魚與熊掌不可兼得——5G通信與天氣預報，如何取捨？_風聞

原創：牧夫天文

翻譯：王婧彧

校對：楊伯順 王茸 郭皓存

編排：崔鬱

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/d41586-019-01305-4

美國政府開始向電信公司拍賣5G網絡（第五代移動通信網絡）無線電頻段。但是，由於這其中的一些頻率與衞星用來進行地球觀測的重要頻率相接近，氣象學家們擔心手機和其他設備發出的5G信號會對他們收集數據產生干擾。

氣象衞星拍攝的美國衞星圖像

Credit:NOAA

除非監管機構或者通信公司採取措施減弱干擾的風險，否則在有5G信號覆蓋的美國地區上空進行觀測的衞星將無法準確地獲得大氣中的水汽含量。美國和其他國家的氣象學家需要把這些資料代入到他們的預報模型裏，沒有了這些數據，全世界的天氣預報都將無法順利進行。

來自威斯康星大學麥迪遜分校的氣象學家喬丹·格思（Jordan Gerth, University of Wisconsin–Madison）説道，“這是一個全球性的問題。”

NOAA（美國國家海洋和大氣管理局，The US National Oceanic and Atmospheric Administration）和NASA目前在與負責監管美國無線網絡的FCC（美國聯邦通訊委員會，Federal Communications Commission）進行一場孤注一擲的協商。NOAA和NASA要求FCC和他們一起保護用於觀測地球的頻段不受即將推出的5G通信的干擾。但是FCC一轉眼就把一大段5G頻率在毫無限制的情況下拍賣了。拍賣於4月17日結束，收益接近20億美元。

分庭抗禮，保衞天空

美國作為一個通信大國，它對如何部署5G的決定很可能影響到全球的導向。全世界的通信監管機構將會於10月28日在埃及的沙姆沙伊赫（Sharm el-Sheikh, Egypt）舉行會議，以期在以下問題達成國際共識：一是5G通信可以使用哪些頻段，二是在多大程度上可以接受5G通信對地球觀測頻率的干擾。

天文學家、氣象學家和其他科學家一直在共用無線電頻率，有時為了避免衝突，他們會改用其他的頻率。但是，“這是我們最寶貴的頻段首次受到威脅，我們一定會竭盡全力保護它，不論威脅者是什麼。”來自ECMWF（歐洲中期天氣預報中心，European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，位於英國雷丁）的氣象學家史蒂芬•英格利斯（Stephen English）堅決地表態。

氣象學家們提到了23.8吉赫茲（1吉赫茲=10^9赫茲）的頻率，這是大氣中的水汽釋放的微弱信號的頻率。各種衞星，比如歐盟的MetOp氣象衞星系統，通過監測地球在這個頻率發出的輻射來得到大氣的濕度，這在白天或夜晚、有云或無雲時都能實現。通過把這些數據代入到預報模型裏，他們能夠預測在接下來的幾個小時或者幾天裏風暴和其他天氣系統會怎樣發展。

歐盟的MetOp極軌道氣象衞星系統

Credit:ESA

但是，5G通信站發出的頻率與用以反演水汽的頻率十分接近。格思説，“我們將無法判斷這些信號是不是來自自然。”如果氣象學家們把這些錯誤數據代入模式裏，預報的準確性將會降低。

鬧鄰在側，不得安寧

近期FCC的拍賣包括兩段頻率：一個在24.25-24.45吉赫茲，另一個在24.75-25.25吉赫茲。使用上述兩個頻段裏較低頻率的無線設備可能干擾用來測量水汽的23.8吉赫茲的頻率。Nature期刊曾就此事向FCC請求評論，FCC沒有回應。格思説這就像有個整日吵鬧的鄰居。如果他在放音樂，那麼很多噪音就會穿過牆壁進入你家裏。但是如果你能説服他關上音樂，那麼你就能安然入睡了。

共用的頻率 （藍綠色表示5G的候選頻率，深藍色表示觀測地球使用的頻率）

Credit:ITU

射頻工程師用瓦分貝表示噪音，監管機構規定了允許的噪音大小，其中負數值越小（絕對值越大）表示規定越嚴格。FCC

拍賣會設定的5G噪音大小上限為-20瓦分貝，這比其他國家的門檻都要低。比如，歐盟委員會給5G基站規定的是-42瓦分貝，WMO（國際氣象組織，World Meteorological Organization）推薦的是-55瓦分貝。

許多人希望WMO的推薦數值能讓監管機構在埃及會議上採用更嚴格的噪音標準。領導WMO一個射頻合作指導小組的氣象學家，來自位於圖盧茲的法國國家氣象局的氣象學家埃裏克·埃拉希思（Eric Allaix）指出，由於瓦分貝是用對數尺度表示的，換算過來美國允許的噪音是歐盟標準的150倍以上，WMO數值的3000倍以上。

危機四伏，前途未卜​

23.8吉赫茲和其他重要的用於觀測地球的頻率被幹擾後，天氣預報會糟到什麼程度呢？目前並沒有深入的研究。但是，正如格思所説，“失去的越多，影響越大。”

據報道，NOAA和NASA完成了一項噪音干擾程度分級的研究，但是還沒有公開。一則來自NASEM（美國國家科學院、工程院和醫學院，National Academies of Sciences, Engineering and Medicine）2010年的報告顯示，失去了23.8吉赫茲的觀測頻率，有效的微波信號就會減少30%，這對全球的天氣預報影響巨大。

英格利斯説道，“缺少了美國的氣象數據對於歐洲的天氣預報也造成危害，因為歐洲的天氣模式通常是由美國3-4天前的天氣引起的。”

監管NOAA的美國商務部表示，他們將強烈支持有利於維護美國在5G市場地位的政策，但同時維持並改善重要的政府和科研任務。NASA主管吉姆•布萊登斯坦（Jim Bridenstine）拒絕對此發表意見，但是在前段時間參加的一個會議上表示了對5G的擔憂。

12月，FCC將進行最大的一次5G拍賣，將會涉及更多的頻段——其中包括衞星用來監測降水、海冰和雲的頻率。

『天文濕刻』 牧夫出品

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在這張從國際空間站拍攝的照片中，綠色的極光在地球上空閃耀。

(Image: © NASA)