Секция: Физика |
Астрономическая школа "Вега", Моск. обл., г. Железнодорожный |
Моск. обл., а |
; E-mail: *****@***ru |
Исследование отдельных параметров атмосферы, влияющих на качество астрономических наблюдений |
Класс:11 |
г. Железнодорожный, Ул. Юбилейная д. 4а кв. 10 |
; E-mail: sauth. *****@***ru |
Научный руководитель: , научный сотрудник ГАИШ МГУ |
Цель работы – определение отдельных параметров атмосферы, влияющих на качество астрономических наблюдений: размеров аэрозольных частиц и характерных амплитуд и размеров температурных неоднородностей в приземном слое атмосферы.
Указанные параметры атмосферы входят в число параметров, оказывающих значительно влияние на оптические свойства атмосферы, а значит и на качество изображений небесных объектов, получаемых на астрономических обсерваториях.
Для решения поставленных задач автор разработал и изготовил два прибора – ореольный фотометр и быстродействующий измеритель температуры воздуха:
1. Ореольный фотометр изготовлен на базе объектива и трубы от старого телескопа БШР-80 (фокусное расстояние 800 мм, диаметр 80 мм). В качестве приемника излучения был использован кремниевый фотодиод ФД-256. Поле зрения прибора 10 угловых минут (1/3 видимого диска Солнца).
2. Основой быстродействующего измерителя температуры воздуха является самодельный проволочный резистивный датчик температуры. Он изготовлен из проволоки толщиной 30 мкм и длиной 2 м. Датчик установлен в мостовой схеме, сигнал разбалансировки с которой усиливается операционным усилителем.. Для оцифровки и приема данных мы разработали микропроцессорный блок, который 40 раз в секунду оцифровывает сигнал с выхода усилителя, принимает и записывает результат измерения. Малая толщина проволоки позволила получить высокую скорость реакции (~0.1 сек) и хорошую чувствительность (10°/В).
В ходе выполнения работы нами было использовано несколько методов, позволивших получить значимый результат:
1. Ореольный фотометр
- Способ сканирования
Для получения распределения яркости в околосолнечном ореоле мы проводили измерения 1 раз в секунду с неподвижным прибором, начиная от восточного края солнечного диска. Из-за суточного вращения неба в поле зрения прибора каждый раз попадал новый участок ореола. За 1 час измерений прописывалось 15° × cos d ореола (где d – склонение Солнца в день наблюдения) с высоким угловым разрешением. Измерения на большем расстоянии от диска проводились вручную через каждые 15° вдоль эклиптики.
- Учет рассеянного в приборе света
Изучение формы кривой индикатрисы рассеяния требует провести измерения яркости околосолнечного ореола на минимально возможном расстоянии от края солнечного диска. Однако, по мере приближения к краю диска Солнца начинает сказываться рассеяние света внутри прибора. После проведения пробных наблюдений мы предприняли следующие меры: увеличили до 120 см длину объективной бленды, все внутренние части прибора окрасили матовой черной краской, зачернили боковые поверхности линз объектива, установили дополнительные диафрагмы внутри прибора. Все это вместе позволило снизить уровень рассеянного внутри прибора солнечного света с 220% до 15% от полезного сигнала (при измерении на расстоянии 2° от края диска).
- Усиление сигнала
Значительный перепад интенсивности рассеянного атмосферой света при удалении от диска Солнца (для некоторых сортов рассеивающих частиц – в тясячи раз на угловом расстоянии 90°) потребовал использовать усилитель постоянного тока. Мы собрали его на базе микросхемы операционного усилителя AD8542. Максимальное усиление в нашей схеме около 7000 раз.
2. Наблюдения температурных микрофлуктуаций
- Мостовая схема включения датчика температуры
Подобная схема является общепринятой при подключении подобного рода датчиков, поэтому мы не будем ее описывать здесь.
- Учет медленных изменений температуры воздуха
Для учета медленных изменений температуры во второе плечо мостовой схемы включения основного датчика мы поставили второй такой же датчик, поместив его в картонную коробку. Медленные изменения температуры (например, из-за вечернего похолодания) одинаково действуют на оба датчика и разбалансировки моста не происходит.
- Высокая скорость реакции датчика
Ожидаемое время прохождения температурной неоднородности через датчик ~1-2 сек. Чтобы надежно фиксировать такие события мы изготовили датчик из проволоки толщиной 30 мкм. Кусок такой проволоки длиной 2 м натянут на рамку, установленную вертикально. Специальные эксперименты показали, что на резкое изменение температуры датчик реагирует за 1/10 сек (время изменения показаний от фона до максимального значения).
- Высокая скорость записи измерений
Высокая скорость реакции датчика потребовала соответствующей скорости записи результатов измерений. Для этого мы на базе электронных модулей BM93XX собрали микропроцессорное устройство, которое оцифровывает сигнал с выхода усилителя и записывает его в память со скоростью 40 измерений/сек. Затем, полученные данные переписываются на компьютер.
С описанными приборами в ходе экспедиции "Веги" в Крым были проведены многочисленные измерения, получены кривые изменения яркости околосолнечного ореола, кривые микроколебаний температуры воздуха. Анализ полученных данных позволил получить индикатрисы рассеяния атмосферных аэрозолей и параметры быстрых изменений температуры воздуха (амплитуду, характерное время нарастания и спада, характерную длительность и частоту появления неоднородностей).
Сравнение полученных нами индикатрис рассеяния с опубликованными теоретическими кривыми позволило определить преобладающие размеры рассеивающих частиц в дни наблюдений.
Результаты наблюдений температурных неоднородностей мы сравнили с результатами Овчинникова (1970), полученных для этой же обсерватории. Они близки по таким параметрам, как амплитуда и длительность неоднородностей.
Литература
К вопросу о влиянии околосолнечного ореола на определение коэффициента прозрачности атмосферы. - Атмосферная оптика, 1970, с.144
А. «О наблюдении температурных неоднородностей в приземном слое атмосферы». Атмосферная оптика. Труды совещания по атмосферной оптике. с.
Пясковская-, Ситник фотометр Фесенкова и методика работы с ним. - Метеорология и гидрология, 1970, №8, с. 89
Ситник результаты совместных наблюдений ореолов Луны и Солнца. - Атмосферная оптика, 1970, с.104
А. «Датчики в системах сбора данных и управления». ПиКАД. т. 2. с.
