5G将影响天气预测?
2019-12-02来源:国家地理中文网
       2012年,飓风桑迪袭击美国东海岸。那次飓风横扫纽约地区,在当地停留了数天,带来的暴雨造成100多人死亡,淹没了整个社区,摧毁了当地的基础设施。


 
  几乎可以肯定的是,如果没有科学家对桑迪路径的详细、准确的预测,损失会更大。在桑迪登陆之前,科学家们就已经能向应急管理人员提供其相关信息。
 
  在过去的几十年里,气象科学取得了很大的进展。安装在卫星上的各种仪器可通过大气层搜集地球表面的大量数据,随着气象科学的发展,科学家从中提取的信息越来越多,最终获得了越来越复杂、影响深远和准确的预测。
 
  不过,科学家们警告说,我们已经习惯的预测精度可能会受到威胁。人类预测未来天气的能力可能会倒退40年,一个关键的预测工具可能会严重退化。
 
  5G互联网等电信技术需要电磁波谱上的空间,即包括微波、红外线和紫外线、伽马射线和x射线在内的各种类型的电磁辐射。如今,这种空间已经很稀缺了。而提供给复杂天气模型的大部分信息,都来自与电信公司希望用于新技术的领域相近的频谱部分。
 
  威斯康星大学麦迪逊分校的大气科学家Jordan Gerth解释说:“这有点像一座住着各种各样的人的公寓楼。大家都认为,每个人都应该保持相对安静。在光谱领域,我们有气象应用,科学应用,以及那些需要非常安静的环境和邻近环境的应用。但电信信号通常都很吵,而且也容易泄露到外部空间。”
 
  “这就像运营一家临近体育酒吧的日托所,小朋友们都想午睡。日托所和酒吧之间可能存在一堵墙,但你还是会听到传过来的噪音。”
 
  在过去一个月,各国和贸易团体的代表齐聚世界无线通信会议,商讨如何严格保护对天气预报至关重要的电磁波谱“频段”的国际规则。换句话说,代表们允许午睡房间里能听到体育酒吧里传来的多少噪音。
 
  最后,他们做出了一个决定。包括美国宇航局(NASA)局长Jim Bridenstine在内一些科学家认为,该决定可能会降低天气预测的准度,或许无法挽回。
 
利益攸关
 
  麻省理工学院的大气科学家、工程师William Blackwell说,其中一个关键的频段大约是23.8 GHz。水蒸气会吸收这个微波频段,留下一个微弱的信号,然后被卫星上监测微波频段的仪器读取。现在的问题是,电信公司对利用水汽信号附近的部分频谱很感兴趣。
 
  电磁波谱就像河里的水:数量都是一定的。有些水是保持栖息地健康所必需的,就像有些光谱是进行天气预报所必需的一样。不过,剩下的大部分频谱都已经分配给了各种不同类型的无线通信——GPS、无线电导航、卫星控制、通讯等等。因此,人类对剩余电磁波谱的需求正在不断增长。
 
  华盛顿大学的大气科学家Tom Ackerman说:“我们之所以会陷入这场拉锯战,都是因为这些手机,就像我现在拿着的那部一样。”
 
  过去,用于通讯的电磁波谱距离用于天气和气候科学工作的频段非常远。
 
  Ackerman说:“但是我们的频谱资源已经所剩无几了。以前,我们可以很好地共存,但现在已经没有共存的余地了。”
 
  今年早些时候,美国联邦通信委员会拍卖了紧挨着23.8 GHz水蒸汽频段的部分微波频段。渴望进入新频段的公司出价超过20亿美元。
 
  然而,在此次拍卖之前,NASA局长Jim Bridenstine警告称,干扰(即大5G信号“泄漏”到23.8GHz频段微弱的水蒸气信号中)可能会将天气预测质量降低到上世纪70年代中期微波探测仪时代之前的水平。
 
  大约在同一时间,美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的代理副局长Neil Jacobs对一个国会委员会说,接近23.8 GHz波段的电信活动可使天气预报的准确性降低30%,并可能导致飓风预报的提前时间减少2-3天。
 
  他们和其他科学家要求严格限制隔壁释放的“噪音”——就像世界气象协会建议的那样,将噪音上限限制在-42分贝瓦(更小的负数意味着更严格的限制)。不过,联邦通信委员会决定使用-20分贝瓦的限制。
 
  在本月举行的世界无线电通信大会上,与会人员做出的决定介于两者之间。决策者们决定,在2027年之前,信号噪音的上限为-33分贝瓦;到2027年,信号噪音的上限将略微增大至-39分贝瓦。
 
  Gerth说,这要优于联邦通信委员会的提议,但还远不够理想。“这个问题不会消失,”他说。
 
  美国无线行业的主要贸易集团移动电信和互联网协会不同意上述看法。该协会的执行副总裁Brad Gillen在一篇博文中写道,NOAA和NASA的分析基于错误的微波探测仪,如果使用更现代的探测仪,问题就会消失。不过,NOAA、NASA以及美国海军都不同意。
 
  NOAA与NASA对这一特殊问题的分析方法尚未公开,因此非政府的气象科学家仍无法直接审查上述主张。
 
卫星时代改变了天气预报
 
  一个世纪以前,全世界最好的天气预报大多是基于经验的猜测。云型和风可为未来几个小时内大气的变化提供线索,但也仅此而已。今天,科学家们可以展望一个多星期以后的未来,并对即将出现的天气做出可靠的预测:雨、雪、阳光或者飓风。
 
  到了20世纪70年代,科学家们已经构建了我们今天所知的天气预报系统的基本框架。他们开发了计算机模型来描述控制大气中空气流动方式的复杂物理学。他们对其中涉及的物理学的细节研究得越是深入,预测结果就越准确。
 
  不过,他们发现大气是一个变幻无常的怪物。为了预测未来的天气,他们需要准确地知道现在的天气状况,他们发现:只有他们对事物的起源有准确的理解时,物理学才会起作用。
 
  全世界的科学家和工程师都认识到,关键在于获取有关当前大气状态的最佳数据。他们认为,这将会帮助他们对未来天气做出最佳预测。
 
  科学家们花费了更多的精力开发可精确标示整个大气三维空间的工具,诸如从地表到平流层的空气的温度;大气层低层到高层、从芝加哥、雅加达到海洋上空的水蒸气含量。
 
  其中一个重要的进展是精确地计算出水蒸气的含量和位置。为了做到这一点,科学家们依靠的是这样一个事实:水蒸气会吸收不同频率的电磁辐射。
 
  随着卫星观测质量的提升,天气预报的精度和准确性也提高了。如今,未来5天的天气预报和上世纪80年代早期的一天天气预报一样准确。
 
  最近,科学家开始使用从安装在环绕地球运行的卫星上的微波测深仪进行观测,这些观测数据对天气预测人员来说更具价值。在过去十年中,欧洲中程天气预报中心(ECMWF,被认为是世界上最重要的天气预报机构)的研究表明,微波频率数据在短期天气预报中起着关键作用,为天气预报模型提供了大约20%的关键信息。
 
  安装在NOAA联合极地卫星系统和欧洲气象业务卫星等卫星上的微波探测仪,能够探测到卫星每次从地球上空经过时来自大气的微波辐射量。它们可通过观察一组不同频段的辐射来判断水蒸气的含量,其中一个波段频率为23.8 GHz。然而,这个波段的水蒸气信号很弱,就像一条小溪。微波测深仪现在很擅长测量这一微弱的信号。
 
  即使用于天气预报的电磁波谱得到根本的保护,还有更多对天气预报至关重要的波段也面临着类似的侵蚀威胁,但麻省理工学院的Blackwell并不相信这些波段会得到保护。
 
  “电磁波谱的其他波段也面临同样的问题。5G频谱正不断侵蚀这些波段,向这个神圣的电磁波谱领域靠近。这将是个问题。”他说。 
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