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FAST 望远镜建在贵州不怕多云多雨吗?

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宇宙 608 0 2017-11-22 22:06:05

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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。
DSC0000.png
(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:
DSC0001.png 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):
DSC0002.png 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,即使下大雨,衰减也不大。但到了波长3cm(10GHz),大雨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):
DSC0003.png 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):
DSC0004.png 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。

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最后安利一发:
FAST 2016 射电天文暑期学校(贵州·贵阳)
天文、物理、电子、计算机、通信、控制、机械工程等 相关专业高年级本科生(大三、大四)及研究生皆可申请参加。建议报名的学员具备的背景知识详见:Requirements for the FAST Summer School in Radio Astronomy编辑于 2016-07-15就算多云下雨的时候,你的手机还是会有信号的→_→

FAST并不是光学望远镜,而是射电望远镜,简单来说跟雷达差不多,而且它的镜面并不是你们所想像的一整块光滑反射面,而是一片一片拼接起来的,每一片之间也是有缝的。所以你们不用担心多云了怎么办,积水了怎么办,砸了个坑怎么办,落了鸟屎了怎么办,人家根本不在乎好嘛 o(*≧▽≦)ツ ~ ┴┴发布于 2016-04-29我们去现场看过了,根据现场工程师介绍下面有排水的隧道,下大雨的时候水会通过隧道流到高差为50米的另一个大坑内,世界级工程设计师都会很周全的 DSC0005.jpg 发布于 2016-08-10fast每块板上都有排水孔,水会流到镜面下方然后有排水的管道。也就是说fast不能当锅,他是漏的。发布于 2016-09-29科学不怕,面子怕
FAST在贵州那个潮湿的山林里,不长青苔才怪。动物的排泄物、昆虫尸体,雨水、雾气、风沙和落叶堆积的泥土,那么大口锅怎么能及时清理?
遥控机器人肯定不行,因为会影响接收机;撒农药建隔离网倒是可以,但是全人工来做也来不及呀。
高票的答主们都说得在理,这些对科学影响不会太大,但肯定会让FAST面目全非。不过,丑一点儿我也喜欢它。编辑于 2016-09-28雨衰我看了一下我国的典型值表,似乎没有高票答案给出的那么小。降雨率高可以到3db以上了,也就是接收功率要加倍。数值来自卫星通信的某本老书。 DSC0006.jpg 发布于 2016-04-18雨倒是不怕,就怕突然来块陨石,锅就漏了。\(^o^)/发布于 2016-09-26其实那不能完全说镜面,微观地来看是一个个金属网组成的,所以不怕雨发布于 2016-09-10镜面上有很多小孔,专门用来漏水的发布于 2016-07-11而且它锅底有排水隧道发布于 2016-07-05我还以为会装满水……

()发布于 2016-04-13望远镜不全都是光学的,探空望远镜一般都是电磁望远镜,而电磁波范围很广,可见光只是一小束电磁波,而空气中的水对电磁望远镜非可见光部分衰减很少,就像空气对可见光衰减很少一样,题主思维可以像看地图缩放时那样zoom out 一下,会更容易理解。发布于 2016-04-14突然想到,这么大的球面反射太阳光,其聚焦点温度得有多高?发布于 2016-07-03
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