СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕННЫХ ВАРИАЦИЙ ПОТЕМНЕНИЯ К ЛИМБУ СОЛНЦА Российский патент 1998 года по МПК G01J3/26 

Предложение относится к области астрофизических измерений и может быть использовано для мониторинга одного из важнейших параметров солнечного изображения, а именно функции потемнения к лимбу. Последняя служит источником информации о вертикальном градиенте плотности и температуры солнечной плазмы и лежит в основе всех модельных представлений в физике Солнца.

Известные методы [1,2] основаны на сканировании центр-лимб или лимб-лимб солнечного изображения и анализе излучения в белом свете в избранном спектральном диапазоне. При этом локальные неоднородности солнечного изображения существенно искажают результат измерений. Этот недостаток обычно устраняют путем усреднения большого числа сканов, выполняемых последовательно по всем радиальным направлениям. Эта процедура требует значительного времени и вносит новые погрешности, связанные с нестабильностью земной атмосферы и динамическими процессами на поверхности Солнца.

Наиболее близким аналогом по сути применяемых технических решений является способ регистрации "сплюснутости" Солнца с помощью оптической системы, не строящей изображение [3], который и может быть принят за прототип. В известном способе измерения кривой потемнения к лимбу Солнца служат для определения точных размеров видимого диска и его "сплюснутости". Для этого использован тот факт, что от разных зон Солнца свет приходит под разными углами. С помощью двух призм, приводимых в колебательное движение пьезоприводом, прилимбовая зона сканируется одновременно в двух встречных направлениях и с двух фотодатчиков снимаются две кривые - прямая и обратная. При этом несколько уменьшается влияние атмосферных нестабильностей. Несмотря на то, что в прототипе сканируют не изображение, а систему наклонных пучков от разных зон Солнца, основной недостаток тот же, что и в рассмотренных выше аналогах. Для того, чтобы измерения отражали общую характеристику Солнца, необходимо сканировать по многим направлениям (в идеале по всем возможным направлениям) и затем усреднять, а это требует затрат времени. В результате метод оказывается непригодным для регистрации короткопериодных вариаций измеряемого параметра. Кроме того, неидентичность фотоприемников уменьшает величину достигаемой фотометрической точности.

Предлагаемый способ повышает оперативность измерения вариаций интегральной (по всему видимому диску) функции потемнения к лимбу Солнца.

Это достигается тем, что солнечное излучения пропускают через спектральный фильтр с квадратичной зависимостью величины смещения максимума пропускания от угла падения световых лучей, регистрируют амплитудно-спектральную характеристику прошедшего излучения и измеряют изменения асимметрии полученного профиля, связанные с временными вариантами интегральной функции потемнения к лимбу Солнца.

Способ осуществляют следующим образом. Поскольку Солнце является протяженным космическим объектом (угловой диаметр его составляет около 32,5 угловых минут), то это означает, что любая точка на дневной поверхности Земли освещается солнечными лучами, заполняющими конус, образующая которого составляет угол 16,25 arcmin с его высотой. Далее известно также, что некоторые спектральные приборы, например интерферометр Фабри-Перо (ИФП), имеют следующую зависимость максимума кривой пропускания от угла падения световых лучей:

где
λ₀ - положение максимума при нормальном падении лучей; Δλ - смещение максимума для лучей, приходящих под углом ϕ к нормали к поверхности ИФП; n - коэффициент преломления материала интерферометра, для ИФП с воздушным промежутком n=1.

В частности, приведенная формула означает, что для всех лучей, образующих поверхность конуса с углом ϕ при вершине, максимум пропускания сдвигается к фиолетовому краю спектра на величину Δλ при совпадении высоты конуса с нормалью к поверхности ИФП. ИФП располагают в пространстве таким образом, чтобы его поверхность была перпендикулярна точному направлению на центр Солнца. Тогда лучи, приходящие от кольцевой зоны вблизи лимба, составят с нормалью угол ϕ = 16,2 arcmin. Излучение от этой зоны пройдет через фильтр на длине волны

Несложный расчет показывает, что в зеленой области спектра смещение достигает 50 - 100 m (1 ангстрем = 0,1 нанометра) для интерферометра с воздушным промежутком. Соответственно свет от промежуточных кольцевых зон пройдет через ИФП на длинах волн между λ₀ и λ_L (фиг.1). В этом случае спектральный профиль прошедшего через ИФП света можно представить суммой многих профилей ИФП, смещенных в фиолетовую сторону на соответствующую величину. Если бы эффект потемнения к лимбу отсутствовал, то мы бы получили симметричный профиль с плоской вершиной. Но поскольку каждой кольцевой зоне соответствует своя интенсивность светового излучения, определяемая функцией потемнению к краю, то вместо плоской вершины получают спадающую, переходящую в фиолетовое крыло кривую, повторяющую по формуле функцию потемнения к краю (фиг. 1). При полуширине полосы пропускания интерферометра около 20 - 40 m это вызывает значительную асимметрию профиля, т.к. крутизна красного крыла профиля определяется только формой профиля интерферометра для нормально падающих лучей. Таким образом ИФП играет роль преобразователя "угол падения - длина волны" для пропускаемых им световых лучей. Далее измеряют асимметрию полученного профиля относительно максимума при λ₀. Для этого можно использовать хорошо развитые в астрофизике приемы исследования профилей спектральных линий или измерения доплеровских скоростей, выполняя измерения как с целым профилем, так и с его отдельными участками. Так, например, третий центральный момент является интегральной характеристикой асимметрии профиля. Хорошо известный метод биссектора дает представление о степени асимметрии профиля одновременно на многих его участках. Осуществляя подобные измерения с достаточной частотой, получают временные ряды данных, которые и содержат информацию об основных характеристиках вариаций функции потемнения к лимбу Солнца.

На фиг.2 представлена возможная функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, где 1 - плоское зеркало телескопа, 2 - предварительный фильтр-светоделитель, 3 - система гидирования, 4 - оптическое устройство для увеличения углового хода лучей, 5 - интерферометр Фабри-Перо, 6 - спектральный анализатор, 7 - фотоэлектрический регистратор.

Плоское зеркало телескопа 1 с помощью системы гидирования 3 обеспечивает совпадение лучей от центра Солнца с нормалью к ИПФ. Предварительный фильтр-светоделитель 2 служит для выделения рабочего спектрального порядка ИФП и для направления части света на систему гидирования 3. Оптическое устройство для увеличения углового хода лучей 4 представляет собой окуляр, согласованный с линейной апертурой ИФП. В качестве спектрального анализатора 6 может быть использован спектрограф, обеспечивающий достаточное спектральное разрешение, или другой узкополосный фильтр с возможностью сканирования по спектру. В этом отношении перспективны разрабатываемые в последнее время объемные голографические фильтры. Угловое увеличение в 2-5 раз расширяет профиль от 4 до 25 раз и его применяют в тех случаях, когда разрешение спектрального анализатора не удовлетворяет требуемой точности, при этом увеличение не должно выходить за пределы входной угловой апертуры спектрального анализатора. В качестве фотометра 7 может быть использованы как матричный, так и одноэлементный (ФЭУ) фотоприемник с возможностью сканирования по спектру.

Источники информации.

1. Yerle R. Solar oscillations and limb darkening fluctuations. Astron. Astrophys., 1981, 100, L23-L25.

2. Neckel H., Labs D. Asymmetry and variations of solar lumb darkening along the diameter defined by durnal motion in April 1981. Solar Phys., 1987, 110, 139-170.

3. Janssens T. J. A non imaging approach to solar oblateness measurements. Solar Physics, 1972, 25, 237-241.

Изобретение относится к области астрофизических измерений и может быть использовано для мониторинга одного из важнейших параметров солнечного изображения, а именно функции потемнения к лимбу. Последняя служит источником информации о вертикальном градиенте плотности и температуры солнечной плазмы и лежит в основе всех модельных представлений в физике Солнца. Повышение оперативности измерения вариаций интегральной (по всему видимому диску) функции потемнения к лимбу Солнца основано на использовании особенности интерферометра Фабри-Перо (ФПИ), заключающейся в том, что смещение максимума полосы пропускания ФПИ связано с углом падения световых лучей квадратичной зависимостью. Результирующий спектральный профиль излучения, пропускаемого ФПИ от всего диска Солнца, может быть представлен суммой профилей ФПИ, сдвинутых в фиолетовую сторону с амплитудами максимумов, соответствующих функции потемнения. При этом различные части солнечного диска участвуют в образовании сигнала с равным весом и требуемая характеристика мажет быть измерена всего лишь за один скан спектрального профиля ,что и обеспечивает повышение оперативности и достоверности измерений. 2 ил.

Способ измерения временных вариаций потемнения к лимбу Солнца, основанный на измерении интенсивности излучения, получаемого от разных зон Солнца в ограниченной спектральной полосе, отличающийся тем, что солнечное излучение пропускают через спектральный фильтр с квадратичной зависимостью величины смещения максимума пропускания от угла падения световых лучей, регистрируют амплитудно-спектральную характеристику прошедшего излучения и измеряют изменения асимметрии полученного профиля, связанные с вариациями интегральной функции потемнения к лимбу Солнца.