Насколько велика рефракция в радиоастрономии?

Для атмосферного преломления видимого света Википедия дает порядок 1 угловой минуты на высоте 45 ° над горизонтом и 5,3 угловых минуты на высоте 10 °. Это вызвано диэлектрической поляризуемостью всех связанных электронов во всех атомах атмосферы.

На гораздо более низких ВЧ-частотах радио вносят свой вклад свободные электроны и ионы, и некоторые формы радиосвязи основаны на преломлении при больших углах падения для отклонения наземных сигналов обратно на Землю на удаленной наземной станции.

Поэтому я ожидаю, что на более низких частотах, используемых в радиоастрономии, поправки к наблюдаемому местоположению радиоисточников из-за ионосферной рефракции могут быть намного больше, чем на видимых длинах волн, но я не уверен.

Насколько большим может быть этот эффект? На какой частоте? Бывают ли когда-нибудь поправки величиной в 1 градус?

Я начал думать об этом после того, как спросил , сколько станций можно услышать с AM / FM-радио перед окном купола МКС? который включает в себя изображение ниже.

ниже: из упражнения Radio Jove Project « Влияние верхних слоев атмосферы Земли на радиосигналы» .

введите описание изображения здесь

Если вы отследите таблицы n(показателя преломления) для радиоволн, ваша проблема будет решена. Ваши диаграммы показывают чисто отражающие эффекты.
@CarlWitthoft Диаграмма, очевидно, представляет собой мультфильм, не в масштабе, и ее не следует воспринимать слишком буквально. Однако процесс, который он иллюстрирует, действительно является преломлением, а не отражением . Преломление в плазме ионосферы — сложная проблема, а не то, что можно просто посмотреть в таблицах. На самом деле индекс представляет собой буквально комплексное число n+jk.
Ничего плохого в комплексеn = nx + i*ny
Поищите по "LOFAR position refraction", думаю найдете полезный материал.
@RobJeffries omg, какой кошмар, неудивительно, что есть (по крайней мере, некоторый) интерес к размещению низкочастотного массива в космосе. На слайде 29 здесь я вижу > 1 градус для 20-30 МГц. Не думаете ли вы, что в какой-то момент вы могли бы дополнить свой текущий ответ упоминанием более экзотического низкочастотного режима и ионосферы? На самом деле нет максимума или ответа на вопрос «насколько велик», но переход от угловых секунд в нескольких ГГц к градусам в десятках МГц довольно удивителен.
@RobJeffries также благодарю вас за то, что вы указали мне на LOFAR. Это «другая» астрономия, и о ней интересно читать, и, как радиолюбителю с перерывами, мне нравится смотреть на все эти антенны!
Последний шанс для кого-то опубликовать количественный ответ! Комментарии содержат достаточно информации, чтобы написать один.

Ответы (2)

Отклонения рефракции в положении очень похожи как для радио-, так и для оптической астрономии, пока вы не рассмотрите очень низкочастотные радиоволны ( < 200 МГц), когда эффект быстро увеличивается.

Для плоскопараллельного преломления приближение для отклонения, о котором вы говорите, равно

Δ θ ≃ ( н − 1 ) детская кроватка ⁡ θ ,
куда θ - наблюдаемая высота, Δ θ - изменение высоты от ее истинного значения из-за рефракции и н - показатель преломления, усредненный по воздушной массе.

Согласно этому источнику из радиотелескопа Грин-Бэнк, они используют что-то вроде этого с добавленной моделью того, как н меняется с высотой в масштабе атмосферного давления. Самое большое значение н котируется 1,00031 на уровне земли. Это в основном то же самое, что и показатель преломления воздуха в видимом диапазоне длин волн, и составляет около 60 угловых секунд на высоте 45 градусов.

Так что, к моему удивлению, влияние рефракции на наведение радиотелескопа такое же, как и для оптических телескопов. Просто оказывается, что действительная часть показателя преломления (которая определяет фазовую скорость света и, следовательно, преломление) так же близка к 1 для радиоволн, как и для видимого света.

Вот еще один источник , который дает некоторые алгоритмы для расчета эффективного (малого) реального показателя преломления для радиоволн с аналогичными результатами.

Этот источник утверждает, что расчеты действительны для миллиметровых волн и выше. Конечно, они не могут быть действительными, поскольку приближается к границе ионосферы около 40 МГц (длины волн в метрах), где показатель преломления будет резко отклоняться от единицы, а отклонения должны стать соразмерно большими.

Мне удалось найти кое-что о позиционной рефракции на этих низких частотах. Радиорешетка LOFAR , по-видимому, может работать на частотах до 10 МГц, но практический предел может быть немного выше. В любом случае, им нужно учитывать рефракцию в ионосфере, и я нашел эту презентацию , которая содержит раздел о рефракции и, в частности, рисунок ниже.

Преломление на низких частотах

Таким образом, для низкочастотной радиоастрономии (<200 МГц) рефракция, безусловно, является большим эффектом, чем в оптической. Например, при высоте 45 градусов позиции преломления смещаются примерно на 0,1 и 0,4 градуса на частотах 50 МГц и 30 МГц соответственно.

Для плиты (входит, а затем снова выходит, как в случае с ионосферой) отклонение должно быть равно нулю. Это уравнение только для одного интерфейса, например, из космоса в воздух для видимых длин волн? Слои ионосферы больше похожи на оболочки, без заряженных частиц как сверху, так и снизу, поэтому я не думаю, что это уравнение применимо — если оно для плоских поверхностей.
@uhoh Уравнение представляет собой приближение отклонения радиоисточника от его ожидаемого положения из-за атмосферы над наблюдателем.
Я так понимаю, это для любой ЭМ волны и простого диэлектрика, а не взаимодействия с плазмой в ионосфере. ОК посмотрю, спасибо!
@uhoh Радиоволны должны проходить через все над поверхностью Земли. Только действительная часть показателя преломления изменяет фазовую скорость и вызывает преломление. Это кажется очень маленьким.
Преломление может быть настолько сильным, что более низкие частоты, передаваемые с Земли, отклоняются обратно к поверхности; "пропускать". Я почти уверен, что на этих частотах приходящие из космоса волны будут отражаться обратно в космос — односторонних зеркал не бывает. Я думаю, что ваше «очень маленькое» относится только к более высоким частотам, а самые низкие частоты действительно оказывают существенное влияние. Возможно, мне придется прочитать и ответить на мой собственный вопрос. Хотел бы я, чтобы был способ « подняться до уровня эксперта », в данном случае радиоастронома, проводящего наблюдения за низкими частотами.
@uhoh Тогда, пожалуйста, измените свой вопрос, чтобы спросить именно то, что вы хотите знать. Я дал вам ответ, который используется на радиотелескопе Грин Бэнк.
Согласно Википедии, диапазон частот Green Bank составляет от 290 МГц до 100 ГГц, и я предполагаю, что большая часть работы не выполняется на частоте 290 МГц, поэтому выбор этого инструмента искажает ваш отличный ответ. Проверьте , например, ncra.tifr.res.in/ncra/gmrt/gmrt-users/… и astron.nl/eris2013/Documents/… и mpifr-bonn.mpg.de/1040895/deBruyn_LowFreq_red.pdf . Есть интерес разместить в космосе низкочастотную решетку, чтобы преодолеть влияние ионосферы.
Первая ссылка перемещена сюда: ncra.tifr.res.in/ncra/gmrt/gmrt-users/…
Браво! Спасибо! :-)

Я нашел интересную информацию в этой опошляющей статье Яна Пула.

Во-первых, плотность электронов в ионосфере меняется между днем ​​и ночью, поэтому результирующий изгиб будет другим:введите описание изображения здесь

Этот очень интересный сайт объясняет , в частности, что существует

частота отсечки ионосферы, за которой она теряет способность отражать короткие волны. В зависимости от широты, времени года и солнечной активности в течение дня эта частота составляет около 3-10 МГц и снижается примерно до 2-6 МГц ночью.

В статье есть иллюстрация перехода от углового отклонения к полному отражению в зависимости от угла (щелкните, чтобы открыть полный размер):

введите описание изображения здесь

заголовок: Космическая волна, земная волна и ионосферные волны. Выше критического угла волны выходят в свободное пространство, а волны, излучаемые под малым углом падения, могут достигать очень далеких стран. Это действительно между ок. 1-500 МГц.

Но лучший сайт, который я нашел по этому вопросу , это тот. В нем говорится, что

Ионосферное отражение (не поглощение) не позволяет фотонам с длиной волны > 30 м (f < 10 МГц) достигать земли [...]

Полное внутреннее отражение в ионосфере на более длинных волнах делает Землю похожей на серебристый шар из космоса, на стеклянный циферблат подводных наручных часов, если смотреть под углом.

Далее говорится, что атмосфера не является совершенно прозрачной на любой радиочастоте. И кроме того, это добавляет шума. Это объясняет, почему лучшие места для радионаблюдений на более высоких частотах исключительно высокие и сухие.

Это отличные иллюстрации! Рисунок 5 примечателен тем, что он показывает, что прошедшие лучи возвращаются примерно в исходное направление после того, как покидают ионизированные области. Это отличается от преломления в воздухе, потому что, как только луч входит в воздух, он говорит в воздухе . Но ионизированные слои — это оболочки. Эффект будет, потому что оболочки изогнутые, а не плиты, но теперь я понимаю, что это будет гораздо меньший эффект, чем я думал. Хорошо, я посмотрю ваши ссылки внимательнее. Спасибо!
Преломление плитой с параллельными гранями не меняет направление луча: i.stack.imgur.com/k0QK4.png, а также i.stack.imgur.com/ZMrgu.png
Это полезный ответ. ВЧ-волны испытывают гораздо более сильное воздействие, чем ОВЧ или УВЧ. Здесь есть большой опыт работы с коротковолновым радио и любительским радио, но большая часть радиоастрономии выполняется на гораздо более высоких частотах, где ионосферное отклонение намного меньше. Это частично связано с научными данными, доступными на этих длинах волн, а частично из-за лучшего углового разрешения, которое данный инструмент имеет при уменьшении длины волны. Я добавил изображение по одной из ваших ссылок, это всего лишь иллюстрация, но она помогает проиллюстрировать, что эффекты больше при более низкой частоте.
Я пока не приму ответ, все еще ожидая ответа, в котором количественно рассматривается угловое отклонение. Но вот награда. Я могу добавить еще один позже, если это необходимо.
Это не отвечает на вопрос. На самом деле подразумевается, что в радиоастрономии эффекты намного больше, но это не так.
В любом случае на частотах, на которых выполняется большая часть радиоастрономии.
Насколько велика рефракция в радиоастрономии?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v