[论文解读] Potential of Radiotelescopes for Atmospheric Line Observations: I. Observation Principles and Transmission Curves for Selected Sites

N. Schneider, J. Urban+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2009

Atmospheric Ozone and Climate参考文献 79被引用 7

一句话总结

本文评估了现有及计划中的射电望远镜在毫米波与亚毫米波波段进行大气线观测的潜力。利用MOLIERE辐射传输模型，计算了关键观测地点——DOME-C、ALMA、Mauna Kea和KOSMA的大气透射率曲线，结果表明，像DOME-C这样高海拔、干燥的站点在高达10 THz的波段内具有极佳的透明度，从而可在亚毫米波与远红外窗口实现大气与天文观测。

ABSTRACT

Existing and planned radiotelescopes working in the millimetre (mm) and sub-millimetre wavelengths range provide the possibility to be used for atmospheric line observations. To scrutinize this potential, we outline the differences and similarities in technical equipment and observing techniques between ground-based aeronomy mm-wave radiometers and radiotelescopes. Comprehensive tables summarizing the technical characteristics of existing and future (sub)-mm radiotelescopes are given. The advantages and disadvantages using radiotelescopes for atmospheric line observations are discussed. In view of the importance of exploring the sub-mm and far-infrared wavelengths range for astronomical observations and atmospheric sciences, we present model calculations of the atmospheric transmission for selected telescope sites (DOME-C/Antarctica, ALMA/Chajnantor, JCMT and CSO on Mauna Kea/Hawaii, KOSMA/Swiss Alpes) for frequencies between 0 and 2000 GHz (150 micron) and typical atmospheric conditions using the forward model MOLIERE (version~5). For the DOME-C site, the transmission over a larger range of up to 10 THz (30 micron) is calculated in order to demonstrate the quality of an earth-bound site for mid-IR observations. All results are available on a dedicated webpage (http://transmissioncurves.free.fr)

研究动机与目标

• 评估利用射电望远镜在主要天文任务之外进行大气线观测的可行性。
• 比较地面毫米波辐射计与射电望远镜在技术特性与观测技术方面的异同。
• 评估选定高海拔站点在0至2000 GHz频率范围内的大气透射率（DOME-C扩展至10 THz）。
• 为大气与天文科学界提供望远镜规格与透射率数据的全面参考。
• 证明由于其极端干燥与高海拔特性，DOME-C特别适合远红外与亚毫米波观测。

提出的方法

• 使用MOLIERE（第5版）辐射传输模型，针对典型大气条件建模大气透射率。
• 计算选定站点的透射率曲线：DOME-C（南极）、ALMA（查南托尔）、JCMT与CSO（Mauna Kea）、KOSMA（瑞士阿尔卑斯）。
• 将透射率建模扩展至10 THz（30 μm），以评估中红外窗口的可用性。
• 生成包含望远镜口径、位置、海拔及仪器配置等信息的射电望远镜技术规格综合表格。
• 通过专用网站（http://transmissioncurves.free.fr）提供图形化与ASCII格式的数据输出，供公众访问。
• 比较各站点的透射性能，以识别在亚毫米波与远红外波段进行大气与天文观测的最佳选址。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些射电望远镜在技术上适合用于毫米波与亚毫米波波段的大气线观测？
• RQ2 在高达2 THz（DOME-C达10 THz）的频率范围内，关键高海拔站点的大气透射率如何变化？
• RQ3 南极DOME-C在远红外与亚毫米波大气与天文观测方面具有何种潜力？
• RQ4 射电望远镜的技术特性与专用毫米波辐射计在大气研究中的表现相比如何？
• RQ5 在极端干燥条件（pwv = 0.2 mm）下，DOME-C的中红外波段（30–50 μm）是否开启光谱窗口？

主要发现

• 南极DOME-C表现出极佳的大气透明度，在0.2 mm可降水量（pwv）条件下，30至50 μm波段开启透射窗口，支持远红外观测。
• 在DOME-C，模型计算显示透射率可达10 THz（30 μm），证明其适合观测中红外大气与天体物理特征。
• ALMA、Mauna Kea与KOSMA站点的透射率曲线显示在亚毫米波与远红外波段存在显著大气窗口，尤其在低pwv条件下。
• 许多现有及计划中的射电望远镜——尤其是位于高海拔、干燥地区的望远镜——由于其灵敏度与频率覆盖范围，具备强大的大气线观测潜力。
• MOLIERE-5模型成功再现了多个站点的透射率光谱，验证了其在规划大气与天文观测中的适用性。
• 本研究通过http://transmissioncurves.free.fr向公众提供透射率曲线与望远镜规格数据库，支持未来的观测规划。