在多云多雨的贵州建了一个世界最大的射电望远镜,它能看得远吗?

知乎日报 蕉叶 183℃ 评论

在多云多雨的贵州建了一个世界最大的射电望远镜,它能看得远吗?

图片:中国科学院国家天文台 FAST 工程项目办

FAST 望远镜建在贵州不怕多云多雨吗?

蕉叶

不怕,不怕,不怕~

原因是 FAST 的主要观测频率受云和降水的影响不大。

降水对电磁波的衰减这个课题其实早就有人研究过了。毕竟雷达的应用都已经如此广泛了,怎么会留着这么个问题没搞明白呢?

除了题主说到的云和雨,还有大气、雾、雪、冰雹也会造成对观测造成影响,其中雪还分干雪、湿雪。以下尝试分情况讨论电磁波衰减的问题(非定量分析)。由于题目问的是 FAST 的情况,下面我尽量把讨论范围设定在观测频率低于 8GHz(对应波长 3.75 厘米)的情况下。

值得注意的一点。虽然 FAST 的设计观测频率上限可以到8GHz(如果我没记错的话),但按目前的计划看,其观测频率在可预期的未来会处在3GHz以下。而(在 FAST 观测频段内)电磁波频率越低,受到天气的影响就越小。

一、大气衰减

即使是晴空万里,大气的存在还是会对电磁波传播造成影响的。大气主要是通过吸收使得电磁波在传递过程中发生衰减(散射导致的衰减可以忽略),而这种衰减在波长大于 2cm 的情况下是可以忽略的。大气对电磁波的吸收主要是来源于大气中的两种气体:氧气与水汽。下图是一个标准大气压,环境温度 20℃情况下,氧气(实线)和水汽(虚线)对不同频率电磁波的衰减率。

(图片来源:第三章 大气、云、降水粒子对雷达波的衰减

可见在观测频率低于 8GHz 的情况下,这两种气体导致的电磁衰减率均在 0.01dB/km 以下,完全可以忽略。另外从图中还能明显看到 3 段吸收比较明显的衰减,分别是水汽 22.235GHz(1.35cm)吸收带,氧气 60GHz(0.5cm)及 118.8GHz(0.253cm)吸收带。还有一条水汽吸收带在图中看不出来,位于 183.3GHz(0.164cm)。

二、云、雾衰减

云和雾的构成大致相同,可以使用相同的方法计算电磁衰减。

计算的原理和方法就不放了,直接放图:

上图是不同温度下云雾对不同频率电磁波的衰减。可见对于 8GHz 以下的电磁波,其衰减都低于 0.1dB/km;对于 3GHz 以下电磁波,衰减都低于 0.01dB/km。图片来源于参考文献【电磁波传播的云雾衰减特性研究】,其中有计算电磁波云雾衰减的原理和方法,有兴趣的读者可以好好看看。

三、降雨衰减

降水是诸多影响因素中对电磁波衰减最为严重的一种。降雨对电磁波不仅会吸收、还会散射。其对电磁波的衰减和雨滴大小有关,一般用与雨滴大小分布呈一定相关性的另一个量“降雨率”来表示。

下表直接给出在特定环境下降雨对电磁波的衰减(表中衰减率的单位应该也是 dB/km):

资料来源:二.2 电磁波的衰减

由上图可以看出,对于波长大于 10cm(3GHz)的电磁波,即使下大于,衰减也不大。但到了波长 3cm(10GHz),大于对电磁波的衰减就很明显了。

四、降雪衰减

降雪的情况比较复杂,一般得分干雪、湿雪两种情况考虑。干雪的影响比雨水的影响小;湿雪因为外层包裹了水膜,相比于干雪衰减会大很多。

下表是干雪造成的衰减(资料来源:第三章 大气、云、降水粒子对雷达波的衰减):

可见同降水类似,干雪对 10cm 波长(3GHz)电磁波影响并不明显。对于 3.2cm 波长(9.375GHz)电磁波,当干雪降雪量较大的时候,应该还是很明显的。

湿雪的情况复杂很多,还和其形状有关系,有时候可以超过相同情况下降雨的衰减。没找到啥湿雪衰减的分析资料,没得放图了。。。

五、冰雹衰减

冰雹的情况也是复杂。其导致的衰减还和雹谱分布、最大冰雹直径等有关。直接放表格(资料来源:第三章 大气、云、降水粒子对雷达波的衰减):

于是我们幸运地发现,对于 10cm 波长(3GHz)的电磁波,冰雹造成的衰减依然挺小的。但到了 5.5cm(~5.45GHz)时,冰雹就有很大可能造成明显影响了。

总结

大气对于 FAST 的观测影响可以忽略;云、雾对 3GHz 以下观测的影响可以忽略,对 3~8GHz 观测影响很小;即使较大的降水(雨、雪、雹)对 3GHz 以下观测的影响也较小,可以忽略。

水平所限,难免有所错漏,欢迎指正。

转载请注明:微图摘 » 在多云多雨的贵州建了一个世界最大的射电望远镜,它能看得远吗?

喜欢 (0)or分享 (0)
发表我的评论