| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Využití mobilních sítí k mapování srážek
Petr Kulhánek
Předpověď počasí je velmi nejistá záležitost. Opíráme se o naměřená data a složité matematické modely. Obojí má své trhliny. Naměřených dat je žalostně málo a matematické modely jsou ljapunovsky nestabilní. Jedná se o nestabilitu, která je pojmenována podle ruského matematika Alexandra Michajloviče Ljapunova (1857–1918). Ljapunov si povšimnul, že některé diferenciální rovniceDiferenciální rovnice – rovnice, která obsahuje hledanou funkci a její různé derivace. Jen ve výjimečných případech lze řešení nalézt analyticky, většinou se hledají numericky na počítačích. jsou velmi citlivé na počáteční podmínky. Stačí nepatrně jiná počáteční podmínka a systém se vyvine zcela odlišně. Lehký vánek v krajině se může někdy utišit a jindy vyvinout v ničivé tornádo. Tomuto jevu se někdy říká jev motýlích křídel nebo jen stručně motýlí jev. S nadsázkou lze říci, že postačí, aby motýl v Krkonoších zamával křídly a na Mysu dobré naděje se spustí silný liják. Motýlí jev je závažným problémem při numerických simulacíchPočítačová simulace – napodobení skutečnosti pomocí numerického výpočtu, nezbytná součást modelování fyzikálních procesů. Dokáže na základě sofistikovaných algoritmů předpovědět jak kvantitativní, tak kvalitativní výsledky pokusů při různých počátečních podmínkách. Umožňuje omezit výběr jevů, které celý pokus ovlivňují nejvíce, a tím vysvětlit příčiny a podstatu procesů. vývoje počasí. Výsledek výpočtu je totiž silně závislý i na takových zdánlivých maličkostech, jako je zaokrouhlování hodnot při dílčích výpočtech. Hodnota zaokrouhlení na tři platné cifry poskytne zcela jiný výsledek než hodnota zaokrouhlená na pět platných cifer. Tohoto problému si poprvé povšimnul americký matematik a meteoroolog Edward Lorenz (1917–2008) právě při výpočtu vývoje počasí na počítači. Dá se tedy vůbec spolehlivě předpovídat počasí? Dlouhodobě nikoli, ale krátkodobě lze alespoň odhadnout třídy situací, do kterých se dané počáteční podmínky mohou vyvinout. Základním úskalím jsou ale vstupní data, která jsou zcela nedostatečná. Podrobných měření je velmi málo, protože meteorologické stanice pokrývají jen velmi malou část povrchu naší planety. Radarová síť, která umožňuje sledovat aktuální výskyt dešťů a bouřek pokrývá pouhá 4 % pevniny. Počet hyetometrů (přístrojů k měření úhrnu srážek) valem ubývá. Za posledních 20 roků poklesl celosvětově jejich počet na polovinu. Meteorologické družice poskytují cenné údaje, ale nikoli dostatečně přesné ve všech regionech. Skupina holandských vědců z Wageningenské univerzity a z Královského nizozemského meteorologického ústavu přišla na zcela nový způsob zjišťování aktuálního stavu dešťové aktivity. Při svých experimentech úspěšně využila holandskou síť mikrovlnných spojů pro mobilní telefony (mezi stanicí BTSBTS – Base Transceiver Station, základnová převodní stanice, vysílač a přijímač mikrovlnných či radiových signálů. Stanice BTS je základní jednotkou pro šíření elektromagnetického signálu mobilní telefonní sítě. a infrastrukturou operátora nebo jinou stanicí). Mikrovlnný signál je tlumen úměrně dešťové aktivitě mezi stanicemi. Na rozdíl od meteorologických stanic, síť mikrovlnných spojů pro mobilní komunikaci roste a v současnosti pokrývá 20 procent pevnin. Není to poprvé, kdy se ukázalo, že některá technologická zařízení mohou úspěšně plnit i další, původně neplánované úkoly.
Shiran Tower je 16. nejvyšší budovou v Praze, má výšku 73 metrů (Petřínská rozhledna „jen“ 63 metrů). Věž se nachází ve Vokovicích na hranici pražské přírodní rezervace Divoká Šárka. Na vrcholu je nejstarší BTS stanice v České republice, která funguje od roku 1992. V současnosti je na střeše instalováno přibližně 15 antén (samozřejmě už ne původních) v celkové hodnotě 5 milionů korun. Část slouží k šíření mobilního signálu O2, další antény propojují mikrovlnným signálem tuto BTS s dalšími. V dřívějších dobách zde bylo 40 antén. Foto: Páv Lučištník.
|
BTS – Base Transceiver Station, základnová převodní stanice, vysílač a přijímač mikrovlnných či radiových signálů. Stanice BTS je základní jednotkou pro šíření elektromagnetického signálu mobilní telefonní sítě. Mikrovlny – část spektra s vlnovou délkou od 0,4 mm do 15 cm (frekvencí od 2 GHz do 750 GHz). Hranice mezi infračervenou a mikrovlnnou oblastí, stejně tak jako hranice mezi mikrovlnnou a rádiovou oblastí, není přesně definována a různí autoři používají různé hodnoty. Mikrovlnným vlnovým délkám odpovídá velikost hmyzu. S mikrovlnami se v praxi setkáme při televizním vysílání, u polohovacího systému GPS nebo při ohřevu potravin v mikrovlnné troubě (vlnová délka 12.24 cm). Ve vesmíru září v mikrovlnné oblasti reliktní záření z období konce Velkého třesku (maximum má na vlnové délce 1 mm), plyn a prach v galaxiích, rodící se hvězdy a nejchladnější zákoutí hlubin vesmíru. Počasí – soubor fyzikálních veličin popisující stav atmosféry v daném místě a čase (tlak, teplota, vlhkost vzduchu, oblačnost, ...). Počasí studuje meteorologie, snaží se také o předpověď počasí, tedy na základě znalosti počasí v okolí pozorovaného místa předpovědět vývoj počasí v příštích hodinách, někdy i dnech. Podnebí – neboli klima. Dlouhodobá chrakteristika počasí, opírá se o dlouhodobé průměry teploty (v daném ročním období), srážkové úhrny, atp. Typicky se jedná o průměrování za období několika desítek let, dělají se ale i průměry za 10 000 let. Anglické přísloví: „Podnebí je to co očekáváme, počasí to, co máme“. |
Holandská skupina využila síť 2 400 mikrovlnných spojů k rekonstrukci srážkové činnosti v celém Nizozemí. Útlum signálu v mikrovlnných spojích je přímo úměrný množství srážek. V průběhu patnáctiminutových úseků vědci zaznamenávali maximální a minimální hodnoty přicházejícího signálu. Dešťové kapky, skrze které signál procházel, absorbují část mikrovln a způsobují rozptyl svazku. Přijímač proto registruje snížený výkon přenášený přicházejícím svazkem. Čím více kapek je mezi stanicemi a čím jsou větší, tím větší je ztráta signálu. Signál byl porovnáván s referenčními hodnotami získanými za slunečného počasí. Mikrovlnný spoj zpravidla pracuje minimálně 10 metrů nad zemí ve frekvenčním pásmu 13 až 40 GHz. Z naměřených údajů skupina rekonstruovala srážkovou činnost nad Nizozemím a dokonce pořídila časový vývoj srážek s krokem 15 minut. Již z prvních výsledků bylo patrné, že síť mikrovlnných spojů může úspěšně konkurovat stávající radarové síti.
Nalevo nahoře: Déšť tlumí a rozptyluje elektromagnetický signál přenášený mezi anténami. Vlevo dole: Dvě antény. Napravo: mapa Nizozemí, na které je zobrazeno 1 751 mikrovlnných spojů, které byly využity k rekonstrukci srážek. Zdroj: [1].
Pokrytí světa mobilním signálem. Zdroj: [1].
Časoprostorová dynamika dešťových srážek v Nizozemí dne 10. září 2011 v časovém úseku 18:45 až 23:00 UTCUTC – Universal Time Coordinated, univerzální koordinovaný čas. Časová stupnice získaná průměrováním měření mnoha desítek cesiových atomových hodin pracujících v řadě metrologických laboratořích po celém světě. Od ní je odvozen občanský pásmový čas a také známé časové signály šířené rozhlasovým vysíláním.. Situace se mění po 15 minutách. V levém panelu je výpočet srážkové činnosti z útlumu signálu v mikrovlnných spojích. Na pravém panelu je srážková činnost vyhodnocená z radarových měření a pozemských stanic, měřících množství srážek. Video doporučujeme spustit v režimu na celou obrazovku. Zdroj: [1] (mp4)
Holandská skupina vědců poukázala na jednoduchý a extrémně levný způsob měření dešťových srážek za pomoci mikrovlnných spojů mobilní telefonní sítě. Není to poprvé, co se ukázalo, že některé užitečné zařízení může sloužit i k jiným účelům. V budoucnosti by tato měření mohla zefektivnit sledování dešťových srážek. Vstupní data pro matematické modely počasí budou podrobnější a předpovědi přesnější. Je zde ale i okamžitý dopad pro zemědělství. Dešťové srážky korespondují s vodními zdroji, které lze pro potřebu zemědělství okamžitě využít. K nejvýznamnějším aplikacím ale patří předpověď povodňové aktivity na určitém území, kterou aktuální a přesné informace o dešťových srážkách umožní. Včasná předpověď povodní je základní podmínkou rychlých protiopatření. Mobilní telefonní síť tak zprostředkovaně může zachránit mnoho lidských životů a zamezit rozsáhlým materiálním ztrátám.
Odkazy
