Оптические свойства и процессы формирования турбулентности в российских астрономических обсерваториях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Носов Евгений Викторович

• Носов Евгений Викторович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Носов Евгений Викторович

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. АТМОСФЕРНАЯ ТУРБУЛЕНТНОСТЬ И АСТРОКЛИМАТ

§ 1.1. Атмосферная турбулентность как характеристика астроклимата

§ 1.2. Оптические характеристики атмосферной турбулентности

§ 1.3. Оборудование и методы, использованные для измерений характеристик

атмосферной турбулентности

1.3.1. Метеосистема АМК-03

1.3.2. Датчик Брандта

1.3.3. Автоматизированный горизонтальный солнечный телескоп

§ 1.4. Гидродинамическое описание турбулентности

1.4.1. Уравнения Навье-Стокса

1.4.2. Приближение Буссинеска в гидродинамике

1.4.3. Условия однозначности

§ 1.5. Статистическое описание турбулентности

1.5.1. Статистический подход А.Н. Колмогорова

Глава 2. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ

КОЛМОГОРОВСКОЙ И КОГЕРЕНТНОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ

§ 2.1. Колмогоровская турбулентность

2.1.1. Границы применимости гипотезы локальной изотропности

2.1.2. Известные результаты экспериментальных исследований с отклонениями

от «закона пяти третей»

2.1.3. Известные объяснения отклонения от «закона пяти третей»

§ 2.2. Когерентные структуры и их смеси

2.2.1. Одиночные когерентные структуры

2.2.2. Смеси когерентных структур

§ 2.3. Когерентная турбулентность

2.3.1. Развитие понятия "когерентная турбулентность''

2.3.2. Формирующаяся турбулентность

§ 2.4. Связь колмогоровской и когерентной турбулентности

§ 2.5. Процессы формирования колмогоровской и когерентной турбулентности.

Численное моделирование

2.5.1. Программное обеспечение

2.5.2. Процессы формирования турбулентности в закрытых объёмах с нагретыми поверхностями

2.5.3. Процессы формирования турбулентности над открытыми территориями

Основные выводы к главе

Глава 3. АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ В УСЛОВИЯХ КОЛМОГОРОВСКОЙ И КОГЕРЕНТНОЙ

ТУРБУЛЕНТНОСТИ

§ 3.1. Сравнение амплитудно-фазовых характеристик оптического излучения для

разных типов турбулентности

3.1.1. Качество астрономических изображений

§ 3.2. Проверка ослабления флуктуаций оптического излучения в когерентной

турбулентности

§ 3.3. "Эффективный" внешний масштаб атмосферной турбулентности

3.3.1. Методы определения

3.3.2. Влияние эффективного внешнего масштаба на расчётные характеристики изображения

Основные выводы к главе

Глава 4. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ АТМОСФЕРНОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ НАД ТЕРРИТОРИЯМИ

РОССИЙСКИХ ОБСЕРВАТОРИЙ

§ 4.1. Выяснение локальной структуры атмосферной турбулентности в

исследуемом регионе

§ 4.2. Высотные обсерватории

4.2.1. Саянская солнечная обсерватория

4.2.2. Специальная астрофизическая обсерватория

§ 4.3. Средневысотные обсерватории

4.3.1. Байкальская астрофизическая обсерватория

4.3.2. Обсерватория Колыванского хребта

§ 4.4. Маловысотные обсерватории

4.4.1. Центр лазерного зондирования атмосферы ИОА СО РАН

§ 4.5. Результаты систематизации исследований локальной структуры

турбулентности в выбранных обсерваториях

Основные выводы к главе

Глава 5. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ ТУРБУЛЕНТНОСТИ НА ОПТИЧЕСКИХ ТРАССАХ В СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ АСТРОНОМИЧЕСКИХ

ТЕЛЕСКОПОВ

§ 5.1. Структура движений воздуха на оптических трассах в специализированных

помещениях астрономических телескопов

§ 5.2. Павильон спектрографа Большого солнечного вакуумного телескопа

Байкальской астрофизической обсерватории СО РАН

5.2.1. Эксперимент

5.2.2. Моделирование структуры вихревых движений воздуха в павильоне спектрографа БСВТ

§ 5.3. Сибирская лидарная станция Центра лазерного зондирования ИОА СО РАН

5.3.1. Эксперимент

5.3.2. Моделирование структуры вихревых движений воздуха в шахте главного зеркала СЛС ЦЛЗ

§ 5.4. Большой телескоп азимутальный Специальной астрофизической

обсерватории РАН

5.4.1. Эксперимент

5.4.2. Движение воздушных масс в подкупольном пространстве БТА. Численное моделирование

Основные выводы к главе

Заключение

Список сокращений

Список основных условных обозначений

Именной указатель

Географический указатель

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена исследованию оптических свойств и процессов формирования турбулентности над территориями и в закрытых специализированных помещениях астрономических телескопов пяти российских обсерваторий: Саянская солнечная обсерватория СО РАН в респ. Бурятия (ССО), Байкальская астрофизическая обсерватория СО РАН в Иркутской обл. (БАО), Центр лазерного зондирования атмосферы (ЦЛЗ) Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН (ИОА) в г. Томске, Обсерватория Колыванского хребта на Алтае (ОКХ), Специальная астрофизическая обсерватория РАН на Северном Кавказе (САО).

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптические свойства и процессы формирования турбулентности в российских астрономических обсерваториях»

Актуальность исследований

Качество астрономических изображений, как известно, находится в зависимости от состояния земной атмосферы над наземным оптическим приёмником. Для комплексного описания влияния атмосферы на астрономические наблюдения применяется понятие «астроклимат». В это понятие в общем случае входит довольно много составляющих, в том числе такие оптические свойства атмосферы, как регулярная рефракция, молекулярное и аэрозольное рассеяние и поглощение излучения, турбулентность [1-11]. Климат и рельеф географического региона определяют астроклимат в месте расположения оптического приёмника. Для проведения астрономических наблюдений выбирается состояние атмосферы с наибольшей прозрачностью воздуха и отсутствием облачности, при котором атмосферная турбулентность становится главным фактором, значительно влияющим на качество астрономических изображений. Турбулентная атмосфера - непрерывно движущаяся и нестационарная среда, при прохождении сквозь которую световые пучки случайным образом изменяют направление распространения, а также рассеиваются и поглощаются.

Влияние атмосферной турбулентности на распространение оптического (лазерного) излучения подробно изучено и описано во множестве трудов, среди которых следует отметить монографии В.И. Татарского (1967 [2]), В.Е. Зуева (1975, 1981 [1]), А.С. Гурвича, А.И. Кона, В.Л. Миронова, С.С. Хмелевцова (1976 [6]), В.Л. Миронова (1981 [7]), А. Исимару (1981 [12]), В.П. Лукина (1986 [10]), В.Е. Зуева, В.А. Банаха, В.В. Покасова (1988 [5]) и др.

Вклад, вносимый локальной приземной турбулентностью в районах размещения

астрономических приёмников и павильонными турбулентными эффектами внутри больших закрытых специализированных помещений (в подкупольных помещениях) астрономических телескопов в искажения получаемого оптического изображения, может достигать 40% [13, 14].

В этой связи сохраняет актуальность задача нахождения новых мест для установки телескопов. В действующих астрономических обсерваториях требуется оценить степень влияния места расположения телескопа, а также формы и конструкции здания (башни) телескопа на качество формируемых изображений для того, чтобы свести к минимуму факторы, искажающие изображение. Вследствие чего остаются важными и актуальными исследования оптических характеристик турбулентности, включая изучение структуры турбулентных полей (температуры и скорости ветра), в местах расположения обсерваторий и в специализированных помещениях астрономических телескопов, и в том числе исследования процессов и условий формирования турбулентности.

Теория турбулентности Колмогорова-Обухова объясняет большое число закономерностей турбулентного движения, а потому является общепринятой и широко распространённой в оптических расчетах и в экспериментальных исследованиях, в силу чего основные её положения заложены в принципы действия некоторых применяемых для исследования турбулентности приборов. Вытекающие из указанной теории предсказания в большинстве случаев хорошо подтверждаются при экспериментальной проверке, а также правильно отражают многие реальные черты локальной структуры развитой турбулентности.

В то же время известны результаты экспериментальных исследований турбулентности, в которых встречаются отклонения от предсказаний теории Колмогорова-Обухова, например, в части спектральных характеристик турбулентности. Инерционные интервалы спектров флуктуаций температуры и скорости ветра в таких исследованиях асимптотически описываются степенными функциями со значениями показателя степени, существенно отличающимися от значения, характерного для инерционного интервала спектра теории Колмогорова-Обухова. В таких условиях приборы, используемые для исследования турбулентности, могут выдавать ошибочные данные, что может привести к неверным оценкам и выводам, в связи с чем выявление и объяснение зарегистрированных случаев отклонений от теории представляет

актуальный практический интерес.

Применяемые для расчёта турбулентных характеристик подходы и методы получены, главным образом, для условий развитой турбулентности и ровной подстилающей поверхности [11, 15-20], а потому в условиях горных астрономических обсерваторий приводят к ощутимым неточностям. Результаты экспедиционных измерений турбулентных характеристик атмосферы на территориях нескольких горных астрономических обсерваторий зачастую демонстрируют серьёзные отклонения от общепринятой теории турбулентности - например, форма спектра турбулентных флуктуаций температуры и скорости ветра существенно отличается от ожидаемой.

В закрытых специализированных помещениях астрономических телескопов в измерениях параметров турбулентности не только выявляются значительные отличия спектра турбулентных флуктуаций от общепризнанной теории, но и регистрируются значения интенсивности турбулентности, сравнимые, а иногда и превышающие таковые для свободной атмосферы, что нивелирует достоинства специализированных помещений обсерваторий. В закрытых помещениях телескопов оптическое излучение обычно распространяется по воздушным участкам оптической трассы, подверженным внешним воздействиям, вызывающим флуктуации показателя преломления воздуха. Для уменьшения таких воздействий применяется термостатирование, герметизация и вакуумирование участков трассы. Тем не менее, в помещениях возникают внутренние конвективные воздушные потоки, обусловленные температурными контрастами поверхностей помещений и конструкций телескопов. В крупногабаритных подкупольных помещениях больших астрономических телескопов при закрытых входах в помещение и закрытой щели купола в метеорологических измерениях регистрируются пиковые скорости движения воздушных потоков конвективный природы, достигающие 1 м/с. Таким образом, изучение астроклиматических характеристик закрытых специализированных помещений обсерваторий актуально в контексте исследований и проведения мероприятий по повышению эффективности астрономических телескопов.

Полевые оптико-метеорологические измерения свидетельствуют, что над территориями горных обсерваторий при определённых условиях формируются крупные атмосферные долгоживущие вихревые образования, влияние которых распространяется на оптические инструменты обсерватории. При этом регистрируется эффект значительного уменьшения фазовых и слабых амплитудных флуктуаций оптического

излучения (в сравнении с обычно наблюдаемыми), что проявляется как улучшение качества астрономических изображений в телескопах. Для короткоэкспозиционных измерений такой эффект, известный как «счастливый наблюдатель», расценивается положительно. Изучение и систематизация условий, при которых возникает подобный эффект, наряду с накоплением результатов измерений составляющих астроклимата, составляет отдельное направление исследований в диссертации и также представляет актуальный практический интерес.

В работе теоретически и экспериментально изучаются оптические свойства и процессы формирования атмосферной турбулентности в действующих обсерваториях, так как именно турбулентность является основным фактором, определяющим качество изображений в телескопах при проведении астрономических наблюдений. Результаты исследований процессов формирования турбулентности позволяют прогнозировать искажения оптического излучения при проведении астрономических наблюдений, а значит, и прогнозировать эффективность телескопа в целом.

Теоретические исследования оптических свойств турбулентности в закрытых помещениях обсерваторий путём проведения численных экспериментов по моделированию структуры вихревых движений воздуха в них позволяют произвести предварительный анализ эффективности осуществления дорогостоящих ресурсоёмких мероприятий, таких как: внесение изменений в конструкцию оптических инструментов, установка дополнительного оборудования, перепланировка помещений, в которых установлены оптические инструменты, без их реального проведения, предотвращая тем самым, возможные напрасные расходы времени, материалов, энергии и труда в случае принятия ошибочных решений. Стоимость проведения такого анализа значительно ниже реальной стоимости оборудования и материалов, включающей в себя расходы на изготовление, приобретение, транспортировку, введение в эксплуатацию и тестирование. Численное моделирование может внести посильный вклад в развитие существующей теории турбулентности, так как позволяет подробно отследить эволюционные процессы формирования турбулентности от этапа зарождения до выхода на стационарный режим. Зачастую исследователи, приступая на практике к процессу измерений турбулентных характеристик, имеют дело с уже сформировавшейся картиной турбулентных движений среды, не имея возможности отследить процессы её развития, которые представляют актуальный теоретический интерес.

Подобные исследования могут быть востребованы в практической астрономии, так как позволяют выбрать и спрогнозировать оптимальные условия для астрономических наблюдений как в действующих, так и в проектируемых обсерваториях.

Цель работы - систематизация результатов исследований оптических свойств и процессов формирования атмосферной турбулентности над территориями и в закрытых специализированных помещениях астрономических телескопов пяти российских обсерваторий, требуемых для прогнозирования и улучшения качества оптических изображений в телескопах.

Основные задачи:

- исследование и сравнение оптических свойств и условий формирования атмосферной турбулентности в местах расположениях выбранных обсерваторий;

- исследование и сравнение амплитудно-фазовых характеристик оптического излучения в условиях колмогоровской и когерентной турбулентности;

- проведение численных экспериментов по моделированию структуры турбулентных движений воздушных масс в закрытых помещениях телескопов астрономических обсерваторий с использованием данных натурных измерений для подтверждения зарегистрированных в экспериментах структур турбулентных движений воздуха.

Методы исследований и исходные данные

В диссертационной работе применяются теоретические и экспериментальные методы исследований. В основу теоретических методов положены достижения в теории распространения волн в турбулентной среде [1-3, 5-9, 11, 21-29]. Экспериментальные методы применялись при натурных полевых исследованиях свойств турбулентной атмосферы над территориями и в закрытых специализированных помещениях телескопов выбранных астрономических обсерваторий. В натурных измерениях характеристик атмосферной турбулентности применялись оптические и акустические методы.

Оптические методы применялись в экспериментах на астрономическом телескопе для измерения характеристик дрожания изображения края солнечного диска, формируемого главным зеркалом телескопа на щели фотоэлектрического регистратора. В основе принципа действия регистратора лежит измерение величины фототока, пропорциональной линейному смещению края изображения по оптической щели, за

которой смонтирован светоприёмник. Используя измеряемые регистратором временные ряды значений фототока, рассчитывались значения среднеквадратического отклонения угловых смещений изображения, вызванных атмосферной турбулентностью, в зависимости от величины диаметра апертурной диафрагмы главного зеркала телескопа. Основные результаты применения оптических методов приведены в главе 3 (§ 3.2).

Акустические методы применялись в измерениях флуктуаций метеопараметров (вектор скорости ветра, температура, давление, влажность) с помощью мобильной ультразвуковой метеосистемы с использованием методики, в основе которой лежат соотношения связи групповой скорости звука в атмосфере с температурой воздуха и вектором скорости ветра. Используя измеряемые метеосистемой временные ряды мгновенных значений скорости ветра и температуры воздуха, рассчитываются статистические функции параметров турбулентности: структурные функции, корреляционные функции и энергетические спектры. Результаты применения акустических методов для измерений характеристик атмосферной турбулентности излагаются в главах 4 и 5, где также анализируются оптические характеристики турбулентности в контексте исследуемых задач.

Описание оборудования и методов, использованных для измерений оптических характеристик атмосферной турбулентности, представлено в главе 1.

Методы и подходы, применённые в численных экспериментах по моделированию структуры вихревых движений воздушных масс в закрытых специализированных помещениях телескопов путём решения трёхмерных уравнений Навье-Стокса, описаны в главе 2. Для описания тепловой конвекции в жидкости в поле силы тяжести в численных экспериментах применялось приближение Буссинеска для уравнений Навье-Стокса, описание и основные допущения которого представлены в главе 1 (п. 1.4.2). Описание программного обеспечения для решения краевых задач для уравнений Навье-Стокса приведено в главе 2 (п. 2.5.1).

Результаты численных экспериментов представлены в главе 2 (п. 2.5.2) и в главе 5 (п. 5.2.2; п. 5.3.2; п. 5.4.2). Исходными данными для численных экспериментов являлись данные натурных измерений метеопараметров с помощью ультразвуковой метеосистемы за более чем 10-летний период экспедиционных полевых измерений в выбранных астрономических обсерваториях.

Научная новизна

Наиболее важные новые результаты, отражённые в диссертации.

1. Выяснено влияние типа подстилающей поверхности и направления скорости ветра в районах размещения выбранных обсерваторий на режим возникновения когерентной турбулентности, в условиях которой качество изображений в телескопе улучшается вследствие ослабления флуктуаций оптического излучения.

2. Установлено в экспериментах и подтверждено теоретически, путём численного решения краевых задач для уравнений Навье-Стокса в приближении Буссинеска, что в условиях когерентной турбулентности в закрытом помещении одномерные временные частотные спектры флуктуаций температуры в инерционном интервале имеют наклон, аппроксимируемый степенной функцией с показателем степени «-8/3»; в условиях колмогоровской турбулентности показатель степени составляет «-5/3».

3. Исследованы в экспериментах и подтверждены теоретически, путём численного моделирования, процессы возникновения и распада конвективных ячеек Релея-Бенара в воздухе закрытого помещения, причиной возникновения которых выступают температурные градиенты.

4. Теоретически воспроизведены зарегистрированные в экспериментах структуры турбулентных движений воздуха в помещениях астрономических обсерваторий: павильона спектрографа Большого солнечного вакуумного телескопа (БАО СО РАН), шахты главного зеркала ЦЛЗ (ИОА СО РАН), подкупольного пространства Большого телескопа азимутального (САО РАН), а также подтверждено присутствие зарегистрированной в экспериментах когерентной турбулентности, при которой улучшается качество астрономических изображений.

На защиту выносятся следующие положения

1. При сравнении характеристик астроклимата с целью оценки места установки телескопа, в типичной ситуации, когда эффективный внешний масштаб атмосферной турбулентности больше диаметра телескопа, относительная ошибка определения параметра Штреля не превышает 16%.

2. Тип атмосферной турбулентности (колмогоровский или когерентный) для территорий исследованных российских обсерваторий (БАО, ССО, ОКХ, ЦЛЗ, САО) определяется рельефом прилегающих территорий и направлениями преобладающих ветров следующим образом: в атмосфере над территориями обсерваторий вблизи

телескопов формируется долгоживущая (со временем жизни до 120 минут) область когерентной турбулентности при условиях, когда направленные в сторону телескопа воздушные потоки (ветер), пересекая горный хребет или глубокую впадину, испытывают вертикальное закручивание (вокруг поперечной направлению потока горизонтальной оси) с образованием крупных стабильных воздушных вихрей (когерентных структур), которые переносятся воздушными потоками далее к телескопу.

3. В закрытых помещениях астрономических телескопов увеличение температурного разнообразия поверхностей (форм, размеров, степени нагрева участков) приводит к удлинению начального участка степенного инерционного интервала частотного спектра флуктуаций температуры с показателем степени «-5/3», что соответствует спектру колмогоровской турбулентности, а уменьшение температурного разнообразия приводит к показателю степени «-8/3», соответствующего спектру когерентной турбулентности. Верхняя огибающая суммы всех спектров разных когерентных структур с различными внешними масштабами турбулентности соответствует спектру колмогоровской турбулентности.

4. Результаты численного решения краевых задач для уравнений Навье-Стокса в приближении Буссинеска с граничными условиями, заданными из результатов натурных измерений, воспроизводят зарегистрированную экспериментально структуру вихревых воздушных потоков в закрытых помещениях астрономических телескопов, при этом теоретические временные частотные спектры флуктуаций температуры совпадают с измеренными в экспериментах спектрами в инерционном интервале с погрешностью не более 30%.

Научная значимость

Определены оптические свойства и условия формирования атмосферной турбулентности разных типов (рельеф подстилающей поверхности, преимущественные направления ветров, температурные градиенты, высота над уровнем моря, сезонный и суточный ход метеопараметров) для территорий пяти российских обсерваторий (БАО, ССО, ОКХ, ЦЛЗ, САО) в рамках экспедиционных полевых измерений за более чем 10-летний период.

Выявлены времена и места возникновения областей когерентной и колмогоровской турбулентности над территориями астрономических обсерваторий, установлены их связи с типом подстилающей поверхности и направлениями скорости ветра, а также с

типом микроклимата регионов. Для указанных регионов выяснено приближённое пространственное распределение когерентных структур по размерам; выработаны практические рекомендации по наиболее благоприятному режиму проведения астрономических наблюдений в обсерваториях. По существу, эти результаты решают задачу о выяснении локальной структуры турбулентности в географических регионах расположения обсерваторий.

Показано, что крупномасштабные когерентные структуры и области когерентной турбулентности могут быть обнаружены путём измерений характеристик дрожания астрономических изображений.

Подтверждён эффект ослабления флуктуаций оптического излучения в условиях когерентной турбулентности, что приводит к улучшению качества изображений в телескопе.

Установлено, что в атмосфере над территориями исследованных обсерваторий вблизи телескопов формируется долгоживущая область когерентной турбулентности при условиях, когда направленные в сторону телескопа воздушные потоки (ветер), пересекая горный хребет или глубокую впадину, испытывают вертикальное закручивание (вокруг поперечной направлению потока горизонтальной оси) с образованием крупных стабильных воздушных вихрей (когерентных структур), которые переносятся воздушными потоками далее к телескопу.

Подтверждено, что над территориями выбранных обсерваторий и внутри закрытых помещений телескопов в условиях когерентной турбулентности одномерные частотные спектры флуктуаций температуры в инерционном интервале аппроксимируются степенной функцией с показателем степени «-8/3», что отличается от спектров колмогоровской турбулентности с показателем «-5/3».

Установлено присутствие когерентной турбулентности в воздухе закрытых помещений астрономических телескопов исследованных обсерваторий. Результаты численных экспериментов по моделированию структуры турбулентных движений воздуха в закрытых помещениях с использованием данных натурных измерений подтверждают зарегистрированные в экспериментах структуры турбулентных движений воздуха. Причиной возникновения турбулентных движений являются градиенты температуры подкупольных поверхностей, обусловленные неравномерностью их нагрева; форма и конфигурация вихревых структур совместно определяются геометрией

подкупольного пространства и местоположением нагрева.

Практическая значимость

Определены условия формирования когерентной турбулентности над территориями и в закрытых помещениях телескопов выбранных обсерваторий. Так как в условиях когерентной турбулентности вследствие ослабления флуктуаций оптического излучения качество изображений в телескопе улучшается, то достигнутые результаты можно использовать для выбора оптимального времени астрономических наблюдений.

Решение краевых задач с граничными условиями, заданными на основе экспериментальных данных, позволяет восстановить распределение параметров турбулентности в подкупольном помещении, а также выполнить анализ влияния форм конструкций, температурных режимов элементов на качество изображений. Это позволяет тестировать оптические характеристики как уже действующих, так и проектируемых оптических инструментов, включая минимизацию влияния турбулентности. Проведённые исследования необходимы для прогноза искажений оптического излучения на оптической трассе в подкупольном помещении, что позволяет прогнозировать эффективность телескопа.

В связи с высокой ресурсоёмкостью строительства современных телескопов предложенные в диссертации анализ, оценки и методы тестирования турбулентных искажений оптического излучения востребованы в практической астрономии. Они являются необходимым этапом в работах по повышению эффективности действующих и проектируемых астрономических инструментов.

Достоверность результатов и выводов определяется:

- применением проверенных статистических методов спектрального анализа к данным натурных измерений;

- точностью, адекватностью и согласованностью ключевых положений теории;

- применением в расчётах теоретических методов, для которых установлены границы применимости и точность;

- накопленными данными многолетних экспедиционных полевых измерений на территориях астрономических обсерваторий и в подкупольных помещениях телескопов;

- применением в полевых измерениях метеокомплекса с известной точностью измерений, который успешно прошёл полный комплекс метрологических испытаний и зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений РФ, а также позволяет

проводить длительные непрерывные работы в сложных горных метеоусловиях и надёжно накапливать полученные данные.

Апробация

Основные результаты работы представлены на следующих научных мероприятиях: Симпозиумы "Оптика атмосферы и океана (Томск, 1996-1999), Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы (Томск, Новосибирск, Иркутск, 2002-2018); Конференция "Солнечно-земная физика" (Иркутск, 2009-2011); Конференция «Comprehensive characterization of astronomical sites» (Кисловодск, 2010); Конференция по лазерным радарам (С.-Петербург, 2010); Конференция «Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред» (Муром, 2009, 2012); Конференция «XXIX Сибирский теплофизический семинар» (Новосибирск, 2010, 2014, 2017); Конференции «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2012-2017); Конференции «Проблемы военно-прикладной геофизики и контроля состояния природной среды, ВКА им. А.Ф. Можайского» (С.-Петербург 2012, 2014, 2016, 2018); Конференция «Солитоны, коллапсы и турбулентность» (г. Новосибирск, 2012); International Scientific Conference "The Modeling Of Nonlinear Processes And Systems" MSTU "Stankin" (Moscow, 2011, 2015); Рабочая группа "Аэрозоли Сибири" (Томск, 2013-2018); Международная конференция «Турбулентность, динамика атмосферы и климата», ИФА РАН (Москва, 2013, 2018); Научно-технической конференция "Оптико-электронные приборы и системы" (Красногорск, 2015); Международная конференции «Настоящее и будущее малых и средних телескопов». САО РАН (п. Нижний Архыз, 2015); Всероссийская научная конференция "Теплофизика и физическая гидродинамика« (Ялта, 2016); Конференция с международным участием «Распространение радиоволн» (Томск, 2016); Международная конференция SPIE "Astronomical Telescopes + Instrumentation" (г. Эдинбург, 2016); Всероссийская астрономическая конференция «Астрономия: познание без границ» (Ялта, 2017); Симпозиум "Радиолокационное исследование природных сред, ВКА им. А.Ф. Можайского (С.-Петербург, 2017); объединенный семинар астрофизических и астрометрических подразделений Главной (Пулковской) астрономической обсерватории (ГАО) РАН, (Санкт-Петербург, 2016); семинар в Специальной астрофизической обсерватории (САО) РАН (п. Нижний Архыз, 2016); семинары ИОА СО РАН (г. Томск).

Результаты по теме диссертации нашли своё применение при проведении научно-

исследовательских работ, при исполнении государственных научно-технических и научных программ, применяются в ИОА СО РАН, а также могут быть использованы в исследованиях при определении мест расположения новых астрономических телескопов, в работах по улучшению качества изображений действующих телескопов. Они могут быть востребованы, например, в Центре лазерного зондирования атмосферы ИОА СО РАН, в Специальной астрофизической обсерватории РАН, в Институте физики атмосферы РАН, Институте астрономии РАН, в Саянской солнечной обсерватории СО РАН и Байкальской астрофизической обсерватории СО РАН.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Носов Евгений Викторович, 2019 год

) - С.

0

10

■ 1в А (10) 10 (Л)-С

\

• 10м

1 * /Г0

■ 1 ■ 1 ■ 1 / 10 , м ' 1 ' 1 ' 1

1 5 20 25 30 35 40 45 50 55

Рис. 30. Структурные функции: жирная линия Рис. 31. Невязка Д(Ь0^)-С, L0): сплошная - L0(h)-С; точки - Ь** = 32,5 м; тонкие линии - линия - метод [0...10 м]; пунктирная различные значения Ь0. Метод [0...10 м] линия - метод [0...А^(90%)]

Табл. 1 Эффективный внешний масштаб Ь* для моделей Ь0^) (45) и Сп^) (46)

10

8

4

2

0

С*П(h) - «Наилучший»

Модель Ь0^) 0...10м 0...А^(90%) 0...ГО

В 34,7 50,6 58,4

С 32,5 39,9 42,9

D 0,60 0,66 0,71

Е 0,68 0,75 0,84

СП(К) - «Наихудший»

0.10м 0...А^(90%)

55,4 88,5 98,0

40,6 49,3 52,3

1,04 1,13 1,78

1,31 1,46 1,56

Сравнение по моделям С1(И)

* 2

Исследуя зависимость Ь0 от Сп(Н), можно сказать, что меньшая величина для «наилучших» условий обусловлена существенными отличиями в поведении С„(к). Как видно из рис. 28 «наилучший» С1(И) быстро спадает с высотой, при этом уменьшается вероятность появления крупномасштабных флуктуаций, что приводит к уменьшению D(p(p, АО и Ь0 [185].

Сравнение по моделям Ь0(Н)

*

Значительные различия величины Ь0 для моделей Ь0(Л)-С и можно

объяснить следующими рассуждениями. Характерной особенностью модели является наличие конечного максимального значения Ь0 и последующее его уменьшение

на высотах более 7-8 км (рис. 27), делающее невозможным появление масштабов большей величины. В то же время, для L0(h)-C присущ рост с высотой, что увеличивает влияние крупномасштабных флуктуаций, а следовательно, можно ожидать рост ^ф(р, L0), приводящий к увеличению Lo [185].

3.3.2. Влияние эффективного внешнего масштаба на расчётные характеристики

изображения

Турбулентное уширение изображения приводит к уменьшению пиковой средней интенсивности. Как известно, степень уменьшения определяется параметром Штреля ^К), являющимся отношением пиковой средней интенсивности турбулентного изображения (1турб) к пиковой средней интенсивности дифракционного изображения (1дифр). Зная структурную функцию Dф(р), можно непосредственно определить SR [185, 240, 241]:

d 1 i \ d

SR = 1турб / 1дифр = {dp Р То(р) г" -^(р)/ {dp р То(р), (53)

где D - диаметр телескопа, т0(р) - дифракционно-ограниченная оптическая передаточная функция -

т0(р) = 2п -1(агс^(рЮ) - (р/D)[1 - (рЮ)2]-Ш) (54)

Для однородной трассы распространения, т.е. при условии, что L0 не зависит от высоты над подстилающей поверхностью, SR легко определяется на основе информации о диаметре телескопа D, радиусе когерентности г0 и L0. Результаты вычислений SR для однородной трассы приведены на рис. 32, из которого можно видеть, что SR уменьшается с ростом L0, т.к. увеличение L0 приводит к росту искажений изображения турбулентной атмосферой [185].

Говоря о зависимости SR от отношения D / г0, нужно отметить, что увеличение D / г0 при фиксированном D, свидетельствует об уменьшении когерентной части апертуры, что приводит к уменьшению пиковой интенсивности турбулентного изображения. Для неоднородной трассы вычисление SR усложняется тем, что в Dф(р) величина L0 является функцией высоты. Стратифицируем атмосферу на слои с размером, большим L0, в пределах которых L0 можно считать постоянным. Основываясь на предположении, что корреляция турбулентных флуктуаций между такими слоями практически отсутствует [2, 21, 12], полную структурную функцию можно вычислить как сумму структурных

функций каждого слоя [185].

10 1 10° 10' 102 103 ¿о/Я

Рис. 32. Параметр Штреля для однородной трассы

С использованием полученных значений L0 можно ввести относительную ошибку

*

определения параметра Штреля е = (Ж - ^^ ) / SR, где SR - параметр Штреля для

* *

турбулентной ФРТ, рассчитанной с использованием L0(h), SR - с использованием L0. Величина е определяет точность прогнозирования турбулентных искажений изображения при замене высотного профиля на конечное значение. При малых значениях е можно пользоваться зависимостями SR(D / г0) (рис. 32) [185].

На рис. 33, 34 представлена зависимость е от диаметра D и длины волны X. Диапазоны изменений D и X соответствуют реальным характеристикам астрономических телескопов: D е [1, 10] м, X е [1, 10] мкм.

Рис. 33. Зависимость относительной ошибки е от диаметра D и длины волны X, метод [0.. .10 м], а) L0(h)-C, Ь) L0(h)-D. С%(И) - «наилучший»

Отметим, что е ^ 0 в крайних случаях: при очень малых и очень больших X [185]: 1. Для очень больших X это вызвано тем, что изображение становится практически дифракционным при г0 > D, т.е. не зависит от характеристик атмосферной турбулентности. Это справедливо и для малых D [185].

2. Для очень малых X: г0 >> Ь0 и SR определяется в основном значениями Dф(p) в когерентном интервале, здесь при р << Ь0. Поведение Dф(p) при малых значениях р довольно слабо зависит от Ь0, т.к. Dф(p) асимптотически стремится к степенной при р / Ь0 ^ 0 [185].

е, % 70т-е,

Л 14 50Н

710 зоЦ

76 МУг

X, мкм

а б

Рис. 34. Зависимость относительной ошибки 8 от диаметра D и длины волны X, метод [0.10 м], а) Ь0^)-С, Ь) Ь0^)-Б. С„(К) - «наихудший»

Описанное поведение 8 отмечается для «наилучших» условий видения (рис. 33), в то время как для «наихудших» (рис. 34) это проявляется только при малых X. Возможное объяснение: для этих условий рассмотренный диапазон значений недостаточен для обнаружения максимума 8. Из рис. 35 видно характерное поведение 8:

рост до максимума и дальнейший спад, что особенно заметно для небольших

*

D / г0 е [1, 10]. Для больших D / г0 максимум 8 можно будет увидеть при D / Ь0 > 5 [185].

% £0 <Л) - С

„ - О, г„ = 10 *

' О/ Гц = 20

50 40 30 20 10

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3 0 3.5 4.0 О ^ а

е,% Ь0Ш-О

/

£>/г0 = 20 У

О/г0 = 10 - '

_ в/4 = 2

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0о/С б

Рис. 35. Зависимость относительной ошибки 8 от нормированного диаметра,

а) Ь>ДО-С, б) Ь0^)-Б

В таблице 2 приведены максимальные значения ошибки определения параметра Штреля 8 для моделей Ь0(Л)-С и а также «наилучших» и «наихудших» условий

видения.

Табл. 2 Максимальные значения 8 (%) для моделей L0(h) (45) и С2ф) (46)

С%(И) - «Наилучшие»

Модель L0(h) 0...10м 0.. ,Л^(90%) 0...СЮ

С 0,8 4,5 6,0

D 50 70 80

С%(И) - «Наихудшие»

0.10м 0.. ,Л^(90%) 0...СЮ

16 11 10

30 35 45

Как видно из табл. 2, для выбранных высотных профилей L0(h) и условий видения,

*

в случаях, когда L0 меньше D, 8 может достигать 80%, в то же время для ситуаций, когда

*

L0 превышает D, 8 не превышает 16% [185].

Выводы к § 3.3

1. Введение эффективного внешнего масштаба может упростить математические расчёты учёта влияния атмосферной турбулентности на фазовые характеристики оптической волны при распространении на вертикальных атмосферных трассах [185].

2. Проведённые исследования на точность описания показали, что ошибка, вызванная заменой высотного профиля внешнего масштаба на постоянное значение -эффективный внешний масштаб, испытывает существенные вариации в зависимости как от модели высотного профиля характеристик, так и от метода определения [185].

3. В ситуации, когда эффективный внешний масштаб атмосферной турбулентности больше диаметра телескопа, относительная ошибка определения параметра Штреля не превышает 16% [185].

Основные выводы к главе 3

1. В условиях когерентной турбулентности по сравнению с колмогоровской происходит значительное ослабление фазовых и слабых амплитудных флуктуаций оптического излучения, что приводит к улучшению качества астрономических изображений [176].

2. Области когерентной турбулентности могут быть обнаружены с помощью измерений характеристик дрожания астрономических изображений.

3. Использование постоянного значения - эффективного внешнего масштаба атмосферной турбулентности вместо его высотного профиля может упростить расчёты по учёту влияния турбулентности на фазовые характеристики оптической волны.

ГЛАВА 4. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ АТМОСФЕРНОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ НАД ТЕРРИТОРИЯМИ РОССИЙСКИХ

ОБСЕРВАТОРИЙ

Результаты наших исследований процессов формирования турбулентности над территориями российских обсерваторий опубликованы в основном в работах [177-179, 186, 189, 222, 224, 229-232, 238].

В выбранных российских обсерваториях: Саянская солнечная обсерватория СО РАН, Специальная астрофизическая обсерватория РАН, Байкальская астрофизическая обсерватория СО РАН, Обсерватория Колыванского хребта, Центр лазерного зондирования ИОА СО РАН проведены полевые экспериментальные исследования процессов формирования разных типов турбулентности над территориями.

§ 4.1. Выяснение локальной структуры атмосферной турбулентности в

исследуемом регионе

В связи с чрезвычайной сложностью индивидуального описания турбулентных гидродинамических полей вопрос о локальной ("внутренней") структуре развитой турбулентности обычно не возникает, для описания турбулентных течений вынужденно применяются статистические методы. Например, статистические методы активно применяются в полуэмпирической теории турбулентности. Для атмосферы полуэмпирическая теория называется теорией подобия Монина-Обухова. Эта теория в настоящее время, как известно, даёт удовлетворительные ответы на многие практические вопросы. Однако полуэмпирическая теория обычно не проясняет физические механизмы возникновения и локальную структуру турбулентности. В то же время вопросы о локальной структуре турбулентности (о её "внутреннем устройстве") представляют повышенный интерес [176].

Исследования локальной структуры турбулентности были начаты нами с изучения характеристик турбулентности в закрытых локальных объёмах (помещениях) [177, 178, 230]. Турбулентность в закрытых помещениях можно рассматривать как частный случай турбулентности, наблюдаемой в анизотропном пограничном слое. Исследования в этом направлении позволили нам получить ряд важных результатов о

когерентных структурах и, в целом, о локальной структуре турбулентности. В результате исследований выяснилось, что когерентные структуры являются важными элементами для понимания процессов возникновения и дальнейшей эволюции структуры турбулентности. Из свойств когерентных структур следует, что когерентную структуру (в расширенном определении), несмотря на её сложное внутреннее строение, можно рассматривать как основной базисный структурный элемент, из которых состоит турбулентность. Этот вывод проясняет внутреннюю структуру ("внутреннее устройство") турбулентности. Указанный вывод можно рассматривать как основной результат исследований локальной структуры турбулентности, он детально обсуждается в работах [180, 188, 189, 211, 221, 223, 234, 236, 176].

В настоящее время приближённую структуру течений среды внутри одной когерентной структуры можно считать в достаточной степени известной. Неизвестным обычно является пространственное распределение когерентных структур по размерам в изучаемом географическом регионе. Если известны конкретный состав и сочетание размеров когерентных структур, то (после построения приближенной картины воздушных течений в пограничном слое атмосферы) можно, в целом, говорить о выяснении локальной структуры турбулентности в регионе. Таким образом, для целей исследования свойств атмосферной турбулентности и целей улучшения качества астрономических изображений возникает проблема нахождения и идентификации областей когерентной турбулентности [176].

Наиболее просто картина течений строится при обнаружении области когерентной турбулентности. Тогда учёт типа подстилающего рельефа, типа солнечной активности (зависящей от времени суток), типа облачности, скорости и направления среднего ветра (и других метеопараметров), а также характерных частот микрометеорологического интервала спектра, позволяет установить приближенный радиус и направление вращения наиболее крупного энергонесущего вихря в пограничном слое. Можно также определить размеры внешнего масштаба турбулентности (важной характеристики среды в атмосферно-оптических исследованиях), который является обычно одним из первых продуктов каскадного распада энергонесущего вихря. На основе анализа спектров турбулентности рассчитываются эффективные внешние масштабы турбулентности для каждой из наиболее типичных когерентных структур, наблюдаемых в изучаемом географическом

регионе. В целом, все эти результаты решают задачу о выяснении локальной структуры турбулентности в выбранных географических регионах [176].

Районирование обсерваторий

Обсерватории, в которых проводились наши исследования, районированы нами по критерию высоты расположения над уровнем моря:

Высотные — 2000 м и более:

- Саянская солнечная обсерватория СО РАН (п. Монды, респ. Бурятия);

- Специальная астрофизическая обсерватория РАН (п. Нижний Архыз, Карачаево-Черкесская республика (КЧР) РФ, Северный Кавказ).

Средневысотные — 300-500 м:

- Байкальская астрофизическая обсерватория СО РАН (п. Листвянка, Иркутская обл.);

- Обсерватория Колыванского хребта (Алтай).

Маловысотные — до 150 м над уровнем моря:

- Центр лазерного зондирования ИОА СО РАН.

§ 4.2. Высотные обсерватории 4.2.1. Саянская солнечная обсерватория

Результаты наших исследований процессов формирования турбулентности в этой обсерватории в экспедициях 2005-2007, 2010-2015, 2017-2019 гг. опубликованы в основном в работах [175, 176, 179-181, 186, 188-190, 201, 206, 207, 218, 221-225, 228, 232, 234, 242].

Формирование турбулентности над территорией ССО

Саянская солнечная обсерватория (ССО) Института солнечно-земной физики СО РАН расположена недалеко от пос. Монды (Бурятия) на вершине г. Часовые Сопки.

На территории ССО проводились многосуточные измерения параметров астроклимата на протяжении нескольких экспедиций, включая исследования локальной структуры атмосферной турбулентности с определением её типа (колмогоровская или когерентная) с помощью метеосистемы «АМК-03» (см. п. 1.3.1).

Результаты исследований за длительный период (2005-2018 гг.) показали, что в ССО астроклиматическая метеоситуация определяется преимущественно рельефом

прилегающих территорий и направлениями преобладающих ветров. За время измерений зарегистрированы преобладающие взаимно противоположные направления среднего ветра: 1) с юго-запада со стороны ровной подстилающей поверхности (оз. Хубсугул); 2) с северо-востока со стороны Саянского хребта [176].

При ветре со стороны ровной подстилающей поверхности (оз. Хубсугул) спектры соответствуют колмогоровской турбулентности (рис. 36б, 5/3-асимптотики). При ветре со стороны Саянских гор значения интенсивности турбулентности СП (2,1 -1016 см 2 3, при средней температуре <Т> = +17,3 °С, 21.06.2010 г.) в несколько раз меньше

_15 _2/3

значений при противоположном направлении ветра (1,5-10 см , <Т> = +14,8 °С, 22.06.2010 г.), при этом одномерные временные частотные спектры флуктуаций температуры (рис. 36а) в инерционном интервале имеют наклон степенного участка с показателем «-8/3», что соответствует условиям когерентной турбулентности, в которой качество изображений выше, чем в колмогоровской, т.е. фазовые и слабые амплитудные

Рис. 36. Временной частотный спектр флуктуаций температуры. ССО, эксперимент вблизи поверхности. а) когерентная турбулентность при ветре с Саянского хребта (21.06.2010 г.); б) колмогоровская турбулентность при ветре с оз. Хубсугул (22.06.2010 г.)

Продолжительность периода существования (время жизни) когерентной турбулентности в ССО в ночное время при северном направлении ветра может достигать 2 часов. При этом среднее время жизни, например в 2015 г., составило 6-28 мин. Северное направление ветра в ССО наблюдается, как правило, ночью. При противоположном южном направлении ветра (со стороны ровной подстилающей поверхности и большого протяжённого, около 134 км, оз. Хубсугул, наблюдается, как правило, днём) регистрируется в основном колмогоровская турбулентность со временем

жизни 7-35 мин, при этом среднее время присутствия областей когерентной турбулентности составляет около 4 мин [242, 176].

Долгоживущая область когерентной турбулентности над территорией ССО формируется, когда направленные в сторону обсерватории воздушные потоки, пересекая Саянский хребет, а затем глубокую Мондинскую впадину (п. Монды, р. Иркут), испытывают вертикальное закручивание с образованием крупных стабильных воздушных вихрей (когерентных структур), которые, в свою очередь, переносятся ветром далее к ССО [176].

Одновременно с метеорологическими измерениями с помощью АМК-03 в ССО на солнечном телескопе АСТ (см. п. 1.3.3) производились оптические измерения флуктуаций оптического излучения (см. § 3.2).

Поскольку в условиях когерентной турбулентности флуктуации оптического излучения значительно уменьшаются, можно сформулировать следующие практические рекомендации по наиболее благоприятному режиму проведения астрономических наблюдений в ССО: наблюдения предпочтительнее выполнять в условиях ветров северных направлений.

4.2.2. Специальная астрофизическая обсерватория

Результаты исследований процессов формирования турбулентности в этой обсерватории в экспедициях 2012 г. и 2016 г. опубликованы в основном в работах [176, 180, 181, 183, 188, 201, 212, 213, 223, 225].

Специальная астрофизическая обсерватория РАН (САО) расположена на Северном Кавказе, РФ, пос. Нижний Архыз. Большой телескоп азимутальный (БТА) САО находится на вершине горы Семиродники на высоте 2070 м над уровнем моря [176].

Исследования астроклимата Северного Кавказа, включая район размещения САО, как известно [170], ведутся уже более полувека, в том числе (с 1956 г.) с целью выбора места установки БТА [183].

Формирование турбулентности над территорией обсерватории

Нами в 2012 г. и в 2016 г. проведены многосуточные исследования локальной структуры атмосферной турбулентности, включающей колмогоровскую и когерентную турбулентность [183].

Для регистрации параметров атмосферной турбулентности с целью выяснения

условий возникновения областей когерентной турбулентности над территорией обсерватории использовались мобильные ультразвуковые метеосистемы «АМК-03» в 2012 г. и «Метео-2» в 2016 г. Метеосистемы устанавливались на 20-метровой метеорологической вышке, находящейся на площадке вблизи телескопа в 24 м к юго-западу от башни БТА на краю ущелья. Высота центров измерительных головок от подстилающей поверхности составила 22,5 м. Измерения проводились с 30.07.2016 по 07.08.2016 в стабильных условиях: при ясном небе утром и днём, и, обычно, дождём после 17:00. Средняя температура в измерениях на вышке в период 01-04.08.2016 (во время одновременных подкупольных измерений) была достаточно стабильна: 11-15 ° С, тогда как в измерениях 26.10.2012-01.11.2012 колебания температуры находились в более широком интервале 5-13 ° С. Средние значения структурной характеристики показателя преломления (интенсивность турбулентности) СП были в основном менее

15 _2/3

1,5-10 см . Зарегистрированные данные наших измерений в САО в 2012 г. и 2016 г. согласуются с результатами предыдущих многолетних измерений в САО на метеовышке и внутри БТА, полученных другими авторами (например, [170]) [183, 176].

В измерениях на метеовышке в 2016 г. (рис. 37б) подтвердилось зарегистрированное ранее нами в 2012 г. (рис. 37а) присутствие над территорией САО когерентной турбулентности, в условиях которой, как известно [232, 179, 186, 188, 190, 225, 238], улучшается качество астрономических изображения (фазовые и амплитудные флуктуации оптического излучения слабее, см. п. § 3.1) [183, 176].

Ущелья в районе горы Семиродники (где находится БТА), расположенные вдоль линии с юго-запада на северо-восток, направляют приземные воздушные потоки. На небольших высотах потоки воздуха испытывают влияние рельефа, которое может задавать им соответствующее направление. Юго-западнее находится также Чёрное море, имеющее другую температуру поверхности, чем горы. Поскольку БТА находится на противоположном морю склоне Северного Кавказа, то направление ветра здесь может оказаться противоположным бризовым ветрам на берегу моря. Причиной возникающих ветров является разность температур между горным хребтом Кавказа и Ставропольской возвышенностью. Летом горы ночью остывают быстрее, а днём при ясном небе северо-восточный склон Кавказского хребта быстрее нагревается, и возникающий вдоль юго-западного направления температурный градиент приводит к появлению ветров, аналогичных бризовым. Подобный механизм горно-долинной

циркуляции для САО подробно описан в [170]. Нами зарегистрировано преимущественное направление ветров вдоль указанной линии. В наблюдательное время ночью над БТА может образовываться вихревая когерентная структура: при юго-западном ветре в 90% измерений; юго-восточном ветре - 75%; днём при ветре со Ставропольской возвышенности - 50%. В остальных случаях регистрируются, как правило, колмогоровские спектры [183, 176].

Причиной появления когерентной турбулентности над территорией САО является горный рельеф местности. К югу от горы Семиродники (с БТА) находится гора Пастухова (высота 2733 м), которая выше площадки обсерватории (высота 2070 м). К северо-востоку от БТА имеется ровная площадка протяжённостью около 500 м, заканчивающаяся понижением рельефа к п. Нижний Архыз примерно на 1 км и затем, более пологим спуском на Ставропольскую возвышенность. В направлении на юго-запад БТА находится на краю глубокого (около 800 м) ущелья р. Большой Зеленчук; в 3 км юго-восточнее БТА начинается ущелье р. Маруха [183].

Как известно [113, с. 224 ; 92, с. 172 ; 38, с. 201 ; 95, с. 96], при обтекании гор воздушным потоком при значительных скоростях ветра на подветренной стороне горного хребта (являющегося препятствием для потока) образуется стабильное роторное возмущение (когерентная вихревая структура), масштабы которого, по данным экспериментальных исследований, могут составлять сотни метров. Такие ветры обычно определяются движениями крупномасштабных воздушных потоков выше слоя трения. Вихри, отрываясь от хребта, увлекаются далее воздушным потоком. При меньших скоростях ветра в приземном слое проявляется влияние на воздушные потоки более мелких особенностей рельефа [183].

f, Гц

10

а

б

Рис. 37. Временной частотный спектр флуктуаций температуры на метеовышке.

a) 26.10.2012; б) 07.08.2016

Выводы

1. Общий уровень зарегистрированной интенсивности турбулентности в ночное наблюдательное время вблизи БТА в среднем низок (пониженные значения СП), что, среди прочего, обеспечивает хорошее качество астрономических изображений в наблюдениях на БТА [183, 176].

2. Установлено присутствие над территорией САО когерентной турбулентности, в которой качество формируемых телескопом изображений выше, чем в колмогоровской турбулентности [183, 176].

3. Выяснено влияние типа подстилающей поверхности и направления скорости ветра на режим возникновения когерентной турбулентности в районе БТА. Причиной её появления являются неравномерность нагрева поверхности и горный рельеф, формирующий воздушные потоки в крупные когерентные структуры [183, 176].

4. Проведение астрономических наблюдений в САО предпочтительней ночью и днём, чем утром или вечером. Качество ночных или дневных изображений (звёзд или Солнца) при этом будет лучше, чем качество утренних и вечерних изображений (Солнца). Это существенная рекомендация для звёздных наблюдений на БТА. В то же время, БТА предназначен именно для ночных наблюдений, поэтому, с точки зрения влияния летней турбулентности на изображения, можно считать, что БТА установлен в оптимальном месте [183, 176].

5. Несмотря на то, что БТА введён в эксплуатацию более 40 лет назад, он до сих пор остаётся одним из крупнейших в мире наземных телескопов. Строительство таких телескопов - крайне дорогостоящее предприятие, сроки которого измеряются годами. Строительство включает в себя также долговременные подготовительные исследования по выбору оптимального места размещения телескопа [170]. Как видно, наши рекомендации, выработанные другими независимыми (метеорологическими) методами, подтверждают результативность ранее выполненных на БТА подготовительных работ [183, 176].

§ 4.3. Средневысотные обсерватории 4.3.1. Байкальская астрофизическая обсерватория

Результаты наших исследований процессов формирования турбулентности в этой

обсерватории в экспедициях 2005-2007, 2010-2015, 2017-2018 гг. опубликованы в основном в работах [175-181, 186, 188-190, 201, 206, 207, 211, 219-225, 228, 230-232, 234].

Байкальская астрофизическая обсерватория (БАО) ИСЗФ СО РАН расположена в пос. Листвянка, Иркутская обл. на берегу оз. Байкал. На территории БАО расположено несколько оптических инструментов, среди которых основной - Большой солнечный вакуумный телескоп (БСВТ). Измерения проводились в нескольких местах: вблизи приёмного зеркала БСВТ, на площадке вблизи башни БСВТ на вершине горы (680 м над уровнем моря), а также на горных подступах к БСВТ [176].

Формирование турбулентности над территорией обсерватории Результаты исследований за длительный период (2005-2018 гг.) показали, что в БАО астроклиматическая метеоситуация определяется главным образом рельефом прилегающих территорий и направлениями преобладающих ветров. За указанный период измерений зарегистрированы два преимущественных направления среднего ветра (рис. 38): южное - днём со стороны оз. Байкал (рис. 38а); северное - ночью с гор в сторону оз. Байкал (рис. 38в), при которых обнаруживается когерентная турбулентность. Промежуточные направления среднего ветра регистрируются утром и вечером и приводят, как правило, к появлению колмогоровской турбулентности (рис. 38б) [176, 183].

Ж град /Гц

Ж град /Гц

10°

10

10-2

10-3

/, Гц 4 ■ 10

10° ^Т град/Гц

10-'

10-2

10-3

10

Г, Гц

Г, Гц

0,1 1 10 0,1 1 10 0,1 1 10 а б в

Рис. 38. Временной частотный спектр флуктуаций температуры. БСВТ. Эксперименты, вблизи

поверхности, БАО. а) когерентная турбулентность, южный ветер, день 12.08.2011;

б) колмогоровская турбулентность, западный ветер, вечер 13.08.2011;

в) когерентная турбулентность, северный ветер, ночь 13.08.2011

При южных ветрах (со стороны оз. Байкал) средние значения структурной

постоянной СП составляли 9,4-10 16 см 2 3 (при средней температуре <Т> = +16,9 °С, 12.08.2011), при северных ветрах (в сторону оз. Байкал) 4,4-10-16 см-2/3 (<Т> = +15,6 °С,

-2/3

_15 _2/3

13.08.2011), при ветрах промежуточных направлений 1,9-10 см (<Т> = +15,3 °С, 13.08.2011).

Около зеркала сидеростата БСВТ, предназначенного главным образом для дневных наблюдений, днём образуется область когерентной турбулентности. Так как в условиях когерентной турбулентности уменьшаются флуктуаций оптического излучения и улучшается качество изображений, то наблюдения на БСВТ предпочтительнее выполнять днём. Это означает, что место установки БСВТ выбрано оптимально с точки зрения учёта астроклиматических характеристик, что в свою очередь, свидетельствует об эффективности произведённых ранее работ по выбору места для установки БСВТ [183, 176].

В обсерватории БАО также зарегистрированы астроклиматические явления, которые приводят тоже к улучшению астрономических изображений:

Во-первых, в целом уровень флуктуаций температуры вблизи здания БСВТ (и в целом, в БАО) летним днём оказывается сравнительно низким (снижены приземные значения структурной характеристики показателя преломления С„). Это приводит к повышению качества изображений в дневных наблюдениях и указывает на то, что астрономические измерения в БАО лучше выполнять в дневное время [183, 176].

Во-вторых, горный участок, на котором расположен БСВТ, имеет искусственное покрытие в виде насыпи из крошки белого мрамора, обладающего высоким значением коэффициента радиационного отражения. Указанное свойство мрамора приводит к появлению вблизи здания БСВТ охлаждённой области, над которой в приземном слое значения параметров турбулентности (например, СП) в среднем меньше, чем над другими областями. Другими словами, над мраморной насыпью возникает переохлаждённый полусферический объём, внутри которого оказывается здание БСВТ. Результаты измерений показали, что присутствие охлаждённого участка поверхности у здания телескопа останавливает конвективные процессы, приводящие к появлению восходящих воздушных потоков, что в целом позитивно сказывается на астроклимате в районе телескопа и приводит к повышению качества астрономических изображений (фазовые и амплитудные флуктуации оптического излучения слабее). [183]

Область когерентной турбулентности над БАО формируется, когда направленные в сторону обсерватории воздушные потоки с озера Байкал (южный ветер), встречая горный склон Приморского хребта, испытывают вертикальное закручивание с

образованием крупных стабильных воздушных вихрей с горизонтальной осью вращения (когерентных структур) над БСВТ. Подобным образом механизм формирования области когерентной турбулентности действует, когда воздушные потоки с Предбайкальской впадины (северный ветер) встречаются с Приморским хребтом с образованием когерентных структур, переносимых ветром к БАО. При других направлениях ветра, как правило, формируется колмогоровская турбулентность [183, 176].

4.3.2. Обсерватория Колыванского хребта

Результаты исследований процессов формирования турбулентности в этой обсерватории в экспедиции 2006 г. опубликованы в основном в работах [232, 176, 188, 190, 228].

Обсерватория Колыванского хребта расположена в предгорьях Колыванского хребта Алтайского края, на высоте около 340 м над уровнем моря. Территория обсерватории представляет собой местность с невысокими холмами от десятков до нескольких сотен метров высотой. Измерения проведены с использованием метеостанции «АМК-03» (см. п. 1.3.1). Измеряемые метеопараметры фиксировались с периодичностью в 15 минут и осреднялись за 2 минуты. Термоанемометр располагался на высоте 3,1 м [232, 176].

На рис. 39 представлены значения повторяемости (гистограммы) значений метеопараметров: структурной характеристики Cn, средней горизонтальной скорости ветра V, среднего направления горизонтальной скорости ветра D, среднеквадратического отклонения T воздуха gt за период проведения измерений 2429.06.2006 г. На каждом рисунке приведены гистограммы повторяемости значений для утреннего, дневного, вечернего, ночного сроков измерений, а также за полные сутки. Для построения рис. 39 использованы осреднённые за 2 мин. значения метеопараметров.

Период времени суток «утро» здесь соответствует временному интервалу суток от окончания утренних сумерек, т.е. выхода Солнца из-за горизонта [115] (28.06.2006 г. в месте наблюдений утренние сумерки закончились в 05:20), до начала времени суток «день», за которое здесь принято значение времени 11:15 из [6, с. 46 ; 1, с. 132]; период времени суток «день» - интервал с 11:15 до начала времени суток «вечер» - 16:15 [6, с. 46 ; 1, с. 132]; «вечер» - с 16:15 до начала вечерних сумерек (28.06.2006 г. в месте наблюдений вечерние сумерки начались в 21:57); «ночь» - интервал с 21:57 до 05:20.

Из представленных рис. 39 следует, что Сп (рис. 39а) в ночные и вечерние сроки наблюдений чаще принимает меньшие значения, чем в другое время суток. Этим периодам наблюдения соответствуют также меньшие значения аТ (рис. 39г), сравнительно меньшие значения V (рис. 39б) и преимущественно юго-юго-восточное (ночь) и юго-юго-западное (вечер) направления Б (рис. 39в). В целом, для всех сроков наблюдений характерно преимущественно южное направление ветра со стороны Колыванского хребта.

Утро

Утро

20 10

Утро 30 20

0 2 4 6 8 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 60 120 180 240 300 360

Утро

День

День

0 2 4 6 8 10 00 1 2 3 4 5 6 7 8 060

День

20 180 240 300 360

5,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

),р, %

День

Вечер 10

0 2 4 6

Вечер

гПП ,

Ж

Вечер

10 00 12345678 0 60 120 180 240 300 360

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 50 р, %

Вечер

0 0,2 0,4 0,6 08 1,0

Ночь 10 0-

20 10 0-

50, р, % 40

Ночь 30 20

0 2 4 6 8 10 12345678

Сутки

0 60 120 180 240 300 360

Ночь

3,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

), р, %

0^

дп,

Сутки

0 2 4 6 8 10 12

п2 . „-15 -2/3

С , х10 см

п

0 1 2 3 4 5 6 7 8

V, м/с

0 60 120 180 240 3°° 360

Б, °

Сутки

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

а б в г

Рис. 39. Повторяемость значений за период 24-29.06.2006 г. а) структурная характеристика С1; б)

средняя горизонтальная скорость ветра V; в) направление средней горизонтальной скорости Б;

г) среднеквадратическое отклонение оТ

Для детального описания метеоситуации в обсерватории выборочно приведём результаты измерений за полные сутки 28.06.2006 г. следующих характеристик (рис. 40): средние величины Т, V, Б и Сп.

Как следует из рис. 40а, средняя температура воздуха меняется от 19,2 °С в ночное время до 26,4 °С - днём. Направление вектора средней горизонтальной скорости ветра (рис. 40б) преимущественно южное, среднее значение за сутки 183°. Средняя горизонтальная скорость ветра (рис. 40в) в течение суток изменялась от 1,3 м/с ночью до 5,6 м/с - днём, составляя в среднем за сутки 3,2 м/с. Структурная характеристика флуктуаций показателя преломления Сп (рис. 40г) в течение суток претерпевает изменения более чем на порядок: от минимальных значений 7,7-10-16 см-2/3 в ночное

р

р, %

р, %

р, %

р, %

р, %

р, %

р, %

р, %

р, %

р, %

р, %

р, %

р, %

р, %

р, %

0

0

15 2/3 15 2/3

время до 9,8-10- см- - днём, а в среднем 4,3-10- см- . Подобный диапазон изменения C„, согласно [6], характерен для ровной местности в летний сезон [232].

а б в г

Рис. 40. Средние значения. 28.06.2006 г. а) температура воздуха Т; б) горизонтальная скорость

ветра V; в) направление горизонтальной скорости ветра D; г) структурная характеристика

флуктуаций показателя преломления С2.

С южной стороны обсерватории расположен Колыванский хребет, который является препятствием для воздушных потоков. При обтекании препятствий из-за постоянной генерации крупных ячеек и переноса продуктов их распада внешним потоком воздушные течения непосредственно за препятствиями обеднены мелкими вихрями. Вследствие чего сразу за препятствием спектр флуктуаций соответствует когерентной турбулентности. С увеличением расстояния от препятствия вихри (являющиеся продуктами распада) из турбулентных следов распадающихся когерентных структур смешиваются с окружающей турбулентной атмосферой и турбулентность из когерентной постепенно переходит в колмогоровскую [234, 232, 188]. Здесь это означает, что достаточно высокие скорости среднего ветра в сочетании с холмистым рельефом в районе наблюдений и близостью Колыванского хребта приводят к возникновению над территорией больших когерентных структур, обеспечивающих качество изображений в условиях, при которых значения и сочетания метеопараметров отвечают лучшим условиям наблюдений, т.е. ночные и вечерние сроки проведения наблюдений и южные направления ветра. Спектральные характеристики атмосферной турбулентности подтверждают данный вывод (рис. 41) [232, 176].

Во временном частотном спектре флуктуаций температуры ЖТ на рис. 41 наблюдается участок в инерционном интервале с 8/3-зависимостью, что соответствует когерентной турбулентности, в условиях которой качество изображений выше, чем в колмогоровской (фазовые и слабые амплитудные флуктуации оптического излучения меньше) [232, 176].

Таким образом, можно сформулировать практические рекомендации по наиболее благоприятному режиму проведения наблюдений в ОКХ: наблюдения предпочтительнее выполнять в условиях ветров южных направлений.

Рис. 41. Временной частотный спектр флуктуации температуры. ОКХ, 28.06.2006.

§ 4.4. Маловысотные обсерватории 4.4.1. Центр лазерного зондирования атмосферы ИОА СО РАН

Результаты наших исследований процессов формирования турбулентности в этом центре опубликованы в основном в работах [176, 182, 187, 199, 201, 208, 210].

В Центре лазерного зондирования атмосферы (ЦЛЗ) ИОА на базе «Сибирской лидарной станции» (СЛС) производится мониторинг атмосферных характеристик: аэрозоль, температура, облачность и т.д. с использованием методов дистанционного оптического зондирования. При проведении измерений применяются методы лазерного зондирования и спектрофотометрические измерения. СЛС является действующей обсерваторией на территории РФ, где ведутся регулярные аэрономические наблюдения за средней атмосферой.

ЦЛЗ находится недалеко от Базового экспериментального комплекса (БЭК) ИОА, поэтому исследования процессов формирования турбулентности над территорией БЭК позволяют определить благоприятные условия для оптических наблюдений в ЦЛЗ. БЭК представляет собой расположенную вдалеке от строений открытую ровную площадку с естественным травяным покровом [176].

Измерения на территории БЭК главным образом проводились вблизи поверхности. Измерения, например 01.08.2013 г., выявили средние значения интенсивности турбу-

2 _15 _2/3

лентности Сп = 1,5-10 см , температуры +23,6 °С; спектр флуктуаций температуры

представлен на рис. 42. Инерционный интервал спектра описывается асимптотикой с 5/3-степенной зависимостью, что соответствует колмогоровской турбулентности [176].

W град / Гц

10-1г

10 г

10"" г

10 г

10""

0,1 1 10 I Гц

Рис. 42. Экспериментальный временной частотный спектр флуктуаций температуры. БЭК, вблизи

поверхности 01.08.2013 г.

В целом, по результатам многочисленных и многолетних измерений на территории БЭК регистрируется преимущественно колмогоровская турбулентность [176].

§ 4.5. Результаты систематизации исследований локальной структуры турбулентности в выбранных обсерваториях

В итоговой сводной таблице 3 указаны преимущественные типы турбулентности и условия её формирования в исследованных обсерваториях. Таблица построена по результатам автоматизированного компьютерного анализа более 8300 спектров турбулентных флуктуаций температуры, зарегистрированных в обсерваториях за длительный период наблюдений [176].

Как видно из сопоставления преимущественных направлений ветров в обсерваториях и типов подстилающих поверхностей в окрестностях телескопов, над территориями обсерваторий вблизи телескопов формируется долгоживущая область когерентной турбулентности при условиях, когда направленные в сторону телескопа воздушные потоки (ветер), пересекая горный хребет или глубокую впадину, испытывают вертикальное закручивание с образованием крупных стабильных воздушных вихрей (когерентных структур), которые переносятся воздушными потоками далее к телескопу. При перемене направления ветра (или существенном его ослаблении) либо в случаях, когда ветер дует на телескоп в основном со стороны плоскогорья или равнины, в этих же обсерваториях, как правило, формируется колмогоровская турбулентность [176].

Табл. 3. Условия формирования и преимущественные типы турбулентности в обсерваториях

Обсерватория [176] Преимущественные ветры Преимущественный тип турбулентности

Название Место расположения Высота над ур. моря, м Виды рельефа в направлении С^Ю* Направление * ветра Особенности рельефа вдоль направления Высоты**, м ▲ - когерентная О - колмогоров-ская

Саянская солнечная обсерватория респ. Бурятия, п. Монды, г. Часовые Сопки 2000 хребет_ впадина_ гора_ равнина_ озеро ^ СВ Восточный Саян хр., Мондинская впад. 2900, 1300 ▲

я ЮЗ Хубсугул оз. 1640 О

_ плоскогорье 16402200 О

Специальная астрофизическая обсерватория РФ, КЧР, п. Нижний Архыз, г. Семиродники 2070 равнина_ гора_ хребет 4 С Ставропольская возвыш. 300-500 ▲

я ЮЗ Б.Зеленчук р. ущелье Кавказский хр. 12502000 ▲

ЮВ Маруха р. ущелье Кавказский хр. 16502100 ▲

_ Кавказский хр. _ О

Байкальская астрофизическая обсерватория Иркутская обл., п. Листвянка 650 впадина_ хребет_ гора_ озеро_ хребет 4 С Предбайкальская впад., Приморский хр. 520-600 650-850 ▲

Т Ю Байкал оз., Хамар-Дабан хр. 450, 12001800 ▲

_ горы, впадины _ О

Обсерватория Колыванского хребта Алтайский край 340 равнина_ предгорье_ хребет Т Ю Колыванский хр. 350-540 ▲

_ Предалтайская равн. 200-250 О

Центр лазерного зондирования Томская обл., г. Томск 170 равнина _ Западно-Сибирская равн. 100-200 О

-г-г *) **)

Примечания: ' С _ север, Ю _ юг, В _ восток, З _ запад. характерные высоты особенностей

рельефа вдоль выделенного направления ветра.

Поскольку в условиях когерентной турбулентности астрономические изображения улучшаются [232, 179, 186, 188] (см. п. § 3.1), то приведённые в табл. 3 результаты могут определять оптимальные условия и сроки проведения астрономических наблюдений в указанных обсерваториях [176].

Основные выводы к главе 4

1. Над территориями рассмотренных обсерваторий юга Сибири и Северного Кавказа установлено присутствие областей когерентной (неколмогоровской) турбулентности, в которых преобладает влияние одной крупной когерентной структуры. Причиной формирования когерентной турбулентности является рельеф местности, определяющий направления скорости ветра, а также неравномерность нагрева подстилающей поверхности. В присутствии областей когерентной турбулентности качество изображений в телескопе улучшается вследствие ослабления флуктуаций оптического излучения [176].

2. Над территориями обсерваторий вблизи телескопов формируется долгоживущая область когерентной турбулентности при условиях, когда направленные в сторону телескопа воздушные потоки (ветер), пересекая горный хребет или глубокую впадину, испытывают вертикальное закручивание с образованием крупных стабильных воздушных вихрей (когерентных структур), которые переносятся воздушными потоками далее к телескопу. При перемене направления ветра (или существенном его ослаблении) либо в случаях, когда ветер дует на телескоп в основном со стороны плоскогорья или равнины, в этих же обсерваториях, как правило, формируется колмогоровская турбулентность [176].

3. Систематизация результатов исследований локальной структуры турбулентности в исследованных обсерваториях позволила выработать практические рекомендации для определения оптимальных условий и сроков проведения астрономических наблюдений.

ГЛАВА 5. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ ТУРБУЛЕНТНОСТИ НА ОПТИЧЕСКИХ ТРАССАХ В СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ АСТРОНОМИЧЕСКИХ

ТЕЛЕСКОПОВ

Результаты наших исследований процессов формирования турбулентности на оптических трассах в специализированных помещениях астрономических телескопов опубликованы в основном в работах [175-183, 186, 188-190, 199, 201, 206, 207, 210, 211, 213, 214, 219-225, 228, 230-234, 239].

В закрытых помещениях выбранных российских обсерваторий: САО РАН, БАО СО РАН, ЦЛЗ ИОА СО РАН исследованы процессы формирования турбулентности. Исследования включали в себя натурные измерения астроклиматических характеристик помещений и численные эксперименты по моделированию вихревых движений воздушных масс в закрытых помещениях путём решения краевых задач для уравнений Навье-Стокса в приближении Буссинеска с использованием данных измерений в качестве граничных и начальных условий. Установлены основные условия возникновения когерентной турбулентности в закрытых помещениях. Необходимо отметить, что численное моделирование проведено после экспериментальных измерений.

Как известно [13, 14], локальная приземная турбулентность в районах телескопов и павильонная турбулентность могут вносить до 40% в искажения получаемого оптического изображения. В закрытых помещениях телескопов оптическое излучение обычно распространяется по довольно протяжённым воздушным участкам. Такие участки оптической трассы подвержены внешним воздействиям, вызывающим флуктуации показателя преломления воздуха. Для уменьшения воздействия атмосферы проводятся различные мероприятия: устанавливаются герметичные переборки внутри помещений, используется вакуумирование участков оптических трасс, применяется термостатирование павильонов с помощью специальных изолирующих материалов. Тем не менее, такие мероприятия не устраняют влияние атмосферы в полной мере. В закрытых помещениях возникают внутренние конвективные воздушные потоки, обусловленные температурными контрастами поверхностей помещений и конструкций телескопов.

Таким образом, изучение астроклиматических характеристик закрытых специализированных помещений телескопа актуально в контексте исследований и проведения мероприятий по повышению эффективности телескопов.

§ 5.1. Структура движений воздуха на оптических трассах в специализированных

помещениях астрономических телескопов

Результаты наших исследований процессов формирования турбулентности в закрытых помещениях в присутствии оптических элементов конструкции крупноапертурного телескопа, приведённые в настоящем параграфе, опубликованы в основном в работах [181, 225, 233].

Исследование внутренней структуры движений нагретой воздушной среды на оптических трассах внутри специализированных помещений телескопов необходимо для оценок характеристик распространяющегося оптического излучения. Закрытость помещения с разными степенями нагрева поверхностей (без обмена веществом среды через границы объёма) даёт возможность тестирования в стационарных условиях различных оптических характеристик телескопов (включая их разрешающую способность). В крупных специализированных помещениях астрономических инструментов обычно конструктивно размещены крупногабаритные оптические элементы. Здесь рассматривается прямоугольное закрытое помещение, содержащее оптические элементы и внутренние конструкции крупноапертурного астрономического телескопа с вертикально ориентированной оптической осью [181].

Для проведения численного моделирования поведения воздушных масс на оптических трассах в специализированных закрытых помещениях астрономических телескопов в нашей работе [181] предложено несколько различных сценариев. Каждый сценарий предполагает решение соответствующей краевой задачи гидродинамики и включает в себя: геометрическую модель помещения (габариты объёма); начальные условия температуры, давления, плотности и вязкости среды; граничные условия температуры, скорости перемещения среды внутри объёма; температурные градиенты на границах объёма и поверхностях; наличие/отсутствие конструкций телескопа и прочего оборудования. Далее приведём решение краевой задачи, соответствующей типичному сценарию из [181].

Для проведения численного эксперимента сформулирована следующая краевая

задача Дирихле. Для модели помещения (рис. 43) заданы размеры (шхвхг): 22x22x22 м. Граничные условия: задан вертикальный градиент температуры Т на поверхностях: 0,005 К/м, Т поверхностей помещения: от Т0 + 0,11 К (нижняя грань) до Т0 (верхняя грань); давление р0; нулевые значения скорости V на поверхностях. В объёме подобная воздуху среда [181].

Рис. 43. Модель специализированного закрытого помещения с оптическими элементами астрономического телескопа

Рис. 44. Оптические элементы конструкции телескопа. Модель

Рис. 45. Схема расположения точек измерения параметров

Рис. 46. Вертикальное сечение поля скоростей вблизи оптических элементов телескопа

Рис. 47. Фрагмент вихревой структуры вблизи главного зеркала телескопа. Вертикальное сечение главного зеркала. Сплошные линии - линии тока. Стрелки - вертикальное сечение поля скоростей. Фронтальный вид

Рис. 48. То же, что и на рис. 47. Вид сверху

Внутри помещения присутствуют оптические элементы конструкции крупноапертурного телескопа - набор оптических зеркал (рис. 44). Схема расположения точек измерения параметров около элементов конструкции телескопа приведена на рис. 45; нумерация точек - последовательная в соответствии с оптической схемой: от Р01 (над главным зеркалом 02,3 м) до Р06 (под плоским эталонным зеркалом для

автоколлимационного режима) [181].

В результате решения краевой задачи получена картина движения воздуха в помещении (рис. 46, 47, 48) в параметрах векторного поля V и скалярных полей T и p. На рис. 49 показан рассчитанный временной частотный спектр флуктуаций T в т. Р01.

Известно [188, 181, 234], что при обтекании препятствий, вследствие постоянной генерации крупных ячеек и переноса продуктов их распада внешним течением, непосредственно за препятствиями течения обеднены мелкими вихрями. Поэтому сразу за препятствием спектр флуктуаций соответствует когерентной турбулентности. В данном случае точка Р01 расположена непосредственно над главным зеркалом или, учитывая, что конвективные воздушные потоки поднимаются вверх, на его «подветренной» стороне [181]. Следовательно, указанная точка находится сразу за препятствием - главным зеркалом, что является причиной наличия сравнительно протяжённого когерентного 8/3-участка в спектре турбулентности (рис. 49) [188, 181, 234].

Рис. 49. Временной частотный спектр флуктуаций Т в точке Р01

§ 5.2. Павильон спектрографа Большого солнечного вакуумного телескопа Байкальской астрофизической обсерватории СО РАН

Результаты наших исследований процессов формирования турбулентности в закрытых помещениях Байкальской астрофизической обсерватории (БАО) опубликованы в основном в работах [175-181, 186, 188-190, 201, 206, 207, 211, 219-225, 228, 230-234].

5.2.1. Эксперимент

Исследования характеристик астроклимата в специализированных помещениях

Большого солнечного вакуумного телескопа (БСВТ) БАО, в частности, в павильоне астрономического спектрографа БСВТ проводились нами в 2006, 2007, 2014, 2015 гг. Павильон выполнен по горизонтальной схеме Эберта и представляет собой закрытое изолированное помещение (рис. 51) с размерами около 5x7x16 м. В ходе исследований с помощью метеосистемы «АМК-03» (см. п. 1.3.1) выполнены измерения основных характеристик движения воздушных масс в помещении: средняя температура воздуха Г, средние величины горизонтальной и вертикальной компонент скорости ветра, структурная характеристика СП и структурная характеристика сГ и другие астроклиматические характеристики [177, 178, 232].

Измерения в павильоне выявили градиенты средней Г поверхностей: вертикальный градиент -0,41 К/м, горизонтальный -0,028 К/м, которые приводят к образованию конвективной ячейки Релея-Бенара; соответствующая вихревая структура, восстановленная из экспериментальных данных, приведена на рис. 50 [232, 177, 178, 230].

5 4 3 2 1 0

16 14 12 10 8 6 4 2 0

Рис. 50. Схематический вид зарегистрированной в эксперименте вихревой структуры в павильоне

спектрографа БСВТ в вертикальной плоскости

Зарегистрированные в натурных измерениях градиенты Г являются причиной достаточно высокого уровня флуктуаций Г и показателя преломления п, например, на высоте 1,1 м оптической трассы в павильоне интенсивность турбулентности составила 1,6-10"14 см-2/3, при значении средней температуры +12 °С [232, 177, 178, 230].

5.2.2. Моделирование структуры вихревых движений воздуха в павильоне

спектрографа БСВТ

Теоретическое исследование структуры вихревых движений воздуха в закрытом объёме павильона спектрографа БСВТ (рис. 51а) проведено с помощью численного решения краевой задачи Дирихле для уравнений Навье-Стокса в приближении Буссинеска с граничными и начальными условиями из данных натурных измерений.

Рис. 51. Большой солнечный вакуумный телескоп: а) фото здания БСВТ; б) модель павильона спектрографа со схемой расположения точек измерения параметров

Для модели помещения спектрографа БСВТ (рис. 51б) заданы размеры (шхвхг): 16x5x7 м. Граничные условия Дирихле: температуры поверхностей павильона -соответствуют измеренным в эксперименте, скорости на границах твёрдых тел равны нулю; начальные условия: температуры поверхностей помещения - соответствуют измеренным в эксперименте, скорости равны нулю. Внутри павильона: температура воздуха и давление - соответствуют измеренным в эксперименте. Внутри павильона -подобная воздуху среда. В павильоне присутствуют оптические элементы и конструкции спектрографа. Расположение точек измерения параметров приведено на схеме на рис. 51б [180]. Для численного решения краевой задачи использовано программное обеспечение [147].

Масштабная программно-численная модель помещения павильона спектрографа БСВТ (рис. 51б) включает в себя следующие оптические компоненты: диагональное зеркало (коллиматор), два камерных зеркала, плоская ширма (полевая диафрагма), юстировочный стол, тумба для диагонального зеркала, тумба для камерного зеркала, основание под направляющие для перемещения второго камерного зеркала. Компоненты модели построены в масштабе аналитически и выполнены программно с применением методов конструктивной геометрии [171]: сложные объекты сформированы как совокупность простых объектов с использованием булевых операций (пересечение, соединение, разность) [177, 178].

Вихревые структуры в павильоне спектрографа, полученные в результате численного моделирования (рис. 52) и зарегистрированные нами в эксперименте (рис. 50), практически совпадают. Внутри помещения наблюдаются уединённые крупные вихри (когерентные структуры, топологические солитоны), которые совместно могут быть интерпретированы как аналог конвективной ячейки Релея-Бенара, сформированной в закрытом объёме [180, 176].

Рис. 52. Вихревая структура, полученная в результате численного моделирования в павильоне спектрографа БСВТ. Вид спереди. Сплошные линии - линии тока

Проведённое численное моделирование позволяет получить распределение характеристик турбулентности на участках оптической трассы в павильоне, выполнить анализ температурного режима павильона на качество формируемого в спектрографе изображения. Результаты решения краевой задачи (рис. 53) с граничными условиями, соответствующими данным натурных измерений, подтверждают существование в воздухе павильона когерентной структуры, выявленной в эксперименте (рис. 50), и согласуются с результатами экспериментальных измерений [180, 176].

Рис. 53. Нормированный временной частотный спектр флуктуаций Т.

Спектрограф БСВТ. БАО. 1 - эксперимент 03.07.2007 г., 2 - численное моделирование

Как видно из рис. 53, результаты численного моделирования спектра флуктуаций Т На рис. 53 приведены нормированные временные спектры флуктуаций температуры Т G(E) = / ЖТ (/) / а2, где /- частота, (/) - временной частотный спектр флуктуаций Т, а2 - дисперсия флуктуаций Т, Е = /// - нормированная частота, /0 - характеристическая частота, соответствующая главному энергонесущему вихрю [176].

согласуются с экспериментом удовлетворительно. В соответствующем эксперименту спектре наблюдается протяжённый участок в инерционном интервале с асимптотической 5/3-степенной зависимостью (обозначенный как «-8/3 + 1» на рис. 53),

что соответствует 8/3-зависимости обычного (ненормированного) спектра WT и соответствует когерентной турбулентности. Начальный участок инерционного интервала в теоретическом спектре описывается аналогичной зависимостью [176].

§ 5.3. Сибирская лидарная станция Центра лазерного зондирования ИОА СО РАН

Результаты наших исследований процессов формирования турбулентности в Сибирской лидарной станции (СЛС) Центра лазерного зондирования (ЦЛЗ) ИОА СО РАН (г.Томск) опубликованы в основном в работах [176, 233, 182, 199, 201, 210].

В настоящем параграфе приведены экспериментальные и теоретические результаты исследования теплообмена и структуры турбулентности в подкупольном помещении - в закрытом помещении шахты главного зеркала (рис. 54) СЛС ЦЛЗ ИОА. Проведённые исследования необходимы для прогноза искажений лазерного излучения вблизи главного зеркала и его фокуса в подкупольном помещении. Они позволяют сделать оценки и дать прогноз эффективности самой лидарной станции [176, 182].

Шахта главного зеркала СЛС служит для светоизоляции лидарных систем и главного зеркала; сдвижная крыша шахты служит для вывода оптического излучения в атмосферу и приёма лидарных сигналов.

5.3.1. Эксперимент

Экспериментальные исследования характеристик турбулентности в подкупольном помещении СЛС были выполнены в декабре 2015 г. Измерения проведены с использованием метеостанции «АМК-03» (п. 1.3.1) в разных точках (рис. 55) по объёму шахты.

Экспериментальные измерения выявили наличие воздушных потоков (скоростью до 0,4 м/с) внутри помещения по всей высоте шахты (15,6 м), в том числе в технологических зазорах между элементами конструкций. Установлены следующие теплообменные направления движения воздуха внутри помещения: вертикальное нисходящее направление внутри бленды, выполненной в виде вертикальной трубы круглого сечения; вертикальное восходящее направление с внешней южной стороны бленды (в зазорах между блендой и горизонтальными трапами); вертикальное нисходящее направление с внешней северной стороны бленды. Причиной возникновения тепловых потоков, как выяснилось, являлись градиенты средней температуры: повышение температуры в нижней части помещения шахты в местах

прилегания входных дверей в шахту из смежного тёплого помещения; понижение температуры в верхней части помещения вследствие внешнего выхолаживания

сдвижной крыши шахты [176, 182]. Среднее значение структурной постоянной

2 -показателя преломления Сп при измерениях в нижних точках шахты составило 4,5-10

16 см-23, значение средней температуры +12,7 °С.