Atmosphärische Abschwächung auf 47 GHz: Vergleich der Messungen mit ITU Vorhersagen

Die atmosphärische Abschwächung ändert sich stark mit der Frequenz

In der Recommendation R-REC-P.676 gibt die ITU nützliche Formeln an, mit denen die atmosphärische Abschwächung auf jeder Frequenz zwischen 1 und 350 GHz aus Luftdruck, Temperatur und relativer Feuchte berechnet werden kann. Das Absorptionsvermögen aller Moleküle, aus denen die Luft besteht (Stickstoff, Sauerstoff, Wasserdampf, u.s.w.) ist aus Labormessungen und Quantentheorie gut bekannt. Daher kann die atmosphärische Abschwächung aus den meteorologischen Bedingungen für einen wolkenlosen Himmel berechnet werden. Mit unserer Wetterstation können wir diese Parameter in Bodennähe messen, und wenn wir annehmen, das diese Werte repräsentativ für die gesamte Luftsäule über unserer Station sind, können wir die Abschwächung vorhersagen. Das JavaScript Werkzeug bei Atmospheric Attenuation wertet diese Formeln für jede Frequenz zwischen 1 und 350 GHz aus. Der Plot zeigt die Abschwächung in Richtung Zenit bei Normalbedingungen (15° C, Luftfeuchte 58%). Die rote Kurve ist der Beitrag von Stickstoff und Sauerstoff. Das große Maximum bei 60 GHz ist durch die Absorption von Sauerstoffmolekülen verursacht, die durch die Aufnahme der Strahlungsenergie in schnellere Rotation versetzt werden. Die blaue Kurve ist der Anteil von Wasserdampf, der ein Maximum unter anderem bei 24 GHz hat, dessen Stärke vom Wasserdampfgehalt der Luft und damit vom Wetter abhängt. Die schwarze Kurve ist die gesamte Abschwächung, die mit steigender Frequenz anwächst, und oberhalb von etwa 100 GHz problematisch wird, da hier die Luft praktisch undurchsichtig wird.

Vergleich unserer Messungen mit den ITU Formeln

Im Sommer 2023 nutzten wir unseren neu installierten 3 m Spiegel auf 47 GHz für eine Reihe verschiedener Messungen, darunter viele Himmelsprofile (siehe Systemtemperatur) um die Systemtemperatur und die atmosphärische Abschwächung zu ermitteln. Dies geschah bei unterschiedlichen Wetterbedingungen, vom klarem bis bedecktem Himmel und sogar bei Regen. Die Messungen fanden statt, wann immer es zeitlich passte, und es wurde kein Versuch gemacht eine systematische oder gar vollständige Untersuchung durchzuführen. Dennoch haben wir wohl einen guten Überblick erhalten. Mit den Daten der Wetterstation konnten die Abschwächungen aus den ITU Formeln vorhergesagt werden. Die Grafik zeigt wie die Differenz von Messung und Vorhersage mit dem vorhergesagten Wert variiert. Die Farbe der Plotpunkte zeigt den Zustand des Himmels an. Schwarze Kreise markieren Daten desselben Tages (7.Juli 2023). Das schwarze Kreuz deutet die Fehlerbalken unserer Messungen an. Viele Messungen wurden bei klarem Himmel gemacht. Obgleich sich die vorhergesagten Werte über einen weiten Bereich von 0.83 bis 1 dB erstrecken, weichen die mit Himmelsprofilen gemessenen Werte nur um etwa ±0.1 dB davon ab. Manchmal kann es Abweichungen bis zu 0.25 dB geben. Die Daten zu verschiedenen Tageszeiten am 7.Juli - ein Tag mit blauen Himmel ohne und mit Wolken - geben den Eindruck, dass sowohl die vorhergesagten wie auch die gemessenen Werte sich während eines Tages um mindestens 0.1 dB verändern können, was in der Größenordnung der Messgenauigkeit liegt. Sind am Himmel kleine oder auch größere aber isolierte Wolken, geben die Himmelsprofilmessungen Abschwächungen, die bis zu 0.4 dB höher als die vorhergesagten Werte sind, aber insgesamt besteht noch eine gute Korrespondenz mit den Vorhersagen. Wenn der ganze Himmel mit einer Wolkenschicht bedeckt ist - wir haben nicht zwischen einer anscheinend dünnen Lage mit helleren Teilen und einer einheitlich grauen Wolkenschicht unterschieden - kann die mit Himmelsprofil gemessene Abschwächung bis zu 1.5 dB höher als die Vorhersage ausfallen. Schließlich zeigen regnerische Himmel ähnlich starke Abweichungen. Aber unter solchen Bedingungen kann es auch schwierig sein, sinnvolle Messungen zu bekommen. Oft werden die Stufen der Himmelsprofile durch starke Schwankgungen uneben. Dann wird es fruchtlos, durch Mittelwertbilden die Daten zu retten ... Es ist besser nur perfekt flache Stufen zu akzeptieren. See DUBUS 2/2025, 22.