מכ"ם מזג האוויר

מכ"ם גשם או מכ"ם מזג האוויר הוא סוג של מכ"ם המיועד לאתר משקעים, לחשב את תנועתם, ולהעריך את סוגם. מכ"מי גשם מבוססים על אפקט דופלר, הם שולחים פולסים של גלי רדיו וקולטים את הגלים המוחזרים מעננות ומשקעים. לפי עוצמת הגלים המוחזרים והפרש הפאזה שנגרם בגלל תנועתם, ניתן לחשב את כיוון המשקעים, מהירותם, עוצמתם, ואת גודל החלקיקים.
במהלך מלחמת העולם השנייה התגלה כי מזג האוויר גורם להד הנקלט במכ"ם מבצעי, וכך למעשה ממסך מטרות אויב פוטנציאליות. פותחו טכניקות לסנן את ההפרעות, אולם מדענים החלו להתעניין בתופעה ולחקור אותה. זמן קצר לאחר המלחמה הוסבו מכ"מים עודפים לזיהוי משקעים. מאז מכ"מי גשם התפתחו, וכיום הם בשימוש של שירותים מטאורולוגיים לאומיים, במחלקות מחקר אקדמיות ובתחזית מזג אוויר משודרת. תוכנות ייחודיות משתמשות בתמונות גולמיות של המכ"ם ליצירת תחזית טווח קצר של מיקום עתידי של משקעים, עוצמות גשם, שלג, ברד, ותופעות מזג אוויר אחרות. נעשה שימוש בנתונים לתחזית נומרית של מזג האוויר לצורך שיפור הניתוח והתחזית.

היסטוריה

במהלך מלחמת העולם השנייה מפעילי מכ"מים צבאיים הבחינו בהד חוזר כתוצאה מגשם, משלג ומשלג מעורב בגשם. לאחר המלחמה, בחיים האזרחיים, או במסגרת הקריירה הצבאית, החלו חוקרים לעבוד ולחקור הדים אלה. דייוויד אטלס, חוקר אמריקאי, שעבד תחילה בחיל האוויר ולאחר מכן ב-MIT, פיתח את מכ"מי הגשם המבצעיים הראשונים. החוקרים הקנדיים ג'.ס מרשל ור.ה. דוגלאס ייסדו את קבוצת "Storny Weather" במונטריאול. מרשל והדוקטורנט שלו, וולטר פלמר, מוכרים היטב בעקבות מחקרם על פיזור גודלי הטיפה בענן (drop size distribution), בגשם בגובה בינוני (mid-latitude rain) שתרם רבות להבנת יחסי ה-Z-R, כלומר הקשר בין ההחזרות למכ"ם (Z) ובין רמת הגשם (R). בממלכה המאוחדת, המחקר המשיך לעסוק בתבניות הדי המכ"ם ובמאפייני מזג האוויר, כגון גשם מענני שכבה ומענני ערימה. כמו כן, נערכו מחקרים כדי להעריך את אורכי הגל 1–10 ס"מ.
בשנת 1953 מהנדס האלקטרוניקה דונלד סטגס, שעבד על סקר מים עבור מדינת אילינוי, הקליט לראשונה הד מכ"ם של "הד קרס" (hook echo) הקשור בסופות טורנדו. בין 1950 ובין 1980, מכ"מי החזרה (reflectivity radars), המודדים מיקום ועוצמת משקעים, אוגדו על ידי שירותים מטאורולוגיים ברחבי העולם. בשנות ה-70 החלו המכ"מים לעבור תהליכי תקינה, אורגנו ברשתות, ופותחו המכשירים הראשונים ליצירת תמונות מכ"ם. מספר הזוויות שנסרקו הוגדל ליצירת תמונה תלת ממדית של המשקעים, וכך התאפשרו חתכי רוחב (CAPPI - Constant altitude plan position indicator) וחתכים אנכיים. התפתחות המכ"ם קידמה רבות מחקרים על מבנה סופות רעמים; בפרט עבור מיזם הברד של אלברטה (Alberta Hail Project) בקנדה שחקר את הפיזיקה והדינמיקה של סופות ברד, וכן עבור המעבדה הלאומית לחקר סופות חמורות בארצות הברית (National Severe Storms Laboratory - NSSL).
ה-NSSL, שנוסד בשנת 1964, החל בניסויים בתחום סיגנל קיטוב דואלי ובשימושים באפקט דופלר. במאי 1973 החריב טורנדו עיירה בשם יוניון סיטי, הסמוכה לאוקלהומה סיטי שבארצות הברית. בפעם הראשונה, מכ"ם דופלר לאורך גל של 10 ס"מ תיעד מחזור חיים שלם של טורנדו. החוקרים הבחינו בתנועה סיבובית בגובה הענן לפני שהטורנדו נגע בקרקע - חתימת מערבולת-טורנדו (tornadic vortex signature). המחקר של NSSL סייע לשכנע את שירות מזג האוויר הלאומי של ממשלת ארצות הברית שמכ"ם דופלר הוא כלי חיזוי חיוני. ייתכן שמתקפת הטורנדו הגדולה ב-3–4 באפריל 1974 וזריעת ההרס בעקבותיה סייעה להשיג משאבים לפיתוחים מאוחרים יותר.
בין 1980 לבין 2000, הפכו רשתות מכ"מי מזג האוויר לנורמה בצפון אמריקה, באירופה, ביפן, בישראל ובמדינות מפותחות אחרות. מכ"מים קונבנציונליים הוחלפו במכ"מי דופלר, שמלבד מיקום ועוצמה, נותנים מידע גם לגבי מהירות החלקיקים באוויר. בארצות הברית, ב-1988 החלה לפעול, בתיאום עם מחקר ה-NSSL, רשת המכ"מים המורכבת ממכ"מים באורך גל של 10 ס"מ. רשת זו נקראת NEXRAD או WSR-88D - Weather Service Radar 1988 Doppler.
ב-1985 ייסדה מחלקת הסביבה הקנדית את תחנת קינג סיטי, ובה מכ"ם דופלר למטרות מחקר בעל אורך גל של 5 ס"מ. אוניברסיטת מקגיל דפלרה את המכ"ם שלה (J. S. Marshall Radar Observatory) ב-1993. בין 1998 ו-2004 נוסדה רשת מכ"מי דופלר מלאה בקנדה. צרפת ומדינות אירופיות נוספות שדרגו את מכ"מיהן לרשתות דופלר בתחילת המאה ה-21. עם השינויים המהירים בטכנולוגיית המחשוב פותחו אלגוריתמים לזיהוי של מזג אוויר חמור, וכן יישומים נוספים בתחום התקשורת והמחקר.
משנת 2000 מחקר בנושא טכנולוגיית קיטוב הוביל לשימוש מעשי, והרחיב את המידע על סוג המשקעים (למשל גשם מול שלג). קיטוב דואלי משמעו, פליטת קרינת מיקרוגל שמקוטבות רוחבית ואנכית (ביחס לקרקע). בארצות הברית, בצרפת ובקנדה צפויה פריסה נרחבת של הטכנולוגיה עד סוף העשור. בפברואר 2013 נזקפה לזכות מכ"ם-הדופלר-מזג האוויר עם קיטוב דואלי, הצלת חיי אדם רבים בזמן שטורנדו לילי הכה בדרום מיסיסיפי.
מאז 2003, מנהל האוקיינוסים והאטמוספירה הלאומי האמריקאי עורך ניסוי במכ"מי מערך מופע כחלופה לאנטנות הפרבוליות הקונבנציונליות, כדי להיטיב את רזולוציית הזמן בהערכת האטמוספירה. התפתחות זו יכולה לסייע מאוד בזיהוי סופות חריפות, שכן את התפתחות הסופות ניתן לאמוד טוב יותר עם כמות גדולה יותר של מידע מתוזמן.
באותה השנה, קרן המדע הלאומית של ארצות הברית הקימה מרכז מחקר הנדסי לשיתוף פעולה בחישת האטמוספירה Engineering Research Center for Collaborative Adaptive Sensing of the) Atmosphere - CASA) - שיתוף פעולה רב תחומי, הכולל אוניברסיטאות רבות, של מהנדסים, אנשי מדעי המחשב, מטאורולוגים וסוציולוגים. המרכז נועד להוביל מחקר יסודי, לפתח טכנולוגיה מעשית, ולפרוס אבות-טיפוס של מערכות הנדסיות, כדי להרחיב את מערכות המכ"ם הקיימות. זאת על ידי דגימת את הטרופוספירה התחתונה, אשר לרוב אינה נדגמת, באמצעות מכ"מי מערך מופע לא יקרים, מהירי סריקה, עם יכולת קיטוב דואלי, ובעלי יכולת סריקה מכנית.

שידור הפולסים

מכ"מי גשם שולחים פולסים של גלי מיקרו, בתדירות בסדר גודל של מיקרו-שנייה, תוך שימוש במגנטרון או קליסטרון מחובר באמצעות מוליך גל (גלבו) לאנטנה פרבולית. אורכי הגל 1–10 ס"מ הם בערך עשר פעמים קוטר הטיפות או חלקיקי הקרח הנמדדים, מאחר שפיזור ריילי מתרחש בתדירויות אלה. כתוצאה מהפגיעה בחלקיקים, חלק מהאנרגיה של כל פולס תחזור אל תחנת המכ"ם.
אורכי גל קצרים יותר שימושיים עבור חלקיקים קטנים יותר, ואולם האות נחלש מהר יותר. מסיבה זו, מכ"ם 10 ס"מ (S-band) עדיף, אך יקר יותר ממכ"ם 5 ס"מ C-band. מכ"ם 3 ס"מ X-band משמש רק לטווחים קצרים, ו-1 ס"מ Ka-band משמש רק למחקר תופעות של חלקיקים קטנים כמו קילוח (drizzle) או ערפל.
עם התרחקותו מהתחנה, פולס המכ"ם מכסה נפח אוויר גדול יותר, והרזולוציה דועכת. במרחק של כ-150–200 ק"מ, נפח האוויר הנסרק על ידי פולס בודד, עשוי להגיע לסדר גודל של קילומטר רבוע. מושג זה מכונה נפח הפולס.
נפח האוויר המכוסה על ידי הפולס בכל נקודת זמן ניתן להערכה על ידי הנוסחה . כאשר v הוא הנפח המכוסה, h הוא רוחב הפולס (למשל במטרים, מחושב לפי זמן הימשכות הפולס במכפלת מהירות האור), r הוא מרחק הפולס מהמכ"ם, ו-θ היא רוחב האלומה (או "קרן") ברדיאנים. נוסחה זו מניחה שהאלומה מעגלית וסימטרית, r גדול-גדול מ-h, כך שה-r הנלקח בשני קצוות הפולס הוא כמעט זהה, וצורת הנפח היא חרוט קטום עם עומק h.

האזנה לאותות חוזרים

בין כל פולס, המכ"ם משמש כמקלט - הוא מאזין לאותות מחלקיקים באוויר. משך ההאזנה הוא מסדר גודל של מילי-שנייה, זמן הארוך פי אלפי פעמים ממשך הפולס. אורך המופע (פאזה) נקבע לפי הזמן הדרוש לקרינת המיקרוגל להתפשט מהגלאי למטרה ובחזרה, מרחק שיכול להגיע לכמה מאות קילומטרים. המרחק האופקי מהתחנה למטרה מחושב בקלות על ידי הפרש הזמן בין שליחת הפולס ובין זיהוי האות המוחזר. הזמן מומר למרחק על ידי הכפלה במהירות האור.
כאשר מהירות האור, c=299,792.458 km/s, ומקדם השבירה של האוויר n≈ 1.0003.
אם פולסים נשלחים בתדירות גבוהה מדי, החזרה של פולס אחד תיטרף עם החזרות מפולסים קודמים, וכתוצאה מכך תיפול שגיאה בחישובי המרחק.

בישראל

בשירות המטאורולוגי הישראלי הותקן בשנת 1997 מכ"ם גשם מתוצרת חברת EEC מדגם 90C-DWSR. בשנת 2007 הותקנו במכ"ם מערכות קליטה, עיבוד ותצוגה מתוצרת חברת SIGMET ובשנת 2017 שודרגו מחשבי המכ"ם ושולבה יכולת לאיחוד תמונת מכ"מים. נתוני המכ"ם זמינים לציבור באתר האינטרנט של מכ"ם הגשם. ב-11 בדצמבר 2018 התקלקל המכ"ם וחדל מלפעול. כתחליף מופנים תושבי ישראל לשימוש במכ"מי הגשם של ירדן וטורקיה.