National Academy of Sciences | 150 Year Anniversary

Questions? Call 800-624-6242

| Items in cart [0]

The National Academies Press

PAPERBACK
price:$21.00
add to cart

Rights & Permissions

topleft topright

Views of the NAS and NAE on Agenda Items at Issue at the World Radiocommunication Conference 2012 (2012)
Board on Physics and Astronomy (BPA)

Citation Manager

Committee on Radio Frequencies, National Research Council. "Agenda Item 1.8: 71 – 238 GHz." Views of the NAS and NAE on Agenda Items at Issue at the World Radiocommunication Conference 2012. Washington, DC: The National Academies Press, 2012.

Please select a format:

BibTeX EndNote RefMan


Page
17
bottomleft bottomright
Page
17

Below are the first 10 and last 10 pages of uncorrected machine-read text (when available) of this chapter, followed by the top 30 algorithmically extracted key phrases from the chapter as a whole.
Intended to provide our own search engines and external engines with highly rich, chapter-representative searchable text on the opening pages of each chapter. Because it is UNCORRECTED material, please consider the following text as a useful but insufficient proxy for the authoritative book pages.

Do not use for reproduction, copying, pasting, or reading; exclusively for search engines.

OCR for page 17
** PREPUBLICATION COPY – WORDING SUBJECT TO CHANGE **  Agenda Item 1.8: 71 – 238 GHz  Agenda Item 1.8 is the consideration of the progress of ITU R studies concerning the technical and  regulatory issues relative to the fixed service in the bands between 71 GHz and 238 GHz, taking into  account Resolutions 731 (WRC 2000) and 732 (WRC 2000). The millimeter wave spectrum above 70 GHz  has become the subject of increasing interest for fixed wireless services due to its propagation  characteristics and the wide bandwidth available for carrying communications traffic. New technology is  now emerging that offers the possibility of using these higher bands for fixed wireless applications.  Therefore, it is important the use of this frequency range for passive scientific observation be  recognized.   Recommendation:  Administrations are urged to protect the passive services from harmful interference  in 71‐238 GHz.  Per Tables 1.8‐1 and 1.8‐2, this band is extremely important for a wide range of scientific  problems, both for RAS and EESS.  RAS  This spectral region, which contains the 3 mm, 2 mm, and a large section of the 1.2 mm atmospheric  windows, is extremely important for studies of virtually every aspect of the dense interstellar medium.10  In fact, almost any given interstellar molecule has favorable transitions in this frequency band. Thus, this  region is rich in spectral lines and high spectral resolution can be achieved, as shown in Figure 1.8‐1.      Millimeter molecular lines in the 71‐238 GHz bands serve as important probes of dense gas in a wide  variety of astronomical settings.  High resolution spectroscopy and the Doppler effect allow the velocity  structure of an astronomical source to be readily discerned through spectral line measurements.  Millimeter transitions of molecules such as CO and H2CO have been used to trace galactic structure and  the distribution of dense gas in our Galaxy and in external galaxies. Because stars form in dense  molecular clouds, molecular lines in these bands are very useful probes of star formation, and have been  used to locate young protostars and protostellar disks.  Molecules are also common constituents of  dying (or evolved) stars, and are present in large quantities in stellar ejecta of red giant and asymptotic  giant branch stars.  Molecular spectra have been successfully used to study the mass loss mechanisms  from such stars and how they develop into white dwarfs and planetary nebulae.  The low energy  transitions of many molecules have also been used to examine the structure and chemical composition  of diffuse clouds and cold, dense globules.  Because multiple transitions of a given molecule can be  observed in many of these objects, radiative transfer modeling can be done to accurately determine gas  temperatures and densities, important physical quantities.  Gaseous vapors emitted by comets are also                                                               10  This frequency range takes on this prominence because of fundamental quantum mechanics, and the nature  of the dense interstellar medium. Dense interstellar gas (n ~ 103 – 107 cm‐3) is typically cold, with temperatures in  the range T ~ 10 – 100 K. Under such conditions, atomic energy levels are not populated, and only the very lowest  energy levels of molecules can be accessed, namely, the rotational levels, as opposed to vibrational or electronic.   Rotational energies of any given molecule are proportional to 1/ I, where I is the moment of inertia.  Most simple  molecules containing the cosmically‐abundant elements H, C, N, O, and S have moments of inertia that place their  rotational spectra in the 1‐3  mm region (about 71‐300 GHz). For example, the fundamental rotational transitions  (i.e. J = 1 → 0) of the most abundant interstellar molecules, including CO (115 GHz), HCN (88 GHz), HCO+ (89 GHz),  N2H+ (93 GHz), CN (113 GHz), NO (150 GHz), H2CO (72 GHz) and H2S (169 GHz) occur in these bands.  The 71‐238  GHz band also contains the next higher transitions (2 → 1, 3→ 2) of many of these molecules, as well.    17 

OCR for page 18
** PREPUBLICATION COPY – WORDING SUBJECT TO CHANGE **  investigated by observations of spectral lines at these wavelengths, and the climatology of planetary  atmospheres in our solar system as well.  Isotope ratios are also successfully probed in a wide variety of  environments using mm molecular lines, such as 13CO and 12CO, HC14N and HC15N, and even Na35Cl and  Na37Cl. Such ratios are invaluable in investigating galactic chemical evolution and nucleosynthesis in  stars.  Maser action often occurs in certain molecules in star‐forming regions and in envelopes of  evolved stars, such as in SiO or CH3OH.  Observations of maser lines provide information on small‐scale  structure and time variability of emitting sources.      1.4 37 Indentified Features C H 3C H O 35 Unidentified Features ~6 lines per 100 km/s C H 3C H O + C 2H 5C N HCO O CH 3 HCO O CH 3 (C H 3)2O TRMS = 0.003 K (theoretical) 1.2 C 2H 3C N HCO O CH 3 C 2H 3C N H C O O C H 3 + C 2H 3C N C 2H 5C N C 2 H 5 O H + (C H 2 O H ) 2 C H 3C H O + C 2H 3C N C 2H 3C N + C 2H 5C N 1.0 C H 3C H O C 2H 3C N HCO O CH 3 C H 3N H 2 C 2H 5C N C 2H 3C N C 2H 5C N HCO O CH 3 T R * ( K) 0.8 C 2H 5O H C 2H 3C N C 2H 3C N HCO O H C 2H 5C N C H 3C H O 0.6 N H 2C H O C 2H 5O H (C H 3 )2 O C 2H 5O H U HNCO C H 3C H O U 0.4 U U U U U U U 0.2 CS O CS 13 0.0 231000 231200 231400 231600 231800 232000 Frequency (MHz) Figure 1.8‐1: Typical spectrum of a dense molecular cloud, Sgr B2(N), obtained in a  portion of the 71‐ 238 GHz band, using the Sub‐Millimeter Telescope (SMT) of the Arizona  Radio Observatory using a single‐sideband (SSB) receiver covering a 1 GHz band.   Integration time is 2 hours. A large fraction, but not all, of the molecular lines have been  labeled on the spectrum. “U” indicates unidentified lines.  Because radio telescopes use  heterodyne receivers with multiplexing spectrometers, spectral resolution as high as 1  part in 108 can be achieved, particularly in cold, quiescent astronomical sources. This  resolution is invaluable for chemical identification of molecules, and for investigations of  velocity structure in astronomical objects.  SOURCE: Lucy Ziurys, University of Arizona.      The 71‐238 GHz region also covers the premier spectral windows for astrochemistry. Many new  interstellar molecules are discovered by observations at these frequencies, as illustrated by the recent  identification of CCP, PO, HSCN, AlO, and AlOH.  It is naturally difficult to predict a priori the transition  18 

OCR for page 19
** PREPUBLICATION COPY – WORDING SUBJECT TO CHANGE **  frequencies of any possible new molecule. Therefore, protecting given lines does not fully cover the  science that comes from observations in these bands.      Finally, this spectral region is important for astrobiology, and the study of life in the universe. It is  commonly thought that Earth lost its original carbon in the form of a methane atmosphere. The carbon  on this planet today had to come from exogenous delivery via comets, meteorites, and interplanetary  dust particles, which appear to carry debris from the original molecular cloud in which the solar system  was created. Observations of organic molecules in molecular clouds are enabling the link to be made  between the carbon inventory on planets and that of the presolar nebula.    Summarized below in Table 1‐8.1 are some of the important astronomical uses of this spectral region.    Table 1.8‐1: Important Astronomical Uses of the 71 – 238 GHz Bands11, 12  Scientific Topic  Common Molecular Probes  Frequencies (GHz)  CO, HCN, HCO+, N2H+, CS, H2CO,  115, 230, 88,13 89,14 93, 96, 144,  Star formation, mass loss from  young proto‐stars, protostellar  HC3N, CH3OH, CH3CN, SO2  234, 72, 142, 218, 72, 91,100,  disks  109, 136, 145, 154 , multiple  lines for CH3OH, CH3CN, SO2  CO, H2CO, HCO+, HCN  115, 230, 72, 141, 89, 8815   Galactic structure, molecular  clouds  CO, HCN, HCO+, CH3OH  115, 230, 8816, 89,17 multiple  External galaxies, molecules at  high red shift  lines for CH3OH  + 115, 230, 88,18 89, 73, 91, 109,  Evolved stars, planetary nebulae  CO, HCN, HCO , SiS, SiO, SiC2,  CCH, C4H, HC5N, SO2,   142, 87, 174, multiple for C4H  HC3N  through HC3N  + Diffuse clouds  CO, HCN, HCO , SO, CN, CCH,  115, 88, 89, 100, 113, 87, 88  C3H2  Comets, planetary atmospheres  HCN, HCO+, CS, H2CO  88,19 89,20 96, 144, 234, 144, 218  Astrochemistry  Numerous molecules    Interstellar masers  SiO, H2O, CH3OH, HCN  86, 130, 217, 107, etc  Isotope ratios  CO, HCN, CN, H2CO, MgNC, NaCl  113/115, 88/86, 110/113,  multiple for CH3OH, MgNC, NaCl  Astrobiology  PO, CP, PN, H2CO, all organics  109, 152, 174,  95, 97, 143, 238,  97, 140, 234, 71, 142, 218,  various                                                               11  Important transitions also exist in the frequency range 238 – 275 GHz, for example, the J = 3 → 2 transitions of  HCN and HCO+.  12  This region is used for both filled aperture spectroscopy and imaging, and covers several of the prime bands  for ALMA: Band 3 (84‐115 GHz) and Band 6 (210‐275 GHz).   13  The J = 3 → 2  transition of HCN is at 265 GHz.  14  The J = 3 → 2  transition of HCO+ is at 267 GHz.  15  HCN has an important transition frequency at 265 GHz.  16  Ibid.  17  HCO+ has an important transition frequency at 267 GHz.  18  HCN has an important transition frequency at 265 GHz.  19  Ibid.  20  HCO+ has an important transition frequency at 267 GHz.  19 

OCR for page 20
** PREPUBLICATION COPY – WORDING SUBJECT TO CHANGE **    EESS  The Earth exploration satellite service (passive) spectrum in the range between 71 and 238 GHz is used  operationally for several vital measurements of the Earth and its atmosphere for weather and climate  applications. Global water vapor profiles are essential to the numerical weather prediction of rainfall  and drought and help constrain such predictions in general.21 Water vapor is the primary mechanism for  energy storage and its movement within the atmosphere as it drives extreme weather events.  Combined microwave and infrared spectral data can yield what is nearly all‐weather global  observations, even in most cloudy conditions, of water vapor and air temperature profiles.22 The critical  importance of the oxygen and water vapor lines at 115‐122 and 176‐190 GHz cannot be over  emphasized: due to the unique molecular properties of oxygen and water vapor, atmospheric  temperature and humidity in particular cannot be measured in bands other than those currently  allocated.  A list of additional scientific applications is given in Table 1.8‐1 and Table 1.8‐2 gives a list of  corresponding applicable frequencies.  Given the importance of weather forecasting and climate  monitoring to the public, it is important that we protect this region of the spectrum for continued  successful EESS use.    Table 1.8‐2  EESS uses of spectrum from 71 to 238 GHz23  Frequencies (GHz)  Use/Measurement/Target  Significance  Atmospheric humidity and  Used operationally in numerical  115‐122, 176‐190  temperature profiles  weather prediction, forecasting of  severe storms, and monitoring  climate  Cloud ice content  Forecasting of severe storms, and  8585‐92, 150‐160  monitoring climate  Precipitation  Planning operations and monitoring  8585‐92  climate  Land surface type   Monitoring climate  8585‐92  Trace gases  Mapping of  key atmospheric  177.26, 181.59, 200.98, 204.35,  constituents (HCN, NHO3, N2O, ClO,  206.13, 230.54, 233.95, 235.71  CO, O3) tied to carbon cycle, global  climate, ozone depletion, pollution,  atmospheric transport  Sea ice extent and  Monitoring climate  85 – 92  concentration                                                               21  National Research Council, Spectrum Management for Science in the 21st Century, The National Academies  Press, Washington, D.C., 2010, pp. 29‐30.  22  Ibid.  23  Adapted from Tables 2.1 and 2.2 found in National Research Council, Spectrum Management for Science in the  21st Century, The National Academies Press, Washington, D.C., 2010, pp.137‐138.  20