منوی اصلی

پیوندهای روزانه

آرشیو مطالب

آرشیو موضوعی

پیوندها

  RSS  

 نورهاي شمالي و جنوبي

دانشمندان می گویند برای فوران های ناگهانی و حرکات سریع که گاه در نورهای شمالی و جنوبی مشاهده می شود توضیحاتی یافته اند

به گفته آنها اين پديده ناشي از انتشار مقدار عظيمي انرژي ذخيره شده است كه 100 هزار كيلومتر بالاتر از سطح زمين در ميدان مغناطيسي محافظ آن روي مي دهد. اين حوادث انفجارگونه زماني اتفاق مي اتد كه خطوط ميدان مغناطيسي زمين تحت فشار زياد ناگهان شكل تازه اي به خود مي گيرند.

اين نتيجه گيري بر اطلاعات جمع آوري شده توسط پنج ماهواره سازمان هوافضاي آمريكا، ناسا، كه دور زمين مي گردند استوار است. واسيليس آنجلوپولوس از دانشگاه كاليفرنيا در لس آنجلس گفت: "ما عاملي كه نورهاي شمالي را به رقص در مي آورد كشف كرده ايم."

وي دانشمند ارشد ماموريت تميس (Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms) است.

محققان با استفاده از پنج ماهواره همانند تميس كه در فاصله زياد از يكديگر مي گردند و همچنين شبكه حمايتي آنها روي زمين، سلسله حوادثي را رديابي كردند كه با يك "زيرتوفان" اوليه شروع شده و در نهايت به يك رقص رنگارنگ نور در آسمان شب دو قطب زمين منجر مي شود. اين مطالعات تاييد كرد كه توفان ها با يك به اصطلاح "بازاتصال" در خطوط ميدان مغناطيسي شروع مي شود.

نيكولا فاكس دانشمند دانشگاه جانز هاپكينز توضيح داد: "زمين غرق بادهاي خورشيدي است، كه ميدان مغناطيسي خورشيد را با خود حمل مي كنند." "اين ميدان مي تواند در جهت هاي مختلف قرار گيرد اما وقتي در جهت مقابل ميدان مغناطيسي زمين قرار مي گيرد، درست همانطور كه دو قطب مخالف يك آهنربا همديگر را جذب مي كنند، خطوط دو ميدان شكسته شده و به هم مي پيوندند."

"اين اتصال مجدد باعث ورود مقدار عظيمي انرژي خورشيدي به داخل اتمسفر مغناطيسي زمين مي شود. اين به نوبه خود يك زيرتوفان ايجاد مي كند كه در نهايت منجر به نورهاي قطبي مي شود." رصدهاي تميس نشان مي دهد كه يك زيرتوفان در منطقه اي از فضا به فاصله تقريبا يك سوم مسافت زمين از ماه روي مي دهد و يك الگوي مشخص را دنبال مي كند.

اين الگو حاوي يك دوره بازاتصال، و بعد روشنايي سريع نورها و گسترش سريع اين نورها به سوي قطب هاست. اين فرآيند در توزيع مجدد جريان هاي الكتريكي كه در اطراف زمين در فضا جريان مي يابند به اوج مي رسد. درك زيرتوفان ها مهم است چون اين پديده مي تواند ذرات پرانرژي زيانبار را به زمين نزديك كند، جايي كه فضانوردان و ماهواره ها قرار دارند. جريان هاي عظيم همچنين مي تواند وارد اتمسفر شده و خطوط برق و سيستم هاي ارتباطي را مختل كند.دانشمندان مايل هستند امكان پيش بيني مشكلات احتمالي اين پديده را داشته باشند.

|+| نوشته شده توسط مهدی مردآزاد دبیر فیزیک شهرستان کاشمر در 87/05/21  |

 تئوري ساخت ليزر گازي co2

|+| نوشته شده توسط مهدی مردآزاد دبیر فیزیک شهرستان کاشمر در 86/05/28  |

 Forces (این مطلب باتوجه به نیاز یکی از خوانندگان در وبلاگ قرار داده می شود.)

Forces

One of the basic features in physics is the occurrence of forces that keep matter together. There are for example, the forces that keep the cells together to build up the human body, and there is the gravitational force that keeps us on the ground and the moon in orbit around the earth. We can ourselves exert forces when we push something and, by engineering, get some of the energy content in oil to produce a force on the wheels of a car to move it. From the macroscopic point of view we can imagine many different kinds of forces, forces that act at impact but also forces that act over a distance such as the gravitational one. In physics, though, we try to systematise and to find as many general concepts as possible. One such systematisation is to find out the ultimate constituents of matter. Another is to find out the forces that act between them. In the first case, we have been able to divide up matter into atoms and the atoms into nuclei and electrons, and then the nuclei into protons and neutrons. By colliding protons with protons or protons with electrons, particle physicists have uncovered that all matter can be built from a number of quarks (a concept introduced by Murray Gell-Mann in the 60's) and leptons (electrons and neutrinos and their heavier cousins). In the same process physicists have uncovered four basic forces that act between these matter particles - gravitation, electromagnetism, the strong and the weak nuclear force. Only the first two can be directly seen in the macroscopic world so let us first describe them.

Gravitation

The first quantitative theory of gravitation based on observations was formulated by Isaac Newton in 1687 in his Principia. He wrote that the gravity force that acts on the sun and the planets depends on the quantity of matter that they contain. It propagates to large distances and diminishes always as the inverse of the square of the distance. The formula for the force F between two objects with masses m₁ and m₂ a distance r away is thus

F=Gm₁m₂/r²,

where G is a constant of proportionality, the gravitational constant. Newton was not fully happy with his theory since it assumed an interaction over a distance. This difficulty was removed when the concept of the gravity field was introduced, a field that permeates space. Newton's theory was very successfully applied to celestial mechanics during the 18th and the beginning of the 19th century. For example J.C. Adams and U.J.J. Leverrier were able to conjecture a planet outside of Uranus from irregularities in its orbit and subsequently, Neptune was found. One problem remained though. Leverrier had in 1845 calculated that Mercury's orbit precesses 35'' per century in contrast to the Newtonian value that is zero. Later measurements gave a more precise value of 43''. (The observed precession is really 5270''/century, but a painstaking calculation to subtract the disturbances from all the other planets gives the value of 43''.) It was not until 1915 that Albert Einstein could explain this discrepancy.

Galilei was the first to observe that objects seemingly fall at the same speed regardless of their masses. In Newton's equations the concept of mass occurs in two different equations. The second law says that a force F on a body with mass m gives an acceleration a according to the equation F=ma. In the law of gravity, the force of gravity F satisfies F=mg, where g depends on the other bodies exerting a force on the body (the earth usually, when we talk of the gravity force). In both equations m is a proportionality factor (the inertial mass and the gravitational mass) and there is no obvious reason that they should be the same for two different objects. However, all experiments indicate that they are. Einstein took this fact as the starting point for his theory of gravitation. If you cannot distinguish the inertial mass from the gravitational one you cannot distinguish gravitation from an acceleration. An experiment performed in a gravity field could instead be performed in an accelerating elevator with no gravity field. When an astronaut in a rocket accelerates to get away from earth he feels a gravity force that is several times that on earth. Most of it comes from the acceleration. If one cannot distinguish gravity from acceleration one can always substitute the gravity force by being in an accelerating frame. A frame in which the acceleration cancels the gravity force is called an inertial frame. Hence the moon orbiting the earth can instead be regarded to be in an accelerating frame. However this frame will be different from point to point since the gravity field changes. (In the example with the moon the gravity field changes direction from one point to another.) The principle that one can always find an inertial frame at every point of space and time in which physics follows the laws in the absence of gravitation is called the Equivalence Principle.

The fact that the gravitational force can be thought of as coordinate systems that differ from point to point means that gravity is a geometric theory. The true coordinate system that covers the whole of space and time is hence a more complex one than the ordinary flat ones we are used to from ordinary geometry. This type of geometry is called Non Euclidean Geometry. The force as we see it comes from properties of space and time. We say that space-time is curved. Consider a ball lying on a flat surface. It will not move, or if there is no friction, it could be in a uniform movement when no force is acting on it. If the surface is curved, the ball will accelerate and move down to the lowest point choosing the shortest path. Similarly, Einstein taught us that the four-dimensional space and time is curved and a body moving in this curved space moves along a geodesics which is the shortest path. Einstein showed that the gravity field is the geometric quantity that defines the so-called proper time, which is a concept that takes the same value in all coordinate systems similar to distance in ordinary space. He also managed to construct equations for the gravity field, the celebrated Einstein's equations, and with these equations he could compute the correct value for the precession for the orbit of Mercury. The equations also give the measured value of the deflection of light rays that pass the sun and there is no doubt that the equations give the correct results for macroscopic gravitation. Einstein's theory of gravitation, or General Relativity, as he called it himself is one of the greatest triumphs of modern science.

Electromagnetism

It was James Clark Maxwell who, in 1865, finally unified the concepts of electricity and magnetism into one theory of electromagnetism. The force is mediated by the electromagnetic field. The various derivatives of this field lead to the electric and the magnetic fields, respectively. The theory is not totally symmetric in the electric and the magnetic fields though, since it only introduces direct sources to the electric field, the electric charges. A fully symmetric theory would also introduce magnetic charges, (predicted to exist by modern quantum theory but with such huge magnitudes that free magnetic charges must be extremely rare in our universe). For two static bodies with charges e₁ and e₂ the theory leads to Coulomb's Law giving the force between the two bodies

F=ke₁e₂/r²,

where again k is a proportionality constant. Note the resemblance with Newton's law for gravity. There is one difference though. While the gravitational force always is attractive, the electromagnetic one can also be repulsive. The charges can either have negative signs such as for the electron or be positive as for the proton. This leads to the fact that positive and negative charges tend to bind together such as in the atoms and hence, screen each other and reduce the electromagnetic field. Most of the particles in the earth screen each other in this way and the total electromagnetic field is very much reduced. Even so we know of the magnetic field of the earth. Also in our bodies most charges are screened so there is a very minute electromagnetic force between a human being and the earth. The situation is very different for the gravity field. Since it is always attractive, every particle in the earth interacts with every particle in a human body, setting up a force with is just our weight. However, if we compare the electromagnetic and the gravitational forces between two electrons we will find that the electromagnetic one is bigger by a factor which is roughly 10⁴⁰. This is an unbelievably large number! It shows that when we come to microcosm and study the physics of elementary particles we do not need to consider gravity when we study quantum electrodynamics, at least not at ordinary energies.

When examining Maxwell's equations one finds that the electromagnetic field travels with a finite velocity. This means that Coulomb's Law is only true once the electromagnetic field has had time to travel between the two charges. It is a static law. One also finds that the electromagnetic field travels as a wave just in the same way as light does. It was Rømer who discovered that the velocity of light is finite and Newton and Huygens who discovered that light travels as waves in the late 17th century, and by the end of the 19th century the velocity of light was well established and seen to agree with the velocity of the electromagnetic field. Hence it was established that light is nothing but electromagnetic radiation. In 1900 Max Planck proposed that light is quantised in order to explain the black body radiation. However, it was Albert Einstein who was the first to really understand the revolutionary consequences of this idea when he formulated the photoelectric effect. The electromagnetic field can be understood as a stream of corpuscular bodies to be called photons that make up the electromagnetic field. The revolutionary aspect of this idea was that a stream of particles also could behave as a wave and there was much opposition to the idea from many established scientists of the day. It was not until 1923 when Arthur Compton experimentally showed that a light quanta could deflect an electron just like a corpuscular body would do it, that this debate was over.

If we think about the electric force between two charges as the electromagnetic field mediating it over a distance, we can now get a more fundamental picture as a stream of photons sent out from one particle to hit the other. This is a more intuitive picture than a force acting over a distance. Our macroscopic picture of a force is that something hits a body that then feels a force. In the microscopic world this is then again a way to understand a force. However, it is more complex. Suppose there are two charged particles that interact. Which particle is sending out a photon and which is receiving the photon if the two particles are identical as quantum mechanics tells us about fundamental particles? The answer must be that the picture should include both possibilities. The discovery that the electromagnetic field is quantised started the development of quantum mechanics and led us to a microcosm that is just built up by point-like objects and where forces occur when two particles hit each other.

Quantum mechanics as such led to many new revolutionary concepts. One of the most important ones is Heisenberg's Uncertainty Relation formulated by Werner Heisenberg in 1927, which states that one cannot measure position and momentum or energy and time exactly simultaneously. For a nucleus, one can either determine the position of an electron and know nothing of its momentum or know its momentum and nothing about its position. In the picture showing the force field between two charges, we should think of it as photons travelling from one charge to another. Hence the energy cannot be determined better than what the uncertainty relation tells us because of the uncertainty in the determination of the time. Hence the special relativity relation for light that the photon is massless which translates into the relation that the energy²=momentum²c² need not be satisfied. If we put the energy and the tree-dimensional momentum together into the four-momentum we see that it is not constrained by the masslessness condition, we say that the photon is virtual and consequently has a (virtual) mass. We can thus interpret the process above as either a certain photon going from particle 1 to particle 2 with a certain four-momentum or as one from particle 2 to particle 1 with the opposite four-momentum. When two charges are far away the uncertainty relation gives little freedom and the photon is closer to masslessness, We know that Coulomb's law seems to be valid at the longest distances so it must be set up by the photons close to masslessness. If two charges are close there should be more terms to the force. Incidentally in order to measure the velocity of light the photons must interact. Hence there is a slight uncertainty in its mass and a slight uncertainty in its velocity. However, we measure always the same velocity for light which means that at the macroscopic distances that we measure, the virtuality and hence the mass of the photon is essentially zero to a very good accuracy. It is then consistent to say that the velocity of light is constant.

The full description of the electromagnetic force between elementary particles was formulated by Sin-Itiro Tomonaga, Richard Feynman and Julian Schwinger in independent works in the 1940's. They formulated Quantum ElectroDynamics (QED). This is a theory that takes full account of quantum physics and special relativity (which is the underlying symmetry of Maxwell's Equations). It is very elegantly formulated by so-called Feynman diagrams, where the elementary particles exchange photons as was described above and where each diagram constitutes a certain mathematical expression that can be obtained from some basic rules for the propagation of virtual particles and from the interaction vertices. The simplest diagram for the interaction between two electrons is

This diagram in fact leads to Coulomb's law. Feynman now instructs us that we can combine any line for a propagating electron (or when it travels backwards, the positron) and any line for a propagating photon tied together with the vertex where an electron line emits a photon to make up new diagrams. Every other diagram differing from the one above constitutes quantum corrections to the basic force. It was through the work of the three scientists above that it was shown that every such diagram can be made to make sense to give finite answers. It is said that QED is renormalisable. The strength of the force as in Coulomb's law is governed by the magnitude of the vertex which is the electric charge e in QED and for the diagram above it is proportional to the square of e and is the Fine Structure Constant = 1/137. Since this is a small number it makes sense to write the amplitude in a series of terms with higher and higher powers of since that factor will be smaller and smaller for ever increasing complexity of the diagram. The higher order terms are higher quantum corrections and the perturbation expansion that we have defined will have smaller and smaller terms as we go to higher quantum corrections.

Nuclear Forces

Since there were only two basic forces known in the beginning of the 20th century, gravitation and electromagnetism, and it was seen that electromagnetism is responsible for the forces in the atom, it was natural to believe that it was also responsible for the forces keeping the nucleus together. In the 1920's it was known that the nuclei contain protons, in fact the hydrogen nucleus is just a proton, and somehow it was believed that electrons could be involved in keeping the protons together. However, an idea like this has immediate problems. What is the difference between the electrons in the nucleus and the ones in orbit around the nucleus? What is the consequence of Heisenberg's uncertainty relation if electrons are squeezed into the small nucleus? The only support for the idea, apart from there being no other known elementary particles, was that in certain radioactive decays electrons were seen to come from the nucleus. However, in 1932 James Chadwick discovered a new type of radiation that could emanate from the nuclei, a neutral one and his experiment showed that there are indeed electrically neutral particles inside the nuclei, which came to be called neutrons. Soon after Eugene Wigner explained the nuclei as a consequence of two different nuclear forces. The Strong Nuclear Force is an attractive force between protons and neutrons that keep the nucleus together and the Weak Nuclear Force is responsible for the radioactive decay of certain nuclei. It was realized that the strength of the two forces differed a lot. The typical ratio is of the order of 10¹⁴ at ordinary energies.

Strong Interactions

A natural idea now was to search for a mechanism like the one in electromagnetism to mediate the strong force. Already in 1935 Hideki Yukawa proposed a field theory for the strong interaction where the mediating field particle was to be called a meson.

However, there is a significant difference between the strong force and the electromagnetic one in that the strong force has a very short range (typically the nuclear radius). This is the reason why it has no classical counterpart and hence had not been discovered in classical physics. Yukawa solved this problem by letting the meson have a mass. Such a particle was also subsequently seemingly found from cosmic rays by Carl Anderson. The discovery of nuclear fission in the late 1930's led to an enormous interest in nuclear physics and in the war years most physicists worked on problems with fission so it was not until after the war that Yukawa's ideas were taken up again. It was then realized that the particle found by Anderson could not be the meson of strong interactions, since it interacted far too little with matter, and it was then shown that this particle, now called the muon, is a heavy cousin of the electron. However, the meson, now called pion, was finally discovered in cosmic rays by Cecil Powell in 1947 and its properties were measured. A new dilemma now appeared. When the big accelerators started to operate in the 1950's, the pions were produced vindicating Yukawa's theory, but when his field theory was scrutinised according to the rules set up by Feynman, it was shown that indeed the theory is renormalisable but the coupling constant is huge, larger than one. This means that a diagram with several interactions will give a larger contribution than the naive one with the exchange of only one pion, which is the one though that does gives a rough picture of the scattering of two protons. The perturbation expansion does not make sense. Also the scattering of protons produced new strongly interacting particles beside the pion, which were named hadrons. Indeed a huge menagerie of elementary particles were discovered, some of them with a life time of some 10^-8 to 10^-10 s and some with a lifetime of 10^-23 s. This problem was solved by Murray Gell-Mann when he proposed that all the strongly interacting particles are indeed bound states of even more fundamental states, the quarks. This idea was eventually experimentally verified in the Stanford experiments in the years around 1970 led by Jerome Friedman, Henry Kendall and Richard Taylor. To understand the forces inside the nucleus one really had to understand the field theory for quarks. Before describing the forces between quarks we have to discuss the other nuclear force, the weak one.

Weak Interactions

In 1896 Henri Becquerel discovered that uranium salts emit a radiation; they are radioactive. His work was followed up by Marie and Pierre Curie who discovered that several atoms disintegrated by sending out radioactivity. With the discovery of the neutron it was realized that this phenomenon is another aspect of a force at work. It was found that the neutron decays into a proton and an electron and a then hypothetical particle proposed by Wolfgang Pauli, which came to be called the neutrino (really the antineutrino). Since in the nucleus the mass of the nucleons are virtual the process can also go the other way in which a proton decays into a neutron, a positron and a neutrino. The first to set up a model for this interaction was Enrico Fermi in which it was supposed that the interaction was instantaneous among the matter particles. In the late 1950s Fermi's theory was modified to account for parity violation by Marshak and Sudarshan and by Feynman and Gell-Mann. Parity violation of the weak interactions had been postulated by Tsung-Dao Lee and Chen Ning Yang in 1956 and experimentally verified by Wu and collaborators the year after. (The weak interactions can distinguish between left and right.)

However, the model introduced had severe problems. It is not renormalisable so it cannot really make sense as a general theory. On the other hand the model worked extremely well for many processes. How could one reconcile these two facts? During the 1960's new field theoretic descriptions were proposed and to reconcile the facts above one introduced mediating particles that were extremely heavy. For low energy processes such a particle can only propagate a very short distance and in practice it will look as if the interaction takes place in one point giving the model above for the energies that at the time could be probed. The scheme used, the so-called ‘Non-Abelian Gauge Theories' were used by Sheldon Glashow, Steven Weinberg and Abdus Salam in independent works to suggest a model that would generalise the model above. Such a field theory is a generalisation of QED in which there are several mediating particles which also can have self interactions. In the beginning of the 1970's this scheme of models were proven to be renormalisable and hence good quantum theories by Gerhard ‘tHooft and Tini Veltman. Overwhelming experimental evidence for the model was gathered in the 1970's and finally in 1983 the mediating particles were discovered at CERN in an experiment led by Carlo Rubbia and Simon van der Meer. Indeed the mediating particles are very heavy, almost 100 times the mass of the proton.

Theory for Strong Interactions

A remarkable feature of the SLAC experiments that verified the existence of quarks was 'scaling'. The cross sections for the deep inelastic scattering of electrons on protons depended on fewer kinematical variables for higher energies. The cross sections scaled. This phenomenon was theoretically suggested by James Bjorken and the data showed it clearly. Richard Feynman explained it by assuming that the protons consisted of point-like constituents. To explain scaling these constituents must have a coupling strength that decreases with energy, opposite to the case of QED. This was called 'asymptotic freedom'. It was quite difficult to believe that a quantum field theory could be asymptotically free since the energy dependence of the coupling constant is due to the screening from pairs of virtual particles. Relativistic quantum mechanics allow for such pairs  if they do not live too long. This is due to Heisenberg's uncertainty principle and the fact that energy is the same as mass according to Einstein's famous formula.

Asymptotic freedom must mean that the quark charges are antiscreened, which as said was hard to believe to exist in a quantum field theory. However, in 1973, David Gross, David Politzer and Frank Wilczek simultaneously found that for a non-abelian gauge field theory the requirement of asymptotic freedom is satisfied if there are not too many quarks. The key to the solution was that the vector particles mediating the force, the gluons, do indeed antiscreen. This can be understood since the charges of the quarks and the gluons, the "colour charges" satisfy more complicated relations than the simpler electric charges. There are three different colours and their anticolours. While the quarks have a colour charge, the gluons have a colour and an anticolour charge. Hence virtual gluons can line up with charges screening each other while the strength of the field increases.

The discovery of asymptotic freedom opened up for a non-abelian gauge field theory for the interactions among quarks and it was called QuantumChromodynamics, QCD. Over the years this theory has been very successfully tested at the large accelerators and it is now solidly established as the theory of the strong interactions.

The Standard Model

The success of non-abelian gauge theories showed that all the interactions could be unified in a common framework. This led to the so-called Standard Model in which all the matter particles are treated together, i.e. the electron and its heavier partners the muon and the tau-particle and the corresponding neutrinos, which all have only weak interactions, together with the quarks which can have both strong and weak interactions. The force particles, i.e. the mediators, are then the photon for electromagnetism, the W and Z particles for the weak force and the gluons for the strong force. Even though the Standard Model unifies the interactions there are differences in the details. The photon and the gluons are massless particles while the W and Z particles have a mass. The photon leads to Coulomb's law for large distances while the gluons lead to a confining force between the quarks. This is in fact due to the asymptotic freedom, which can also be interpreted to say that the coupling strength increases with lower energy, which quantum mechanically also means that it increases with  distance. In fact this increase is like the one for a spring, such that the quarks are permanently bound in the hadrons. Even so the properties of the gluons have been firmly established by experimenters.

Unification of all Interactions

In the standard model above there is no mentioning of the gravitational force. It has been said that it is so tremendously weak that we do not need to take it into account at particle experiments. However, on general grounds there must be a quantum version of the gravity force that acts at small enough distances. If we try to just copy the quantisation of the electromagnetic field in terms of photons we should quantize the gravity field into so-called gravitons. However, the procedure of Feynman, Tomonaga and Schwinger does not work here. Einstein's gravity is non-renormalisable. Where is the problem? Is it Einstein's theory or quantum mechanics that is not complete? The two great conceptual milestones of the 20th century, Quantum Mechanics and Einstein's General Relativity are simply not consistent with each other. Einstein thought for his whole life that quantum mechanics is indeed incomplete, but so many tests of it have by now been made that physicists are instead trying to generalise Einstein's theory. The remarkable success with the Standard Model has also shown that the idea of unification of the forces is a valid one. Why are there four different forces or are they really different? They do indeed, show up as different forces in the experiments we do, but the Standard Model shows that the electromagnetic and the weak forces are unified for energies above 100 GeV. Similarly the model shows that also the strong force seemingly so different unifies with the other one at energies above 10¹⁵GeV. Can the gravitational one be fit into this scheme?

It can be shown that at energies of the order of 10¹⁹ GeV the gravity force will be as strong as the other ones, so there should be a unification of all the forces at least at that energy, which is an energy so unbelievably high that it has only occurred in our universe at a time 10^-42 s after the Big Bang. However, physics should also be able to describe phenomena that occurred then, so there should be a unified picture which also includes gravity. Such a scheme has now been proposed, The Superstring Model in which particles are described by one-dimensional objects, strings. This model indeed gives Einstein's theory for low energies and can be made compatible with the Standard Model at the energies where it has been probed. It is also a finite quantum theory so a perturbation theory for gravity based on the Superstring Model is indeed consistent. It is still too early to say if this is the final 'theory of everything', but there is no paradox or inconsistency in the model as far as has been understood. Finally the model makes one more unification, namely of the matter particles and the force particles, having just one sort of particles. This is also the ultimate goal of physicists, to have one unified force and one unified kind of particles.

|+| نوشته شده توسط مهدی مردآزاد دبیر فیزیک شهرستان کاشمر در 86/05/14  |

 نانوفوتونيك

به علوم و فناوري‌هاي مربوط يا به كار گيرنده نور و فوتون (ذره بنيادي نور) كه به برهم‌كنش‌هاي بين نور و ماه مي‌پردازند فوتونيك گفته مي‌شود . بازار جهاني تجهيزات نانوفوتونيك از 421 ميليون دلار در سال 2004 به 3/9 ميليارد دلار 2009 خواهد رسيد. كاربردهاي كوتاه مدت نانوفوتونيك به چهار دسته اصلي نمايشگرها، ديودهاي نورافشان، سلول‌هاي خورشيدي (دريافت كننده‌هاي انرژي خورشيدي) و حسگرهاي زيست شيميايي تقسيم خواهد شد.

نانوفوتونيك چيست ، چه مي‌كند و چه خواهد بود؟ با نگاهي گذرا به زيرساخت براي روشن‌شدن مفهوم و گستره نانوفوتونيك بالاجبار بايد تبييني مختصر از دو حوزه تشكيل‌دهنده آن يعني فوتونيك و فناوري‌نانو ارائه دهيم. ابتدا توضيح مختصري راجع به فوتونيك خواهيم داد. اصولاً به علوم و فناوري‌هاي مربوط و به كار گيرنده نور و فوتون (ذره بنيادي نور) كه به برهم‌كنش‌هاي بين نور و ماه مي‌پردازند فوتونيك گفته مي‌شود كه ليزر، اپتيك،‌تصويري‌سازي نوري و الكترونيك نوري از حوزه‌هاي اصلي آن هستند. اما فناوري‌نانو چيست و تأثيرات آن بر فوتونيك چيست؟ دربارة تعاريف فناوري‌نانو، منابع و ادبيات آن چنان مفصلي وجود دارد كه به سختي بتوان تعريف واحد و پذيرفته شده‌اي از آن ارائه كرد. شكل 1- ماهيت ميان رشته‌اي مثالي كه براي نشان دادن اين تعدد تعاريف استفاده مي‌شود اين است كه اگر از پنج صاحب‌نظر در حوزه نانو نظرخواهي شود، احتمالاً آنان پنج تعريف متفاوت از فناوري‌نانو ارائه خواهند كرد. يكي از آنها به مواد و كاربردها، يكي به تجهيزاتي كه دستكاري و تجسم اشيا و فرآيندها در سطح مولكولي را ممكن مي‌سازند و ديگري به تمايز بين نانومواد و نانوفرآيندهاي ساخت بشر و آنهايي كه به طور طبيعي به وجود مي‌آيند، اشاره خواهد كرد. يك مورد هم احتمالاً بيشتر به اين نكته كه فناوري‌نانو چه چيزي نيست اشاره خواهد كرد تا اين كه چه چيزي هست. به طور مثال يك فناور به اين نكته اشاره مي‌كند كه فناوري‌نانو را نبايد به هر آن چه در سطح مولكولي اتفاق مي‌افتد اطلاق كرد در غير اين صورت بايد به فعاليت يك متصدي بار در آمريكا كه براي توليد نوعي نوشيدني، مولكول‌هاي مخمر جو سياه را با مولكول‌هاي نوشيدني شيرين افسنطين تركيب مي‌كند، فناوري‌نانو اطلاق كنيم. حال به سراغ تعريفي مي‌رويم كه كاربرد بيشتري دارد (احتمالاً نفر پنجم!) و به ما براي رسيدن اهداف‌مان در اين مقاله بيشتر كمك خواهد كرد: به گفته بروس ويزمن، استاد دانشگاه رايس كه اولين مركز تحقيقاتي دانشگاه فناوري‌نانو در آمريكا را در سال 1993 تأسيس كرده است يك هم‌گرائي در جامعة علمي براي رسيدن به يك تعريف استاندارد شده وجود دارد كه مي‌توان آن را اين گونه بيان كرد: دستكاري ماده در سطح مولكولي و اتمي براي به وجود آوردن ساختارهاي مهندسي شده براي كاربردهاي معين. تأثيرات فناروي نانو بر فناوري فوتونيك چقدر خواهد بود؟ به طور بالقوه بسيار زياد. بنابر گزارش منتشر شده در ژانويه 2005 به وسيله Business Communications (Norwalk)، بازار جهاني تجهيزات نانوفوتونيك از 421 ميليون دلار در سال 2004 به 3/9 ميليارد دلار در سال 2009 خواهد رسيد كه كاربردهايي كليدي، بين ديودهاي نورافشان و نور ميدان- نزديك متغير خواهد بود. حوزه‌هاي كاربردي نانوفوتونيك يكي از گزارش‌هايي كه امسال توسط شركت Strategies با مسئوليت نامحدود در mountainview كانادا منتشر شده است، اشاره مي‌كند كه كاربردهاي كوتاه مدت نانوفوتونيك به چهار دسته اصلي نمايشگرها، ديودها، نورافشان، سلول‌هاي خورشيدي (دريافت كننده‌هاي انرژي خورشيدي) و حسگرهاي زيست شيميايي تقسيم خواهد شد و بازار نهايي آن از مسائل مربوط به امنيت و پزشكي تا هوش كنترل شده و فناوري اطلاعات و ارتباطات گسترده خواهد بود. در حوزه فناوري‌هاي تواناساز سه فناوري كه رشد بيشتري نسبت به ديگر فناوري‌هاي نانوفوتونيك داشته‌اند نقاط كوانتومي، نانولوله‌هاي كربني و بلور‌هاي فوتونيكي بوده‌اند. نقاط كوانتومي در حجم وسيعي براي كاربردهايي چون زيست پزشكي توليد مي‌شوند. همين طور نانولوله‌هاي كربني كاربردهاي جديدي در خودرو، پزشكي، نمايشگرها و محاسبات مي‌يابند. بلور‌هاي فوتونيكي نيز به جهان نانو هجوم آورده‌اند. به طور مثال در IBM محققان از بلور‌هاي فوتونيك براي ساخت مدارهاي نانوفوتونيك استفاده مي‌كنند ‌(كه هم‌اكنون 200 تا 300 نانومتر هستند) كه هدف نهايي آنها به وجود آوردن ‌نانوفوتونيك با قابليت تطبيق‌پذيري با نيمه‌رساناهاي اكسيد فلزي يا همان CMOSها براي دستيابي به توليد انبوه مدار مجتمع‌هاي فوتونيكي و به طور تدريجي مدارهاي نانوئي 100 نانومتري و كوچكتر است. شناسايي زيرساخت‌هاي حياتي براي توسعه نانوفوتونيك : سؤالي كه پيش آمد اين است كه در صورتي كه كشور ما بخواهد به توسعه نانوفوتونيك پرداخته و از كاربردهاي آن بهره‌مند گردد، كدام فناوري‌ها نقش حياتي‌تري را در اين راه ايفا خواهند كرد و در صورت عدم وجود آنها تلاش براي دسترسي به آنها در اولويت قرار خواهد گرفت كه البته پاسخ به چنين سؤالي نياز به تحقيقات عميق و طولاني مدت دارد كه از حوصلة اين مقاله خارج است ولي براي به دست آوردن يك پاسخ ابتدايي و نسبتاً منطقي مي‌توان از يك مدل ساده استفاده كرد. ابتدا بايد كاربردهاي اصلي نانوفوتونيك و فناوري‌هاي مربوط به هر كدام را شناسايي نمود و بررسي كرد كدام فناوري‌ها به اكثر كاربردهاي مادر مربوط مي‌شوند كه البته در اين راه بايد به دليل يافتن پاسخي قطعي‌تر براي كاربردهاي مختلف است ضريبي قائل شد. فناوري‌هايي كه از اهميت كمتري برخوردارند و نمره بالائي كسب نكرده، مشخص شوند تا تلاش براي دسترسي به آنها باعث صرف منابع در زمينه‌هاي بدون اولويت نشود. همان طور كه ذكر كرديم كاربردهاي كوتاه مدت و سودآوري نانوفوتونيك به چهار دسته اصلي نمايشگرهاي ديود نورافشان، پيل‌هاي خورشيدي و حسگرهاي زيست شيميايي تقسيم خواهند شد، پس ما براي فناوري‌هاي مربوط به اين 4 دسته ضريب 2 قائل خواهيم شد. كاربردها فناوري‌هاي مرتبط نمايشگرها نانولوله‌هاي كربني، نانوذرات ديودهاي نورافشان نانوذرات، بلور‌هاي فوتونيكي سلول‌هاي خورشيدي نانوسيم، فولرين‌هاي كربني، فناوري مواد آلي، نانوذرات حسگرها وعلامت‌گذارهاي سيال زيست شيميايي نانوذرات، نانوسيم، بلور‌هاي فوتونيكي، نانوسيالات، SPR (تشديد پلاسمون سطح ما فيبرهاي ميكروساختار، فوتونيك‌هاي سيليكوني ليزرهاي ديودي نقاط كوانتومي، بلور‌هاي فوتونيكي ارتباط دروني تراشه نانوذرات، بلور‌هاي فوتونيكي، فوتونيك‌هاي سيليكوني حسگرها و جفتگرهاي نوري نانوذرات، فوتونيك‌هاي سيليكوني ليتوگرافي با ابزار ليزر اپتيك‌هاي زير طول موج فيبرهاي ويژه فيبرهاي ميكروساختار شكل 2- كاربردهاي اصلي نانوفوتونيك و فناوري‌‌هاي مرتبط   نما يشگر ها 2× ديود ها نور افشان2×   سلول ‌هاي خورشيد ي 2×   حسگر ها و علامت ‌گذارهاي زيست شيميا يي 2×   ليزر هاي ديودي ارتباط درون تراشه حسگر ها و جفتگر هاي نوري ليتو رافي با ابزار ليزر فيبر هاي ويژه نانولوله‌ هاي كربني ü                 نانوذرات ü ü   ü ü ü ü     بلورهاي فوتونيكي   ü   ü   ü       نانوسيم     ü ü           فولرين‌هاي كربني     ü             فناوري مواد آلي     ü             نانوسيالات       ü           SPR (تشديد پلاسمون سطح)       ü           فيبرهاي ميكرو ساختار       ü         ü فوتونيك ‌هاي سيليكو ني       ü ü ü       اپتيك ‌هاي زير طول موج             ü     نقاط كوانتومي       ü           شكل 3- بررسي بر كاربردترين فناوري‌ها در نانوفوتونيك نمره محاسبه شده براي هر يك از فناوري‌ها بدون اعمال ضريب: نانوذرات= 5 بلور‌هاي فوتونيكي=4 فوتونيك‌هاي سيليكوني=3  نانوسيم= 2 فيبرهاي ميكروساختار= 2 فولرين‌هاي كربن= 1 فناوري مواد آلي= 1 نانوسيالات= 1 SPR= 1 نانولوله‌هاي كربني= 1 اپتيك‌هاي ليزر زير طول موج=    نقاط كوانتومي= 1     اولويت‌هاي به دست آمده بدون اعمال ضريب: 1- نانوذرات 2- بلور‌هاي فوتونيكي  3-فوتونيك‌هاي سيليكوني 4- نانوسيم 5- فيبرهاي ميكروساختار نمره محاسبه شده براي هر يك از فناوري‌ها با اعمال ضريب: نانولوله‌هاي كربني=2   نانوذرات= 8 بلور‌هاي فوتونيكي=6 فناوري‌ مواد آلي=2 فولرين‌هاي كربني = 2 فوتونيك‌هاي سيليكوني=5 SPR= 2 نقاط كوانتومي=1 فيبرهاي ميكروساختار=3 نانوسيم=4 اپتيك‌هاي زير طول موج=1 نانوسيالات=2 اولويت‌هاي به دست آمده با اعمال ضريب: 1- نانوذرات 2- بلور‌هاي فوتونيكي 3-فوتونيك‌هاي سيليكوني 4 - نانوسيم   5- فيبرهاي ميكروساختار همان گونه كه ملاحظه نموديد نتايج به دست آمده در هر دو روش يكسان مي‌باشد كه اين مسأله مي‌تواند به معناي تأكيد بر اولويت‌هاي به دست آمده باشد. مراكز مهم تجاري نانوفوتونيك در جهان مسأله بعدي يافتن راهكارهايي براي توسعه اين فناوري‌ها و در مرحله بعد تجاري‌سازي كالاهاي نانوفوتونيك است كه به احتمال قوي و طبق نتايج به دست آمده تحقيقات مديريت راهبردي، يكي از مؤثرترين اين راهكارها همكاري با مؤسسات مهم تجاري و تحقيقاتي نانوفوتونيك دنيا است. در اين مقاله ما به اختصار به معرفي مراكز پيشرو تجارت نانو فوتونيك در جهان مي‌پردازيم،‌ ضمن اين كه مراكز تحقيقاتي و دانشگاهي نانوفوتونيك در مقاله‌اي ديگر به طور جداگانه بررسي خواهند شد. • در زمينه نانوذرات و نانوبلور‌ها شركت‌ها Evident technology در نيويورك آمريكا و Nanosolutions در هامبورگ آلمان جزو مهمترين شركت‌ها هستند. • در زمينه استفاده از نانولوله‌ در نمايشگرها شركت DuPont در دلاوير آمريكا و Samsung در سئول كره جنوبي مهمترين مراكزند. • شركت‌هاي Konarka در ماساچوست آمريكا و STMicroelectronics در جنوا سوئيس فعالترين مراكز تجاري درباره سلول‌هاي خورشيدي هستند و بزرگترين شركت‌هايي كه درباره سيم‌ها و بلور‌هاي فوتونيكي فعال هستند. NanoOpto در نيوجرسي آمريكا و LittleOptics در مري لند آمريكا هستند. آينده و چالش‌هاي نانوفوتونيك در طول سال‌ها، نانوفوتونيك از توسعه مواد در نيمه‌رساناها و مفاهيم توسعه در فيزيك اتمي و خود ساماني در علوم شيمي سود برده است و اين مسئله منجر به اين شده است كه بازۀ وسيعي از مفاهيم و كاربردها زير چتر نانوفوتونيك قرار گرفته و راهي را به سوي فوتونيك مولكولي باز كرده‌اند كه چشم‌انداز فوق‌العاده‌اي را به ما مي‌نماياند. اگر چه هنوز اپتيك و ليزر ابزارهاي مقدماتي در تجارت نانو هستند، ولي جالب است ذكر كنيم كه در حالي كه فوتونيك بيشتر شامل تجهيزات سامانه‌ها و زيرسامانه‌ها‌ است، نانوفوتونيك بيشتر به كاربردهاي فناوري‌هاي اپتيكي موجودبراي ساخت، دستكاري و تصويربرداري از اشياء در قطع‌هاي نانوئي و مولكولي مي‌پردازد. در حقيقت يكي از كاربردهاي اصلي نانومقياس در فناوري‌هاي نوري تعيين مشخصات است، كه در كاربرد فلوئورسانس و طيف‌نمائي نوري و تكنيك‌هاي مرتبط در تحقيقات براي تعيين مشخصات بهتر با ابزاري مانند مواد نانولوله‌اي و فرآيندهاي مولكولي شاخص‌ترين موارد هستند. يشرفت‌هاي به دست آمده در تكنيك‌هاي نوري و غير نوري منجر به تصاوير با دقت بسيار بالا از اشياء بسيار ريز مي‌باشد. محققان بيان مي‌كنند كه در تمام تحقيقات نانوئي از روش‌هاي مشابهي از تعيين مشخصات به وسيله نور استفاده شده است ولي مشكل اصلي نانوساختارها مانند نانولوله‌ها، تفاوت‌هاي ساختاري فراوان آنها است كه چالش‌هايي ‌را فراروي "گزينش انتخابي" قرار داده است. محققان اين رشته بايد به طور مداوم با چنين مشكلي دست و پنجه نرم كنند. حل اين مسأله براي توليد انبوه و در مقياس بالاي فناوري‌ها و تجهيزات نانوفوتونيكي حياتي است. حتي نانولوله‌هاي كربني نيز كه هم اكنون در حجم‌هاي تقريباً انبوه توسط بعضي توليد كنندگان ساخته مي‌شوند هنوز از عدم وجود استانداردهاي قابل اطمينان رنج مي‌برند كه اين مسأله تأثير مهمي بر كارآئي بسياري از كاربردهايش دارد. محققان در آزمايشگاه‌هاي مختلف از روش‌هاي مختلف استفاده مي‌كنند و اين گونه است كه نتايج كار آنها مي‌تواند متفاوت باشد و توليد كنندگان نانولوله‌ها در كنترل تركيبات محصول دچار مشكلاتي اساسي مي‌شوند كه اين مسأله در حقيقت، تحقيقات و بعضي از جنبه‌هاي تجاري‌سازي را كند مي‌كند. با اين موضوع همچنين از بعضي از كاربردهاي بسيار ظريف كه مي‌توانند از خواص نوري بسياري دقيق سود برند، جلوگيري مي‌كند. بنابر اين تلاش‌هاي بسياري براي توليد نانولوله‌هاي كربني با كنترل و گزينش بيشتر صورت مي‌گيرد. از سوي ديگري تلاش‌ها به سمت كنترل تغييرات خواص مواد متمركز شده است كه در حين ساختار يافتن اشياء به كمك نور رخ مي‌دهد. ديگر محققان نيز در حل كار بر روي نانومواد و نانوتجهيزاتي هستند كه از لحاظ زيست محيطي و زيستي سازگارتر باشند. از سوي ديگر، هزينه بالا،‌ زمان بر بودن و قابليت بالقوه تخريب طبيعي ديگر چالش‌هايي بوده‌اند كه گروهي از محققان را واداشته است كه براي استفاده از فرآيندهاي طبيعي نانوئي مانند خزه‌هاي دريايي و نوعي از غبار كه فرآيندهاي نانوئي در آن رخ مي‌دهد در محصولات و سطوح ديگر تلاش‌هايي را صورت دهند.

منابع : Small Times Magazineصحفه 30 Larry Bock, Nanosys, July/ August 2003. Nanophotonics: A marketing challenge Tom Hausken Laserfocusworld December 2004 Global community charts a course for Nanophotonics KATHYKINCADE laserfocusworld August 2005

منبع :  http://www.nano.ir/paper.php?PaperCode=302

|+| نوشته شده توسط مهدی مردآزاد دبیر فیزیک شهرستان کاشمر در 86/04/03  |

 موج زمین لرزه

زمین لرزه یکی از وحشتناک ترین پدیده های طبیعت محسوب می شود. اغلب ‏زمینی را که روی آن ‏ایستاده ایم، به صورت تخته سنگ های صلب و محکمی تصور ‏می کنیم که از استحکام زیادی برخوردار ‏است. هنگامی که زمین لرزه ای روی ‏می دهد، برای لحظه ای این تصور بر هم می ریزد. اما طی همان لحظه ‏کوتاه ‏خسارت های شدیدی وارد می شود. با توجه به پیشرفت هایی که در حوزه علوم ‏مختلف صورت گرفته ‏است، دانشمندان توانسته اند نیروهایی را که باعث زمین ‏لرزه می شود، شناسایی کنند.‏

علاوه بر آن با استفاده از فناوری های نوین می توان شدت یک زلزله و مکان آن را ‏حدس زد. مهم ترین ‏کار آن است که راهی برای پیش گویی زمین لرزه بیابیم تا ‏مردم هنگام وقوع آن غافلگیر نشوند. درست مثل ‏هنگامی که در سطح آب ‏اغتشاش روی می دهد، انرژی آن به صورت فیزیک امواج منتقل می شود، وقتی که ‏شکست ‏یا جابه جایی در پوسته زمین روی می دهد، انرژی آن به صورت فیزیک امواج ‏زمین لرزه منتقل می ‏شود.

نحوه پیدایش فیزیک امواج زمین لرزه:

در هر زمین لرزه ای چند نوع موج مختلف مشاهده می شود. فیزیک امواج اصلی از ‏لایه های داخلی زمین عبور می ‏کنند، در حالی که فیزیک امواج سطحی از سطح ‏می گذرند. اغلب ویرانی های زلزله توسط فیزیک امواج سطحی که فیزیک امواج ‏L‏ هم نامیده ‏می شوند، به وجود می آید، زیرا این فیزیک امواج ارتعاشات شدیدی را به وجود ‏می آورند. هنگامی که ‏امواج اصلی به سطح زمین رسیدند، فیزیک امواج سطحی را به ‏وجود می آورند. ‏

تقسیم بندی فیزیک امواج زمین لرزه:

‏امواج اصلی به دو گروه مهم تقسیم بندی می شوند:‏

* امواج اولیه:

o امواج اولیه که فیزیک امواج ‏P‏ نیز نامیده می شوند، با سرعت ۵.۱ تا ۸ کیلومتر در ‏ساعت حرکت می کنند.

o سرعت حرکت این فیزیک امواج به جنس زمینی که این فیزیک امواج از آنها عبور می کنند ‏بستگی دارد.

o سرعت این فیزیک امواج از موج های دیگر بیشتر است و بنابراین سریع تر به سطح ‏زمین می رسند.

o این فیزیک امواج قابلیت عبور از جامدات ، مایعات و گازها را دارند و به همین دلیل ‏به ‏طور کامل از زمین عبور می کنند. وقتی که این فیزیک امواج از صخره ها عبور می کنند، ‏در مسیر حرکت خود ‏به آنها به سمت جلو و عقب فشار وارد می کنند.

* امواج ثانویه:

o امواج ثانویه امواج ‏S‏ نامیده می شوند و مدت کوتاهی بعد از امواج ‏P‏ ‏می رسند. ‏این فیزیک امواج هنگام حرکت خود، صخره ها را به سمت بالا فشار می دهند، یعنی ‏ارتعاش صخره ها ‏عمود بر مسیر حرکت این فیزیک امواج است. فیزیک امواج ‏S‏ برخلاف فیزیک امواج ‏P‏ ‏نمی توانند در داخل زمین به خط مستقیم ‏حرکت کنند.‏

o این فیزیک امواج فقط از مواد جامد می گذرند و به همین دلیل هنگامی که در مرکز ‏زمین به مایع برسند، متوقف ‏می شوند. با این همه هر دو نوع موج از سطح زمین ‏می گذرند و بنابراین می توان آنها را در آن سوی نقطه ‏ای که زمین لرزه روی داده ‏است، شناسایی کرد.‏

شناسایی فیزیک امواج زمین لرزه:

سه نوع مختلف موج زلزله وجود دارد که هر کدام با سرعت مشخصی حرکت ‏می کند. به رغم آنکه سرعت ‏دقیق فیزیک امواج ‏P‏ و ‏S‏ بسته به جنس و نوع ماده ای که ‏این فیزیک امواج از آن عبور می کنند، متغیر است، نسبت سرعت ‏حرکت آن دو در تمام ‏زمین لرزه ها تقریباً ثابت باقی می ماند. معمولاً سرعت فیزیک امواج ‏P‏ ، حدود ۶.۱ ‏‏برابر سرعت فیزیک امواج ‏S‏ است.‏

‏دانشمندان می توانند با استفاده از این نسبت ، فاصله ‏بین هرنقطه از سطح زمین را با کانون زمین لرزه ‏محاسبه کنند. کانون زلزله مکانی ‏است که فیزیک امواج زمین لرزه از آنها شروع شده اند. برای تشخیص کانون ‏زلزله از ‏ابزاری استفاده می شود که زلزله نگار نامیده می شود. ‏

دستگاه زلزله نگار:

زلزله نگار دستگاهی است که فیزیک امواج مختلف را ثبت می کند. برای یافتن فاصله بین ‏زلزله نگار و کانون ‏زلزله ، دانستن زمان رسیدن این فیزیک امواج نیز ضروری است. با در ‏اختیار داشتن این اطلاعات، اختلاف زمانی ‏بین رسیدن این فیزیک امواج محاسبه شده و ‏سپس نمودار ویژه ای رسم می شود که در آن فاصله ای را که موج می ‏تواند طی ‏مدت اختلاف زمانی محاسبه شده طی کند، به دست می آید. اگر اطلاعاتی از این ‏دست را از سه یا ‏چند نقطه مختلف به دست آوریم، می توان مکان کانون زلزله را ‏به دست آورد.‏

بدست آوردن مکان کانون زلزله:

برای این کار کافی است که کره ای فرضی حول هر یک از زلزله نگار ها رسم کرد ‏که در آن مکان اندازه ‏گیری به عنوان مرکز کره و فاصله محاسبه شده تا کانون ‏زلزله به عنوان شعاع کره در نظر گرفته می شود. ‏پس سطح کره مورد نظر نشان ‏دهنده تمام نقاطی است که از زلزله نگار به اندازه مورد نظر فاصله دارد. ‏بنابراین ‏کانون زلزله مورد نظر باید در جایی در سطح این کره قرار داشته باشد. اگر دو کره ‏را بر اساس ‏اطلاعات به دست آمده از دو زلزله نگار مختلف رسم کنید، از تقاطع دو ‏کره یک دایره به دست می آید.‏

از آنجایی که کانون زلزله باید در سطح هر دو کره قرار گرفته باشد، محیط دایره ای ‏که از تقاطع دو کره ‏به دست می آید، نشان دهنده تمام کانون های ممکن برای ‏زلزله مورد نظر است. از تقاطع کره سوم با این ‏دایره فقط دو نقطه حاصل می شود ‏که نشان دهنده کانون های محتمل برای زلزله است. از این دو نقطه یکی ‏در ‏سطح زمین قرار دارد و دیگری در هوا. با توجه به آنکه کانون زلزله همیشه در ‏سطح زمین قرار دارد، ‏نقطه موجود در هوا کنار گذاشته شده و نقطه موجود در ‏سطح زمین نشان دهنده مکان واقعی کانون زلزله ‏است.‏

|+| نوشته شده توسط مهدی مردآزاد دبیر فیزیک شهرستان کاشمر در 86/04/03  |

 رادار تصویری

رادار یك سیستم الكترومغناطیسی است كه برای تشخیص و تعیین موقعیت هدف بكار می رود . با رادار می توان درون محیطی را كه برای چشم ،غیر قابل نفوذ است دید مانند تاریكی ،باران،مه.برف،غبار و غیره . اما مهمترین مزیت رادار توانایی آن درتعیین فاصله یا حدود هدف می باشد .كاربرد رادارها در اهداف زمینی ، هوایی،دریایی، فضایی و هواشناسی می باشد. ایجاد سیستمی با توانایی بالا در ردیابی پدیده ها و ایجاد تصاویر با کیفیت بالا از آنها هدف عمده ساخت رادار تصویری می باشد .

گاه امکان بررسی اجسام از نزدیک وجود ندارد . برای مثال جهت بررسی سطح اقیانوس ها نقشه برداری از عراضی جغرافیایی لزوم ساخت وسایلی که بتوانند از راه دور این کاررا انجام دهند به چشم می خورد . با دستیابی به تکنولو؟ی سنجش از راه دور بسیاری از این مشکلات برطرف گشت . در واقع در این روش امکان بررسی اجسام وسطوحی که نیاز به بررسی از راه دور دارند را فراهم می آورد . سنجش از راه دور رامی توان به دو بخش فعال وغیر فعال تقسیم کرد . گستره طول موج امواج مایکرویو نسبت به طیف مادون قرمز ومرئی سبب گردیده تا از سنجش از راه دور به وسیله امواج از این طیف استفاده گردد .

عملکردسیستم های سنجش غیرفعال همانند سیستم های سنجش دما عمل می کنند .در اینگونه سیستم ها با اندازه گیری انر؟ی الکترومغناطیسی که هر جسم به طور طبیعی از خود ساتع می کند نتایج لازم کسب می گردد .هواشناسی واقیانوس نگاری از کاربردهای این نوع سنجش می باشد .

در سیستم های سنجش فعال از طیف موج مایکرویو برای روشن کردن هدف استفاده می شود . این سنسورها را می توان به دو بخش تقسیم کرد : سنسورهای تصویری وغیرتصویری (فاقد قابلیت تصویربرداری) .

از انواع سنسور های غیر تصویری می توان به ارتفاع سنج واسکترومتر ها(پراکنش سنج ) اشاره کرد .کاربرد ارتفاع سنج ها در عکس برداری جغرافیایی وتعیین ارتفاع ازسطح دریا می باشد .اسکترومتر که اغلب بر روی زمین نصب میگردند میزان پراکنش امواج را ازسطوح مختلف اندازه گیری می کنند . این وسیله در مواردی همچون اندازه گیری سرعت باد در سطح دریا و کالیبراسیون تصویر رادار کابرد دارد .

معمول ترین سنسور فعال که عمل تصویربرداری را انجام می دهد رادار می باشد . رادار(radio detection and ranging) مخفف وبه معنای آشکارسازی به کمک امواج مایکرویو است .به طور کلی می توان عملکرد رادار را در چگونگی عملکرد سنسورهای آن خلاصه کرد . سنسورها سیگنال های مایکرویو را به سمت اهدف مورد نظر ارسال کرده وسپس سیگنال های بازتابیده شده از سطوح مختلف را شناسایی می کند . قدرت (میزان انر؟ی) سیگنالهای پراکنده شده جهت تفکیک اهداف مورد استفاده قرارمی گیرد . با اندازه گیری فاصه زمانی بین ارسال ودریافت سیگنال ها می توان فاصله تا اهداف را مشخص کرد . از مزایای شاخص رادار می توان به عملکرد رادار در شب یا روز وهمچنین قابلیت تصویربرداری درشرایط آب و هوایی مختلف اشاره کرد . امواج مایکرویو قادر به نفوذ در ابر مه ,گردوغبار وباران می باشند . از آنجاییکه عملکرد رادار با طرز کار سنسورهایی که با طیف های مرئی ومادون قرمز کار می کنند متفاوت است لذا می توان با تلفیق اطلاعات بدست آمده تصاویر دقیقی را بدست آورد .

تاریخچه :

اولین تجربه در مورد بازتابش امواج رادیویی توسط هرتز آلمانی در سال ۱۸۸۶ بدست آمد . پس از گذشت مدت زمان کمی اولین رادار که از آن برای آشکارسازی کشتی ها استفاده می شد مورد بهره برداری قرار گرفت . در سالهای ۱۹۲۰ تا ۱۹۳۰ پیشرفت هایی در جهت ساخت رادار با قابلیت تعیین فاصله اهداف صورت گرفت . اولین رادارهای تصویری درطی جنگ جهانی دوم برای آشکارسازی وموقعیت یابی کشتی ها وهواپیماها استفاده شد . بعد از جنگ جهانی دوم راداربا دید جانبی (SLAR) جهت جستجوی اهداف نظامی و کشف مناطق نظامی ساخته شد . اینگونه رادارها با داشتن آنتن درسمت جپ وراست مسیر پرواز قادر به تفکیک دقیقتر اهداف مورد نظر بودند . در سال ۱۹۵۰ با توسعه سیستم های SLAR تکنولو؟ی رادار دهانه ترکیبی ( رادار با آنتن ترکیبی) گامی در جهت ایجاد تصاویر با کیفیت بالا برداشته شد . در سال ۱۹۶۰ استفاده از رادارها ی هوایی وفضایی توسعه یافت وعلاوه برکاربرد نظامی جهت نقشه برداری های جغرافیایی و اکتشافات علمی و… نیز مورد استفاده قرار گرفتند .

§ اصول رادار :

مهمترین نکته حائز اهمیت در بخش قبل را میتوان معرفی رادار به عنوان وسیله اندازه گیری معرفی کرد . اجزاء تشکیل دهنده سیستم رادار فرستنده , گیرنده آنتن وسیستم های الکتریکی جهت ثبت و پردازش اطلاعات می باشد .

همانطور که در تصویر شماره ۱ مشاهده می شود فرستنده پالس های کوتاه مایکرویو (A) را که بوسیله آنتن راداربه صورت پرتو متمرکز می شوند(B) با فاصله زمانی معیین تولید می کند . آنتن راداربخشی از سیگنال های بازتابیده شده (c) از سطوح مختلف را دریافت می کند.

با اندازه گیری مدت زمان ارسال پالس و دریافت پ؟واک های پراکنده شده از اشیاء مختلف می توان فاصله آنها ودر نتیجه موقعیت آنها را تعیین نمود .با ثبت و پردازش سیگنال بازتابیده توسط سنسور تصویر دو بعدی از سطح مورد نظر تشکیل می گردد .

* پهنای باند :

از آنجاییکه گستره طیف امواج مایکرویو نسبت به طیف های مرئی ومادون قرمزوسیع تر می باشد لذا اکثر رادار ها از این طیف استفاده می کنند . در رادارهای تصویری اغلب از طول موج های زیر استفاده می شود:

ka&k&ku band

X_band

C_band

S_band

L_band

P_band (max)

تمامی طول موج های استفاده شده در رادارهای تصویری در محدوده سانتیمتر است . طول موج رادار در نحوه تشکیل تصویر موثر می باشد . با افزایش طول موج شاهد تصاویر با کیفیت بهتر می باشیم .در دو تصویر زیر(تصاویر شماره ۲و۳) از دو طول موج متفاوت استفاده شده است . شما می توانید تفاوت آشکاری را که دراین تصاویر وجود دارد مشاهده نمایید . علت این تفاوت تغییر در نحوه فعل وانفعال سیگنال با سطح اشیاء میباشد که در ادامه درباره این موضوع صحبت خواهد شد .

* قطبیدگی(polarization) :

هنگامی که در مورد امواج الکترومغناطیسی همانند امواج مایکرویو صحبت می گردد بحث درباره قطبیدگی حائز اهمیت می باشد . قطبیدگی عبارت است از جهت میدان الکتریکی در امواج الکترومغناطیسی . به طور کلی می توان قطبیدگی امواج را به سه دسته تقسیم بندی کرد : قطبیدگی خطی و دایره ای وبیضوی .

اغلب رادار های تصویری از قطبیدگی خطی استفاده کرده , که این نوع قطبیدگی را می توان به دو بخش عمودی(vertical) وافقی (horizontal) تقسیم بندی کرد (تصویر شماره۴). اغلب سنسورهای رادار طوری طراحی شده اند که قابلیت ارسال وهمچنین دریافت امواج را به یکی از دو صورت بالا دارا هستند . در بعضی از رادارها دریافت وارسال امواج با ترکیبی از دو نوع قطبیدگی انجام می پذیرد .

به طور کلی می توان چهارترکیب از قطبیدگی رادرا در نظر گرفت :

* HH
* VV
* HV
* VH

حرف H نشان دهنده قطبیدگی افقی وحرفV نمایانگر قطبیدگی عمودی میباشد . درچهارترکیب بالا حرف سمت راست نحوه دریافت سیگنال را نشان می دهد .

§ هندسه رادار (radar geometry):

درسیستم تصویربرداری رادار هوایی با جابجانمودن سکو در یک مسیر مستقیم که مسیرپرواز(flight direction)(A) نامیده می شودعمل تصویربرداری انجام میگردد . پای قائم در صفحه تصویر را ندیر(nadir)(B) می نامیم .آنتن رادار امواج را برای روشن کردن نوارتصویر(swath) (C) ارسال می کند . با قرار گرفتن نوارهای تصویر در کنار هم ناحیه تصویر(track) (ناحیه خاکستری رنگ ) تشکیل می گردد که این ناحیه نسبت به خط ندیر فاصله دارد . محور طولی ناحیه تصویرکه با مسیر پروازموازی می باشدرا سمت(azimuth)(E) ومحورعرضی راکه برمسیرپروازعمود است را برد(range)(D) می نامیم .

§ واژه شناسی :

محدوده نزدیک (Near range): بخشی از نوارتصویر که به خط ندیر نزدیک است .

محدوده دور(far range) : بخشی از نوار تصویر که در فاصله دور نسبت به خط ندیر قرار دارد .

برد مایل (slant range): خط شعاعی که از رادار به هریک از اهداف می توان نظیر کرد .

برد زمینی (ground range ) : تصویر برد مایل در سطح زمین .

زاویه تابش(incidence angle) : زاویه بین پرتورادار و سطح زمین .

زاویه دید(look angle) : زاویه بین خط عمود وپرتو رادار.

§ اثرات سطح بر تصویر رادار :

میزان روشنایی ( درخشندگی ) تصویر به میزان پراکندگی(scattering) سیگنال های مایکرویودر برخورد باسطح بستگی دارد . پراکنش سیگنال به پارامترهایی از قبیل مشخصات رادار (فرکانس قطبیدگی هندسه دید و…) وهمچنین خصوصیات سطح (پستی وبلندی نوع پوشش و…) وابسته است . به طور کلی می توانیم عوامل بالا را در سه عامل اصلی زیر خلاصه کنیم :

۱) صیقلی بودن سطح

۲) هنسه دید و رابطه آن باسطح

۳) درصد رطوبت وخصوصیات الکتریکی سطح

صیقلی بودن سطح مهمترین عامل تعیین کننده روشنایی تصویرمی باشد . سطوح صاف موجب بازتابش آیینه ای(A) در فعل وانفعال سیگنال رادار با سطح می گردند . درنتیجه این نوع بازتابش مقدار اندکی ازسیگنال های بازتابیده شده به سمت رادار باز میگردند . بنابراین سطوح صاف با درجه تیره گی بیشتر در تصویر ظاهر خواهند گشت . سطوح ناصاف سیگنال های رادار راتقریبا به صورت یکنواخت بازتاب می دهند . و درنتیجه بخش عمده ای از این سیگنال ها به سمت راداربازمیگردند . بنابراین سطوح ناصاف با درجه روشنایی بیشتر در تصویر مشاهده می شوند . به این نوع انعکاس بازتابش پخشیده(B)گفته می شود . احتمال وقوع انعکاس زاویه ای (C) در نواحی که از سطوح عمود برهم تشکیل شده وجود دارد. به بیان ساده تر سیگنال های بازتابیده شده از سطح اول پس از برخورد به سطح دوم به سمت رادار بازتاب داده میشود .این نوع انعکاس به طور معمول در مناطق شهری (ساختمان ها خیابان ها پل ها و… ) اتفاق می افتد . صخره ها کوه ها ونیزار رودخانه ها نیز سیگنال رادار را اینگونه بازتاب می دهند .

زاویه تابش(incidence angle) نیز در نحوه شکل گیری تصویر همچنین صیقلی بودن سطوح نقش ایفا می کند . با در نظر گرفتن سطح وطول موج ثابت با افزایش زاویه تابش سیگنال های کمتری به سوی رادار بازمیگردند ودر نتیجه درجه تیره گی افزایش می یابد .به بیان دیگر با افزایش زاویه تابش سطوح صیقلی تر از مقدار واقعی خود در تصویر ظاهرمی شوند .

به طور کلی تغییر در هندسه دید در بهبود نقشه های جغرافیایی وهمچنین برطرف کردن اختلال هایی از قبیل سایه دارشدن و کاهش عمق تصویرموثر می باشد .

وجود رطوبت در خصوصیات الکتریکی وحجم اجسام موثر می باشد . تغییر در خواص الکتریکی در جذب ارسال وهمچنین نحوه شکل گیری تصویر موثر می باشد . بنابراین درصد رطوبت اجسام در فعل وانفعال سیگنال رادارومتعاقبا تصویر موثر می باشد . معمولا با افزایش رطوبت جسم سیگنال های بیشتری توسط جسم بازتابیده می شود . برای مثال علفزارهای وسیع در هنگامی که مرطوب هستند در تصویر رادار روشنتر ظاهر می شوند .

§ دقت تفکیک(spatial resolution) :

به میزان توانایی رادار جهت تفکیک اشیاء مختلف از همدیگر دقت تفکیک گفته می شود . بر خلاف سیستم های نوری افزایش دقت تفکیک در رادار بر اساس خصوصیات امواج مایکرویو وهمچنین تاثیرات هندسی انجام می پذیرد . دررادارهایی که از یک آنتن جهت ارسال امواج استفاده می کنند یک پالس موج ارسال گشته و با دریافت پ؟واک آن توسط گیرنده تصویر تشکیل می شود .

دقت تفکیک را می توان در دو راستا بررسی کرد . در جهت سمت ناحیه تصویر که دقت سمت (azimuth resolution) نامیده می شود ودر جهت برد که آن را دقت برد (range resolution) می نامیم .

دقت برد به طول پالس رادار (P) بستگی دارد . در صورتی که عمل تفکیک با طول بیشتر از نصف پالس صورت گیرد اهداف از یکدیگر قابل تشخیص اند . برای مثال در شکل شماره ۸ اهداف ۱و۲ در تصویر به صورت یک جسم مشخص شده در حالیکه هدف های ۳و۴ به راحتی از هم تفکیک شده اند .

با افزایش زاویه تابش (افزایش برد )شاهد کاهش دقت برد می باشیم .

دقت سمت به پهنای ستون امواج رادار یا پهنای زاویه ای (beam width) (A) و همچنین برد مایل(slant range) وابسته است . با افزایش پهنای زاویه ای می توانیم شاهد دقت سمت باشیم . در تصویرشماره ۹ اهداف ۱و۲ که در محدوده نزدیک قرار دارند توسط رادار به راحتی قابل تشخیص اند درحالیکه هدف های ۳و۴ که در محدوده دور قرار گرفته اند قابل تشخیص نمی باشند . همچنین با افزایش طول آنتن رادار می توان دقت سمت را افزایش داد .

رادار دهانه ترکیبی (synthetic aperture radar):

همانطور که در قسمت قبل گفته شد جهت بالابردن دقت سمت می توانیم طول آنتن رادار را افزایش دهیم . اگرچه در این افزایش طول ما با محدودیت هایی مواجه هستیم . در رادرهای هوایی طول آنتن رادار بین ۱ تا ۲ متر در نظر گرفته می شود . در ماهواره ها ما می توانیم این محدوده را بین ۱۰ تا ۱۵ متر در نظر بگیریم . با تغییراتی در چگونگی حرکت سکوی رادار وثبت و پردازش سیگنال های بازتابیده شده می توان بر محدودیت اندازه غلبه کرد . بدین طریق که ما با تغییر در نحوه رفتار رادار به صورت مجازی طول آنتن رادار را افزایش داده ایم .

تصویر شماره ۱۰ چگونگی رسیدن به این خواسته را تشریح می کند .

۱) ابتداشیءهدف (A)سیگنال های مایکرویو را به صورت پالس دریافت کرده . پ؟واک های هر پالس توسط رادار ثبت می شوند . سکوی رادار در مسیر مستقیم به طور پیوسته در حال حرکت است . در طول زمانی که شیء هدف در معرض پالس های رادار قرار داردعمل ثبت سیگنال های بازتابیده شده از شیءتوسط رادار انجام می پذیرد .۲) زمان چندانی طول نمی کشد تا طول آنتن ترکیبی (B) مشخص گردد .

با افزایش پهنای زاویه ای وهمچنین کاهش سرعت سکو می توانیم دقت سمت را در محدوده دور افزایش دهیم .در نتیجه شاهد ثابت ماندن دقت تفکیک درراستای سمت می باشیم .به تکنولو؟ی فوق که جهت افزایش دقت برد صورت می پذیرد رادار دهانه ترکیبی یا SAR گفته می شود .این روش در اکثررادارهای هوایی وفضایی استفاده می شود .

§ خصوصیات تصویر رادار :

در تصاویر رادار با نوعی اختلال مواجه هستیم که به نویز اسپیکل(speckle) معروف است . این اختلال که باعث ظاهرشدن دانه های ریزودرشت (بافت فلفل نمکی) در تصویر می شود زاییده ساختار بهم ریخته سطح و همچنین تداخل سیگنال های بازتابیده می باشد . به عنوان نمونه یک سطح هموار مانند علفزار(تصویر شماره ۱۱) را در نظر می گیریم . بدون در نظر گرفتن اثر این اختلال پیکسلهای تصویر با درجه روشنایی یکسان مشاهده می شوند . حال آنکه در تصویر حقیقی به علت تداخل سیگنال های پراکنده شده پیکسل ها دارای درجات روشنایی متفاوت می باشند .

در واقع نویز اسپیکل کیفیت تصاویر راکاهش داده ودر نتیجه درتحلیل تصاویربا مشکل مواجه می شویم .حال برای کاهش این اثر میتوان دو روش را بکار برد :

۱) دید چندگانه (multi-looking processing):

در این روش هر پرتو رادار به چندین زیرپرتو (اشعه) تقسیم شده و هر اشعه وظیفه پوشش دادن یک ناحیه را بر عهده دارد . با ثبت تصاویر تشکیل شده توسط هر اشعه ومعدل گیری از آنها جهت تشکیل تصویر نهایی می توان نویز اسپیکل را کاهش داد .

۲) فیلترینگ (spatial filtering) :

پس از پایان یافتن مرحله اول وتشکیل تصویر اولیه فیلترکردن تصویر آغاز می شود . در این روش با حرکت دادن یک پنجره متشکل از تعدادی پیکسل (معمولا ۵*۵ یا ۳*۳ ) در طی سطر وستون تصویر از پیکسل هایی که هر پنجره پوشش می دهد معدل گیری (درجه روشنایی پیکسل های موجود در هر پنجره اندازهگیری شده وپیکسلی با درجه روشنایی واحد جایگزین پنجره مربوطه می گردد) انجام می شود .

بایستی توجه داشته باشیم که کاهش نویز اسپیکل باعث کاهش وضوح تصویر می گردد . همانطور که درتصاویر شماره ۱۴ و ۱۵مشاهده می شود تصویر شماره ۱۵نسبت به تصویر دیگر دارای وضوح کمتری است . در نتیجه برای ایجاد تصاویر با جزئیات دقیق نمی توان از این روش استفاده کرد . زمانی که سطح هدف را وسیع در نظر بگیریم کاهش نویز اسپیکل می تواند مثمر ثمرباشد .

گاه نیاز به استفاده از اندازه گیریهای دقیق جهت مقایسه مشاهدات وبدست آوردن نتایج لازم می باشد . در نتیجه بایستی دقت دقت ابزار اندازه گیری افزایش پیدا کند . این فعل توسط فرآیندی به نام کالیبراسیون (calibrasion) انجام پذیر است . ازآنجاییکه عمل اندازه گیری از اعمال اصلی رادار می باشد در نتیجه کالیبراسیون بسیار مهم می باشد . کالیبراسیون تلاش می کند تا اختلاف میان مقدار انر؟ی سیگنال بازتابیده با مقدار اندازه گیری شده توسط رادار کاهش یابد . در نتیجه کالیبراسیون دقیق ما شاهد تصاویری با دقت اندازه گیری یکسان توسط رادار خواهیم بود .

در کالیبراسیون نسبی سعی بر افزایش دقت سیستم رادار است . در حالیکه در کالیبراسیون مطلق با نصب دستگاه هایی بر روی زمین انر؟ی سیگنال های بازتابیده شده از سطح اندازه گیری شده و پس از تقویت به سوی رادار فرستاده می شوند. رادار می تواند با استفاده از این مقادیر به مقدار حقیقی انر؟ی دست پیدا کند .ودر نتیجه استنباط دقیقتری ازسطح حاصل داشته باشد .

§ کاربردهای پیشرفته :

علا وه بر کسب واستفاده درست از اطلاعات کابرد های خاص رادار به شرح زیر می باشد :

نخست تکنولو؟ی تصویر سه بعدی (stereo image) می باشد . در این روش با پوشش دادن ناحیه تصویر با زوایای تابش متفاوت وهمچنین بهره گیری ازجهت های دید متفاوت یا مخالف و انطباق تصاویر ایجادشده می توان یک تصویر سه بعدی از ناحیه تصویر ایجاد کرد .در نتیجه اختلال هایی از قبیل سایه دارشدن بعضی نواحی برطرف گردیده وزمینه برای تحلیل دقیقتر تصاویر فراهم می گردد . این تکنولوژی در تحلیل تصاویر مناطق جنگلی و جغرافیایی وهمچنین نقشه برداری از عراضی کاربرد دارد .

از دیگر پیشرفت های حاصل شده می توان به قطبش سنجی (polqrimetry) اشاره کرد . در این روش امکان دریافت و ار سال سیگنال های مایکرویو به صورت ترکیبی از قطبیدگی افقی و عمودی وجود دارد . در نتیجه ما می توانیم چهار ترکیب HH VV VH HV را برای دریافت یا ارسال امواج در نظر بگیریم . بدین طریق با ایجاد تصویری با وی؟ گی های مختلف نتایج لازم جهت دستیابی به تصویر دقیقتر حاصل می گردد .

منبع :http://www.academist.i

|+| نوشته شده توسط مهدی مردآزاد دبیر فیزیک شهرستان کاشمر در 86/01/26  |

 قانون اول ترمودینامیک

|+| نوشته شده توسط مهدی مردآزاد دبیر فیزیک شهرستان کاشمر در 85/10/09  |

 GPS سيستم مكان يابي جهاني

GPS چيست؟

GPS يا سيستم مكان يابي جهاني ،يك سيستم ناوگاني ماهواره است كه از شبكه اي با 24 ماهواره ساخته شد و بوسيله ي سازمان دفاع آمريكا در مدار قرار گرفت. در ابتدا GPS  براي مصارف نظامي به كار گرفته مي شد اما در 1980 ، دولت آمريكا اين سيستم را براي استفاده هاي شخصي در نظر گرفت.GPS  درهر شرايط آب و هوايي و در هر جاي دنيا ،در 24 ساعت شبانه روز قابل دسترسي است و هيچ حق اشتراك يا هزينه اي براي استفاده از GPS وجود ندارد.

 

 

GPS چگونه كار مي كند؟

ماهواره هاي GPS در يك مدار معين، زمين را دو بار در روز دور مي زنند و سيگنال هاي اطلاعاتي را به زمين ارسال مي كنند. دريافت كننده GPS اين اطلاعات را گرفته و براي محاسبه مكان دقيق كاربر از روش هاي هندسي استفاده مي كند. در اصل دريافت كننده ي GPS زمان ارسال سيگنال از ماهواره را با زمان دريافت سيگنال مقايسه مي كند. اختلاف زمان بازگو كننده ي ميزان فاصله ي ماهواره از دريافت كننده ي GPS است. با اندازه گيري فاصله، از تعدادي چند از ماهواره ها ،دريافت كننده مي تواند مكان كاربر را مشخص كرده و آن را روي نقشه ي الكترونيكي واحد نمايان كند.

يك دريافت كننده ي GPS با سيگنال هايي كه از حداكثر سه ماهواره دريافت مي كند، مي تواند مسير حركت و مختصات دو بعدي (طول و عرض) مكان را محاسبه كند. با در نظر گرفتن چهار يا بيشتر ماهواره ، دريافت كننده مي تواند مختصات سه بعدي (طول،عرض،ارتفاع) مكان كاربر را مشخص كند. زماني كه مكان كاربر مشخص شد ، GPS مي تواند ساير اطلاعات نظير:سرعت،مسير،فاصله ي پيموده شده،فاصله تا مقصد،زمان طلوع و غروب خورشيد و ... را محاسبه كند.

 

 

دقت GPS تا چه حد است؟

امروزه دريافت كننده هاي GPS داراي دقت بي نهايت بالايي هستند و اين امر را مديون طرح كانال چند گانه موازي هستيم. دريافت كننده هاي كانال 12 موازي گارمين به محض روشن شدن سرعت بالايي در برقراري رابطه با ماهواره دارد و اين ارتباط به طور مستمر بر قرار است و حتي درختان انبوه و آسمان خراش هاي بلند مانع برقراري ارتباط نمي شوند.كارخانه هاي اتمسفريك و ديگر چشمه هاي ايجاد خطا، روي دقت دريافت كننده ي GPS تاثير مي گذلرند.  دريافت كننده هاي GPS گارمين داراي ميانگين دقت 15 متر مي با شند.دريافت كننده هاي GPS گارمين با قابليت سيستم  افزايش عرض ناحيه دقت را با ميانگين كمتر از 3 متر بهبود مي بخشد. هيچ لوازم يدكي و يا حق الزحمه اي براي استفاده از سيستم افزايش عرض ناحيه احتياج نيست.كاربران مي توانند دقت را با كمك GPS تفاضلي  بهتر كنند. به اين صورت كه سيگنال هاي GPS را تقويت مي كند و به ميانگين 3تا 5 متر مي رساند.گارد ساحلي آمريكا اغلب از سرويس تقويت كننده GPS تفاضلي استفاده مي كند. اين سيستم شامل شبكه اي از برج ها مي باشد كه سيگنال هاي GPS را دريافت كرده و سيگنالي تقويت شده به وسيله ي فرستنده هاي راديويي ارسال مي كنند. به منظور دريافت سيگنال هاي تقويت شده كاربران علاوه بر GPS به يك آنتن و دريافت كننده علايم گوناگون نياز دارند.

 

سيستم ماهواره اي GPS :

24 ماهواره كه بخش فضايي GPS را شامل مي شوند در مداري با فاصله ي 12 هزار مايل از زمين قرار دارند. آنها پيوسته در حال حركت بوده و در كمتر از 24 ساعت دو دور كامل مي زنند. اين ماهواره ها با سرعت تقريبي 7 هزار مايل در ساعت حركت مي كنند.

ماهواره هاي GPS به كمك انرژي خورشيد كار مي كنند. در زمان خورشيد گرفتگي و زماني كه اين انرژي وجود ندارد، آنها با بهره گيري از باطري هاي پشتيبان به كار خود ادامه مي دهند.علاوه بر اين، راكت هاي تقويت كننده ي كوچك به كمك ماهواره آمده و آن را در مسير اصلي خود قرار مي دهند.

در اينجا به حقايق جالبي در مورد ماهواره هاي GPS اشاره مي كنيم:(البته ناو استار نامي است كه سازمان دفاع آمريكا براي GPS انتخاب كرد.)

 

 

سيگنال چيست؟

ماهواره هاي GPS دو سيگنال راديويي كوتاه و قوي L1 و L2 را ارسال مي كنند. GPS هاي شخصي L1 را با فركانس 1575.42 مگا هرتز روي باند UHF دريافت مي كنند. اين سيگنال ها از ميان ابر و گاز و پلاستيك عبور مي كند اما از ميان جامدات ، ساختمان ها و كوه ها نمي تواند عبور كند.يك سيگنال GPS  شامل سه بيت اطلاعات متفاوت است: يك كد تصادفي كاذب، اطلاعات زود گذر(يك روزه) و اطلاعات ساليانه.

• كد تصادفي كاذب به سادگي يك كد ID است كه ماهواره اي را كه در حال ارسال اطلاعات مي باشد را مشخص مي كند. شما مي توانيد اين عدد(كد) را هنگامي روي صفحه ماهواره واحد GPS گارمين خود ببينيد كه آن مشخص مي كند كدام يك از ماهواره ها در حال دريافت كردن آن است.

• اطلاعات زود گذر(يك روزه): مكاني را كه هر ماهواره GPS در هر ساعتي بايد داشته باشد را به دريافت كننده ي GPS نشان مي دهد.اين اطلاعات ارسال شده توسط هر ماهواره ، اطلاعات مداري مربوط به آن ماهواره و ساير ماهواره هاي واقع در سيستم را نشان مي دهد.

• اطلاعات ساليانه  كه به وسيله هر ماهواره به طور پيوسته ارسال مي شود شامل اطلاعات مهمي در رابطه با وضع ماهواره (سالم يا خراب بودن)، زمان و اطلاعات رايج است. اين بخش از سيگنال براي مشخص كردن مكان بسيار ضروري است.

چشمه هايي كه بر سيگنال هاي GPS‌ تاثير گذاشته و باعث فاسد شدن (از بين رفتن) آنها شده و در نتيجه روي دقت و صحت اطلاعات تاثير گذار است به قرار زير مي باشد:

• تاخيرات تروپوسفر (پايين ترين بخش اتمسفر) و يونسفر (يون كره): سيگنال هاي ماهواره اي به هنگام عبور از اتمسفر كند مي شوند. سيستم GPS از مدلي ساختگي استفاده مي كند تا ميانگين تاخير را محاسبه و هر چند به طور جزيي اين نوع خطا را اصلاح كند.
• سيگنال هاي چند گانه:زماني رخ مي دهد كه سيگنال هاي GPS قبل از رسيدن به دريافت كننده توسط ساختمان هاي بلند يا سطوح سنگي بزرگ، منعكس مي شوند كه اين خود باعث افزايش زمان سفر و در نتيجه ايجاد خطا مي گردد.
• خطاهاي زماني دريافت كننده: ساعت يك دريافت كننده همانند ساعت هاي اتمي ماهواره هاي GPS دقيق نيست بنابراين خطاي زيادي از لحاظ وقت و زمان ممكن است پيش آيد.
• خطاهاي مداري : اطلاعات يك روزه ممكن است كه مكان نادرستي از ماهواره را گزارش دهد كه باعث ايجاد خطا مي شود.
• تعدادي از ماهواره هاي قابل رويت ،ساختمان ها، ترن،موانع الكترونيكي و حتي بعضي اوقات درختان انبوه مي توانند سدي در برابر سيگنال ها شوند كه منجر به ايجاد خطا شده و يا مكان يابي غير ممكن مي گردد.
• هندسه ماهواره ها: اشاره به موقعيت نسبي ماهواره ها در هر زماني دارد. يك مثال كه در مورد هندسه ماهواره ها وجود دارد زماني است كه ماهواره ها در زاويه هاي عريض در ارتباط با هم قرار دارند. زماني كه ماهواره ها روي يك خط و يا گروهي كوچك قرار دارند هندسه ضعيفي را ايجاد مي كنند.
• فساد عمدي سيگنال ماهواره: قابليت استفاده از ماهواره هاي برگزيده (كه به مخفف SA گفته مي شود) كه يك فساد عمدي در سيگنال ها است ، زماني به وسيله ي سازمان دفاع آمريكا وضع شد. SA براي اين در نظر گرفته شده است تا دشمن نظامي نتواند سيگنال هاي  فوق العاده دقيق GPS استفاده كند.دولت  آمريكا SA را در  ماه مه 2000 قطع كرد تا دقت دريافت كننده هاي GPS هاي شخصي را افزايش دهد.

منبع: پارس اسكاي

 

|+| نوشته شده توسط مهدی مردآزاد دبیر فیزیک شهرستان کاشمر در 85/10/06  |

 ماهواره هاي مصنوعي

ماهواره ي مصنوعي شي ايست كه توسط انسان ساخته شده و به طور مداوم در حال حركت در مداري حول زمين يا اجرام ديگري در فضا مي باشد. بيشتر ماهواره هاي ساخته شده تاكنون حول كره زمين در حركتند و در مواردي چون مطالعه كائنات، ايستگاه هاي هوا شناسي، انتقال تماس هاي تلفني از فراز اقيانوس ها، رديابي و تعيين مسير كشتي ها و هواپيماها و همينطور امور نظامي به كار مي روند...... ماهواره هايي نيز وجود دارند كه دور ماه، خورشيد، اجزام نزديك به زمين و سياراتي نظير زهره، مريخ و مشتري در حال گردش مي باشند. اين ماهواره ها اغلب اطلاعات مربوط به جرم آسماني كه حول آن در گردشند را جمع آوري مي كنند.

به جز ماهواره هاي مصنوعي مذكور اشياي در حال گردش ديگري نيز در فضا وجود دارند از جمله فضا پيما ها، كپسول هاي فضايي و ايستگاه هاي فضايي كه به آنها نيز ماهواره مي گوييم. البته اجرام ديگري نيز در فضا وجود دارند به نام زباله هاي فضايي شامل بالابرنده هاي مستهلك راكت ها، تانك هاي خالي سوخت و ... كه به زمين سقوط نكرده اند و در فضا در حركتند. در اين مقاله به اين اجرام نمي پردازيم.

اتحاديه سويت پرتاب كننده اولين ماهواره مصنوعي، اسپاتنيك 1، در سال 1957 بود. از آن زمان ايالات متحده و حدود 40 كشور ديگر سازنده و پرتاب كننده ماهواره به فضا بوده اند. امروزه قريب به 3000 ماهواره فعال و 6000 زباله فضايي در حال گردش به دور زمينند.

انواع مدارها

مدارهاي ماهواره ها اشكال گوناگوني دارند. برخي دايره شكل و برخي به شكل بيضي مي باشند. مدارها از لحاظ ارتفاع (فاصله از جرمي كه ماهواره حول آن در گردش است) نيز با يكديگر تفاوت دارند. براي مثال بعضي از ماهواره در مداري دايره شكل حول زمين خارج از اتمسفر در ارتفاع 250 كيلومتر(155 مايل) در حركتند و برخي در مداري حركت مي كنند كه بيش از 32200 كيلومتر (20000 مايل) از زمين فاصله دارد. ارتفاع بيشتر مدار برابر است با دوره گردش ( مدت زمانيكه ماهواره يك دور كامل در مدار خود حركت مي كند) طولاني تر. يك ماهواره زماني در مدار خود باقي مي ماند كه بين شتاب ماهواره ( سرعتي كه ماهواره مي تواند در طي يك مسير مستقيم داشته باشد ) و نيروي گرانش ناشي از جرم آسماني كه ماهواره تحت تاثير آن مي باشد و دور آن در گردش است تعادل وجود داشته باشد. چنانچه شتاب ماهواره اي بيشتر از گرانش زمين باشد ماهواره در يك مسير مستقيم از زمين دور مي شود و چنانچه اين شتاب كمتر باشد ماهواره به سمت زمين برخواهد گشت.

براي درك بهتر تعادل بين گرانش و شتاب، جسم كوچكي را در نظر بگيريد كه به انتهاي يك رشته طناب متصل و در حال چرخش است. اگر طناب پاره شود جسم متصل به آن در يك مسير صاف به زمين مي افتد. طناب در واقع كار گرانش را انجام مي دهد تا شي بتواند به چرخش خود ادامه دهد. ضمنا وزن شي و طناب ميتوانند نشانگر رابطه بين ارتفاع ماهواره و دوره گردش آن باشد. طناب بلند مانند ارتفاع بلند است. هر چه طناب بلندتر باشد زمان بيشتري نياز است تا شي متصل به آن يك دور كامل بچرخد. طناب كوتاه مانند ارتفاع كوتاه است و در زمان كمتري شي مذكور يك دور كامل در مدار خود گردش خواهد كرد. انواع گوناگوني از مدارها وجود دارند اما اغلب ماهواره هايي كه حول زمين در گردشند در يكي از اين چهار گونه مدار حركت ميكنند. (1) ارتفاع بلند، ﮋئوسينكرنوس. (2) ارتفاع متوسط. (3) سان سينكرنوس، قطبي. (4) ارتفاع كوتاه . شكل اغلب اين گونه مدارها دايره ايست.

مدارهاي ارتفاع بلند، ﮋئوسينكرنوس بر فراز استوا و در ارتفاع 35900 كيلومتر(22300 مايل) قرار دارند. ماهواره هاي اينگونه مدارها حول محور عمودي زمين با سرعت و جهت برابر حركت زمين حركت مي كنند. بنابراين هنگام رصد آنها از روي زمين همواره در نقطه اي ثابت به نظر مي رسند. براي پرتاب و ارسال اين ماهواره ها انرﮋي بسيار فراواني لازم است.

ارتفاع يك مدار متوسط حدود 20000 كيلومتر (12400 مايل) و دوره گردش ماهواره هاي آن 12 ساعت است . مدار خارج از اتمسفر زمين و كاملا پايدار است. امواج راديويي كه از ماهواره هاي موجود در اين مدارها ارسال مي گردد در مناطق بسيارزيادي از زمين قابل دريافت است. پايداري و وسعت مناطق تحت پوشش اين گونه مدارها آنها را براي ماهواره هاي ردياب مناسب مي نمايد.

مدارهاي سان سينكرنوس، قطبي، ارتفاع نسبتا كوتاهي دارند. آنها تقريبا از فراز هر دو قطب زمين عبور مي كنند.مكان اين مدارها متناسب با حركت زمين به دور خورشيد در حركت است به گونه ايكه ماهواره ي اين مدار خمواره در يك ساعت محلي ثابت از استوا عبور مي كند. از آنجاييكه اين ماهواره ها از همه عرض هاي جغرافي زمين مي گذرند قادرند كه اطلاعات را از تمامي سطح زمين دريافت نمايند. در اينجا مي توان ماهواره TERRA را به عنوان مثال نام برد. وظيفه اين ماهواره مطالعه اثرات چرخه ها ي طبيعي و فعاليت هاي انسان بر روي آب و هواي كره زمين است. ارتفاع مدار اين ماهواره 705 كيلومتر (438 مايل) و دوره گردش آن 99 دقيقه است. زمانيكه اين ماهواره از استوا عبور مي كند ساعت محلي هميشه 10:30 صبح و يا 10:30 شب است.

يك مدار ارتفاع كوتاه درست بر فراز جو زمين قرار دارد جاييكه تقريبا هوايي براي ايجاد تماس و اصطكاك وجود ندارد. براي ارسال ماهواره به اين نوع مدارها انرﮋي كمتري نسبت به سه نوع مدار مذكور ديگر لازم است. ماهواره ها ي مطالعاتي كه مسئول دريافت اطلاعات از اعماق فضا مي باشند غالبا در اين مدارها در حركتند. براي مثال تلسكوپ هابل كه در ارتفاع 610 كيلومتر(380 مايل) با دوره گردش 97 دقيقه در حركت است.

انواع ماهواره ها

ماهواره هاي مصنوعي بر اساس ماموريت هايشان طبقه بندي مي شوند. شش نوع اصلي ماهواره وجود دارند. (1) تحقيقات علمي، (2) هواشناسي، (3) ارتباطي، (4) ردياب، (5) مشاهده زمين، (6) تاسيسات نظامي. ماهواره هاي تحقيقات علمي اطلاعات را به منظور بررسي هاي كارشناسي جمع آوري مي كنند. اين ماهواره ها اغلب به منظور انجام يكي از سه ماموريت زير طراحي و ساخته مي شوند. (1) جمع آوري اطلاعات مربوط به ساختار، تركيب و تاثيرات فضاي اطراف كره زمين. (2) ثبت تغييرات در سطح و جو كره زمين. اين ماهواره ها اغلب در مدارهاي قطبي در حركتند. (3) مشاهده سيارات، ستاره ها و اجرام آسماني در فواصل بسيار دور. بيشتر اين ماهواره ها در ارتفاع كوتاه در حركتند. ماهواره هاي مخصوص تحقيقات علمي حول سيارات ديگر، ماه و خورشيد نيز حضور دارند.

ماهواره هاي هواشناسي به دانشمندان براي مطالعه بر روي نقشه هاي هواشناسي و پيش بيني وضعيت آب و هوا كمك مي كنند. اين ماهواره ها قادر به مشاهده وضعيت اتمسفر مناطق گسترده اي از زمين مي باشند. بعضي از ماهواره هاي هواشناسي در مدارهاي سان سينكرنوس، قطبي، در حركتند كه توانايي مشاهده بسيار دقيق تغييرات در كل سطح كره زمين را دارند. آنها مي توانند مشخصات ابرها، دما، فشار هوا، بارندگي و تركيبات شيميايي اتمسفر را اندازه گيري نمايند. از آنجا كه اين ماهواره ها همواره هر نقطه از زمين را در يك ساعت مشخص محلي مشاهده مي كنند .

دانشمندان با اطلاعات به دست آمده قادر به مقايسه دقيق تر آب و هواي مناطق مختلفند. ضمنا شبكه جهاني ماهواره هاي هواشناسي كه در اين مدارها در حركتند مي توانند نقش يك سيستم جستجو و نجا ت را بر عهده گيرند. آنها تجهيزات مربوط به شناسايي سيگنال هاي اعلام خطر در همه هواپيما ها و كشتي هاي خصوصي و غير خصوصي را دارا هستند. بقيه ماهواره هاي هواشناسي در ارتفاع هاي بلند تر در مدارهاي ژئوسينكرنوس قرار دارند. از اين مدارها، آنها مي توانند تقريبا نصف كره زمين و تغييرات آب و هوايي آن را در هر زمان مشاهده كنند. تصاوير اين ماهواره ها مسير حركت ابرها و تغييرات آنها را نشان مي دهد. آنها همينطور تصاوير مادون قرمز نيز تهيه مي كنند كه گرماي زمين و ابرها را نشان مي دهد.

ماهواره هاي ارتباطي در واقع ايستگاه هاي تقويت كننده سيگنال ها هستند، از نقطه اي امواج را دريافت و به نقطه اي ديگر ارسال مي كنند. يك ماهواره ارتباطي مي تواند در آن واحد هزاران تماس تلفني و جندين برنامه شبكه تلوزيوني را تحت پوشش قرار دهد. اين ماهواره ها اغلب در ارتفاع هاي بلند، مدار ﮋئوسينكرنوس و بر فراز يك ايستگاه در زمين قرار داده مي شوند. يك ايستگاه در زمين مجهز به آنتني بسيار بزرگ براي دريافت و ارسال سيگنال ها مي باشد. گاهي چندين ماهواره كه دريك شبكه و درمدارهاي كوتاهترقرار گرفته اند، امواج را دريافت و با انتقال دادن سيگنال ها به يكديگر آنها را به كاربران روي زمين در اقصي نقاط آن مي رسانند. سازمانهاي تجاري مانند تلوزيون ها و شركت هاي مخابراتي در كشورهاي مختلف از كاربران دائمي اين نوع ماهواره ها هستند.

به كمك ماهواره هاي ردياب، كليه هواپيماها، كشتي ها و خودروها بر روي زمين قادربه مكان يابي با دقت بسيار زياد خواهند بود. علاوه بر خودروها و وسايل نقليه اشخاص عادي نيز ميتوانند از شبكه ماهواره هاي ردياب بهره مند شوند.در واقع سيگنال هاي اين شبكه ها در هر نقطه اي از زمين قابل دريافتند.دستگاه هاي دريافت كننده، سيگنال ها را حداقل از سه ماهواره فرستنده دريافت و پس از محاسبه كليه سيگنال ها، مكان دقيق را نشان مي دهند. ماهواره هاي مخصوص مشاهده زمين به منظور تهيه نقشه و بررسي كليه منابع سياره زمين و تغييرات ماهيتي چرخه هاي حياتي در آن، طراحي و ساخته مي شوند. آنها در مدارهاي سان سينكرنوس قطبي در حركتند. اين ماهواره ها دائما در شرايط تحت تابش نور خورشيد مشغول عكس برداري از زمين با نور مرئي و پرتوهاي نا مرئي هستند. رايانه ها در زمين اطلاعات به دست آمده را بررسي و مطالعه مي كنند. دانشمندان به كمك اين ماهواره معادن و مراكز منابع در زمين را مكان يابي وظرفيت آنها را مشخص مي كنند.همينطور مي توانند به مطالعه بر روي منابع آبهاي آزاد و يا مراكز ايجاد آلودگي و تاثيرات آنها و يا آسيب هاي جنگل ها و مراتع بپردازند. ماهواره هاي تاسيسات نظامي مشتمل از ماهواره هاي هواشناسي، ارتباطي، ردياب و مشاهده زمين مي باشند كه براي مقاصد نظامي به كار مي روند.برخي از اين ماهواره ها كه به ماهواره هاي جاسوسي نيز شهرت دارند قادر به تشخيص دقيق پرتاب موشكها، حركت كشتي ها در مسير هاي دريايي و جابجايي تجهيزات نظامي در روي زمين مي باشند.

زندگي و مرگ ماهواره ها

ساخت يك ماهواره هر ماهواره حامل تجهيزاتيست كه براي انجام ماموريت خود به آن ها نياز دارد. براي مثال ماهواره اي كه مامور مطالعه كائنات است مجهز به تلسكوپ و ماهواره مامور پيش بيني وضع هوا مجهز به دوربين مخصوص براي ثبت حركات ابرها است. علاوه بر تجهيزات تخصصي، همه ماهواره ها داراي سيستمهاي اصلي براي كنترل تجهيزات خود و عملكرد ماهواره مي باشند. از جمله سيستم تامين انرﮋي، مخازن، سيستم تقسيم برق و ...

در هر يك از اين بخشها ممكن است از سلول هاي خورشيدي براي جذب انرﮋي مورد نياز استفاده شود. بخش داده ها و اطلاعات نيز مجهز به رايانه هايي به منظور جمع آوري و پردازش اطلاعات به دست آمده از طريق تجهيزات و اجراي فرامين ارسال شده از زمين مي باشد. هريك از تجهيزات جانبي و بخشهاي اصلي يك ماهواره به طور جداگانه طراحي، ساخته و آزمايش مي شوند. متخصصان بخشهاي مختلف را كنارهم گذاشته و متصل مي كنند تا زمانيكه ماهواره كامل شود و سپس ماهواره در شرايطي نظير شرايطي كه هنگام ارسال از سطح زمين و هنگام استقرار در مدار خود خواهد داشت آزمايش مي شود. اگر ماهواره همه آزمايش ها را به خوبي گذراند آماده پرتاب مي شود. پرتاب ماهواره....

برخي ماهواره ها توسط شاتل ها در فضا حمل مي شوند ولي اغلب ماهواره ها توسط راكت هايي به فضا فرستاده مي شوند كه پس از اتمام سوختشان به درون اقيانوسها مي افنتد.بيشتر ماهواره ها در ابتدا با حداقل تنظيمات در مسير مدار خود قرار داده مي شوند. تنظيمات كامل را راكت هايي انجام مي دهند كه داخل ماهواره كار گذاشته مي شوند. زمانيكه ماهواره در يك مسير پايدار در مدار خودقرار گرفت مي تواند مدت هاي درازي در همان مدار بدون نياز به تنظيمات مجدد باقي بماند. انجام ماموريت .

كنترل بيشتر ماهواره ها در مركزي بر روي زمين است. رايانه ها و افراد متخصص در مركز كنترل وضعيت ماهواره را تحت نظر دارند. آنها دستورالعمل ها را به ماهواره ارسال مي كنند و اطلاعات جمع آوري شده توسط ماهواره را دريافت مي نمايند. مركز كنترل از طريق امواج راديويي با ماهواره در ارتباط است. ايستگاه ها يي بر روي زمين اين امواج را از ماهواره دريافت و يا به آن ارسال مي كنند. ماهواره ها معمولا به طور دائم از مركز كنترل دستورالعمل دريافت نمي كنند. آنها در واقع مثل روباتهاي چرخان هستند.روباتي كه سلول هاي خورشيدي خود را براي دريافت انرﮋي كافي تنظيم و كنترل مي كند و آنتن هاي خود را براي دريافت دستورات خاص از زمين آماده نگه مي دارد. تجهيزات ماهواره به صورت مستقل و اتوماتيك وظايف خود را انجام مي دهند و اطلاعات را جمع آوري مي كنند. ماهواره ها ي موجود در ارتفاع عاي بلند مدار ﮋئوسينكرنوس در ارتباط هميشگي و دائم با زمين مي باشند. ايستگاه ها ي زمين مي تواند دوازده بار در روز با ماهواره هاي موجود در ارتفاع كوتاه ارتباط برقرار نمايند. در طول هر تماس ماهواره اطلاعات خود را ارسال و دستورالعمل ها را زا ايستگاه دريافت مي كند. تبادل اطلاعات تا زمانيكه ماهواره از فراز ايستگاه عبور مي كند مي تواند ادامه داشته باشد كه معمولا زماني حدود 10 دقيقه است. چنانچه قسمتي از ماهواره دچار نقص فني شود اما ماهواره قادر به ادامه ماموريت هاي خود باشد، معمولا همچنان به كار خود ادامه مي دهد. در چنين شرايطي مركز كنترل روي زمين بخش آسيب ديده را تعمير و يا مجددا برنامه نويسي مي كند.

در موارد نادري نيزعمليات تعميرماهواره را شاتل ها در فضا انجام مي دهند. و اما چنانچه آسيب هاي وارد آمده به ماهواره به اندازه اي باشد كه ماهواره ديگر قادر به انجام ماموريت هاي خود نباشد مركز كنترل فرمان توقف ماهواره را صادر مي كند. سقوط از مدار يك ماهواره در مدار خود باقي مي ماند تا زمانيكه شتاب آن كم شود و در چنين حالتي نيروي گرانش ماهواره را به سمت پايين و به سمت اتمسفر مي كشاند. سرعت ماهواره هنگام برخورد با مولكول هاي خارجي ترين لايه اتمسفر كم مي شود. هنگامي كه نيروي گرانش ماهواره را به سمت لايه هاي داخلي اتمسفر مي كشاند هوايي كه در جلوي ماهواره قرار مي گيرد سريعا به قدري فشرده و داغ مي شود كه در اين هنگام بخشي و يا تمامي ماهواره مي سوزد. تاريخچه در سال 1955 اتحاديه سويت درايالات متحده آمريكا تحقيقات خود را براي پرتاب ماهواره مصنوعي به فضا آغاز كرد.

در تاريخ چهارم اكتبر 1957 اين اتحاديه ماهواره اسپاتنيك 1 را به عنوان اولين ماهواره مصنوعي به فضا ارسال نمود. اين ماهواره در هر 96 دقيقه يك دور كامل به دور زمين مي چرخيد و اطلاعات به دست آورده خود را به شكل سيگنال هاي راديويي قابل دريافت به زمين ارسال مي كرد. در تاريخ 3 نوامبر 1957 اتحاديه سويت دومين ماهواره مصنوعي يعني اسپاتنيك 2 را به فضا فرستاد. اين ماهواره حامل اولين حيواني بود كه به فضا سفر كرد. سگي به نام لايكا. پس از آن ايالات متحده ماهواره كاوشگر1 را در تاريخ 31 ﮋانويه 1958 و ونگارد 1 را در تاريخ 17 مارس همان سال به فضا فرستاد.

نخستين ماهواره ارتباطي اكو1 در ماه اگست سال 1960 از ايالات متحده به فضا فرستاده شد. اين ماهواره امواج راديويي به زمين مي فرستاد. در آپريل 1960 نيز اولين ماهواره هواشناسي تيروس 1 كه تصاوير ابرها را به زمين ارسال مي كرد فرستاده شد.

نيروي دريايي آمريكا سازنده اولين ماهواره ردياب، ترانزيت 1ب درآپريل سال 1960 بود. به اين ترتيب تا سال 1965 در هر سال بيش از 100 ماهواره به مدارهايي در فضا فرستاده شدند. از سال 1970 دانشمندان به كمك رايانه و نانو تكنولوﮋي موفق به اختراع سازه ها تجهيزات پيشرفته تري براي ماهواره شده اند. به علاوه كشور هاي ديگر همينطور سازمانهاي تجاري مبادرت به خريداري و ارسال ماهواره نموده اند. در سالهاي اخير بيشتر از 40 كشور ماهواره در اختيار دارند و نزديك به 3000 ماهواره در مدارها به انجام ماموريت هاي خود مي پردازند.

|+| نوشته شده توسط مهدی مردآزاد دبیر فیزیک شهرستان کاشمر در 85/09/09  |

 جهانهای موازی

|+| نوشته شده توسط مهدی مردآزاد دبیر فیزیک شهرستان کاشمر در 85/05/18  |