В настоящее время среди глобальных задач, решаемых научным мировым сообществом, можно выделить проблемы изменения климата Земли, экологии и космической погоды. Атмосфера Земли является одним из важнейших элементов климата нашей планеты. Изменчивость основных характеристик средней и верхней атмосферы является одной из ключевых задач физики атмосферы, которая имеет прямое отношение к глобальным проблемам изменения климата, экологии и космической погоды. В ГФО проводятся оптические наблюдения собственного свечения верхней атмосферы Земли в спектральном диапазоне 360 — 900 нм, включая основные эмиссионные линии атомарного кислорода 557.7 и 630 нм, гидроксила OH(6-2) и молекулярного кислорода O2(0-1). При этом исследования проводятся как в спокойных, так и в возмущенных гелио-геофизических условиях. К настоящему времени накоплен и продолжает пополняться уникальный ряд систематических наблюдений, необходимый для изучения глобальных проблем изменения климата, экологии и космической погоды. Кроме того полученные данные используются для исследования состояния атмосферы и вариаций атмосферных параметров на высотах от мезопаузы до термосферы. В свою очередь регистрация вариаций характеристик оптических эмиссий различного временного масштаба , а также их пространственного распределения, дают возможность для исследования причинно-следственных связей изменения геофизических параметров верхней атмосферы при воздействии на нее солнечного ультрафиолетового излучения в периоды различных фаз циклов солнечной активности, а также воздействие различных динамических процессов, происходящих в приземных слоях атмосферы. С помощью экспериментальных данных, полученных в ГФО ИСЗФ СО РАН, проводятся исследования суточного и сезонного хода оптических атмосферных эмиссий, вариаций в зависимости от уровня солнечной и геомагнитной активности, а так же в периоды действия стратосферных потеплений. Кроме этого данные по вращательной температуре гидроксила ОН (6-2) используются для анализа поведения температуры атмосферы на высотах мезопаузы для различных гели-геофизических условий. Обеспечиваются условия для регулярной ежедневной работы фотометра CIMEL CE 318С (измерения оптических, микрофизических характеристик аэрозоля и влагосодержания в атмосфере). Данные наблюдений входят в базу данных проекта AERONET и доступны по адресу: http://aeronet.gsfc.nasa.gov/.
Оптическое оборудование включает в себя:
- 4-х канальный фотометр «Феникс» для регистрации собственного свечения атмосферы Земли в линиях 557.7 нм (высоты ~ 85-115 км), 630 нм (высоты ~ 180- 300 км) и спектральных диапазонах 360-410 нм и 720-830 нм.
- CCD-камера для регистрации пространственной картины возмущений в излучении верхней атмосферы. Спектральный диапазон 720-850 нм. Высота ~ 80-100 км.
- CCD-камера для регистрации пространственной картины возмущений в излучении верхней атмосферы. Каналы RGB видимого спектрального диапазона.
- Спектрограф для измерения вращательной температуры нейтральной атмосферы на высотах 80-100 км и интенсивности излучения ночного неба в спектральном диапазоне 820-870 нм (OH (6-2) и O2(0-1)).
- Фотометр сети Аэронет.
- Прибор для измерения интенсивности собственного свечения атмосферы в спектральном диапазоне 500 — 700 нм на базе спектрометра МДР-2 (Отладка и испытания).
- Двухканальный фотометр с возможностью точного позиционирования в заданную точку неба (опытная эксплуатация).
Фотометр CIMEL-318 для измерения прозрачности атмосферы
CIMEL-318 Photometer for measuring optical depth
Проект «Аэронет», организатором которого является американское космическое агентство, представляет собой сеть станций измерения аэрозольной оптической толщи (АОТ), насчитывающую более 120 пунктов, расположенных на всех континентах планеты. В основе работы станций лежит солнечный мультиспектральный фотометр CE-318, работающий в 8 спектральных каналах и измеряющий как прямое, так и рассеянное излучение Солнца.
|
|
Станции наблюдения сети «Аэронет».
|
В базовом варианте прибора, прямая радиация измеряется (каждые 15 минут) на длинах волн 340, 380, 440, 500, 670, 870, 940, 1020 нм. Полученные данные используются для определения АОТ в семи спектральных участках и влагосодержания атмосферы (канал 940 нм). Погрешность определения АОТ атмосферы составляет ±0.01÷0.02. Измерения рассеянной радиации на альмукантарате Солнца и в главной плоскости проводятся на четырех длинах волн – 440, 500, 670 и 870 нм, в среднем один раз в час.
Важным достоинством сети AERONET является высокая информативность. Благодаря применению современных методов решения обратных задач, кроме АОТ и влагосодержания атмосферы, восстанавливаются микроструктура аэрозоля, показатель преломления, индикатриса рассеяния, фактор асимметрии и альбедо однократного рассеяния аэрозоля.
Основные технические характеристики фотометра CIMEL-318
| Количество каналов | 8 |
| Длины волн | 340, 380, 440, 500, 670, 870, 940 и 1020 нм |
| Ширина полосы интерфер.
Фильтров | 2 нм (УФ каналы) -10 нм (видимая и ближняя ИК область спектра) |
| Поле зрения коллиматора | 1,2° |
| Полоса пропускания | 10 нм |
| Рабочие температуры: | от -30 до 60. °С |
| Метод слежения за солнцем: | слежение в зенитной и азимутальной плоскостях |
| Погрешность измерений: | ±0.01÷0.02. |
| Источники питания: | внутренние батареи для оптической головки, внешние батареи для робота, солнечные панели или 220 В. |
|
|
Общий вид фотометра в Геофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН
|
|
|
Данные АОТ за 2010 г. (слева), за март 2010 г. (справа)
|
Фотометр установлен в Геофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН (п. Торы, 51.8˚ N, 103.1˚ E) для опытной эксплуатации с декабря 2003 г.
Спектрометр для АТмосферных Исследований (САТИ-1М)
Spectrometer for ATmospheric Investigations (SATI-1M)
Патрульный спектрометр САТИ-1M (макет) с низким спектральным разрешением предназначен для регистрации спектрального состава и пространственного распределения собственного излучения верхней атмосферы Земли. Основное назначение – исследование возмущений в основных эмиссионных линиях и полосах (OI 557.7 нм, OI 630.0 нм, NaI 589.0-589.6 нм и др.) при гелиогеофизических возмущениях различной природы.
Позволяет получать двумерное изображение дуги небесной сферы в диапазоне длин волн 400-700 нм.
Спектрометр САТИ-1M собран на основе спектрографа ИСП-51 (разработка ЛОМО) и цветной ПЗС-матрицы SONY ICX285AQ (камера ВИДЕОСКАН-285, разработка НПО «ВИДЕОСКАН», http://videoscan.ru/ ) .
Для согласования размеров матрицы и размеров спектров в фокальной плоскости в качестве камерного объектива установлен объектив Гелиос-40 (F=85 мм. 1:1.5). Для освещения входной щели спектрометра используется объектив Юпитер-3 (F=50 мм, 1:1.5), что позволяет получать пространственное распределение изображения неба по одной координате (по высоте щели). Установка объектива перед щелью позволяет также получать изображение спектра звезд для осуществления абсолютной калибровки спектрометра по эталонным звездам.
Основные технические характеристики спектрометра САТИ-1M
| Поле зрения вдоль входной щели, градус |
~ 25 |
определяется входным объективом |
| Поле зрения поперек входной щели, градус |
≤0.45 |
| Рабочий спектральный диапазон, нм |
400-700 |
| Спектральное разрешение, нм |
≤10 |
При ширине входной щели 0.4 мм |
| Чувствительность, рэлей |
<10 |
для 557.7 нм и экспозиции 260 с |
| Частота регистрации спектров, кадр/мин |
~ 0.23 |
штатный режим |
| Режим работы |
Автоматический от компьютера |
Основные технические характеристики камеры «ВИДЕОСКАН-285»
| Тип ПЗС матрицы |
SONY ICX285AQ (цветная) |
| Разрешение (пикселей) |
1392*1040 |
|
Размер пикселя (мкм)
|
6.45*6.45 |
| Размер матрицы (дюйм/мм) |
2/3 (8.77*6.6) |
| Длительность экспозиции |
от 3.5 мкс до 260 сек |
| Биннинг (объединение пикселей) |
2*2, 4*4 |
| Разрядность АЦП (бит/пиксель) |
12 |
Для спектрометра разработан пакет программ для пакетной обработки регистрируемых спектров.
Спектрометр САТИ-1М создавался как макет для отработки методики и возможностей регистрации спектров излучения среднеширотной верхней атмосферы в различных гелиогеофизических условиях.
В настоящее время рассматривается возможность создание образца светосильного спектрометра с более высоким спектральным, временным и пространственным разрешениями.
Разработка макета – А.В. Михалев
Программное обеспечение - С.М. Семенов
Установлен в Геофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН (п. Торы, 51.8˚ N, 103.1˚ E) для опытной эксплуатации с марта 2011 г.
|
|
Общий вид спектрометра САТИ-1M
|
Примеры регистрируемых спектров:
|
|
Рис.1 Типичный сумеречный спектр, регистрируемый спектрографом САТИ-1М.
|
|
|
Рис.2. Ночной спектр излучения верхней атмосферы во время магнитной бури
26 сентября 2011 г.
|
|
|
Рис.3 Ночной спектр излучения верхней атмосферы во время внезапного зимнего стратосферного потепления 3 марта 2012 г на фоне отраженного света Луны.
|
Фотокамеры для Исследования Люминесцентного Излучения Неба(ФИЛИН)
Сокращенное название камер: Цветной вариант – камера ФИЛИН-1Ц
Черно-белый вариант – камера ФИЛИН-1Ч
Сamera for Investigations Luminescent Irradiation of Sky (CILIS-1C)
Англоязычные термины аналогичных камер: All-sky camera; wide-angle sky camera
Широкоуголные высокочувствительные фотокамеры ФИЛИН-1Ц и ФИЛИН-1Ч на базе ПЗС матриц (ПЗС- Прибор с Зарядовой Связью или CCD матрица - сокр. от англ. CCD, «Charge-Coupled Device») предназначены для регистрации и исследования собственного излучения (люминесценции) атмосферы ночного неба, его пространственно-временных вариаций, естественных и искусственных космических объектов (метеоров, космических аппаратов), контроля прозрачности атмосферы и решения некоторых других задач.
Камера ФИЛИН-1Ц собрана на основе цветной ПЗС-матрицы KODAK KAI-11002 (камера ВИДЕОСКАН-11002, разработка НПО «ВИДЕОСКАН», http://videoscan.ru/). В качестве входного объектива используется объектив Мир-20 (фокусное расстояние 20 мм, относительное отверстие 1:3.5). Камера помещена в кожух с термостабилизацией и установлена на поворотной турели.
На рис. 1 приведен общий вид камеры ФИЛИН-1Ц в сборе.
Рис. 1 Общий вид фотокамеры ФИЛИН-1Ц
Таблица 1. Основные технические характеристики Фотокамеры ФИЛИН-1Ц в штатном режиме
|
Угловое поле по по диагонали кадра, градус
|
~ 90
|
определяется входным объективом
|
| Рабочий спектральный диапазон, нм |
400-900 |
| Время экспозиции кадра, сек |
300 |
определяется задачей |
| Биннинг пикселей |
2*2 |
определяется задачей |
| Разрядность АЦП (бит/пиксель) |
12 |
| Чувствительность*, рэлей |
| Цветовой канал G |
~20 |
для 557.7 нм и экспозиции 300 с |
| Цветовой канал R |
~25 |
для 630.0 нм и экспозиции 300 с |
| Цветовой канал R |
~ 22 |
| Частота регистрации спектров, кадр/мин |
~ 0.2 |
штатный режим |
|
Режим работы
|
Автоматический от компьютера
|
* - значения чувствительности предварительные (оценка)
Таблица 2. Технические характеристики камеры «ВИДЕОСКАН-11002»
| Тип ПЗС матрицы |
KODAK KAI-11002 (цветная) |
| Разрешение (пикселей) |
4004*2671 |
| Размер пикселя (мкм) |
9*9 |
|
Размер матрицы (мм) |
36*24 |
|
Кадровая частота |
от 1.2 до 5.8 |
|
Длительность экспозиции |
от 100 мкс до 1000 сек |
|
Биннинг (объединение пикселей) |
2*2, 4*4, 8*8 |
|
Разрядность АЦП (бит/пиксель) |
12 |
Рис. 2 Квантовая эффективность матрицы KAI-11002
Для камер ФИЛИН-1Ц и ФИЛИН-1Ч разработан пакет программ для пакетной обработки регистрируемых изображений.
Примеры регистрируемых кадров:
Рис.3 Изображение северной части небосвода (камера ФИЛИН-1Ц) и доминирующие эмиссии в собственном излучении верхней атмосферы (спектрометр САТИ-1M) во время геомагнитной бури 26 сентября 2011 г (субвизуальное среднеширотное сияние).
Рис. 4 Субвизуальное изображение северной части небосвода (камера ФИЛИН-1Ц) и спектр излучении верхней атмосферы (спектрометр САТИ-1M) во время стратосферного потепления 15 января 2012. Цветовой баланс в изображении неба не корректировался. Цветовой оттенок изображения определяется аномально высокой интенсивностью зеленой эмиссией атомарного кислорода OI 557.7 нм (см., спектр).
Рис. 5 Мезосферные волны в излучении гидроксила ОН. Камера ФИЛИН-1Ч.
Рис.6 «Вспыхивающий» спутник и его спектр 25 октября 2011 г.
Камера ФИЛИН-1Ц и спектрометр САТИ-1M
Рис. 7 Полет болида 5 ноября 2005 г. Камера Nikon 5400 (использовалась в 2005-2007 гг).
Разработка макетов камер – А.В. Михалев, А.Б.Белецкий, М.А. Тащилин
Программное обеспечение - С.М. Семенов, М.А. Тащилин
