 |
Распределение яркости по вертикалу Солнца
|
|
|
|
Реферат
ТЕМА:
РАБОТЫ ПО АТМОСФЕРНОЙ ОПТИКЕ ВО ВРЕМЯ ПОЛНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЗАТМЕНИЙ
План
Введение
1 Изучение распределения яркости по небу
2 Распределение яркости по вертикалу Солнца
3 Наблюдения яркости заревого кольца
4 Наблюдения околосолнечного ореола
5 Наблюдения бегущих теней
Введение
Полное солнечное затмение представляет значительный интерес не только для решения астрономических задач, но и для решения некоторых задач атмосферной оптики. Дело в том, что во время полного затмения наблюдатель попадает в совершенно особые условия, когда освещённость небесного свода создаётся не рассеянием прямых лучей Солнца, а в основном — многократным рассеянием света, приходящего извне конуса лунной тени, от тех слоев воздуха, которые, находясь на значительном расстоянии от наблюдателя, освещаются лучами частично затмившегося Солнца. Получается такая картина (рис. 1).
|
Наблюдатель, находящийся в точке С внутри конуса лунной тени, получает свет от слоев воздуха АА1, которые, в свою очередь, получают его от слоев ВВ1, освещаемых Солнцем. Нетрудно заметить, что и часть слоев ВВ1, расположенная выше горизонта наблюдателя С1СС2, будет посылать свет в сторону наблюдателя, что создаст яркое кольцо у горизонта (так называемое заревое кольцо). Понятно, что чем шире конус лунной тени, тем более высокие слои атмосферы будут создавать явление заревого кольца. А так как рассеивающая способность воздуха убывает с высотой, яркость заревого кольца будет также убывать с увеличением расстояния его от наблюдателя. Так как во время затмения лунная тень быстро скользит по земной поверхности, расстояние от наблюдателя до любой точки заревого кольца меняется, и поэтому наблюдения заревого кольца могут дать некоторые сведения о рассеивающей способности воздуха на различной высоте.
|
|
|
Наблюдения яркости неба во время затмения, помимо самостоятельного интереса, дают возможность ввести необходимые поправки в фотометрические наблюдения короны. Поэтому эти наблюдения должны непременно сопровождать фотографирование короны с фотометрической целью.
Можно порекомендовать следующие частные задачи из области атмосферной оптики:
Изучение распределения яркости по небу
Как показали фотометрические наблюдения во время солнечных затмений 1936, 1941, 1945 и 1952 гг., распределение яркости по небу за время полной фазы значительно изменяется, отражая перемещение лунной тени относительно наблюдателя. Для примера приводим рис. 2 и 3, на которых изображены изофоты (линии равной яркости) неба в начале и в конце полного затмения 19 июня 1936 г. по данным экспедиции Московского отделения ВАГО. Лунная тень перемещалась тогда с юго-запада на северо-восток.
Эти наблюдения были получены с помощью трубчатых фотометров В. Г. Фесенкова, которые являются наиболее подходящими приборами для фотометрии неба во время затмения.
Фотометр Фесенкова имеет следующее устройство (рис. 4, А). В деревянной коробке монтируются 25 трубок, расположенных так, что одна из них направлена вертикально, 8 — под углом к вертикали в 30° (через 45° по азимуту), 8 — под углом 45° и 8 — под углом 60°.
Рис. 2
У всех трубок диаметры внешних отверстий равны 1 см и длина 12 см. Внутри трубки имеют дополнительные диафрагмы для устранения рассеяния света от стенок. Внизу прикрепляется тонкая металлическая пластинка с 25 отверстиями диаметром в 1 мм, которыми и заканчиваются трубки. К этой пластинке должна плотно прилегать кассета с находящейся в ней фотопластинкой размером 9х12 см. Передвигая кассету, можно получить на одной пластинке 3—4 экспозиции за время полной фазы. Для этого внизу фотометра прикрепляются салазки в виде длинных уголков, по которым движется фанерный подкассетник с вложенной в него кассетой, заряженной фотопластинкой. Внутренние поверхности трубок, а также металлическая пластинка и подкассетник должны быть выкрашены чёрной матовой краской.
|
|
|
Рис. 3
Рассеянный свет от областей неба, на которые направлены трубки, проходит сквозь трубки фотометра и падает на фотопластинку, создавая отпечатки в виде 25 маленьких кружков различной плотности (при каждой экспозиции).
С помощью фотометра Фесенкова можно производить наблюдения как во время частного, так и во время полного затмения. Конечно, экспозиции должны быть подобраны заранее: для частного затмения — по дневному небу, а для полного затмения — по сумеречному небу. Экспозиция во время полного затмения должна быть по 
рядка 5 сек. Фотометр укрепляется на столбе высотой 1,5—2 м, на открытом месте. Экспонирование можно производить путём снятия и набрасывания большой крышки, закрывающей сразу весь прибор, однако такой способ создаёт неодновременность и неравенство экспозиций для разных трубок фотометра.
От этого недостатка свободен усовершенствованный фотометр Фесенкова (рис. 4, Б), который состоит из полой металлической полусферы, точнее, сферического сегмента а, укреплённого на металлическом кольце b, которое установлено на эбонитовый круг с. Трубки d расположены между сферическим сегментом а и эбонитовым кругом с (что обеспечивает прочность прибора и предохраняет от случайных поломок).
Рис. 4
Расчёт показывает, что при выбранных размерах фотометра радиус кривизны сегмента должен быть равным 250 мм, чтобы с большой степенью точности удовлетворить условию равной длины всех трубок. Металлическое кольцо b имеет наружный диаметр 365 мм и толщину 5—8 мм, эбонитовый круг с — соответственно 365 мм и 20 мм.
В эбонитовом круге просверливаются сквозные двухступенчатые каналы, оси которых отклонены от вертикали под углами 30°, 45° и 60°; каналы расположены симметрично через 45° по азимуту относительно центрального вертикального канала. Ступени каналов имеют диаметры 12 мм (большая ступень) и 5 мм (меньшая ступень).
|
|
|
Для получения узких световых пучков в эбонитовом круге протачивается круглая выточка глубиною в 1 мм, в которую вкладывается плоский металлический круг е той же толщины с калиброванными отверстиями диаметром в 1 мм.
Трубки d изготовляются из латуни и каждая из них имеет внутренний диаметр 10 мм, наружный—12 мм и длину 105 мм.
В трубки вставляется по три диафрагмы на равных расстояниях от их верхнего конца; диаметры диафрагм — 8, 6 и 4 мм соответственно.
Нижними концами трубки вставляются в двухступенчатые каналы эбонитового круга с. Противоположные концы трубок вставляются в двухступенчатые отверстия сферического сегмента а, просверленные в нём под теми же углами, что и каналы в эбонитовом круге.
Диаметры ступеней этих отверстий должны равняться 12 мм (внутренняя ступень) и 10 мм (внешняя ступень), чтобы обеспечить трубкам надёжный упор в сегмент.
К эбонитовому кругу привертываются салазки, по которым движется фанерный подкассетник, имеющий несколько большие размеры, чем в первой конструкции. Затвором служит сферический сегмент f, в котором просверливается 25 отверстий диаметром 12 мм, расположенных подобно отверстиям сферического сегмента а. Затвор / передвигается в небольших пределах по сегменту а. При одном крайнем положении затвора его отверстия совпадают с отверстиями сегмента а, при другом крайнем положении затвор перекрывает отверстия сегмента. Ручка, прикреплённая к затвору, позволяет быстро и резко его поворачивать, обеспечивая одинаковые экспозиции для всех трубок фотометра.
Все внутренние детали фотометра: отверстия затвора, отверстия сферического сегмента, внутренние полости трубок, диафрагмы, каналы эбонитового круга, плоский металлический круг и его отверстия и подкассетник необходимо покрыть чёрной матовой спиртовой краской.
Этот вид фотометра также рассчитан на фотопластинку размером 9 X 12 см.
Чтобы получить три засветки на одной пластинке, нужно после каждой экспозиции передвинуть подкассетник на 5 мм, при четырёх засветках перемещение должно быть на 3 мм. Контроль перемещения осуществляется по шкале, наклеенной на ручку подкассетника. Но так как на каждой пластинке можно провести только три-четыре экспозиции, необходимо к подкассетнику фотометра подобрать 4—5 кассет, которыми в случае необходимости перезаряжать фотометр в процессе его работы во время затмения.
|
|
|
Во время полной фазы с таким фотометром можно получить 8—12 экспозиций (при одной или двух сменах кассет соответственно). Во время частного затмения можно производить экспонирование каждые 10 минут, а ближе к полной фазе — через 5, 2 и 1 минуту (так же, как и фотометрию частных фаз).
По одной экспозиции желательно сделать за 30 сек. до II контакта и через 30 сек. после III контакта, так как особенно интересно уловить «набегание» и «убегание» лунной тени. Для этого один ряд трубок должен быть ориентирован по азимуту движения лунной тени. Этот азимут равен углу между меридианом места наблюдения и центральной линией полосы полного затмения на карте.
Ориентировку фотометра необходимо проверить за день до затмения, отметив на нём направление тени от вертикального стержня, освещенного Солнцем, в полдень или в какой-либо другой момент, который надо записать в журнал.
Если есть возможность использовать не один, а несколько фотометров Фесенкова, то было бы весьма интересно провести одновременные наблюдения с различными светофильтрами (например, с жёлтым и синим). Это даст возможность получить представление о распределении не только яркости, но и цвета по небу во время полного затмения. Как показывают наблюдения, небо во время затмения становится более синим и даже фиолетовым, что объясняется особенностями многократного рассеяния света (лучше всего рассеиваются, как известно, синие и фиолетовые лучи, а при многократном рассеивании этот эффект усиливается).
В случае наблюдений со светофильтрами нужно также заранее подобрать экспозицию для каждого светофильтра и данного сорта пластинок (по сумеречному небу, когда уже видны звёзды до 1—2-й величины). Но, учитывая посинение неба во время затмения, экспозицию для жёлтого фильтра надо несколько увеличить, а для синего — уменьшить. Светофильтр (желатиновый) закладывается под нижнюю металлическую пластинку фотометра.
Если работа ведётся с несколькими фотометрами с различными светофильтрами, то можно вести фотометрию на фотопластинках разного сорта: с синим фильтром применять несенсибилизированные пластинки, а с жёлтым — панхроматические высокой чувствительности. Но чтобы иметь возможность более легко сравнивать результаты наблюдений между собою при их последующей обработке, лучше и в этом случае применять один сорт пластинок — изохроматические или панхроматические.
|
|
|
Вместо фотометров можно использовать для фотометрии неба и светосильные короткофокусные фотокамеры, а также современные цифровые фотокамеры.
При всех наблюдениях яркости неба во время затмения надо указывать положение на небе облаков, их тип и характер перемещения.
Распределение яркости по вертикалу Солнца
Если наблюдатель не имеет возможности охватить фотометрическими наблюдениями всё небо, можно рекомендовать произвести подробное изучение распределения яркости по вертикалу Солнца. Для этого нужно смонтировать на прочной установке несколько однотипных короткофокусных фотокамер, расположив их «веером» и притом так, чтобы поле зрения каждой камеры перекрывалось с двумя соседними. Этот «веер», установленный в вертикале Солнца, должен охватить 180°— от горизонта до горизонта. Наибольший интерес представляет ход яркости близ самого горизонта. Поэтому наблюдательный пункт должен быть устроен на открытом месте, по возможности — на возвышении, чтобы горизонт был открыт. Высота наблюдателя над уровнем моря и над уровнем окружающей местности должна быть известна.
Большой интерес представили бы подобные наблюдения с двумя агрегатами камер, с применением светофильтров, имеющих различные области пропускания. Камеры одного из агрегатов снабжаются светофильтрами, пропускающими лишь жёлтые лучи (светофильтры у камер одного агрегата должны быть совершенно одинаковыми!), а камеры другого агрегата — синими светофильтрами. Это даст картину изменения цвета неба вдоль вертикала Солнца.
Экспонирование на всех камерах должно производиться строго одновременно, поэтому для их обслуживания надо привлечь нескольких наблюдателей, которые по сигналу одного из них открывали и закрывали бы затворы камер. Чтобы произвести несколько экспозиций во время полной фазы, нужно научиться быстро, не мешая друг другу, производить смену кадров, в чём необходимо заранее потренироваться.
Если камер имеется немного (одна или две), то можно снимать лишь некоторые точки неба, представляющие наибольший интерес для решения указанных выше задач. Такими точками являются: полюс мира, угловое расстояние которого в течение всего затмения остаётся постоянным как от Солнца, так и от горизонта, и точка, симметричная Солнцу, т. е. расположенная в противоположном азимуте, но на той же высоте.
Наблюдения яркости неба вблизи небесного полюса надо вести в течение всего затмения. Здесь особенно удобным прибором является обычный трубчатый фотометр, так как он даёт более точные результаты, чем фотокамера, и не требует перезарядки во время работы (на одной пластинке можно получить до 30 экспозиций). Если есть несколько таких фотометров, то надо организовать наблюдения со светофильтрами, как было сказано выше.
После наблюдений во время затмения с этим же фотометром (или фотокамерами) должны быть произведены аналогичные наблюдения яркости неба у полюса в сумерки, начиная от захода Солнца и до появления звёзд 2—3-й величины. Это даст возможность сравнить яркость неба (а при наблюдениях со светофильтрами — и его цвет) во время затмения и во время сумерек.
Наблюдения точки, симметричной Солнцу, имеют значение для учёта рассеянного света неба при фотометрии короны, поэтому их следует производить лишь в сочетании с фотографированием короны.
Изучить распределение яркости по вертикалу Солнца можно и с помощью специального фотометра (рис. 5), который мы назовём «вертикальным» (конструкция М. М. Дагаева). В нём трубки (такие же, как и в фотометре Фесенкова) располагаются «веером» в одной плоскости и для удобства заключены в кольцевой полуцилиндр а. Внутренние концы трубок прилегают к отверстиям в цилиндре b, в котором движется цилиндрическая кассета с с плёнкой 13 х 18 см, свёрнутой в рулон слоем наружу. Перемещение кассеты с плёнкой осуществляется с помощью ручки d.
Наклон трубок к горизонту можно выбрать такой: 10, 30, 50, 70 и 90°. В этом случае в фотометре будет 9 трубок.
Фотометр укладывается горизонтально на деревянные подставки и укрепляется на доске, причём его установка выверяется по отвесу и уровню. Кольцевой полуцилиндр и оси трубок располагаются в одном вертикале. Необ ходимо, конечно, заранее рассчитать азимут Солнца для середины полной фазы затмения, и в этом вертикале установить фотометр. Поскольку полная фаза затмения весьма непродолжительна (2—3 минуты), то не имеет смысла поворачивать фотометр по азимуту за Солнцем, так как за время продолжительности полной фазы суточное смещение Солнца не превосходит 0°,5, что лежит в пределах диаметра площадки неба, охватываемой каждой трубкой. За время полной фазы с этим фотометром можно сделать 10—12 экспозиций (по 5 сек. каждая). Фотометрию в вертикале Солнца тоже весьма желательно провести с различными фильтрами, для чего нужно иметь несколько вертикальных фотометров. Экспозиции для каждого фильтра нужно подбирать отдельно, как рассказано выше. Зарядка этого фотометра производится в полной темноте, совершенно так же, как и зарядка заревого фотометра.
Рис. 5
|
|
|
