CC BY
45
ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРОВ СЕРЕБРИСТЫХ ОБЛАКОВ: МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ
© Солодовник А.А.*, Савченко И.В.*
Северо-Казахстанский государственный универсиет, Республика Казахстан, г. Петропавловск
На примере полного каталога изучены статистические характеристики кратковременных лунных явлений. Показано преобладание феноменов люминесцентных свечений. Выделены преимущественные цвета этих свечений. Выполнено физическое обоснование люминесцентных КЛЯ с потоками солнечного ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Обсуждается различие причин порождающих КЛЯ в дневной и теневой части диска. Предложены перспективные направления исследований КЛЯ.
Ключевые слова: МСО, облака, люминесцентные свечения, спектрография.
Многообразные аспекты природы серебристых облаков исследуются различными методами, но ряд ключевых вопросов не может быть решён иначе как посредством получения и изучения их спектров. Постановка такой задачи в высокой степени актуальна ввиду малочисленности попыток спектральных наблюдений МСО и противоречивости полученных по их итогам выводов [1-3]. Трудно сказать, что явилось главной причиной такой ситуации - эпизодичность применения методов спектроскопии к исследованиям серебристых облаков или низкое качество полученного материала и отсутствие единого подхода к обработке и интерпретации полученных данных.
Среди наземных исследований серебристых облаков первоочередного внимания заслуживает работа, выполненная Н.И. Гришиным. Ему принадлежит приоритет первого получения спектров серебристых облаков в 1951 году [4]. В наблюдениях использовался призменный светосильный спектрограф со стеклянной оптикой. Исследуемый диапазон длин волн охватывал область спектра от 4000 до 6800 А. Спектры облаков, сравнивались со спектром безоблачного сумеречного сегмента, а так же со спектрами неба в разрывах облаков. Щель спектрографа располагалась вертикально, и ее высота соответствовала 7 градусам высоты на небесной сфере. Автор изучал спектры облаков различной яркости, от слабых до самых ярких. Спектры регистрировались на фотоэмульсии, что впоследствии не могло не сказаться на точности результатов их фотометрии.
* Доцент астрономии кафедры «Физика», кандидат физико-математических наук.
* Магистрант.
На первом этапе обработки Н.И. Гришин сопоставлял спектры облаков со спектрами сумеречного сегмента (рис. 1), полученными в сходных условиях в отношении положения Солнца относительно горизонта. Кроме того сравнивались между собой спектры облаков различной яркости. В итоге, автор выделил некоторые спектральные интервалы, в которых, по его мнению, имелся избыток излучения (эмиссия) от облачного аэрозоля. Наибольшее внимание исследователя привлекла возможная эмиссия в синей части спектра (рис. 2).
Рис. 1. Спектры сумеречного сегмента для разных высот (по Гришину). Заметно покраснение сумеречного сегмента неба с уменьшением угловой высоты. Кривые соответствуют отношениям интенсивности для высот: 1 - 7 и 14°, 2 - 9 и 14°, 3 - 9 и 12°, 4 - 7 и 9°, сплошная кривая - средняя [4]
Рис. 2. Спектральные распределения интенсивности излучения для возрастающих по яркости (от 1 к 3) серебристых облаков (по Гришину) [4]
Полученные Гришиным спектры характерны наличием особенностей связанных либо с обширными полосами поглощения, либо, как предполагал автор, с эмиссией в отдельных спектральных интервалах. Впоследствии подобные спектры не удалось повторить ни одному наблюдателю.
Совершенно иной результат представлен в работах Б. Фогля [4]. Его подход характерен использованием гораздо большего по объему наблюдательного материала. Применяемое им оборудование по характеристикам ненамного превосходило спектрограф Н.И. Гришина, но описание методики обработки в литературе отсутствует. Тем не менее, заслуживает внимания значительное отличие полученных Б. Фоглем кривых распределения энергии по длинам волн от результатов Н.И. Гришина. При наличии сходного избытка излучения в синей части спектра, результаты Б. Фогля не показывают никаких особенностей, которые могут быть истолкованы как эмиссионные или абсорбционные детали (рис. 3).
Рис. 3. Распределение интенсивности излучения серебристых облаков по Фоглю, которое радикально отличается от результатов Гришина [4]
Л,мм»
Рис. 4. Результаты интерпретации наблюдаемых спектров по Дейрменджяну и Вестину с учетом различия рассеивающих свойств частиц разных размеров [4]
В последующем исследователи серебристых облаков не раз пытались с помощью различных подходов по-своему интерпретировать результаты Н.И. Гришина и Б. Фогля. В частности Е. Вестин и Д. Дейрменджян обработав гришинские спектрограммы в предположении наличия в облаках ансамбля частиц со специально подобранными размерами, получили результат весьма близкий к спектрам Б. Фогля. То есть они показали, что вид спектра облаков в сильной степени зависит от микрофизических параметров входящего в их состав аэрозоля. Впрочем, они не отрицали влияния эмиссии ночного неба на вид спектров МСО (рис. 4) [4].
Позднее, О.Б. Васильев, базируясь на теории Ми, показал, что даже однородные по размерам ансамбли частиц могут давать несколько максимумов в спектрах рассеянного излучения. Таким образом, он вновь «примирил» результаты Н.И. Гришина и Б. Фогля, предположив, что они наблюдали облака с различными по размерам частицами аэрозоля.
Однако идея о возможности влияния эмиссии на спектр МСО продолжала жить. Так развивая свои исследования Н.И. Гришин, совместно с В.А. Брон-штэном рассмотрели возможность влияния эмиссии и абсорбции на формирование спектров МСО. Выдвинутое ими в подкрепление своих взглядов предположение об озонно-кислородной природе облачных частиц осталось историческим казусом (рис. 5).
Таким образом, наземные исследования не дали однозначных свидетельств в пользу присутствия люминесцентного или абсорбционного механизма трансформации излучения на аэрозольных частицах серебристых облаков. В этой ситуации все надежды возлагались на исследования из космоса. Ведь эти наблюдения в меньшей степени отягощены влиянием атмосферных эффектов на спектральный состав излучения.
$ооо вот л, л Рис. 5. Сравнение положения полос поглощения МСО (по Н.И. Гришину) с полосами поглощения жидкого кислорода по (О.Б. Васильеву). Высота линий соответствует интенсивности полос поглощения. Тонкие линии - серебристые облака, жирные - кислород [4]
Такие исследования, в том числе спектральные действительно проводились в 70-ые годы прошлого века, когда появилась возможность проводить многочисленные эксперименты на борту орбитальных станций [5]. Однако, в отсутствие адекватной методики получения и обработки данных, эти наблюдения практически ничего не прибавили к решению поставленной задачи. Так на рис. 6 мы можем видеть представление результатов фотометрических измерений яркости серебристых облаков в двух длинах волн с борта космической станции. Анализируя различный вид хода яркости в избранных диапазонах можно сделать вывод не более чем как о наличии некоторых спектральных особенностей излучения рассеянного полем МСО.
О 5 Ю 15
Рис. 6. Результаты сканирования хода яркости МСО в двух длинах волн с борта космической станции (1 - 0,42 мкм; 2 - 0,5 мкм) [5]
Спектральные исследования серебристых облаков в оптическом диапазоне с тех пор (70-ые годы XX века) практически не возобновлялись. В научной литературе наиболее полно этот вопрос был поднят сравнительно недавно В.Д. Вдовиченко [6]. Его исследование характерно как большим объемом полученного автором экспериментального материала, так и тщательностью его обработки, при которой учитывались не только спектры сумеречного сегмента, но и спектры Солнца. В итоге исследования автором показано, что аэрозольная среда серебристых облаков трансформирует спектр падающего излучения. При этом влияние поглощения света в отдельных полосах практически не прослеживается, но не исключается эмиссионная компонента. Её В.Д. Вдовиченко связывает с возможным наличием органических соединений в составе частиц МСО. Следует отметить, что свои результаты автор не считает окончательными и полагает необходимым продолжение спектральных исследований серебристых облаков.
Принимая во внимание все изложенное выше, мы считаем наиболее важной предельную продуманность постановки спектральных наблюдений, то есть учет всех факторов способных внести ошибки в конечный результат. Прежде всего, речь идет о том, что серебристые облака всегда располагаются вблизи горизонта. При этом очень быстро с угловой высотой изменяется величина атмосферного поглощения излучения во всех длинах волн благо-
даря влиянию и молекулярного рассеяния и рассеяния на аэрозолях нижней атмосферы. Если вклад первого эффекта достаточно полно описан математически или табулирован, то аэрозольное рассеяние света учесть крайне трудно, поскольку оно сильно меняется не только от даты к дате, но и в пределах одной наблюдательной ночи. Как было показано ранее на высотах менее 4 градусов над горизонтом, аэрозольное рассеяние является преобладающим фактором [7]. Поэтому фотометрические или спектральные наблюдения низких МСО проводить не целесообразно.
По этой же причине мы считаем ненадежным использованный во всех предыдущих работах подход к учету влияния свечения сумеречного сегмента на спектры серебристых облаков. А именно при вертикальном расположении щели спектрального прибора исследователю приходится сравнивать спектр облака со спектром участка сумеречного сегмента расположенного выше или ниже. При этом влияние атмосферных эффектов на формирование спектров будет всюду различным. В целях повышения точности результатов исследования мы сочли целесообразным располагать входную щель спектрального прибора строго горизонтально. Тогда спектры фрагмента серебристого облака и сумеречного сегмента будут получены в одинаковых условиях в рассмотренном выше контексте (рис. 7).
Рис. 7. Фотография поля серебристых облаков с указанием области захвата щелью спектрометра (выделена сплошной линией)
Наблюдения спектров серебристых облаков проводились в обсерватории Северо-Казахстанского государственного университета в июне-июле 2013 года. При этом не все случаи появления серебристых облаков были удачными для получения спектров с учетом упомянутого выше обстоятельства. Необходимо было уловить появление облаков с четко выраженными вертикальными полосами или иными деталями. Получение спектров выполнялось с помощью портативного дифракционного спектрографа протяженных объектов (ПДСПО).
В основе конструкции прибора использованы стандартные оптические детали. Регистрация спектров осуществляется матрицей STL-11000M, пара-
метры которой определяли, в частности, разрешающую способность спектрографа. Общий вид комплекса установленного на штативе от переносного телескопа ТАЛ-1 показан на рис. 8.
Рис. 8. Общий вид используемого спектрометрического комплекса
Диспергирующим элементом спектрометра служит дифракционная решетка, имеющая 200 штрихов на миллиметр, работающая на пропускание. В первом порядке спектральное разрешение обусловленное размером пикселей составило около 5 ангстремов в области максимальной чувствительности приемника. Камерный объектив (Юпитер-9) с фокусным расстоянием 85 мм, обеспечил линейную дисперсию 588 А/мм. При этом длина спектра первого порядка от 4000 до 10000 А составляла около 10 мм. В целях разделения спектров первого и второго порядка использован светофильтр КС-14. С учётом этого получение полного спектра требовало использование двух приёмов: без светофильтра (коротковолновая часть) и со светофильтром (длинноволновая часть). В последующем полученные спектры «склеивались» в графическом редакторе.
Спектрометр имеет собственный объектив (Юпитер - 3), позволяющий вырезать в сочетании с входной щелью участки неба шириной от одного градуса до десятых долей минуты дуги. Этому соответствуют участки поля МСО (при их средней удаленности в 500 км) с примерными размерами от 10 км до 100 м. Таким образом, пространственное разрешение прибора позволяет рассчитывать на получение спектров как достаточно крупных структур поля МСО, так и отдельных их деталей.
Перед сезоном наблюдений была проведена подготовительная работа, заключающаяся в юстировке прибора, проверке работоспособности элементов спектрометрического комплекса, градуировке спектральной шкалы, определении оптимальных параметров настройки прибора для нашей задачи, в частности, таких как расположение и ширина щели, экспозиция снимков и т.д.
Юстировка спектрометра выполнялась в лаборатории оптики с помощью лазерного коллиматора. Градуировка проводилась с использованием водородной и ртутной ламп. Оптимальная фокусировка объектива установлена путем получения серии снимков спектров сумеречного сегмента неба. Критерием качественной фокусировки был избран контраст изображения. Анализируя снимки, полученные при разных фокусировках объектива, построили график изменения степени контрастности, по которому определен её максимум, соответствующий наилучшей резкости изображения (рис. 9).
При горизонтальном расположении щели, получены спектры дневного неба, позволившие определить такую ее ширину, которая соответствует наиболее резким изображениям спектральных деталей. Она оказалась равной 0,05 мм.
Исследование приемника выполнено путём получения спектров при разных экспозициях от 30 секунд до 4 минут. Причиной выбора такого большого диапазона времени экспозиции явилось значительное изменение яркости сумеречного сегмента неба и серебристых облаков на протяжении ночи. Оказалось, что при больших экспозициях на снимках образуются шумы из-за появления «горячих пикселей» на кристалле матрицы. Для их устранения съемка проводилась с охлаждением матрицы до -6°С, при температуре окружающей среды от 18°С до 10°С.
О 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600. НМ
Рис. 9. Фотография и график изменения интенсивности спектра сумеречного сегмента неба. Хорошо видны теллурические полосы поглощения и фраунгоферовы линии
При наблюдениях планировалось получить максимально точные данные о распределении энергии по длинам волн. Как уже было отмечено, такая информация в зашифрованном виде содержит в себе сведения о составе, размерах и концентрации облачных частиц. Несмотря на устоявшееся представление о водно-ледяном характере облачных аэрозолей время от времени возникают идеи о возможности более сложного их строения. Так в научной литературе с недавних пор обсуждается гипотеза о наличие слоя осажденного натрия на облачных частицах. Кроме того открытым остается вопрос о возможности фотолюминесценции серебристых облаков. Альтернативой
гипотезе люминесценции является такой механизм перераспределения солнечного света, который связан с оптическими свойствами молекул воды (и водных аэрозолей) и должен вести к усилению свечения в синей части спектра МСО по сравнению с красным [8]. Не исключено, что полученные точные спектральные данные помогут также уточнить и выводы о размерах облачных частиц, которые иногда оцениваются методами поляриметрии, впрочем, не столь уж точными, по тем же самым причинам которые рассмотрены выше.
Не смотря на то, что сезон 2013 года был исключительно обилен эпизодами появления серебристых облаков (зарегистрировано около 30 случаев), далеко не все случаи появления МСО были благоприятны для получения спектрограмм. В этой связи приходилось в режиме непрерывного слежения осуществлять наблюдения за серебристыми облаками каждую ночь. Наилучшие условия для получения спектров пришлись на даты с 09.07.2013 на 10.07.2013. Дневник наблюдения данной ночи представлен в таблице 1. Появление серебристых облаков, причем ярко выраженных, в данную ночь было заранее спрогнозировано на основе анализа развития тропосферных процессов [9]. Серебристые облака появились приблизительно в 01ь05т, причем их яркость и площадь облачного поля возрастали со временем. Наличие почти вертикальной границы в западной части поля МСО позволило приступить к получению спектров. В течение ночи было получено 20 спектров серебристых облаков, сумеречного сегмента и уличного ртутного фонаря. Спектр осветительного устройства понадобился нам для того, чтобы в последующей обработке максимально ослабить влияние городской засветки на результаты нашего исследования. Образец условий съемки спектра облака и сумеречного сегмента приведен выше на рис. 7. Появление тумана, вблизи момента времени 02ь49т, на условия получения спектров серебристых облаков не повлияло, так как точка наблюдения располагалась на высоте 7-ми метров над уровнем от поверхности земли.
Таблица 1
Дневник наблюдений спектров серебристых облаков в ночь с 09 на 10 июля 2013 года
№ снимка Время съемки Объект съемки Условия видимости Время экспозиции, секунды
1 01ь14т Серебристые облака Сумеречный сегмент полностью свободен. Слабовыраженные МСО 60
2 01ь26т Серебристые облака (Установлен красный фильтр) Сумеречный сегмент полностью свободен. Слабовыраженные МСО 60
3 01ь34т Серебристые облака Сумеречный сегмент полностью свободен. Слабовыраженные МСО 120
Продолжение табл. 1
№ снимка Время съемки Объект съемки Условия видимости Время экспозиции, секунды
4 01ь46ш Серебристые облака Сумеречный сегмент полностью свободен. Слабовыраженные МСО 240
5 02ь07т Отдаленный уличный ртутный фонарь Яркий 60
6 02ь15т Серебристые облака Сумеречный сегмент незначительно перекрывается тропосферными облаками (съемке не мешают). Хорошо видимые МСО 120
7 02ь25т Серебристые облака Сумеречный сегмент незначительно перекрывается тропосферными облаками (съемке не мешают). Хорошо видимые МСО 240
8 02ь36т Сумеречный сегмент Сумеречный сегмент полностью свободен. Хорошо видимый. 240
9 02ь44т Сумеречный сегмент Сумеречный сегмент полностью свободен. Яркий 120
10 02ь49т Серебристые облака Появление тумана (съемке не мешает). Сумеречный сегмент полностью свободен. Яркие МСО 120
11 02ь56т Серебристые облака Туман (съемке не мешает). Сумеречный сегмент полностью свободен. Яркие МСО 120
12 03ь02т Серебристые облака Туман (съемке не мешает). Сумеречный сегмент полностью свободен. Яркие МСО 120
13 03ь05т Серебристые облака Туман (съемке не мешает). Сумеречный сегмент полностью свободен. Яркие МСО 60
14 03ь10т Серебристые облака Туман (съемке не мешает). Сумеречный сегмент полностью свободен. Яркие МСО 60
15 03ь14т Серебристые облака Туман (съемке не мешает). Сумеречный сегмент полностью свободен. Яркие МСО 30
16 03ь20т Серебристые облака Туман (съемке не мешает). Сумеречный сегмент полностью свободен. Яркие МСО 120
17 03ь26т Серебристые облака Туман (съемке не мешает). Сумеречный сегмент полностью свободен. Яркие МСО 120
18 03ь33т Сумеречный сегмент Туман (съемке не мешает). Сумеречный сегмент полностью свободен. Хорошо видимый 120
19 03ь40т Серебристые облака и сумеречный сегмент Туман (съемке не мешает). Сумеречный сегмент полностью свободен. Хорошо видимые МСО 120
20 03ь45т Серебристые облака и сумеречный сегмент Туман (съемке не мешает). Сумеречный сегмент полностью свободен. Хорошо видимые МСО 120
Рассмотрим образцы отдельных спектров серебристых облаков полученных нами при выполнении наблюдательной программы. Они представлены на рис. 10-17. От снимка к снимку изменяется яркость серебристых облаков и используемая экспозиция. Под каждым изображением спектра представлен его фотометрический разрез. По горизонтальной оси отклады-
ваются длины волн (нм), а по вертикальной оси относительная интенсивность в данной длине волны.
Рис. 10. Пример изображения спектра МСО и его фотометрический разрез. Время съемки 01ь14т с экспозицией 60 секунд. Серебристые облака слабовыраженные
Рис. 11. Пример изображения спектра МСО и его фотометрический разрез. Снимок сделан с использованием красного светофильтра. Время съемки 01ь26т с экспозицией 60 секунд. Серебристые облака слабовыраженные
Рис. 12. Пример изображения спектра МСО и его фотометрический разрез. Время съемки 01ь34т с экспозицией увеличенной до 120 секунд. Серебристые облака слабовыраженные
О -I-|-1-1-1-|-|-1-1
О 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Рис. 13. Пример изображения спектра МСО и его фотометрический разрез. Время съемки 02ь15т с экспозицией 120 секунд. Серебристые облака средней яркости
о -I-I-I-
О 200 400 600 800 1000 1200 1400 1НВ
Рис. 14. Пример изображения спектра МСО и его фотометрический разрез. Время съемки 02ь25т Экспозиция увеличена до 240 секунд. Серебристые облака средней яркости
О -1-1-1-г-1-1-1-
О 200 400 600 800 1000 1200 1400 16Ю
Рис. 15. Пример изображения спектра сумеречного сегмента неба и его фотометрический разрез. Время съемки 02ь44т с экспозицией 120 секунд
Рис. 16. Пример изображения спектра МСО и его фотометрический разрез. Время съемки 03ь14т с экспозицией 30 секунд. Серебристые облака яркие
На всех изображениях спектров (рис. 10-16) уверенно просматриваются спектральные линии излучения ртути, детали солнечного спектра и теллурические линии и полосы. Детализация спектра приведена на рис. 17.
Рис. 17. Детали спектра сумеречного сегмента
Все экспозиции соответствуют области линейного отклика матрицы. Сравнение между собой спектров полученных для облаков различной яркости обнаруживает, если можно так выразиться, рост информационного содержания изображений спектров. Так на спектрах слабых и даже относительно более ярких облаков преобладает влияние ртутных линий, которое искажает вид общего распределения энергии по длинам волн. Тогда как в спектрах ярких облаков влияние спектральных деталей от городского освещения не так заметно, зато явно вырисовывается общая картина распределения энергии излучения в исследуемом диапазоне длин волн. Сравнивая
рис. 3 и 16-17 не трудно заметить их морфологическое сходство. Сходство наших результатов с данными Фогля в определенной мере свидетельствует о корректности применяемой методики наблюдений. Впрочем, такое сходство может быть связано с особенностями спектров именно ярких полей серебристых облаков. Таким образом, нами получен материал, который при дальнейшей обработке позволит дать объективные сведения о свойствах поля рассеянного серебристыми облаками излучения.
Список литературы:
1. Солодовник А.А., Кудабаева Д.А., Крючков В.Н., Леонченко А.С. Серебристые облака: проблема образования и вопрос о дефинициях // Известия национальной Академии наук Республики Казахстан. Серия физ.-мат. -2011. - № 4. - С. 105-110.
2. Солодовник А.А., Кудабаева Д.А., Сартин С.А., Бельченко В.Н. Метеорологические процессы в тропосфере Земли и происхождение серебристых облаков // Вестник Актюбинского государственного педагогического института. - 2010. - № 1. - С. 109-114.
3. Солодовник А.А. Атмосферное электричество и происхождение серебристых облаков // Земля и Вселенная. - 2007. - № 6.
4. Бронштэн В.А., Гришин Н.И. Серебристые облака. - М.: Наука, 1970. -359 с.
5. Яновский А.Ф. Разработка и применение дистанционных спектрометрических методов исследования природных объектов: дисс. ... канд. физ.-мат. наук. - Минск, 1985. - 169 с.
6. Вдовиченко В.Д., Кириенко Г.А. Мезосферные серебристые облака. Проблема и решение. Монография. - Алматы: RISO, 2012. - 286 с.
7. Солодовник А.А., Сартин Д.А. К оценке влияния атмосферного аэрозоля на фотометрию серебристых облаков // Материалы Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы физики небесных тел и плазменного состояния вещества. Эксперимент и математическое моделирование». - Петропавловск, СКГУ 2011. - С. 52-56.
8. Антонченко В.Я., Давыдов А.С., Ильин В.В. Основы физики воды. -К., 1991. - 667 с.
9. Солодовник А.А., Баукенов Б.М., Журавлев П.Л. О связи появления серебристых облаков с тропосферным явлениями по данным наблюдений 2013 года. - В печати.
