Физика | Сатурнның спектрофотометриялық зерттеуіне арналған аппаратура

Мазмұны

КIРIСПЕ
1. САТУРН
1.1 Шолу
1.2 Есептің қойылуы
1.3 Бақылау әдістері мен аппаратураға деген қойылатын талаптар
2. 0.6-ДАН 1.1. МКМ АРАЛЫҒЫНДАҒЫ ОБЛЫС СПЕКТРІНДЕ САТУРННЫҢ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЯЛЫҚ ЗЕРТТЕУІНЕ АРНАЛҒАН АППАРАТУРА
2.1 Сатурн спектрлерінің фотоэлектрлік өлшеулеріне арналған аппаратура
2.2 Электрлік сигналдардың тіркеу блогы
3. САТУРН ЖАРЫҚ ДИСКІСІНІҢ ҰЗАҚТЫҚ БАҒЫТТАРЫНЫҢ ТАРАЛУЫН ЗЕРТТЕУ
3.1 Орталық меридиан бойымен жарықтың таралуы
4. САТУРН АТМОСФЕРАСЫНЫҢ ОПТИКАЛЫҚ ПАРАМЕТРЛЕРІН АНЫҚТАУ
4.1 Планетадан келетін шағылысқын сәулеленуі құрылатын моделін таңдау
4.2 2000 жылғы бақылулар бойынша екі қабатты үлгі шегінде метанның мөлшерін бағалау
4.3 Атмосфера парметрлерінің кеңістікте жіктелуі.
4.4 Атмосфера параметрлерін бағалаудағы қателіктер
ҚОРЫТЫНДЫ
ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР
Кiрiспе
Ұсынылған жұмыс, инфрақызыл облысты спектріне жақын ( ), планетаның дискі бойынша жарықтылықтың абсолютті спектрлік коэффициентін және фотомерлік сипаттамаларын бақылау негізінде Сатурн атмосферасыныңа аэрозольды ортасы мен газының оптикалық қасиеттерін зерттеуіне арналған.
Жұмыстың өзектілігі. Ғасырлардан ғасырларға Сатурн планетасы бақылаушы астрономдарды қызықтырып жүрді. Бірақ зерттеулердің белсенді жүргізілуі,20 ғасырда ғана басталды. Ғарыштық аппаратармен Айды, Шолпанды, Марсты, Меркурийді бақылауының жақсы дамуы, сол уақытта Жер үстінде және Күн жүйесінде алыс қашықтықтарда орналасқан планеталарды (оның ішінде Сатурн да бар) бақылауға ынталандырды. Ең әуелі ол, ғарыштық аппаратармен алып гиганттарды зерттеу әдісімен және есепті (міндетті) дайындау қажет екендігімен түсіндірілді.
20 ғасырдың ортасында АН КазССР астрофизикалық институтында В.Г.Тейфельдің басқаруымен көрінетін облыс спектрінде Сатурнды бақылау жұмысы жүйелі түрде басталды. Осындай зерттеулер немесе бақылаулар біздің елдің басқа обсерваторияларында және шет елдердің де обсерваторияларында жүргізілді. Фотоэлектрлік спектрометрдің көмегімен Дж.Койпер және В.И.Морозбен диапазонында Сатурнның спектрі алынды. Инфрақызыл облысына жақын ( ) Сатурнның спектрі аз сәулеленетін болып қала берді. 2000 жылға дейін барлық мәліметтер кіргізілген В.Г.Тейфельдің редакциясымен “Алып – планеталардың физикалық сипаттамалары” анықтама – шолуында, осы спектр облысында жұтылу жолағы белгіленбеген. Осы диапазондағы толқын ұзындығы, әртүрлі қарқындылықты метанның айналмалы – тербелмелі жұтылу жолағымен сипатталады және олардың әрқайсысы Сатурн атмосферасында әр түрлі өзгертіліп, бұлтты қабаттың құрылымы туралы мағлұматтарды береді. Осыған байланысты, әртүрлі қарқындылықты жұтылу сызығын өлшеу нәтижесі бойынша,спектрдің ИҚ- облысына жақын ( ) Сатурн дискісінде метанның жұтылуын және планетаның оптикалық параметрлерін салыстыруын зерттеу, үлкен қызығушылық тудырды.
Осы жұмыстың басты мақсаты болып, метанның жұтылуы және онымен көршілес үздіксіз спектр учаскесінде спектрдің ИҚ- облысына жақын ( ) Сатурнның бұлтты жамылғысына қатысты нақты бақылау мәліметтерін алу болды. Фотометрлік мәліметтерді талдауы Сатурнның бұлтты қабаты мен бұлттың жоғарғы қабатындағы атмосферасының кейбір физикалық сипаттамаларын бағалауға мүмкіндік беру керек.
Осы жұмыстың жаңалығы болып, аз зерттелген толқын ұзындығы диапазонында Сатурнның бұлтты жамылғысының спектралды және фотометрлік қасиеттерін мүмкіндігінше толық сипаттайтын, бақылау материалы (мәліметі) алынды. Ерекше құнды 2000 жылғы бақылаулар болды, өйткені, бірінші рет жарығырақ сақина жағынан жер атмосферасында планета дискісінің дұрыс көрінбеуінен тәуеліз, планетаның шын экватор және орталық (центральды) меридианын бойлай метанның жұтылу жолағында жарықтылықтың таралуы (үлестірілуі) алынды. (Осы маусым Жер мен Күнге қатысты сақинаның нөлдік еңкеюімен сипатталады. Ол 15 жылда бір рет кездеседі.). Басқа бақылау маусымдарында (2002,2004,2006-2009 жж.) жұтылудың төрт жолағында және көршілес үздіксіз спектр учаскілерінде (күшті жұтылудан тәуелсіз) орталық (центральды) меридианы мен қарқындылық экваторын бойлаған жарықтылықтың таралуы (үлестірілуі) да зерттелген. Орталық (центральды) меридианын бойлай 8860А метанның жұтылу жолағында жарықтылықтың таралуының бойлық вариациясын зерттеуі жүргізілді. Жер атмосферасынан пайда болатын, дұрыс көрінбеу (кетіру) функциясын ескеріп,атмосфера параметрлерін анықтау әдісі ұсынылды.
Автор өз қорғауына дейін толқын ұзындығы диапазонында Сатурнның спектралды мен фотометрлік және планета атмосферасында сәулеленуді тасымалдауда маңызды рөл ойнайтын, газды-аэрозольды ортада төмендегідей оптикалық параметрлерді бағалауға мүмкіндік беретін, атмосфераның екіқабатты моделінің (үлгісінің) шегінде олардың түсіндірілуінің нәтижелерін қорғайды (шығарады):
жұтылу жолағында бұлтты қабаттың жарықтылық коэффициентін;
бұлтты қабаттың шетіне қарай қараю коэффициентін;
бір ретті шашырау альбедосын;
бұлттың жоғарғы қабатындағы атмосфераның оптикалық қалыңдығын;
аэрозольда шашырау коэффициентінің көлемділігі және бұлтты қабаттың жоғарғы шекарасында газбен жұтылуы;
бұлттың жоғарғы қабатындағы атмосферасында метанның болуы(мөлшері);
бұлтты қабатта шашырау актісі мен фотонның тәуелсіз өту орташа ұзындығының арасына келетін жұтылатын газдың мөлшерін.
Жұмыстың ғылыми және практикалық мәні (маңыздылығы). Жарықтылықтың таралуы мен атмосфераның оптикалық параметрлерін бағалау бірнеше теориялық есептерді шешу, жеке түрде қарастырғанда, біртексіз үлгілерді, сонымен қатар Сатурнды жерде және ғарышта зерттеу жобаларын дайындау үшін пайдаланылуы мүмкін.
Жеке үлесі. Автормен жеке өзі бақылаған материалдың жартысы алынды, оларды өңдеп, түсіндірді.

1. Сатурн
1.2 Шолу
Сатурн атмосферасын зерттеу планетаның кең аралықта толқын ұзындықтарын фотометрлік, поляриметрлік және спектрлік бақылауларға негізделген. Бақыланатын жұмыста планеталық атмосфераның сәуле шашуын тасымалдайтындығын теориялық зерттеулердің дамуымен тығыз байланысты.
Ұзақ тарихи экскурсты талқыламай, Сатурнның фотометрлік зерттеулері біздің заманымыздың басында Пулковский обсерваториясында Г.А.Тихов [6], кейіннен Г.А.Шайн [7] жүргізді. Харьков астрономиялық обсерваториясында Н.П.Барабашовтың басшылығымен ай және планеталар,сонымен қатар Сатурн фотометриясы кеңінен дамыды [3].
Фотометрлік өлшеуде Сатурн дискісінің интенсивтілігін үлестіргенде екі фактор қиындатады: планетаның бұрыштық өлшемі ( 20 сек доғаға жуық) және күн мен жермен салыстырғанда Сатурн экватор жалпақтығы еңкею шегінде кең өзгеруі [270 жуық]. Сондықтан ерте зерттеулер экватор бойындағы интенсивтілігі фотометрияның негізі болып сол жылдардан қарастырды. Бірақ экватор бойындағы интенсивті жарығын өлшеу планетаның әртүрлі кеңістік белдеуі арқылы өтеді де,бірдей емес оптикалық сипатқа ие, сондықтан бұлардың интерпретациялық бақылаулары практика жүзінде мүмкін емес. Әр жылы жұмыс қатарын жасауда осымен қателеседі [11-15].
Бұл қатынаста Сатурнның фотометриялық өлшеуіне үлкен қызығушылық көрсетіп, экватор жазықтықтың еңкеюі Сатурн эклиптик жазығына фотографиялық бақылауы Маринмен 2006 ж. интерференольды және шынылы фильтраттар мен толықты. [14] бақылаудан басқа аңғаратын мәселе фотометрияның кең сызықтарына, 2006 ж. Тексеро [15] орындаған. Осы жылдың бақылаулары өте қымбат себебі экватор жазықтығының еңкеюі жерге қатынасын, фотометрия бойында жүргізіп бөлек кең белдеу және практика жүзінде сақина жақта кедергілерді туғызды.
2001 ж қазан Мауна-Кеа обсерваториясында (Га) 61 см рефлектор арқылы интерференциялық жарықсүзгіден көк (λ=0,434мкм), жасыл (λ=0,556мкм) және қызыл (λ=0,620мкм) доғада алынды,топтама көшірмелерін В.Г.Тейфель [10-20]өңдеген болатын. Бақылау кезінде сақина жазықтығының еңкеюі эклиптик жазықтығына 250 шамасын құраса, қараңғылықты Сатурн диск шетіндегі спектр аймағын көруде жақсы сападағы көріністерді анықтауға мүмкіндік туғызды.
Диск шетіндегі қараңғылықты миннаерт коэфицентін Байлер мен Маккартидің фотометрия жұмысындағы бақылаулар болып табылады, олар ИК спектр аймағына (0,6-дан 2,0 мкм) жақын. Бұл өлшеулер бір планетаның кеңдігінде интерференция жарықсүзгіде орналасқан нүктеге дейін жүргізілді. Бұл жұмыстың бір кемшілігі сүзгінің арнайы үздіксіз спектр бөлігі және жұтылу сызықтарының орталығы болу үшін таңдалмаған,сондықтан көп жағдайда олардың максималды өткізулері жұтылу сызықтарына келіп түседі. Салдарынан үздіксіз спектр бөлігінде қараю аймағы мен жұтылу сызықтарының шетіндегі қараю коэффиценті аз айыршалықтары бар, бұл қорытындылар әлбетте қызығушылық туғызады.
Сатурндағы фотометриялық ізденісті түйіндей келе келесі қорытындылар жасауға болады:
1) Спектрдің көріну аймағында альбедо бұлты бөлдеуінде нақты айырмашылықтар байқалмайды.
2) Локализденген бұлттардың түзілуі іс жүзінде болмайды.
3) Сәулелердің көп көрінетін жарық аймағы Сатурн экваторлық белдеуінде
4) Ең жақсы түсірілімде бұлтты жамылғының зоналық маңы жақсы бақыланады, бірақ жеке бұлтты белдеулер арасындағы қарама-қарсы аз және тек экваторлық белдеуде көрші белдеу спектрінің қызыл бөлімінен шамамен 10% жарықтайды.
5) Диск қараю шетінің миннаерт коэффицент өлшемі жоғарыда аталған авторлармен өзара жақсы сәйкес.
Сатурн дискі центрінің жарықтылығының абсолютті спектралды коэффициентін өлшеу фотометрлік бақылауларды калибрлеу(жазып отыру) үшін қажет. Бірақ мұндай жұмыстар аз жүргізілген. Өйткені тек қана Л.А.Бугаенко [21] және В.Г.Тейфель [20] ғана жарықтылықтың абсолютті коэффициентін өлшеуін жүргізген. Ал Байндер мен Маккарти [48], ұзынтолқынды облыс спектрінде (0.6-2.0 мкм) Сатурнның бөлек аймақтарында(зоналарында) геометриялық альбедосының мағынасын анықтады. Геометриялық альбедодан дискінің шетіне қарай қараю коэффициентін пайдаланып, жарықтылық коэффициентін шамалап табуға болады. А.М.Грецкий фотометриялық өлшеулер арқылы Сатурн дискі центрінің жарықтылық коэффициентін анықтады. Онымен алынған нәтижелер әлдеқайда жарықтылық коэффициентінен ерекше(басқаша),ол [22] жұмыстарында келтірілген және болғанда 0,56-ны (фильтр КС-II), ал мкм болғанда 0,45-ті (фильтр ЗС-I) құрайды. Бірақ автор жүйелі қателік 20 -ға жетуі мүмкін дейді. Кейіннен УК және көрінерлік спектрінде Сатурн дискі центрінің жарықтылық коэффициентін анықтауға А.П.Видмаченко [32],СМГайсин [23,29], ал жақын ИҚ-облыс спектрінде- автордың [28,29] өзі жүргізді.
Қысқаша түрде УК- және көрінерлік облыс спектрінде дискі центрінің жарықтылығының абсолютті коэффициентінің бақылау нәтижелерін төмендегідей қорытындылаймыз:
1) [25] жұмыстан басқа, барлық нәтижелер бір-бірімен сәйкес. Неге [25]жұмыс?
2) Толқын ұзындығы өскен сайын 0,4 тен 0,7 мкм-ге дейін Сатурн дискі центрінің жарықтылығының абсолютті коэффициенті монотонды өседі 0,2 ден 0,8ге дейін.
Сатурн дискісінде молекулярлық жұтылуды зерттеу атмосфераның тек қана газды компоненттерін ғана емес, сонымен қатар аэрозольда жұтылу және шашырау коэффициентін, бұлттың жоғарғы қабатындағы атмосферасында метанның мөлшері(болуы) және т.б. сияқты, планетаның бұлтты қабатының сипаттамаларын алуға болады.
Сатурнның көрінерлік және ИҚ- облыс спектрінде метанның жұтылу жолағы ғана бөлініп тұрады. Сатурн спектріне қатысатын, басқа газдардың жұтылу жолағынан аммиактың жұтылу жолағын ( ) бөліп алуға болады. 6450 А облысындағы әлсіз жұтылу ГАО АН УССР [30] және Мак Дональд обсерваториясында [27] спектрометриялық өлшеулер бойынша көрінді. [28]-ші бақылауларынан, жұтылу тереңдігі Сатурн диск шетіне қарай әлсізденетінін көрсетті. Метанның жұтылу жолағы үлкен қарқындылыққа ие, сондықтан олардың планета дискі бойынша таралуын зерттеу жақсырақ. Осындай бірінші бақылаулар [31] экватормен салыстырғанда планетаның солтүстік және оңтүстік жартышарларында метанның жолағының 6190А қарқындылығы күшейтілгенін көрсетті. Метанның жұтылу жолағының қарқындылық вариациясының мәндері көптеген жүйелі емес бақылауларымен [16,34,36-38] тіркеліп отырылды. 2006 мен 2004жж.аралығынд АН КазССР Астрофизикалық институтында В.Г.Тейфельмен және Г.А.Харитоновпен Сатурнда метанның жұтылу жолақтарында 6190 А және 7250 А жүйелі зерттеулер жүргізілді. Бақылаулар нәтижелері бойынша олармен келесідей қорытынды жасалды:
1) Бірқалыпты ендіктерге қарағанда, экватордағы жұтылу айтарлықтай төмен
2) Экваториалдық аймақ(зона) және бірқалыпты ендіктер үшін жолақ тереңдігі орталық меридианда да және диск шетінде де дәлме- дәл, өлшеу қателіктеріне дейін сәйкес келеді.
ГАО АН УССР-де А.В.Мороженконың жетекшілігімен дамыған, аэрозольдың құрамында зерттеуінде поляриметрлік бақылаулары да маңызды рөль атқарды. Осы бақылаулар бойынша авторлар сыну коэффициенті n=1,33-1,44 болғанда Сатурнның бұлтты жамылғысының орташа радиусты бөлшектерін және өлшемдері бойынша нормалды – логарифмдік таралудың параметрін анықтады. Ұқсас бағалаулар Абастуман обсерваториясында Л.А.Сигуамен [34-35]де алынған.
Бақылаулардың нәтижелерін интерпретациялау түсіндіру теориялық есептеулердің дамуымен тікелей байланысты және жартылай шексіз бұлтты қабатпен планета атмосферасында нұрлы энергияның тасымалдауы бойынша есептерді шешілуіне негізделген [33-1]. Алып – гиганттарға қолданылатын осындай есептеулер g ассиметрия параметрінің әр түрлі мәнді Хеньи – Гристейн индикатрисасы үшін Ж.М.Длугач және Э.Г.Яновицкиймен жүргізілді
(1.1)
мұндағы - түскен және шашыраған бағыттарының арасындағы бұрыш.
В.М.Лоскутовпен [38] және В.В.Аврамчукпен [18] осындай есептеулер әр түрлі параметрлі және үш мүшелі қатарлы индикатрисасы үшін, осындай түрінде жазылды
(1.2)
(мұндағы – Лежандр полиномы).
В.Г.Тейфельмен [46] теориялық есептеулермен нәтижесімен бірге[43-44] алынған фотометрлік мәліметтердің салыстырмалы талдауы жүргізілген. Содан, бақылау нәтижелері сфералық,релеевтік шашырау және сонымен қатар кіші дәрежелі ассиметриялы индикатрисасының шашырауы болған жағдайындағы теориялық есептеулерімен сәйкес келеді. Соның өзінде, релеевтікке жақын шашырауды тудыратын, бөлшектер кіші өлшемді болу керек (a ˂ 0.1 мкм). Бұл поляриметрлік өлшеулерге қайшы [39-45], осыдан келе, бөлшектердің орташа радиусы а ~ 1мкм тең екені шығады.
Күн сәулесінің планетамен шағылысуы құрылғанда, шашырау индикатрисасы алдыға қарай қатты созылған, ірі бөлшектер үшін кері шашырау өте маңызды рөль атқарады. Ал Хеньи – Гристейн индикатрисасының алдыға қарай созылуы кері шашырауды ескермейді. К.Ю.Ибрагимовпен [31] Хеньи – Гристейн комбинирленген индикатрисасы үшін жартылай шексіз бұлтты қабатында нұрлы энергияның шашырауының теориялық есептеулерін жүргізген
(1.3)
параметрін жекелендіріп, кері шашырауға түсетін мәнді өзгертуге болады.
Осы есептеулермен Сатурнды бақылау, =0.8, =0.6, =0.95 болған кезінде бір - бірімен сәйкес келген. В.Г.Тейфельмен [61] жұтылу жолағын бақылаған уақытындағы нәтижелерін интерпретациялағанда(түсіндіргенде) =0, =0.75 ассиметрия параметрлерімен Хеньи – Гристейн индикатрисасы және =0.8, =-0.6, =0.95 параметрлерімен комбинирленген индикатрисасы алынды. 6190 және 7250 А жұтылу жолағын өлшеу бойынша Сатурнның бұлтты қабатының ішінде және сыртқы атмосферасында метанның болуын(мөлшерін) көрсететін, төменде кестесі келтірілген......