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 1.6: 275 – 3000 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
9
bottomleft bottomright
Page
9

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 9
** PREPUBLICATION COPY – WORDING SUBJECT TO CHANGE **  Agenda Item 1.6: 275 – 3000 GHz  Agenda Item 1.6, per Resolution 950 of WRC‐07, seeks to review Radio Regulations footnote No. 5.565  on passive use of spectrum between 275 and 1000 GHz in order to update the spectrum use by the  passive services and extend it to between 275 and 3000 GHz.  In the current Table of Frequency  Allocations, bands above 275 GHz are not allocated. Radio Regulations footnote No. 5.565 makes  provisions for the use of these bands up to 1000 GHz for all services, including provisions meant to  protect passive services until, and if, such time as the table is extended.  Protection of the bands 275‐ 1000 GHz for passive use is considered to be highly desirable, with less emphasis on the 1‐3 THz regions.   Specific bands requiring protection are listed in Tables 1.6‐1 and 1.6‐3.    Recommendation:  Administrations are urged to protect the bands given in Tables 1.6‐1 and 1.6‐3 from  harmful interference for use by the RAS and EESS, respectively.  RAS  Due to recent technological achievements, the exploration of the universe using the spectrum between  275‐3000 GHz has greatly expanded over the past decade.  Extraordinary opportunities exist to study  the universe using this band, and include studies of the early universe, astrochemistry, planetary and  star formation, and supermassive black holes3.  The current and future activities in the 275‐1000 GHz  regions are substantial, as evidenced by the work of instruments such as the James Clark Maxwell  Telescope (JCMT), the Caltech Submillimeter Observatory (CSO), the ARO’s Sub‐MM Telescope (SMT),  the Submillimeter Array (SMA) and the South Pole Telescope (SPT), and the on‐going construction of the  Atacama Large Mm/SubMm Array (ALMA).  It is also contains regions that are currently used for passive  measurements, focused on the 1‐3 THz region, for NASA missions such as the Herschel Space  Observatory and the Stratospheric Observatory for Far‐Infrared Astronomy (SOFIA), and the future  space project Single Aperture  Far‐Infrared  Observatory (SAFIR). Because of high atmospheric  absorption due to water vapor above 1 THz,  ground based observations can only be made from  extremely high sites, usually at elevations above 3km. Exploratory observations have been made in this  band,  primarily around 1.5 THz. Because of the high horizontal opacity, interference from active  services located more than 10 km away is unlikely. In light of these developments it is worthwhile to  reexamine footnote 5.565 of the Table of Frequency Allocations.    The 275‐3000 GHz region, defined by the wavelength term “sub‐millimeter,” encompasses various  spectral windows that can be used for ground based astronomy. These are illustrated in Fig. 1.6.1 for the  frequency range 1‐1000 MHz. It is a prime region for spectroscopy and for studying continuum emission  from dust. In this frequency range, many of the common interstellar molecules such as CO, HCN, HCO+,  and CS have their higher energy rotational transitions (see table 1.6‐1).4 These spectral lines are  important probes of the interstellar medium where stars form, as they trace relatively hot (T > 200 K)  and dense (n > 107 cm‐3) gas. These transitions also trace circumstellar gas close to the stellar  photosphere, and can be used to elucidate the physical processes associated with evolved (i.e. giant)                                                               3  National Research Council, Spectrum Management for Science in the 21st Century, The National Academies  Press, Washington, D.C., 2010.  4  The theory of quantum mechanics dictates that the rotational motion of molecules is characterized by discrete  energy levels. When a molecule changes energy levels, it makes a transition, and either emits or absorbs a photon  at a frequency proportional to the energy difference between the two levels.  9 

OCR for page 10
** PREPUBLICATION COPY – WORDING SUBJECT TO CHANGE **  stars, including their mass loss and photospheric shocks. This region also contains the two fine structure  lines of neutral carbon (CI). The CI lines are used to study photon‐dominated regions, planetary nebulae,  and HII regions. This range furthermore has important significance for the investigation of  protoplanetary disks and their role in the origin of solar systems and life.  In addition, the 275‐3000 GHz  region is the only spectral band containing the fundamental transitions of simple hydride species, such  as CH, OH, SiH, LiH, and SH. This is because the moments of inertia of these molecules are quite small,  resulting in large rotational energy splittings. Hydride molecules are extremely important for astronomy  for several reasons. First, the large energy difference between the rotational levels makes them efficient  coolants in dense gas. Also, because hydrogen is the most abundant element, hydride compounds are  common in diffuse and dense clouds. Moreover, hydride species are the basic building blocks of  interstellar chemistry. Understanding their abundances and distribution is key to chemical modeling. But  not all hydride species are known interstellar molecules primarily because their exact transition  frequencies have not been measured in many cases.     Future research in this largely unexplored spectral region is likely to yield additional spectral transitions  and continuum bands of interest to the passive services.  Administrations are urged to protect the  passive services from harmful interference, particularly those bands to be used by ALMA (275‐375 GHz,  385‐500 GHz, 602‐720 GHz, and 787‐950 GHz).      The table below lists some important sub‐mm molecular tracers, their frequencies, and their use for  astronomy.    Table 1.6‐1  A Sample of Important Spectral Lines from 275 – 3000 GHz5  Spectral line  Transition  Frequency (GHz)  Significance  CO  3‐2  345  Important tracer of galactic  4‐3  461  and extragalactic structure  5‐4  576  Probe of star‐forming regions  6‐5  691  and protoplanetary disks  7‐6  807  8‐7  922  etc6  CI  Fine structure  492  Tracer of the ionized dense  809  interstellar medium, photon‐ dominated regions, planetary  nebulae  HCO+  4‐3  356  Probe of high density  5‐4  446  regions, protostellar cores   6‐5  535  7‐6  624  HCN  4‐3  354  Probe of high density  5‐4  443  regions, protostellar cores,                                                               5  To observe the listed transitions, fractional bandwidths of 1% are required for Galactic observations. Larger  bandwidths are needed for extragalactic measurements on the low‐frequency side because of the Doppler shift  caused by the recessional velocities of distant objects in the universe, e.g., a ten percent bandwidth is required to  cover the nearby clusters of galaxies of which our galaxy is a member.  6  Higher excitation lines occur throughout this band at intervals of 115.27 GHz, e.g. 922 GHz, 1037 GHz, etc.  Higher frequency transitions are excited by regions of increasingly high temperatures.  10 

OCR for page 11
** PREPUBLICATION COPY – WORDING SUBJECT TO CHANGE **  6‐5  531  Inner shells of evolved stars  7‐6  620  8‐7  709  CS  7‐6  342  Dense protostellar cores,  8‐7  392  evolved stars, planetary  9‐8  440  nebulae  H2O  1(1,0)‐1(0,1)  556  Indicator of star formation,  2(1,1)‐2(0,2)  752  tracer for life, maser  1,1137  1(1,1)‐0(0,0)  emission  H3O+  0(0,0)‐1(0,1)  984  Important tracer of ion‐ 1(1,0)‐1(1,1)  1,655  molecule chemistry  2(0,0)‐1(0,1)  2,972  H2D+  1(1,0)‐1(1,1)  372  Probe of D/H isotope ratio,  3(2,1)‐3(2,2)  646  chemical fractionation  CH  1‐0  537  Important chemical building    2‐1  1,477  block, tracer of diffuse gas  OH  1‐0  2,560  Star formation, O‐rich  evolved stars.  Metal Hydrides  1‐0  Various  Interstellar coolants  (SiH, LiH, MgH,   2‐1  Building blocks of interstellar  NaH, AlH)  3‐2  chemistry  Etc.    EESS  The Earth Exploration Satellite Service EESS(passive) currently uses spectrum in the range between 275  and 3000 GHz for several important measurements focusing on improving our understanding of the  atmosphere and providing information needed by policy makers.  A list of a few of these uses is given in  Table 1.6‐2.  Table 1.6‐3 gives a corresponding list of representative bands associated with these  measurements. The list is not exhaustive. As in the case of Radio Astronomy, these measurements  cannot be made in other bands because pressure‐broadened transitions of different atmospheric  constituents are being observed. In light of this and recent advances in relevant technologies, EESS use  of this portion of the spectrum is expected to increase significantly.  It is therefore important that we  protect EESS use in this region of the spectrum.    Table 1.6‐2  Example EESS uses of spectrum from 275‐3000 GHz.  This list highlights some significant  uses of the spectrum, but is not an exhaustive survey.    Use/Measurement/Target  Significance  Mapping of ozone, polar  3D mapping of ozone in stratosphere to understand current  stratospheric clouds, chlorine  ozone distribution and mechanisms for its depletion  sources                                                               7  The atmosphere is highly opaque at these frequencies and protection would only be needed for measurements  above the atmosphere where satellite interference is possible.  11 

OCR for page 12
** PREPUBLICATION COPY – WORDING SUBJECT TO CHANGE **  Cloud ice and frozen  Key variable in the understanding of the water cycle, the  precipitation  Earth’s energy budget, and the role of cloud feedback on the  climate—viewed in “window” regions around absorption  features from gaseous constituents  Upper troposphere and  Key aspect of water cycle and important for determining  stratospheric water vapor  climate feedback effects on radiative forcing in the presence  of increasing greenhouse gases—multiple bands are used  with varying sensitivity to water vapor, hence varying  applicability as a function of instrument scan type (nadir vs.  limb) and water vapor distribution  Stratospheric temperature  3D mapping of stratospheric temperature for understanding  atmospheric dynamics  Upper tropospheric pollution  Understanding of distribution and transport of pollutants in  the upper troposphere  Trace gases  3D mapping of  key atmospheric constituents (e.g., CO, SO2,  HCL, BrO, N2O) tied to carbon cycle, global climate,  pollution, atmospheric transport  Table 1.6‐3  Representative passive sensing bands and their associated measurements in 275‐1000  GHz.89    Total  Frequency  bandwidth  Measurement  Existing or planned  Spectral line(s) (GHz)  (GHz)  required    instrument(s)  (MHz)  Window ( 276.4‐285.4)  276.33 (N2O),  275‐285.4  10 400      278.6 (ClO)  N2O, ClO, NO  Wing channel for  Window for 325.1,  temperature sounding  298.5 (HNO3), 300.22    296‐306  10 000  (HOCl), 301.44 (N2O),  Window (296‐306)  MASTER  303.57 (O3), 305.2    (HNO3), 304.5 (O17O)  N2O, O3 , O17O, HNO3,  HOCl                                                               8  Adapted from: International Telecommunications Union, Working Party 7C, “Preliminary Draft New Report,    ITU‐R RS.[ABOVE 275] Passive bands of Interest to EESS/SRS from 275 to 3000 GHz: Annex 1313 to Working Party  7C Chairman’s Report,” September 30, 2009.  9  The atmosphere is highly opaque above 1000 GHz and protection would only be needed for measurements  where satellite interference is possible.  12 

OCR for page 13
** PREPUBLICATION COPY – WORDING SUBJECT TO CHANGE **  Total  Frequency  bandwidth  Measurement  Existing or planned  Spectral line(s) (GHz)  (GHz)  required    instrument(s)  (MHz)  {318.8,  345.8,  344.5}  (HNO3), 313.8 (HDO),  Water vapor sounding,  {321.15, 325.15} (H2O),  cloud ice, wing channel  {321, 345.5, 352.3,  for temperature  352.6, 352.8} (O3),  sounding  {322.8, 343.4} (HOCl),   PREMIER, CIWSIR,    313.5‐355.6  42 100  345.8 (CO), {345.0,  MASTER, MWI,  Window (339.5‐348.5)  345.4} (CH3Cl), 345.0  GOMAS, GEM    (O18O), 354.5 (HCN),  H2O, CH3Cl, HDO, ClO, O3  349.4 (CH3CN), {315.8,  , HNO3, HOCl, CO, O18O,  346.9, 344.5, 352.9}  HCN, CH3CN, N2O, BrO  (ClO), 351.67 (N2O),  346 (BrO)   Wing channel for water  vapor sounding  361‐365  4 000  364.32 (O3)  GOMAS    O3  369.2‐391.2  22 000  380.2 (H2O)  Water vapor sounding   GEM, GOMAS  397‐399  2000     Water vapor sounding  GOMAS  409‐411  2000     Temperature sounding     416‐433.46  17 460  424.7 (O2)  Temperature sounding  GEM, GOMAS  Water vapor profiling,  cloud ice  {443.1, 448} (H2O),    439.1‐466.3  27 200  MWI, CIWSIR   443.2 (O3), 442 (HNO3)  Window (458.5‐466.3)    O3, HNO3, N2O, CO  477.75‐496.75  19 000  487.25 (O2)  Temperature sounding  Odin  Wing channel for water  vapor sounding  497.9 (N218O), {497.6,    SOPRANO, MASTER,  497‐502  5000  497.9} (BrO), 498.6 (O3)  Window (498‐502)  Odin    O3, CH3Cl, N218O, BrO, ClO  523‐527  4 000  Window for 556.9  Wing channel for water     13 

OCR for page 14
** PREPUBLICATION COPY – WORDING SUBJECT TO CHANGE **  Total  Frequency  bandwidth  Measurement  Existing or planned  Spectral line(s) (GHz)  (GHz)  required    instrument(s)  (MHz)  vapor sounding    Window (523‐527)  {541.26, 542.35,  Water vapor sounding  550.90, 556.98}    538‐581  43 000  (HNO3), 556.93 (H2O),  Window (538‐542)  Odin  {544.99, 566.29, 571.0}    (O3), 575.4 (ClO)  HNO3, O3, ClO  620.7 (H2O), 624.27  (ClO2), {624.34, 624.89,  625.84, 626.17} (SO2),  {624.48, 624.78}  Water vapor sounding  (HNO3), 624.77 (81BrO),    624.8 (CH3CN), 625.04  MLS, SMILES,  ClO2, SO2, BrO, O3, H35Cl,  611.7‐629.7  18 000  (H2O2),  625.37 (O3),  SOPRANO  CH3Cl, O18O, HOCl, HO2,  624.98 (H37Cl), 625.92  HNO3, CH3CN, H2O2  (H35Cl), 627.18 (CH3Cl),  627.77 (O18O), {625.07,  628.46} (HOCl), 625.66  (HO2)  Wing channel for water  635.87 (HOCl), 647.1  vapor sounding  (H218O), 649.45 (ClO),    649.24 (SO2), 649.7  Window (634.8‐651)  (HO2), 650.18 (81BrO),  634‐654  20 000  MLS, SMILES    650.28 (HNO3), 650.73  18 H2 O, HOCl, ClO, HO2,  (O3), 651.77 (NO),  BrO, HNO3, O3, NO, N2O,  652.83 (N2O)  SO2  Water vapor sounding,  658 (H2O), 660.49  cloud ice  (HO2), 688.5 (CH3Cl),    656.9‐692  35 100  CIWSIR, MWI, MLS  691.47 (CO), 687.7   Window (676.5‐689.5)  (ClO)    HO2, ClO, CO, CH3Cl  713.4‐717.4  4 000  715.4 (O2)  O2      731 (HNO3), 731.18  O18O, HNO3  729‐733  4 000     (O18O)  750‐754  4 000  752 (H2O)  Water vapor      771.8‐775.8  4 000  773.8 (O2)  O2     14 

OCR for page 15
** PREPUBLICATION COPY – WORDING SUBJECT TO CHANGE **  Total  Frequency  bandwidth  Measurement  Existing or planned  Spectral line(s) (GHz)  (GHz)  required    instrument(s)  (MHz)  823.15‐845.15  22 000  834.15 (O2)  O2     850‐854  4 000  852 (NO)   NO     857.9‐861.9  4 000  859.9 (H2O)  Water vapor      866‐882  16 000     Cloud ice  CIWSIR  905.17‐927.17  22 000  916.17 (H2O)  Water vapor      952 (NO), 955 (O18O)  O18O, NO  951‐956  5 000  SOPRANO  968.31‐972.31  4 000  970.3 (H2O)  Water vapor      985.9‐989.9  4 000  987.9 (H2O)  Water vapor           15