Радиоокно атмосферы Земли: свойства и применение в астрономии.
Radio window
Радиоокно – диапазон радиоволн, проникающих сквозь атмосферу Земли (10 МГц – 1 ТГц). Важно для астрономии, открыло возможности радиотелескопов и новых исследований.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Радиоокно – это область радиочастотного спектра, проникающая сквозь атмосферу Земли. Обычно нижняя граница диапазона радиоокна составляет около 10 МГц (λ ≈ 30 м), а наилучшая верхняя граница, достижимая с оптимальных наземных наблюдательных пунктов, приблизительно равна 1 ТГц (λ ≈ 0,3 мм). Оно играет важную роль в астрономии; до 1940-х годов астрономы могли использовать для своих измерений и наблюдений только видимый и ближний инфракрасный спектры. С развитием радиотелескопов радиоокно стало все более востребованным, что привело к развитию радиоастрономии и предоставило астрофизикам ценные наблюдательные данные.
The radio window is the region of the radio spectrum that penetrate the Earth's atmosphere. Typically, the lower limit of the radio window's range has a value of about 10 MHz (λ ≈ 30 m); the best upper limit achievable from optimal terrestrial observation sites is equal to approximately 1 THz (λ ≈ 0.3 mm). It plays an important role in astronomy; up until the 1940s, astronomers could only use the visible and near infrared spectra for their measurements and observations. With the development of radio telescopes, the radio window became more and more utilizable, leading to the development of radio astronomy that provided astrophysicists with valuable observational data.
Факторы, влияющие на нижние и верхние пределы
Нижняя и верхняя границы диапазона частот радиоокна не являются фиксированными; они зависят от множества факторов.
The lower and upper limits of the radio window's range of frequencies are not fixed; they depend on a variety of factors.
Поглощение среднего ИК
На верхний предел влияют вибрационные переходы атмосферных молекул, таких как кислород (O2), углекислый газ (CO2) и вода (H2O), чьи энергии сопоставимы с энергиями фотонов среднего инфракрасного диапазона: эти молекулы в значительной степени поглощают среднее инфракрасное излучение, направленное к Земле.
The upper limit is affected by the vibrational transitions of atmospheric molecules such as oxygen (O2), carbon dioxide (CO2), and water (H2O), whose energies are comparable to the energies of mid infrared photons: these molecules largely absorb the mid infrared radiation that heads towards Earth.
Ионосфера
На нижний предел частоты радиоокна в значительной степени влияет ионосферное преломление радиоволн, частоты которых приблизительно ниже 30 МГц (λ > 10 м); радиоволны с частотами ниже 10 МГц (λ > 30 м) отражаются обратно в космос ионосферой. Нижний предел пропорционален плотности свободных электронов ионосферы и совпадает с плазменной частотой:
The radio window's lower frequency limit is greatly affected by the ionospheric refraction of the radio waves whose frequencies are approximately below 30 MHz (λ > 10 m); radio waves with frequencies below the limit of 10 MHz (λ > 30 m) are reflected back into space by the ionosphere. The lower limit is proportional to the density of the ionosphere's free electrons and coincides with the plasma frequency:
где – плазменная частота в Гц, а – плотность электронов в электронах на кубический метр. Поскольку она сильно зависит от солнечного света, значение значительно изменяется от дневного к ночному времени, обычно будучи ниже днём, что приводит к уменьшению нижнего предела радиоокна, и выше ночью, что приводит к увеличению нижнего предела частоты радиоокна. Однако это также зависит от солнечной активности и географического положения.
where is the plasma frequency in Hz and the electron density in electrons per cubic meter. Since it is highly dependent on sunlight, the value of changes significantly from daytime to nighttime usually being lower during the day, leading to a decrease of the radio window's lower limit and higher during the night, causing an increase of the radio window's lower frequency end. However, this also depends on the solar activity and the geographic position.
Тропосфера
При проведении наблюдений радиоастрономы стремятся расширить верхнюю границу радиоокна в сторону оптимальной частоты 1 ТГц, так как астрономические объекты излучают спектральные линии большей интенсивности в более высоких частотных диапазонах. На верхнюю границу существенно влияет тропосферный водяной пар, поскольку его частоты резонансного поглощения составляют 22,3 ГГц (λ ≈ 1,32 см), 183,3 ГГц (λ ≈ 1,64 мм) и 323,8 ГГц (λ ≈ 0,93 мм). Также на верхнюю границу влияют полосы поглощения тропосферного кислорода на частотах 60 ГГц (λ ≈ 5,00 мм) и 118,74 ГГц (λ ≈ 2,52 мм). Для решения проблемы водяного пара многие обсерватории строят на больших высотах, где климат более сухой. Однако, избежать влияния кислорода на распространение радиоволн практически невозможно.
When performing observations, radio astronomers try to extend the upper limit of the radio window towards the 1 THz optimum, since the astronomical objects give spectral lines of greater intensity in the higher frequency range. Tropospheric water vapour greatly affects the upper limit since its resonant absorption frequency bands are 22.3 GHz (λ ≈ 1.32 cm), 183.3 GHz (λ ≈ 1.64 mm) and 323.8 GHz (λ ≈ 0.93 mm). The tropospheric oxygen's bands at 60 GHz (λ ≈ 5.00 mm) and 118.74 GHz (λ ≈ 2.52 mm) also affect the upper limit. To tackle the issue of water vapour, many observatories are built at high altitudes where the climate is more dry. However, not many things can be done to avoid the oxygen's interference with radio waves propagation.
Радиочастотные помехи
Ширина радиоокна также подвержена влиянию радиочастотных помех, которые затрудняют наблюдения в определенных диапазонах длин волн и ухудшают качество наблюдательных данных радиоастрономии.
The width of the radio window is also affected by radio frequency interference which hinders the observations at certain wavelength ranges and undermines the quality of the observational data of radio astronomy.