Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор теоретических и- экспериментальных работ по исследованию рассеяния света в атмосфере зешш и оптической нестабильности земной атмосферы по наблюдениям звезд
1.1. Обзор работ по рассеянию света в атмосфере земли 19
1.2. Обзор работ по оптической нестабильности земной атмосферы по наблюдениям звезд . 45
Глава 2. Исследование спектральной прозрачности атмосферы на ореольном фотометре и определение солнечной постоянной по данным наблюдений
2.1.Методика определения спектральной прозрачности атмосферы и описание фотоэлектрического фотометра Монгольского госуниверситета., 72
2.2.Результаты наблюдений на фотоэлектрическом фотометре 78
2.3. Определение солнечной постоянной по данным наблюдений в Улан-Баторе 93
2.4.Спектральная прозрачность атмосферы в Хубсугуле 95
Глава 3. Определение количества астрономического наблюдательного времени в некоторых пунктах Монголии
3.1.Методика определения количества ночного астроношческого наблюдательного времени. 103
3.2. Результатыт определения ночного наблюдательного времени в некоторых пунктах Монголии и сравнение их с данными других лучших пунктов . 106
Глава 4. Изучение спектрального состава прямой солнечной радиации в Улан-Баторе
4.1.Спектральные коэффициенты пропускания и редукционные множители светофильтров 118
4.2.Спектральный состав прямой солнечной радиации в Улан-Баторе 126
4.3. Оптическая толщина атмосферы в области спектра 510-640 нм по данным наблюдений в Улан-Баторе 135
Глава 5. Исследование дрожания изображений звезд по наблюдениям "следов" звезд на астрономической обсерватории АН МНР в Хурэлтоготе
5.1.Общее описание метода "следов" 142
5.2.Описание инструмента, с помощью которого производились наблюдения 145
5.3.Получение и измерение следов 148
Глава 6. Результаты наблюдший методом "следов" и сравнение их с теорией
6.1.Зависимость величины дрожания изображений звезд от зенитного расстояния 156
6.2.Значения дрожания изображений звезд в зените 161
6.3.Закон распределения амплитуд дрожания изображений звезд 169
6.4.Автокорреляционная функция дрожания изображений звезд 174
6.5.Зависимость дрожания изображений звезд от метеорологических условий 181
6.6.Частотный спектр дрожания изображений звезд. 191
Глава 7. Результаты определения качества изображений звезд и угла турбуленвди в некоторых пунктах на территории Монголии .
7.1.Метод оценки вида дифракционной картины 201
7.2.Результаты наблюдений:
7.3.Обобщенная гистограмма качества изображений звезд 241
7.4.Наблюдения атмосферного дрожания с помощью фотоэлктрического прибора 246
Глава 8. Изучение периодичности качества изображений звезд на астрономической обсерватории АН МНР в Хурэлтоготе
8.1. Методика обработки данных 253
8.2.Полученные, результаты 256
Глава 9. Вероятность ясного состояния неба в некоторых пунктах МНР
9.1.Методика определения вероятности ясного состояния неба 273
9.2.Результаты определения вероятности ясного состояния неба в некоторых пунктах МНР. 274
Глава 10. Естественная освещенность земной поверхности в Улан-Баторе
10.1.Естественная освещенность горизонтальной поверхности в Улан-Баторе 280
10.2.Естественная освещенность различно ориентированных вертикальных поверхностей в Улан-Баторе 292
10.3.Количество освещения в Улан-Баторе 318
10.4.Определение коэффициента светового климата, нормированных значений коэффициента естественной освещенности и времени использования естественного освещения 344
Заключение 351
Приложения
Литература
- Обзор работ по оптической нестабильности земной атмосферы по наблюдениям звезд
- Определение солнечной постоянной по данным наблюдений в Улан-Баторе
- Результатыт определения ночного наблюдательного времени в некоторых пунктах Монголии и сравнение их с данными других лучших пунктов
- Оптическая толщина атмосферы в области спектра 510-640 нм по данным наблюдений в Улан-Баторе
Введение к работе
Атмосферные неоднородности вызывают флуктуации амплитуды и фазы световых волн, которые в свою очередь приводят к рассеянию света и нестабильности звездных изображений.
В результате взаимодействия поля падающей электромагнитной волны с частицей среды происходит рассеяние света. Для проведения некоторых астрофизических и геофизических исследований требуется и определение коэффициентов и устойчивости прозрачности земной атмосферы. Знание спектральной прозрачности земной атмосферы позволяет видимость космических объектов через атмосферу снизу и видимость поверхности Земли сверху через разрывы в облаках, а также следить за аэрозольной и газовой загрязненностью всей толщи атмосферы. Для исследования радиационного и теплового режима и конденсационных процессов в атмосфере необходимы сведения о аэрозольной и газовой компонентах.
Согласно определению, данному Г.В.Розенбергом[195]"оптическая нестабильность земной атмосферы", т.е. состояние земной атмосферы, при котором возникают отклонения оптических характеристик от некоторых средних значении, оказывает существенное влияние на распространение световых волн и качество изображений звезд в телескопах.
При исследованиях небесных светил наблюдаются отклонения оптических характеристик от некоторых средних значений и помехи от атмосферной турбуленции, в результате чего меняется качество изибражений небесных светил и разрешающая способность телескопа.
Интерес к экспериментальным исследованиям по атмосферной оптике в Монголии обусловлен тем, что, во-первых, это необходидимо для изучения оптических свойств земной атмосферы; во-вторых, для решения практических задач, особенно в области строительства .медицины,биологии,сельско-хозяйственного производства и других отраслей народного хозяйства страны;в-третьих,при нахождении места для строительства астрономической обсерватории.
Несмотря на то, что вышло в свет многочисленное количество теоретических и экспериментальных работ, проблема исследования оптических свойств земной атмосферы, в частности, изучение рассеяния света в атмосфере Земли и явления мерцания и дрожания изображений звезд, некоторых характеристик турбулентности атмосферы остается актуальной.
До последнего двадцатилетия, у нас, в Монголии этот вопрос недостаточно изучался. Цель настоящей работы - исследование некоторых оптических характеристик в нескольких пунктах Монголии и выявление зависимости этих характеристик от метеорологических и географических условий. Такое исследование должно в конечном итоге привести к заполнению "белого пятна" на карте оптических характеристик и астроклиматической карте мира, которое охватывает огромную территорию Центральной Азии, в частности, Монголии.
По основным главам работы получены новые результаты, отсутствующие в литературе или же значительно дополняющие имеющиеся. Впервые определены средние значения коэффициентов прозрачности земной атмосферы в Улан-Баторе и Хубсугуле, которые можно рекомендовать для использования при различных расчетах ослабления солнечной радиации атмосферой в районе Улан-Батора и Хубсугула. Вычислено первым значение солнечной постоянной по данным параллельных измерений прямой солнечной радиации на , ореольном фотометре и актинометре, выполненных на Геофизической обсерватории Монгольского государственного Университета (МоГУ) в течение нескольких дней.
Разработанная автором новая методика для определения количества вероятного астрономического наблюдательного времени по вычисленному значению средней вероятности ясного неба и количеству возможного времени продолжительности солнечного сияния для данного пункта с использованием климатического справочника оказывается одной из точных и приемлемых методик для решения многих практических задач,
Автором создан фотоэлектрический фотометр, который оказался хорошим прибором для проведения исследования оптических свойств земной атмосферы.
Впервые найдены средние значения прямой солнечной радиации в различных областях спектра и среднемесячные и среднесезонные значения оптической толщины атмосферы в области спектра 510 нм 640 нм в Улан-Баторе. Построена гистограмма оптической толщины атмосферы Тд. Выявлена зависимость дрожания изображений звезд от зенит-ного расстояния по закону: b = 6 (secZy
Показано, что исследованные районы Монголии: Хурэлтогот, Даланзадгад, Мурэн, Ховд, Сайншанд и Барун-Урт по оценкам качества изображений дифракционной картины являются хорошими местами для проведения астрономических наблюдений.
Построена гистограмма качества изображения в координатах р,сх/а для Хурэлтогота.
Получены впервые в двух пунктах Монголии с помощью фотоэлектрического прибора ФЭП-I значения $}» - углового диаметра
кружка, в котором центр тяжести изображения звезды находится в течение 80fo времени.
Проведен корреляционный периодограмманализ материалов наблюдений качества изображений звезд (КИЗ) в пункте Хурэлтогот и обнаружены колебания &0с различными периодами.
Наши пункты в течение гада кроме лета, по вероятности ясного неба сравнимы с лучшими районами Советского Союза.
Улан-Батора (0.87«0.9). Тем самым мы определили пояс, в котором находится Улан-Батор. Впервые определены нормированные значения коэффициента естественной освещенности (КЕО) для зданий, располагаемых в центральном районе страны.
Разработана рекомендация по учету светового климата при проектировании естественного освещения в центральном районе МНР. Составлена глава ІУ (Естественное и искусственное освещение. Световой климат МНР) радела П "Строительные нормы и правила МНР".
Совокупность ряда полученных в настоящей работе результатов открывает новое научное астрогеофизическое направление, связанное с теорией рассеяния света в атмосфере Земли и опти- [ ческой нестабильности земной атмосферы. Полученные результаты значительно расширяют наши знания об оптических свойствах земной атмосферы и способствуют более глубокому физических процессов, происходящих в резкоконтинентальных условиях клиамта.
Результаты приведенных автором исследований успешно применяются для практических целей, как например для учета светового климата в проектировании естественного освещения, использования солнечной энергии в народном хозяйстве и могут быть применены при выборе места для установки приборов и телескопов для слежения за космическими объектами и ИСЗ в оптическом диапазоне, наиболее эффективного планирования полета разновидного воздушного транспорта и обеспечения их безопасности, оптимального времени клшлатолечения. Кроме того служит материалом для создания атомной электростанции, теплоснабжения столицы и укрепления обороноспособности страны.
Поскольку основные выводы работы получены в результате длительного и вдумчивого анализа большого количества наблюдательных материалов (30892 наблюдений качества изображений звезд по оценкам дифракционной картины в шести пунктах МНР, 203 серии наблюдений на двухлучевом приборе ДЛЇЇ ГАШІ на Астрономической обсерватории АН МНР в Хурэлтоготе, 247 наблюдений на фотоэлектрическом приборе ФЭП-I ГАИШ в двух пунктах МНР, 714 наблюдений дрожания звезд методом "следов" на Астроноглическои обсерватории АН МНР в Хурэлтоготе, 3697 наблюдений прямой солнечной радиации на актинометре, 343 дневных наблюдений солнечной и околосолнечной радиации с помощью ореольного фотометра в двух пунктах МНР, 10 случаев определения солнечной постоянной по данным параллельных наблюдении на актинометре и фотометре, 3436 случаев определения оптической толщины атмосферы, обработаны многолетние (10-26 летние) метеорологические данные и собственные наблюдения для определения вероятности ясного состояния неба, астрономического наблюдательного времени в нескольких пунктах МНР и естественной освещенности земной поверхности в Улан-Баторе), то они являются надежными, достоверными и обоснованными.
Исходными материалами для полученных в работе результатов являются данные, полученные при активном участии автора на ореольном фотометре, двухлучевом приборе ДЛП, фотоэлектрическом приборе ФЭП-I ГАИШ, Куде-рефракторе и Questar - телескопе Астрономической обсерватории АН МНР и актинометре, пиранометре и телескопе АЗТ-7 Геофизической обсерватории МоІУ.
В диссертации подведены итоги проведенных автором за последние 20 лет экспериментальных исследований оптических свойств земной атмосферы на территории МНР. Она состоит из введения, десяти глав, включающих 32 параграфа, заключения и приложений.
Введение содержит актуальность исследования оптических свойств земной атмосферы, цель реферируемой работы, научная новизна, краткое содержание диссертации, положения, которые выносятся на защиту и краткая климатическая характеристика Монгольской Народной Республики.
Первая глава посвящена обзору теоретических и экспериментальных работ по исследованию рассеяния света в атмосфере Земли и оптической нестабильности земной атмосферы. Рассматриваются различные теоретические положения. Особое внимание уделено фундаментальным теориям рассеяния света в атмосфере Земли и оптический нестабильности земной атмосферы, развитым трудами особенно советских ученых Л.И.Мандельштама, А.И.Обухова, В.И. Татарского, А.С.Монина, А.М.Яглома, Г.В.Розенберга, В.Е.Зуева, К.С.Шифрина, В.Г.Фесенкова, К.Я.Кондратьева, Е.В.Пясковской-Фесенковой, Г.Ф.Ситника, И.Г.Колчинского и других.
Более подробно рассмотрены основные экспериментальные методы исследования рассеяния света и оптической нестабильности земной атмосферы, как визуальный, фотографический, фотоэлектрический методы и некоторые автоматически действующие устройства при наблюдений и обработке экспериментальных данных.
Во второй главе кратко описываются методика определения спектральной прозрачности атмосферы, основанная на измерении солнечной и околосолнечной радиации (метод околосолнечных ореолов) и фотоэлектрический фотометр Монгольского госуниверситета, который был изготовлен для приведения исследования оптических свойств земной атмосферы.
Излагаются результаты наблюдений на фотоэлектрическом фотометре. Рассматриваются результаты определения солнечной постоянной по данным параллельных наблюдений прямой солнечной радиации на ореольном фотометре и актинометре, выполненных на геофизической обсерватории МоГУ в течение нескольких дней.
Представлены результаты наблюдений солнечной и околосолнечной радиации для устойчивых дней в северном районе озера Хубсугула за 1978-1980гг.
В третьей главе изложены методика определения количества астрономического наблюдательного времени и его основные результаты для наших пунктов.
В четвертой главе рассматриваются результаты изучения спектрального состава прямой солнечной радиации в Улан-Баторе.
Показаны изменения значений прямой солнечной радиации отдельных участков спектра в зависимости от высоты Солнца в фактических условиях прозрачности атмосферы. Определена оптическая толщина атмосферы в области спектра
В пятой главе изложена методика исследования оптической нестабильности земной атмосферы по наблюдениям следов на Астрономической обсерватории АН МНР (Хурэлтогот). Проводится общее описание метода "следов" и описание инструмента, с помощью которого проводились наблюдения и павильона, в котором установлен инструмент.
В шестой главе приведены результаты наблюдений методом "следов" и сравнение их с теорией. Анализ экспериментальных материалов показывает, что в Хурэлтоготе зависимость дрожания от зенитного расстояния подчиняется закону: 6-6 (s&c Zj , где параметры 6Г и р определены методом наименьших квадратов. Приводятся осредненные значения о в десятиградусных зенитных интервалах Ъ , которые сравнены с данными пункта Хурэлтогот. Показан, что для звезд с зенитным расстоянием 2 70° амплитуда дрожания изображений распределены по нормальному закону, а для звезд сХ 70 распределение амплитуд-не нормальное.
Представлены графики автокорреляционных функций, полученных нами в результате обработки следов.
Анализ наблюдательных данных, полученных нами на Астрономической обсерватории АН МНР и синоптических карт показал, что ухудшение качества изображений часто можно связать с синоптическим фронтом, находящимся вблизи наблюдательного пункта или над ним.
Проводилось экспериментальное изучение частотных спектров дрожания изображений звезд с помощью математического спектрального анализа в зависимости от зенитных интервалов, метеословии и сравнение их известными данными и проверка выводов существующей теории распространения света в атмосфере.
В седьмой представлены результаты определения качества изображений звезд и угла турбуленции в нескольких пунктах на территории Монголии. В отдельных таблицах и графиках приводятся значения утла турбуленции, полученные в наших шести пунктах по четырем азимутам. Учитывая среднее годовое количество ясных ночей в наших пунктах, вычислено ожидаемое число ночей с отличными и хорошими изображениями в вышеуказанных пунктах.
Полученные нами данные по углу турбуленции в разных пунктах дают возможность исследования зависимости величины угла турбуленции Ь от зенитного расстояния Z .
Представлена гистограмма качества изображения в координатах Р, /с Для Хурэлтогота, где Р-вероятность данного качества изображения,л -диаметр изображения, измеряемого двухлучевым прибором,л -средний диаметр изображения. Из результатов измерений атмосферного дрожания в пунктах Горхи и Хантайшир с помощью фотоэлектрического прибора ФЭП-1 следует, что степень турбулентности атмосферы в исследованных пунктах отнюдь не хуже, чем в значительно более близких к окео-ну районах. В восьмой главе изучается периодичность изменения качества изображений звезд на Астрономической обсерватории АН МНР«В- качестве рабочего метода использован корреляционный периодограм-манализ. Приведены результаты всей статистической обработки. В девятой главе излагаются методика и результаты определения вероятности ясного состояния неба в четырех пунктах МНР. Показан годовой ход вероятности ясного состояния неба на I и 13 ч. для наших пунктов. Результаты определения вероятности ясного состояния неба для наших пунктов использованы для расчета эффективности работы телескопа. В десятой главе обсуждаются результаты исследования естественной освещенности земной поверхности в Улан-баторе. Приведены полученные наші данные естественной освещенности горизонтальной поверхности, количества освещения в Улан-Баторе на каждый месяц. Показаны данные прямой, рассеянной и суммарной освещеннос-тей вертикальных поверхностей при ясном и пасмурном небе. Рассмотрены факторы, влияющие на величину рассеянной освещенности земной поверхности. Вычислен коэффициент светового климата для Улан-Батора и он оказался равным 0.87э0.9. По этому значению мы определили пояс, в котором находится Улан-Батор. Определялись нормированные значения КЕО для зданий, располагаемых в центральном районе МНР. Показаны кривые для определения времени использования естественного освещения для Улан-Батора, построенные на основании расчетов по кривым наружной рассеянной освещенности. В заключении сформулированы основные выводы работы. Материалы, на основе которых написана диссертация, опубликованы в работах[5,14, 18-39, 64,65,71,79,83,149,161,175,185-193, 203-211]. Защищаемые положения: I.Результаты экспериментальных исследований спектральной прозрачности земной атмосферы в двух пунктах МНР, 2.Методика определения солнечной постоянной по данным параллельных наблюдений на ореольном фотометре и актинометре. 3.Результаты определения ночного наблюдательного времени в некоторых пунктах Монголии 4.Методика и результаты определения вероятного астрономического наблюдательного времени в данном месяце. 5.Результаты изучения спектрального состава прямой солнечной радиации и оптической толщины атмосферы в области спектра 510-640 нм в Улан-Баторе 6.Результаты исследования дрожания изображений звезд по наблюдениям "следов" звезд на Астрономической обсерватории АН МНР в Хурэлтоготе. 7.Результаты экспериментальных изучений качества изображений звезд и угла турбуленции по оценке вида дифракционной картины в шести пунктах Монголии и методам двухлучевого и фотоэ лектртрического приборов в нескольких пунктах ШР. 8.Обнаружение наиболее вероятных периодов изменения КИЗ по наблюдениям на АО АН ШР в Хурэлтоготе, находящейся в своеобразных климатических условиях. 9.Результаты определения вероятности ясного состояния неба в некоторых пунктах Монголии. 10.Результаты исследования естественной освещенности земной поверхности в Улан-Баторе. В приложении I дается схематическая карта Монголии с указанием тех пунктов, в которых проводились наблюдения оптических свойств атмосферы. РЕСПУБЛИКИ. Климат Монголии определяется особенностями его географического расположения, строением рельефа и высотой над уровнем моря. Монгольская Народная Республика расположена в центре азиатского материка.. Природа страны разнообразна. На севере горные хребты и кряжи, покрытые лесными массивами, большие озера и бурные реки. На юге республики находится район Гоби, занимающий несколько менее 1/3 всей территории страны. При этом собственно пустыня составляет не более 1/3 Гоби, а остальная ее часть - это полупустыня с хорошим травостоем. Типичный для МНР рельеф - горностепной, характеризующийся обилием пологих склонов и холмов с прекрасными пастбищами[212]. Монголия - страна по преимуществу горная, самые низкие ее места находятся на 500 м, а средняя высота - 1580м над уровнем моря. Высшая точка рельефа - пик "Найрамдал" на Монгольском Алтае, поднимающийся на 4653м. Вследствие большой отдаленности от морей и океанов, барьера могущих гор (Гималаев, Саян, Хуйтэна, Алтая и др.), закрывающих доступ влажным ветрам, климат Монголии - резкоконтинентальный, отличающийся сухостью и резкими колебаниями температуры. Зимой над территорией Монголии устанавливается обширный азиатский аьітициклон, с которым связано господство солнечной холодной и сухой погоды с ночными морозами, доходящими в межгорных котловинах до 52°. Снега выпадает мало. Зимы суровые и устойчивые. При безоблачной и малоснежной погоде температура падает до-45°- 50°С. Средняя январская температура в северной части -34° , в Гоби - 19°. Летом развивается циклоническая циркуляция и выпадает 70 -80% годового количества осадков. Лето жаркое и короткое. Средняя июльская температура в северной части +15°, в Гоби +23°, [212]. Характерны резкие колебания между температурами дня и ночи. Разность между минимальными и максимальными температурами в течение суток доходит иногда до 20°- 25! Дальневосточные муссоны на климат страны практически не влияют. Вследствие су ровости и малоснежности зимы почва глубоко промерзает. В Монголии за год бывает более 200 ясных ночей и редко встречается, чтобы пасмурные ночи держались больше 7-8 дней подряд. Это обстоятельство очень для непрерьшных астрономических и геофизических исследований. Небо Монголии при отсутствии облаков тлеет голубовато-синий цвет, характеризующий хорошую прозрачность атмосферы. Недаром Монголия носит название "страна голубого неба"[281] . Нами были изучены некоторые климатические элементы пунктов наблюдений, относящиеся к астроклиматическим и геофизическим характеристикам и в значительной степени влияющие на успешность астрономических и геофизических наблюдений, по данным гидрометеослужбы МНР и собственным наблюдениям.
Обзор работ по оптической нестабильности земной атмосферы по наблюдениям звезд
Исследование оптической нестабильности земной атмосферы является одной из важнейших задач физики атмосферы, астрономии и радиофизики. Б полной мере это относится к изучению явления мерцания и дрожания изображений звезд, привлекающему большое внимание ученых.
На протяжении последних лет этой проблеме были посвящены ряд международных и национальных конференций, как международный симпозиум ЖС, проходивший в Риме в октябре 1962г., международный коллоквиум[10], проходивший в Москве в июне 1965г., всесоюзные научные совещания в Ленинграде, Москве, Киеве, Одессе и Ужгороде [157, 7-Ю], объединенное заседание королевского метеорологического общества и королевского астрономического общества, состоявшееся в декабре 1953г., в Лондоне и др.
Оптическая нестабильность земной атмосферы по наблюдениям мерцания и дрожания изображений звезд изучается с первой половины прошлого столетия. С того времени развивалась диффрак-ционная теория для объяснения этого явления. Детально изучив явления мерцания звезд, Ф.Араго [225] пришел к заключению о том, что вследствие неоднородности коэффициента преломления атмосферы вблизи телескопа свет, падающий на одну часть объектива, испытывает изменение фазы по отношению к остальному свету.
После этого появилась теория Экснера[253-257],, согласно которой явление мерцания и дрожания звездных изображений объяснялось рефракционными аномалиями, возникающими благодаря неоднородному распределению плотностей воздуха. Следовательно, оптические неоднородности в коэффициенте преломления на различных высотах вызывают явления возмущений (или деформации) плоского фронта звездного света.
Дж. Релей[291] развил в дальнейшем рефракционную теорию раскрыв возможности пояления хроматического мерцания вследствие атмосферной дисперсии.
В настоящее время пользуются "модернизированными" по срав- . нению с вышеуказанными теориями (рефракционной и диффракционной). Согласно "модернизированной" рефракционной теории об оптической неоднородности атмосферы, как действующей, подобно собирающим или рассеивающим линзам, сосредоточены в слое небольшой толщины в атмосфере. Этот слой считается интенсивно турбулентным. Если рассматривать неоднородности плотности в атмосфере и соответствующие им неоднородности п. как препятствия для распространения световых волн, то на экране, находящемся на некотором расстоянии от препятствий, будут наблюдаться явления дифракции. Дифракцию надо принимать во внимание, если расстояние от экрана ь где с - размер минимальных неоднородностей коэффициента преломления в атмосфере, А - длина волны.
В связи с решением прикладных задач атмосферной оптики, радиофизики, атмосферной акустики и гидроакустики, значительный прогресс был достигнут в области теории исследования оптической нестабильности земной атмосферы с 50-х годов.
Подробно исследуя проблему о влиянии пульсации коэффициента преломления в атмосфере на распространение ультракоротких волн и на флуктуации утла прихода в явлении мерцания звезд, В.А.Красильников[122Д23]вывел формулу для среднеквадратичес кого значения флуктуации углов прихода световых лучей, падающих на объектив телескопа:
где В - характеристика поля температурных пульсаций, р -атмосферное давление в мм рт. ст.,/С- постоянная, связывающая пульсации диэлектрической постоянной с пульсациями температуры (/сг:Ъ\0 ) Т- средняя абсолютная температура, L- относительная воздушная масса, проходимая лучом (Z" $ес ,где В - зенитное расстояние):й- диаметр объектива.
С.Чандрасекар в своей работе[241,242] показал, что статистические свойства ВОЛНОЕОГО фронта, прошедшего неоднородную атмосферу, так же как дисперсия угловых флуктуации нормален к волновому фронту, могут быть выражены через корреляционную функцию флуктуации коэффициента преломления.
Букер, Ратклифф и Шин[231] , Мего[277,278] , М.А.Эллисон [252]С.Литлл[274] , А.М.Обухов[156] , Да.Исакер[300] , Шефлер[295] и др. объясняли проблему распространения волн в среде со случайными неоднородноетями при помощи волновой теории, пренебрегая рассеиванием высших порядков. Особенно большой вклад в общую теорию оптической нестабильности атмосферы внес Ван Исакер [300], Г.Келлер[269,270].
Применив стаистический метод, Ван Исакер представил спектр мерцания в виде трехкратного интеграла, подинтегральное выражение которого есть экспонента корреляционной функции коэффициента преломления воздуха. Теоретические результаты Ван Исакер подверждены экспериментальными исследованиями Г.Батлера и др.
Определение солнечной постоянной по данным наблюдений в Улан-Баторе
Как известно, определение солнечной постоянной имеет большое значение не только для метеорологии, но и для космического полета и т.д. длительные исследования, выполненные Абботом и его сотрудниками в Астрофизической обсерватории Смитсонианского института, внесли большой вклад в определение солнечной Постояненной в первой половине 19-го века. /Ц)-- 1
Николе и Джонсон в начале 50-х годов получили новое значение солнечной постоянной, равное 1395 Вт/м или 2 кал/см мин, которое общепринято /официально признанным стандартом является солнечная постоянная по Николе, равная 1382 + 28 Вт/мг или 1,98 кал/ см мин[119].
Производя комплексные аэростатные зондирования атмосферы группа сотрудников ЛГУ им.А.А.Зданова, получили экспериментальные доказательства того, что значение солнечной постоянной равное 1395 Вт/м2 является завышенным [II6-II8, 239, 240], Из результатов этих и других исследований пришли к выводу, что наиболее достоверное значение солнечной постоянной равно 1356 Вт/игили 1,943 кал/см мин.
Значение солнечного излучения на границе атмосферы - солнечную постоянную можно определить и по данным измерений на поверхности Земли.
Рассмотрим результаты определения солнечной постоянной по данным параллельных измерений прямой солнечной радиации на ореольном фотометре и актинометре, выполненных в Геофизической обсерватории Монгольского госуниверситета в течение нескольких дней [23].
Мы проводили измерения прямой солнечной радиации в Улан-Баторе на ореольном фотометре и на актинометре АТ-50. Определена устойчивая область оптических масс атмосферы с помощью измерений на ореольном фотометре и в этой же устойчивой области построили график зависимости 95вот »Ч1о данным актино метрических наблюдений. значение солнечной постоянной, равное 1351 Вт/м или 1,94 кал/см мин.
В[258]приведена краткая характеристика современного состояния абсолютной пиргелиометрическои шкалы и предложена новая шкала сравнения для солнечной постоянной (ШССП).
В табл.2.4 приводятся полученные различными авторами значения солнечной постоянной как оригинальные, так и приведенные к ШССП, взятые из работы[119]и значение, найденное нами. проводились на ореольном фотометре с тремя светофильтрами и на термоэлектрическом актинометре АТ-50[25]в северном районе озе ра Хубсугул в июне-августе месяцы 1978-1980 тт. Для обработки материалов фотометрических наблюдений использовался классичес кий метод Бугера, который дает точное значение коэффициента прозрачности атмосферы только тогда, когда оптические свойства атмосферы не меняются во время наблюдений. По данным измерений солнечной и околосолнечной радиации были определены значения относительного ореола, коэффициента прозрачности атмосферы и коэффициента направленного рассеяния /І ДЛЯ каждого момента наб людений. ,, . ! : -п В оптически устойчивые дни коэффициенты рассеяния остаются постоянными при изменении атмосферной массы. В оптически неустойчивые дни коэффициент рассеяния увеличивается или уменъг. шается, а иногда только остается постоянным в некотором интервале атмосферных масс, что указывает на оптическую устойчивость в том же интервале атмосферных масс. Таким образом, для определения коэффициента прозрачности атмосферы по методу Бугера отбирались те дни, для которых коэффициенты направленного рассеяния оставались неизменными в течение измерении или же менялись не более, чем на 10$. В условиях неизменчивости оптических свойств атмосферы, коэффициент прозрачности определялся графически по наклону прямой логарифма солнечной радиации при разных Еысотах Солнца. В качестве примера рассмотрим результаты измерений 31 июля 1979 г. до полудня и 10 августа 1980 г. до полудня. На рис. 2.6 и 2.7 показаны зависимости коэффициента рассеяния от атмосферной массы и графики прямых Бугера. Из этих графиков
Результатыт определения ночного наблюдательного времени в некоторых пунктах Монголии и сравнение их с данными других лучших пунктов
Вычислялось количество вероятного астрономического наблюдательного времени в данном месяце по следующей формуле: bгде Т - общее количество времени в данном месяце /в часах/, Тг-количество возможного времени продолжительности солнечного сияния для данной широты /в часах/, Тл- продолжительность астрономических сумерек на данной широте /в часах/, Р -средняя вероятность ясного неба в данном месяце в ночное время.
Под вероятностью ясного неба Р понимается повторяемость общей облачности 0-2 балла, выраженная в процентах от дбщего числа случаев наблюдений в данный час в данном месяце.
Мы вычислили вероятность ясного неба на каждый час сутки по многолетним данным общей облачности Гидрометеослужбы МНР [49]для наших пунктов с помощью способа линейной интерполяции [223}.
В климатическом справочнике даются время фактической продолжительности солнечного сияния и отношение количества времени фактической продолжительности солнечного сияния к ее теоретически возможному времени, т.е. возможному наблюдательному времени при наличии совершенно ясного неба от восхода до захода Солнца.
В метеорологии, при вычислении этого отношения с достаточной точностью учитывают закрытость горизонта в данном пункте и чувствительность гелиографа. Поэтому мы можем определить Т с необходимой точностью.
Результаты определения ночного астрономического наблюдательного времени в некоторых пунктах Монголии и сравнение их с данными других лучших пунктов. В качестве примера в табл.3.1 приводятся значения обощен-ного астрономического коэффициента к, определенные для наших трех пунктов Хурэлтогота, Даланзадгада, и Мурэна, а также для сопоставления этих значений рассматриваются значения для Ташкента и Алма-Аты, взятые из работы [154].
На рис.3.1 показаны результаты расчётов среднемесячных значений вероятного и минимального ночных наблюдательных времён в пунктах Хурэлтоготе, Даланзадгаде и Мурэне1185,187,188]. Кривые I соответствуют годовому ходу вероятного наблюдательного времени, а кривые 2 - годовому ходу минимального наблюдательного времени.
На рис.3.2 представлены среднесуточные распределения минимального наблюдательного времени по месяцам для наших трех пунктов и двух лучших пунктов Средней Азии /Хайрабада и Санглока/.
На рис.3.3 даны среднесуточные распределения вероятного наблюдательного времени по месяцам для названных пунктов.
В [185, 188, 34, 65] мы вычислили количества наблюдательного времени по методике ГАИШ, для пунктов Хурэлтогота, Мурэна, Сайншаяда, Чойбалсана, Барун Урта, Ховда и Алтая и подсчитали по нашей методике. Тогда расхождения полученных значений составляли 1,5-5,3/ь. Поэтому предлагаемая и применяемая нами методика определения вероятного астрономического времени с точки зрения вероятности ясного неба, оказывается одной из точных и приемлемых методик для решения многих практических задач, которые требуют знания ясного состояния неба, в частности астрометрии, геодезии, спутниковой метеорологии и др. В табл. 3.2 приведены полученные нами основные результаты по определению астрономических наблюдательных часов в наших пунктах, а также для сравнения наших результатов помещены аналогичные данные некоторых пунктов Азии, Европы и Америки [i53,I54, 244, 301, 302] .
Так как астрономическое качество изображения в значительной степени связано с метеорологическими условиями пункта наблюдения, мы по многолетним данным метеостанций Хурэлтогота, Да-ланзадгада, Алтая, Саніішанда, Чойбалсана, Ховда, Барун-Урта/Бай-шинта/ и Мурэна [49] и собственным наблюдениям, изучили некоторые климатические элементы названных пунктов, относящиеся к аст-роклиматическйм характеристикам. этих же элементов для наших трех пунктов.
Как видно, преимуществами большинства наших пунктов наблюдений являются отсутствие сильных ветров, небольшая величина средней относительной влажности, а отрицательным фактором данных пунктов - большой суточный перепад температуры, который обусловлен резко выраженной континентальноетью климата.
Из всего выше изложенного можно сделать следующие выводы: 1. Наши пункты Хурэлтогот, Даланзадгад, Сайншанд, Барун-Урт, Алтай и Мурэн по количеству вероятного /фактического/ наблюдательного времени сравнимы с названными лучшими пунктами наблюдения Средней Азии и Америки, 2. Среднегодовые количества минимального и вероятного наблюдательных времен в Ховде меньше, чем соответствующие количества времен в названных лучших пунктах.
Оптическая толщина атмосферы в области спектра 510-640 нм по данным наблюдений в Улан-Баторе
Исследование оптической толщины атмосферы в рассматриваемой области спектра имеет большое значение для определения аэрозольной мутности и для выявления статистического обоснования стандартной радиационной модели атмосферы [1, 218] .
Весьма мало изучена оптическая толщина атмосферы, т.е. прозрачность атмосферы, обусловленная рассеянием и поглощением солнечной радиации аэрозолями /аэрозольная прозрачность атмосферы/.
Это обстоятельство наводит на мысль, что данные спектральных наблюдений могут быть успешно применены для определения оптической толщины атмосферы.
Для этой цели мы использовали данные наблюдений по термоэлектрическому актинометру с фильтрами ЖС-і8 и КС-14.
Комбинация этих фильтров позволила выделить спектральную область пропускания = 640-5і0 нм = ±30 нм, центрированную около длины волн А = 575 нм.
Оптическая толщина атмосферы определялась по формуле: гДе $од -солнечная радиация, приходящая на данный спектральный интервал на внешней границе атмосферы, 5т/Лд-прямая солнечнал радиация у поверхности Земли при массе атмосферы ггу-, равная разности между показаниями актинометра с фильтрами ЖС-18 и КС-14, предварительно умноженными на переводный множитель прибора и редукционный множитель фильтра.
Используя данные Джонсона о спектральном распределении энергии в солнечном спектре [268] , и величину солнечной постоянной, равной 1.98 кал/см2мин., мы находили значения солнечной радиации, поступающей в рассматриваемом интервале длин волн на внешней границе атмосфері S0= 0,34і кал/см4шн.
Значения измеренной радиации приводились к среднему рассто-ганию от Земли до Солнца. В табл. 4.10 даются среднемесячные и среднееезонные значения, их среднеквадратического отклонения /іЄ / и коэффициента изменчивости /tv/. Значит в годовом ходе оптическая, толщина имеет максимум в мае, минимум - в октябре. Наименьшая изменчивость наблюдается зимой.
Так как ослабление радиации в области спектра 5x0-640 нм вызывается в основном молекулярным /релеевским/ / Vp / и аэрозольным / cul рассеянием и небольшим поглощением озоном /"2т/ в полосах Шапшои, то оно может быть представлено в виде суммы,
Аэрозольная компонента ослабления радиации / %/ можно найти как остаточный член формулы /4.2/. Ослабление радиации идеальной атмооферой,,т.е.Ф. -Т+Т , определено по формуле /4.2/ с использованием данных, приведенных в табл. 3 работы С.И.Сивкова [i7i] , для аэрозольной атмосферы вычислено по данііім табл.іЗ. из той же работы. Результаты этих же вычислений приводятся в табл. 4.11.
Как видно из табл. 4.її при увеличении массы атмосферы от то- = 1 дот= 5 оптическая толщина уменьшается очень мало, причём с увеличением мутности это уменьшение становится все меньше. Это значит, что в рассматриваемой узкой полосе спектра эффект Форбса очень мал. Поэтому при определении среднемесячных, среднееезонных и годовых значений этим эффектом можно пренебречь.
При вычислении аэрозольной компоненты ослабления радиации с погрешностью, не превышающей 3%, можно использовать среднее значение оптической толщины идеальной атмосферы, равное по данным табл. 4.11 гл= 0.114.
Среднее значение оптической толщины для А = 575 нм в Улан-Баторе, полученное по данным 3436 наблюдений оказалось равным 0.221, т.е. больше значения Тг для 3 = 575 нм в стандартной радиационной модели К.С.Шифрина и И.Н.Минина С216] равно 0,273. Таким образом, среднее значение аэрозольной толщины для Ъ = 575 нн в Улан-Баторе равно 0.221-0.114 = 0.107, В табл. 4.12 дается сравнение полученных значений Г со средними многолетними, значениями оптической толщины для других зарубежных пунктов, заимствованными из работ К.С.Шифрина и Г,Л. Шубовой [216, 217] Г.М.Абакумовой [I] . Видно, что среди этих пунктов наибольшей аэрозольной прозрачностью атмосферы обладает район Улан-Батора, а наименьшей - район Москвы.
Различия средних значений и %, в разных пунктах свидетельствуют о географической изменчивости аэрозольной прозрачности. для выявления наиболее часто встречающихся значений оптической толщины , мы построили гистограмму оптической толщины для всего периода наблюдений /рис.4.3/. Как видно, повторяемости приходится на интервал значений Т -0,11-0.14 . Получилась многовершинность, которая свидетельствует существование различных воздушных масс.
