鱼与熊掌不可兼得——5G通信与天气预报，如何取舍？_风闻

原创：牧夫天文

翻译：王婧彧

校对：杨伯顺 王茸 郭皓存

编排：崔郁

原文链接：

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

美国政府开始向电信公司拍卖5G网络（第五代移动通信网络）无线电频段。但是，由于这其中的一些频率与卫星用来进行地球观测的重要频率相接近，气象学家们担心手机和其他设备发出的5G信号会对他们收集数据产生干扰。

气象卫星拍摄的美国卫星图像

Credit:NOAA

除非监管机构或者通信公司采取措施减弱干扰的风险，否则在有5G信号覆盖的美国地区上空进行观测的卫星将无法准确地获得大气中的水汽含量。美国和其他国家的气象学家需要把这些资料代入到他们的预报模型里，没有了这些数据，全世界的天气预报都将无法顺利进行。

来自威斯康星大学麦迪逊分校的气象学家乔丹·格思（Jordan Gerth, University of Wisconsin–Madison）说道，“这是一个全球性的问题。”

NOAA（美国国家海洋和大气管理局，The US National Oceanic and Atmospheric Administration）和NASA目前在与负责监管美国无线网络的FCC（美国联邦通讯委员会，Federal Communications Commission）进行一场孤注一掷的协商。NOAA和NASA要求FCC和他们一起保护用于观测地球的频段不受即将推出的5G通信的干扰。但是FCC一转眼就把一大段5G频率在毫无限制的情况下拍卖了。拍卖于4月17日结束，收益接近20亿美元。

分庭抗礼，保卫天空

美国作为一个通信大国，它对如何部署5G的决定很可能影响到全球的导向。全世界的通信监管机构将会于10月28日在埃及的沙姆沙伊赫（Sharm el-Sheikh, Egypt）举行会议，以期在以下问题达成国际共识：一是5G通信可以使用哪些频段，二是在多大程度上可以接受5G通信对地球观测频率的干扰。

天文学家、气象学家和其他科学家一直在共用无线电频率，有时为了避免冲突，他们会改用其他的频率。但是，“这是我们最宝贵的频段首次受到威胁，我们一定会竭尽全力保护它，不论威胁者是什么。”来自ECMWF（欧洲中期天气预报中心，European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，位于英国雷丁）的气象学家史蒂芬•英格利斯（Stephen English）坚决地表态。

气象学家们提到了23.8吉赫兹（1吉赫兹=10^9赫兹）的频率，这是大气中的水汽释放的微弱信号的频率。各种卫星，比如欧盟的MetOp气象卫星系统，通过监测地球在这个频率发出的辐射来得到大气的湿度，这在白天或夜晚、有云或无云时都能实现。通过把这些数据代入到预报模型里，他们能够预测在接下来的几个小时或者几天里风暴和其他天气系统会怎样发展。

欧盟的MetOp极轨道气象卫星系统

Credit:ESA

但是，5G通信站发出的频率与用以反演水汽的频率十分接近。格思说，“我们将无法判断这些信号是不是来自自然。”如果气象学家们把这些错误数据代入模式里，预报的准确性将会降低。

闹邻在侧，不得安宁

近期FCC的拍卖包括两段频率：一个在24.25-24.45吉赫兹，另一个在24.75-25.25吉赫兹。使用上述两个频段里较低频率的无线设备可能干扰用来测量水汽的23.8吉赫兹的频率。Nature期刊曾就此事向FCC请求评论，FCC没有回应。格思说这就像有个整日吵闹的邻居。如果他在放音乐，那么很多噪音就会穿过墙壁进入你家里。但是如果你能说服他关上音乐，那么你就能安然入睡了。

共用的频率 （蓝绿色表示5G的候选频率，深蓝色表示观测地球使用的频率）

Credit:ITU

射频工程师用瓦分贝表示噪音，监管机构规定了允许的噪音大小，其中负数值越小（绝对值越大）表示规定越严格。FCC

拍卖会设定的5G噪音大小上限为-20瓦分贝，这比其他国家的门槛都要低。比如，欧盟委员会给5G基站规定的是-42瓦分贝，WMO（国际气象组织，World Meteorological Organization）推荐的是-55瓦分贝。

许多人希望WMO的推荐数值能让监管机构在埃及会议上采用更严格的噪音标准。领导WMO一个射频合作指导小组的气象学家，来自位于图卢兹的法国国家气象局的气象学家埃里克·埃拉希思（Eric Allaix）指出，由于瓦分贝是用对数尺度表示的，换算过来美国允许的噪音是欧盟标准的150倍以上，WMO数值的3000倍以上。

危机四伏，前途未卜​

23.8吉赫兹和其他重要的用于观测地球的频率被干扰后，天气预报会糟到什么程度呢？目前并没有深入的研究。但是，正如格思所说，“失去的越多，影响越大。”

据报道，NOAA和NASA完成了一项噪音干扰程度分级的研究，但是还没有公开。一则来自NASEM（美国国家科学院、工程院和医学院，National Academies of Sciences, Engineering and Medicine）2010年的报告显示，失去了23.8吉赫兹的观测频率，有效的微波信号就会减少30%，这对全球的天气预报影响巨大。

英格利斯说道，“缺少了美国的气象数据对于欧洲的天气预报也造成危害，因为欧洲的天气模式通常是由美国3-4天前的天气引起的。”

监管NOAA的美国商务部表示，他们将强烈支持有利于维护美国在5G市场地位的政策，但同时维持并改善重要的政府和科研任务。NASA主管吉姆•布莱登斯坦（Jim Bridenstine）拒绝对此发表意见，但是在前段时间参加的一个会议上表示了对5G的担忧。

12月，FCC将进行最大的一次5G拍卖，将会涉及更多的频段——其中包括卫星用来监测降水、海冰和云的频率。

『天文湿刻』 牧夫出品

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在这张从国际空间站拍摄的照片中，绿色的极光在地球上空闪耀。

(Image: © NASA)