Was ist präzipitierbarer Wasserdampf in der Millimeterwellen-Radioastronomie und wie wird er gemessen?

Wie ganz klar definiert, mit Gleichungen, hier

Der gesamte atmosphärische Wasserdampf, der in einer vertikalen Säule mit Einheitsquerschnittsfläche enthalten ist, die sich zwischen zwei beliebigen festgelegten Ebenen erstreckt, üblicherweise ausgedrückt als die Höhe, bis zu der diese Wassersubstanz stehen würde, wenn sie vollständig kondensiert und in einem Gefäß mit der gleichen Einheitsquerschnittsfläche gesammelt würde Sektion.

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Es gibt zum Beispiel ein ALMA-Papier , das Messungen und Vergleiche mit meteorologischen Stationen diskutiert.

Der Grund dafür, dass es „präzipitierbarer“ Wasserdampf (PWV) genannt wird, ist, dass der Wasserdampf in Form von gasförmigem Dampf vorliegt, der weiter zu Wolkenform und dann zu tatsächlichem Niederschlag kondensieren kann, dh Regen (der die Sensoren oft überwältigt). Sie wird oft auch als Gesamtsäulenwasserdampf bezeichnet, was genauer widerspiegelt, was gemessen wird, dh eine Höhe der äquivalenten Säule aus flüssigem Wasser, daher die Messung in mm. Der Glossareintrag der American Meteorological Society zu niederschlagsfähigem Wasser (oder niederschlagsfähigem Wasserdampf) definiert es ähnlich wie folgt:

Der gesamte atmosphärische Wasserdampf, der in einer vertikalen Säule mit Einheitsquerschnittsfläche enthalten ist, die sich zwischen zwei beliebigen festgelegten Ebenen erstreckt, üblicherweise ausgedrückt als die Höhe, bis zu der diese Wassersubstanz stehen würde, wenn sie vollständig kondensiert und in einem Gefäß mit der gleichen Einheitsquerschnittsfläche gesammelt würde Sektion. Das gesamte niederschlagsfähige Wasser ist dasjenige, das in einer Säule mit einem Querschnitt von einer Einheit enthalten ist, die sich von der Erdoberfläche bis zur "Oberseite" der Atmosphäre erstreckt.

Für sehr hohe und trockene Standorte, z. B. die Atacama, wird die Antarktis weniger als 5 mm PWV haben, Standorte auf Meereshöhe werden 50+ mm PWV haben. Der Cerro Paranel-Beobachtungsstandort der ESO (Heimat des VLT) hat eine mittlere PWV von 2,5 mm (siehe z. B. die Histogramme in diesem ASM-Bericht 2016-2018 ). Das Sub-mm-Teleskop Atacama Pathfinder EXperiment (APEX) auf Chajnantor (das auch das ALMA-Array beherbergt) verfügt seit mehreren Jahren über eine Wetterstation, und zum Beispiel zeigen die Wetterstatistiken von APEX 2017 , dass der APEX-Standort (~5100 m Höhe) einen PWV hatte < 1,5 mm ca. 67 % der Zeit.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, den PWV zu messen. Die erdumkreisenden Satelliten wie die AIRS- und MODIS-Instrumente auf den NASA- Satelliten Aqua und Terra messen die Strahldichte in mehreren IR-Wellenbändern (typischerweise von etwa 0,5 bis 15 um). Einige dieser Banden werden im Wesentlichen von Wasserabsorptionsbanden dominiert, sodass die Durchführung von Differenzen zwischen Banden, die Wasser enthalten, und ohne Wasser, ein Maß für die Wassersäule ergibt.

Mikrowellenradiometer bei 210 oder 225 GHz werden traditionell zur Messung von PWV verwendet, wobei modernere Radiometer auf das 350-um-Fenster/Band (856 GHz) umstellen. Ein Beispiel ist das am Caltech Submillimeter Observatory auf Mauna Kea, das in diesem Link beim Gemini Observatory beschrieben wird . Sie funktionieren ähnlich, indem sie die Tiefe der Absorption durch den Wasserdampf in den molekularen Linien/Banden messen. Mehr Wasserdampf erzeugt tiefere Linien mit mehr optischer Tiefe. Weitere Einzelheiten finden Sie in diesem (frei verfügbaren) Artikel von Radford , der die Auswirkung einer Erhöhung des PWV auf die Absorption im Sub-mm-Bereich, die Menge an PWV an verschiedenen Stellen und weitere Informationen zur Messung zeigt.

Schließlich kann dies auch durch Zweifrequenz-GPS-Empfänger auf L1 (1575 MHz) und L2 (1224 MHz) und Messen des Weglängenüberschusses durch die Atmosphäre gegenüber dem allein durch den Empfänger-Satelliten-Abstand verursachten erfolgen. Indem Sie zwei Frequenzen verwenden, können Sie den Effekt der variablen Ionosphäre auf die Pfadlänge entfernen. Die verbleibende Zenitwegstrecke zerfällt in zwei Teile, eine hydrostatische oder "trockene" Komponente, die leicht unter Verwendung zB des Saastamoinen- Modells geschätzt werden kann, wobei die durch Wasserdampf verursachte "nasse" Komponente zurückbleibt. Sobald dies auf den Zenit korrigiert ist, ergibt dies ein Maß für die PWV.

Quelle: http://suzaku.eorc.jaxa.jp/GLI2/adeos/Earth_View/eng/adeos02e.pdf

Sie können den Fehler oder Wasserdampf messen, indem Sie über eine Entfernung auf eine Kante von etwas schauen. Dies könnte möglich sein, indem man auf den Rand eines Planeten oder den Rand von so etwas wie einem Satelliten schaut.

Die Internationale Raumstation bewegt sich im Orbit um die Erde mit einer Geschwindigkeit von etwa 17.150 Meilen pro Stunde (das sind etwa 5 Meilen pro Sekunde!). Das bedeutet, dass die Raumstation alle 92 Minuten einmal die Erde umkreist (und einen Sonnenaufgang sieht).

Es ist möglich, die ISS mit dem KOSTENLOSEN SkyView auf Ihrem Telefon zu finden und die Raumstation zu finden und vielleicht das Bild zu studieren.

Es ist interessant, über Feuchtigkeitsmessungen nachzudenken, die wir von einer Wetterwebsite sehen, und diese mit dem zu vergleichen, was Sie tatsächlich sehen. Vielleicht ist der ideale Standort für ein Teleskop knapp über der Baumgrenze? (für Leute, die keine Zahlen mögen) Es gibt jedoch einige wirklich schöne Teleskope für die Stadt und hoffentlich werden wir in Zukunft mehr Teleskope in schönen Städten haben, auch wenn nicht alle Nächte klar sind.

Es macht Spaß, eine indische Arbeit zu diesem Thema zu lesen ... https://journals.ametsoc.org/doi/pdf/10.1175/1520-0450%281990%29029%3C0665%3AAPOTWV%3E2.0.CO%3B2

(die indische und die japanische Veröffentlichung scheinen beide zu zeigen, dass der Wasserdampf bei etwa 10-12 km verschwindet)? Einige der größten Teleskope der Welt werden jedoch nur in etwa 3000 Metern Höhe aufgestellt. Es ist manchmal schön, Teleskope in städtischen Gebieten zu platzieren, wo wir sie erreichen können. Vor allem, wenn der Dampf erst bei 10 KM wirklich verschwindet, was sowieso viel zu hoch ist?!?!

Zum Beispiel: https://www.eso.org/public/teles-instr/elt/

(Denken Sie auch daran, dass die Temperatur keine lineare Funktion mit der Höhe ist ... sie geht nach unten, dann nach oben, dann nach unten, dann nach oben und dann nach unten ... ich denke ... schauen Sie sich einfach die Grafik an ...)

Warum Wasserdampf "linearer" ist, ist immer noch eines dieser kosmischen Rätsel ... Ich mochte die x ^ 2-Gleichung, die die andere Person gepostet hat.