Оптические свойства турбулентности в горном пограничном слое

Торгаев, Андрей Витальевич

Оптические свойства турбулентности в горном пограничном слое тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Торгаев, Андрей Витальевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Оптические свойства турбулентности в горном пограничном слое»

Автореферат диссертации на тему "Оптические свойства турбулентности в горном пограничном слое"

На правах рукописи

Торгаев Андрей Витальевич

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТУРБУЛЕНТНОСТИ В ГОРНОМ ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ

Специальность 01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск - 2013

005544992

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского Отделения Российской академии наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Носов Виктор Викторович ведущий научный сотрудник Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, г. Томск

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Лукин Владимир Петрович заведующий лабораторией когерентной и адаптивной оптики Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, г. Томск

Официальные оппоненты:

Мандсль Аркадий Евсеевич, доктор физико-математических наук, профессор, радиотехнический факультет Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники"

Богушевич Александр Яковлевич, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, лаборатория экологического приборостроения Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт астрономии Российской академии наук, г. Москва

Защита состоится 20 декабря 2013 г. в 14 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 003.029.01 при Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН по адресу: 634021, г. Томск, пл. Академика Зуева, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН.

Автореферат разослан 19 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук ' В.В. Веретенников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 флуктуаций показателя преломления С„г и ее интегральное значение I С„2£Й, внешний Ь0 и внутренний /0 масштабы, масштаб Монина-Обухова Ь и число Монина-Обухова С, = А / Ь, скорость диссипации энергии £, а также частотные спектры, структурные и корреляционные функции флуктуаций метеорологических параметров, таких как температура Т, скорость ветра К и 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 флуктуаций 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 (Prandtl L., 1925), Тэйлор (Taylor G., 1915, 1932), Карман (Karman Th., 1930).

Рассматривая уравнение для структурной функции флуктуаций скорости, А.Н.Колмогоров и А.М.Обухов (1941), используя теорию размерностей, сформулировали известный закон «2/3» для локально однородной турбулентности:

D„(r) = C„V/3, Dj(r) - Ст г2П, Drr{r) = Cy2r 2'3, С„2= const Сг2, Су2 = С е2/3, CT2 = CeE~2nN. где Drr, DT, D„ - структурные функции продольной скорости, температуры и показателя преломления, Су, С2, С2 - соответствующие структурные характеристики.

Дальнейшее прогресс в теории подобия связан с именами Монина A.C. (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

е= К.3 as-'z-'EqKO-Ç], N = аэеК. r.2z-'cp(Q, ¿о = ге z-[ <p(Q-Ç ]

Были также сформулированы основные предельные высотные зависимости для С2, U Для различных температурных стратификаций: при безразличной стратификации: С2 ~ h'2/1, при неустойчивой: С„ ~ h ~ 4/3, при устойчивой стратификации: С2 ~ const. Для высотных профилей С2(И) в настоящее время применяются известные феноменологические модели: 1) Хафнагель, Стенли (Hufnagel R.E., Stanley N.R. 1963), 2) Коулман (Coulman С.Е., 1969), Бафтон (Button J.L., 1972, 1973), 3) Гурвич A.C., Кон А.И., Миронов В.Л., Хмелевцов С.С. (1976), 4) Грачева М.Е., Гурвич A.C. (1980).

В случае приземного слоя с ровной подстилающей поверхностью турбулентные характеристики (s, N, Ст) изучались известными авторами: Таунсенд (Townsend A.A., 1948, 1956, 1959), Монин A.C., Яглом A.M. (1965, 1967), Татарский В.И. (1967), Голицын Г.С. (1960), Бэтчелор (Batchelor G.K. 1955, 1959), Гурвич A.C. (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 E.), Авила (Avila R.) (1998); Новиков С.Б. (1975), Лукин В.П. (1983), Гурьянов А.Э. (1983), Токовинин A.A. (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 (Токовйнин A.A.). 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 10 и внутренний /0 масштабы турбулентности. Еще одним параметром спектра служит его амплитуда (интенсивность), характеризуемая структурной характеристикой С„2. Существующие методы расчета турбулентных характеристик (теория подобия: Монин A.C., Обухов A.M., 1953-1962; Татарский В.И., 1956; Монин A.C., 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 СД L0, /0.

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 С„2, средней температуры Т, внешнего масштаба турбулентности ¿о, дисперсии флуктуаций температуры ат, числа Монина-Обухова С, имеют осциллирующий характер с ростом

высоты в приземном слое. Это следствие периодических неоднородностей подстилающей поверхности вблизи телескопов.

2. Установлено удовлетворительное согласие значений внешнего масштаба В.И.Татарского ¿0Т и масштаба турбулентности 1°, определенного по отклонению от 2/3-закона, измеренных различными способами.

3. Константы Колмогорова и Обухова могут почти в 2 раза (до 93% и 70% соответственно) отличаться от принятых для колмогоровской турбулентности значений.

4. Экспериментально и теоретически исследованы процессы возникновения и распада ячейки Бенара в воздухе. Показано, что причиной возникновения ячейки Бенара в воздухе являются температурные градиенты.

5. 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.

6. 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.

7. Структурная функция От(г) отклоняется от закона «2/3» Колмогорова-Обухова, в инерционном интервале (/0 « г « ¿о) имеется протяженный начальный участок, в котором От(г)~г5П. Значения структурной характеристики С„2, определяемые из закона Колмогорова-Обухова, в когерентной турбулентности будут завышены более чем в два раза.

8. В среднем интегральная интенсивность когерентной турбулентности оказывается почти вдвое меньше, чем интенсивность некогерентной колмогоровской турбулентности.

9. 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 флуктуаций света в когерентной турбулентности по сравнению с колмогоровской турбулентностью. Для фазовых (рефракционных) флуктуаций 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 С0 практически в два раза отклоняются от своих стандартных значений.

2. Вблизи вынесенных за пределы зданий приемных зеркал телескопов имеет место усиление (на порядок) флуктуаций показателя преломления.

3. Во всех измерениях в специализированных помещениях телескопов частотные спектры температуры и скорости отличаются от колмогоровских наличием «8/3»-убывания в инерционном интервале.

4. 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.

5. 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.

6. 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 флуктуаций 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 флуктуаций 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;

3) в 18 научных статьях в периодических изданиях Proceedings of SPIE (The International Society for Optical Engineering, Bellingham, WA, USA).

4) 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), 25lh 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. п., 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.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность исследований, обсуждается состояние проблемы, формируются цели и основные задачи, указывается личный вклад автора, показываются результаты апробации работы и приводятся защищаемые положения.

В первой главе диссертации поставлена задача исследования оптических характеристик турбулентности в приземном горном слое, где, в основном, располагаются астрономические телескопы и часто наблюдаются значительные отклонения характеристик турбулентности от характеристик,

соответствующих ровной подстилающей поверхности. Для этого нами проведено сравнение параметров турбулентности в горных и равнинных районах с целью прогноза и улучшения качества оптических изображений астрономических телескопов. Как выяснилось, существенный вклад в ухудшение качества изображения дает приземный горный слой атмосферы. Качество видения здесь может значительно отличаться в близко расположенных точках и зависит в основном от рельефа местности.

В результате экспедиционных работ 2000-х гг., проведенных в горных и равнинных регионах, нами была накоплена обширная экспериментальная база данных приземных измерений турбулентных характеристик в различных географических и метеорологических условиях. Полученные данные обрабатывались, анализировались и систематизировались.

Результаты наших измерений в Байкальской астрофизической обсерватории (побережье оз. Байкал), Саянской солнечной обсерватории (Саянский хребет, Бурятия, вблизи границы с Монголией), в районе Колыванского Хребта (Алтай) представлены в § 1.1 - § 1.3 первой главы. Исследованы оптические характеристики атмосферной турбулентности вблизи Большого солнечно-вакуумного телескопа БСВТ (побережье оз. Байкал), вблизи Универсального автоматизированного солнечного телескопа ACT (Саяны), вблизи Астрономического зеркального телескопа АЗТ-ЗЗ (Саяны). Проведены измерения суточного хода (долговременные ряды наблюдений) характеристик астроклимата обсерваторий. Проведены также трассовые измерения в районе Саянской солнечной обсерватории.

В § 1.4 приведены результаты наших измерений высотных профилей характеристик турбулентности вдоль башни БСВТ, выполненные в 2005 г. и вдоль вышки УНЖА в горном приземном слое Саянской солнечной обсерватории в 2007 г. Экспериментальные высотные профили оптических

характеристик в горах оказываются несовпадающими с теорией подобия для плоской подстилающей поверхности. Измеренные профили С„2, средней температуры Т, внешнего масштаба турбулентности Ь0, дисперсии флуктуаций температуры Ст2, числа Моннна-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 ¿0Т и масштаба турбулентности Ь0°, определенного по отклонению от 2/3-закона, измеренных различными способами.

Как показывают наши данные, в горах спектр турбулентности часто отклоняется от колмогоровского. В исследованных обсерваториях юга Сибири горный рельеф приводит к образованию крупных (по сравнению с другими) устойчивых вихревых структур, турбулентность в которых носит неколмогоровский характер, а постоянные Колмогорова С и Обухова Сд, как показано в § 1.5, значительно отклоняются от своих стандартных значений.

Во второй главе от измерений оптических характеристик наружной атмосферной турбулентности в местах установки телескопов мы переходим к астроклиматическим характеристикам подкупольных и специализированных помещений некоторых телескопов Саянской и Байкальской обсерваторий (§2.1-§2.3). Атмосферный участок, прилегающий к самому телескопу, составляет малую долю от всей длины оптической трассы, которая имеет место при наблюдениях, но он оказывает заметное влияние на качество формируемого изображения. Именно эта часть турбулентного слоя обладает наибольшим действием. Указанный слой содержит турбулентность подкупольных помещений.

Характеристики подкупольных воздушных потоков оказывают значительное влияние на качество изображений. Поэтому исследования астроклимата подкупольного пространства и прилегающих к телескопу территорий имеют важное значение, особенно при наличии хорошей видимости в месте расположения астрономических телескопов. Исследовался астроклимат специализированных помещений телескопа БСВТ, подкупольный астроклимат АЗТ-ЗЗ и АЗТ-14 в Саянской солнечной обсерватории. Измерения проводились в наиболее важных рабочих участках помещений телескопов. К таковым, относятся входная щель купола, участки оптического пути перед апертурой или внутри трубы телескопа, а также помещение спектрографа телескопа.

В подкупольном пространстве обычно наблюдается сильно неустойчивая температурная стратификация и зарегистрированы значительные уровни турбулентности (достаточно большие значения структурной характеристики С„). Установлено наличие стабильных вихревых воздушных потоков со средней скоростью до 1 м/с. Частотные спектры температуры 1¥т под куполами и в закрытых специализированных помещениях телескопов отличаются от колмогоровских спектров для ровной подстилающей поверхности.

Это следствие появления в закрытом воздушном объеме конвективных ячеек Бенара, влияние которых на оптические свойства турбулентности исследуются в третьей главе. Причиной возникновения ячейки Бенара в

воздухе являются температурные градиенты. Турбулентность в ячейке Бенара отличается от турбулентности в открытой атмосфере более быстрым убыванием спектров температуры и скорости в инерционном интервале (/~8'3, по сравнению с колмогоровской зависимостью 5'3) и меньшим вкладом высокочастотных компонент (мелкомасштабных вихрей). Поэтому нами построена кармановская модель трехмерного спектра температуры с соответствующим убыванием в инерционном интервале:

Фг(я) = А0 Ст2 (6.6 гео)2^" "3) (ж2 + £е02Г 3/2) ехр(- ае2/ агт2 ), А0 = 0.033, ве0 = 2я/ Ь0, гет=5.92//0, где V = 5/6 для ячейки Бенара, V = 1/3 в колмогоровской турбулентности.

Показано, что внешний масштаб турбулентности на порядок меньше минимального размера помещения спектрографа, а внутренний масштаб на порядок больше, чем в открытой атмосфере. Экспериментально зарегистрирована пространственная периодичность размеров неоднородностей поля температуры (типа шахматной структуры) в ячейке Бенара. Исследование свойств ячейки Бенара и выборочных реальных спектров турбулентности в ней (периодограмм) приводит к расширению понятию когерентных структур в воздухе.

В четвертой главе проведены исследования мест, условий и ситуаций появления крупных когерентных структур в открытой атмосфере. Полученные экспериментальные данные многолетних приземных измерений турбулентных характеристик в различных метеоусловиях и регионах размещения астрономических телескопов обнаруживают существенное отличие реальной атмосферной турбулентности в горном анизотропном слое от колмогоровской турбулентности над ровной подстилающей поверхностью. В открытой атмосфере зарегистрированы протяженные области, в которых определяющее влияние имеет одна когерентная структура. Турбулентность в таких областях называется когерентной.

В когерентной турбулентности по сравнению с некогерентной колмогоровской турбулентностью изменяется поведение структурных функций. С использованием модели трехмерного спектра, полученного в гл. 3, записанного в экспоненциальной форме, получены асимптотические представления для структурной функции флуктуаций температуры В^г) в когерентной турбулентности. В структурной функции приближенно наблюдается 2/3-колмогоровский участок, в котором О-¡(г) я .2.17 С2 г2'3. Отсюда следует, что в измерениях Ст2 из 2/3-асимптотики От{г) значения Ст будут завышенными более чем в два раза.

Показано, что при обтекании препятствий с увеличением расстояния от препятствия распадные вихри в турбулентном следе когерентной структуры смешиваются с окружающей атмосферой, а турбулентность из когерентной постепенно переходит в колмогоровскую.

В Саянской солнечной обсерватории наблюдавшийся во время измерений средний ветер имел два основных противоположных друг другу направления: с юго-запада (со стороны сравнительно ровной местности и оз. Хубсугул) и

с северо-востока - со стороны Саянских гор, являющихся препятствием для воздушных потоков. При ветре со стороны Саянского хребта спектры флуктуаций температуры №т(/) в инерционном интервале имеют «8/3»-асимптотики /" ~8/3), что является признаком присутствия когерентной

турбулентности. В то же время при противоположном направлении ветра со стороны оз. Хубсугул (ровной подстилающей поверхности) спектры турбулентности остаются колмогоровскими (1УТ~/ ~5 /3). Таким образом, ситуация меняется в зависимости от направления ветра. Воздушные массы, стекая с Саянского горного массива, и закручиваясь склонами горы Часовые Сопки, образуют над вершиной этой горы крупную долгоживущую когерентную структуру. Аналогичные условия появления когерентной турбулентности выявлены в Байкальской астрофизической обсерватории.

Получено приближенное представление для дисперсии углового дрожания края солнечного диска ста2 на наклонных трассах для когерентной турбулентности:

Оа2 = 8.06 и "3 весб ■ /к, /к = |<й С„\И).

Из оптических измерений ста2 в Саянской солнечной обсерватории восстановлены значения интегральной интенсивности атмосферной некогерентной /||1С и когерентной турбулентности /к в зависимости от диаметра приемной апертуры. Результаты измерений показывают, что присутствие в атмосфере крупных когерентных структур (спектр флуктуаций температуры в инерционном интервале }УТ~/ ~8/3, когерентная турбулентность), слабо влияет на значения интегральной интенсивности атмосферной турбулентности: 1Ш к 2.410"12 м "3, /к я 1.4-10"12 м1/3, так как интегральная интенсивность накапливается вдоль всей оптической трассы. В то же время когерентная турбулентность обычно обеднена мелкомасштабными неоднородностями, которые увеличивают С„2. Поэтому в среднем интегральная интенсивность когерентной турбулентности по данным высокогорных оптических измерений оказывается почти вдвое меньше, чем интенсивность некогерентной колмогоровской турбулентности.

В пятой главе теоретически и экспериментально исследовано ослабление флуктуаций света в когерентной турбулентности над территориями высокогорных обсерваторий.

С использованием модели трехмерного спектра, приведенного в гл. 3, выполнено сравнение расчетных амплитудных и фазовых характеристик оптического излучения в когерентной и некогерентной турбулентности. Для этой цели получены теоретические выражения для: 1) дисперсии флуктуаций логарифма амплитуды ах2 = <х2>, 2) дисперсии смещений изображения оптических источников ст,2 = <р,2>, 3) дисперсии смещений энергетического центра лазерного пучка ос2 = <рс2>. Дисперсия флуктуаций амплитуды рассчитана методом плавных возмущений (МПВ). Условия применимости МПВ соответствуют области слабых флуктуаций интенсивности и обычно выполняются при наблюдении астрономических объектов наземными

телескопами. Дисперсии фазовых характеристик оптических волн (смещений изображения оптических источников и смещений центра лазерного пучка) рассчитывались соответственно в известном лучевом приближении (Миронов В.Л., Носов В.В., Чен Б.Н., 1980) и хорошо изученном среднеинтенсивном приближении (Кон А.И., Миронов В.Л., Носов В.В, 1974).

Составим величины , 5С , , являющиеся отношением вычисленных дисперсий для когерентной и некогерентной турбулентности

= стх 1сл/сгх \„си, = сгс Ц /стс2|ПС1,, = а,2Ц/аХсИ с целью их сравнения. Будем считать, что когерентная и некогерентная турбулентности имеют одинаковые внешние масштабы 10, внутренние масштабы /0 и интенсивности турбулентности Ст2. Тогда, как следует из полученных для дисперсий выражений

Я /о / Ц при /о » Яр, Я,г / ¿0 при /о« Яр; Бся (а3(х) /¿0) 1/3; « (а, /10) 1/3,

Обычно эффективный радиус пучка на расстоянии * в турбулентной среде аэ(х), радиус приемного телескопа а,, внутренний масштаб турбулентности /0 и радиус первой зоны Френеля Яр много меньше внешнего масштаба £0. Поэтому для типичных оптических трасс и значений параметров источников и

приемников эти отношения малы: 1. Значит, по сравнению

снекогсрентггой колмогоровской турбулентностью, в когерентной турбулентности происходит значительное ослабление как амплитудных, так и фазовых флуктуаций оптического излучения.

Нами проведена экспериментальная проверка эффекта ослабления флуктуаций света в атмосферной когерентной турбулентности. Эксперименты выполнены в высокогорной Саянской солнечной обсерватории Института солнечно-земной физики СО РАН в 2010-2011 гг. Полученные нами ранее за многолетний период наблюдений метеорологические данные показывают, что над территорией Саянской солнечной обсерватории часто наблюдаются крупные когерентные структуры (гл. 4). В результате экспериментально обнаружен эффект ослабления фазовых флуктуаций света в когерентной турбулентности. Эффект возникает при наличии в атмосфере крупных когерентных структур (областей когерентной турбулентности), заключается в ослаблении фазовых и амплитудных флуктуаций оптического излучения по сравнению с колмогоровской турбулентностью, и обусловлен более быстрым убыванием спектра когерентной турбулентности и меньшим вкладом мелкомасштабных компонент.

К практическим рекомендациям по улучшению качества астрономических трассовых наблюдений и выбору оптимальных мест размещения астрономических телескопов в горных обсерваториях можно отнести прогноз временных интервалов («окна»), в которых влияние атмосферной турбулентности является минимальным в зависимости от направления средней скорости ветра и особенностей рельефа местности.

Можно также рекомендовать практически использовать значения оптических параметров атмосферы, полученных в диссертации, при

конструировании систем адаптивной оптики для наблюдений в обсерваториях юга Сибири.

В заключении сформулированы основные научные результаты, полученные в диссертационной работе.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Носов В.В., Григорьев В.М., Ковадло П.Г., Лукин В.П., Носов Е.В., Торгаев A.B. Астроклимат специализированных помещений Большого солнечного вакуумного телескопа. 4.1 //Оптика атмосферы и океана. 2007. Т. 20. № 11. С. 1013-1021.

2. Носов В.В., Григорьев В.М., Ковадло П.Г., Лукин В.П., Носов Е.В., Торгаев A.B. Астроклимат специализированных помещений Большого солнечного вакуумного телескопа. 4.2 // Оптика атмосферы и океана. 200В. Т. 21. № 3. С. 207-217.

3. Лукин В.П., Григорьев В.М., Антошкин Л.В., Ботыгина H.H., Емалеев О.Н., Коняев П.А., Ковадло П.Г., Носов В.В., Скоморовский В.И., Торгаев A.B. Возможности применения адаптивной оптики для солнечных телескопов // Оптика атмосферы и океана. 2009. Т. 22. № 5. С. 499-511.

4. Носов В.В., Григорьев В.М., Ковадло П.Г., Лукин В.П., Носов Е.В., Торгаев A.B. Рекомендации по выбору мест размещения наземных астрономических телескопов // Оптика атмосферы и океана. 2010. Т. 23. № 12. С. 1099-1110.

5. Носов В.В., Ковадло П.Г., Лукин В.П., Торгаев A.B. Атмосферная когерентная турбулентность // Оптика атмосферы и океана. 2012. Т.25. № 9. С. 753-759.

6. Больбасова Л.А, Ковадло П.Г., Лукин В.П., Носов В.В., Торгаев A.B. Особенности дрожания изображения оптического источника в случайной среде с конечным внешним масштабом // Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25. № 10. С. 845-851.

7. Носов В.В., Григорьев В.М., Ковадло П.Г., Лукин В.П., Носов Е.В., Торгаев A.B. Проблема когерентной турбулентности // Вестник МГТУ "Станкин ". 2013. Т.24. № 1. С. 103-107.

8. Носов В.В., Григорьев В.М., Ковадло П.Г., Лукин В.П., Носов Е.В., Торгаев A.B. Оптимальное размещение наземных коротковолновых приемников атмосферных телекоммуникационных систем // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2011. № 3. С.76-82.

9. Носов В.В., Григорьев В.М., Ковадло П.Г., Лукин В.П., Носов Е.В., Торгаев A.B. Флуктуации астрономических изображений в когерентной турбулентности // Изв. вузов. Физика. 2012. Т. 55. № 9/2. С. 223-225.

Ю.Носов В.В., Григорьев В.М., Ковадло П.Г., Лукин В.П., Носов Е.В., Торгаев A.B. Когерентные структуры - элементарные составляющие атмосферной турбулентности // Изв. вузов. Физика. 2012. Т. 55. № 9/2. С. 236-238. Н.Носов В.В., Григорьев В.М., Ковадло П.Г., Лукин В.П., Носов Е.В., Торгаев A.B. Когерентная турбулентность на территории Байкальской астрофизической обсерватории // Изв. вузов. Физика. 2012. Т. 55. № 9/2. С. 204-206.

12. Носов В.В., Григорьев В.М., Ковадло П.Г., Лукин В.П., Носов Е.В., Торгаев A.B. Когерентная турбулентность вблизи приемной апертуры астрономического телескопа//Изв. вузов. Физика. 2012. Т. 55. № 9/2. С. 212-214.

13. Носов В.В., Григорьев В.М., Ковадло П.Г., Лукин В.П., Торгаев A.B. Результаты измерений астроклиматических характеристик вблизи Большого солнечного вакуумного телескопа // Солнечно-земная физика. 2006. Вып. 9. С. 104-109.

14. Носов В.В., Григорьев В.М., Ковадло П.Г., Лукин В.П., Папушев П.Г., Торгаев A.B. Результаты измерений астроклиматических характеристик подкупольного пространства телескопа АЗТ-ЗЗ Саянской солнечной обсерватория Института

солнечно-земной физики СО РАН//Солнечно-земная физика. 2006. Вып. 9. С. 101-103.

15. Лукин В.П., Носов В.В., Торгаев А.В. Дистанционный контроль характеристик турбулентности с борта самолета. 4.1 // Методы и устройства передачи и обработки информации. 2009. Вып. 11. С. 181-189.

16. Лукин В.П., Носов В.В., Торгаев А.В. Дистанционный контроль характеристик турбулентности с борта самолета. 4.2 // Методы и устройства передачи и обработки информации. 2009. Вып. 11. С. 189-204.

17.Носов В.В., Григорьев В.М., Ковадло П.Г., Лукин В.П., Носов Е.В., Торгаев А.В. Когерентные структуры в турбулентной атмосфере. Эксперимент и теория // Солнечно-земная физика. 2009. Вып. 14. С. 117-126.

18. Nosov V.V., Lukin V.P., Nosov E.V., Torgaev A.V., Grigoriev V.M., Kovadlo P.G. Coherent structures in the turbulent atmosphere // Mathematical models of nonlinear phenomena. N.Y.: Nova Science Publishers. USA. 2010. P. 120-154.

19. Носов В.В., Григорьев В.М., Ковадло П.Г., Лукин В.П., Носов Е.В., Торгаев А.В. Практические рекомендации по выбору мест размещения наземных астрономических телескопов // Солнечно-земная физика. 2011. Вып. 18. С. 86-97.

20. Nosov V.V., Grigoriev V.M., Kovadlo P.G., Lukin V.P., Torgaev A.V. Astroclimate of specialized stations of the Large solar vacuum telescope: Part I // Proc.SPIE. USA. 2007. V. 6936. [6936-25]. P. 170-180.

21. Nosov V.V., Grigoriev V.M., Kovadlo P.G., Lukin V.P., Torgaev A.V. Astroclimate of specialized stations of the Large solar vacuum telescope: Part II // Proc.SPIE. USA. 2007. V.6936. [6936-26]. P.181-192.

22. Nosov V.V., Lukin V.P., Nosov E.V., Torgaev A.V. Result measurements of A.N. Kolmogorov and A.M. Obukhov constants in the Kolmogorov-Obukhov law // Proc.SPIE. USA. 2008.V.7296. [7296-09]. P.70-77.

23. Nosov V.V., Lukin V.P., Torgaev A.V. Decrease of the light wave fluctuations in the coherent turbulence // Proc. SPIE. USA. 2008. V. 7296. [7296-10]. P. 77-82.

24. Nosov V.V., Lukin V.P., Torgaev A.V. Structure function of temperature fluctuations in coherent turbulence II Proc. SPIE. USA 2008. V. 7296. [7296-13]. P. 94-97.

25. Nosov V.V., Grigoriev V.M., Kovadlo P.G., Lukin V.P., Nosov E.V., Torgaev A.V. Coherent structures in turbulent atmosphere // Proc. SPIE. USA. 2008. V. 7296. [729608]. P. 53-70.

26. Nosov V.V., Grigoriev V.M., Kovadlo P.G., Lukin V.P., Nosov E.V., Papushev P.G., Torgaev A.V. Astroclimate parameters of the surface layer in the Sayan solar observatory // Proc. SPIE. USA. 2008. V. 7296. [7296-12]. P. 87-94.

27. Nosov V.V., Grigoriev V.M., Kovadlo P.G., Lukin V.P., Nosov E.V., Torgaev A.V. Coherent structures in mountain atmospheric boundary layer // 25th International Laser Radar Conference. St. Petersburg. Russia. 2010.

28. Nosov V.V., Kovadlo P.G., Lukin V.P., Nosov E.V., Torgaev A.V. Atmospheric coherent turbulence // Proc. SPIE. USA. 2012. V.8447. P.844756-1-844756-8.

Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 78.

Тираж отпечатан в типографии ИОА СО РАН. 18

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Торгаев, Андрей Витальевич, Томск

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ОПТИКИ АТМОСФЕРЫ им. В.Е. ЗУЕВА

На правах рукописи

04201 452815

ТОРГАЕВ Андрей Витальевич

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТУРБУЛЕНТНОСТИ В ГОРНОМ ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Специальность 01.04.05 - оптика

Научный руководитель д. ф.-м. н. Носов В.В.

Научный консультант д. ф.-м. н., профессор Лукин В.П.

I !

Томск-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ стр.

ВВЕДЕНИЕ...............................4

Г л а в а 1. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТУРБУЛЕНТНОСТИ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ ГОРНЫХ РАЙОНОВ ЮГА СИБИРИ........................27

§ 1.1 Оптические характеристики турбулентности в приземном слое

Байкальской астрофизической обсерватории............30

1.1.1. Результаты измерений характеристик воздушных потоков

над площадкой, на которой расположен БСВТ............31

1.1.2. Результаты измерений характеристик локального астроклимата на внешней верхней площадке БСВТ (вблизи входного

зеркала БСВТ).......................32

1.1.3. Результаты долговременных измерений характеристик

астроклимата на площадке БСВТ..................33

§ 1.2. Оптические характеристики турбулентности в приземном слое

Саянской солнечной обсерватории................36

1.2.1. Результаты измерений астроклиматических характеристик

вблизи вынесенных за пределы зданий приемных зеркал ACT......36

1.2.2. Трассовые измерения оптических характеристик анизотропной турбулентности в районе Саянской солнечной обсерватории.......37

1.2.3. Результаты долговременных измерений характеристик

астроклимата Саянской солнечной обсерватории...........38

§ 1.3. Оптические характеристики турбулентности в приземном слое

предгорий Колыванского хребта.................41

§ 1.4. Высотные профили оптических параметров турбулентности

в приземном горном слое....................45

1.4.1. Измерения высотных профилей характеристик воздушных потоков вдоль башни БСВТ (осциллирующее поведение

высотных профилей).....................46

1.4.2. Астроклиматические характеристики приземного слоя и внешний масштаб турбулентности в измерениях вдоль вышки УНЖА

в приземном слое Саянской солнечной обсерватории..........51

§ 1.5. Результаты измерений постоянных А.Н. Колмогорова и A.M. Обухова

в законе Колмогорова-Обухова..................59

Г л а в а 2. АСТРОКЛИМАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОДКУПОЛЬНЫХ И СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ НЕКОТОРЫХ

ТЕЛЕСКОПОВ ОБСЕРВАТОРИЙ ЮГА СИБИРИ........67

§ 2.1. Астроклимат специализированных помещений

Большого солнечного вакуумного телескопа............68

§ 2.2. Подкупольный астроклимат телескопа АЗТ-ЗЗ

Саянской солнечной обсерватории................79

§ 2.3. Подкупольный астроклимат телескопа АЗТ-14

Саянской солнечной обсерватории................89

Г л а в а 3. КОГЕРЕНТНЫЕ СТРУКТУРЫ В ВОЗДУХЕ ЗАКРЫТЫХ

ПОМЕЩЕНИЙ........................95

§ 3.1. Зарождающаяся конвективная турбулентность. Ячейки Бенара .... 96

§ 3.2. Модели спектров флуктуаций температуры в ячейке Бенара.....102

§ 3.3. Внешний, внутренний масштабы и интенсивность

конвективной турбулентности в ячейке Бенара...........104

§ 3.4. Сценарии стохастизации конвективных течений..........105

§ 3.5. Расширение понятия «когерентная структура».

Реальная турбулентность....................114

Г л а в а 4. КОГЕРЕНТНАЯ ТУРБУЛЕНТНОСТЬ В ОТКРЫТОЙ

АТМОСФЕРЕ НАД ТЕРРИТОРИЯМИ ОБСЕРВАТОРИЙ.....118

§ 4.1. Когерентные структуры и реальная турбулентность

в открытой атмосфере горного приземного слоя..........120

§ 4.2. Структурная функция флуктуаций температуры

в когерентной турбулентности..................124

§ 4.3. Когерентные структуры в атмосфере, возникающие

при обтекании препятствий...................128

§ 4.4. Условия формирования колмогоровской и когерентной

турбулентности над территориями обсерваторий юга Сибири .... 133 § 4.5. Интегральная интенсивность атмосферной турбулентности

по данным высокогорных оптических измерений..........138

Г л а в а 5. ОСЛАБЛЕНИЕ ФЛУКТУАЦИЙ СВЕТА В КОГЕРЕНТНОЙ

ТУРБУЛЕНТНОСТИ ВЫСОКОГОРНЫХ ОБСЕРВАТОРИЙ ... 143 § 5.1. Ослабление флуктуаций световой волны

в когерентной турбулентности..................144

§ 5.2. Экспериментальная проверка эффекта ослабления флуктуаций света

в атмосферной когерентной турбулентности............150

§ 5.3. Практические рекомендации по повышению качества изображений

в астрономических телескопах горных обсерваторий........155

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................163

ЛИТЕРАТУРА.............................166

ВВЕДЕНИЕ

Диссертация посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию оптических свойств турбулентности в горном пограничном слое.

Актуальность исследований

Земная атмосфера, как известно, 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. Однако 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

•у

параметрами [1]: структурная характеристика флуктуаций показателя преломления С„ и ее интегральное значение 1с„2гй, внешний Ь0 и внутренний /о масштабы, масштаб Монина-Обухова Ь и число Монина-Обухова £ = к / Ь, скорость диссипации энергии 8, а также частотные спектры, структурные и корреляционные функции флуктуаций метеорологических параметров, таких как температура Т, скорость ветра V и др.

Рассматривая уравнение для структурной функции флуктуаций скорости, А.Н.Колмогоров [2] и А.М.Обухов [3] (1941), используя теорию размерностей, сформулировали известный закон «2/3» для локально однородной турбулентности: Dn(r) = C2r2,\ D1(r) = CT2r2'\ Drr(r) = Су2г 2/3, С2 = constСг2, Су2 = Се2/3, Ст2 = Сеe~2/3N. где Dm Dt, D„ - структурные функции продольной скорости, температуры и показателя преломления, С2, Ст, С2 - соответствующие структурные характеристики.

Дальнейшее прогресс в теории подобия связан с именами Монина A.C. (1965, 1967 [57]), Обухова A.M. (1941 [2], 1951 [4], 1960 [5]), Голицына Г.С. (1960 [6]) и др. Для идеального случая приземного слоя с ровной подстилающей поверхностью (изотропный пограничный слой) были вычислены средние скорости диссипации кинетической энергии и температуры.

Были также сформулированы основные предельные высотные зависимости для Ст, Lo для различных температурных стратификаций: при безразличной стратификации:

С2~/Г2/3, при неустойчивой: Сп2~ А- 473, при устойчивой стратификации: С2~ const.

Для высотных профилей Сп (И) в настоящее время применяются известные феноменологические модели: 1) Хафнагель, Стенли (Hufnagel R.E., Stanley N.R. 1963 [12]), 2) Коулман (Coulman С.Е., 1969 [13]), Бафтон (Bufton J.L., 1972 [14], 1973 [15]), 3) Гурвич A.C., Кон А.И., Миронов В.Л., Хмелевцов С.С. (1976 [55]), 4) Грачева М.Е., Гурвич A.C. (1980 [16]).

В случае приземного слоя с ровной подстилающей поверхностью турбулентные характеристики (е, N, Ст) изучались известными авторами: Таунсенд (Townsend A.A., 1948 [83], 1956 [84], 1959 [17]), Монин A.C., Яглом A.M. (1965, 1967 [57]), Татарский В.И. (1967 [56]), Голицын Г.С. (1960 [11]), Бэтчелор (Batchelor G.K. 1955 [18], 1959 [19]), Гурвич A.C. (1959 [20], 1960 [21], 1962 [22], 1967 [23]), Цванг Л.Р. (1960 [24], 1967 [25]), Каллистратова М.А. (1959 [26], 1985 [27]), Вызова Н.Л. (1989 [28]) и др.

В горных районах оптические характеристики турбулентности в разные годы изучались следующими группами исследователей: Дарчия Ш.П. (1961 [29], 1979 [30], 1985 [31]), Ковадло П.Г. (1975 [32], 1977 [33]); Лоуренс (Lawrence R.S.), Оке (Ochs G.R.), Клиффорд (Clifford S.F.) (1970 [53]); Вингард (Wyngaard J. С.), Изуми (Izumi Y.), Коллинз (Collins S. А.) (1971 [34]); Эразмус (Erasmus D.A.), Томпсон (Thompson L.A.) (1986 [35]); Вернин (Vernin J.), Масадри (Masciadri Е.), Авила (Avila R.) (1998 [36]); Новиков С.Б. (1975 [37]), Лукин В.П. (1983 [38]), Гурьянов А.Э. (1983 [39]), Токовинин A.A. (1979 [40], 2010 [133]) 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 A.A., [133]). 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 [41]), именно эта часть турбулентного слоя обладает наибольшим влиянием на качество формируемого изображения (Щеглов П.В., 1975 [37], 1979 [40], 1980 [42]; Шевченко B.C., 1983 [43]). 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 и в экспериментальных исследованиях в горах 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 L0 и внутренний /о масштабы турбулентности. Еще одним параметром спектра служит его амплитуда (интенсивность), характеризуемая структурной характеристикой С„2. Существующие методы расчета турбулентных характеристик (теория подобия: Монин A.C., Обухов A.M., 1953-1962 [35]; Татарский В.И., 1956 [44]; Монин A.C., Яглом A.M., 1965, 1967 [57]; Зилитинкевич С.С., 1970 [45]) 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 обычно расчетные высотные профили параметров Сп , L0, /0.

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.

Цель работы

Задачами работы являются:

• сравнение зарегистрированных характеристик турбулентности в горных и равнинных районах,

Методы исследований

В диссертации применяются экспериментальные и теоретические методы исследований. Экспериментальными методами изучались свойства турбулентной атмосферы в приземном слое выбранных горных районов. Также экспериментально изучалось явление дрожания астрономических изображений в телескопах Саянской солнечной обсерватории.

Теоретическое описание рассматриваемых в диссертации вопросов базируется на фундаментальных результатах, достигнутых в теории распространения волн в турбулентной среде [1, 2-6, 42-44, 46, 48, 49. 55, 56, 135, 139].

Для исследования свойств приземной турбулентной атмосферы применялись акустические и оптические методы измерений. Результаты использования акустических методов (применение ультразвуковой метеосистемы для измерений характеристик турбулентной атмосферы) приводятся во всех пяти главах диссертации. В каждой главе рассматриваются различные оптические характеристики атмосферной турбулентности, соответствующие рассматриваемому в главе кругу задач. Оптические методы измерений (измерения дрожания изображений края солнечного диска в астрономическом телескопе) рассматриваются в заключительной пятой главе.

В наших измерениях использовалась мобильная малогабаритная ультразвуковая метеосистема, разработанная в Институте оптики атмосферы СО РАН [164-171]. Обзор различных выпускающихся в настоящее вре�