Questão:
Quão grande se torna a refração na radioastronomia?
uhoh
2017-08-21 13:52:24 UTC
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Para a refração atmosférica da luz visível, a Wikipedia fornece a ordem de 1 minuto de arco a 45 ° de altitude acima do horizonte e 5,3 minutos de arco a 10 °. Isso é causado pela polarizabilidade dielétrica de todos os elétrons ligados em todos os átomos da atmosfera.

Nas frequências de rádio de HF muito mais baixas, os elétrons e íons livres contribuirão, e algumas formas de rádio a comunicação depende da refração em grandes ângulos incidentes para desviar os sinais terrestres de volta para a Terra em uma estação terrestre distante.

Portanto, espero que nas frequências mais baixas usadas na radioastronomia, correções para a localização observada do rádio fontes devido à refração ionosférica podem ser muito maiores do que aquelas em comprimentos de onda visíveis, mas eu não tenho certeza.

Quão grande esse efeito pode chegar? Com que frequência? Existem correções de até 1 grau?


Comecei a pensar sobre isso depois de perguntar Quantas estações alguém poderia ouvir com um rádio AM / FM em frente à janela da cúpula do ISS? que inclui a imagem abaixo .

abaixo: do exercício do Projeto Radio Jove Os efeitos da atmosfera superior da Terra nos sinais de rádio.

enter image description here

Se você rastrear tabelas de `n` (índice de refração) em comprimentos de onda de rádio, seu problema está resolvido. Seus diagramas parecem mostrar efeitos puramente reflexivos.
@CarlWitthoft O diagrama é obviamente um desenho animado, não está em escala e não deve ser tomado muito literalmente. No entanto, o processo que ilustra é na verdade * refração, e não reflexão *. A refração pelo plasma da ionosfera é um problema complexo e não algo que você possa consultar nas tabelas. Na verdade, o índice é literalmente um número complexo `n + jk`.
Nada de errado com o complexo `n = nx + i * ny`
Faça uma pesquisa sobre "refração da posição LOFAR", acho que você encontrará material útil.
@RobJeffries omg que pesadelo, não é de admirar que haja (pelo menos algum) interesse em colocar um array de baixa frequência no espaço. No [slide 29 aqui] (http://www.phys.unm.edu/~lwa/chicago08/talks/anderson_software.pdf) vejo> 1 grau para 20-30 MHz. Em algum ponto, você acha que pode aumentar sua resposta atual com uma menção do regime LF mais exótico e da ionosfera? Realmente não há máximo ou resposta para "quão grande", mas a transição de arcosegundos em multi-GHz para graus em dezenas de MHz é bastante surpreendente.
@RobJeffries também agradeço por me apontar para o LOFAR. É uma astronomia "diferente" e interessante de se ler, e como operador de radioamador intermitente, gosto de ver todas aquelas antenas!
Dois respostas:
Rob Jeffries
2017-08-30 13:02:30 UTC
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Para refração paralela plana, uma aproximação para o desvio de que você está falando é $$ \ Delta \ theta \ simeq (n-1) \ cot \ theta, $$, onde $ \ theta $ é a elevação observada, $ \ Delta \ theta $ é a mudança na elevação de seu valor real devido à refração e $ n $ é o índice de refração calculado sobre a massa de ar.

De acordo com esta fonte do Green Bank radio telescópio, eles usam algo assim, com um modelo adicional de como $ n $ varia com a altura, escalado pela pressão atmosférica. O maior valor de $ n $ cotado é 1,00031 no nível do solo. Este é basicamente o mesmo que o índice de refração do ar em comprimentos de onda visíveis.

Então, para minha surpresa, os efeitos da refração no apontamento do radiotelescópio são semelhantes aos dos telescópios ópticos. Acontece simplesmente que a parte real do índice de refração (que controla a velocidade de fase da luz e, portanto, a refração) é tão próxima de 1 para ondas de rádio quanto para a luz visível.

Aqui está outra fonte que fornece alguns algoritmos para calcular o índice de refração real efetivo (pequeno) para ondas de rádio.

Para uma placa (entra e sai novamente, o que é o caso da ionosfera), o desvio deve ser zero. Essa equação é para apenas uma interface, como do espaço ao ar para comprimentos de onda visíveis? As camadas ionosféricas são mais parecidas com conchas, sem partículas carregadas acima e abaixo, então não acho que a equação se aplique - se for para superfícies planas.
@uhoh A equação é a aproximação para o desvio de uma fonte de rádio de sua posição esperada devido à atmosfera acima do observador.
Eu vejo, isso é para qualquer onda EM e um dielétrico simples, não a interação com o plasma na ionosfera. OK, vou dar uma olhada, obrigado!
@uhoh As ondas de rádio têm que passar por tudo acima da superfície da Terra. Apenas a parte real do índice de refração muda a velocidade de fase e causa a refração. Isso parece ser muito pequeno.
A refração pode ser tão forte que as frequências mais baixas transmitidas da Terra voltam à superfície; "pular". Tenho certeza de que nessas frequências, as ondas que chegam do espaço seriam refletidas de volta para o espaço - não há espelhos unilaterais. Eu acho que o seu "muito pequeno" só se aplica a frequências mais altas, e as frequências mais baixas realmente experimentam efeitos substanciais. Posso ter que ler e responder minha própria pergunta. Gostaria que houvesse uma maneira de "[escalar para um especialista] (https://astronomy.meta.stackexchange.com/q/376/7982)", neste caso, um radioastrônomo observacional de baixa frequência.
@uhoh Então, altere sua pergunta para perguntar exatamente o que você deseja saber. Eu dei a você a resposta que é usada no radiotelescópio de Green Bank.
De acordo com a Wikipedia, a cobertura de frequência do Green Bank é de 290 MHz a 100 GHz, e estou supondo que a maior parte do trabalho não é feita em 290 MHz, então a seleção deste instrumento influencia sua resposta excelente. Verifique http://www.ncra.tifr.res.in/ncra/gmrt/gmrt-users/observing-help-for-gmrt-users/low-frequency-radio-astronomy/ch16.pdf e http: // www .astron.nl / eris2013 / Documents / 11_pizzo_low_freq_interferometry.pdf e https://www.mpifr-bonn.mpg.de/1040895/deBruyn_LowFreq_red.pdf por exemplo. Há interesse em colocar um array LF no espaço para ficar acima dos efeitos da ionosfera.
O primeiro link foi movido aqui: http://www.ncra.tifr.res.in/ncra/gmrt/gmrt-users/low-frequency-radio-astronomy/ch16.pdf
J. Chomel
2017-08-29 19:02:53 UTC
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Encontrei algumas informações interessantes neste artigo de vulgarização de Ian Poole.

Um primeiro ponto é a densidade de elétrons nas mudanças da ionosfera entre o dia e a noite, então a curvatura resultante será diferente: enter image description here

Este site muito interessante explica notavelmente que há um

corte -Frequência de desativação para a ionosfera além da qual perde sua capacidade de refletir ondas curtas. Dependendo da latitude, da estação do ano e da atividade solar principalmente, durante o dia essa frequência fica em torno de 3-10 MHz e desce para cerca de 2-6 MHz durante a noite

O artigo inclui uma ilustração da transição da deflexão angular para a reflexão completa em função do ângulo (clique para ampliar):

enter image description here

legenda: Onda espacial, onda terrestre e ondas ionosféricas. Acima de um ângulo crítico, as ondas escapam no espaço livre, enquanto as ondas emitidas sob um ângulo de baixa incidência podem atingir países muito distantes. Isso é válido entre aprox. 1-500 MHz.

Mas o melhor site que encontrei sobre o assunto é aquele. Ele afirma que

Reflexão ionosférica (não absorção) impede que fótons com comprimentos de onda > 30 m (f< 10 MHz) atinjam o solo [...]

A reflexão interna total na ionosfera em comprimentos de onda mais longos faz com que a Terra pareça uma bola prateada vinda do espaço, como a superfície de vidro de um relógio de pulso subaquático vista obliquamente.

Continua dizendo que a atmosfera não é perfeitamente transparente em nenhuma frequência de rádio. E, além disso, adiciona ruído. Isso explica por que os melhores locais para observação de rádio em frequências mais altas são excepcionalmente altos e secos.

Essas são algumas ótimas ilustrações! A Figura 5 chama a atenção, pois mostra que, para os raios transmitidos, eles retornam aproximadamente à sua direção original ao deixarem as regiões ionizadas. Isso é * diferente * do que para a refração do ar, porque uma vez que o raio entra no ar, ele * diz no ar *. Mas as camadas ionizadas são conchas. Haverá um efeito porque as cascas são curvas e não placas, mas agora eu percebo que será um efeito muito menor do que eu pensava. OK, vou dar uma olhada em seus links. Obrigado!
A refração por uma laje com faces paralelas não muda a direção de um raio: https://i.stack.imgur.com/k0QK4.png e também https://i.stack.imgur.com/ZMrgu.png
Esta é uma resposta útil. As ondas HF experimentam efeitos muito mais fortes do que VHF ou UHF. Há bastante experiência em rádio de ondas curtas e radioamadorismo aqui, mas a maior parte da radioastronomia é feita em frequência muito mais alta, onde a deflexão ionosférica é muito menor. Isso se deve em parte à ciência disponível nesses comprimentos de onda e em parte à melhor resolução angular que um determinado instrumento tem à medida que o comprimento de onda diminui. Eu adicionei uma imagem de um de seus links, é apenas uma ilustração, mas ajuda a ilustrar que os efeitos são maiores em uma frequência menor.
Não vou aceitar uma resposta ainda, ainda esperando por uma resposta que trate a deflexão angular quantitativamente. Mas aqui está a recompensa. Posso adicionar outro mais tarde, se necessário.


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