Μελέτη της μετανάστευσης της ορνιθοπανίδας με ραντάρ

Από RemoteSensing Wiki

Εικόνα 1: Κεραία ναυτικού ραντάρ τύπου X-band, πηγή: [1].

Εικόνα 2: Ψηφιακή οθόνη ραντάρ αναπαριστά μοναδιαία σάρωση σχήματος κώνου σε γωνία κλίσης 22,5ο και εύρος 200-6000 m. Τα φωτεινά σημεία αναπαριστούν παλμούς που προέρχονται από πουλιά.

Συγγραφέας:

Bruno Bruderer (1997)

Δισεκατομμύρια πτηνά μεταναστεύουν κάθε χρόνο μεταξύ περιοχών αναπαραγωγής και μη, αφήνοντας εποχιακά αφιλόξενες περιοχές. Οι περισσότεροι, ιδιαίτερα οι μικρού μεγέθους μετανάστες μεγάλων αποστάσεων, πετούν τη νύχτα και η παρατήρησή τους είναι σπάνια. Έχουν χρησιμοποιηθεί πολλές μέθοδοι για την παρακολούθηση των εποχιακών αυτών μετακινήσεων. Οι ερευνητές πεδίου καταγράφουν τη μεταβαλλόμενη σύσταση των πληθυσμών των πτηνών στους διάφορους οικοτόπους, είτε υπολογίζουν τους ημερήσιους μετανάστες καθώς πετούν κατά μήκος ακτογραμμών, κορυφογραμμών βουνών, κλπ. Ωστόσο, η οπτική παρατήρηση των μεταναστευτικών πουλιών είναι περιορισμένη και εξαρτάται έντονα από τις συνθήκες φωτεινότητας και τον καιρό. Η εφεύρεση του ραντάρ άνοιξε πληθώρα νέων δυνατοτήτων, οι οποίες, ωστόσο, σε αρκετές περιπτώσεις υπερεκτιμήθηκαν.

Bασικά χαρακτηριστικά των ραντάρ

Αξιοποίηση των ανακλώμενων ραδιοκυμάτων για ανίχνευση στόχων

Το ραντάρ αφορά την ανίχνευση και τον εντοπισμό ραδιοσυχνοτήτων. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα ακτινοβολούν, στις περισσότερες περιπτώσεις με τη μορφή παλμών. Μέρος των παλμών αυτών διασπείρονται όταν τα κύματα συναντούν μια διεπιφάνεια με ένα μέσο με διηλεκτρική σταθερά διαφορετική από αυτή του πρωτύτερου μέσου. Μια πολύ μικρή ποσότητα της διάσπαρτης ενέργειας ανακλάται πίσω στο ραντάρ. Στην περίπτωση των παλμικών ραντάρ, η κεραία που χρησιμοποιείται για τη μετάδοση συνήθως λαμβάνει κιόλας την ανακλώμενη ενέργεια. Ένας εναλλασσόμενος διακόπτης ανοίγει την κεραία στον δέκτη μετά τη μετάδοση ενός σύντομου παλμού υψηλής ισχύος.

Εντοπισμός των στόχων

Η απόσταση από ένα στόχο υπολογίζεται μέσω της καθυστέρησης επιστροφής του παλμού και της ταχύτητας του φωτός (c = 3x108 m/s). Διαφορετικές κεραίες συγκεντρώνουν τους παλμούς μικροκυμάτων σε μορφή ακτινών (μέτρηση σε μοίρες) διαφορετικών σχημάτων ανάλογα με το σκοπό του ραντάρ, οι οποίες μπορούν μαθηματικά να μετατραπούν σε απόσταση (m). Η θέση της κεραίας παρέχει τις γωνιακές συντεταγμένες του στόχου, ενώ η ακρίβεια της πληροφορίας εξαρτάται από το πλάτος της δέσμης στο αντίστοιχο επίπεδο. Σε συνδυασμό με την απόσταση λαμβάνουμε τις πολικές συντεταγμένες του στόχου, δηλαδή τις συντεταγμένες του στόχου στο επίπεδο κίνησης της ακτίνας (κάθετο ή οριζόντιο) [2].

Η ένταση των παλμών υπολογίζεται μέσω του μήκους των παλμών και από το εύρος της γωνίας ανοίγματος της ακτίνας στο κάθετο και το οριζόντιο επίπεδο. Όσο μικρότερη είναι η ένταση του παλμού, τόσο μεγαλύτερη είναι η ανάλυση του ραντάρ. Οι βραχύτεροι παλμοί και οι στενότερου τύπου ακτίνες παρέχουν καλύτερης ποιότητας πληροφορία για τη θέση του στόχου και μειώνουν την πιθανότητα να συμπεριληφθούν πολλοί στόχοι-πουλιά σε έναν παλμό-ηχώ.

Η διατομή του ραντάρ

Η διατομή του ραντάρ (σ) είναι μία μονάδα μέτρησης του μεγέθους του στόχου όπως φαίνεται μέσω του ραντάρ και παίρνει χωρικές διαστάσεις (cm2). Εξαρτάται από πέντε παραμέτρους: τις διηλεκτρικές σταθερές του αντικειμένου, το μέγεθος, το σχήμα, την όψη και την πόλωση των κυμάτων του ραντάρ.

Μήκος κύματος

Για πρακτικούς λόγους, τα μήκη κύματος των ραντάρ (λ) περιορίζονται σε ένα εύρος μεταξύ 2 μέτρων και μερικών χιλιοστών. Τα μεγαλύτερα μήκη κύματος (χαμηλότερες συχνότητες) έχουν το πλεονέκτημα ότι έχουν λιγότερες παρεμβολές λόγω βροχής, από την άλλη πλευρά, οι διαστάσεις της κεραίας πρέπει να αυξηθούν γραμμικά με το μήκος κύματος ώστε να διατηρηθεί ένα σταθερό εύρος δέσμης. Μείωση του μήκους κύματος (αυξανόμενη συχνότητα) σημαίνει και πιο εξελιγμένη τεχνολογία, αυξανόμενη στάθμη θορύβου, αυξανόμενη παρεμβολή από μικρούς στόχους και μειούμενη εμβέλεια, αλλά τα μικρά μήκη κύματος μπορούν να κατευθύνονται σε ακτίνες μεγαλύτερης ευκρίνειας από μικρότερες κεραίες. Συνεπώς, τα μικρότερα μήκη κύματος είναι χρήσιμα για κινητές μονάδες, για ακριβή τοποθεσία και για ανίχνευση βροχής.

Σημειακοί στόχοι, στόχοι έντασης και σαφής αεροπορική αναταραχή

Οι ορνιθολόγοι που ασχολούνται με ραντάρ συνήθως εστιάζουν σε σημειακούς στόχους, δηλαδή σε διακριτά αντικείμενα που καταλαμβάνουν μόνο μικρά τμήματα της έντασης ενός παλμού, ακόμη και αν υπάρχουν πολλά πουλιά ή κοπάδια πουλιών στον παλμό. Οι στόχοι αυτοί συνήθως παράγουν σαφώς καθορισμένες ανακλαστικότητες με απότομες πλευρές και εμφανή μέγιστα.

Πτηνά ως στόχοι των ραντάρ

Το νερό στο αίμα και στους μύες είναι κυρίως υπεύθυνο για τον παλμό που παράγεται από ένα πουλί, ενώ η ανακλαστικότητα των φτερών φαίνεται να είναι αμελητέα. Για απλή σύγκριση του μεγέθους του στόχου και του μήκους κύματος, τα πτηνά μπορούν να θεωρηθούν ως σχεδόν σφαιρικοί στόχοι. Στην πραγματικότητα, το σώμα ενός πουλιού είναι πιο κοντά σε ένα σφαιροειδές πέλμα, με το κεφάλι και τον λαιμός να περιπλέκει επιπλέον το σχήμα. Μελέτες έδειξαν ότι τα πουλιά που εκτίθενται σε ένα ραντάρ τύπου X-band από διαφορετικές πλευρές παράγουν μεγαλύτερο παλμό σε πλάγια όψη και μικρότερη από την πλευρά της ουράς και του κεφαλιού. Ο όρος X-band αφορά ένα εύρος (=band) συχνοτήτων στην περιοχή των μικροκυμάτων του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Τα μικρότερα μήκη κύματος των X-band τύπου ραντάρ επιτρέπουν απεικονίσεις μεγαλύτερης ευκρίνειας για ραντάρ υψηλής ανάλυσης για την ταυτοποίηση στόχων [3].

Μοτίβο φτερουγίσματος

Το πλάτος ενός ενιαίου παλμού που προέρχεται από πτηνό, συνήθως δείχνει ρυθμικές διακυμάνσεις που συσχετίζονται με τους κτύπους των φτερών του πουλιού. Τουλάχιστον στα μικρά πουλιά το πτέρωμα και τα στελέχη των φτερών συμβάλλουν ελάχιστα στην ένταση του σήματος. Αν παρατηρηθεί σε ένα μήκος κύματος της τάξης μεγέθους που αντιστοιχεί στις διαστάσεις των πτηνών, οι μεταβολές στο σχήμα του σώματος ενισχύονται στην παλμική υπογραφή, ενώ η πραγματική κίνηση μπορεί να καλύψει ένα εύρος στη διακύμανση το παλμού έως ± 40%, που προκαλείται από μια αλλαγή στη διάμετρο του πουλιού μόνο 5-10%. Έτσι, τουλάχιστον σε μήκη κύματος 3-10 cm, οι κτύποι των φτερών όλων των πτηνών παράγουν χαρακτηριστικές διακυμάνσεις και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε κάποιο βαθμό για την ταυτοποίηση του είδους.

Διάφορα ραντάρ στην ορνιθολογική έρευνα

Παλμικά ραντάρ, ραντάρ Doppler και ραντάρ συνεχών κυμάτων

Τα παλμικά ραντάρ χρησιμοποιούν την καθυστέρηση μεταξύ μετάδοσης και λήψης της παλμικής ενέργειας για τη μέτρηση της απόστασης προς έναν στόχο. Τα ραντάρ Doppler μετρούν τη μετατόπιση Doppler που προκαλείται από την ακτινική ταχύτητα των στόχων σε σχέση με το ραντάρ, γεγονός που επιτρέπει στο ραντάρ να διαχωρίζει κινούμενους στόχους από ακίνητα αντικείμενα (MTI). Το ραντάρ Doppler επιτρέπει την ανίχνευση πτηνών ακόμα και όταν πετάνε πάνω από το έδαφος. Το μειονέκτημα του είναι ότι εξαιρείται ένα άγνωστο ποσοστό στόχων πουλιών λόγω του γεγονότος ότι η ισχύς του παλμού μειώνεται λόγω χαμηλής ακτινικής ταχύτητας, η οποία είναι ιδιαίτερα χαμηλή όταν τα πτηνά πετούν αντίθετα στον άνεμο, ενώ είναι μηδέν όταν τα πουλιά πετούν εφαπτομενικά στο ραντάρ. Το φαινόμενο Doppler χρησιμοποιείται επίσης σε ραντάρ συνεχών κυμάτων (CW). Αντί της γρήγορης εναλλαγής μεταξύ εκπομπής και λήψης, τα ραντάρ CW μεταδίδουν συνεχώς και λαμβάνουν ταυτόχρονα. Στην απλούστερη μορφή, μετρούν την ταχύτητα όλων των στόχων που ανιχνεύονται στην κατεύθυνση που είναι τοποθετημένη η κεραία. Αυτά τα ραντάρ χρησιμοποιούνται για ειδικές εφαρμογές (μάλλον μικρής εμβέλειας) και μόνο σπάνια σε ορνιθολογικές μελέτες, όπως και για μερικές μετρήσεις ταχύτητας πτηνών.

Ανάπτυξη των ορνιθολογικών ραντάρ

Η ανάπτυξη των ορνιθολογικών ραντάρ πριν από το 1967 επανεξετάστηκε διεξοδικά από τον Eastwood. Έδειξε ότι οι πρώτοι παλμοί ραντάρ που συσχετίστηκαν με πτηνά ήταν πτήσεις χήνας που παρατηρήθηκαν από το σταθμό Royal Air Force στο Norfolk το 1940, χρησιμοποιώντας μήκος κύματος 1,5 m. Οι πρώτες ενδείξεις ότι η ορνιθοπανίδα μπορεί να ανιχνευθεί με τη χρήση ραντάρ παρατηρήθηκαν στο Ηνωμένο Βασίλειο το 1941. Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1970, τα ραντάρ παρακολούθησης χρησιμοποιήθηκαν κατά κόρον για ορνιθολογικές μελέτες σε όλο τον κόσμο, αλλά μικρή έμφαση δόθηκε στη βελτίωση της μεθοδολογίας. Ωστόσο, στη συνέχεια πραγματοποιήθηκαν σημαντικές βελτιώσεις στις μεθόδους παρακολούθησης της ορνιθοπανίδας με ραντάρ, ως προς την καταμέτρηση των πτηνών, τις χωρικές και χρονικές διακυμάνσεις στους αριθμούς και τις κατανομές των πτηνών, καθώς και στην συμπεριφορά τους.

[4]