Оптические свойства турбулентности в горном пограничном слое

• Автор: Торгаев, Андрей Витальевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 175 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Г л а в а 1. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТУРБУЛЕНТНОСТИ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ ГОРНЫХ РАЙОНОВ ЮГА СИБИРИ
§ 1.1 Оптические характеристики турбулентности в приземном слое
Байкальской астрофизической обсерватории
1.1.1. Результаты измерений характеристик воздушных потоков
над площадкой, на которой расположен БСВТ
1.1.2. Результаты измерений характеристик локального астроклимата на внешней верхней площадке БСВТ (вблизи входного
зеркала БСВТ)
1.1.3. Результаты долговременных измерений характеристик
астроклимата на площадке БСВТ
§ 1.2. Оптические характеристики турбулентности в приземном слое
Саянской солнечной обсерватории
1.2.1. Результаты измерений астроклиматических характеристик
вблизи вынесенных за пределы зданий приемных зеркал ACT
1.2.2. Трассовые измерения оптических характеристик анизотропной турбулентности в районе Саянской солнечной обсерватории
1.2.3. Результаты долговременных измерений характеристик
астроклимата Саянской солнечной обсерватории
§ 1.3. Оптические характеристики турбулентности в приземном слое
предгорий Колыванского хребта
§ 1.4. Высотные профили оптических параметров турбулентности
в приземном горном слое
1.4.1. Измерения высотных профилей характеристик воздушных потоков вдоль башни БСВТ (осциллирующее поведение
высотных профилей)
1.4.2. Астроклиматические характеристики приземного слоя и внешний масштаб турбулентности в измерениях вдоль вышки УНЖА
в приземном слое Саянской солнечной обсерватории
§ 1.5. Результаты измерений постоянных А.Н. Колмогорова и А.М. Обухова
в законе Колмогорова-Обухова
Г л а в а 2. АСТРОКЛИМАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОДКУПОЛЬНЫХ И СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ НЕКОТОРЫХ ТЕЛЕСКОПОВ ОБСЕРВАТОРИЙ ЮГА СИБИРИ
§2.1. Астроклимат специализированных помещений
Большого солнечного вакуумного телескопа
§ 2.2. Подкупольный астроклимат телескопа АЗТ-ЗЗ
Саянской солнечной обсерватории
§ 2.3. Подкупольный астроклимат телескопа АЗТ-
Саянской солнечной обсерватории

Г л а в а 3. КОГЕРЕНТНЫЕ СТРУКТУРЫ В ВОЗДУХЕ ЗАКРЫТЫХ
ПОМЕЩЕНИЙ
§ 3.1. Зарождающаяся конвективная турбулентность. Ячейки Бенара
§ 3.2. Модели спектров флуктуаций температуры в ячейке Бенара
§ 3.3. Внешний, внутренний масштабы и интенсивность
конвективной турбулентности в ячейке Бенара
§ 3.4. Сценарии стохастизации конвективных течений
§ 3.5. Расширение понятия «когерентная структура».
Реальная турбулентность
Г л а в а 4. КОГЕРЕНТНАЯ ТУРБУЛЕНТНОСТЬ В ОТКРЫТОЙ
АТМОСФЕРЕ НАД ТЕРРИТОРИЯМИ ОБСЕРВАТОРИЙ
§ 4.1. Когерентные структуры и реальная турбулентность
в открытой атмосфере горного приземного слоя
§ 4.2. Структурная функция флуктуаций температуры
в когерентной турбулентности
§ 4.3. Когерентные структуры в атмосфере, возникающие
при обтекании препятствий
§ 4.4. Условия формирования колмогоровской и когерентной
турбулентности над территориями обсерваторий юга Сибири
§ 4.5. Интегральная интенсивность атмосферной турбулентности
по данным высокогорных оптических измерений
Г л а в а 5. ОСЛАБЛЕНИЕ ФЛУКТУАЦИЙ СВЕТА В КОГЕРЕНТНОЙ
ТУРБУЛЕНТНОСТИ ВЫСОКОГОРНЫХ ОБСЕРВАТОРИЙ
§ 5.1. Ослабление флуктуаций световой волны
в когерентной турбулентности
§ 5.2. Экспериментальная проверка эффекта ослабления флуктуаций света
в атмосферной когерентной турбулентности
§ 5.3. Практические рекомендации по повышению качества изображений
в астрономических телескопах горных обсерваторий
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Диссертация посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию оптических свойств турбулентности в горном пограничном слое.
Актуальность исследований
Актуальность исследований определяется, в первую очередь, практическими потребностями наблюдательной астрономии.
Земная атмосфера, как известно, искажает волновой фронт излучения внеатмосферных объектов и существенно влияет на распространение излучения. Совокупность оптических свойств атмосферы, определяющая эффективность астрономических наблюдений, имеет собственное название - астроклимат. Астроклимат является разделом практической астрофизики.
Астроклимат (как оптические свойства атмосферы, определяющие эффективность наблюдений) имеет достаточно много составляющих, например, молекулярное и аэрозольное рассеяние и поглощение излучения, регулярная рефракция, турбулентность. Однако в условиях, при которых обычно проводятся астрономические наблюдения (слабо замутненная безоблачная атмосфера) основной составляющей астроклимата становится атмосферная турбулентность.
В диссертации изучается основная составляющая астроклимата - оптические свойства турбулентной атмосферы. Именно эта составляющая вносит наиболее существенный вклад в качество изображений в астрономических телескопах при обычных условиях проведения наблюдений. Поэтому корректное задание турбулентных характеристик атмосферы является важной предпосылкой для точного прогноза качества астрономических изображений.
Оптические свойства турбулентности, проявляющиеся при распространении оптического излучения в атмосфере, обычно характеризуются следующими

параметрами [1]: структурная характеристика флуктуаций показателя преломления С„ и ее интегральное значение |СД//2, внешний 10 и внутренний /о масштабы, масштаб Монина-Обухова Ь и число Монина-Обухова С,- к/ Ь, скорость диссипации энергии е, а также частотные спектры, структурные и корреляционные функции флуктуаций метеорологических параметров, таких как температура Т, скорость ветра V и др.

значение структурной характеристики за время первых суток измерений С„2 = 2.34-10”15см” 2/3 в 1.5 раза больше среднего ночного С„2 = 1.5-10”15 см”2/3. Среднее значение С„2 в остальные два дня наблюдений Си2= 1.4-10”15 см”2/3. Данные для С„2 за время наблюдений коррелируют с данными для дисперсии флуктуаций (среднеквадратического отклонения) температуры о/, которая меняется от а/ = 0.1 град2 до а/ = 0.8 град2 ночью, и достигает значений о/ = 1.2 град2 днем. Сравнение данных для С„2 (рис. 2) с результатами для скорости V (рис. 3) показывает, что существует корреляция между структурной характеристикой С„2 и скоростью ветра V. Возникновение этой корреляции предсказывают результаты работы [47]. Среднее значение Vднем составило около У= 2.4 м/с, ночью - приблизительно V— 1.5 м/с.
Южный ветер со стороны Байкала, где холодная водная поверхность озера существенно уменьшает значения С/, за первые сутки наблюдений приносил к телескопу воздушные массы со средним значением структурной характеристики С„2 = 4.2-10-15см ”2/3. В то же время при противоположном ветре с гор среднее значение С/ составило С/ = 1.8-10 ”15см”2/3, т.е. в 2 раза меньше. Такой результат может быть объяснен присутствием с севера от телескопа крупных неоднородностей рельефа, создающих стабильные роторные возмущения воздушных течений, приводящие к появлению вихревых структур (см. нашу работу [54]).
Временные частотные спектры флуктуаций температуры 1Тт(/) подтверждают присутствие вихревых структур при северном ветре с гор (рис. 4), т.к. они имеют “8/3” асимптотики
__ О/ э
(1Гт~/ ), что является признаком вихревой структуры [54]. При противоположном
направлении ветра с Байкала, спектры турбулентности оказываются колмогоровскими (Гг~/”5/3).
Таким образом, зарегистрированные данные показывают, что ветер на площадке БСВТ летом имеет два основных противоположных направления: южное с оз. Байкал и северное с гор. Холодный воздух с озера приносит на телескоп воздушные массы с

0,1 1 „ 10 100 /, Гц
Рис. 4. Временные частотные спектры флуктуаций температуры УТ при противоположных направлениях скорости ветра с гор и с оз. Байкал.