Исследование спектральной плотности энергетической яркости солнечного излучения в диапазоне 650—1070 нм тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

^ о МЛІ'

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ГОЛОВНА АСТРОНОМІЧНА ОБСЕРВАТОРІЯ

На правах рукопису

ВАСИЛЬЄВА ІРИНА ЕДУАРДІВНА

ДОСЛІДЖЕННЯ СПЕКТРАЛЬНОЇ ГУСТИНИ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ ЯСКРАВОСТІ СОНЯЧНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ В ДІАПАЗОНІ 650 — 1070 НМ

01.03.03 — Геліофізика та фізика Сонячної системи

Автореферат Дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук

Київ — 1996

Дисертацією в рукопис

Роботавиконана в Головній Астрономічній обсерваторії Національної Академії Наук України.

Науковий керівник - доктор фізико-математичних наук Гуртовенко Ернест Андрійович .

Науковий консультант - кандидат фізико-математичних наук

Бурлов-Васильев Костянтин Олександрович.

Офіційні опоненти:

1. Доктор технічних наук

Терез Едуард Іванович,

2. Доктор фізико-математичних наук

Казачевська Тамара. Валентинівна.

Провідна організація -

Астрономічна обсерваторія Київського Державного Університету ім. Т. Г. Шевченко, м. Київ, Україна.

Захист відбудеться 1997р. на засіданні Спеціалізо-

ваної вченої ради Д01.74.01 по захисту дисертацій при Головній Астрономічній обсерваторії Національної Академії Наук України (252650, м. Київ-22, Голосіїв, Головна Астрономічна обсерваторія НАН України).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Головної Астрономічної обсерваторії НАН України. 252650, м. Київ-22, Голосіїв, Головна Астрономічна обсерваторія НАН України.

Автореферат розісланий ^9^^. 199т^р.

Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради кандидат фізико-математичних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність дослідження.

Необхідність отримання точних даних про абсолютний спектральний розподіл енергії сонячного випромінювання обумовлена перш за все фундаментальними потребами астрофізики. Дані про розподіл енергії випромінювання Сонця є основою для побудови напівемпіричких моделей фотосфери Сонця та використовуються для калібрування теоретично розрахованих моделей фотосфери. При цьому окремі ділянки спектра сонячного випромінювання різні за умовами свого формування і тому дані, отримані для них, використовуються різним чином. Так, якгцо ультрафіолетова ділянка містить в собі багато ліній поглинання та несе важливу інформацію про хімічний склад Сонця, то випромінювання інфрачервоної (14) ділянки спектра формується переважно основним джерелом непрозорості в атмосфері Сонця — від’ємним іоном водню Н~ і тому найбільш зручна для визначення загальних фізичних умов в сонячній атмосфері.

• В той же час, оскількі в 14 ділянці спектра знаходяться багаточисельні телуричні смуги водяної пари, кисню та малих газових домішок земної атмосфери, вона відірае важливу роль у дослідженні будови та динаміки атмосфери Землі. Зараз дуже актуальним є питання про антропогенний вплив на земну атмосферу. Зростання вмісту малих газових складових може непередбачено впливати на климат Землі. В наш час інформація про вміст малих газових складових переважно отримується та в найближчий час буде отримуватись із спектрів поглинання сонячного випромінювання при великих значеннях повітряних мас.

Фактично до цього часу були відсутні точні дані про аб-

солютний розподіл енергії в 14 спектрі Сонця, вільні від впливу телуричних ліній земної атмосфери. Здійснені раніше вимірювання відносилися або до квазиконтинууму (тобто були здійснені в окремих довжинах хвиль, де відсутнє поглинання як сонячними, ■ так і телуричними лініями), або взагалі не брали до уваги поглинання в телуричних лініях, вважаючи його незначним.

Метою дисертаційної роботи є отримання розподілу енергії сонячного випромінювання в ближній 14 ділянці спектра, вільного від впливу телуричних ліній земної атмосфери, з коректним врахуванням похибок.

• ■ Методика досліджень. В дисертації використані виконані . автором спостереження спектра випромінювання центра сонячного диска, здійснені на автоматизованому автором телескопі СЕФ-1 з низькою спектральною роздільною здатністю та виконана калібровка сонячного спектра в абсолютній енергетичній шкалі спектральної густини енергетичної яскравості (СГЕЯ) шляхом порівняння яскравості сонячного випромінювання з яскравістю випромінювання стандартної стрічкової лампи розжарювання, яскравість якої в свою чергу була відкалібрована по лабораторній моделі високотемпературного абсолютно чорного тіла.

В ділянках спектра,, вільних від впливу сильних телуричних ліній, редукція вимірюваннь за послаблення сонячного випромінювання в атмосфері Землі (пізиведення до нульової повітряної маси) виконана за допомогою класичного метода Бугера, який полягає в вимірюванні інтенсувності сонячного випромінювання на різних повітряних масах та побудові залежності 1п Лпа(^ї) '(прямої Бугера), з якої і знаходиться позаатмосферна інтен-

сивність /о- Вибір спостереженні,, придатних до опрацювання, виконувався шляхом моніторінга оптичного стану атмосфери під час спостереженні., який здійснювався незалежно за допомогою ореольного фотометра.

В ділянках сильного поглинання сонячного випромінювання атмосферним киснем та водяною парою, де використання метода Бугера дав невірний результат внаслідок ефекта Форбса, нами була використана оригінальна методика, яка полягав в виключенні

із спостережного спектра розрахованного спектра поглинання земної атмосфери. З метою визначення вмісту поглинаючих агентів, проводилась калібровка розрахованного телуричного спектра по оригінальним спостереженням вибраних телуричних ліній кисня та водяної пари, зробленим з високою спектральною роздільною здатністю на телескопі АЦУ-26.

Наукова новизна роботи полягає в тому, що на основі нової методики редукції спостережеш» за поглинання в сильних телуричних лініях вперше отримано ряд абсолютних спектрофотометричних вимірюваннь в ближній 14 ділянці спектра Сонця, зроблених з поверхні Землі, вільних від впливу телуричних ліній та відкаліброваних в абсолютній ене]згетичній шкалі.

Наукове та практичне значення роботи полягає в отриманні надійних даних про розподіл сонячного випромінювання в 14 ділянці спектра в абсолютних енергетичних одиницях з повним урахуванням атмосферного поглинання, які необхідні для вирішення фундаментальних проблем фізики Сонця та зір, для рішення цілого ряду задач фізики атмосфери, аерономії, метеорології та кліматолоії, антропогенного впливу на атмосферу Землі,

космічного приладобудування.

Основні положення, представлені до захисту.

1. Створення спектрофотометричного спостережного ряду даних, про випромінювання в ближній 14 ділянці спектра в абсолютних енергетичних одиницях для центра та всього диска Сонця.

. 2. Розробка методики та здійснення редукції спостереженнь

за поглинання в сильних телуричних лініях в ближній 14 ділянці спектра.

3. Розробка та створення нової сучасної системи автомати-зациї спостережних комплексів СЕФ—1 та АЦУ—26 на базі РС ІВМ.

„ 4. Дослідження оптичних властивостей атмосфери над піком Терскол в 14 ділянці спектру: оптичної сталості, поведінки аеро-золя та водяної пари та їх впливу на результати вимірів.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в дев’яти роботах, список яких наведено в кінці автореферата.

Особистий внесок автора. В роботі [2] автором виконані основні спостереження та проведена їх часткова обробка, в роботі [1] проведені розрахунки прозорості атмосфери, в роботах [3, 4, 5,

8, 9] автором приймалась участь в спостереженнях та їх обробці, проведені розрахунки телуричного спектру за програмами автора, в роботах [6, 7] автором виконана автоматизація спостереженнь, приймалась участь в спостереженнях та їх обробці за программами автора.

Апробація роботи. Основні наукові результати дисертаційної роботи доповідалися на:

— Міжнародній конференції (Бенсшов, 1995),

— засіданні Української Астрономічної Асоціації (Київ,

1995),

— Всеросійській конференції гго фізиці Сонця (Москва, 1995),

— Міжнародній нараді робочої групи 80ЬЕІ1522 (Боулдер,

1996),

— XIII школі по фізиці Сонця та космічній електродинаміці (Москва, 1996),

— наукових семінарах ГАО НА НУ.

Структура та об’єм роботи. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновка, списка літератури, що містить 111 бібліографічних назв, та додатка. Загальний об’єм дисертації становить 131 сторінку, в тому числі 37 ілюстрацій та 5 таблиць.

Зміст роботи.

У вступі показана актуальність роботи, сформульовані мета, наукова новизна роботи та положення, представлені до захисту, наведена структура роботи.

У першому розділі роботи (огляді) аналізуються сучасний стан проблеми абсолютних вимірів розподілу енергії в спектрі Сонця в ближній 14 ділянці спектру. Показано, що розходження між окремими рядами спостереженнь значно більші, ніж похибки, що дають автори. Крім того, спостереження, що були виконані раніше, відносилися або ж до неперервного спектру Сонця і повністю залишали поза, увагою питання про поглинання випромінювання у сонячних та телуричних лініях спектру, або ж мали наслідком одержання даних з невилученими чи неповністю вилученими телуричними лініями поглинання. З

метою зменшення поглинання випромінювання у атмосфері Землі спостереження виносилися у верхні шари атмосфери і провадилися з бортів літаків та балонів. Але ці спостереження по-перше не були повністю позбавлені впливу земної атмосфери, а по-друге зіткнулися із значними труднощами калібрування в абсолютній енергетичній шкалі, яких можна уникнути у лабораторних умовах наземних спостережень. Нещодавно виконані спостереження з бортів космічних плагфо]зм не усунули проблему розбіжності між існуючими існуючими рядами абсолютного розподілу енергії в сонячному спектрі.

Показано, що точність та якість попередніх вимірюваннь не відповідають сучасним вимогам.

У другому розділі наведено опис вимірювального комплекса СЕФ-1, що безпосередньо застосовувався для дослідженнь спектра Сонця в абсолютній енергетичній шкалі, а також телескопа АЦУ-26, на якому провадилися детальні дослідження прозорості атмосфери в ділянці 14 телуричних смуг та ореольного фотометра, за допомогою якого був виконаний моніторинг оптичного стану атмосфери під час спостереженнь.

, Телескоп СЕФ-1 створено за класичною горизонтальною схемою з .целостатною групою дзеркал. СЕФ-1 має монохроматор подвійної дифракції. Дифракційна гратка мав 600 штрихів на 1 мм. Сканування спектра провадиться за рахунок переміщення приймача випромінювання, яким є фотоприймальний пристрій на основі кремнієвого фотодіода ФПУ-1А. Система відтворення, контроля та передачі одиниць спектральної густини енергетичної яскравості складається з лабораторного стандарта випромінювання (стрічкова лампа розжарювання), сферичного колиматорного

дзеркала, електронної апаратури живлення та контролю, випромінювання ламп. Спостереження автоматизовані.

Телескоп АЦУ-26 застосовується для спостереженнь спокійних та активних утвореннь в атмосфері Сонця в широкому діапазоні довжин хвиль. Телескоп горизонтального типу, встановлений сумісно з п’ятикамерним спектрографом. Фотоприймач разом із виходною щілиною змонтовано на платформі, яка може рухатись вздовж напрямку дисперсії. Спостереження автоматизовані.

Система автоматизації для обох телескопів вирішена в стандарті КАМАК та безпосередньо зв’язана з регіструючою апаратурою. Програма автоматизації розроблена на мові РАБСАЬ.

Спостереження сонячного спектра провадились в першій половині дня при сталій прозорості атмосфери. До та після денної програми спостереженнь Сонця вимірювалось випромінювання стандартної лампи в тому ж інтервалі спектра.

У третьому розділі наведені дані про атмосферу Землі, розглянуті основні питання застосування метода Вугера. Послаблення випромінювання в атмосфері Землі обумовлено кількома сумісно діючими факторами: релеевським розсіюванням, послабленням випромінювання атмосферним аерозолем та поглинанням вищэомшювання киснем, водяною парою та малими газовими домішками земної атмосфери. Величина розсіяного релеєвською атмосферою випромінювання в перерахунку на 1 повітряну масу даа від 2.5% (на довжині хвилі 700 нм) до 0.4% (на довжині хвилі 1100 нм). Вклад аерозольної складової не перевищує в 14 ділянці 5% від прямого сонячного випромінювання. .

. Спектр поглинання кисню та водяної пари складається з багатьох окремих ліній, частково перекриваючих одна одну та

утворюючих широкі смуги. Якщо вміст кисню на протязі дня можно вважати сталим, то водяна пара е досить мінливою компонентою (її вміст може змінюватись на порядок). Тому для обчислення спектра поглинання земної атмосфери використані модельні статистичні профілі вологості, температури, тиску. Для обчисленнь ми обрали найбільш точний із сучасних методів

— метод полінійного обчислення, який полягав в послідовному розрахунку внеска в поглинання на певній довжині хвилі від всіх ліній. Після відповідних дослідженнь, був прийнятий фойгтовській профіль ліній. Велику увагу приділено вибору оптимального шага в розрахунках телуричних ліній, як по довжині хвилі, так і по висоті. Головним параметром порівняння теоретичного та спостережного спектра була еквівалентна ширина лінії. Тому були обраховані теоретичні спектри поглинання водяної пари при її різному вмісті і для кожного спектра, що спостерігався з високою роздільною здатністю, добиі>ався такий вміст, при якому розраховані та обчислені еквівалентні ширини ліній співпадали якнайкраще.

Зроблено висновок, що вміст водяної пари над піком Терскол невеликий та дорівнює в різні дні 0.2—1.0 см шару конденсованої води. Суттєвого вмісту малих газових домішок над піком Терскол не знайдено.

Четвертий розділ присвячено процедурі обробки спосте-реженнь. Дані, що отримані після спогтереженнь, містять в собі тільки приблизно визначену довжину хвилі. Отже на першому етапі визначались точні довжини хвиль для кожного відліку в спектральному скані. Для цього використовувався атлас спостереженнь сонячного спектра з високою роздільною

здатністю (зроблений на фурье-слектрометрі обсе}зваторії Кітт-Пік). Після цього для кожної довжини хвилі проводилася пряма Бугера. Однак, за. рахунок обмеженої роздільної здатності приладу, позаатмосферний спектр Сонця ще мав залишки телуричних ліній (ефект Форбса). Оскільки вміст води в процесі спостереженнь може суттєво змінюватись, перед спостерігачем постав важливе питання коректного виключення впливу телуричних ліній водяної пари на позаатмосферний спектр Сонця. Визначивши вміст водяної пари на момент спостереженнь, ми за допомогою розрахованного телуричного спектра, знайшли коефіцієнти редукції за поглинання в атмосфері для спектра, виведеного на одиничну повітряну масу.

Для кожного дня спостереженнь позаатмосферна інтенсивність сонячного випромінювання в відносній шкалі переводилася в абсолютну за допомогою записаного спектра випромінювання стандартної лампи. Виводилось середне по всім дням спостереженнь. Кількість спостереженнь для кожної довжини хвилі становила від 2 (для ділянки 650—750 нм) до б (для ділянки 950— 1070 нм). Сходимість вимірюваній., отриманих в різні дні добре узгоджується з похибкою редукції спектра Сонця до нульової повітряної маси.

У п’ятому розділі наведені основні результати роботи. Отримані дані, що відносяться до спектральної густини енергетичної яскравості сонячного випромінювання в інтегральному спектрі (континуум+лінії), наведені у вигляді 1 нм інтегралів. Середньоквадратична похибка середніх по 1 нм величин СРЕЯ центра сонячного диска складає ~2—2.5%.

За допомогою функції потедінення до краю були обраховані значення спектральної густини енергетичної освітленості, яка

утворюється сонячним випромінюванням на відстані 1 а.о. Дані наведені в таблиці.

Для моделювання фізичних умов в сонячній фотосфері важливою величиною є яскравістна температура випромінювання диска Сонця в квазиконтинуумі. Для його локалізації ми використовували атлас високої роздільної здатності, отриманий у відносній шкалі (Kurucz R. L., Furenlid I., Brault J., Testerman L. Solar flux atlas from 295 to 1300 пт / New Mexico, Harvard Univ. Print., National Solar observatory. - 1984■ - 239 p.),

який ми відкалібровали за нашими 1-нм інтегралами. Показано плавну зміну з довжиною хвилі спектра сонячного випромінювання в області його формування іоном Н~.

У висновках наведені основні результати та висновки роботи.

У додатку наведені програма автоматизації вимірюваннь та програма обчислення телуричного спектру (на мові IDL).

Основні результати та висновки роботи.

1. Виконані вимірювання спектральної густини енергетичної яскравості випромінювання центра сонячного диска в інтегральному спектрі в ближній 14 ділянці (650—1070 нм) в абсолютній енергетичній шкалі, що прив’язана до спеціального еталона спектральної густини енергетичної яскравості. Похибка середніх (по 1 нм) даних не перевищує 2.5% в ділянках, де відсутнє поглинання насиченими теяурічними лініями. Отримані дані про енергетичну освітленість, створювану Сонцем на відстані 1 а.о. на основі коефіцієнтів переходу від яскравості центра диска Сонця до середньої яскравості по всьому диску,

2. Локализовано місцезнаходження квазиконтинуума в ближній

14 ділянці спектра. Показан монотонний хід яскравісної температури в цій ділянці, що узгоджується з сучасними уявленнями про джерела непрозорісті в ближній 14 ділянці.

3. Розроблена методика та здійснена редукція вимірюваннь за поглинання в сильних телуризних лініях ближньої 14 ділянки спектра.

4. Розробленії комплекси програм: автоматизації спосте-

реженні, обробки спосгєреженнь з переводом результатів в абсолютну енергетичну шкалу, розрахунку телуричного спектра.

5. За допомогою спостереженнь на телескопі АЦУ-26 та ореольному фотометрі вивчені деякі оптичні властивості атмосфери Землі в 14 ділянці спектра над піком Терскол.

Основні результати дисертації опубліковані у таких роботах:

1. Вурлов-Васильев К. А., Васильєва И. Э. Спектральная прозрачность земной атмосферы в ближней УФ-области спектра // Физика атмосферы и океана. - 1992. - 28, N12, - с. 1170—1175.

2. Бурлов-Васильев К. А., Васильева И. Э., Матвеев Ю. Б. Оптическая стабильность земной атмосферы на пике Терскол по измерениям околоцолнечного ореола // Кинематика и физика небесных тел. - 1990. - 6, N С, - с. 83-86.

3. Бурлов-Васильев К. А., Васильева И. Э., Матвеев Ю. Б.

Абсолютний спектральний розподіл енергії сонячного випромінювання в ділянці 310—1150 нм за наземними спостереженнями, виконаними в ГАО НАНУ // Інформаційний бюлетень УАА. - 1995. -

7. - с. 86. •

4. Бурлов-Васильев К. А., Васильева И. Э., Матвеев Ю. Б. Новые измерения солнечного спектра в абсолютных энергетических единицах в спектральной области ЛЛ 650—1070 нм // Кинематика и физика небесных тем. - 1996. - 12. - N 3. -с. 75—91.

5. Бурлов-Васильев К. А., Васильева И. Э., Матвеев Ю. В. Новые данные об абсолютном распределении энергии в спектре Солнца (310—1070 нм) // Радиофизика. - 1996 (в печати).

6. Бурлов-Васильев К. А., Васильева И. Э., Матвеев Ю. Б. Горизонтальный солнечный телескоп АЦУ-26 на Кавказе // Кинематика и физика небесных тел. - 1996 (в печати)

7. Burlov-Vasiljev К. A., Matvejev Yu. В., Vasiljeva I. Е. Horizontal Solar Telescope in Caucasus / in: JOSO Annual Report 1995, M. Saniga (ed.), Astronomical Institute, Tatranska Lomnica, - p. 147.

8. Burlov-Vasiljev K. A., Matvejev Yu. B., Vasiljeva I. E. The Absolute Spectral Solar Output in the Near IR / in: JOSO Annual Report 1995, M. Saniga (ed.), Astronomical Institute, Tatranska Lomnica, - p. 146.

9. Burlov-Vasiljev K. A., Matvejev Yu. B., Vasiljeva I. E. New Measurements of the Solar Disk-center Spectral Intensity in the Near IR Range 645—1070 am // Solar Phys. (in press)

Васильева И. Э. Исследование спектральной плотности энергетической яркости солнечного излучения в диапазоне 650— 1070 нм. Диссертация в форме рукописи на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук по специальности 01.03.03

- Гелиофизика и физика Солнечной системы. Главная Астрономическая обсерватория Национальной АН Украины, Киев, 1996.

Защищается 9 научных работ, которые содержат результаты изучения абсолютного распределения энергии в спектре Солнца в ближней инфракрасной области спектра и прозрачности атмосферы над пиком Терскол. Данные об интенсивности излучения центра солнечного диска и средней по диску интенсивности излучения Солнца в интегральном спектре в абсолютных енергетических единицах представлены в таблицах в виде 1 нм интегралов. Погрешность данных не превышает ~2.5%

Vasiljeva I. Е. The investigation of the solar radiation spectral density of the energetical brightness in region 650—1070 nm. Dissertation for Scientific Degree of Candidate of Phys. and Math, in Speciality 01.03.03 - Heliophys. and the Solar System Phys., Main Astron. Observ. of the National Acad, of Sciences of the Ukraine, Kyiyv, 1996.

Author defends 9 scientific papers containing the results of the absolute energy distribution in the spectrum of the Sun in the near infrared spectral region investigation as well as the results of the atmosphere transparency over the peak Terskol investigation. Data of the center-disk intensity and intensity averaged over the whole polar disk in the integral spectrum in the absolute energy units are present with a table form as lnm-wide integral values. The error of the data is less than ~2.5%.

Ключов! слова: Сонце, сонячний спектр, атмосфера Земль