Svět mikrovln a radarů
30. 5. 2007
Současná živá debata politiků i veřejnosti o možném umístění speciálního amerického protiraketového radaru v ČR stála u zrodu tohoto příspěvku, v němž se pokusíme shrnout všechna podstatná i zajímavá fakta o radarech: Jaký je jejich princip? Kdy a kde se zrodily a byly poprvé nasazeny v praxi – ve světě i u nás? Přiblížíme, jakým vývojem radary prošly, jaké hlavní druhy radarů slouží dnes. Ukážeme, jaké druhy radarů používá Armáda ČR, vojenské i civilní letectvo. Pokusíme odhadnout charakteristiku činnosti uvažovaného speciálního velkého radaru amerického protiraketového systému, o jehož umístění na našem území se uvažuje. Neopomeneme zjistit, jaké fyzikální vlivy působí v okolí radarů, a to především na lidský organismus. Připomeneme také, že jako vedlejší výsledek při vývoji radaru vznikla i mikrovlnná trouba.
Tereza: Milé dámy, Michael je výborná partie. Jediné, co neumí, tak neumí vařit a jídlo neustále ohřívá v mikrovlnné troubě.
Michael: A Terinka je taky výborná partie. A taky používá mikrovlnku. Ale na rozdíl ode mne vůbec neví, netuší, jak to funguje. A proto dneska jsme tady.
Tereza: Já bych chtěla vědět, jak je to s těmi mikrovlnami.
RNDr. Zdeněk Drozd, CSc., katedra didaktiky fyziky, MFF UK: Pojďme se na to podívat. Mám tady jednoduchou aparaturu a můžeme si s mikrovlnami pohrát. Tady je vysílač, který vysílá mikrovlny, tady je přijímač, který je přijímá. No, a abychom věděli, zda přijímač přijímá, máme tady voltmetr, který ukazuje buď nějakou výchylku – ta říká, že mikrovlny tam dopadají, nebo tam výchylka není. Teď mikrovlny na přijímač nedopadají.
Tereza: Takže když tady probíhají mikrovlny a já tam dám kuře, tak to kuře se mi ohřeje?
RNDr. Zdeněk Drozd, CSc., katedra didaktiky fyziky, MFF UK: No, tady se vám to kuře neohřeje, Terezo, protože výkon tohoto vysílače je velmi malý. Na to bychom potřebovali mikrovlnnou troubu, ve které bychom kuře mohli ohřát.
Ale popořádku. Mikrovlny jsou elektromagnetické záření. Podle vlnové délky jej dělíme na pronikavé záření gama, rentgenové, ultrafialové, jen kousek patří viditelnému světlu, hned vedle je infračervené záření. Následují mikrovlny radarové, pro mobily, televizi a pak několik pásem vln radiových. My se dnes zaměříme na radary.
Michael: In the same way that the visible light can pass through our windows microwaves can also pass through certain materials. Have a look at this voltmeter here we see that microwaves are passing through. If I put the plastic sheet, microwaves still go through, they penetrate the material.
Stejně jako viditelné světlo prochází našimi okny, i mikrovlny mohou procházet určitými materiály. Podívejte se na tohle: na voltmetru zde vidíme, že mikrovlny procházejí. Jestliže vložím plastovou tabulku, mikrovlny stále pronikají touto látkou.
Tereza: Hadr …
Michael:… also penetrate.
… také pronikají.
Tereza: Neprůhledná destička …
Michael: … also penetrates.
…také pronikají.
However there are other materials, which do not allow microwaves to penetrate, but instead they reflect them.
Jsou tu ovšem jiné materiály, které mikrovlnám nedovolí proniknout, naopak je odrážejí.
RNDr. Zdeněk Drozd, CSc., katedra didaktiky fyziky, MFF UK: No a právě odrazu od některých předmětů se dá využít, například u radarů. Teď si představte, že tyto dvě věci jsou součástí radaru. A do zorného pole radaru vletí letadlo. Už sledujeme výchylku. Ovšem teď už letadlo v zorném poli není. Takže ještě jednou: letadlo prolétá před radarem a radar ho zaregistroval.
Letiště, letadla. Naprostá většina z nás právě s tímto prostředím spojuje obrázek točícího se radaru. Jak vlastně toto slovo vzniklo a jak vůbec radar funguje?
Prof. Ing. František Vejražka, CSc., katedra radioelektroniky, FEL ČVUT v Praze: RADAR je od RAdio Detection And Range. Znamená to zjistit v prostoru někoho a určit jeho polohu. Většinou vzdálenost a úhel. Radary se rozlišují na dvě základní kategorie – primární a sekundární radar. Primární radar je ten nejstarší, kdy jeho původ se dá najít na začátku 20. století v pokusech Marconiho, Popova a dalších.
Důležitou roli sehrály radary během druhé světové války v Bitvě paprsků mezi Británií a Německem. Na jakém principu tedy radary pracují?
Prof. Ing. František Vejražka, CSc., katedra radioelektroniky, FEL ČVUT v Praze: Když jste někde v lomu a zakřičíte, přijde vám ozvěna. Když budete křičet v nějakém směru a postupně se otáčet, zjistíte, že ozvěna přichází z jednoho směru nebo vymezeného směru. Máme zdroj nějaké elektromagnetické energie, která je nějak směrována (to dělá vlastně ty ruce na puse) a někde tady máme letadlo. Elektromagnetická energie se vysílá v takovém úzkém svazku a ten se postupně otáčí. A teď když dopadne na letadlo, signál tam doletí, vrátí se a je přijat. Je to tak, že je vyslán impulz energie, aby se mohlo přijímat. Je to trošku zjednodušeně, ale je to tak. Já mám obrazovku, kde se mi otáčí postupně paprsek. A když přijde odraz, paprsek se rozsvítí. Takže když to mám orientováno takhle na sever, zde na obrazovce se mi objeví zelený bod – knedlík. Na tom nejstarším radaru. Dneska je tu počítačové zobrazení, které to bude zobrazovat trošku jinak.
Jsme ve středisku radiolokačního průzkumu Lažany u Chomutova. Ideální místo, kde uvidíme vojenské radiolokátory v chodu a hezky zblízka. Toto je například výškoměr. Slouží k určování výšky cíle.
Pplk. Ing. Jaroslav Kalkant, Brigáda velení, řízení a průzkumu, Armáda ČR: Tento radiolokátor může dohlédnout do vzdálenosti zhruba tří set, tří set padesáti kilometrů. Samozřejmě to záleží na režimu, který má zvolen.
Podívejte se s námi na obrazovku výškoměru. Paprsek na stínítku kopíruje kývavé pohyby jeho velké antény. Téměř každá svislá čárka v poli, vykresleném kývajícím se paprskem, představuje letadlo. Vzadu za výškoměrem se vodorovně otáčí přehledový radiolokátor. Přináší přehled o vzdušné situaci do vzdálenosti dvou set kilometrů a výšky deseti kilometrů.
Tento přehledový radar vidí dokonce do tří set kilometrů a vzhůru až do patnácti kilometrů. Jeho pět vysílačů ve dvou anténách pokrývá širokým pohledem vzdušný prostor kolem. Také na jeho obrazovce znamená každá čárka letící letadlo. Radar s poetickým názvem „Parol“ má za úkol identifikovat cizí a vlastní letouny. Jak to dokáže? Dnešní letouny mají mezi palubním přístroji takzvaný odpovídač, který vysílá kód se svou identifikací. Ale o odpovídači dnes ještě bude řeč.
Radiolokační služba naší armády spolupracuje úzce s civilním řízením letového provozu nad územím České republiky. Nedávno bylo uvedeno do provozu nové centrum Řízení letového provozu v Jenči u Prahy. Pojďte se s námi porozhlédnout, jak takové řízení probíhá a jakou roli v něm hrají radary. Tuto stopu zanechává na obrazovce signál primárního radaru. Světlý bod je poloha letadla a ocásek za ním značí předchozí polohy letounu.
Radar – správně řečeno radiolokátor – mají na své palubě i letadla. Jediný skutečný klasický radar v současných dopravních letadlech je radar počasí. Informuje pilota o počasí, turbulencích a bouřích před letadlem. Na tomto dopravním Boeingu 737 jej najdeme v přídi, pod aerodynamickým krytem. Radiofrekvenční signál využívají i další přístroje letounu. Je to například odpovídač sekundárního radaru. Jeho elektronická část je umístěna v podpalubí letounu, v prostoru za předním podvozkovým kolem. Antény odpovídače najdete na dolní i na horní části trupu. Dotazovač se ze země dotazuje letadel a ta se mu svými odpovídači z paluby automaticky hlásí svým kódem, který jim pro daný let přiděluje řízení letového provozu.
Ing. Vlastimil Brotánek, vedoucí systémů ASP, Řízení letového provozu ČR: Tady se nacházíme na sále, kde jsou monitorovány a ovládány systémy jak radarové, tak ostatní informační systémy, a současně, abych nezapomněl, támhle na odlehlé straně máme ještě další domény. To jsou navigační systémy, komunikační infrastruktura, datové přenosy.
Ty naše radary, které využíváme, jsou přibližně v tomto místě. Je tady primární i sekundární radar. V současné době jsou na jedné mechanice, to znamená, že se točí společně. Asi v tomto prostoru na budově Technického bloku, kde dříve – možná si někdo pamatuje – byla kulička radomu, tak radom už tam není. Je tam ale pojezdový radar, který řídí pohyb na ploše letiště a monitoruje překážky a případně překážky z toho odvozené, kdyby byly nějaké kolize.
Ing. Vlastimil Brotánek, vedoucí systémů ASP, Řízení letového provozu ČR: Teď jsme se dostali na centrální sál techniky, kde jsou umístěny všechny počítače, které slouží pro zobrazování na sektorech pro řídicí letového provozu.
V centru v Jenči se soustřeďují informace z přehledových radarů z Prahy, Písku, Vysočiny a z podobných radarů ze sousedních zemí. Počítače tato data zpracují a vznikají výsledné polohy všech letadel, jak je vidíme na obrazovkách dispečerů. Říká se tomu multitrack. Obraz o stavu leteckého provozu nad naším území poskytují také stanice systému pasivních radarů P3D, známých spíše pod původním názvem Věra. Systém pouze přijímá data, vysílaná palubním odpovídači letadel. Vyhodnocuje časové rozdíly v jejich příjmu, a z toho rekonstruuje polohy letadel.
Ing. Vlastimil Brotánek, vedoucí systémů ASP, Řízení letového provozu ČR: Každé letadlo má určenou trasu, tedy letový plán, který předem určuje, kudy se bude pohybovat. Řídicí koriguje, aby v provozu, kdy se letadla sbíhají v některých bodech, aby se bezpečně minula buď výškově, nebo v určitě vzdálenosti.
Teď s námi vstoupíte do letového simulátoru pro výcvik pilotů Českých aerolinií. Znalci možná poznávají: octli jsme se v kokpitu Boeingu 737. A právě v perné chvilce.
Pilot: Momentálně poloha toho hrozícího provozu vpravo nad námi.
Emil Kasík, specialista pro avioniku, České aerolinie: Červená 03 znamená, že to letadlo je 300 stop nad námi. To znamená, že pro nás by za určitých okolností mohlo být velmi nebezpečné.
Systém varování před střetem s letadlem po upozornění dává pilotovi instrukce, jak uniknout z nebezpečné situace.
Emil Kasík, specialista pro avioniku, České aerolinie: Pilot provádí zásah, to znamená, že klesá, dostal pokyn k rychlejšímu klesání a snaží se vyhnout potenciálnímu konfliktu.
Radary a mikrovlnné systémy letadel zajišťují plynulý provoz na leteckých linkách a pomáhají vyhnout se kolizím ve vzduchu i na letišti.
Tereza: Tady je zase článek, jak protestují proti tomu radaru v Brdech. Myslíš, že to skutečně má nějaké vedlejší účinky na lidský život?
Michael: Člověče, já se v tom nevyznám. Ale mám kamaráda, který v tom dělá a je v tom odborník. Zavolám ho, jestli chceš.
Tereza: To je dobrý nápad.
Michael: Sejdeme se s ním.
Tereza: Aspoň to zjistíme.
Michael: Lukáši, můžeš mi vysvětlit, prosím tě, jak mi můžou přesně mikrovlny ublížit?
Ing. Lukáš Jelínek, Ph.D., vedoucí Národní referenční laboratoře pro elektromagnetické záření, SZÚ Praha: Princip je poměrně jednoduchý. Předchozí experiment ukazoval, jak mikrovlny mohou být odraženy některými předměty. Ale jiné předměty, například tento vlhký hadr – nebo i lidské tělo – nejenže záření odrazí, ale část ho i pohltí, a tím se zvýší jejich teplota.
Ohřátí lidské tkáně pronikajícími mikrovlnami znázorňuje tato animace. Tkáň se sice ohřeje, podle přísných limitů však maximálně o desetiny stupně. Samoregulační mechanismus těla pomocí kolující krve sám takové místo ochlazuje.
Ing. Lukáš Jelínek, Ph.D., vedoucí Národní referenční laboratoře pro elektromagnetické záření, SZÚ Praha: To může být právě příčina zdravotního ohrožení.
Michael: A tím pádem – musejí se nebo nemusejí lidi v Brdech bát toho nového radaru?
Ing. Lukáš Jelínek, Ph.D., vedoucí Národní referenční laboratoře pro elektromagnetické záření, SZÚ Praha: Samozřejmě se bát nemusejí. Česká legislativa nařizuje, aby tento ohřev byl velice nízký, konkrétně jedna desetina stupně Celsia nebo nižší. A tudíž – pokud všichni dodrží záklon – a to je samozřejmě pro všechny provozovatele povinné – tak se lidé nemohou ohřát více, než by bylo pro ně zdravotně závadné.
Uvažovaný velký radar na našem území by měl být součástí protiraketového obranného systému. O jak rozsáhlý systém se jedná?
Pplk. Ing. Jiří Rožek, Odbor vzdušných sil, Generální štáb Armády ČR: Protiraketový systém se skládá z několika komponentů: jsou to družice, křižníky Ages, radary zde v USA, Japonsku, Grónsku, ve Velké Británii a případně z radarů v naší republice.
Jakou úlohu v protiraketovém systému by měl hrát právě „náš“ velký radar? Zde je modelová situace: Z území mimo Evropu – ve vzdálenosti kolem pěti tisíc kilometrů – startuje balistická raketa, směřující na Evropu. Po startu je zachycena infračervenými družicemi, které tuto informaci předají na velitelské stanoviště. To aktivuje radar dalekého průzkumu, který převezme sledování této střely.
Pplk. Ing. Jiří Rožek, Odbor vzdušných sil, Generální štáb Armády ČR: Na základě údajů z radarů dalekého průzkumu je aktivován radar podobného typu, jaký je předpoklad, že bude umístěn v České republice, který potom slouží pro přesné navedení vypálené antirakety do té chvíle, než si ho tato antiraketa zachytí vlastními senzory a provede jeho zničení.
Z průzkumu zpravodajských služeb a dalších náznaků vyplývá, že některé státy mimo koalice budou v letech 2015 až 2020 schopny vyvinout raketové nosiče s doletem pět tisíc kilometrů a více. Jeden z inkriminovaných států už takový nosič dokonce testoval.
Pplk. Ing. Jiří Rožek, Odbor vzdušných sil, Generální štáb Armády ČR: Proto je důležité nikoli čekat, až tato hrozba přijde, ale tuto hrozbu předvídat a připravit se na ni.
Toto území přibližně pokrývá současný protiraketový systém. V případě jeho rozšíření na Evropu by pokryl toto rozsáhlé území.
Pplk. Ing. Jiří Rožek, Odbor vzdušných sil, Generální štáb Armády ČR: V souvislosti s radarem, který je plánován na umístění v naší republice, se hovoří o jeho dosahu čtyř tisíc kilometrů. Což při předpokládané výšce paprsku ve vzdálenosti čtyř tisíc kilometrů bychom mohli uvažovat o startu rakety ze vzdálenosti pěti tisíc kilometrů.
Pokud bude tento radar uveden do provozu, musí v každém případě splňovat technické a zdravotní normy Evropské unie. Paprsek tohoto ohromného radaru je velice úzký, dosahuje jen několik setin stupně. V žádném případě by nesměroval na stavby, a tedy ani na obyvatele okolních obcí, ale výrazně vzhůru k předpokládanému objektu sledování.
Pplk. Ing. Jiří Rožek, Odbor vzdušných sil, Generální štáb Armády ČR: Potom by tento lokátor byl umístěn v určitém ochranném pásmu, kdy mimo toto pásmo je vyzařování srovnatelné nebo menší, než vyzařování mobilních telefonů nebo mikrovlnných trub.
Radar, označovaný zkratkou GBR, o jehož umístění na našem území se uvažuje, je dnes v provozu na jednom z tichomořském atolů Marshallových ostrovů. O bezpečnosti jeho provozu svědčí fakt, že v sektoru, do něhož je radar nasměrován, leží místní střední i základní škola a jen o něco bokem i velitelství americké základny. O umístění protiraketového radaru u nás ještě stále není rozhodnuto. Zvažují se nyní všechny důležité okolnosti stavby a provozu. Jisté však je, že bezpečnost jeho provozu by byla plně zajištěna.
Autor: Vladimír Kunz