Elektromanyetik Dalgalar: Mikrodalga

Mikrodalgalar hava durumlarını izlerken gördüğümüz durağan veya hareketli haritalardan, yemek pişirdiğimiz fırınlarımıza kadar, fark edilir şekilde günlük hayatımızdadır. Yaklaşık 12 cm dalga boyunda (yaklaşık 36 MHz frekans) elektromanyetik radyasyon yollayan mikrodalga fırınlar, yiyeceklerin içindeki su ve yağ moleküllerini titreştirirler. Mikrodalga mertebesindeki elektromanyetik radyasyon ile harekete zorlanan moleküller ısıyı arttırır ve yiyecek pişirilmiş olur.

emsmicrowaves_maincontent_microwave
Figür 1. Elektromanyetik spektrumun mikrodalga bölgesi.

Figür 1: L-bandı GPS, S-bandı fırın, C-bandı uzun menzilli radyo haberleşmesi, X ve K-bandı uydularda ve daha birçok uygulamada kullanılan alt spektrumlardır.

Mikrodalga Frekans Bandı

Mikrodalgalar, radyo dalgaları bölgesinin yüksek frekans ucunda bulunan bir kısımdır ve kullanılan teknolojik yöntemler nedeniyle radyo dalgalarından ayrılırlar. Yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi mikrodalgaların farklı dalga boyları farklı bilgiler sağlar. Mesela orta uzunluktakiler (C-bandı) bulut, toz, duman, kar ve yağmurdan etkilenmeden Dünya yüzeyini gösterirler. Küresel konumlama sistemi (GPS) için gerekli olan L-bandı ormanların gölgede kalan bölgesine de nüfuz ederek yağmur ormanlarının toprak nemini ölçebilir. Çoğu haberleşme uydusu C, X ve Ku-bantlarını yerdeki istasyonlara sinyal göndermede kullanmaktadır.

emsmicrowaves_maincontent_doppler-radar
TV'de hava durumunda görülen bu Doppler-radarı görüntüsü, Claudette kasırgasına aittir.

Hangi alt bandında olursa olsun temelde mikrodalgalar bulut, yağmur, kar ve dumandan etkilenmez, uydu iletişimi ve Dünya'nın uzaydan incelenebilmesinde büyük fayda sağlar. Quick Scatterometer (QuikSCAT) uydusu üzerindeki SeaWinds cihazı (hedeflerden dağılarak geri dönen enerji miktarının kantitatif ölçüsünü çıkarmak için kullanılan bir sistem), mikrodalga spektrumunun Ku-bandındaki radar atmalarını kullanmaktadır. Mikrodalga atımlarının enerjisindeki değişimleri ölçer ve okyanus yüzeyine yakın rüzgarın hızını ve yönünü belirleyebilir. Mikrodalgaların bulutlardan geçebilmesi, bilim insanlarının bir kasırganın altındaki koşulları izlemesini sağlar.

emsmicrowaves_maincontent_microwave-sea-surface-winds
Katrina kasırgasının deniz yüzeyindeki rüzgar hız dağılımı. Knot, deniz mili/saat şeklinde bir hız birimidir.

Aktif Uzaktan Algılama

Radar teknolojisi etkin bir uzaktan algılama sistemi olarak düşünülebilir, çünkü aktif olarak bir mikrodalga atması gönderir ve geriye yansıyan enerjiyi algılar. Doppler radarı, saçılım-dağılım ölçüm cihazları ve radar yükselti ölçerleri mikrodalga frekansları kullanan aktif uzaktan algılama araçlarına örnektir. NASA/CNES Okyanus Yüzey Topografyası Misyonu (OSTM)'na ait Jason-2 uydusu üzerindeki radar yükselti ölçer cihazı deniz seviyesinin yüksekliğini belirleyebilir. Bu radar yükselti ölçeri, mikrodalgaları deniz yüzeyine iki farklı frekansta (13.6 ve 5.3 GHz) gönderir ve atımların uzay aracına geri dönmesi için gereken zamanı ölçer. Uzay aracının yüksekliğini ölçen ve atmadaki su buharı etkisini düzelten diğer ölçüm cihazlarından elde edilen verileri kendi verileri ile birleştirerek, deniz seviyesi yüksekliğini santimetre duyarlılığında ölçebilir.

emsmicrowaves_maincontent_sea-surface-height_elnino
Bilim insanları okyanusta depolanan ısı miktarını ölçmeye yardım etmek ve El Nino gibi küresel hava ve iklim olaylarını öngörmek için, dünya çapında deniz seviyesi yüksekliği değişikliklerini izlemektedirler.

Pasif Uzaktan Algılama

Pasif uzaktan algılama, uydudan veya enstrümandan kaynaklanmayan elektromanyetik dalgaların algılanmasını işaret eder. Sensör elektromanyetik radyasyonu toplayan pasif bir gözlemcidir. Üzerlerinde pasif uzaktan algılama cihazları bulunan uydular, hava durumu grafikleri ve yüzey sıcaklıklarının incelenmesine getirdikleri yeniliklerle hava tahmininde devrim yaratmışlardır. NASA'nın Tropik Yağış Ölçüm Misyonu'nda (TRMM) bulunan bir mikrodalga görüntüleyici fırtına bulutlarının altından gelen verileri yağmurun yapısını ortaya çıkarmak için yakalayabilmektedir.

emsmicrowaves_maincontent_microwave-hurricane-katrina
Yine Katrina kasırgasından 3D bir renk haritası. Saat başına yağmur.

Büyük Patlama'nın İşaretleri

1965'te, Bell Laboratuvarı'ndan Arno Penzias ve Robert L Wilson L-bandındaki mikrodalgaları kullanarak beklemedikleri bir keşif yapmışlardır. Özel düşük gürültü anteni kullanarak arka plandaki gürültü sinyallerini tespit ettiler. Gürültüyle ilgili garip olan şey, her yönden gelmesi ve şiddetinde fazla miktarda değişimlerin gözlenmemesiydi. Bu statik durum, tıpkı havaalanı kontrol kulesi tarafından yapılan radyo yayınları gibi, gezegenimizdeki bir şeyden kaynaklansaydı; tek bir yerden gelmesi gerekirdi. Her yönden değil. Bilim insanları rastlantı eseri, kozmik mikrodalga arka plan ışımasını bulduklarını anladıklarında, tüm evreni dolduran bu radyasyonun evrenin başlangıcı ile ilgili en geçerli modele yani Büyük Patlama'ya işaret ettiğini de anlamışlardı.

emsmicrowaves_maincontent_microwave-background_wmap
Mikrodalga arkaplanı ve mikrokelvin mertebesindeki sıcaklık değişiminin skalası.

Emir Haliki

Referanslar
1. <http://missionscience.nasa.gov/ems/06_microwaves.html>
2. <http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Waves/mwoven.html>

Emir Haliki

Ege Üniversitesi Fen Fakültesi - Fizik Bölümü Doktora Öğrencisi. Karmaşık sistemler, genetik düzenlenme mekanizmaları ve ağ analizleri çalışma alanı. Aynı zamanda matematik, sayısal çözümleme, biyoloji ve astronomi de ilgi alanları. Bunların yanında zaman zaman amatör olarak gözlemsel astronomi, doğa yürüyüşleri, oyun motorları tasarımları ile ilgileniyor.

Emir Haliki 17 makale yazdıEmir Haliki tarafından yazılan tüm makaleleri gör