Введение к работе
Актуальность исследований
Актуальность исследований определяется, в первую очередь, практическими потребностями наблюдательной астрономии.
Земная атмосфера искажает волновой фронт излучения внеатмосферных объектов и существенно влияет на распространение излучения. Совокупность оптических свойств атмосферы, определяющая эффективность астрономических наблюдений, имеет собственное название - астроклимат. Астроклимат является разделом практической астрофизики.
Астроклимат (как оптические свойства атмосферы, определяющие эффективность наблюдений) имеет достаточно много составляющих, например, молекулярное и аэрозольное рассеяние и поглощение излучения, регулярная рефракция, турбулентность. В условиях, при которых обычно проводятся астрономические наблюдения (слабо замутненная безоблачная атмосфера) основной составляющей астроклимата становится атмосферная турбулентность.
В диссертации изучается основная составляющая астроклимата -оптические свойства турбулентной атмосферы. Именно эта составляющая вносит наиболее существенный вклад в качество изображений в астрономических телескопах при обычных условиях проведения наблюдений. Поэтому корректное задание турбулентных характеристик атмосферы является важной предпосылкой для точного прогноза качества астрономических изображений.
Оптические свойства турбулентности, проявляющиеся при распространении оптического излучения в атмосфере, обычно характеризуются следующими параметрами: структурная характеристика флуктуации показателя
9 С 9
преломления Сп и ее интегральное значение J Сп dh, внешний Lq и внутренний /о масштабы, масштаб Монина-Обухова L и число Монина-Обухова С, = h I L, скорость диссипации энергии s, а также частотные спектры, структурные и корреляционные функции флуктуации метеорологических параметров, таких как температура Т, скорость ветра Ки др.
Турбулентность представляет собой сложное физическое явление, теоретическое изучение которого опирается на основные законы гидродинамики и термодинамики. Основные гидродинамические уравнения, описывающие динамику вязкой несжимаемой жидкости и добавленное к ним уравнение притока тепла (уравнение теплопроводности в движущейся среде), являются следствием закона сохранения энергии называются уравнениями Навье-Стокса. Усредненные уравнения движения называются уравнениями Рейнольдса, а их вариант для свободной конвекции - уравнениями Буссинеска. Попытки получить замкнутую систему уравнений для определения конкретных статистических моментов гидродинамических полей (например, средних значений или структурных функций флуктуации скорости и температуры) наталкиваются на принципиальные затруднения. В связи с этим многие результаты теории турбулентности связаны с применением теории
размерностей и дополнительных гипотез физического характера (полуэмпирические гипотезы и теории). Развитие полуэмпирических гипотез привело к созданию теории подобия турбулентных течений. Начало применению теорий подобия положено работами известных авторов: Буссинеск (Boussinesq J.V., 1897), Прандль (PrandtlL., 1925), Тэйлор (Taylor G., 1915, 1932), Карман (Karman Th., 1930).
Рассматривая уравнение для структурной функции флуктуации скорости, А.Н. Колмогоров и A.M. Обухов (1941), используя теорию размерностей, сформулировали известный закон «2/3» для локально однородной турбулентности:
Dn(r) = C2r2l\ Dj{r) = CT2r2l\ DrAr) = Cjr2'\
C„2=constCr2, Су2 = Сє2/3, CT2 = CQe-2nN.
где Dyr, Dt, Dn - структурные функции продольной скорости, температуры и
показателя преломления, Су, Ст, Сп - соответствующие структурные характеристики.
Дальнейшее прогресс в теории подобия связан с именами Монина А.С. (1965, 1967), Обухова A.M. (1941, 1951, 1960), Голицына Г.С. (1960) и др. Для идеального случая приземного слоя с ровной подстилающей поверхностью (изотропный пограничный слой) были вычислены средние скорости диссипации кинетической энергии и температуры
є= J^ae^z-1^)-^], N = a
Были также сформулированы основные предельные высотные зависимости для Ст , L0 для различных температурных стратификации: при безразличной стратификации: Сп ~ h , при неустойчивой: Сп ~ h , при устойчивой стратификации: Сп ~ const. Для высотных профилей Сп {И) в настоящее время применяются известные феноменологические модели: 1) Хафнагель, Стенли (Hufhagel R.E., Stanley N.R. 1963), 2) Коулман (Coulman С.Е., 1969), Бафтон (Button J.L., 1972, 1973), 3) Гурвич А.С, Кон А.И., Миронов В.Л., Хмелевцов С.С. (1976), 4) Грачева М.Е., Гурвич А.С. (1980).
В случае приземного слоя с ровной подстилающей поверхностью турбулентные характеристики (є, TV, Ст) изучались известными авторами: Таунсенд (Townsend А.А., 1948, 1956, 1959), Монин А.С, Яглом A.M. (1965, 1967), Татарский В.И. (1967), Голицын Г.С. (1960), Бэтчелор (Batchelor G.K. 1955, 1959), Гурвич А.С. (1959, 1960, 1962, 1967), Цванг Л.Р. (1960, 1967), Каллистратова М.А. (1959, 1985), Вызова Н.Л. (1989) и др.
В горных районах оптические характеристики турбулентности в разные годы изучались следующими группами исследователей: Дарчия Ш.П. (1961, 1979, 1985), Ковадло П.Г. (1975, 1977); Лоуренс (Lawrence R.S.), Оке (Ochs G.R.), Клиффорд (Clifford S.F.) (1970); Вингард (Wyngaard J. С), Изуми (Izumi Y.), Коллинз (Collins S. А.) (1971); Эразмус (Erasmus D.A.), Томпсон (Thompson L.A.) (1986); Вернин (Vernin J.), Масадри (Masciadri Е.), Авила (Avila R.) (1998); Новиков СБ. (1975), Лукин В.П. (1983), Гурьянов А.Э. (1983), Токовинин А.А. (1979, 2010) и др. Оптические характеристики турбулентности мест размещения астрономических телескопов и астроклимат уже существующих телескопов исследуются из практических целей по улучшению качества
изображений. Часто используемая при этом модель турбулентности Колмогорова-Обухова заложена в принципы работы некоторых применяемых приборов. Однако экспериментально неоднократно зарегистрированы отклонения от закона Колмогорова, что может приводить к ошибкам измерений. Поэтому выяснение причин возникающих в горных условиях отклонений, анализ условий их появления являются актуальными.
Как известно, локальная турбулентность в районах размещения телескопов и павильонные эффекты могут давать до 40 % и более вклада в ухудшение качества получаемого изображения (Токовинин А.А.). Поэтому проблема выбора мест размещения новых телескопов остается актуальной. Однако и для уже существующих телескопов, чтобы иметь возможность предпринять соответствующие меры по устранению негативных воздействий на изображение, часто необходимо знать степень влияния места расположения, а также степень влияния формы и конструкций здания (башни) телескопа.
Астрономические телескопы обычно размещаются на вершинах гор. В этом случае (в условиях ясной незамутненной и безоблачной атмосферы, когда обычно и проводятся астрономические наблюдения) астроклимат определяется только атмосферной турбулентностью горного пограничного слоя. Приземный слой, прилежащий к самому телескопу, составляет небольшую долю от всей длины оптической трассы при наблюдениях, однако, как известно (Колчинский И.Г., 1967), именно эта часть турбулентного слоя обладает наибольшим влиянием на качество формируемого изображения (Щеглов П.В., 1975, 1979, 1980; Шевченко B.C., 1983). Поэтому приземный слой, который в основном изучается в диссертации, имеет главное значение для оптических наблюдений. В то же время вопросы, рассматриваемые в диссертации, относятся и к более широкому понятию пограничного слоя (до 2-3 км), поскольку исследуются также и интегральные характеристики оптических параметров (например, интегральная интенсивность турбулентности).
В оптических расчетах турбулентная атмосфера традиционно описывается теорией Колмогорова-Обухова. Спектр турбулентности в инерционном интервале обычно считается колмогоровским. В энергетическом и вязком интервалах волновых чисел применяются различные модели, параметрами которых являются внешний Lq и внутренний /0 масштабы турбулентности. Еще одним параметром спектра служит его амплитуда (интенсивность), характеризуемая структурной характеристикой Сп . Существующие методы расчета турбулентных характеристик (теория подобия: МонинА.С, Обухов A.M., 1953-1962; Татарский В.И., 1956; Монин А.С., Яглом A.M., 1965, 1967; Зилитинкевич С.С, 1970) основаны на предположении о ровной подстилающей поверхности и в горных условиях дают большую погрешность. В этом же предположении построены и имеющиеся оптические модели турбулентности, включающие расчетные высотные профили параметров Сп , Lq, /о.
Однако на практике, особенно в наблюдательной астрономии, часто приходится размещать оптические инструменты в горных районах (с целью уменьшения турбулентных искажений наземные телескопы обычно устанавливаются на вершинах гор). Для турбулентных течений в горах уже не
приходится ожидать постоянства масштаба Монина-Обухова над всей территорией региона. Над горным рельефом возникают вихревые образования, наблюдающиеся до больших высот. Кроме того, как показывают наши данные, в горах спектр турбулентности часто отклоняется от колмогоровского.
Оценка пригодности модели изотропного слоя с колмогоровской турбулентностью для гор не проведена. Модели турбулентности, разработанные по теории подобия для изотропного слоя, в горах обычно не пригодны. Поэтому возникает вопрос о применимости положений существующей теории турбулентности для горных районов. В этой связи представляет интерес экспериментальная проверка положений теории непосредственно для горных условий. Ранее такая экспериментальная проверка в нужном объеме не проводилась. Это связано с необходимостью регистрации (в каждой точке горного участка) экспериментальных данных одновременно для большого числа параметров.
Таким образом, как видно из вышеизложенного, атмосферная турбулентность в горном пограничном слое изучена недостаточно. Остается актуальной проблема выбора оптимальных (по турбулентным условиям) мест размещения новых астрономических телескопов. Эта проблема особенно важна в связи с высокой стоимостью крупных наземных телескопов. Следовательно, исследования оптических свойств атмосферной турбулентности в горном пограничном слое являются актуальными.
Цель и основные задачи
В диссертации, исходя из практических потребностей наблюдательной астрономии, поставлена цель исследования оптических характеристик турбулентности в горном пограничном слое, необходимых для прогноза и улучшения качества оптических изображений в астрономических телескопах.
Задачами работы являются:
сравнение зарегистрированных характеристик турбулентности в горных и равнинных районах,
выяснение условий возникновения неколмогоровской когерентной турбулентности в горных районах, экспериментальная проверка области применимости существующих моделей турбулентности для горных условий,
исследование оптических эффектов, связанных с присутствием крупномасштабной когерентной турбулентности.
Научная новизна
Результаты, полученные в диссертации, являются новыми. К наиболее важным новым результатам можно отнести следующие:
1. Установлено несовпадение экспериментальных высотных профилей оптических характеристик в горах с теорией подобия для плоской подстилающей поверхности. Измеренные профили Сп , средней температуры Т, внешнего масштаба турбулентности L0, дисперсии флуктуации температуры <5j, числа Монина-Обухова С, имеют осциллирующий характер с ростом
высоты в приземном слое. Это следствие периодических неоднородностей подстилающей поверхности вблизи телескопов.
-
Установлено удовлетворительное согласие значений внешнего масштаба В.И.Татарского Lq и масштаба турбулентности Lq , определенного по отклонению от 2/3-закона, измеренных различными способами.
-
Константы Колмогорова и Обухова могут почти в 2 раза (до 93% и 70% соответственно) отличаться от принятых для колмогоровской турбулентности значений.
-
Экспериментально и теоретически исследованы процессы возникновения и распада ячейки Бенара в воздухе. Показано, что причиной возникновения ячейки Бенара в воздухе являются температурные градиенты.
-
Установлено, что распад ячейки Бенара осуществляется по сценарию Фейгенбаума. При этом главный вихрь в ячейке распадается на более мелкие в результате серии бифуркаций удвоения периода. Возникающая в результате турбулентность является когерентной. Обнаружена фрактальность (локальное самоподобие) спектра турбулентности.
-
В когерентной турбулентности внутри закрытого помещения частотные спектры температуры имеют неколмогоровский характер. В инерционном интервале спектры имеют 8/3-степенное убывание, в отличие от колмогоровских с 5/3- убыванием.
-
Структурная функция DT{r) отклоняется от закона «2/3» Колмогорова-Обухова, в инерционном интервале (/о « г « Lo) имеется протяженный начальный участок, в котором Dt(t) ~ г . Значения структурной характеристики С„ , определяемые из закона Колмогорова-Обухова, в когерентной турбулентности будут завышены более чем в два раза.
-
В среднем интегральная интенсивность когерентной турбулентности оказывается почти вдвое меньше, чем интенсивность некогерентной колмогоровской турбулентности.
-
Стандартное отклонение дрожания изображения края солнечного диска в когерентной турбулентности значительно меньше (практически в 2 раза), чем в случае некогерентной колмогоровской турбулентности. Поэтому присутствие крупных когерентных структур во время измерений приводит к улучшению качества оптических изображений.
10. Теоретически обнаружен эффект ослабления амплитудных и фазовых
флуктуации света в когерентной турбулентности по сравнению с
колмогоровской турбулентностью. Для фазовых (рефракционных) флуктуации
света эффект подтвержден экспериментально.
Защищаемые положения:
1. В исследованных обсерваториях юга Сибири горный рельеф приводит к образованию крупных устойчивых вихревых структур, турбулентность в которых носит неколмогоровский характер, а постоянные Колмогорова С и Обухова Се практически в два раза отклоняются от своих стандартных значений.
-
Вблизи вынесенных за пределы зданий приемных зеркал телескопов имеет место усиление (на порядок) флуктуации показателя преломления.
-
Во всех измерениях в специализированных помещениях телескопов частотные спектры температуры и скорости отличаются от колмогоровских наличием «8/3»-убывания в инерционном интервале.
-
В закрытом помещении спектрографа телескопа установлена пространственная периодичность типа шахматной структуры числа Монина-Обухова, средней температуры, внешнего и внутреннего масштабов турбулентности. Показано, что внешний масштаб турбулентности на порядок меньше минимального размера помещения спектрографа, а внутренний масштаб на порядок больше, чем в открытой атмосфере.
-
Установлено существование областей когерентной турбулентности в открытой атмосфере горного пограничного слоя исследованных обсерваторий. В этих областях преобладающее действие оказывает одна когерентная структура. Время жизни областей когерентной турбулентности в открытой атмосфере составляет от 2 - 4 мин до 20 - 120 мин.
-
Установлено, что присутствие областей когерентной турбулентности в районах размещения астрономических телескопов приводит к улучшению качества оптических изображений. Поэтому для повышения эффективности наблюдений наземные астрономические телескопы следует устанавливать в местах с когерентной турбулентностью (в районах, в которых имеются крупные когерентные структуры).
Научная и практическая значимость результатов работы
Научная значимость работы состоит в том, что установлено существование областей когерентной турбулентности в открытой атмосфере горного пограничного слоя исследованных обсерваторий, где преобладающее действие оказывает одна когерентная структура. В таких областях константы Колмогорова и Обухова могут почти в 2 раза отличаться от принятых для колмогоровской турбулентности значений.
Показано, что в когерентной турбулентности (как в открытой атмосфере, так и внутри закрытого помещения) частотные спектры температуры имеют неколмогоровский характер. В инерционном интервале спектры имеют «8/3»-степенное убывание, в отличие от колмогоровских с «5/3»-убыванием.
Научная значимость работы заключается также в том, что впервые теоретически и экспериментально установлено: присутствие крупных когерентных структур в приземном слое районов размещения астрономических телескопов приводит к улучшению качества оптических изображений. Поэтому для повышения эффективности наблюдений наземные астрономические телескопы следует устанавливать в районах с когерентной турбулентностью (в которых имеются крупные когерентные структуры).
Практическая значимость
Большинство исследований, выполненных в диссертации, имеют практическую направленность. Практическая значимость результатов исследования заключается в том, что, в связи с высокой стоимостью новых
астрономических телескопов (десятки и сотни миллионов долларов) полученные результаты и данные являются ценной информацией, позволяющей дать рекомендации по улучшению качества изображений.
Например, в телескопах БСВТ и ACT (Саянская солнечная и Байкальская астрофизическая обсерватория), приемные зеркала которых вынесены за пределы куполов (зданий), вблизи приемных зеркал имеет место усиление флуктуации показателя преломления. Это следствие вихревого обтекания вынесенных конструктивных элементов зданий телескопов. В этой связи целесообразно предусмотреть дополнительные меры по возможному практическому уменьшению влияния этого эффекта.
Как показано в диссертации, вблизи приемного зеркала БСВТ, ориентированного в основном на проведение дневных наблюдений, формируются области когерентной турбулентности. Поскольку в когерентной турбулентности, вследствие ослабления флуктуации света, качество изображений в телескопе улучшается, то, следовательно, по астроклиматическим характеристикам телескоп установлен в оптимальном месте. Этот вывод подтверждает эффективность проведенных ранее исследований по выбору места размещения БСВТ.
Полученные в диссертации данные по оптическим параметрам пограничного слоя могут быть использованы при проектировании и установке в обсерваториях крупных телескопов, а также для определения предельных (по качеству изображений) возможностей обсерваторий, и для использования систем адаптивной оптики.
Достоверность положений и выводов
Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обеспечивается:
использованием в экспериментальных исследованиях аппаратуры с жестко контролируемыми ошибками измерений,
использованием в экспериментальных исследованиях аппаратуры, обеспечивающей регистрацию и обработку больших объемов экспериментальных данных,
использованием при обработке экспериментальных данных апробированных численных методов статистического спектрального анализа,
подтверждением ряда теоретических выводов диссертационной работы более ранними исследованиями других авторов, в том числе экспериментальными, совпадением полученных в диссертации новых формул и соотношений в частных случаях с результатами других авторов,
строгостью и непротиворечивостью основных положений теории,
согласованием теоретических положений с современными представлениями о распространении оптических волн и методах расчета дрожания оптических изображений источников волн в турбулентной атмосфере,
использованием в теоретических расчетах приближенных теоретических методов с известными оценками их погрешностей и областей применимости.
Публикации
Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 106 работах, в том числе:
1) в 1 монографии;
2) в 19 научных статьях, из которых: 12 статей опубликованы в
рецензируемых российских и международных изданиях, включенных в
«Перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны
быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание
ученых степеней доктора и кандидата наук»; и 7 статей опубликованы в
рецензируемых российских и международных журналах;
-
в 18 научных статьях в периодических изданиях Proceedings of SPIE (The International Society for Optical Engineering, Bellingham, WA, USA).
-
в 67 тезисах докладов и трудах международных, всесоюзных и всероссийских конференций и симпозиумов.
Основными работами являются [1-28] (см. список основных публикаций, с. 18-19).
Результаты диссертации также были представлены в виде устных и стендовых докладов на российских и международных конференциях, в которых автор принял личное участие.
Апробация работы
Результаты исследований по теме диссертации докладывались: на Fifteenth International Laser Radar Conference (Tomsk, 1990), XI Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск, 1991), XI - XVIII международных симпозиумах Joint International Symposium "Atmospheric and ocean optics. Atmospheric Physics" (2004 - 2012 гг.), International Symposium SPIE Europe Remote Sensing (Stockholm, Sweden, 2006), International Conference "Comprehensive characterization of astronomical sites" (Kislovodsk, 2010), 25th International Laser Radar Conference (St. Petersburg, 2010), Всероссийской конференции "Солнечно-земная физика" (Иркутск, 2010), Всероссийской конференции «XXIX Сибирский теплофизический семинар» (Новосибирск, 2010), конференции "Моделирование нелинейных процессов и систем" МГТУ «Станкин» (Москва, 2011), IV и V Всероссийских научных школах и конференциях «Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред» (Муром, 2009, 2012), 4-ой Международной научно-практической конференции Актуальные проблемы радиофизики «АПР-2012» (Томск, 2012), II Всероссийской научной конференции «Проблемы военно-прикладной геофизики и контроля состояния природной среды» академии им. А.Ф. Можайского (Санкт-Петербург 2012), VI-th International Conference "Solitons, collapses and turbulence: Achievements, Developments and Perspectives" SCT 2012 (Novosibirsk 2012), а также на научных семинарах Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, и др.
Кроме того, опубликованные по теме диссертации работы, объединенные в тематические проекты-отчеты 1) исследования турбулентности в анизотропном пограничном слое и 2) оптический способ определения внешнего масштаба турбулентности из измерений дисперсии дрожания изображения внеатмосферного источника, отмечены как достижения Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН и Сибирского отделения РАН, соответственно в 2009 г. и в 2012 г.
Использование результатов работы
Результаты диссертационной работы использованы при выполнении государственных научных и научно-технических программ, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, ряда госбюджетных и хоздоговорных тем и отражены в соответствующих отчетах.
Полученные в диссертационной работе результаты использованы в Институте оптики атмосферы СО РАН и могут быть полезными при исследованиях по выбору оптимальных мест размещения новых астрономических телескопов, в исследованиях по улучшению качества изображений в уже существующих телескопов, а также для выбора оптимальных режимов работы адаптивных оптических систем в турбулентной атмосфере путем оперативного прогноза метеоситуаций. Они могут быть использованы, например, в Институте оптики атмосферы СО РАН, в Институте солнечно-земной физики СО РАН, в Институте физики атмосферы РАН, в Специальной астрофизической обсерватории РАН, в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова, в Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского, ГУДП ГП «НПО Астрофизика» и др.
Личный вклад автора
Личный вклад автора заключается в участии в проведении модельных и натурных экспериментов, а также в компьютерной обработке массивов экспериментальных данных измерений параметров турбулентности, анализе и интерпретации полученных результатов и сопоставлении с данными других исследований, в проведении аналитических и численных расчетов при решении поставленных задач с целью обоснования предложенных методов. Все представленные в данной работе результаты исследований были получены и опубликованы при непосредственном личном участии автора.
Постановка задач и конкретизация направлений исследований осуществлялась научным руководителем работы д. ф.-м. н. В.В. Носовым и научным консультантом д. ф.-м. н., профессором В.П. Лукиным.
Ряд экспериментов по исследованию турбулентности в горном пограничном слое проведен совместно с сотрудником Института солнечно-земной физики СО РАН д. ф.-м. н. П.Г. Ковадло, при поддержке зам. директора Института солнечно-земной физики СО РАН, чл.-кор. РАН, д. ф.-м. н., профессора В.М. Григорьева.
Структура и объем
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы. Каждая глава содержит параграфы, нумерация которых ведется с указанием номера главы. Работа содержит 175 стр. (165 стр. -без списка литературы), иллюстрирована 81 рисунком и 16 таблицами. Список цитированной литературы содержит 173 наименования.
