakció mérési hibát eredményező hatását is többszörösen meghaladja. Ott, ahol a lézerforrás fényének nyomvonala a tetőfelületet meghaladja, a fény nyomvonala mentén minden más épület tetőfelülete, több mint tíz-, távolabb még ennél is mélyebben található a völgyben. A nagy szintkülönbség kedvez az eltérő hőmérsékletű légtömegek kialakulásának és szélcsendes időben jelentős hőmérsékletkülönbséget eredményez a lézerfény nyomvonala mentén. 8. kép Erőteljes párolgás a tetőfelület felett (A szerző felvétele) Mivel a légköri jelenségek sztochasztikus jellege eleve megkérdőjelezte azt, hogy kimagasló eredményeket érjek el, a statisztikai alapú kiértékelés valamivel eredményessége érdekében, minden fényterjedést befolyásoló tényezőt igyekeztem figyelembe venni. A levegő hőmérsékletének körülbelüli meghatározása a lézerfény nyomvonala mentén lehetőséget adott arra, hogy azt a későbbiekben figyelembe tudjam venni a mérési eredmények kiértékelés során. Ott ahol lehetséges volt, a tereptárgyak; főként épületek tetőfelszínének hőmérsékletét, pontról pontra haladva megmértem, az adatokat a nap végén kigyűjtöttem és táblázatokba foglaltam. A tereptárgyak felszíni hőmérsékletének mérésével olyan többletinformációhoz 104

104 jutottam, amely segített az eszközelhelyezésben és a mérés eszközeinek beállításában is. A hőmérséklet mérésére egy Raytek márkájú RAYNGER II PLUS típusú távhőmérőt használtam (9. kép) [179] A mérési eredményeket a fény légköri refrakcióját értékelő diagramokban vettem figyelembe. A távhőmérő egy 0,9 mw teljesítményű He-Ne lézerrel egybeépített nagypontosságú, mérés-adatgyűjtőt is tartalmazó hordozható mérőműszer, amelynek segítségével a mérési adatok tárolhatók. A háttérsugárzás-, és a felszín emissziós tényező 86 helyes beállítása esetén, a távhőmérővel, 30m-en belül található tereptárgyak felszínének hőmérséklete ±,1 C pontossággal megmérhető, ha a távolság- tárgyméret arány 0 o megfelelő. Épületek és nagyobb méretű tereptárgyak esetében ez általában mindig teljesült. [178] 9. kép Az 1-es pont (10. kép) hőmérsékletének meghatározása hő-távméréssel. (A szerző felvétele) Amennyiben a szomszédos tereptárgyak emissziós tényezője és hőmérséklete közt kellőképpen nagy a különbség és a háttérsugárzás értéke nem túl magas, akkor kevésbé pontosan ugyan, de ennél jóval távolabb lévő tárgyak felszínének a 86 ε- emisziós tényező. A táv-hőmérő kezelési útmutatójában, három különböző hullámhosszra vonatkozóan, több más anyag emissziós tényezőjének értéke is megtalálható. 105

105 hőmérséklete is megmérhető. Amennyiben mérés közben, az emissziós tényező, vagy háttérsugárzás korrekciójára nincs szükség, a távhőmérővel percenként mérés is végezhető. Ezt a teljesítményt, a gyakori helyváltoztatások miatt nekem még nem sikerült elérni, de a nagy szintkülönbségeknek és a szabad rálátásnak köszönhetően olyan tereptárgyak felszínének a hőmérsékletét is sikerült megmérnem, amelyek más tulajdonában levő, bekerített telken belül álltak. Az adatgyűjtést előzetes terv alapján, körzetek-, a körzeteken belül mérési pontok és a mérőműszer helyének kijelölésével végeztem. (10. kép) A mérési helyek pontsorszerűen meghatározott sorrendjét részben az emissziós tényezők alapján határoztam meg azért, hogy minél kevesebb korrekcióra legyen szükség. A méréseket és az adatrögzítést a lehető legrövidebb idő alatt be kellett fejezni és csak addig lehetett végezni, ameddig a mérés körülményei lényegesen nem változtak. 10. kép A felszíni hőmérséklet mérésének terve (Forrás: Google Earth kiegészítve a szerző rajzával) A 10. képen az (1)-(3) mérési helyek közti szakaszon meghatározott körzetek-, és azon belül kijelölt a mérési pontok láthatók, amelyeken belül a tereptárgyak felszíni hőmérsékletét megmértem. A 18. ábrán látható grafikon a 013. július és októberi adatok felhasználásával készült. 106

106 18. ábra Hő-térkép diagramok (A szerző rajza) A grafikonon az 1 pontban felvett értékek, az 7. képen látható épület tetőfelületének a hőmérsékletét jelölik, míg a 6 pontban az (1)-(3) szakasz végén, az erdős területen felvett hőmérsékleti adatok olvashatók le. Megfigyelhető az, hogy az 1 el jelölt pont egy kiugróan magas hőmérsékletű hely, ami a lézerfény nyomvonala mentén egy viszonylag alacsony sűrűségű zónát jelent. Az épület nagy magassága miatt jelentős hőmérsékletkülönbséget mértem az épület északi fala és tetőfelülete között. A lézerfény változó hőmérsékletű- és sűrűségű légrétegen halad át, amelynek határán a terjedésének iránya megváltozik. A jelenséget mérési eredmények is alátámasztják, amelyekről a továbbiakban lesz szó. A hő-térkép adataiból létrehozott grafikonok alapján, következtetni lehet az (1) (3) szakasz mentén a levegő hőmérsékletének megváltozására. Megfigyelhető az, hogy amikor a tereptárgyak felszínének a hőmérséklete lecsökken, ősszel, a vizsgált szakasz végén (6 pont) a levegő hőmérséklete magasabb, mint a szakasz elején. Nyári időszakban a diagramokon a hőmérséklet balról jobbra haladva csökken, ősszel meg éppen fordítva. A jelenség vélhetően azzal magyarázható, hogy a szakasz végén a sziklás köves talaj hő-kapacitása nagyobb, mint a tereptárgyaké. 107

107 11. kép A szén-dioxid és a légszennyező anyagok elsődleges forrása (A szerző felvétele) Amíg a lézerforrás fénye az (1) pontból a (), vagy a (3) pontban elhelyezett mérő- vevőhöz ér, különböző hőmérsékletű, összetételű és eltérő mértékben szennyezett légtömegeken halad át. A levegő összetétele és szennyezőanyag tartalma évszaktól és a napszaktól függően változik. A szennyezőanyagok származhatnak az úttesten közlekedő gépjárművekből, a lakóépületek kéményeiből, de szilárd szennyezőanyagokat a légmozgások is magasba emelhetnek. A levegő széndioxid, szénmonoxid, stb. tartalmát télen főként a kéményeken keresztül szabadba áramló füstgáz-, nyáron kisebb mértékben ugyan, de az erdővel fedett területek nagyon nagy aránya növeli. [4][180] A szénmonoxidon, kéndioxidon, nitrogén-monoxidon, nitrogén-dioxidon, nitrogén-trioxidon, klóron, ózonon, stb., kívül a füstgázból származó széndioxid is szennyezőanyagnak tekinthető, ha égéstermékekkel távozik és a levegő összetételét jelentős mértékben befolyásolja. [181] (11. kép) A levegő több mint 99%-a nitrogénből és oxigénből áll. A két összetevő nagyon magas részaránya önmagában még nem jelenti azt, hogy ezekre alapozottan ne lehetne vizsgálni a fény légköri refrakcióját, de a kisebb arányban előforduló 108

108 gázok esetében ez kétségtelenül egyszerűbb. Az összetétel részarányát tekintve, sorrendben a következő az argon, amely a legnagyobb arányban fordul elő a levegőben. (1. sz. melléklet. táblázat) A fény légköri refrakciójának vizsgálatakor az argon részarányát sem vizsgálják a szakirodalmi források, csakúgy, mint az oxigénét és a nitrogénét sem. Nitrogén és argon, mérésére alkalmas érzékelőt nem találtam, oxigén mérőszonda és érzékelő ellenben könnyen beszerezhető. Az utóbbi savas elektrolit cellák formájában kerül kereskedelmi forgalomba, amelyeknek az élettartama sokkal rövidebb, mint a félvezető alapú érzékelőkké (1-1,5 év) és ráadásul az áruk is jóval magasabb. [18] [183] A fákkal, bokrokkal sűrűn benőtt területeken a reggeli órákban a széndioxid tartalom a napközbeni értéknek több mint a kétszerese is lehet, hozzáteszem nyáron. A fény légköri refrakcióját a széndioxid tartalom olyan mértékben befolyásolja, hogy ezt a tapasztalati összefüggések meghatározásánál a kutatók sem hagyhatták figyelmen kívül. A széndioxid hatása akkor vehető figyelembe, ha a fizikai tulajdonágai ismertek a Föld gravitációs terében. Ha nem csak a forrásának helye, hanem a gáz fizikai tulajdonságai is ismertek, akkor következtetni lehet a feldúsulásának a helyére, ami nagymértékben megkönnyítheti a mérési eredmények kiértékelését és általános érvényű következtetések levonását. A széndioxid egy két-atomos gáz, amelynek molekulamérete; d=0,460 nm, nagyobb, mint a nitrogéné (d=0,316nm), vagy oxigéné (d=0,96nm). (1. sz. melléklet 1. táblázat) A molekulák méretbeli különbsége csakúgy, mint a molekulasúly eleve eltérő fizikai tulajdonságokra utal. [184][185] A tiszta gáz viselkedését a gravitációs térben a sűrűsége határozza meg. Minekután a levegővel vegyülve keveréket alkot, felhígulásával a fizikai tulajdonságai is megváltoznak. Az alábbi egyszerű számítás segít abban, hogy következtetni lehessen a tiszta széndioxid viselkedésére. A széndioxid molekulatömege; kg CO = 44,01 kmol. M Egy köbméter széndioxid sűrűsége; g M 44,01 CO kg ρ CO = = mol = 1,963. (7) V 3 3 CO dm m,41 mol 109

109 Az 1. sz. melléklet 4. táblázatából kiolvasható, hogy a száraz levegő sűrűsége 1 atm kg kg nyomáson és 0 C- on; 1,5 ; 1 atm nyomáson és 10 C- on; 1,06 ; 1atm 3 3 m m kg nyomáson és 0 C-on; 1,164. Számítás útján is hasonló eredményre lehet jutni; 3 m [178] g g (0, , 79 8 ) 8,84 M mol mol kg lev. ρ lev. = = = = 1,87 (73) Vlev. dm dm m,41 mol A fenti számításokból következik az, hogy; lev.,41 mol ρ < ρ, tehát a tiszta széndioxid egy ülepedő gáz. Ha a széndioxid a levegővel 100:1 arányban keveredik (100 rész levegő:1 rész széndioxid) a gázkeverék sűrűsége még mindig nagyobb, mint a normál összetételű levegőé. Ez a magyarázata annak, hogy szélcsendes időben, a talajfelszín közelben a széndioxid koncentrációja jelentős mértékben megnő, függetlenül attól, hogy azt az éjszakai órákban a növények termelik nagyobb arányban, vagy mesterséges légszennyező forrásokból kerül a levegőbe. Az 5. képen bemutatott völgyekkel barázdált területen, a szél a szilárd légszennyező anyagokat, a port a magasabb helyekről magával ragadja, és a völgyek légterébe sodorja. A por, száraz időben, a fényterjedést az aeroszoloknál ismertetett formában befolyásolja. Az É-D irányú, erős légáramlás a szomszédos murvabánya m magas faláról gyakran jelentős mennyiségű kőport ragad magával. (16. ábra, (4)) Ennek az aeroszolnak a fényterjedést befolyásoló hatásával nem számoltam, de az eszköztervezésnél, a mérőszondákhoz való bejutásának megakadályozásáról gondoskodtam. 5.4 A lézerforrás átalakítása, kiegészítése Az emberi szem és a fényérzékelő elemek spektrális relatív érzékenységét karakterisztikákkal adják meg. A szem az 555 nm-es, zöld színű fényre a legérzékenyebb, de különbséget kell tenni a nappali, szürkületi és éjszakai spektrális érzékenység között, mert a relatív érték maximuma, a fényerő csökkenésével, a kisebb hullámhosszak (50-55 nm) felé tolódik el. [09] Ma több olyan félvezetőlézer is kapható, amelyek különböző hullámhosszon működnek. A zöld színű félvezetőlézer választását az is indokolta, hogy a mérő- CO 110

110 vevőben alkalmazott érzékelő, CCD sorkamera (TCD101D) válaszfüggvényének maximuma éppen 550 nm-nél van. [19] Az alkalmazott félvezetőlézer fényének divergenciája túl nagy volt, ami abban mutatkozott meg, hogy a fényfolt átmérője a forrástól négy-ötszáz méterre elhelyezett ernyőn, a 300 mm-t meghaladta. Ez azért jelentett problémát, mert a mérő-vevőn és ernyőn kialakított 10cm-es rés két vége, amelyen keresztül a lézer fénye az érzékelőig eljutott a fényfolt Gauss görbe szerinti eloszlása szerinti maximumának alsó-, és minimumának felső határát nem érte el, ami a mérőprogram működése szempontjából adatveszteségnek és az érzékenység csökkenésnek számított a feldolgozás során, emellett az eszközbeállítást is megnehezítette. A korábban ismertetett okok miatt, ami egy rugalmatlan és kötött eszközelhelyezést eredményezett, a lézerforrást és az ernyőt egymáshoz közelebb nem tudtam elhelyezni és ezzel a fényfolt átmérőjét az ernyőn, nem tudtam csökkenteni. Több lézerforrás beszerzése és a köztük lévő különbségek feltárása sem vezetett eredményre, ezért az optikájának átalakítása, kiegészítése mellett döntöttem. Az átalakítás szükségessé tette, hogy megismerjem a lézer kollimáló lencserendszerének a felépítését, ezért azt szétbontottam. (. kép). A lézerforrásból kilépő fénysugár átmérőjének pontos meghatározására nem törekedtem. Az alábbi számításokat 1mm átmérőjű fénysugárra vonatkoztatva végeztem el. A lézersugár divergenciája a 19. ábra alapján határozható meg: w( z ) λ 0, Θ = = = = 3, rad, (74) z π w0 π 0,5 Assziptótikus közelítést feltételezve, az 500 m távolságra elhelyezett ernyőn a fényfolt átmérője közelítően: w 5 4 ( z ) = = z Θ = , ,6 mm, (75) ami a mérésekkel közelítően megegyezik. Ez 338-szor nagyobb, mint az elméleti kilépő fénysugár átmérője. 111

111 Θ 19. ábra A lézerfény divergenciája [186] (A szerző rajza) A fényfolt átmérőjét az ernyőn (1. kép) többféleképpen is lehet csökkenteni, ezek közül a fénysugár-tágító, idegen szóval az expanderrel történő kiegészítése tűnt a legegyszerűbbnek, amelynek fókuszpontját tetszőlegesen be lehet állítani. Két típusa ismert; a Kepler-, és a Galilei- féle expander. Az 53 nm-es lézerforrás esetében, a kilépés helyén az 1 mm átmérőjű zöld lézersugár által előállított fényfolt sugara az 500 m távolságra elhelyezett ernyőn; [186] 1 / 1 / z w w 1 λ ( z ) 0 0,5 1 = + = + = 169,34159 mm w 0 ( 0,5) π π (76) A Galilei típusú fénynyaláb tágító használatával, az optimális sugárátmérő; w 1 / 5 1 / 0 ( opt ) = λ z = π = π 18,4033 mm, (77) 0,83 10 mm mm 0. ábra Fénynyaláb tágító (expandáló) és fókuszáló lencserendszer felépítése [186] (A szerző rajza) Ez azt jelenti, hogy a 18,4 szeresére tágított lézernyalábot, a távolság felénél fókuszálva a fényfolt átmérője az ernyőn elvileg; 338,68318 mm-re beállítható. 11

112 A 0. ábrán látható Galilei típusú expanderrel, a fényfolt átmérőjét a forrástól 500 m-re elhelyezett ernyőn, 53 nm-es lézerfény esetén, elvileg 1,16 % -kal, 97 mm-re lehet csökkenteni, ami még mindig több mint a figyelembe vett; 50 mm-es maximum, amire ebben az esetben szükség lett volna. Ha a lencserendszer szögerősítése 10 körüli, akkor az átmérőt elvileg -ed részére is lehet csökkenteni, ami 39, 46 mm-t jelentett volna. Ez minden tekintetben megfelelő lett volna, de megvalósításának több akadálya is volt. Az egyik az, hogy a kilépő lézersugárnak az átmérője az 1 mm-t meghaladta, a másik a megfelelő szórólencse és vastaglencse hiánya. A szórólencse helyett a lézerforrás saját korrekciós lencséjét építettem be, aszimmetrikus bikonvex vastag lencse helyett csak szimmetrikus vékony lencsét tudtam beépíteni. 1. kép A lézerforrás fényének eloszlása az ernyőn (A szerző felvétele- jobb oldali kép A két lencséből megépített Galilei féle expanderrel a vártnál kisebb mértékben (kb. 17 %-kal) sikerült csökkenteni a fényfolt átmérőjét az ernyőn, mert nem a távolság felénél-, hanem annál rövidebb szakaszon sikerült a fókuszpontot beállítani. Emellett a kilépő lézersugár átmérője az 1mm-t meghaladta. A CCD sorkamera látószögében kialakított rés két végpontja között a mérések megkezdéséhez szükséges kontrasztarányt sikerült előállítani és ezt követően, az amúgy is nehezen meghatározható fényfolt átmérőnek a továbbiakban nem volt jelentősége, pontos meghatározására nem törekedtem. 113

113 5.5 Modulált lézerfény előállítása A levegőben lévő por, szennyezőanyagok és vízgőz miatt, a folyamatosan működő lézerforrás fényének nyomvonala szabad szemmel is látható a levegőben, főként szürkületkor és sötétedés után. Mivel a lézerfény forgalmas, meredek lejtős utca-, főút-, és lakott településrész felett halad át, a folyamatosan működő forrás nagyon feltűnő lett volna, ezen kívül a hűtéséről is gondoskodni kellett volna, azt követően, hogy a fényteljesítményét megnöveltem. Ez jelentős többletfeladatot jelentett volna, mindamellett, hogy a lézer élettartamát is jelentős mértékben csökkentette volna. A nagyobb fényteljesítményt a lézerdióda gerjesztő áramának megnövelésével értem el. A lézer hűtését egy szorítóbilinccsel ellátott alumínium övvel oldottam meg, amely jó hővezetést biztosított, mindamellett, hogy szilárdan rögzítette a helyén (16. kép) 13. kép Modulált fény előállítására alkalmas átalakított lézerpointerek (A szerző felvétele) A nagyobb fényteljesítményre azért volt szükség, hogy gyenge ködben, esőben, vagy reggeli gyenge ködben a fényforrás és a mérő-vevő közti kapcsolat lehetőleg ne szakadjon meg. A lézer modulásásának többféle technikai megoldása létezik, ezek közül a legegyszerűbb a ki-és bekapcsolás, idegen szóval: OOK (On Off Keying). [187] A lézerforrás fényének modulálásához tanulmányoztam a vezérlő elektronikájának a felépítését, működését és feltártam azokat a lehetőségeket, amelyekkel az említett feladat megoldható. [66] A lézer, kereskedelemben 114

114 kapható mutató eszköz, amelyet céljaimnak megfelelően átalakítottam, csatlakozót alakítottam ki rajta. (13. kép) Ezt követően oszcilloszkópos méréssel megmértem a lézerdióda feléledésének idejét, ami a vezérlőjel legmagasabb frekvenciáját is behatárolta. Az így kapott 17,3 ms, az optikai kimeneten mért jelfelfutási idő alapján meghatároztam a 1. ábrán látható moduláló jel paramétereit. 1. ábra A lézer moduláló jele (A szerző rajza) Az ábrán látható min -5 ms időtartamú impulzus ahhoz kell, hogy az optikai rezonátorban az állóhullám biztosan felépüljön. A kitöltési tényező nagy értéke ahhoz kell, hogy a modulált lézerforrás fénye a levegőben ne legyen látható. A lézert hosszú időn keresztül sikerült úgy üzemben tartani, hogy működésével nem hívta fel magára a figyelmet. A fényimpulzusoknak emellett más szerepük is van: A mérő-vevő egy optikai úton távvezérelt mérésadatgyűjtő, amelyben a mérési folyamatot a lézer által továbbított fényimpulzusok indítják el. A nagy relaxációs idő lehetővé teszi azt, hogy ameddig fényimpulzus nem érkezik, csak bizonyos funkciók működjenek, vagy az érzékelők jeleit dolgozza fel esetleg az adatokat továbbítása. 115

115 . ábra A lézerforrás vezérlő és adatletöltő áramköreinek tömbvázlata (A szerző rajza) Ez nem jelenti szükségszerűen azt, hogy először a szenzorok adatait kell továbbítsa ez idő alatt, mert a külső adatmemóriájának mérete kellőképpen nagy ahhoz, hogy eltárolja. A moduláló jel előállításhoz egy PIC18F USB vezérlőt is tartalmazó mikrokontrolleres áramkört terveztem és építettem. A programozott vezérlő előnye az, hogy bizonyos funkcióinak megváltoztatása, kiegészítése esetén, amennyiben a kiépítése lehetővé teszi, akkor csak a programját kell lecserélni. 14. kép A modulátor és a rövidhullámú rádióvevő (A szerző felvétele) 87 Programozható integrált áramkör- Mikrokontroller család 116

116 Az áramkör tömbvázlata a. ábrán látható. Jelenlegi formájában nagyon egyszerű feladatot lát el, ezért csak a legszükségesebb külső perifériákat tartalmazza. A beviteli perifériák egyike a K3 DIP kapcsolósor, amivel három különböző időzítés, más szóval relaxációs idő állítható be; 4 s, 40 s és 400 s. A modulátor dobozában kapott helyet a 7,1 MHz-en működő rövidhullámú rádióvevő. (14.kép) A rádióvevő a használaton kívüli modell távirányítóim egyikének vevőegysége, amelyet a 90-es évek elején terveztem és építettem. 88 Segítségével a több száz méterre található mérésadatgyűjtőből az adatok biztonságosan letölthetők. Az adatok egy USB 89 adattárolóra kerülnek. (16. képenjobb oldalon) Az adatok letöltése történhet szakaszosan, vagy folyamatosan. A kétféle üzemmódot a K kapcsolóval lehet kiválasztani. Az áramkörének a tápellátását egy kapcsolóval ki-, és bekapcsolható. 6 9V -os akkumulátorcsomag biztosítja. A lézerforrás a K1 5.6 A forrás rögzítésének és beállításának elemei A szabadtéri mérés eszközeinek a fejlesztését 01. február végén kezdtem. Elsőként a lézerforrás elhelyezésére szolgáló tartó-, és beállító szerkezetet készítettem el, azokból az anyagokból és alkatrészekből, amelyek a rendelkezésemre álltak. Ehhez a legszükségesebb fémmegmunkáló gépi és nyersanyagokkal rendelkeztem, ezért nem volt semmilyen akadálya annak, hogy az elképzelt és megtervezett alkatrészeket legyártsam, elkészítsem. A lézerforrás beállítását és rögzítését szolgáló forgatható tartószerkezetet, egy 3,5 m magas épület, vasbeton födémszerkezetén helyeztem el egy betonból készült talapzaton. (16. kép) A tartóállvány talpa 10 mm vastag acéllemezből készült, amelyen négy furat található. A talplemezt és a ráépített tartószerkezetet a furatokon átmenő, betonba ágyazott négy darab M1-es csavar rögzíti. A tartószerkezet váza egy 80 mm átmérőjű, 80 cm hosszú,5 mm falvastagságú acélcső, amelyet négy oldalról, pillérszerű merevítők erősítenek a talplemezhez. A csőváz tetejére erősítettem a beállító szerkezetet, amelynek a tetején található a lézerforrás. 88 RT 1994/3 89 Universal Serial Bus; Univerzális soros busz 117

117 15. kép Beállító rugós szerkezet felépítése (a szerző felvétele) A beállító szerkezet egy rugós mechanikai szerkezet, amelynek segítségével a lézerforrást a vízszinteshez képest legfeljebb 4 -kal meg lehet dönteni és függőleges tengelye körül 360 -kal el lehet forgatni. (15. kép) A szabadságfokok száma így 3+1, ami megegyezik a gömbcsukló szabadságfokainak számával, amennyiben az kiegészül a függőleges tengely mentén történő elfordulással is. A beállító szerkezet segítségével, a térképvázlaton jelölt helyről a lézersugárral a környező dombok bármelyik pontja célba vehető. A finombeállítást követően a lézer helyzete, csavarok segítségével rögzíthető. A beállító szerkezet felső részén látható, csapágyazott nagyobb méretű hengeres alkatrész, a rögzítő csavar fellazítása után, a lézerforrást a rögzítő sínnel együtt kézzel, a függőleges tengely mentén könnyen körbe forgatható. Amikor ez az alkatrész az alumíniumöntvényből készült csapágyházhoz rögzítve van és a sín előtt található rögzítő csavar fel van lazítva, akkor a sín tárcsaformájú talplemeze a hengeres acélalkatrészhez képest elfordítható, a palástfelületéből kiálló vízszintes beállító csavar segítségével; finom után-állítás. A csővázhoz rögzített tárcsa formájú alkatrészen keresztül négy, szimmetrikusan elhelyezett, finommenetű (M10x1,5) beállító csavar megy át, aminek segítségével az alumínium csapágyházzal összeépített tartólemez térbeli helyzete beállítható. A képen csak a külső előfeszítő 118

118 szeleprugók láthatók. A külső rugókkal, 14 db kisebb méretű rugó tart egyensúlyt, amelyek a 15. képen felül, a bal oldalon láthatók. 16. kép A forrás oldali eszközök elhelyezése (a szerző felvétele) Egy fordított U alakú talpas alkatrész segítségével, a beállító szerkezetre egy prizmás távcsövet szereltem. A távcsőnek a szerepe mindössze csak annyi, hogy megkönnyítse a lézerforrás beállítását. Segítségével a több száz méter távolságra elhelyezett ernyőn, a fényfolt helyzete vizsgálható. Törekedtem a beállítás és megfigyelés eszközeinek lehetőség szerinti egybeépítésére. A lézer beállítását és rögzítését követően, a 16. képen látható távcső leemelhető a tartószerkezetről. A tartó- és beállító szerkezet stabil és masszív felépítésének köszönhetően a forrás elállítódására nem kellett számítanom. 5.7 Következtetések Ismertettem a légköri refrakció mérésének elvét, a mérés eszközeinek elhelyezését, a kiválasztott helyszín mikroklímáját és kialakulásában szerepet játszó fontosabb légköri folyamatokat; Megvizsgáltam részben megfigyelésre-, részben mérésekre alapozottan a lézerfény nyomvonala mentén a termikus-, légköri pára-, és a szennyezőanyagok forrását, amelyek felelősek az állapotjelzők lokális és nagymértékű megváltozásáért. Figyelembevételükkel, az eszközelhelyezés 119

119 megtervezésénél feltételeztem azt, hogy hatásuk a lézerfény légköri refrakciójában kimutatható lesz; Ismertettem a lézerfény nyomvonala mentén a hőmérsékletadatok rögzítéséhez szükséges elő-tervek részleteit, felvételének eszközeit és eredményeit két olyan időszakra vonatkozóan, amelyeken belül reprezentatív mérési eredmények születtek. Ezek hangsúlyozzák annak fontosságát, hogy az egyes hatástényezők vizsgálata nem csak forrás és/vagy a vétel helyén, hanem a kettő közti térben is elengedhetetlenül szükséges lenne. Nem sikerült olyan automatizált mérési eljárást kidolgozni, amelynek segítségével a mérő-vevővel végzett mérésekkel egyidejűleg a lézerfény nyomvonala mentén az állapotjelzők megváltozását folyamatosan tudtam volna mérni és rögzíteni. Ennek következtében a távhőmérővel végzett mérések eredményeit csak néhány esetben tudtam figyelembe venni, ami általános következtetések levonását nem tette lehetővé. Megvizsgáltam annak lehetőségét, hogy a félvezetőlézer fényét a tápvezetékeken keresztül moduláljam, ehhez opto-elektronikai segédáramkört készítettem és méréseket végeztem, meghatároztam a moduláló jel fontosabb paramétereit, és mikrokontroller felhasználásával olyan programvezérelt áramkört terveztem és építettem, amelynek a modulátor funkció mellett az adatok letöltésében is fontos szerepe van; Megterveztem és megépítettem a lézerforrás rögzítéséhez és beállításához szükséges mechanikai tartó-, és beállító-szerkezeteket. A mérések során jelentkező több, más jellegű probléma és feladat megoldása nem tette lehetővé, hogy a mérés pontosságát kétségtelenül befolyásoló, fényfolt átmérő csökkentés kérdésére visszatérjek és azzal foglalkozzak. 10

120 6. FEJEZET A FÉNY LÉGKÖRI REFRAKCIÓJÁNAK VIZSGÁLATA A fény légköri refrakcióját befolyásoló állapotjelzők esetenként nagyon lassú változása, úgymint a légnyomás, páratartalom, stb. a mérés eszközeinek hosszú időn keresztül egy helyben maradását-, más esetben a gyors, vagy nagyon gyors folyamatok, mint amilyenek a termikus állapotváltozások egy része, a mérések gyakoriságának növelését teszik szükségessé. Mivel olyan szakirodalmi forrást nem találtam, amelynek a szerzője az általa kidolgozott mérési elvet, tapasztalatokat és eredményeket megosztotta volna és eszköz leírást sem találtam ebben a témában, saját fejlesztésű automatizált mérő-vevő és adatgyűjtő megtervezése és megépítése mellett döntöttem, részben meglévő, részben könnyen beszerezhető alkatrészekből. A fényfolt helyzete a 1. képen látható ernyőn, a nagyon kis elmozdulások és a fényenergia egyenlőtlen eloszlása miatt egyszerű hosszmérő nem vizsgálható, mert a kontúrvonalai annyira elmosódottak, hogy nem lehet kiválasztani azt a referenciapontot, amelyet figyelembe lehetne venni ahhoz, hogy mértékét meg lehessen határozni. Ami elsőre leküzdhetetlen hátránynak tűnt, egy olyan mérési módszer kidolgozására adott lehetőséget, amely esetében a fényenergia egyenlőtlen eloszlását sikerült előnyösen kihasználni a fényfolt helyváltozásának meghatározásához. Ehhez mindenekelőtt megfelelő optikai érzékelőre, vagy érzékelőkre-, gyors processzoros jelfeldolgozó eszközre-, és egy jól kidolgozott programalgoritmusra volt szükség. Processzoros fejlesztőeszközökből nincs hiány. A legkülönfélébb processzorokra épülő fejlesztőkészletek kaphatók, rendelhetők, amelyek ugyan nem olcsóak, de minden létező periféria kezelésére alkalmasak, érintőképernyővel rendelkeznek, kameraképeket rögzítenek, kártyafoglalatba helyezhető memóriakártyájukra adatok menthetők, segítségükkel az adatok továbbíthatók RF adatátviteli szabvány szerint (xbee), hálózatba köthetők, stb. Ilyen EMX processzoros modullal rendelkezek, amelyre Windows CE alatt futó alkalmazások fejleszthetők, telepíthetők, és amelynek a méretei még kisebbek is, mint a továbbiakban bemutatott saját fejlesztésű mérő-vevő és adatgyűjtő. [08] Amiért mégsem ezt a fejlesztőmodult használtan, annak több oka is volt. 11

121 Szeretném hangsúlyozni azt, hogy a gyakran említett mérő-vevő és adatgyűjtő nem egy eszköz, hanem egy eszközpár, ami a korábban ismertetett lézerforrás modulátorból-, a rádióvevőből és abból a mérő-vevőből áll, amelyről a továbbiakban bővebben is szó lesz. A lézertől m -re elhelyezett eszköz alkalmas arra, hogy önállóan gyűjtse és tárolja a mérés adatait, ebből a megfontolásból lett abba beépítve a valós időalap generátor (RTC), de az adatok biztonsága megkövetelte azt, hogy ott csak átmeneti-, a végleges biztonságos gyűjtése és tárolása pedig a lézerforrás telepítésének helyén történjen meg. Ennek következtében mindkét eszköz, a forrás és vevő is részt vesz az adatgyűjtésben és tárolásban. A 1. képen látható ernyő egy reflektív felület, amelyen a lézerfény filamentációjának 90 eredményeképpen kialakuló egyenlőtlen energia-eloszlás nyomán olyan fénypontokat hoz létre, amelyek egymástól elkülönülő képpontoknak tekinthetők. Mivel az ellenkezőjét nem bizonyítottam, a továbbiakban feltételeztem azt, hogy a képpontok egymáshoz viszonyított helyzete nem változik. Amennyiben a feltételezésem helytálló, akkor a fényfolt eltolódásának mértékére elvileg egy képpont elmozdulására alapozottan is meg lehetne határozni, abban az esetben, ha a kiválasztott képpont elmozdulása pontosan nyomon követhető. Az azonosítás szoftveres technikái léteznek, ki vannak dolgozva, a mozgásérzékelő biztonsági rendszerek adatrögzítőiben (DVR 91 ) megtalálhatók. Ezek a programok a mozgó objektum kiválasztott képelemének környezetét vizsgálják, mert csak így tudják azonosítani és követni a mozgását. A képpont környezetének vizsgálatára alapvetően azért van szükség, mert a CCD kamerák kivétel nélkül diszkrét, egymástól fizikailag is elkülönülő érzékelőelemekből épülnek fel és nem folytonos analóg érzékelőfelületek. Az elemi érzékelők sokaságából felépülő képérzékelőkhöz ráadásul elválaszthatatlanul hozzátartozik a diszkrét adatok feldolgozásának mai processzoros eszköze, a számítógép. A képpont követése a környezetében lévő képpontok relatív helyzete alapján határozható meg, mivel egy képpontra alapozott vizsgálat nem vezet eredményre. A 90 Szálasodás, szálakra bomlás idegen megfelelője. Ez felfogható úgy is, mint a forrásból kilépő fénynyaláb elemi fénysugarakra bomlása, de hozzá kell tennem azt, hogy az elemi fénysugár néhány fontos kritériumát nem teljesíti, ezért ez csak az értelmezést megkönnyítő hasonlat és nem analógia. 91 Digital Video Recorder: Digitális mozgókép rögzítő. 1

122 17. képen a lézerfény fényenergiájának eloszlása látható. A téglalapokon belül a képpontok eloszlása aszerint változik, hogy a képpontokból álló halmaz melyik részét határolják. Elhelyezésüktől függően a téglalap alakú területen belül található képpontok eloszlása lehet egyenletes, vagy egyenlőtlen. A behatárolt terület az ernyőn és a mérő-vevő dobozán kialakított résnek felel meg a továbbiakban. A képernyő egy kiválasztott területén a fényintenzitás a fénysűrűség függvényében megváltozik. A kettő kapcsolatát az 1.5 alfejezetben ismertetett exponenciális függvény írja le.(5) A függvényből a fényintenzitás és a fénysűrűség kapcsolatát kifejezve kapjuk; 1 P = w π I0, (78) ahol; w = w( z ) - a fénysugár keresztmetszete; P - a fénysűrűség I 0 - a fényintenzitás; A fénysűrűség és fényintenzitás közti nemlineáris kapcsolatot a fényfolt felületének figyelembevétele eredményezi a (78) -al jelölt függvényen belül. Ez csak akkor egyenletes eloszlás, ha a fényterjedés irányába fénysűrűség változás nem következik be. Ha a π w szorzat egy szenzorelem érzékelő felülete, akkor a fényintenzitás a fénysűrűség, más megfogalmazásban; a felületet érő elemi fénysugarak számának a függvénye. A felületét érő, fényintenzitással kifejezett, fénysűrűség megváltozás optikai szenzorokkal vizsgálható. Megfigyelhető az - ami egyébként az 4. ábrán látható Gauss-féle eloszlásból is következik-, hogy az ernyő egy megfelelően kiválasztott, helyhez kötött területén a fénypontok átlagsűrűsége aszerint változik meg, hogy a fényfolt milyen irányba- és milyen mértékben mozdult el. (17. kép) A képen látható álló, vagy fekvő téglalappal határolt területen belül, annak hosszabb oldala mentén, a fénypontok átlagos sűrűsége akkor változik a legnagyobb mértékben, ha a fényfolt udvarát, vagy annak egy részét fogja át.. 13

123 17. kép A vizsgált terület behatárolása az energia-eloszlás függvényében (Forrás: [39]) A téglalapnak megfelelő rés helyzete alapvetően meghatározza azt, hogy milyen irányú elmozdulást lehet ilyen módon vizsgálni. Kétdimenziós érzékelőkkel a két tengely iránya történő vizsgálattal a fényfolt helyzete pontosan követhető és meghatározhatómivel a fénysugár közelítően kör keresztmetszetű és a fénysűrűség eloszlás egyenlőtlen egyirányú érzékelő-sorral az elmozdulás irányára pontosan nem lehet következtetni. Függőleges irányú elmozdulást az egyirányú érzékelő vízszintes irányú elmozdulásként érzékelhet, annak ellenére, hogy az elmozdulás irányvektorának nincs vízszintes irányú összetevője. Egydimenziós érzékelő-sorral csak akkor lehetne minden kétséget kizáróan megállapítani az elmozdulás irányát, ha a fénysugár nem kör-, hanem négyzet keresztmetszetű lenne és azon belül a fénysűrűség sugárirányú eloszlása egyenletes lenne. A körtől eltérő keresztmetszetű fénysugár profilt elő lehet állítani és alkalmaznak is, például anyagmegmunkálás céljára, de az sem felel meg a fenti követelményeknek. 6.1 Optikai érzékelő CCD sorkamerával Az optikai adó és vevő távolságától függően a millimétert, vagy ezt meghaladó fényfolt helyváltozást eredményező légköri állapotváltozások mellett sokkal gyakoribbak azok, amelyek a milliméter tört részének megfelelő eltolódást 14

124 eredményeznek. Ezt azokra az előzetes mérésekre alapozottan fogalmaztam meg korábban, amelyeknek célja az volt, hogy az érzékelőelem érzékenységét és felbontását meghatározzam. Félvezető alapú fényérzékelők, úgymint fotódiódák, vagy fotótranzisztorok és más hasonló diszkrét optikai félvezetők a fényintenzitás mérésre jól használhatók. A fényintenzitás mérése visszavezethető fényteljesítmény mérésre, de mint korábban is volt szó róla; a fényfolt eltolódását egy pont fényerősségének megváltozására alapozottan, nem lehet meghatározni. A fénypontok hely szerinti eloszlását és fényintenzitásának a megváltozását elegendő az ernyő egy kisebb területén vizsgálni és az egyes fénypontok fényerősségének átlagértékének figyelembevétele mellett más egyébre nincs is szükség, mint arra a referenciapontra, amelyhez viszonyítani lehet a fénypont pillanatnyi helyzetét. A referenciapont, amelyről szó volt az előző fejezet bevezetőjében nem egyéb, mint a rögzített helyzetű fényérzékelő, vagy a korábban említett téglalap, rés, amelyen keresztül a fényérzékelő elemekig eljut a lézerforrás fénye. A mérés pontossága megkövetelte azt, hogy minél nagyobb számú fénypont vizsgálata történjen meg egységnyi felületen, ezért diszkrét áramköri elemek formájában kapható optikai érzékelőkből, megfelelő elemsűrűségű kisméretű érzékelő-mezőt, vagy érzékelő-sort nem lehet összeállítani. Nagyfelbontású Webkamerák erre a célra egyáltalán nem alkalmasak, mert a fejlesztők a nagy felbontást ma nagyobbrészt szoftveres praktikák útján valósítják meg és a kamerák dobozán feltüntetett felbontásra vonatkozó számadatoknak egyre kevesebb közük van a képérzékelő elemek egységnyi felületen lévő számához. A szoftveres megoldások kikerülhetetlennek bizonyultak. Kétdimenziós CCD képérzékelők felhasználásához, processzoros rendszerbe illesztéséhez több tapasztalatra, nagyobb tervezői-, és programozói gyakorlatra lett volna szükség, mint amivel én jelenleg rendelkezek, arról nem is beszélve, hogy egy új, nagyobb teljesítményű processzor programozásának elsajátítása hosszú időt vett volna igénybe. Az eszközfejlesztés megkezdése előtt mérlegelnem kellett azt, hogy adott célra milyen áramköri elemek felhasználása a gazdaságos, léteznek-e kidolgozott sémák az adott feladatra és felhasználhatóak-e azok annak érdekében, hogy az eszköz-, és programfejlesztés minél kevesebb időt vegyen igénybe. Ott ahol ilyen volt, azt teszteltem és csak ezt 15

125 követően használtam fel a fejlesztés során. Sajnos csak néhány programelem felhasználására volt lehetőségem. Emellett mérlegeltem azt is, hogy hol van az a határ, ahol még gazdaságos az adott technológiát képviselő diszkrét áramköri elemeket felhasználása és honnantól kezdve kell más processzorcsaládot választani, vagy készen megvásárolható adott funkciójú modulokat beépíteni. Utóbbira nem volt példa, de a beépített, programozott FPGA bizonyos szempontból ilyennek tekinthető. 18. kép A CCD sorkamera forrása (A szerző felvétele) A fényterjedés irányváltozásának a méréséhez érzékelőelemként a CCD kamerák egydimenziós változatát, egy CCD sorkamerát használtam fel. [189][190] Néhány nevesebb gyártó sorkamerája különböző kivitelben és méretben ma a legtöbb lapolvasóban 9 megtalálható. A felhasznált sorkamerát az egyik MUSTEK márkájú kézi lapolvasómból szereltem ki, azt követően, hogy minden felhasználásához szükséges dokumentációt beszereztem hozzá. [191] A CCD sorkamera adatlapjának tanulmányozását és felhasználását megelőzte a puszta kíváncsiságtól sarkalt érdeklődés, amelynek során különböző forrásból származó olyan nagyszámú alkalmazást és véleményt ismertem meg, amelyek nagymértékben megkönnyítették az áramkörbe illesztését, és az első sikeres tesztek elvégzését. Az eszköz-, és adatvédelem fontosságát szem előtt tartva, törekedtem arra, hogy a mérő-vevő méretei a lehető legkisebbek legyenek, ezért amikor a 9 Szkennerben. 16

126 mérésadatgyűjtőt a másodszor újraterveztem és átépítettem, egyben kompaktabbá is tettem, aminek eredménye az lett, hogy a CCD szenzort a processzoros egységgel összeépítettem. A mérő-vevő érzékenységét a CCD sorkamera maximális felbontása határozza meg. A fekete-fehér szöveg és kép beolvasására alkalmas kézi szkennerről leolvasott maximális felbontás; 56 dpi. (18. kép) Ez nem egyezett az adatlapon található adatok felhasználásával az előzetes számításaim eredményével, ezért ennek az okát alaposabban is megvizsgáltam. A sorkamera (TCD 101D) a 14 µm-es érzékelő elemeivel, amelyből 048 db van benne, a 10 cm es eredeti átfogással dpi, tehát x nagyobb felbontásra is alkalmas lett volna, ha a gyártó nem butította volna le. Az érzékelőelemek fotódiódák, amelyek válaszfüggvényének grafikonja az eszköz adatlapjában megtalálható. [19] Ebből megállapítható az, hogy a fotódiódák érzékenységének a maximuma 550 nm-es hullámhosszon van, amire egyébként az is gyanút adott, hogy a kézi lapolvasó, a beolvasandó lapfelületet zöld színű fénnyel világította meg. 6. A mérő-vevő és adatgyűjtő felépítése, működése A sorkamera adatlapján megtalálható idődiagramokkal egyező vezérlőjelekkel az ernyő 10cm es szakaszán, egyenes vonal mentén elhelyezkedő képpontok fényerejéhez tartozó adatok viszonylag egyszerűen kinyerhetők. Az adatfeldolgozó algoritmustól függően lehetőség van kisebb, vagy nagyobb felbontás beállítására is, attól függően, hogy mekkora adatcsoportokon, milyen műveleteket végez a program. A mérő-vevő és adatgyűjtő tömbvázlata a 3. ábrán látható. Az áramkör központi egysége egy SAB80C535 típusú 8 bites A RISC 94 processzor. A 8 bites adatfeldolgozás esetén a legkisebb felbontást 56dpi ben határoztam meg. A kísérleti eszközben, a maximális felbontáshoz képest, a fele akkora felbontás használatára a következők miatt volt szükség: A 56 dpi 95 felbontás ebben az esetben 93 A kézi lapolvasó egyszeri végighúzásával 10cm széles szöveg, vagy kép beolvasására volt alkalmas. 94 Reduced Instruction Set Computer: Csökkentett utasítású egy lapkás mikroszámítógép, más szóval mikrovezérlő. 95 A dpi (dot per inch) az 1coll (5,4mm)-en a képpontok számát jelenti jelen esetben. 17

127 azt jelenti, hogy egy képpont mérete hozzávetőleg; 0,1 mm. Az egytized milliméteres felbontást kielégítőnek tűnt a fejlesztés kezdetén, figyelembe véve azt, hogy a program kisebb módosításával és cseréjével a felbontás bármikor a kétszeresére-, de a CCD sorkamera cseréjével (TCD1304AP-re), akár a 3,5szeresére is növelhető. [193]. A 19. képen látható kompakt kivitellel, amit a XILINX XC3064 típusú FPGA 96 -nak beépítésével, több olyan diszkrét logikai áramkört is sikerült kiváltani és helyettesíteni, amelyek a processzor hiányzó, belső perifériáit hivatottak helyettesíteni. [194] [195] A kiegészítő funkciókat is betöltő, FPGA-n belüli áramkörök szerepe; a 8 bites processzor regiszterméretéből adódó szerény teljesítmény megnövelése és a processzor tehermentesítése; a sorkamera sorfolytonos adatainak multiplexelése és beolvasásának elősegítése (regiszter, multiplexer funkciók); néhány további kiegészítő funkció, úgymint a ventilátor (légszivattyú) vezérlőjeleinek az processzortól független előállítása; a továbbítandó 10 bájtos adatkeret kezelésének a megkönnyítése, stb. 96 Field Programable Gate Area rövidítése. Ez egy olyan integrált áramkör, amely nagyszámú logikai áramköri funkciót betöltő cellát tartalmaz. A cellák kapcsolatot program segítségével lehet megtervezni és beállítani. Nagyszámú diszkrét logikai áramkör kiváltására kiválóan alkalmas. Kapacitásának a kihasználása csak bonyolult és drága fejlesztőkészletekkel lehetséges, minden más esetben a programozása bonyolult, nehézkes, hosszadalmas és az eredménye egyáltalán nem, vagy csak nehezen ellenőrizhető. 18

128 19

129 A mikrokontroller fogadja és feldolgozza a CCD sorkamera-, az érzékelők- valós idejű óra (RTC) jeleit. [199] A mérésadatgyűjtő bővíthető külső programmemóriával is (EP), amennyiben szükség van rá. A külső EEPROM típusú adatmemóriába (ED) kerülnek átmenetileg a kiértékelésre kerülő adatok, amelyeket soros, RS-3 szabvány szerinti porton keresztül kiolvashatók az eszközből, vagy ezen keresztül továbbíthatók. A levegő széndioxid tartalmát a mérő-vevő a 19. képen látható CDM4161A típusú, előkalibrált széndioxid érzékelő modul méri, amely úgyszintén a mérésadatgyűjtő dobozában kapott helyet. [196] A levegő széndioxid tartalmának ismerete önmagában kevés ahhoz, hogy a fény légköri refrakciójával kapcsolatos összefüggéseket vizsgálni lehessen, ezért a mérésadatgyűjtőt hőmérséklet (TS), páratartalom (HS) és légköri nyomás (PS) mérésére alkalmas érzékelőkkel egészítettem ki. Ezek a doboz előlapi részén kaptak helyet. A hőmérsékletet egy LM 35-, a páratartalmat HS-1100-, a légköri nyomást pedig egy MPXA4100A6U típusú kalibrált szenzor méri. [197][198][199] 19. kép A mérő-vevő és adatgyűjtő belső felépítése (A szerző felvétele) A hőmérséklet-, nyomás-, és páratartalom érzékelők a doboz belsejében nem helyezhetők el. A ventilátor funkciója az, hogy a külső térből a széndioxid érzékelőhöz szállítsa a levegőt, és biztosítsa a dobozon belül elhelyezett széndioxid érzékelő működtetéséhez szükséges légcserét. A ventilátor a dobozon belül kisebb 130

130 túlnyomást is hoz létre. nem tüntettem fel, mert a későbbi bővítésén kívül az áramkörben betöltött funkciója nem meghatározó. A. ábrán látható DIP kapcsolósor biztosítja azt, hogy a jelenlegieknél korszerűbb szenzorok is beépíthetők legyenek anélkül, hogy az áramkört újra kelljen tervezni, és építeni, vagy vezetékeket meg kelljen bontani. 0. kép Felhasználásra kész mérő-vevő és adatgyűjtő (A szerző felvétele) A mérésadatgyűjtőhöz jelenleg egy 9 tűs RS3 csatlakozón keresztül, 97 egy 7,1 MHz-en működő AM-FM rövidhullámú rádióadó 98 kapcsolódik, aminek feladata az, hogy rádióhullámok útján továbbítsa a dátum-, idő-, szenzorok által mért-, és a fényfolt eltolódásának relatív értékeiből és tárolt adatokból összeállított 10 bájtos adatcsomagot. Annak ellenére, hogy a fejlesztés kezdetétől fogva ismertek voltak számomra az egydimenziós sorkamera alkalmazásának hátrányai, a kísérleti mérés eszközébe csak egy sorkamerát tudtam beépíteni. A program, amelyről a következő alfejezetben bővebben is lesz szó, tovább fejlesztése esetén, a mérő-vevő és adatgyűjtő előlapján található RS 3 csatlakozó szinkron soros adatátviteli eszközként beállítható és a későbbiekben használható. A csatlakozóra egy második, külső sorkamera is csatlakoztatható, amely lehetővé teszi a fényfolt elmozdulásának vizsgálatát egy másik tengely irányába is. A 9 tűs csatlakozóra ettől függetlenül még az RF modul is 97 Az eredetileg soros szinkron adatátvitellel tervezett illesztő-felületből, a többszöri átépítést követően csak a csatlakozó maradt meg. 98 RT1994/ 131

131 csatlakoztatható, mert a 0. képen látható DIP kapcsolósor előlaphoz közelebb eső első 3 kapcsolójával a csatlakozó 3 kivezetésének a funkciója is beállítható. A mérésadatgyűjtő elektromos energiaellátása, a (PS) -el jelölt csatlakozón keresztül történik a 700mAh kapacitású ceruza akkumulátorokból összeállított 9-1V-os feszültségforrásból. Az áramkört kifejezetten kültéri használatra készült, időjárás viszontagságainak ellenálló, vezetékes telefoncsatlakozó dobozba építettem be. A por bejutását, a tömítésekkel és záródugókkal is ellátott dobozba a 0. képen látható porszűrő akadályozza meg. A doboz előlapi részén, a csatlakozóhelyeken a por bejutását a belső túlnyomás akadályozza meg. A hengerlencse (RL) (3. ábra) tengelyének irányába, a tükör-távtartóra ragasztva található az a szilícium alapú fényérzékelő elem (FD), (19. és 1. kép) amelynek a kimenetén megjelenő jel indítja el a mintavételezés-mérés és adatrögzítés folyamatát, amint a lézerforrás a mérő-vevő dobozán kialakított ablakot megvilágítja. A fényérzékelő elemnek más funkciója is van. Érzékeli a nappali háttérfényt, érzékelőeleme annak a részben hardver-, részben szoftver úton megvalósított adaptív szabályozásnak, amely a háttérfénnyel arányos jelt állít elő. Két mérési ciklus között ennek a jelnek a tárolt állandósult értékét vizsgálja a processzor és a lézerfény érzékeléshez szükséges komparálási küszöbszintet aszerint változtatja meg, hogy az nő, vagy csökken, ezzel igyekszik a zavaró hatását kiküszöbölni. Amennyiben erős napsütésben a háttérfény erőssége meghaladja azt a szintet, amelynél a lézerfény intenzitása és a CCD sorkamera spektrális szelektivitásának együttes hatása sem teszi lehetővé a forrás fényének érzékelését, a vakítás következtében a mérési folyamat megszakad. Ameddig a mérő-vevőt a keleti domboldalról, az (1) mérőhelyről, a déli fekvésű domboldalra, a () mérőhelyre nem helyeztem át (16. ábra) a fent említett jelenség elég gyakran előfordult, főként késő délutáni órákban, napnyugta előtt, amikor a keleti domboldalt merőlegesen érték a napsugarak. Ennek a veszélye, a mérés helyszínének bemutatása során ismertetett okok miatt, télen nem állt fenn. A mérési adatok kiértékelésénél a mérési folyamat leállásának, megszakadásának következményeire majd még visszatérek. 13

132 A mérőhely áthelyezésére nem csak az előbb említett okok miatt került sor. Nem elég körültekintően megtervezett eszközelhelyezés kockázataival és veszélyeivel korábban foglalkoztam. 6.3 A hengerlencse méretezése és beállítása A lézerforrás fénye az ernyőn és a mérés-adatgyűjtő dobozán kialakított 10,5 cm-hosszú résen keresztül elsőként a 1. képen látható hengerlencsét-, majd ezen áthaladva, távtartókkal az áramkörlemezre rögzített tükörtartóba foglalt, 45 -ba beállított tükröt éri el. A hengerlencse egy nagyon keskeny, vonalszerű képet állít elő, megakadályozza a fény szóródását és azt, hogy a fény a tükör megkerülésével jusson el a sorkamerába. [00] Amennyiben a doboz belsejébe bejutó fény ellenőrizhetetlenül terjed, zavaró hatást eredményez, és értékelhetetlenné teszi az adatokat, vagy működésképtelenné teszi az eszközt. A tükröt a műanyagból készült tükörtartóval együtt a kézi lapolvasóból szereltem ki (18. kép) Mivel a lapolvasóban a fény, pontosan meghatározott úton, saját, stabil fényforrásból származik és a lap felületéről visszaverődve kerülhetett csak az érzékelőelemekbe, ott hengerlencsére nincs szükség. 1. kép A fény útja a mérő-vevőben (a szerző felvétele) A kézi lapolvasókban használt CCD kameráknak nagyon pontosan beállított lencserendszere van, amelynek a fókuszpontját a gyártó a bemásolandó lap felületére állította be. A mérő-vevőben történő felhasználása szükségessé tette volna az újbóli 133

133 beállítását. A sorkamera, a kiszerelését követően képet nem szolgáltat, ezért a képélességre csak az általa előállított adatsor elemzésével tudtam volna következtetni, amihez képmintára és referencia adatokra lett volna szükségem. Ami a kétdimenziós érzékelők esetében egyszerű feladat; képmegjelenítés-, szemrevételezés-, és néhány mozdulattal történő képélesség beállítás, az a sorkameráknál tesztkörnyezet és speciális mérőműszerek hiányában egy megoldhatatlan feladat. A szükséges laborfelszereléssel ugyan rendelkezem, de sokkal egyszerűbbnek tűnt az a megoldás, hogy az ismert fókusztávolságú objektív fókuszpontját a hengerlencse fókuszvonalába állítsam. A hengerlencse beépítésével az éles kép beállítása így bizonyult a legegyszerűbbnek, annál is inkább, mert a hengerlencse fókuszvonalának távolságán kívül minden adat a rendelkezésemre állt. A hengerlencse fókusztávolságát számítással határoztam meg. Kiszámításához mindenekelőtt ismernem kellett volna az anyagát, majd a törésmutatóját. A vastag lencsék mátrixából (79), ami transzlációs; jobb-, és baloldali mátrixok, valamint a refrakciós mátrixból; középső áll, kiszámíthatók a fősíkok helyzete. 1 0 hh 1 + d P 1 P 1 d( n 1 d( n / n 1 )P / n 3 ) + n 1 1 h [01] (79) / n3 0 1 A hengerlencsére vonatkozó (-h) és (h), úgynevezett transzlációs paraméterek ismeretében a fősíkok paraméterei is meghatározhatók, az alábbiak szerint; A 1, P 3 P P 1 3 = (1 / r )( n 1 = (1 / r )( n P = 1 / f = P 3 3 n 1 n + dp 1 ) / ) / P 3 n n 3 ; ; + ( n / n 3 )P 1. [01] (80) P és d paraméterek és a törésmutató ismeretében, (80) ből a hengerlencse (vastaglencse) fókusztávolságát ki lehet számítani. A törésmutató közvetlen mérésen alapuló meghatározására nem volt lehetőségem. Ennek oka egyfelől az volt, hogy refraktométerrel 99 nem rendelkezek és a jól ismert demonstratív módszer, amelyet a középiskolai fizikai órákon gyakran bemutatnak, a hengerlencséből eltávolítható és megmunkált darab viszonylag kis 99 Abbe, Fuess féle refraktométerek. Az utóbbi az Abbe féle refrektométer továbbfejlesztett változata. 134

134 mérete miatt nehezen lett volna alkalmazható, ezért a törésmutató meghatározásához egy közvetett mérési módszert dolgoztam ki A hengerlencse anyagának, törésmutatójának meghatározása A hengerlencse átmérőjénél valamivel nagyobb, 30 mm hosszú és vele megegyező anyagú, könnyebben kézbe vehető és megmunkálható végdarabjából, aszimmetrikus prizmát, éket dolgoztam ki. A vágás után a felületeket több megmunkálási művelet során csiszoltam, végül políroztam, majd a. képen látható műhelymikroszkóppal megmértem geometriai méreteit. Az ék szögei a következők ' voltak: = 30 o ' γ 48, = 6 o ' δ 16, ε = 86 o 48, alapél hossza; k=9,5 mm, magassága h=13,5 mm; (. kép). Mikroszkóp alatt, a tárgylemezre helyezett papírlapon golyóstollal néhány papírrostot megfestve, apró pontot rajzoltam. Az éket a legnagyobb oldalhosszához tartozó téglalap alakú felületével úgy helyeztem a papírlapon lévő pontra, hogy a 4. ábrán látható A, O és H pontok egybeessenek.. kép Műhelymikroszkóp és a mérés tárgya (a szerző felvétele) Az A pont az ábrán a megfigyelés helye. Az O pont a megfigyelés helyéhez legközelebb eső él, amelynek a közepére beállítottam a papírlapon lévő, H val 100 Ugyanezzel a módszerrel határoztam annak az ismeretlen anyagnak is a törésmutatóját, amelyből transzmissziós elven működő kompenzátort készítettem a zárttéri mérés eszközébe, az interferométerbe. 135

135 megjelölt pontot. Mivel a pont az ék ráhelyezésekor eltűnik, azon keresztül húzott, az O ponttal jelölt éllel egybeeső segédvonal sokat segített a beállításban. Az éken keresztül az A pontból vizsgálva a papírlapon lévő pontot, helyette két látszólagos képe jelenik meg a B és E pontokkal megjelölt helyeken. Az ék mellett a papírlapon megjelöltem a két pont látszólagos képének helyét, majd ezt követően leemeltem a papírlapról. A papír síkjával nagyobb szöget bezáró él mentén a pont látszólagos képe nagyobb, ( d ' ) távolságra-, míg a kisebb szöget bezáró él mentén a pont másik látszólagos képe kisebb, ( d ' 1) távolságra került a H ponton átmenő segédvonaltól. A két távolságot mikroszkóppal megmérve két olyan további adathoz jutottam, amelyek segítségével az ék anyagának a törésmutatóját ki tudtam számítani. Önmagában az egyik oldalon megjelenő kép is elegendő lehet a törésmutató kiszámításához, a másodikra azért volt szükség, hogy a kettőből képezett átlagértékkel a parallaxisból adódó hibát nagyobb mértékben tudjam kiküszöbölni. A parallaxis hibán kívül a mérés pontosságát az is befolyásolja, hogy a megfigyelés helyét nem lehet a végtelenbe helyezni. A pontosságot az ék geometriai méreteinek csökkentésével is lehet növelni, ekkor ugyanis a (d 1 ) és ( d ' 1) távolságok közti különbség csökken, de ezek a méretek természetesen nem lehetnek zérusak. A számítás további kiinduló adatai a következők voltak: d 1 =,37 mm, d =3,4 mm. A törésmutató kiszámításához szükséges összefüggések levezetését a továbbiakban részletesen ismertetem: 136

136 4. ábra A törésmutató mérésének elve (A szerző rajza) A belső szögek és a törésmutató meghatározásához az alábbi függvényekkel megadott egyenletek felírására van szükség: (,d,h) β = és = f ( γ,,d,h ). 1 f δ 1 A 3. ábra jelöléseival, az OHG > derékszögű háromszögből az a oldal; A (81)-at (8)-be behelyettesítve, kapjuk; n δ 1 h a = = 7, mm ; (81) tg δ b = k a ; (8) b =, mm. (83) Az OJH > háromszögben felírható a két háromszög hasonlósága, az alábbiak szerint; A (84)-ból x 1 -et kifejezve; x h x d 1 1 = A (85)-be az eddigieket behelyettesítve, kapjuk; 1 h b ; (84) h ( b d1 ) = ; (85) b x 1 = 1, mm. (86) 137

137 Felírható továbbá; d tg ( β ) = 1 γ 1 ; (87) x1 tgα ± tgβ tg( α ± β ) = ; (88) 1m tgα tgβ A (88) felhasználásával (87)- ból kifejezhető β 1, az alábbiak szerint; d1 tgγ x1 β 1 = arctg ; (89) d 1 tgγ + 1 x1 A behelyettesítés és a számítások elvégzése után kapjuk; β = o o ' 19, = 19 ; (90) 1 41 Ha a korábbiak szerint a megfigyelés helyét, az A pontot képzeletben a -be helyezzük, akkor ( α 1 γ ) 0, azaz α 1 γ. Ez könnyen igazolható is, de a szerkesztés alapján is következik. Ennek megfelelően: α o 1 = 30,8 A részeredmények ismeretében a Snellius Descartes törvényből kifejezve n * -t kiszámítható az ismeretlen anyag törésmutatója; n = n1 sinα sin β 1 ; (91) 1 ahol, n 1 a normál állapotú levegő törésmutatója; n 1 =1,00094, amelyet (90)-be helyettesítve; n = 1, A d -re vonatkozó egyenletek is felírhatók az alábbi függvénykapcsolatok figyelembevételével: (,d,h) f δ n δ β =, = f ( γ,,d,h ). tg( 90 A (93) ből kifejezve x -t kapjuk; ( x x ) + ( h x ) 1 d 1 (9) δ ) = ; (93) d tg ( β ) = x δ ; (94) x d = h ; (95) tg( 90 δ ) 138

138 A (94)-ból kifejezve d -t és (94)-be helyettesítve, a számítások elvégzése után, kapjuk; x =6, mm. (96) A (88) ismételt felhasználásával (94)- ból kifejezhető tgβ ; tgβ x tgδ d = ; (97) x + d tgδ A (97)-ból β -t kifejezve, kapjuk; d tgδ h ( ) d tg 90 δ β = arctg ( ) ; (98) d h + d tgδ tg 90 δ A (98)-be történő behelyettesítések és a számítások elvégzése után, kapjuk; β = o = o '. (99) 36, Ha az A pontot a -ben képzeljük el, akkor d ' és írhatjuk; tg ( β ) = = x d ' d d α ; (100) x A (100) ben a (88) ismételt felhasználásával, a két szög különbségének tangense felírható a szögfüggvények összegével és különbségével, amiből α kifejezhető. d + tgβ x α = arctg ; (101) d 1 tgβ x A (101)-ba behelyettesítve (96), (99) és d -t, α -re kapjuk; o o o ' α = = =. (10) 63, ,4 6 4 Figyelembe véve azt, hogy; α δ, a Snellius Descartes törvény ismételt felhasználásával kiszámítható n **. Így az ismeretlen anyag törésmutatója; n = A (103)-ba behelyettesítve, n ** -re kapjuk; n1 sinα sin β n = 1,51348, (103). (104) 139

139 A törésmutató számtani középértékét a következő összefüggés adja meg: n + n n = ; (105) A (9) és (104)-nál kiszámított értékeket behelyettesítve és a számításokat elvégezve, a törésmutató; n = 1, (106) Összehasonlítva néhány ismert műanyag törésmutatójával megállapítottam azt, hogy; n PC > n > n PMMA >n MA ahol; n PC - a polikarbonát törésmutatója, n PMMA - a polimetil-metakrilát, n MA a metakrilát (MA) törésmutatója. Az egyenlőtlenségben a számított érték a fehér fényre-, minden más az 53 nm-es monokromatikus, zöld fényre vonatkozó törésmutató érték. [07] A polikarbonát kimagaslóan nagy dn 1 kromatikus diszperziója miatt ( = 0,8510 ) a másik kettővel ellentétben; dλ µ m 1 0,107 (MA) és µ m 1 0,03 (PMMA), arra enged következtetni, hogy egy µ m olyan anyagról van szó, amelynek a törésmutatója a monokromatikus fényre vonatkoztatott polimetil-metakrilát és polikarbonát között van, de a PMMA-hoz valamivel közelebb van, mint a polikarbonáthoz. Fehér fény esetében a PMMA törésmutatója feltehetően jól közelíti a számított értéket és az anyaga valószínűleg polimetil-metakrilát. [10] A (105)-ben meghatározott törésmutató értékét figyelembe véve, a behelyettesítéseket és számításokat elvégezve, az egyszerűsítést követően a hengerlencse fókusztávolsága: f 10mm, így a fókusztávolsága: 3,104 = d = 1,551 d A hengerlencse átmérője f = 15,51 mm. A 1. képen látható textilbakelitből készült két távtartó segítségével a CCD sorkamera fókusztávolságát a hengerlencse fókuszvonalába állítottam. A mérő-vevő és adatgyűjtő elhelyezése, rögzítése a vétel helyén a 3. képen látható. Az optikai csatorna vétel oldali eszközei két egymástól fizikailag is elkülönülő egységből állnak. A felső fehér fedelű, fekete színű dobozba van beépítve a mérővevő és a világosszürke dobozban a rövidhullámú rádióadó. (3. kép) A továbbítandó adatok az RS3 csatlakozón keresztül a rádióadó modulátorába kerülnek. A 140

140 rádióadó ~1 W teljesítményű rövidhullámú AM FM adó 101. Ugyanitt kapott helyet az akkumulátorcsomag is, amely mindkét egység tápellátását biztosítja. A két áramköri egységet csavarok rögzítik az ábrán látható zártszelvényből készült talpas tartószerkezeten. A tartószerkezetet betonba ágyazott csavarokkal rögzítettem a 30 cm mélyen alapozott beton talapzaton. [05] A beállítást megelőzően ugyanerre a tartóra szereltem fel a jobb felső képen látható táblát, amely fényvisszaverő fehér festékkel van lefestve. Az ernyőn kialakított vízszintes rés pontosan egybeesik a bal felső képen látható mérésadatgyűjtő dobozán kialakított réssel, közvetlenül a doboz hátlapján kialakított felső merevítő borda felett. Az ernyő csak a beállításhoz kellett, azt követően leszereltem és a helyben maradó eszközöket, amennyire lehetett ágakkal takartam és a lehetőségekhez képest álcáztam. 6.4 Következtetések 3. kép Telepített mérő-vevő és adatgyűjtő a vétel helyén (A szerző felvétele) Tájékozódtam az 5-8Mpixeles CCD kamerák képfeldolgozási technikáival kapcsolatban, annak érdekében, hogy az EMX processzoros modullal felépített fejlesztőkészletet fel tudjak használni a lézerforrás által, az ernyőn előállított fényfolt helyváltoztatásának vizsgálatára, de arra a következtetésre jutottam, hogy az utóbbi időben a felbontás látszólagos növelésében alkalmazott szoftveres technikák miatt a CCD kamerák erre a célra nem használhatók; 101 RT 1994/1-141

141 Nem törekedtem a mérő-vevő kísérleti változatában a kétdimenziós CCD képérzékelő-elemek felhasználására, főként azért, mert a rendszerbeillesztése csak lényegesen bonyolultabb mérőprogrammal-, és egyedi fejlesztésű processzoros eszközzel lett volna lehetséges amellett, hogy az adatfeldolgozás sebességének növelése, a jelenleginél nagyobb teljesítményű, de nem feltétlenül dsp 10 RISC processzor alkalmazását tette volna szükségessé; Nem vizsgáltam, és nem bizonyítottam, hogy az ernyőn megfigyelhető fénypontok egymáshoz viszonyított távolsága nem változik. Feltételezésem arra alapoztam, hogy a lézerfény filamentációja nyomán kialakuló fénysugarak tulajdonságai egymástól nem térnek el, kölcsönhatásuk a levegőt alkotó molekulákkal elhanyagolható, termikus és más hatást a fény nyomvonala mentén nem hoznak létre, amely a levegő törésmutatóját a fénynyalábon belül megváltoztatná. Hozzáteszem több ismert lézerfény terjedéssel kapcsolatos jelenség is bizonyítja ennek az ellenkezőjét, de az egyszerűbb programalgoritmus szükségessé tette, hogy ilyen és ehhez hasonló egyszerűsítéseket alkalmazzak; Megvizsgáltam azokat az optikai érzékelőket, amelyek segítségével a fényfolt egytized milliméteres elmozdulása is mérhető és azt találtam, hogy erre a célra a legalkalmasabbak a lapolvasókban használt CCD sorkamerák, amelyek felbontása típustól függően még meg is haladja azokat az igényeket, amelyek az érzékelőelemekkel kapcsolatban itt megfogalmazódnak; Rámutattam arra, hogy a fénysugár keresztmetszetének alakja és a fénysűrűség egyenlőtlen eloszlása miatt, a sorkamera által előállított adatokból nem lehet minden kétséget kizáróan következtetni a fényfolt elmozdulásának irányára. Az eszköz programjának továbbfejlesztése esetén egy második sorkamera illesztését is meg kell oldani a mérő-vevő előlapján található RS3 csatlakozón keresztül. Kidolgoztam és felhasználtam egy megfigyelésre és geometriai szerkesztésre alapozott közvetett mérési eljárást, ismeretlen összetételű 10 Digital Signal Processor jelentése: digitális jelfeldolgozó processzor. 14

142 áttetsző-, jellemzően könnyen megmunkálható műanyag törésmutatójának kiszámításához, amihez nincs szükség mesterséges fényforrásra, csak pontos hossz-, és szögmérő műszerekre; Nem sikerült a napfény zavaró hatását teljes egészében kiküszöbölni és arra megfelelő védelmi eljárást kidolgozni. A fény belépésének helyén, a mérő-vevő dobozán elhelyezett színszűrő nem javított, hanem inkább rontott a sorkamera érzékenységén és a lézer fényerejének növelése sem tette lehetővé a mérő-vevő zavartalan működését minden körülmények között. Nem történt meg a tervezett GSM modul beépítése. Egy tirisztoros védőáramkörnek köszönhetően a telepfeszültség kritikus érték alá csökkenése nem veszélyezteti az áramköri elemek épségét, de a riasztó funkció teljes hiánya-, és a tápellátást biztosító telep viszonylag kis kapacitása miatti adatvesztés elég gyakran előfordult. 143

143 7. FEJEZET A MIKROVEZÉRLŐ PROGRAMJA A mérésadatgyűjtő hardvereleminek működéséhez, a processzor belső erőforrásainak használatához és rendszerbe illesztéséhez szükség van a programra, más szóval; szoftverre. Program nélkül nem valósulhat meg a mérő-vevő hardverelemeinek összehangolt működése, emellett a korábban ismertetett részegységek teljes, vagy részleges kihasználását is a program biztosítja. Működésének áttekintését főként az indokolja, hogy a hardver felépítésének vizsgálata során több olyan részlet is rejtve maradt, amelyek megismeréséhez elengedhetetlenül szükséges a program felépítésének érintőleges ismerete. A továbbiakban a teljesség igénye nélkül a program felépítésével foglalkozok, címszavakban felsorolom mindazokat a modulokat, amelyekből a teljes forráskód felépül. A mérő-vevő működését és továbbfejlesztését könnyen bővíthető, moduláris szerkezetű program biztosítja, amely Assembly programnyelven készült. A mikrovezérlő programja a következő funkcionális részekből épül fel: 1. A fotódetektor állapotát lekérdező programrész;. Sorkamera kezelő programrész; 3. Aritmetikai műveleteket végző programrész; 4. Széndioxid érzékelőt kezelő programrész; 5. Hőmérséklet mérésére szolgáló programrész; 6. Páratartalom vizsgáló programrész; 7. Légköri nyomást vizsgáló programrész; 8. Időalap lekérdezését és tárolását végző programrész; 9. Telepfeszültség ellenőrzését végző programrész; 10. A ventilátor részleges kezelését ellátó programrész. Az egyes programrészek végrehajtásának sorrendje az elágazásokban előírt feltételektől függően a fenti sorrenddel megegyezhet, de attól el is térhet. 144

144 1. A fotódetektor állapotát lekérdező programrész A programrész vizsgálja a fényérzékelő elem; (FD) állapotát, beolvassa a fényerősséggel arányos feszültségértéket, a 8 bites A/D átalakítója segítségével az analóg jelt digitális adatokká alakítja és tárolja. Ezt az adatot a háttérfény zavaró hatásának kiküszöböléséhez is felhasználja, ami az előző fejezetben is említett adaptív szabályozás által valósul meg. A fotódetektor jeleit feldolgozó komparátor kimenő jelszintje, a változó referenciafeszültségét meghaladó fényerőváltozás hatására akkor változik meg, amikor ez a jelszint a referenciafeszültséget meghaladja. A kimeneti jelszint váltást a processzor a mérés start jeleként értelmezi. A programon belül attól függően, hogy teljesül-e az előírt feltétel, vagy visszatér és a feltétel teljesüléséig ismétli az érzékelő lekérdezését, vagy kilép onnan és a program többi utasítását hajtja végre.. Sorkamera kezelő programrész Feladatai a következők: Előállítja az adatátvitelhez szükséges ütemező jeleket; Beolvassa az FPGA-ból a CCD sorkamera bájtos adatait; Az adatokat az adatmemóriába írja. A soros adatokat előállító CCD sorkamera egy önálló-, a mérésadatgyűjtő többi áramköri egységétől teljesen független, áramköri egység. Hibamentes adatátvitel csak akkor lehetséges, ha ezek szinkronban működnek. A szinkronizálás megszakításkezeléssel valósul meg, és ebben a CCD sorkamera a legmagasabb prioritású eszköz. A programrész csak az adatátvitelt szabályozó és engedélyező jeleket állítja elő. Amint az FPGA-n keresztül előállított adat rendelkezésre áll és stabil, azt a mikrovezérlő az A portján keresztül beolvassa és bájtonként az adatokat és a belső adatmemóriába írja. A CCD sorkamera minden képpontjához egy bájtnyi adat van hozzárendelve. Egy teljes sor kiolvasását követően KB-nyi adat keletkezik (048 képpont- 51 dpi). Ha percenként továbbít a lézerforrás egy fényimpulzust, akkor 4 óra alatt,88 MB nyi adat keletkezik. Hozzáteszem, ez az adatmennyiség csak a sorkamerából származik, és nem tartalmazza a dátum, idő, és a többi szenzor adatait. Ekkora 145

145 adatmennyiség tárolásához egyfelől nagyon nagy tárolókapacitásra lenne szükség, másfelől egy olyan utó- adatfeldolgozásra lenne szükség a letöltött adatokon, amelyeket a mikrokontroller is kényelmesen el tud végezni. A műveleteket, amelynek eredményeképpen ez az adatmennyiség végül 1,44KB/4 óra ra csökken, az aritmetikai programrészben részletezem. A processzor az adatmennyiség 000 szeres csökkentéséhez szükséges műveleteket kényelmesen el tudja végezni és az eltolódás mértékét megadó bájtos adatokat elő tudja állítani. Az eltolódás mértékét megadó adat előállítható; Egy bájtos egész számként, ahol a bináris egység 0,1mm-t jelent. Méréstartomány; 00,0-5,5 mm, pontosság; 0,1 mm. Fixpontos bájtos adatként, ahol az alsó 4 bit a tizedes részt, a felső 4 bit az egész részt adja. A két négy bites adatcsoportot képzeletbeli tizedes vessző választja el egymástól. Méréstartomány: 00, ,9375 mm, pontosság: 0,065 mm. A tizedes vesszőt a bináris/decimális átalakítást követően kerül elhelyezésre a megfelelő helyértéken. Az egy bájtos adatok tagolásán és értelmezésén következésképpen nagyon sok múlik. 3. Aritmetikai műveletek alprogram: Feladatai a következők: A CCD sorkamera érzékelőelemeit megvilágító, a fény erősségével arányos, egy képsornak megfelelő adatcsoporton (048 bájt) páronként aritmetikai-, és/vagy logikai, összehasonlító műveleteket végez. A műveletek eredményeképpen az 1 bájt adatot a külső adattárolóba írja. Ebben az egy bájtnyi adatban benne van az, hogy milyen mértékben és irányba mozdult el a fényfolt, a korábbi helyzetéhez képest. A külső adatmemóriából kiolvasott adatok egyik része a mindenkori relatív elmozdulásokat tartalmazza, amelyek a fényerőt leíró adatoktól teljesen függetlenek. Az utóbbiak felülírása a következő mérési ciklusban meg is történik. 146

146 A % relatív páratartalom változás hatására az időzítő számláló által előállított; 3 B 79 hexadecimális tartományba eső regisztertartalmat a hexadecimális tartománynak ( decimális) felelteti meg, más szóval transzformálja. Ez az értéktartomány a % relatív páratartalomnak felel meg. Az eredményt a külső adatmemóriába írja. 4. Széndioxid érzékelőt kezelő programrész: A széndioxid érzékelő által előállított ( 0,4 V 4,0 V ) 103 tartományba eső analóg jeleket digitalizálja és a külső adatmemóriába írja, csonka x8 bit (1 bit). [0] 5. Hőmérséklet mérésére szolgáló programrész, A hő-érzékelő (10 mv/ C) kimenő analóg jelét egy CA3130A műveleti erősítő erősíti. A digitalizált analóg jeleket a külső adatmemóriába írja. [03] 6. Páratartalom mérésére szolgáló programrész, A % relatív páratartalom változás hatására az érzékelőelemen pf kapacitásváltozás jön létre, amelyet a nagyfrekvenciás oszcillátor; 0 MHz-es órajelének felhasználásával változó amplitúdójú analóg jelekké alakít. A jeleket digitalizálja és a 8 bites (7 bites) adatokat a külső adatmemóriába ír. 7. Légköri nyomást kezelő programrész, A nyomásérzékelő kpa tartományban 0,3 4,9 V egyenfeszültséget állít elő, amelyet a processzor 8 bites A/D 104 átalakítója alakít át bájtos adatokká. A programrész ezeket az adatokat beolvassa és a külső memóriába írja. 8. Időalap kezelő és tároló programrész, Feladata a maszkolható megszakítással kezelhető DS1R885 típusú valós idejű óra, (RTC) 105 párhuzamos, bájtos adatainak fogadása és külső adatmemóriába írása. [04] ppm széndioxid koncentrációnak felel meg. (1ppm = 10-4 %) 104 A/D jelentése; analóg- digitális konverter. A processzoron belüli, vagy kívüli áramköri egység, amely az analóg jeleket digitális jelekké alakítja. (lásd. a processzor adatlapját) 105 A Real Time Clock angol kifejezés kezdőbetűiből alkotott mozaikszó. 147

147 9. Telepfeszültség ellenőrző programrész, Feladata, hogy jelezze azt, ha a 9-1V-os akkumulátorcsomag kapocsfeszültsége a kritikus; 7,6 V alá csökkent. Ez az a küszöbérték, amely alatt a mérést és adattárolást fel kell függeszteni. A telep kapocsfeszültségét a processzor az A/D átalakítón keresztül vizsgálja. Ha az akkumulátor csomag kapocsfeszültsége az említett érték alá csökkent, akkor a 1. képen látható nagyobb méretű LED világít, jelezve azt, hogy az akkumulátorokat fel kell tölteni, vagy ki kell cserélni. A riasztást kiváltó programrész, amely a mérő-vevő programcseréjét követően a vészjelzés továbbítására is alkalmas lesz, időben jelzi majd, ha a telepfeszültség közelíti a kritikus küszöbértéket. Ez a programrész még nem készült el. A fotódetektor (FD) állapotát lekérdező programrészhez hasonlóan, ebben az esetben is egy feltételes elágazásra adódik át a vezérlés, amely feltételtől függően (telepfeszültség nagyobb, vagy kisebb a kritikus értéknél) engedi a mérőprogram futását, vagy tiltja és a LED-et felkapcsolja. A programcserével ennek a programrésznek a prioritása megváltozik. 10. Ventilátor kezelő programrész, A széndioxid érzékelő modul válaszidejét figyelembe véve, a levegőt szakaszosan áramoltatni kell a közelében. A processzor egy adaptív vezérlést valósít meg, azáltal, hogy a programrész, vizsgálja két megvilágítás közt eltelt időt. A következő megvilágítást megelőzően 1 másodperccel a ventilátort öt másodpercig működteti. Erre energiatakarékossági okok miatt volt szükség, arra az esetre, ha az eszköz hosszú ideig egy helyben maradhat. A mérés adatgyűjtő viszonylag magas áramfelvétele miatt ez a funkció hasznosnak bizonyult az eddigiek során 7.1 Az adatkeret felépítése, szerkezete A fényfolt eltolódásának mértékét a mérőprogram nem egész-, hanem fixpontos számként állítja elő nemcsak azért, mert az egy bájtnyi adat pontossága így nagyobb, hanem azért is, mert a sorkamera maximális felbontásának kihasználása esetén (51 dpi), erre az adatformátumra a későbbiekben is szükség lesz. A mérőprogram azt követően, hogy a CCD sorkamera egy adatsorát kiolvasta, az 1kBnyi adatot későbbi műveletvégzés céljából átmenetileg az adattárolójába írja. A 148

148 következő képpont-sor beolvasása után, ezen-, és a korábban beolvasott adatokon aritmetikai és logikai műveleteket végez. A műveletek végső eredménye a korábban említett 1bájt, ami azt adja meg, hogy milyen irányba-, és hány tized milliméterrel tolódott el a fényfolt, a korábbi helyzetéhez képest. 5. ábra Egy 10 bájtos adatkeret felépítése (A szerző rajza) Az érzékelők, az RTC, és a sorkamera által szolgáltatott adatokat a mikrovezérlő rögzített hosszúságú adatkeretekbe foglalja. Egy sornak megfelelő adatkeret (frame) felépítése a 5. ábrán látható. A sorfolytonos bináris adatok egyelőre még csak aszinkron adatátvitel útján továbbíthatók. Az adatátvitel módját a mérő-vevőben egyébként a későbbiekben kapcsolóval lehet majd kiválasztani. A K1 kapcsoló állásától függően, (6. ábra) a lézerforrás által előállított x1s időtartamú fényimpulzus vagy indítja a mérési periódust követően az adatletöltést, vagy sem. Ha a K kapcsoló érintkezői tartósan zárt állapotban vannak, akkor kézi beavatkozásra vár és a mérési periódust követően nem történik meg automatikusan az adatátvitel. Ha a K kapcsolót s-on belül legalább kétszer ki és bekapcsolom, csak akkor történik meg az adatok továbbítása. Ez az úgynevezett szerviz üzemmód, ami lehetőséget ad a kézi beavatkozásra és a mérés-adattovábbítás ütemezésre. Így a fényforrástól távol, a vétel helyén is lehet méréseket, megfigyeléseket végezni. Megjegyzem, a rádióadó és vevő párral a lézerforrás távvezérlésére is van lehetőség. 149

149 Amennyiben a K kapcsoló érintkezői tartósan nyitott állapotban vannak, akkor az adatok átvitele minden mérési periódust követően automatikusan megtörténik. A továbbított adatok a vétel helyén egy 18 MB-os külső adathordozóra kerülnek. (16. kép) 1A 1C D7 1A 1C D7 1A 1C D7 1A 1C D7 6. ábra Adatátvitel szinkronizálása (A szerző rajza) 7. Mérési adatok kiértékelése és feldolgozása Az eszközfejlesztés első szakaszának befejezését követően (01. október- november) üzembe helyeztem a mérés eszközeit és elvégeztem az első próbaméréseket. Az adatmentés kezdetleges formája miatt a mérésadatgyűjtő által tárolt adatok csak egy részét sikerült ekkor még tárolni. A 01. november és 013. március közti időszakból a folyamatos eszközfejlesztés és a gyakori adatvesztések miatt viszonylag kevés értékelhető adat maradt meg, de azok is alkalmasak voltak arra, hogy a fejlesztés irányát meghatározzák. Ez követően a mérésadatgyűjtőt további érzékelőkkel egészítettem ki, ami a mérőprogram gyakori változtatását és cseréjét is szükségessé tette. Minden újabb szenzorral történő bővítés, a korábban ismertetett adatformátum átalakításával járt együtt. A mérésadatgyűjtő többszöri átépítése, időben elhúzódó fejlesztést eredményezett. 150

150 7. ábra Adatgyűjtési periódusok (A szerző rajza) Folyamatos méréseket csak 013. április közepétől kezdődően tudtam végezni. A mérések második szakaszát 014. január 31.-én fejeztem be. (7. ábra) Ebben a mérési időszakban jelentős mennyiségű adat keletkezett, aminek feldolgozását gépesítenem kellett. A feldolgozás során az adathalmazt tagolni kellett és el kellett végezni a szükséges átalakításokat. Az alább látható, 80 bit hosszúságú, összefüggő bináris adatsor ebben a formában még értelmezhetetlen. Az adatsorból akkor lesz általunk is értelmezhető információ, ha kellőképpen tagolt, decimális számalakot ölt és kiegészül a szükséges mértékegységekkel, az alábbiak szerint: évszám; a 13 decimális szám megfelelője, ami a 013 évnek felel meg, hónap; a 7 decimális szám megfelelője, amely a 7. hónapot, azaz júliust jelenti, nap; 13 decimális számot jelenti, a dátum napja, óra; 1, perc; 4, másodperc; 5, 1 - eltolódás iránya (előjelbit); 1 jelentése; negatív, azaz balra tolódott el, eltolódás mértéke (egész rész); jelentése; mm-rel, eltolódás mértéke (tört rész); jelentése; 0,5 mm, azaz összesen, mm-rel, 151

151 0 - hőmérséklet előjelbit; 0 jelentése; pozitív, hőmérséklet (egész rész); 3 C, hőmérséklet (törtrész); 0,75 C, azaz összesen; 3,7 C, relatív páratartalom; 50 %, széndioxid tartalom; 513 ppm, légköri nyomás; 1014 hpa. Ez a 013. július 13.-án 1 óra 4 perc és 5mp-kor egy próbamérés során az első olyan rögzített adatsor, amely tartalmazza; a relatív fényfolt eltolódást, hőmérsékletet, páratartalmat, széndioxid tartalmat és relatív légnyomás adatait a 10 bájtos adatkeretbe foglalva. Az 5. sz. mellékletben későbbi, folyamatos mérés során rögzített adatok látható, amelyben eddig tisztázatlan okok miatt, elég sok hiba fordult elő. Vélhetően RF interferencia következtében szakadt meg átmenetileg a rádiókapcsolat Mérési eredmények értékelése Az adatok további feldolgozását Excel táblázatkezelőben végeztem. Egy előfeldolgozást követően, a táblázat függvényei segítségével az adatsorokat a fentiek szerint, tagolt adatcsoportokká alakítottam, majd bitekre bontottam. A biteket segédcellákban helyeztem el és a cella csoportok adatain elvégeztem a bináris decimális átalakítást. (6. sz. melléklet) A segédtábla, noha feleslegesnek tűnik, használatával egyszerűbb és áttekinthetőbb volt a fejlesztést, mint a jóval tömörebb, viszont nehezebben áttekinthető, összetett függvények esetében. A 6. sz. melléklet, eredménytáblázatába foglalt relatív értékek a következőképpen értelmezhetők: A 4. táblázatban egy másik periódusra vonatkozó néhány adatot tüntettem fel, amelynek utolsó előtti oszlopában a relatív pozíciót 0-ra állítottam, annak érdekében, hogy a 8. ábra, is egyszerűbb legyen. Az ábrán a látható nyilak a fényfolt mozgásának útvonalát jelölik, amelyek a koordinátarendszerben az elmozdulás irányvektorainak is tekinthetők. A kiindulás helye legyen A. A fényfolt az Eltol.mért oszlop adatai alapján a nyilakkal jelölt útvonalat járja be. Az oszlop első cellája tartlmazza bázisviszonyszámot, a további cellák a láncviszonyszámokat. 15

152 Az oszlop cellái két mérés közti helyváltoztatás vízszintes vetületének abszolút értékeit tartalmazzák. Ezekből az adatokból a Rel.eltol oszlopban, a táblázat kiszámolja a függőleges tengelyhez viszonyított eltolódás mértékét. A számítás, differenciaképzés eredménye a 8. ábrán is látható. Fontosnak tartom megjegyezni, hogy a bázis, amit az ábrán a függőleges tengely jelöl nem más, mint a rögzített CCD sorkamera, vagy az a referencia pont, amelyről szó volt a mérési elv tisztázásánál, az 5. fejezet első alfejezetében. A mérések eredményei azt mutatják, hogy a lézerfény refrakciójának iránya és mértéke kiszámíthatatlanul változik, az eltolódást leíró alapadatok és az állapotjelzők változása közt látszólag semmilyen összefüggés sincs. Ha viszont alaposabban megvizsgáljuk a 6. melléklet 4. táblázatának Rel. eltol oszlopában lévő differtenciaképzést követő, előjeles bázis adatokat, nem nehéz felismerni a leggyakoribb törvényszerűséget, ami a sztochasztikus rendszereket jellemzi, ez a periodicitás. A cellák kitöltésénél színeket használtam és néhány színárnyalattal megjelöltem a negatív-, és pozitív értékekhez tartozó maximumokat és minimumokat, valamint a közbenső értékeket, így sikerült még jobban kiemeli az említett kapcsolatot. 4. táblázat: A differenciaképzés alapadatai. 7.. Mérési eredmények feldolgozásának statisztikai eszközei A mérés, más szóval mintavételezés a; 0 t < ; (107) 1 < t < t3 <... < tn 1 tn diszkrét időpillanatokban történik, korábban meghatározott gyakorisággal. 153

153 Két mérés közt nincs adatgyűjtés, ami annak gondolatát veti fel, hogy emiatt jelentős adatvesztés következik be. Ez akár meg is kérdőjelezhetné a mérés értelmét, az adatok és eszközeinek használhatóságát. 8. ábra A relatív elmozdulások vektorábrája (A szerző rajza Igaz, hogy két mérés közt nincs mintavételezés, mi több az is egészen biztos, hogy ez idő alatt a fényterjedés iránya többször is megváltozik, de ez még nem elég ok arra, hogy a mért-, és kiszámolt adatok felhasználhatóságát megkérdőjelezzük. Ennek oka a következő: 154

154 A bázishoz 106 viszonyított relatív értékek kiszámításának alapja egy függőségi 107 viszonyt feltételezett, ami azt sejteti, hogy amennyiben időközben a fénysugár terjedésének irányszöge megváltozik, akkor a korábbi értékek felhasználásával a továbbiakban a mozgása már nem követhető és a pozíciója nem határozható meg. A mozgása valóban nem követhető, de a bázishoz viszonított pillanatnyi relatív helyzete a korábbi értékek felhasználásával pontosan meghatározható. A 8. ábra alapján ezt nem nehéz belátni. A pontozott nyilak és a B 1, B és B 3 közbenső pontok azt az útvonalat jelölik, amelyeket a fényfolt az ernyőn két mintavétel közt bejárt. A bázisponthoz viszonyított relatív értékek kiszámításával, a pontokkal jelölt útvonalnak és közbenső pozícióknak semmi jelentősége sincs a továbbiakban, sem a mérést, sem pedig a további számításokat nem befolyásolja. A mintavételezés gyakoriságának növelésével természetszerűen a közbenső relatív pozíciók is képbe kerülnek és felhasználhatók a további számításokhoz, ami kétségtelenül előnyös, mert hozzájárul ahhoz, hogy az esemény kimenetelét nagyobb valószínűséggel meg lehessen határozni. A feldolgozás eredményeképpen kapott relatív értékek szignifikánsnak tekinthetők mivel a különbségek kimutathatók és bár a szórás elég nagy, a különbségek kimutatásához szükséges elemek száma kellőképpen nagy. A valószínűségelmélet terminológiáját használva közelebb kerülünk az adatfeldolgozás eszközének, vagy eszközeinek meghatározásához. A mérés eredményeit eseményeknek tekintve, kijelenthető az, hogy ebben az esetben minden esemény megtörténtéhez csak egy időpont rendelhető, ami alapvetően a sztochasztikus folyamatok jellemzője. [14] Az időpontok függetlensége a Markov láncok és a Poisson folyamatok jellemzője. Mivel az események rögzítése közti időtartamok; t 1 t0 = t t1 =... = tn tn 1 állandóak, mindemellett függetlenek, a 4. táblázat (6. sz. melléklet) Rel.eltol. oszlopa csupa olyan adatot tartalmaz, ami homogén növekményű eloszlás. Ábrázolva ezeket, az adatokat, a 8. ábra alapján ezek után nem nehéz elképzelni, hogy egy ponteloszlást kapunk. Kis valószínűségű 106 A függőleges koordinátatengely. 107 A (107) feltétel és a mérési eredmények szórása miatt hozzárendelhető valószínűségi változók tulajdonságai azt sejtetik, hogy Markov láncról van szó. 155

155 események térbeli eloszlását, vagy időbeli lefolyását a Poisson 108 eloszlás írja le. [15] Az eredménytábla alapján további számítások végezhetők. A műveletek lényegében időbeli összehasonlítások, amit a statisztika diferenciaképzésként határoz meg. Az idősor adatoknak itt kötött a sorrendje, hiszen a mintavételezés egy időbeli folytonosságot jelent. Képlete: Dτ (108) = yτ yτ 1 Az időbeli összehasonlításoknál, amennyiben több időpont adata ismert, lehet használni az átlagos, vagy abszolút és relatív változások mutatóit is. Több olyan statisztikai módszer és eszköz van, amelyek segítségével előállított adatokból következtetések vonhatók le. 7.3 Következtetések Megterveztem és elkészítettem a mérő-vevő programját, aminek segítségével a beépített CCD sorkamera jeleiből előállíthatók a további műveletekhez szükséges bájtos adatok. Ezeken, az adatokon a program elvégzi a szükséges aritmetikai és logikai műveleteket, majd előállítja a relatív eltolódás mértékét megadó egy bájtos adatot, amelyet a szenzorok által-, és az időalap generátor által előállított; dátum és idő adatokkal együtt egy 10 bájtos adatkeretbe foglal, majd rádióhullámok útján, aszinkron soros adatátvitellel az adattárolás helyére, a lézerforrás modulátor áramkörhöz továbbít; Elkészítettem Excel táblázatkezelő programban azokat a segéd-táblázatokat, amelyek az összefüggő 10 bájtos adatokat tagolják és a tagolt bináris adatcsoportokon elvégzi a szükséges bináris -decimális átalakítást; Elemeztem a mérésadatgyűjtő által gyűjtött adatokat és megállapítottam azt, hogy a fényterjedés irányváltozását leíró halmazban az ismétlődő értékek, amelyek helyenként előfordulnak a fényterjedés nagyon gyakori irányváltozása-, és a mérés hosszú periódusideje miatt, nem tekinthetők a fény légköri refrakcióját jellemző állandósult értékeknek; A 6. sz. mellékletben található adatok, sok mással együtt, amelyeket nem tudtam csatolni, igazolják azt a korábbi feltételezésemet, miszerint a magas 108 A Poisson eloszlást a porosz hadseregben az egy évben lórúgás következtében meghalt katonák számának a becslésére használták elsőként. 156

156 hőmérsékletű forrás közelében elhaladó fénysugár irányváltozása nagyobb mértékű, és mindemellett egyfajta periodicitást mutat. Nem oldottam meg a továbbítandó adatkeret bővítését, ami lehetővé tenné azt, hogy olyan állapotjelzők, mint a légnyomás nagyobb; (1/10-ed hpa), pontossággal is mérhető legyenek. Az adatcsomag ma már szűknek tekinthető kereteit egy korábbi programfejlesztés során határoztam meg. A mérésadatgyűjtő további érzékelőkkel való bővítése és a telepfeszültség kritikus érték alá csökkenését jelző adatbit továbbítása, szükségessé teszi az adatkeret bővítését, és az aritmetikai programrészek újraírását. ÖSSZEGZETT KÖVETKEZTETÉSEK Kimutattam azt, hogy a légköri csillapításból adódó teljesítménycsökkenés és a légköri refrakció eredményeképpen fellépő fényterjedésben bekövetkező irányváltozások csökkentik az optikai eszközeink pontosságát, megbízhatóságát és korlátokat jelentenek a fejlesztésük során. Lézerforrásokat használó pont-pont összeköttetésű optikai adat-, és információátviteli-, fegyvertechnikai eszközök-, mérőműszerek pontosságának növelése csak akkor képzelhető el, ha a fény légköri refrakciója által eredményezett hibák kompenzálásához szükséges adaptív szabályozások kidolgozhatók; Megállapítottam a szakirodalom kutatás alapján azt, hogy hasonló témában több olyan publikáció is megjelent, amelyekben egyetlen szó sincs arról, hogy milyen mérési elv alapján-, milyen, vagy berendezésekkel és milyen mérőműszerek felhasználásával történtek azok a méréseket, amelyek eredményeikről a kutatók beszámolnak. A méréseket gyakran többen is ellenőrizték, értékelték és kiegészíttették saját javaslataikkal és eredményeikkel. Ha valamilyen felépítésére utaló elnagyolt elvi vázlat kiegészíti azt, akkor még az is elnézhető, hogy az eszközt bemutató fotót egy gyenge minőségű vázlatrajz, vagy egy-két másolt ábra helyettesíti, esetleg olyan hivatkozás nélküli eszköz típusjelzése kerül feltüntetésre, amiről semmilyen információ sem található a szakirodalomban. [108] 157

157 Az irodalomkutatás során feltárt forrásokban, a szerzők sokkal kisebb távolságon végeztek szabadtéri méréseket. A föld felszínétől kis magasságban ( 1 3m ) végzett mérésekkel a többszörös refrakció hatása vélhetően csökkenthető, de olyan háromlábú állványon elhelyezett mérő, mint amilyenek több helyen is előfordulnak, pontos mérések egészen biztos, hogy nem végezhetők. Az alacsony talaj közeli légrétegek hőmérséklete, sík terepen jobban követi a talajfelszín hőmérsékletét és változásait, mint hegyesdombos területen, ezért sík terepen a légköri inhomogenitások előfordulásának valószínűsége is kisebb. A mérési eredmények azt igazolják, hogy csak hosszú ideig és nagypontosságú végezhetők olyan mérések, amelyekkel a légköri refrakció vizsgálható és kimutatható. Ehhez szükség van arra is, hogy a fény nyomvonala mentén valamilyen helyhez kötött, sűrűséget erőteljesen befolyásoló állapotváltozás befolyásolja a fény terjedését. Elemeztem a légkör hatását a fény terjedésére, kiemelten foglalkoztam a fény légköri refrakciójával, amelyet megvizsgáltam differenciálgeometriai és feltártam néhány fontosabb tapasztalati összefüggést is. Rámutattam arra, hogy fluidumok, így a levegő esetében is elengedhetetlenül szükséges valamilyen matematikai modell kidolgozása a fényterjedés vizsgálatához, egyébként nem értelmezhető a közeghatár, ami minden refrakcióval kapcsolatos számításaink alapja; Megvizsgáltam a félvezető lézer felépítését, méréstechnikai alkalmazását és az általa előállított monokromatikus sugárzás jellemzőit. Félvezető lézerforrás felhasználásával kidolgoztam azt a mérési elvet, amellyel a lézerfény légköri terjedése jól vizsgálható; Megterveztem és megépítettem a légköri fényterjedés vizsgálatára alkalmas programvezérelt optikai mérő-vevőt és adatgyűjtőt. A lézerfény-, és rádióhullámok adására-vételére alkalmas adó-vevő és mérésadatgyűjtővel; o o o a több száz méter távolságra elhelyezett optikai vevő programozott mérési folyamata indítható, optikai úton táv-vezérelhető; az adatok biztonságos tároló helyre továbbíthatók; pontos mérések végezhetők. 158

158 Igazoltam kísérleti eredményekkel, hogy a fény nyomvonala mentén az intenzív, kis kiterjedésű hőforrások előnyösen kihasználhatók, mivel kimutatható hatást gyakorolnak a fény terjedésére; Nem sikerült a mérési adatok alapján az adatgyűjtés teljes periódusára vonatkozóan pontos összefüggéseket feltárni a fényterjedés irányváltozása-, és a légkör állapotjelzőinek megváltozása között. Ennek okai a következők: o A fényterjedést befolyásoló állapotjelzők mindegyikét, a páratartalmat és a széndioxid légköri koncentrációját az ismert okok miatt a fényterjedés nyomvonala mentén nem tudtam vizsgálni; o A relatív eltolódás gyakori változása azt bizonyítja, hogy egy CCD sorkamerával a fényterjedés irányváltozása és pontos összefüggések feltárása nem lehetséges. Ennek oka az, hogy a fénysugár körkeresztmetszetű és azon belül a fénysűrűség egyenlőtlen eloszlású. Megoldást jelenthet még egy CCD sorkamera felhasználása a függőleges tengely irányába elhelyezve, de ennél is jobb megoldást jelenthet a kétdimenziós CCD érzékelők felhasználása. Nem törekedtem a mérési eredmények feldolgozására és statisztikai elemzésre még kevésbé olyan következtetések levonására, amelyekkel úgy vélem távolabb kerültem volna az eredeti céloktól. ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK Az értekezésemben bemutatott kutató munkám új tudományos eredményeit a következő tézisekbe foglalom össze: 1. Tézis Lineárisan inhomogén gázhalmazállapotú közegben a sűrűség megváltozása a fényterjedés irányszögének másodfokú (inverz) függvény szerinti megváltozását eredményezi, amiből a fény terjedés pályájának alakjára lehet következtetni.. Tézis Az 1 tézisben megfogalmazottak alapján, a fény kettős természetére és kölcsönhatásaira alapozottan, kis térrészben, a gázhalmazállapotú közeg esetében is megfogalmazható egy elméleti közeghatár és határréteg. 159

159 3. Tézis Kis teljesítményű félvezetőlézerrel és korszerű, automatizált processzoros mérésadatgyűjtővel a lézerfény szabadtéri terjedése jól vizsgálható és a mérési eredmények alapján az eszköz-, és program-továbbfejlesztés iránya pontosan meghatározható. 4. Tézis Lézerforrást használó nagytávolságú optikai adatátviteli eszközök esetén a légkör fényterjedést befolyásoló hatása miatt, az összeköttetések bizonytalanná válhatnak, vagy moduláció hiba léphet fel. AJÁNLÁSOK Az értekezésemben foglalt fényterjedéssel kapcsolatos elméleti és gyakorlati eredmények közül: ajánlom felhasználni a gázhalmazállapotú közegben terjedő fény elméletének bővítéséhez az általam kidolgozott matematikai modellt; ajánlom az ismertetett parciális differenciálfüggvény további felhasználását olyan általános érvényű összefüggések kidolgozásához, amelyben további fényterjedést befolyásoló tényezők is figyelembe vehetők; ajánlom a mérési elvet-, a mérés eszközeinek-, és működtető szoftvereiknek a felhasználását és továbbfejlesztését, figyelembe véve azt, hogy a részeredmények a használhatóságát igazolják. Az értekezésben rendszerezett ismereteket és kidolgozott javaslatokat ajánlom felhasználni forrásanyagként az irányított energiájú fegyverek-, szabadtéri információ-, és adatátviteli rendszerek, mérőeszközök-, biztonságtechnikai eszközök fejlesztéséhez, illetve az ellenük való védekezéshez; Az értekezésben foglaltakat ajánlom a polgári és katonai tanintézetekben folyó oktatási tevékenységek jegyzeteinek a kidolgozásához. Budapest, 014. április. 13. Csuka Antal 160

160 KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Kutatásaimat, amelynek eredményeit a dolgozatom tartalmazza, a PhD. fokozat elérése érdekében 005-től a Zrínyi Miklós Nemzetvédelmi Egyetem Bolyai János Katonai Műszaki Kar Védelmi elektronika, informatika és kommunikáció tudományszakon kezdtem. Mindenekelőtt köszönetemet fejezem ki témavezetőmnek Dr. habil. Ványa László ezredes úrnak, aki tanulmányaim és a kutatásom során sok hasznos tanáccsal, türelemmel és hozzáértéssel segítette a munkámat. Köszönöm továbbá mindazoknak, akik javaslataikkal és észrevételeikkel hozzájárultak az értekezésem jobbá tételéhez. Ezúton fejezem ki hálámat a családomnak, akik biztos hátteret és nyugodt légkört biztosítottak számomra. LEKTORÁLT PUBLIKÁCIÓIM JEGYZÉKE 1. CSUKA, A.: Az irányított energiájú fegyverek perspektivikus alkalmazása az amerikai hadseregben; Repüléstudományi Közlemények különszám, 007. április 0. ISSN CSUKA, A.: Impulzusbombák és repülőgép fedélzeti nagyenergiájú impulzuskeltők hatásfokának növelése szupravezetők alkalmazásával, Repüléstudományi Közlemények, Különszám 008. április 11. ISSN X 3. CSUKA, A., ELŐHÁZI, J.: Irányított energiájú fegyverek és veszélyeik a számítógépes rendszerekre, Hadmérnök III. évf. 3. szám 008. szeptember, ISSN CSUKA, A.: Nagyfeszültségű villamos ív alkalmazása és előállításának feltételei az akusztikus fegyverekben, Bolyai Szemle 008. XVII. évf. 4. szám, ISSN

161 5. CSUKA, A.: Információvédelem, merre tovább?, ZMNE Kommunikáció 008, 008 október 7., ISBN CSUKA, A.: Irányított energiájú fegyverek hullámjelenségeinek modellezése és számítógépes szimulációja, ZMNE Repüléstudományi Közlemények, CD kiadvány különszám 009. április 4. ISSN X 7. CSUKA, A, KACZUR, S.: Modeling of microwave interaction with matter, DUF, Magyar Tudomány Napja Konferencia. Dunaújváros, 009 nov. 13. ISSN CSUKA, A.: A haditechnikai fejlesztés építőkövei Irányított energiájú fegyverek, GDF 009 Informatika, XI. évfolyam. szám. ISSN CSUKA, A.: Modelling and Simulation Systems for 1 Century: Informatika, XIII. évf.. szám (38.), 011. június. ISSN CSUKA, A.: A Föld légkörének hatása a lézernyaláb terjedésére és a továbbított fényteljesítményre, Szolnoki Tudományos Közlemények XV., 011. nov. 10. ISSN CSUKA, A.: A fény szabadtéri terjedésének elméleti és gyakorlati vizsgálata, Hadmérnök, VII. évf. 4. szám- 01. december. ISSN CSUKA, A.: Inhomogén közegben terjedő fény refrakciójának vizsgálata differenciálgeometriai módszerekkel, Professzorok az Európai Magyarországért Egyesület IV. PhD konferencia,01, 0szekci%C3%B3%0.pdf 16

162 FELHASZNÁLT IRODALOM 1. MOURACHIKINE, A.: Room- Temperature Superconductivity, Cambridge International Science Publishing, Cambridge, 004, ISBN , p Sz. i. 109 : Directed Energy Weapons, December 007, ( ) 3. ALTMANN, J.: Acoustic weapons A prosspective Assessment, Science and Global Security,Volume 9 Taylor and Francis, 001, p WALLING, E.: High Power Microwaves, Strategic and Operational Implications for Warfare, Ocasional paper No. 11, Air University Maxwell, Alabama, February 008, ( ) 5. Kirtland AFB, Phyllips Lab. Particle Beam Weapons Research, ht ml ( ) 6. KOPP, C.: High Energy Laser Directed Energy Weapons, Technical Report APA-TR , May 008, ( ) 7. Sz.i.: Airborne Laser Testbed (ALTB), Northrop Grumman, AirborneLaserTestbed/Pages/default.aspx, ( ) 8. KIEL, H. D.: A Vision for Directed Energy and Electric Weapons int he Current and Future Navy, for_de_weapons.pdf 9. HECHT, J.: Zapping rockets with 10KW ( ) 10. LEONARD, D.: E-Weapons: Directed Energy Warfare int he 1st Century, 109 Szerző ismeretlen. 163

163 ( ) 11. SHACHTMAN, N.: Congress Slashes Flying Lightsaber, 007, ( ) 1. FOWLER, A. Ch.:Weapons in space, ( ) 13. PETERSEN, R. S.: Space control and the Role of Antisattelite Weapons, Air University Press, Maxwell Air Force Base, Alabama, HELLER, K. NÁDASDI F.: A távközlés társadalmi és gazdasági összefüggései, Akadémiai Kiadó, Budapest, 1990, p VÁGÓ, I.: Villamosságtan 10. füzet, távvezetékek, Tankönyvkiadó, Budapest, DÁRDAI Á.: Mobil távközlés, Nap Kiadó, Budapest, 1999, p.70-90, , WHITAKER, C. J.: Radio frequency transmission systems- Design and operation, McGraw- Hill Book Company, New York, 1976, ISBN CSUKA, A.: Információvédelem, merre tovább?, ZMNE Kommunikáció 008 Konferencia kiadványa 008 október 7. p ISBN BOKOR, I.: Rádióelektronikai harc korunk háborúiban, Zrínyi Katonai Kiadó, Budapest, 1989, p1. 0. BECHET, P., MUNTEANU, A., BOULEANU, I.: Compatibilitatea electromagnetică în medii de comunicaţii radio, Editura Academiei Române, Bucureşti, 010, 68-84pp, p HAIG, Zs., KOVÁCS, L., Ványa L.: Az információs társadalom veszélyforrásai. A kormányzat szerepe a védelem és ellentevékenység műszaki és szervezeti megoldásaiban, Tanulmány. MEH Informatikai Kormánybiztosság, ( ). 164

164 . MÁLTAY, G., ZOMBORY, L.: A rádiófrekvenciás sugárzás élettani hatási és orvosbiológiai alkalmazásai, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 000, p HEMMATI, H.: Optical Systems for free-space laser communications, ( ). 4. DYKSTRA, P.:Free Space Laser Communications, html( ) 5. BARBIERI,C., CARIOLARO, G.: Qspace project: Quantum cryptography in space, Springer, 1995, p , ( ). 6. KOVÁCS,L. VÁNYA,L.: Elektronikai hadviselés a XXI. század légierejében, Repüléstudományi Közlemények, Különszám., 00, p.75 ( ). 7. VÁNYA, L.: m.k. alezredes: Az elektronikai hadviselés új, térinformatikai alapú vezetési rendszerének koncepciója, ( ). 8. VINCENT, P.: What America Needs to Know Abaut EMPs, ( ). 9. BATES, J.,R.: Disaster Recovery Planning, McGraw- Hill, New-York, 199, ISBN , p SMIT, M., LEITENS, X. HUUG, de W.: Optical Fibre Communications, ecture_1a_introduction.pdf ( ). 31. KAUFMANN, J.: Free Space Optical Communications: An Overviews of Applications and Technologies, mmunications&babsrc=hp_ss&s=web&rlz=0&sd=31&as=0&ac=0 ( ) 165

165 3. KAHN, M. J.: Free-Space Optical Communications, jmk/, ( ) 33. WELCH, D. F.: A brief history of high power semiconductor lasers, IEEE Journal, Quantum Electronics, Vol.6 No , p , ( ). 34. SIEGMAN, A.E.: Lasers, University Science Books, Mill Valley, California, 1986, ISBN , p BERTOLOTTI, M.: The history of the laser, Institute of Physics Publishing, Bristol- Philapheldia, 005, ISBN Sz.i.: A lézer története, ( ). 37. Sz.i.: Lézerek, ( ) 38. Sz.i.: Laser power beaming fact sheet, ( ). 39. DAVIS, E. W., MEAD, F. B.: Review of laser lightcraft propulsion system, Air Force Research Laboratory(AFMC), 5th International Symposium on Beamed Energy Propulsion =0CC4QFjAA&url=http%3A%F%Fwww.dtic.mil%Fdtic%Ftr%Ffullte xt%fu%fa47560.pdf&ei=3pzpu_hmnqbmygohxyhadw&usg=af QjCNHIgKFHdEQHgehlFRkpwzbzvpgDfg ( ). 40. VOLFEREN, H., ABELMANN, L.: Laser interference litography, Litography:Principles Processesand Materials, Nova Science Publishers,Inc.,011,ISBN , p , ( ). 41. NISAR, S., SHEIKH, M. A.: The effect of laser beam geometry on cut path deviationin diode laser chip-free cutting of glass, Journal of manufacturing Science and Enineering, Vol. 13., 010, 166

166 ( ) 4. TERZIC, M., MOZINA, J.: Using lasers to measure polluants, Facta Universitatis, Vol.4, No,1, 006, ( ) 43. TOYOSHIMA, M.: Free-space laser communications: The japanese experience, 009/programs/documents/moriotoyoshima.pdf ( ) 44. STEVENS, M.L.: Ultra-long distance free space communications, 007, ( ) 45. TITTERTON, D.H.: Measurement of the Distorsion in a Laser Beam s Characteristics Resulting from Passage through an Engine s Wake ( ). 46. TERNEL, C.: Contribution au développement de l allumage par laser pour les moteurs á combustion interne, Thése, Faculte des sciences de l universite de Ruen, =0CC4QFjAA&url=https%3A%F%Fwww.coria.fr%Fspip.php%3Faction %3Ddw_out%6id%3D344&ei=BPpPU_G5N6v9ygPU8YCQAg&usg=AF QjCNFDrB_-_6HYC81eSSrrzoOHO7VPQ ( ). 47. NIEMZ, M. H.: Laser Tissue Interaction, Springer Verlag, 1996, ( ). 48. PHYLIPS, W. D.: Laser cooling and trapping of neutral atoms, Atomic Physics, Maryland, ( ) 49. SÖRLEI, Zs.: Atomok lézeres hűtése, csapdázása, Bose-Einstein kondenzácója, KFKI ( ). 50. METCALF, H. J., Van Der STRATEN, P.: Laser cooling and trapping: Springer- Verlag, New York, 1999, p

167 40VaXqrj0C&redir_esc=y ( ). 51. GOSH, S.: Direct numerical simulation of the interaction of laser -induced plasma with isotropic turbulence, Thesis, University of Minesota, DUARTE, F.J.:Tunable laser applications, CRC Press, 008, ISBN 13: , ( ). 53. SCHWARZE, C. R., VAILLANCOURT, R.: Risley- prism based compact laser beam steering for IRCM laser communications, and laser radars, ( ) 54. BÉKÉSI, B.: Lézergiroszkópok működési elve, egyenletei és átviteli karakterisztikái, Repüléstudományi közlemények, XI. évf.,8. szám,1999/3, ISSN , p ( ). 55. DUNN, R. J.: Operational implications of laser weapons, ( ) 56. MARK, E. R.: Lasers in Space, Technological Optionsfor Enhancing US Military Capabilities, ( ). 57. CSUKA, A.: Az irányított energiájú fegyverek perspektivikus alkalmazása az amerikai hadseregben, Repüléstudományi Közlemények, különszám 007. április 0. ( ). 58. Sz. i.: MTHEL (THEL) Mobile Tactical High Energy Laser (video), ( ). 59. CSUKA, A.: A haditechnikai fejlesztés építőkövei Irányított energiájú fegyverek, Informatika, XI. évfolyam. szám 009. június, p Sz. i.: Félvezető lézerek, ( ). 168

168 61. Laser 000, Advanced Solutions for Photonics, Alkatrész katalógus, ( ). 6. Lézer termékkatalógus, ( ). 63. Infrared lasers, a gyártó saját oldala, oddgmtbq ( ). 64. Sz.i.: The use of lasers pointers in astronomy, ASA Fachsheet No., p.1-4, ( ). 65. CSELE, M.: Fundamentals of light sources and lasers, John Wiley and Sons, 004, ISBN , p GOLDWASSER, S. M.: Diode Laser Power Supplies, ( ). 67. AGRAWAL, G. P.: Optical Communication Systems, (OPT48), Institute of Optics, 007, ( ). 68. Sz. i.: Ultra Compact Diode- pumped Q-switched Crystal Lasers, ( ). 69. GOLDWASSER,. M.: Diode Lasers, ( ). 70. Sz.i.: Shel törvénye, ( ). 71. KIRÁLY, O.: Hossz- és szögmérő műszerek, mérések, Műszaki Könyvkiadó Budapest, 1990, ISBN , p DOMOKOS, P.: A fény mechanikai hatása optikai rezonátorban, Kvantumelektronika Tavaszi Iskola, Balatonfüred, 005, ( ). 73. ROUNDY,C. B.: Current technology of laser beam profile measurement, ( ). 169

169 74. ROUNDY,C. B.: Propagation factor quantifies laser beam performance, Laser Focus World, ata.pdf, ( ). 75. Sz.i.: Introduction to Laser Technology, ation_characteristics_of_laser_beams.pdf ( ). 76. ALDA, J.: Laser and Gaussian beam propagation and transformation, _eoe_03.pdf ( ). 77. Sz.i.: Laser cataloque, ( ). 78. LAUE, M.: Die Relativitatstheorie, Friedr.Vieweg & Sohn Verlag, Braunschweig, 191, p BECKER, R.: Theorie der elektrizität, Verlagsgeselshaft, Leipzig,1949, p.3-68, 80. GERASIMOV, Y., DREVING,V. EREMIN, E.: Physical chemistry,volume 1., MIR Publishers, Moscow, 1974, p Dr. SZABÓ Á.: Optika és atomfizika, Tankönyvkiadó, Budapest, 1984, p.9, 34, 35, 40, FENYVES E.: Atomsugárzások mérése, Akadémiai Kiadó, Budapest, 1956, p MUHIN, K. N.: Magfizika- mindenkinek, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1975, p LANGMUIR, B. D., HERSHBERGER, W. D.: A jövő elektronikájának alapjai, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1964, p Dr. ÁBRAHÁM Gy.: Optika; Panem Kft kiadó Budapest, 1997; ISBN X; p 6,9, 86, REED, R.: Refraction of light, ( ). 87. ROEMER, O.: Measures the Speed of Light, ( ). 170

170 88. CORDOVA, A.: Detecting radiation, ( ). 89. PETIT, S., TALEBPOUR, A.: Polarization dependence of the propagation of intense laser pulses in air, Optics Communications 175, 000, Elsevier, pp ( ). 90. MADSEN, M.J., BROWN, D.R., KRUTZ, S.R.: Measuring the Molecular Polarizability of Air, Physics-Optics, =0CC4QFjAA&url=http%3A%F%Fwww.iontrap.wabash.edu%Fpublicat ions%fajp_79_48_madsen_mol_pol.pdf&ei=dfjpu-n9jjoygo0yohyaq&usg=afqjcnfq_puxgqm7r6b8j-boxa0hvybeg ( ). 91. BORN, M., WOLF, E.: Principles of Optics, 7th ed.,cambridge University Press, Cambridge, UK, 1999), pp9-95] =0CDAQFjAA&url=http%3A%F%F %3A8080%Fuploadfiles %Fpdf%F007%F3%F%F pdf&ei=fPJPU- GeH8noywOx94GIBA&usg=AFQjCNGGfiQM5hVZpOilSTZgLRObOD3rw ( ). 9. JACKSON, J. D.: Classical Electrodynamics, John Wiley & Sons, Inc., New York, New York, 1999, pp WEICHEL, H.: Laser Beam propagation in the atmosphere, Spie, Bellingham, 1990, ISBN X, p here.html?id=di5raaaamaaj&redir_esc=y ( ). 94. HEMMATI, H.: Deep space optical Communications, Jet Propulsion Laboratory California Institute of Technology p , BISWAS, A., PIAZZOLLA, S.: The Atmospheric Channel, p.198, ( ). 171

171 96. WILLKE, P. K., DANZMANN, K.: New concepts and results in laser power stabilization, Appl. Phys. B 10 (3), 515 (011). 1( ). 97. Sz. i.: A légkör kémiája, ( ). 98. SCHONFELD, J. F.: The Theory of Compensated Laser Propagation through Strong Thermal Blooming, aser.pdf ( ). 99. CSUKA, A.: A Föld légkörének hatása a lézernyaláb terjedésére és a továbbított fényteljesítményre, Szolnoki Tudományos Közlemények XV., 011. nov f, ISSN ( ) 100. ALONSO,M., FINN E.J.: Physique Générale II., InterÉditions, Paris, 1986, ISBN , p , STARR, A.T.: Rádióhírközlés, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1957, p MONKS P.S., GARNIER C.: Athmospheric Composition Change-Global and regional air quality, Athmospheric Environment, 43, (009) 103. Sz. i.: Raman Scattering of High Power Lasers in Air, _05_Raman.pdf ( ) MÉSZÁROS, E.: Levegőkémia, szeged.hu/eghajlattan/pdf/meszaros_e_levegokemia.pdf ( ) 105. MÖLLER, K.D.: Optics, Springer, New Jersey, 00, ISBN-13: , p. 5, 54, Sz.i.: Részecskeméret analízis lézerdiffrakcióval, 010, ( ). 17

172 107. KHARECHA, P.A., HANSEN, J. E.: Implications of peak oil for atmospheric CO and climate, 17. Mar. 007, ( ) HANSEN, J. E.: Dangereous Human-Made Interference with Climate, 6 April 007, ( ) WEBBER,M. J.: Handbook of Optical Materials, CRC Press, London, 003, ISBN: , p JÁSZAY T.: Műszaki Hőtan- Termodinamika, Tankönyvkiadó, Budapest, 1966, p6, 68, 16, , GOMBÁS, P., KISDI, D.: Bevezetés az elméleti fizikába, Akadémiai Kiadó, Budapest, 1971, p.70-7, Légköri refrakció, képek, Heat_mirage-SPL.jpg ( ) Légköri refrakció, képek, Légköri refrakció, képek, ( ) KALASHNIKOVA, O., V.WILLEBRAND, H. A.: Wavelength and altitude dependence of laser beam propagation in dense fog- Light Pointe Communication, Boulder, ( ) Sz. i.: Electro-Optics Handbook, ( ) Sz.i.: Fénytávközlő rendszerek (előadás anyag), ( ) 118. Dr. BÁRÁNY, N.: Optikai műszerek elmélete és gyakorlata I. kötet, Nehézipari Könyv-, és Folyóiratkiadó Vállalat, 1953, p.10,7-8, 7-85, 18-0,

173 119. Dr. BÁRÁNY N.: Optikai műszerek elmélete és gyakorlata IV. kötet, Nehézipari Könyv és Folyóirat kiadó Vállalat, 1953, p Légi-bemutató képek, 007/1396/5 ( ). 11. Dr. VASS, S. : Katonai repülő eszközök túlélési lehetőségei az infravörös önirányítású rakéták támadásai ellen, ( ). 1. NYOBE, N., PEMHA, E.: Propagation of laser beam through a plane and free turbulent heated air flow: determination of the stochastic characteristics of the laser beam random direction and some experimental results, Progress In Electromagnetics Research, Pier, 53, p31-53, 005, ( ). 13. WHITE,W. H.: The components of atmospheric light extinction: A survey of Ground Level Budgets, Atmospheric Environment, Vol. 4A, No.10, 1990, p ( ) 14. CSUKA A: A fény szabadtéri terjedésének elméleti és gyakorlati vizsgálata, Hadmérnök, VII. évf. 4. szám, 01. december. ISSN ( ). 15. CSUKA, A.: Inhomogén közegben terjedő fény refrakciójának vizsgálata differenciálgeometriai módszerekkel, szekcic33%0.pdf ( ). 16. LIPSON, A., LIPSON, S. G.: Optical Physics, Cambridge University Press, 010, p.35 ( ). 17. HIRT C., GUILLAMUE S.: Monitoring of the refraction coefficient in the lower atmosphere using a controlled setup of simultaneous reciprocal vertical angle measurements, 174

174 ~19&usePid1=true&usePid=true), ( ) 18. IGNATENKO, Y.V., YU, I.: Measurement of anomalous angle of deviation of light during satellite laser ranging, SLR station Katzilevy-1893, Crimea, Ukraine, 008, ( ). 19. LÖSCHER, A.: Atmospheric influence on a laser beam observed on the OICETS-ARTEMIS communication demonstration link, Atmospheric Measurement Techniques, 3, p , 010, ( ) THOMAS, M. E., JOSEPH, R. I.: Astronomical refraction, ( ) 131. Dr. MARTIN, B.: Refraction of light int he Earth s atmosphere, ( ). 13. CHESTER, T.: How to Calculate Distances, Azimuths and Elevation Angles of Peaks, ( ) 133. KNIGHT, F. B.: Essays on the prediction process- Lecture Notes, Shanti S. Gupta Editor- Purdue Universíty, 1981, ISDN , p Dr. POPPER,Gy.:, KURUTZNÉ Dr. KOVÁCS M.: A véges elem módszer matematikai alapjai, BME jegyz., Budapest, 1984, ISBN , p CSUKA, A: Modelling and Simulation Systems for 1 Century: Informatika, XIII. évf.. szám (38.), ISSN , p ( ) 136. TAKÁCS, L., L. ZIERMANN M.: Valószínűség- számítás, Tankönyvkiadó, Budapest, 197, p.10,1, VERŐNÉ, W. M.: Fotointerpretáció és távérzékelés 1., A távérzékelés fizikai alapjai, 010, ( ) 175

175 138. HAMPEL, C. A.: The Encyclopedia of Chemistry, Van Nostrand Reinhold Company, New York, 1973, ISBN: , p , Jean Baptiste Van Helmont, ( ) 140. SZELEZSÁN, J.: Valószínűségszámítás és matematikai statisztika, LSI oktatóközpont kiadványa, Budapest, 1999, p.1, ISBN GYULAI, Z.: Kísérleti fizika II. rész, Tankönyvkiadó, Budapest, 1954, p Dr. GRUBER, J.: Ifj. SZENTMÁRTONY,T.: Gázdinamika, Tankönyvkiadó, Budapest, 195, p. 90,91, JOPSON, R. M., DARCIE, T.E.: Semiconductor Laser Amplifiers in High- Bit-Rate and Wavelength Division-Multiplexed Communication Systems, Coherence, Amplification, and Quantum Effects in Semiconductor Lasers, Willey- Interscience Publication, John Wiley &Sons, Inc, New York, 1991, ISBN , p GAMOW, G., CLEVELAND, J. M.: Fizika, Gondolat Könyvkiadó, Budapest 1973, p.9-95, HEIST, P., KRÜGER, J.: Ultrafast cross-phase modulation, Symp on Ultrafast Proceses in Spectroscopy, Bayeruth, 1991, Inst. Phys. Conf. Ser. No 16: Section 11, IOP Publishing Ltd, 199, p ] [M.L. Karasnov, A.I. Kiselev, G.I. Makarenko: Vector analysis, MIR publishers, Moscow, 1981, p KARASNOV, M.L., KISELEV, A.I., MAKARENKO, G.I.: Vector analysis, MIR publishers, Moscow, 1981, p Sz.i.: Hullámterjedés, A Föld légköre és rétegei, ( ) SPIEGEL, M. R.: Analyse vectorielle, McGraw- Hill Inc., New York, 1973, ISBN: X, p EULER: Foundations of Differential Calculus, Springer Verlag, New-York, 000, p &dq=cosdx%3d1&source=bl&ots=gdsamfpcke&sig=d_gadlcmzwyzg 176

176 3FXS8ogGcW3JgQ&hl=hu&sa=X&ei=4C59UKOtHoWLswbmoG4Ag&ve d=0cgeq6aewbq#v=onepage&q=cosdx%3d1&f=false ( ) 150. FAZEKAS, F.: Műszaki matematikai gyakorlatok, Tankönyvkiadó, Budapest, 1957, p BAJCSAY, P., FAZEKAS, F.: Műszaki matematikai gyakorlatok C.VI, Matematikai összefoglaló, Tankönyvkiadó, Budapest, 1957, p Prof.rer.nat.habil.BRUNNER, W.: Wissenspeicher Lasertechnik, VEB Fachbuchverlag Leipzig, 198, p Sz. i.: Atmospheric Optics Glossary, ( ) 154. BOKSZ, G. E. P., STUART, J.: Statistics for Experimenters: Design, Innovation, and Discovery, Wiley, New York, 005, ISBN: , p JÁSZAY, T.: Műszaki hőtan- Hőközlés, Tankönyvkiadó, Budapest, 1966, p EDLÉN, B.: The refractive index of air, Metrologia, 1966, p =0CDcQFjAB&url=http%3A%F%Falexandria.tue.nl%Frepository%Ffr eearticles%f pdf ( ) 157. OWENS, J. C.: Optical refractive index of air: dependence on pressure, temperature and composition, Appl. Opt. Vol. 6 No.1,1967, p.51 59, =0CDMQFjAA&url=http%3A%F%Fweb.mit.edu%Fytc%Fwww%FH LMA%FRef%FopticsPaper0.pdf&ei=eBFQU7yCA8jRtQb4jYGIAg&usg =AFQjCNEvoNgLIPqPHEJdiU6p5weYkHIkbg ( ) 158. MACOVEZ, R., MARIANO, M.: Measurement of the dispersion of air and of refractive index anomalies by wavelength nonlinear inrterferometry, Optical Society of America, 009, =0CGYQFjAF&url=http%3A%F%Fwww.icfo.eu%Fimages%Fpublicati ons%fj09-177

177 085.pdf&ei=pBBQU_iFKsfDtQaNkoH4DQ&usg=AFQjCNEfuqz8iDswT7KankC-myD6adVJg ( ) 159. JONES, F. E.: The refractivity of air, J. Res. NBS 86, 1981, p.7 3, =0CC4QFjAA&url=http%3A%F%Fnvlpubs.nist.gov%Fnistpubs%Fjres %F086%Fjresv86n1p7_A1b.pdf&ei=wxFQU- L8MMiNtQbY6oFQ&usg=AFQjCNHKAWsiRZMJffI8Hs9rRnISiKdwGg ( ) 160. YANG, Y., MANDEHGAR, M.: Time domain measurement of the THz refractivityof water vapor, Optical Society of America, 01, ww.opticsinfobase.org%fdirectpdfaccess%f67d99437-ff86-19eb- CA83517DF4FDE4_4531%Foe pdf%3Fda%3D1%6id%3D4531%6seq%3D0%6mobile%3Dno& org= ( ) 161. BIRCH, P., DOWNS, M. J.: The results of a comparison between calculated and measured values of the refractive index of air, J. Phys. E: Sci. Instrum. 1, 1988, p ( ) 16. BIRCH, K. P., DOWNS, M. J.: An updated Edlén equation for the refractive index of air, Metrologia 30, 1993, p , ( ) 163. BIRCH, K. P., DOWNS, M. J.: Correction to the updated Edlén equation for the refractive index of air, Metrologia 31, 1994, p , ( ) 164. BEERS, J., DOIRON, T.:Verification of revised water vapour correction to the refractive index of air, Metrologia 9, 199, p , ( ) 165. CIDDOR, P. E.: Refractive index of air: new equations for the visible and near infrared, Appl. Opt. 35, 1996, p

178 Refractive+index+of+air:+new+equations+for+the+visible+and+near+infrare d&hl=hu&sa=x&ei=chrqu_hdn6stywp1h4dqca&ved=0cdiq6aewa A ( ) 166. CIDDOR, P. E., HILL, R. J.: Refractive Index of Air.. Group Index., Applied Optics (Lasers, Photonics and Environmental Optics), 38, 1999, p , ( ) 167. BÖNSCH, G., POTULSKI, E.: Measurement of the refractive index of air and comparison with modified Edlén's formulae,,metrologia 35, 1998, p , ( ) 168. MATHAR, R. J.: Calculated refractivity of water vapor and moist air in the atmospheric window at 10 µm, Appl. Opt. 43, 004, p ( ) 169. COLAVITA, M. M., SWAIN, M. R.: Effects of atmospheric water vapor on infrared interferometry, Pub. Astron. Soc. Pacific,116, 004, p MATHAR, R. J.: Refractive index of humid air in the infrared: Model fits,j. Optics A: Pure Appl. Opt. 9, 007, p THOMAS, M. E., JOSEPS, R. I.: Astronomical Refraction, Applied Research, JohnsHopkins Apl. Technical Digest, Vol. 17. Nr. 3, 1996, p Richard+I.+Joseph:+%E%80%9EAstronomical+Refraction&dq=Michael+ E.+Thomas,+Richard+I.+Joseph:+%E%80%9EAstronomical+Refraction&h l=hu&sa=x&ei=xbzqu7t7hap_ygotjoji&ved=0cekq6aewaw ( ) 17. HORVÁTH, K.: Investigation of refraction in the low atmosphere, Periodica Polytechnica, Vol.14, Technical University, Budapest, 1970 p GHASSEMLOOY, Z., POPOOLA, W.O.: Terrestrial Free-Space Optical Communications, 179

179 ffects_on_terrestrial_free_space_optical_communication_links ( ) LAUBEREAU, A.,SEILMEIER, A.: Ultrafast Process in spectroscopy, Emil Warburg - Symposium held in Bayreuth, Germany, 7-10 October 1991, IOP Publishing Ltd, Bristol, 199, ISBN SÁRKÖZY, F., FARKAS, E.: Instrumental checking of certain instrument errors of physical- geodetic telemeters, Periodica Politechnica Civil XIV/1, Vol.14, Technical University, Budapest, 1970, p A Magyar Csillagászati Egyesület CCD-s szakcsoportjának honlapja, Távolságmérés CCD-vel, ( ) 177. DUNAJSZKY, B.: Finommechanikai elemek és műszerek II., Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1976, p MIHEJEV, M.A.: A hőátadás gyakorlati számításának alapjai, Tankönyvkiadó, Budapest, 1953, p Raynger II Plus távhőmérő, o=u&source=univ&ei=mlzeutkvy4dla-pzgpah&ved=0cdyqsaq4fa ( ) H. C. van de HULST: Light Scattering by Small Particles, John Wiley &Sons, Inc, 1981, ISBN , p , ATKINS, P. W.: Fizikai kémia I. kötet, Nemzeti tankönyvkiadó, Budapest, 1999, p KE-5, KE-50 típusú oxigénszenzorok adatlapja: ( ) Hoeller Kft honlapja, Gázszenzorok fajtái: ( ) CANDEL, S.: Mécanique des fluides- Cours, Dunod, Paris, 1995, ISBN , p.5, 4,

180 185. HEY, D.H.: Kingzett s Chemical Encyclopedia, Bailliére- Tindal and Cassel, London, 1966, p. 3, -3, Sz.i.: Introduction to Gaussian Beam Optics, ( ) KIM, I. I., Mc ARTHUR, B., KOREVAAR, E.: Comparison of laser beam propagation at 785 nm and 1550 nm in fog and haze for optical wireless communications, ata.pdf ( ) 188. JURSA, A. S.: Handbook of Geophysics and the SpaceEnvironment, Air Force Geophysics Laboratory, Hanscom Air Force Base, Massachusetts, PETERSON, C.: How it works: The charged-coupled device, or CCD ( ) A Magyar Csillagászati Egyesület CCD-s szakcsoportjának honlapja, Távolságmérés CCD-vel, ( ) MUSTEK MATADOR-105 handheld scaner, ( ). 19. TCD101D CCD sorkamera adatlapja, ( ) TCD1304AP CCD sorkamera adatlapja: ( ) XILINX XC3064 adatlapja, ( ) XILINX alkalmazási segédletek ( ) CDM4161A típusú széndioxid érzékelő modul adatlapja, ( ) LM35 hőmérséklet érzékelő adatlapja: 181

181 ( ) HS1100 páratartalom érzékelő adatlapja: Sensor-Datasheet.pdf ( ) SAB80C535 adatlapja: d80515.pdf ( ). 00. WANG, W. C.: Optical Methods in Mechanical Analysis, ( ). 01. MÖLLER, K. D.: Optics, Springer, Newark, 007, ISBN , p The Engineering Toolbox, ( ) 03. CA3130 adatlapja, ( ). 04. Időalap generátor adatlapja, ( ). 05. Cement Beton Zsebkönyv-007, ( ). 06. RIBAK, E. N.: Can laser self fokusing in air replace interferometer siderostats and delay lines, ( ). 07. Refractive index database, nova ( ). 08. EMX development system, GHI electronics, ( ). 09. Dr. Ing. D ANS, J., Dr.phil LAX, E.: Taschenbuch für Chemiker und Physicher, Springer Verlag, Berlin, 1949, p

182 10. KASAROVA, S. N., SULTANOVA, N. G.: Analysis of the dipersion of optical plastic materials, Optical materials 9 Science Direct, 007 p , ( ). 11. Sz.i.: A légkör szerkezete; ( ). 1. Sz. i.:változó sűrűségű közeg statikája, dinamikája ROUNDY, C. B.: Current Technology of Laser Beam Profile Measurements, ( ) 14. BOGNÁR, J.-né, MOGYORÓDI, J.: Valószínűségszámítás Feladatgyűjtemény, Tankönyvkiadó, Budapest, 1971, p.135, , HAVANCSÁK, K.: Mérési adatok kezelése és értékelése, TÁMOP, ELTE- TTK, 01, ISBN , p

183 RÖVIDÍTÉSEK JEGYZÉKE RF- Radio Frequency ~ rádiofrekvenciás. Nd:YAG Neodymium, Yttrium Aluminium Garnet ~ a megjelölt vegyelemekből előállított (gránát) kristály. SMD Surface Mounted Devices ~ felületszerelt alkatrészek. ABL Air Borne Laser~ fedélzeti lézerfegyver. IAG International Association of Geodesy~ Nemzetközi Földtani Egyesület. ICAO International Civil Aviation Organization ~civil repülés nemzetközi szervezete. IMD Inter Modulation Distorsion ~ intermodulációs torzítások. OOK On Off Keying~ moduláció ki/be kapcsolás útján. PIC Programable Integrated Circuit ~ programozható integrált áramkör (Microchip- mikrokontroller család). USB Universal Serial Bus ~ soros adatátviteli csatorna. RTC Real Time Clock ~valós idejű óra. DVR Digital Video Recorder ~ digitális képrögzítő. CCD Charge Coupled Device ~ töltéscsatolt (képrögzítő) eszköz. FPGA Field Programable Gate Area ~ programozható kapuáramkörökből felépülő áramkör. RISC Reduced Instruction Set Computer~ csökkentett utasításkészletű mikroszámítógép. EEPROM Electrical Erasable Programable Read Only Memory ~ újraírható memóriatípus. DIP Dual In Package ~ kétsoros kivezetéssel ellátott alkatrész tokozás. AM-FM Amplitude- Frequency Modulation ~ amplitúdó, ill. frekvenciamoduláció. DSP Digital Signal Processor~ digitális jelfeldolgozó processzor. GSM Global System for Mobil communications~ általános mobil távközlési rendszer. CPU Central Processing Unit~központi jelfeldolgozó egység. A/D Analog to Digital Converter ~ analóg/ digitális jelátalakító áramkör. 184

184 ÁBRAJEGYZÉK 1. ábra Az optikai adatátvitel sávszélessége [31]. 18. ábra Lézer mutatóeszközök (pointerek) felépítése [66] 5 3. ábra A félvezetőlézer fénysugarának geometriája ábra A lézerfény Gauss görbe szerinti eloszlása 8 5. ábra Az elektromágneses hullámok spektruma 3 6. ábra A széndioxid és a propán spektrális abszorbciója[97] ábra A levegő sávzáró tulajdonsága [31] ábra A légköri pára hatása a lézerfény terjedésére [4] ábra Közeghatár hálómodellje ábra Közegmodell rétegzett vonalas ábrája ábra Gömbfelületekkel határolt inhomogén, izotróp közeg modellje ábra Egyszerűsített rétegzett síkmodell ábra Fényterjedés a határrétegben ábra Elemi fénysugár refrakciója két eltérő törésmutatójú közeg határán ábra A szabadtéri mérés elve ábra Az eszközelhelyezés helyszínrajza ábra A völgyszelvény rajza ábra Hő-térkép diagramok ábra A lézerfény divergenciája [186] ábra Fénynyaláb tágító és fókuszáló lencserendszer felépítése [186] ábra A lézer moduláló jele 103. ábra A lézerforrás vezérlő és adatletöltő áramköreinek tömbvázlata ábra A mérő-vevő felépítése ábra A törésmutató mérésének elve ábra A 10 bájtos adatkeret felépítése ábra Adatátvitel szinkronizálása ábra Adatgyűjtési periódusok ábra A relatív elmozdulások vektorábrája

185 KÉPEK JEGYZÉKE 1. kép Optikai adó-vevő [31] 0. kép A lézerdióda forrásáramának SMD 110 szabályozó eleme 6 3. kép A félvezetőlézer gerjesztő forrása és optikai rezonátora kép A fény légköri refrakciója [10] kép Az eszközelhelyezés megtervezése kép Távolságmérés Wild Distomat Di4-el kép 01. ápr. 0.-án készült eszköz-elhelyezési terv részlet kép Erőteljes párolgás a tetőfelület felett kép Az 1-es pont (10. kép) hőmérsékletének meghatározása hő-távméréssel kép A felszíni hőmérséklet mérésének terve kép A szén-dioxid és a légszennyező anyagok elsődleges forrása kép A lézerforrás fényének eloszlása az ernyőn kép Modulált fény előállítására alkalmas, átalakított lézerpointerek kép A modulátor és a rövidhullámú rádióvevő kép Beállító rugós szerkezet felépítése kép A forrás oldali eszközök elhelyezése kép A vizsgált terület behatárolása az energia-eloszlás függvényében kép A CCD sorkamera forrása kép A mérő-vevő és adatgyűjtő belső felépítése kép Felhasználásra kész mérő-vevő és adatgyűjtő kép A fény útja a mérő-vevőben kép Műhelymikroszkóp és a mérés tárgya kép Telepített mérő-vevő és adatgyűjtő a vétel helyén.. 16 TÁBLÁZATOK JEGYZÉKE 1. táblázat Optikai és 30 GHz-es RF adatátvitel nyereségének összehasonlítása 18. táblázat A lézerek típusai és hullámhosszuk [34] [37] 1 3. táblázat Az üvegházhatás kialakulásában szerepet játszó gázösszetevők.[104] táblázat A differenciaképzés alapadatai SMD- Surface Mounted Device mozaikszó jelentése; felületszerelt alkatrész 186

186 MELLÉKETEK 187

187 1. sz. melléklet: A levegőt alkotó gázok jellemzői. 1. táblázat: Gázmolekulák mérete. [184] Gáz Molekula átmérő d (nm) Közepes szabad úthossz λ (nm) Hélium 0,00 09 Hidrogén 0, Nitrogén 0, Oxigén 0,96 95 Széndioxid 0, táblázat: A Föld légkörét alkotó gázok aránya [94] [185]* Összetétel Térfogat százalék (%) Térfogat százalék (%) Nitrogén (N ) 78,084 Oxigén (O ) 0,95 Argon (Ar) 0,93 0,94* Szén-dioxid (CO ) 0,03 Vízgőz (H O) 0,0044 Neon (Ne) 0,00 0,0013* Hélium (He) 0,0005 0,0004* Metán (CH 4 ) 0,00015 Kripton (Kr) 0, ,00005* Hidrogén (H ) 0,0001 Nitrogén dioxid (NO ) 0,00006 Szén-monoxid (CO) 0,0000 Ózon (O 3 ) 0, Xenon (Xe) 0, ,000006* 188

188 3. táblázat: Gázok fizikai jellemzői. [184] Gáz Vegyjel M, Molekulatö meg [kg/kmol] γ Fajhő/Hőm érséklet (98,15 K) Konstans r=r/m [J/kg K] c p, Fajhő [J/kg K] Levegő 8,96 1,400 87, ,00 Argon Ar 39,94 1,658 08,15 54,61 Szénmonox id CO 8,01 1,398 96,83 104,50 Széndioxid CO 44,01 1,88 188,9 845,73 Hélium He 4,00 1, ,0 533,50 Metán CH 4 16,04 1, ,5 3,0 Nitrogén N 8,01 1,400 96, ,30 Oxigén O 3,00 1,395 59,8 916,90 Víz (gőz) H O 18,01 1,39 461, ,10 4. táblázat: A száraz levegő jellemzői 1 bar légköri nyomáson. [178] t [C ] γ [kg/m 3 ] Cp [kcal/kg C ] 10 λ [kcal/m ó C ] 10 α [m /ó] 10 6 µ [kg mp/m ] 10 6 ν [m /mp] ,685 0,50 0,65 0,705 0,66 1,76 0, ,817 0,48 1,00 1,45 0,89 3,10 0, ,984 0,44 1,39,88 1,0 5,94 0, ,534 0,4 1,75 4,73 1,49 9,54 0,76-0 1,365 0,41 1,94 5,94 1,66 11,93 0,74 0 1,5 0,41,04 6,75 1,75 13,70 0, ,06 0,41,11 7,4 1,81 14,70 0,7 0 1,164 0,4,17 7,66 1,86 15,70 0,7 30 1,17 0,4, 8,14 1,91 16,61 0,7 40 1,09 0,4,8 8,65 1,96 17,60 0,7 50 1,056 0,43,34 9,14,00 18,60 0,7 p r 189

189 . sz. melléklet: Légköri refrakció jelensége és megfigyelésének körülményei. 1. kép Kettős fénytörés alsó légrétegekben (Forrás: [11]). kép Fénytörés jelensége a felső légrétegekben (Forrás: [113]) 3. kép A fénytörés jelensége nagy vízfelület felett (Forrás: [114]) 190

190 3. sz. melléklet: Állapotjelzők és kapcsolatuk. 4. ábra Hőmérséklet, nyomás és sűrűség profil változás a magasság függvényében (Forrás:[11]) A normál atmoszférát az ICAO (International Civil Aviation Organization), valamint a DIN szabvány a következő módon állapította meg: A föld felszínén a levegő: nyomása: p 0 = Pa (103,5 mbar ), hőmérséklete: T 0 = 88,15 K, kg sűrűsége: ρ 0 = 1,5. 3 m A hőmérséklet- gradiens 11 km magasságig: 11 0 km között: T = 16,5 K állandó. dt dz K = 0,0065. A hőmérséklet m 5. ábra A levegő törésmutatója a fény hullámhosszának a függvényében (Forrás:[1]) 191

191 4. sz. melléklet: Különféle lézerek térbeli energia eloszlásának összehasonlítása. 1. ábra Ideális Gauss fényenergia eloszlás (balra), lapos profil (jobbra) (Forrás:[13]). ábra CO lézer (balra), HeNe lézer (jobbra) (Forrás:[13]) 3. ábra Excimer 111 lézer (balra), N gyűrű lézer (jobbra) (Forrás:[13]) 111 Elektronnyalábbal, vagy elektromos kisüléssel gerjesztett gázlézer, amelyben a foton akkor lép ki, amikor a gerjesztett molekula alacsony energiaszintre kerül és szétesik. Hullámhossza a látható és ultraibolya tartományba esik. 19