Автореферат (1149450), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Также представлено теоретическое и техническое обоснование организациимеридиональной цепочки измерений на базе новых инфракрасных спектрографов.Комплекс оптических приборов, данные измерений которых использованы внастоящей работе, установлены на оптическом полигоне Маймага ИКФИА СО РАН(63.04°N, 129.51°E), расположенного в 130 км севернее г. Якутска, вдали от крупныхнаселенных пунктов для исключения техногенного загрязнения и световых помех.Основным преимуществом данной географической точки является возможностьпроведения продолжительного непрерывного наблюдения (до 14 часов) в зимнее время,благодаря относительно высокоширотному расположению полигона.
С другой стороны,из-за относительно невысокой геомагнитной широты (L~58˚ на эпоху 2015 г.) вероятностьпоявления полярных сияний, оказывающих помеху при обработке данных, относительноневысока, только при сильных геомагнитных бурях сияния доходят до зенита. Следуетотметить, что немаловажным фактором является большое число ясных ночей,обусловленным резко-континентальным климатом Якутии.Представляемый оптический комплекс, используемый в данной работе, состоит из:камеры всего неба (угол зрения 180˚) с регистратором на ПЗС матрице для исследованияпространственных неоднородностей свечения ночного неба по излучению гидроксила;инфракрасного спектрографа, созданного на базе светосильного спектрографа СП-50 сустановкой цифрового регистратора на ПЗС матрице и предназначенного для измерениявращательной температуры молекул гидроксила и кислорода в ближней инфракраснойобласти; новый инфракрасный цифровой спектрограф на базе монохроматора Shamrock срегистратором на фотодиодной линейке ANDOR.
Такой же спектрограф установлен наПолярной геофизической обсерватории (ПГО) Тикси (71.35°N, 128.46°E).Камера всего неба. В Институте космофизических исследований и аэрономии им.Ю.Г. Шафера СО РАН изготовлена и внедрена в практику регулярных наблюдений (с1998г.) цифровая камера всего неба, способная регистрировать пространственнуюнеоднородность в эмиссиях свечения ночного неба. Прибор создан на базеширокоугольного объектива "рыбий глаз" (Nikkor Япония, 8 мм f/2.8), угол зрениякоторого равен 180°.
Для выделения волновых структур ночного неба в ближней6 инфракрасной области спектра (более 660 нм) используется широкополосный стеклянныйфильтр КС17. Длинноволновая часть спектра ограничивалась падением чувствительностиприемника света до нуля около длины волны 1000 нм. В области спектра 660-1000 нмизлучаются полосы молекулы гидроксила, эмиссии континуума и эмиссии полосымолекулярного кислорода О2(0-1) [1,2,3]. По оценкам [1], вклад интенсивностимолекулярных полос гидроксила в данной области спектра составляет ~70% от общегорегистрируемого сигнала.
В качестве регистратора служит ПЗС-камера ST-6,производства Santa Barbara Instrument Group. Камера состоит из ПЗС-матрицы,термоэлектронной системы охлаждения и 16-ти разрядного АЦП (аналогово-цифровойпреобразователя) с выходом на компьютер. Камера установлена на режим 375х242пикселей. Съемки проводились со средним пространственным разрешением, размеродного пикселя при этом равнялся 23х27 мкм, что соответствует горизонтальномуразрешению в зените ~1.5 км на высоте 90 км. Съемки с экспозицией 150 секундпроводились каждые 3 мин, ПЗС – камера охлаждалась до -30°С.Инфракрасный цифровой спектрограф (ИЦС) создан на базе светосильногодифракционного инфракрасного спектрографа СП-50 [4] в качестве регистратора служитцифровая ПЗС-камера ST-6 [5].
ИЦС регистрирует одновременно Р-ветви полосы ОН(6,2)(высота излучения ~87 км) и О2(0–1) молекулы кислорода (высота излучения ~94 км).Угол зрения спектрографа равен ~9°. Прибор направлен на запад под зенитным углом 49°(поле зрения на высоте 87 км имеет размер 32 × 13.7 км). Аппаратная функция имеетгауссовский вид, и полуширина его составляет ~0.8 нм. Отношение сигнал/шум ~250.Съемки проводились с временным разрешением в 10 мин. В среднем производятся 70-80измерений в течение ночи.Регистрация спектров проводилась, как уже сказано выше, с помощью приемникаST-6, использующего ПЗС-матрицу, позволяющую регистрировать излучение в видимой иближней инфракрасной областях спектра.
Охлаждение камеры установлена на –50°С. Дляпроведения наблюдений был выбран режим низкого разрешения: 250х121 пиксель. Размеродного пикселя составляет 23х27 мкм. Квантовый выход матрицы 20%, шум считывания30е–1, геометрический размер – 6.5х8.6 мм, термоэлектронный шум 30е–1·с–1·пиксель–1 при-30°С (при дальнейшем охлаждении на каждые 8°С, шум уменьшается в среднем в двараза).
Данный режим, при достаточном пространственном разрешении спектральныхлиний, имеет ряд преимуществ: шесть ячеек связываются в одну ячейку (бин) исуммирование зарядов увеличивает отношение сигнал/шум, уменьшается времясчитывания. Изображения спектров полос ОН(6,2) и О2(0-1) обрабатывались с помощьюстандартного программного приложения CCDOPS ПЗС-камеры ST-6. Приложениепозволяет управлять методом и временем накопления сигнала, а также процессомохлаждения приемника. Также при его помощи автоматизирован сеанс проведениянаблюдения. Например, программа производит запись изображения спектра для каждойэкспозиции на жесткий диск и прекращает цикл наблюдений после достижения моментаих окончания.Спектрограф Shamrock. С 2013 года на оптической станции Маймага установлен напостоянную регистрацию полос гидроксила ОН(3,1) в далекой инфракрасной области(около 1,5 мкм) автоматический инфракрасный спектрограф - Shamrock.
Прибор состоитиз монохроматора Shamrock SR-303i, оснащенного высокочувствительным инфракраснымiDus InGaAs фотодиодным детектором (регистратором) DU490A-1.7 производства фирмыANDOR. Рабочий диапазон длин волн 16-ти разрядной цифровой камеры DU490A-1.7лежит в пределах от 900 нм до 1650 нм. При использовании специальной жидкости,7 можно достичь охлаждения до –90°С, при этом пик квантовой эффективности (QE)достигает >85%. Минимальное время экспозиции начинается с 1.4 миллисекунд.Стандартный шум считывания 580е–1. Уровень темнового шума при максимальномохлаждении составляет 10.1 ке–1·с–1·пиксель–1. Чувствительность ~90 е–1/имп.
Еще однимпреимуществом данного прибора является узкое поле зрения (угол зрения ~3º).Разрешение спектрографа при ширине входной щели 0.2 мм равно 0.8 нм. Времяэкспозиции для получения одного измерения спектра гидроксила в указанной полосеустановлено на 60 секунд, чего вполне достаточно для уверенной регистрации линий. Приданной конфигурации спектрограф дает возможность измерять температуру мезопаузы сточностью 1 К. Охлаждение при этом выставлено на –50°С. Выбранный рабочий диапазонв далекой инфракрасной области имеет ряд преимуществ, облегчающих ведениенаблюдений излучения полос гидроксила, так как здесь интенсивность полос гидроксиласущественно увеличивается и область свободна от эмиссий полярных сияний.
Также, вэтой области интенсивность паразитного солнечного излучения уменьшается 1/λ4 раз, чтоудлиняет длину ряда ночных наблюдений. Разработанное автором программноеобеспечение позволяет спектрографу работать полностью в автоматическом режиме.Например, при угле погружения Солнца >9º прибор автоматически начинаетрегистрировать ночное небо, а с началом рассвета останавливает свою работу. Такжеорганизовано удаленное управление компьютером прибора для его настройки икорректировки программ посредством интернета.В 2015г. аналогичный инфракрасный спектрограф установлен на полигоне ПГОТикси. Дополнительно налажена работа подпрограммы, которая каждое утро передаетотснятые за ночь данные по интернету на сервер института.
Прибор прошел все тестовыеиспытания и включен в режим постоянного наблюдения [6].Для удобства обработки и анализа, данные были упорядочены и укомплектованы вединую базу данных с ежедневным автоматическим пополнением данных на сервере,который находится в ИКФИА СО РАН.В третьей главе представлены результаты статистических исследованийпространственно-временных характеристик и параметров внутренних гравитационныхволн (ВГВ), таких как длина волны, период, фазовая скорость и направлениераспространения по снимкам камеры всего неба излучения гидроксила в областимезопаузы.В первом разделе описана методика обработки и анализа данных камеры всегонеба. Наблюдения проводились в безлунные периоды, в ясные ночи, при угле погруженияСолнца больше 9.
Для исследования волновых процессов были использованы данные,полученные с декабря по март 1998-2009 гг.Дляпоискаволновыхструктуриспользовалсяметодвременногодифференцирования (time differencing (TD)). Впервые этот метод был предложен в работе[1] с целью четкого выделения пространственно-временных изменений в интенсивностиизлучения. Суть его заключается в построении картины разности двух последующихкадров. При этом стационарные объекты – звезды, континуум ночного неба,вычитываются, и остается только подвижные неоднородности ночного неба междувыбранными кадрами.
Для гравитационных волн с периодами больше, чем частотасъемки, TD-картина усиливает контраст в областях, где волны движутся, усиливаются илиослабляются. Метод TD для хорошо выделенных монохроматических волн приводит кпочти двукратному усилению интенсивности, так как измеряемый сигнал является8 разностью волновых максимумов, которые последовательно переместились впространстве на место занятое ранее волновым минимумом (рисунок 1). Для обработкииспользовалась центральная часть кадра, соответствующая зенитным углам <45º, прикоторых изображение небосвода имеет наименьшее искажение [3]. Рисунок 1.
Пример кадра камеры всего неба и полученной с негоТD-картины волновой структуры.Суммарное время съемки кадров всего неба, пригодных для определенияпараметров волн, составляло 612 часов. Волна считалась зарегистрированной в случаечеткой картины волны в течение 4 последовательных TD кадров, позволяющих оценить еёскорость и направление распространения. Из 154 ночей наблюдения было выявлено 225случая волновых возмущений, определенных как внутренние гравитационные волны.Во втором разделе представлены распределения параметров внутреннихгравитационных волн. На рисунке 2 представлена гистограмма распределения по длинамволн. Горизонтальные длины волн, зарегистрированные за весь период наблюдения,варьируют от 12 до 110 км.
Видно, что наибольшее количество волн приходится на длинуволны от 25 до 30 км. Среднее значение длин волн составляет порядка 33 км.Наблюдаемые горизонтальные фазовые скорости изменяются от 15 до 140 м/с. Из рисунка3 видно, что основная масса волн имеет скорость от 20 до 80 м/с. Среднее значение равно~ 56 м/с. Оцененные периоды находятся в пределах 6–30 мин, среднее значение которыхпримерно 12 мин (рисунок 4).5070ЧИСЛО СЛУЧАЕВЧИСЛО СЛУЧАЕВ60504030201003020100010203040506070ДЛИНА ВОЛНЫ (КМ)8090 100 1100102030405060708090 100 110ФАЗОВАЯ СКОРОСТЬ (М/С)Рисунок 2. Распределение зарегистрированныхВГВ по длинам волн. Рисунок 3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
