Пользователь
Логин:
Пароль:
  Регистрация
Обновления
Астротека 01-05-2011
Опубликована статья А.Пецык "Постройка 18-ти дюймового добсона «Фомальгаут»".

Astronomer.ru 12-11-2010
Большая экспедиция ПулКОН по Западному полушарию

Astronomer.ru 10-10-2010
Первый свет второго Цейсс-600 в Тарихе

 Все обновления
Доска объявлений
 747   Продаю/Меняю  0 
 356   Куплю  0 
  Список досок
Астротека
Статьи: Библиотечка наблюдателя

Алан МакРоберт - Борьба с атмосферой

Дата публикации: 23-12-2003     Источник: http://skyandtelescope.com/howto/scopes/article_136_1.asp



SkyandTelescope.com
БОРЬБА С АТМОСФЕРОЙ

Алан МакРоберт

НАСА потратило свыше двух миллиардов долларов, дабы избавиться от негативного влияния атмосферы – именно во столько обошелся запуск на орбиту телескопа им. Хаббла. Но и любители астрономии, располагающие более скромным бюджетом, не должны пасовать перед нечеткими дрожащими изображениями. Можно избежать наихудших эффектов, вызванных волнением атмосферы, если понять их природу и освоить несколько полезных приемов.



Хуже не бывает: атмосферная дисперсия, искажение, поглощение, покраснение и рефракция – все разом.
Колышущееся огненно-красное закатное солнце прекрасно, но астрономы всегда возмущаются атмосферными эффектами,
портящими изображения Луны, звезд и планет. Фотография получена Марком Коко на 8-дюймовом телескопе Celestron.

При наблюдениях с высоким увеличением со дна воздушного океана звезда кажется живым существом. Она скачет туда-сюда, дрожит, без устали пульсирует или раздувается в трепещущий шар. В большинстве мест редко выдается ночь, когда телескоп, как велика ни была бы его апертура и как превосходна ни была бы оптика, покажет детали, меньшие 1 угловой секунды. Более типичным для обычных площадок является разрешение в 2-3 секунды, а то и хуже. Изображения планет при больших увеличениях становятся нечеткими и невозможно точно вывести их в фокус. По диску Луны плывут мерцающие волны. Тесные двойные, доступные данной апертуре, сливаются вместе.



На этих снимках показана двойная ζ Водолея с разделением около 2’’, изображение
которой смазано атмосферой и непрерывно изменяется. Фотографии получены
Аланом Эдлером на 8-дюймовом рефлекторе Ньютона в течение двух минут. Фотография Алана Эдлера.

Нетрудно понять - почему. Обычно оптика телескопа считается хорошей, когда падающий волновой фронт собирается в фокус с ошибкой, не превышающей четверти длины волны.  Но этот же волновой фронт, проходя чуть меньше метра воздуха внутри трубы телескопа, отстает примерно на 400λ от света, распространяющегося в пустоте. Ясно, что воздух является важным элементом оптической схемы. В идеальных условиях воздух влиял бы на каждый луч света в равной мере. Но если коэффициент преломления воздуха изменяется поперек трубы всего на 1/1600, то искажение волнового фронта уже превысит 1/4λ. Для этого достаточно, чтобы разность температур воздуха составляла всего 0,2°C.

Если добавить многие километры воздуха, сквозь который проходит свет прежде, чем попадет в телескоп, то остается лишь удивляться, что удается разглядеть хоть какие-то детали небесных объектов.

Коэффициент преломления воздуха зависит от его плотности и, следовательно, от температуры. Где бы ни встретились массы воздуха с различной температурой, на границе между ними возникают неустойчивые течения и вихри, действующие как слабые неправильные линзы. Их легко можно увидеть над огнем или над разогретым солнцем шоссе, когда поднимающийся теплый воздух смешивается с холодным. Эти конвективные потоки сильно ухудшают качество астрономических наблюдений. В нашей ветреной переменчивой воздушной оболочке почти всегда присутствуют тепловые неоднородности, и при наблюдениях в телескоп их воздействие становится более заметным.

Однако многие факторы ухудшения видимостиВИДИМОСТЬ ж. 1. Возможность видеть удаленные предметы. // Доступное обозрению пространство. 2. разг.-сниж. Внешний вид, облик. 3. Внешний вид кого-л., чего-л., производящий обманчивое впечатление. НОВЫЙ СЛОВАРЬ РУССКОГО ЯЗЫКА действуют в неожиданной близости к телескопу, где появляется шанс ослабить их влияние.

Внутри трубы

На качестве изображения в сильнейшей степени сказываются несколько сантиметров воздуха вблизи линзы или зеркала объектива. Если температура объектива не уравнялась с температурой окружающей среды, то вокруг него образуется медленно колышущийся неоднородный слой воздуха, чуть более теплого или холодного, чем соседний ночной. Это относится и к любой другой детали телескопа. Поэтому один из самых важных способов улучшения изображения – это дать телескопу время, чтобы прийти в тепловое равновесие с окружением. Любитель быстро выяснит, что резкие изображения начинают появляться примерно через полчаса после выноса телескопа наружу. Полная термостабилизация крупных тяжелых инструментов может отнять гораздо больше времени. Такие следует устанавливать заранее.



Ранее считалось, что поднимающиеся по трубе конвективные потоки порождают
основную проблему рефлекторов, но ныне стало ясно, что главный виновник – это пристеночный
слой теплого воздуха непосредственно перед зеркалом. Фотография Брайана Грира.

Обычно телескоп оказывается теплей воздуха, особенно если он хранился в жилом помещении. Но иногда случается и обратное. Появление на телескопе росы или инея – знак того, что температура инструмента вследствие лучистого охлаждения стала ниже, чем у воздуха. В данном случае незначительный подогрев не только предотвратит выпадение росы, но также приблизит телескоп к тепловому равновесию и тем самым повысит разрешающую способность.

Конвективные потоки теплого и холодного воздуха внутри трубы – истинные губители изображения. Рефлекторы более склонны к конвекции, но она может появиться и в закрытых трубах рефракторов или «шмидтов-кассегренов». Современные любители согласны с тем, что любую открытую трубу следует вентилировать как можно лучше. Это значит, что конструкция должна предусматривать достаточно много свободного места вокруг оправы зеркала, сама оправа должна быть легкой, а зазор между зеркалом и стенкой трубы должен составлять 2-3 см.



Традиционно вентиляторы устанавливаются позади главного зеркала, но изобретатель Алан Эдлер показал,
что с конвекцией проще справиться, если поместить вентилятор на стенке трубы и обдувать зеркало вдоль (левый снимок).
Напротив вентилятора расположены отверстия для выхода теплого воздуха из трубы. Они немного смещены
к заднему концу трубы, чтобы вдуваемый воздух омывал зеркало со всех сторон (правый снимок). Фотографии Алана Эдлера.

Установка вентилятора с целью скорейшего охлаждения телескопа завоевала популярность.  Несложно самому укрепить вентилятор от компьютера на заднем фланце телескопа через резиновую прокладку. Чем он больше – тем лучше. Некоторые владельцы «ньютонов» ставят вентилятор на стенку трубы, чтобы непосредственно обдувать переднюю поверхность зеркала.

Десятилетиями в мире любителей царило убеждение, что рефлекторы не могут быть столь же совершенны оптически, как рефракторы. Во многих книгах утверждается, что 8-дюймовый рефлектор по резкости изображения примерно соответствует 5-дюймовому рефрактору. Установка вентиляторов в рефлекторах положила конец этому неравноправию!

Портит ли конвекция качество изображения? Это легко проверить. Выведите яркую звезду далеко за фокус, чтобы возник большой однородный светящийся диск. Тепловые потоки обнаружат себя тонкими волнующимися полосками света и тени, медленно плывущими по изображению. Стоит включить вентилятор, как волны быстро перемешаются, распадутся и почти исчезнут.

Поблизости с телескопом

Некоторые проблемы ухудшения видимости возникают в ближайшем окружении телескопа. Очевидно, следует пытаться защитить отверстие и внутренний объем трубы от дыхания и тепла тела наблюдателя. Это – одна из причин, чтобы натянуть ткань поверх фермы открытой трубы.



Трехэтажная обсерватория Денниса де Чикко оснащена сдвигающейся крышей,
позволяющей телескопу быстро достигнуть теплового равновесия с окружающим воздухом.
Качество изображений при наблюдениях с высокой площадки оказывается много лучше,
чем у стоящего на земле телескопа. Обсерваторию окружают деревья и трава,
а не асфальт и кирпич, что также дает свои преимущества. Разумеется, нижние
этажи строения не отапливаются! Фотография S&T - Деннис де Чикко.

Вокруг телескопа не должно быть сооружений из материалов с высокой теплопроводностью, накапливающих за день теплоту. Трава и кустарник – лучше, чем тротуар. Невысокая плотная зелень предпочтительней. Окружающие прогретые здания резко ухудшают изображение, особенно если приходится наблюдать поверх труб.

Если вы строите обсерваторию, то применяйте тонкую обшивку из фанеры или жести, а не кирпичную кладку. Покрыть сооружение следует белой или совсем светлой краской, отражающей солнечное тепло (имеются также специальные теплозащитные краски, отражающие инфракрасное излучение столь же эффективно, как и видимое). Строение должно очень хорошо проветриваться. Полезно уложить на пол толстый ковер.

Сдвигающаяся крыша полностью открывает площадку небу, что обеспечивает более быстрое охлаждение, а иногда и более удобные наблюдения, чем купол с забралом. Если же вы предпочитаете купол, то установите в стене большой вентилятор, чтобы всасываемый через щель воздух обдувал телескоп, как это делается в профессиональных обсерваториях. Весьма неудачна мысль устроить обсерваторию над отапливаемым домом, разве что вы планируете ограничиться самыми малыми увеличениями. Если все же придется так поступить, то площадку следует разместить с наветренной стороны, хорошо теплоизолировать пол и обеспечить интенсивную вентиляцию чердака.



Постоянный легкий обдув зеркала настолько важен, что для 8-метрового рефлектора
Джемини-Север на вершине Мауна Кеа построили купол со сдвижными панелями.
Фото Peter Michaud / Gemini Observatory.

В приземном слое воздуха сильны возмущения, так что лучше бы поднять площадку повыше, если найдется такая возможность. Телескоп наверняка покажет планеты и звезды более резко, когда вы приблизитесь к ним на пару-другую метров.

Выше в небе

Теперь перейдем к основной неизбежной проблеме. Увы, нельзя ничего поделать с нависающими над головой километрами воздуха. Но можно предсказать, когда и где он окажется более спокойным. Наблюдатели различают два вида нарушения изображения: дрожание и размывание. Медленные возмущения приводят к дрожанию и смещению изображения звезды, а при быстрых возмущениях множественные изображения сливаются в сплошное трепещущее размытое пятно. Дрожание не препятствует изучению тонких подвижных деталей, поскольку глаз прекрасно приспособлен для наблюдения медленно движущихся объектов. Когда же времени не достаточно для реакции глаза, то изображение размывается.

Есть давний любительский способ оценки состояния атмосферы: невооруженным глазом по мерцанию звезд. Он часто помогает. Турбулентность, вызывающая мерцание, порождается в приземных слоях воздуха, где она сильно ухудшает видимость. Но проверка не срабатывает по спокойным, стоящим высоко звездам. Если звезда дрожит быстрее, чем может воспринять глаз (предел временного разрешения которого – около 0,1 с), то невооруженному глазу она будет казаться неподвижной, даже если в телескоп обнаружится расплывчатое пятно.



Удерживая у окуляра 16-дюймового телескопа Meade LX200
цифровую камеру Nikon Coolpix 990, Деннис де Чикко получил
видеоклип, показывающий, как при плохих условиях смазываются
тонкие детали и колышется все изображение. Фото S&T - Деннис де Чикко.

Астрономы часто говорят о ячейках неоднородности – турбулентных воздушных линзах размером от миллиметров до метров, роящихся в небе. Эти вихри порождаются трением  движущихся воздушных масс – горизонтальным ветром, вертикальной конвекцией или и тем, и другим сразу. Когда при наблюдении протяженных объектов – Луны и планет – свет попадает в фокус сквозь горизонтальный слой сдвиговой турбулентности, находящийся на высоте около километра, то возмущения становятся особенно заметными, если наблюдать слегка расфокусированное зафокальное изображение (выдвинув окуляр дальше от объектива). Это – указание на инверсионный слой, в котором массы теплого воздуха плывут поверх холодного. Действительная разница температур может быть весьма мала.

Крупные или медленно движущиеся турбулентные вихри, вызывающие дрожание изображения, постепенно распадаются. Независимо от размера или происхождения, они дробятся на все меньшие и меньшие, пока наконец не достигнут размера порядка миллиметров и полностью диссипируют вследствие вязкого трения.

Эта сложная картина противоречит распространенному среди любителей мнению, что характерный масштаб ячеек неоднородности составляет около 10 см (4 дюймов). Фактически имеет место широкий спектр размеров. Но ячейки указанного среднего размера обладают важной особенностью: они  влияют на изображение крупных телескопов более ощутимо, чем малых. Когда на луче зрения 4-дюймового телескопа оказывается ячейка размером 4 дюйма и более, то изображение смещается целиком, оставаясь сравнительно резким. Эта же ячейка у 12-дюймового телескопа приведет к появлению множественных изображений, складывающихся в беспорядочное пятно.

Данный факт породил один из живучих мифов о телескопах: будто бы при сильном волнении атмосферы крупные телескопы показывают меньше деталей, чем малые. Отсюда делается вывод, что изображение можно улучшить, ограничив апертуру телескопа с помощью картонной диафрагмы.



Падающий плоский световой фронт многократно искажается атмосферой.
Когда он достигает телескопа, то наклон фронта приводит к смещению
изображения звезды, а «волнистость» - к размыванию изображения. В целом
малые телескопы создают сравнительно резкие дрожащие изображения,
тогда как в крупных телескопах картина более спокойная, но нерезкая.
Иллюстрация S&T.

В этом есть доля правды, но на практике улучшение оказывается настолько незначительным, что почти отсутствует. Мне никогда не удалось справиться с волнением атмосферы путем диафрагмирования телескопа. Самое большее, чего удалось добиться – это одинаково плохих изображений у полноапертурного и диафрагмированного телескопа в отвратительную ночь. Даже в таких условиях ограничение апертуры лишает шанса разглядеть тонкие детали в редкие моменты успокоения атмосферы.

Имеются другие причины, по которым диафрагмирование действительно может помочь наблюдениям, но они никак не связаны с атмосферой. Возможно, глаз слепит слишком яркое изображение планеты, а в этом случае окулярный фильтр решает проблему гораздо лучше диафрагмы. Быть может, диафрагма маскирует зональные ошибки низкокачественного объектива. Не исключено, что применяемый окуляр лучше работает при уменьшенном относительном отверстии. Разъюстировки элементов оптической схемы также менее заметны, когда относительное отверстие становится меньше.

В рефлекторах или «шмидтах-кассегренах» маска с небольшим внеосевым отверстием позволила бы избавиться от центрального экранирования. Неэкранированный телескоп, как показывают расчеты, немного менее чувствителен к возмущениям атмосферы, чем экранированный. Но в данном случае, увы, произойдет громадная потеря апертуры.

Астроклимат

Погода влияет на качество изображения, но здесь нет простых правил, пригодных где угодно. Худшая видимость обычно связана с изменениями погоды, с переменной облачностью, с порывами ветра и с резким похолоданием. Не порадуют и любые капризы погоды, связанные с перемещением воздушных масс. Многие наблюдатели отмечают, что ясные ночи с высокой прозрачностью наступают, когда в течение нескольких дней в области антициклона небо остается безоблачным. Если регулярно контролировать погоду и состояние атмосферы на своей наблюдательной площадке, то могут обнаружиться полезные для планирования наблюдений закономерности.

Сезонные изменения более предсказуемы. В холодное время года на севере США и юге Канады условия наблюдений посредственные, поскольку высотное струйное течениесравнительно узкий (200-600 км) быстрый поток воздуха в верхней тропосфере, толщиной от 2 до 5 км и длиной до 5 тыс. км, достигающий на высоте ок. 9 км скорости 250-500 км/ч – прим. перев. достигает этих широт. Очень хорошая видимость часто наступает тихими сырыми летними ночами, когда воздух насыщен парами воды и небо из-за дымки кажется весьма малообещающим. Некоторые любители заявляют, что промышленный смог успокаивает небо столь же эффективно, как летняя влажность – хотя, пожалуй, наличие смога скорей свидетельствует о неподвижности воздушных масс, сулящей удачные наблюдения.



Слева: на этой типичной карте погоды безоблачное небо лежит к востоку от центра циклона (области пониженного давления отмечены красной буквой L),
а холодный фронт уходит с северо-восточных штатов. Справа: положение высотного струйного течения всегда сказывается на качестве наблюдений.
Когда область высокого давления (помеченная синей буквой H) отжимает течение к северу, то наблюдатели на юге могут наслаждаться тихими небесами.
В самой же зоне течения атмосфера весьма неспокойна. Todd Gross

Час ночи также имеет значение, хоть и здесь мало правил на все случаи. Сразу после заката видимость может оказаться превосходной, поэтому планеты стоит наблюдать, как только они появятся в сумерках. С приходом ночи изображение нередко портится. Одни любители отмечают, что после полуночи условия улучшаются, а другие – что не всегда. Это главным образом зависит от особенностей рельефа: если наблюдатель находится в долине, куда стекает холодный воздух, то качество изображения ночью будет ухудшаться, а лучшее время может наступить перед рассветом.

Солнце предпочтительней наблюдать раним утром,  пока оно не успело не прогреть землю (применяйте только астрономический солнечный фильтр!). К вечеру же видимость окажется наихудшей за все сутки.

Географическое положение играет решающую роль. Места с плавными ламинарными воздушными потоками идеальны для обсерваторий. Лучшие наблюдательные площадки планеты находятся у вершин гор со стороны преобладающих ветров и на тысячи километров окружены плоским холодным океаном. Расположение с подветренной стороны нежелательно: поток воздуха интенсивно турбулизируется, огибая вершину. Любителям тоже нежелательно наблюдать с подветренной стороны объектов, по-разному накапливающих за день тепло. Плоская унылая равнина или некрутой наветренный склон холма могут сохранить поток ламинарным почти столь же успешно, как океан. Постепенно выяснится, ветерок какого направления наиболее благоприятен для наблюдений с вашей площадки.

Высота объекта

При наблюдениях ярких объектов (Луны и планет) легко выручает цветной фильтр. Разные цвета мерцают в неодинаковых фазах (вот почему яркие звезды переливаются цветом), что способствует общему размыванию телескопического изображения. Голубые лучи изображения планеты могут в один момент совпадать с желтыми, а в другой – разделяться. Если выделить, например, только желтый цвет, то детали на планете станут гораздо более заметными – во всяком случае, при наблюдениях в малые телескопы.



Изображение небесного объекта размывается тем сильней,
чем ниже он стоит. Атмосферная дисперсия растягивает
изображение звезды в крохотный яркий спектр. Вблизи
горизонта дисперсия портит изображение даже больше,
чем турбулентность. Иллюстрация S&T; источник - Андре Янг.

Цветной фильтр особенно полезен при наблюдениях объектов, стоящих ниже 45° над горизонтом. На низкой угловой высоте качество изображения всегда хуже, поскольку на луче зрения оказывается более толстый слой воздуха. Вдобавок сильней сказывается атмосферная дисперсия. Она растягивает изображения небесных объектов в короткие спектры, сверху - синие и снизу – красные. Даже на высоте 60° фиолетовые лучи изображения отклоняются от темно-красных на 0,9 угловой секунды. На высоте 45° эта разница составляет 1.5",  на высоте 30° - уже 2.5", а на 15° - целых 5". Глаз мало чувствителен к свету на самых краях видимого спектра, поэтому в действительности дисперсия не так заметна. Тем не менее, фильтр выделяет один цвет из каши хроматических аберраций и делает изображение более резким. Летом 1994 г. желто-оранжевый фильтр оказал мне неоценимую помощь при наблюдениях темных пятен на Юпитере, вызванных падением обломков кометы Шумейкера-Леви (планета тогда поднималась весьма низко над горизонтом).

Но все же, борьба с атмосферой – это терпение и еще раз терпение. Старательно наблюдайте, и нерегулярные моменты хорошей видимости преподнесут приятные сюрпризы. Одна из причин, по которым опытный наблюдатель способен разглядеть намного больше деталей, чем начинающий, заключается просто в том, что он наблюдает дольше, невзирая ни на что и выжидая удачные моменты. Более того, качество изображения может радикально изменяться не только от минуты к минуте, но и от секунды к секунде. Когда наступит минута превосходной видимости, то именно настойчивый наблюдатель окажется у окуляра и будет вознагражден.

Алан МакРоберт – редактор журнала  "Sky & Telescope" и увлеченный любитель астрономии.

©2003 Sky Publishing Corp
Beating the Seeing
By Alan M. MacRobert
Перевод Михаила Ощепкова
oschepkov@mtu-net.ru
для сайта «Астрономия и телескопостроение»
Публикуется с разрешения редакции "Sky & Telescope"



Приложение
Шкала Пикеринга

Анимированные иллюстрации к десятибалльной шкале качества изображения получены Дамианом Пичем с помощью программы Aberrator и снабжены комментариями Вильяма Пикеринга (1858-1938), разработавшего шкалу при наблюдениях в 5-дюймовый рефрактор.

1 - совсем плохоРазмер изображения достигает двух диаметров третьего дифракционного кольца и составляет около 13”.
2 - очень плохоРазмер иногда достигает удвоенного диаметра третьего дифракционного кольца.
3 – между плохо и очень плохоИзображение звезды почти достигает диаметра третьего дифракционного кольца (6,7”) и ярче в центре.
4 - плохоДиск Эри часто виден. Иногда видны дуги колец.
5 -посредственноДиск Эри виден всегда. Часто видны дуги.
6 – между посредственно и хорошоДиск Эри виден всегда. Постоянно видны короткие участки дуг.
7 - хорошоДиск иногда резко очерчен. Дифракционные кольца видны как длинные дуги или замкнутые круги.
8 – между хорошо и отличноДиск всегда резко очерчен. Кольца видны как длинные дуги или замкнутые круги, всегда движущиеся.
9 - отличноВнутреннее дифракционное кольцо неподвижно. Иногда видны целиком внешние кольца.
10 - превосходноИдеальная неподвижная дифракционная картина.

The Pickering Seeing Scale
Animations produced
by Damian Peach



Обсуждение материала

Материал еще не обсуждался.
Вы можете создать первую тему обсуждения
Создать новую тему

Астрономия и телескопостроение - Copyright © 1999-2006 Коллектив авторов