¿Qué es el vapor de agua precipitable en la radioastronomía de ondas milimétricas y cómo se mide?

Como se define claramente, con ecuaciones, aquí

El vapor de agua atmosférico total contenido en una columna vertical de área de sección transversal unitaria que se extiende entre dos niveles especificados, comúnmente expresado en términos de la altura a la que se mantendría esa sustancia de agua si se condensara por completo y se recolectara en un recipiente de la misma unidad transversal. sección.

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Hay, por ejemplo, un documento de ALMA que analiza las mediciones y la comparación con las estaciones meteorológicas.

La razón por la que se llama vapor de agua "precipitable" (PWV) es que el vapor de agua está en forma de vapor gaseoso que puede condensarse en forma de nube y luego en precipitación real, es decir, lluvia (que a menudo abruma los sensores). A menudo también se denomina vapor de agua de columna total, que refleja con mayor precisión lo que se mide, es decir, la altura de la columna equivalente de agua líquida, por lo tanto, la medida en mm. La entrada del glosario de la Sociedad Meteorológica Estadounidense sobre agua precipitable (o vapor de agua precipitable) lo define de manera similar como:

El vapor de agua atmosférico total contenido en una columna vertical de área de sección transversal unitaria que se extiende entre dos niveles especificados, comúnmente expresado en términos de la altura a la que se mantendría esa sustancia de agua si se condensara por completo y se recolectara en un recipiente de la misma unidad transversal. sección. El agua precipitable total es la contenida en una columna de sección transversal unitaria que se extiende desde la superficie terrestre hasta la "parte superior" de la atmósfera.

Para sitios muy altos y secos, por ejemplo, Atacama, la Antártida tendrá menos de 5 mm de PWV, los sitios a nivel del mar tendrán más de 50 mm de PWV. El sitio de observación Cerro Paranel de ESO (sede del VLT) tiene una mediana de PWV de 2,5 mm (ver, por ejemplo, los histogramas en este informe ASM 2016-2018 ). El telescopio sub-mm Atacama Pathfinder EXperiment (APEX) en Chajnantor (que también alberga el conjunto ALMA) ha tenido una estación meteorológica durante varios años y, por ejemplo, las estadísticas meteorológicas APEX 2017 muestran que el sitio APEX (~ 5100 m de altitud) tenía un PWV <1,5 mm aprox. 67% del tiempo.

Hay varias formas de medir el PWV. Los satélites que orbitan la Tierra, como los instrumentos AIRS y MODIS en los satélites Aqua y Terra de la NASA, miden la radiación en varias bandas de ondas IR (típicamente de aproximadamente 0,5 a 15 um). Algunas de estas bandas están esencialmente dominadas por bandas de absorción de agua, por lo que realizar diferencias entre bandas que contienen agua y sin agua dará una medida de la columna de agua.

Tradicionalmente, los radiómetros de microondas a 210 o 225 GHz se han utilizado para medir PWV, y los radiómetros más modernos se desplazan a la ventana/banda de 350 um (856 GHz). Un ejemplo es el del Observatorio Submilimétrico de Caltech en Mauna Kea descrito en este enlace en el Observatorio Gemini . Funcionan de manera similar al medir la profundidad de la absorción por parte del vapor de agua en las líneas/bandas moleculares. Más vapor de agua produce líneas más profundas con más profundidad óptica. Hay más detalles en este artículo (disponible gratuitamente) de Radford que muestra el efecto del aumento de PWV en la absorción en el sub-mm, la cantidad de PWV en varios sitios y más información sobre la medición.

Finalmente, esto también se puede hacer con receptores GPS de doble frecuencia en L1 (1575 MHz) y L2 (1224 MHz) y midiendo el exceso de longitud de trayectoria a través de la atmósfera por encima de lo que es causado únicamente por la distancia receptor-satélite. Al usar dos frecuencias, puede eliminar el efecto de la ionosfera variable en la longitud de la trayectoria. La distancia de trayectoria cenital restante se divide en dos partes, una componente hidrostática o "seca" que se puede estimar fácilmente utilizando, por ejemplo, el modelo de Saastamoinen , dejando la componente "húmeda" provocada por el vapor de agua. Una vez que esto se corrige al cenit, esto da una medida del PWV.

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

Puede medir el error o el vapor de agua mirando el borde de algo a lo lejos. Esto podría ser posible mirando el borde de un planeta o el borde de algo como un satélite.

La Estación Espacial Internacional viaja en órbita alrededor de la Tierra a una velocidad de aproximadamente 17,150 millas por hora (¡eso es aproximadamente 5 millas por segundo!). Esto significa que la Estación Espacial orbita la Tierra (y ve un amanecer) una vez cada 92 minutos.

Es posible encontrar la ISS usando el SkyView GRATUITO en su teléfono y encontrar la estación espacial y tal vez estudiar la imagen.

Es interesante pensar en las mediciones de humedad que vemos en un sitio web meteorológico y compararlas con lo que realmente ves. ¿Es posible que el lugar ideal para un telescopio esté justo por encima de la línea de árboles? (para las personas a las que no les gustan los números) Sin embargo, hay algunos telescopios urbanos realmente agradables y, con suerte, en el futuro tendremos más telescopios en ciudades agradables, incluso si no todas las noches son claras.

Es un poco divertido leer un artículo indio sobre el tema... https://journals.ametsoc.org/doi/pdf/10.1175/1520-0450%281990%29029%3C0665%3AAPOTWV%3E2.0.CO%3B2

(los documentos indios y japoneses parecen mostrar que el vapor de agua desaparece a unos 10-12 KM)? Sin embargo, algunos de los telescopios más grandes del mundo se están colocando a unos ~3000 metros de altura. A veces es bueno colocar telescopios en áreas urbanas donde podamos llegar a ellos. ¡Especialmente cuando el vapor realmente no desaparece hasta los 10 KM, que es demasiado alto de todos modos?!?!

Por ejemplo: https://www.eso.org/public/teles-instr/elt/

(Recuerda también que la temperatura no es una función lineal con la altitud... baja, luego sube, luego baja, sube y luego baja... creo... solo mira el gráfico...)

Por qué el vapor de agua es más "lineal" sigue siendo uno de esos misterios cósmicos... Me gustó la ecuación x^2 que publicó la otra persona.