Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН
Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
УДК 55 Геология. Геологические и геофизические науки
УДК 68 Различные отрасли промышленности и ремесла
Описывается интерферометр Фабри—Перо, предназначенный для исследования излучения верхней атмосферы Земли. Предлагается модификация существующего способа обработки данных интерферометра для получения доплеровского сдвига и уширения наблюдаемой линии, разделения интенсивности наблюдаемой линии и интенсивности фона. Демонстрируется независимость определения температуры по линии кислорода 630.0 нм от присутствующего в наблюдаемых интерференционных картинах сигнала гидроксила. Полученные температура и скорость ветра сравниваются с моделями верхней атмосферы (NRLMSISE-00, HWM14). Показано, что интерферометр способен измерять значения температуры по линии 557.7 нм с условием проведения дополнительной калибровки прибора. Результаты наблюдения ветра в целом совпадают с модельными представлениями. Ночной ход интенсивности по красной и зеленой линиям и температуры по линии 557.7 нм достаточно хорошо совпадает с ночным ходом этих параметров, наблюдаемых на устройствах, установленных в непосредственной близости от интерферометра.
интерферометрия Фабри-Перо, излучение атмосферы, ветер в верхней атмосфере, температура верхней атмосферы
INTRODUCTION
Спектрофотометрические исследования свечения ночного неба являются одним из основных инструментов исследования верхней атмосферы Земли [Шефов и др., 2006]. Специфика генерации оптического излучения в верхней атмосфере, а именно его линейчатый спектр и стратификация свечения для определенных длин волн по высотам, позволяет получать информацию о движении и температуре воздушных масс в различных слоях атмосферы. Физическим явлением, позволяющим определить скорость перемещения и температуру атмосферного газа, является доплеровский сдвиг длины волны регистрируемого излучения, возникающий вследствие коллективного (ветер) или хаотического (температура) движения излучающих частиц. Используя известные выражения (например [Ландау, Лифшиц, 1988])
(1)
(2)
(— длина волны неподвижного излучающего вещества; — центральная длина волны регистрируемой спектральной линии; — регистрируемое уширение спектральной линии; v, T, m — скорость температура и масса частиц светящегося вещества; k — постоянная Больцмана; c — скорость света в вакууме), можно оценить чувствительность, необходимую для успешного применения метода:
(3)
(4)
Для того чтобы аппаратура регистрировала изменения скорости ветра на уровне 10 м/с и температуры на уровне 10 K для длины волны 630 нм, ее чувствительность должна быть такова, чтобы исследователь смог наблюдать изменения положения и ширины спектральной линии на уровне 10–5 и 10–4 нм соответственно.
Одним из известных на сегодняшнее время доступных методов регистрации спектрального состава оптического излучения, обладающим указанной чувствительностью, является метод наблюдения интерференции в параллельных пучках в интерферометре Фабри—Перо [Борн, Вольф 1973]. Существует значительное количество научных установок (например [Wu et al., 2004; Shiokawa et al., 2012; Anderson et al., 2009; Игнатьев и др., 1998]), использующих его для исследования оптического свечения верхней атмосферы Земли. Поле зрения этих установок, за исключением устройства, описанного в [Anderson et al., 2009], составляет единицы градусов, поэтому в однократном сеансе наблюдения можно получить характеристики только некоторой локальной области небесной сферы. Поэтому для расширения функциональных возможностей некоторые из этих установок сканируют небесную сферу при помощи автоматизированных перископических входных окон. Регистрация результатов наблюдений в интерферометрах ведется с использованием цифровых видеокамер, что позволяет хранить интерференционную картину целиком в цифровом виде и обрабатывать результаты измерений уже после проведения сеанса наблюдений. Ключевым вопросом при проведении наблюдений на указанном уровне чувствительности является стабильность параметров наблюдательной системы. Современные интерферометры Фабри—Перо для наблюдения верхней атмосферы Земли оснащаются системами термостабилизации и лазерными калибровочными источниками света, при помощи которых производится мониторинг стабильности работы установки.
В работе описывается одно из таких устройств, установленное в Геофизической обсерватории (ГФО) Института солнечно-земной физики СО РАН (с. Торы, 52° N, 103° Е). Описываются конструкция устройства и методика обработки результатов наблюдений. Приводятся суточные вариации некоторых характеристик верхней атмосферы, полученные при помощи интерферометра, и сравниваются с аналогичными параметрами, зарегистрированными на других установках. Проведено сравнение с параметрами верхней атмосферы, полученными по моделям NRLMSISE-00 [Picone et al., 2002] и HWM14 [Drob et al., 2015]. В работе использовались данные наблюдений ГФО ИСЗФ СО РАН с июня 2016 по февраль 2017 г.
1. Акасофу С.И., Чепмен С. Солнечно-земная физика. Ч. 1. М.: Мир, 1974. 384 с.
2. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. Издание 2-е, исправленное. М.: Наука, 1973. С. 297-313.
3. Игнатьев В.М., Югов В.А. Интерферометрия крупномасштабной динамики высокоширотной термосферы. Якутский научный центр. Якутск, 1995. 208 с.
4. Игнатьев В.М., Николашкин С.В., Югов В.А. и др. Светосильный спектрометр Фабри-Перо // Приборы и техника эксперимента. 1998. № 4. С. 107-110.
5. Кононов Р.А., Тащилин А.В. Влияние сезонных и циклических вариаций термосферных параметров на ночную интенсивность красной линии атомарного кислорода // Оптика атмосферы и океана. 2001. Т. 14, № 10. С. 979-982.
6. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. Издание 7-е, исправленное. М.: Наука, 1988. С. 158-159.
7. Медведева И.В., Семенов А.И., Перминов В.И. и др. Сравнительный анализ данных наземных измерений температуры мезопаузы на средних широтах со спутниковыми данными MLS Aura, v3.3. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. Т. 9, № 4. С. 133-139.
8. Семенов А.И. Предрассветные вариации температуры и интенсивности эмиссии 6300 Å // Астрономический циркуляр. 1975. № 882. C. 6-7.
9. Торошелидзе Т.И. Анализ проблем аэрономии по излучению верхней атмосферы. Тбилиси: Мецниереба, 1991. 216 с.
10. Фишкова Л.М. Ночное излучение среднеширотной верхней атмосферы Земли. Тбилиси: Мецниереба. 1983. 272 с.
11. Шефов Н.Н., Семенов А.И., Хомич В.Ю. Излучение верхней атмосферы - индикатор ее структуры и динамики. М.: Геос, 2006. 741 с.
12. Шефов Н.Н., Семенов А.И., Юрченко О.Т., Сушков А.В. Эмпирическая модель вариаций эмиссии атомарного кислорода 630.0 нм. 2. Температура // Геомагнетизм и аэрономия. 2007. Т. 47, № 5. С. 692-701.
13. Anderson C., Conde M., Dyson P., et al. Thermospheric winds and temperatures above Mawson, Antarctica observed with an all-sky imaging Fabry-Perot spectrometer // Ann. Geophys. 2009. V. 27. P. 2225-2235. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-27-2225-2009.
14. Coelho L.P. Mahotas. Open source software for scriptable computer vision // J. Open Res. Software. 2013. 1:e3. DOI: http://dx.doi.org/10.5334/jors.ac
15. Drob D.P., Emmert J.T., Meriwether J.W., et al. An update to the Horizontal Wind Model (HWM): The quiet time thermosphere // Earth and Space Sci. 2015. V. 2. Р. 301-319. DOI:https://doi.org/10.1002/2014EA000089.
16. Harding B.J., Gehrels T.W., Makela J.J. Nonlinear regression method for estimating neutral wind and temperature from Fabry-Perot interferometer data // App. Optics. 2014. V. 53. P. 666-673. DOI:https://doi.org/10.1364/AO.53.000666.
17. Hernandez G. Contamination of the O I (³P 2-¹D 2) emission line by the (9-3) band of OH X²II in high-resolution measurements of the night sky // J. Geophys. Res. 1974. V. 79, N 7. Р. 1119-1123. DOI:https://doi.org/10.1029/JA079i007p01119.
18. Fisher D.J., Makela J.J., Meriwether J.W., et al. Climatologies of nighttime thermospheric winds and temperatures from Fabry-Perot interferometer measurements: From solar minimum to solar maximum // J. Geophys. Res. Space Phys. 2015. V. 120. Р. 6679-6693. DOI:https://doi.org/10.1002/2015JA021170.
19. Krassovsky V.I., Semenov A.I., Shefov N.N. Predawn emission at 6300 Å and super-thermal ions from conjugate points // J. Atm. Terr. Phys. 1976. V. 38, N 9-10. P. 999-1001.
20. Makela J.J., Meriwether J.W., Huang Y., et al. Simulation and analysis of a multi-order imaging Fabry-Perot interferometer for the study of thermospheric winds and temperatures // Appl. Optics. 2011. V. 50. Р. 4403-4416. DOI: 10.1364/ AO.50.004403.
21. Marquardt D.W. An algorithm for least-squares estimation of nonlinear parameters // J. Soc. Industrial and Applied Mathematics. 1963. V. 11, N 2. P. 431-441. DOI: 10.1137/ 0111030.
22. Nakamura Y., Shiokawa K., Otsuka Y., et al. Measurement of thermospheric temperatures using OMTI Fabry-Perot interferometers with 70-mm etalon // Earth, Planets and Space. 2017. V. 69, iss. 1, article id. 57. DOI:https://doi.org/10.1186/s40623- 017-0643-1.
23. Newville M., Stensitzki T., Allen D.B., Ingargiola A. LMFIT: Non-Linear Least-Square Minimization and Curve-Fitting for Python [Data set]. Zenodo, 2014. URL: http://doi.org/https://doi.org/10.5281/zenodo.11813 (дата обращения 14 апреля 2017 г.).
24. Picone J.M., Hedin A.E., Drob D.P., Aikin A.C. NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparisons and scientific issues // J. Geophys. Res. 2002. V. 107, N A12. P. 1468. DOI:https://doi.org/10.1029/2002JA009430.
25. Shiokawa K., Otsuka Y., Oyama S. Development of low-cost sky-scanning Fabry-Perot interferometers for airglow and auroral studies // Earth, Planets and Space. 2012. V. 64. P. 1033. DOI:https://doi.org/10.5047/eps.2012.05.004.
26. van Rossum G. Python Tutorial, Technical Report CS-R9526. Centrum voor Wiskunde en Informatica (CWI). Amsterdam, May 1995.
27. Wu Q., Gablehouse R.D., Solomon S.C., et al. A new NCAR Fabry-Perot interferometer for upper atmospheric research. Proc. SPIE. 2004. V. 5660. Р. 218-227.
28. URL: http://atmos.iszf.irk.ru/ru/ground-based/spectr (дата обращения 14 апреля 2017 г.).
29. URL: http://atmos.iszf.irk.ru/ru/ground-based/keo (дата обращения 14 апреля 2017 г.)
