Глава 7. Рефракция и ее влияние на астрономические наблюдения

Рефракция: общие понятия, модели стандартных атмосфер - рефракция для плоскопараллельных слоев, для сферических слоев. Таблицы рефракции. Влияние аномалий рефракции на видимые координаты светил.

 

 

Общие понятия

Влияние рефракции является важной проблемой для наземной астрономии, где выполняются измерения больших углов на небесной сфере, при определении экваториальных координат светил, вычислении моментов их восхода и захода.

Явление преломления световых лучей при прохождении ими земной атмосферы называется астрономической (или атмосферной) рефракцией. Из-за этого наблюдаемое (видимое) зенитное расстояние z¢ светила меньше его истинного (т.е. при отсутствии атмосферы) зенитного расстояния z, а видимая высота h¢ несколько больше истинной высоты h. Рефракция как бы приподнимает светило над горизонтом.

Разность r = z - z¢ = h¢ - h, называется рефракцией.

 

Рис. Явление рефракции в земной атмосфере

 

Рефракция изменяет лишь зенитные расстояния z, но не изменяет часовые углы. Если светило находится в кульминации, то рефракция изменяет только его склонение и на ту же величину, что и зенитное расстояние, так как в этом случае плоскости его часового и вертикального кругов совпадают. В остальных случаях, когда эти плоскости пересекаются под некоторым углом, рефракция изменяет и склонение, и прямое восхождение светила.

Следует отметить, что рефракция в зените принимает значение r = 0, а на горизонте она достигает 0.5 - 2 градуса. Из-за рефракции диски Солнца и Луны вблизи горизонта выглядят овальными, так как у нижнего края диска рефракция на 6¢ больше, чем у верхнего и поэтому вертикальный диаметр диска кажется укороченным в сравнении с горизонтальным диаметром, который рефракцией не искажается.

 

Эмпирически, т.е. опытным путем из наблюдений выведено п риближенное выражение для определения общей (средней) рефракции:

r = 60².25 ´В\760´273\(273⁰+t⁰) ´ tgz¢,

 

где: В - атмосферное давление, t⁰ - температура воздуха.

Тогда, при температуре, равной 0⁰ и при давлении 760 мм ртутного столба рефракция для видимых лучей (l =550 миллимикрон) равна:

r =60².25 ´ tgz¢ = К´ tgz¢. Здесь К – постоянная рефракции при указанных выше условиях.

 

По приведенным формулам рефракция вычисляется для зенитного расстояния не более 70 угловых градусов с точностью до 0.¢¢01. Пулковские таблицы (5-е издание) позволяют учитывать влияние рефракции до зенитного расстояния z = 80 угловых градусов.

 

Для более точных расчетов учитывается зависимость рефракции не только от высоты объекта над горизонтом, но и от состояния атмосферы, главным образом от ее плотности, которая сама является функцией, в основном температуры и давления. Поправки на рефракцию рассчитываются при давлении В [мм.рт.ст.] и температуре t° С по формуле:

 

,

 

Для учета влияния рефракции с высокой точностью (0.¢¢01 и выше) теория рефракции достаточно сложна и рассматривается в специальных курсах (Яценко, Нефедьева А.И.и др). Функционально величина рефракции зависит от многих параметров: высоты (H), широты места (j), также температуры воздуха (t), атмосферного давления (p), атмосферного давления (В) на пути светового луча от небесного светила до наблюдателя и различна для разных длин волн электромагнитного спектра (l) и каждого зенитного расстояния (z). Современные расчеты рефракции выполняются на ЭВМ.

 

Следует также отметить, что рефракцию по степени ее влияния и учета разделяют на нормальную (табличную) и аномальную. Точность учета нормальной рефракции определяется качеством модели стандартной атмосферы и до зенитных расстояний не более 70 градусов достигает 0.¢¢01 и выше. Большое значение здесь имеет выбор места наблюдений - высокогорье, с хорошим астроклиматом и регулярным рельефом местности, обеспечивающим отсутствие наклонных слоев воздуха. При дифференциальных измерениях с достаточным числом опорных звезд на ПЗС кадрах можно учитывать влияние вариаций рефракции, таких как дневная и годичная.

 

Аномальная рефракция, такая как инструментальная и павильонная учитывается обычно достаточно хорошо с помощью систем сбора метеоданных. В приземном слое атмосферы (до 50 метров) используются такие методы как размещение метеодатчиков на мачтах и зондирование. Во всех указанных случаях можно достичь точности учета аномалий рефракции не хуже 0.²01. Труднее устранить влияние флуктуаций рефракции, обусловленных атмосферной турбуленцией высокой частоты, которые имеют доминирующее влияние. Спектр мощности дрожаний показывает, что их амплитуда значительна в диапазоне от 15гц до 0.02гц. Отсюда следует, что оптимальное время регистрации небесных обьектов должно быть не менее 50 секунд. Эмпирические формулы, выведенные Э.Хегом (e =± 0.²33(T+0.65)^-0.25,

где Т - время регистрации) и И.Г.Колчинским (e =1\Ön(± 0.²33(secz)^0.5, где n - число моментов регистрации) показывают, что при таком времени регистрации для зенитного расстояния (z) равного нулю, точность положения (e) звезды, около 0.²06-0.²10.

 

По другим оценкам такой тип рефракции может быть учтен посредством измерений в течение одной-двух минут с точностью до 0."03 (А.Яценко), до 0."03-0."06 для звезд в диапазоне 9-16 величины (I.Reqiume) или до 0."05 (E.Hog). Расчеты, проведенные в обсерватории США USNO Стоуном и Даном показали, что при ПЗС регистрации на автоматическом меридианном телескопе (поле зрения 30' x 30' и время экспозиции 100 секунд) можно определить положения звезд дифференциально с точностью до 0.²04. Перспективная оценка, выполненная американскими астрономами Colavita, Zacharias и др. (см. табл.7.1) для широкоугольных наблюдений в видимом диапазоне длин волн показывает, что с помощью двухцветной методики можно достигнуть атмосферного предела точности, около 0.²01.

 

Табл. 7.1

 

Stone & Dahn	0."04 для звезд до to 14^m, FOV 30'x30', экспозиция 100 сек.
R Requieme et al.	0."03 - 0."06 для звезд в диапазоне of 9^m -16^m, время наблюдений одна-две минуты
C Colavita et al.	0."01 для двухцветной методики
Z Zacharias	0."01 метод коротких экспозиций

 

 

Для перспективных телескопов с полем зрения ПЗС, порядка, 60'x60', с использованием многоцветовой методики наблюдений, отражательной оптики, наконец с использованием дифференциальными методами опорных каталогов высокой плотности и точности на уровне космических каталогов типа HC и TC

вполне реально достижение точности, порядка нескольких миллисекунд (0.²005).

Рефракция

Видимое положение светила над горизонтом, строго говоря, отличается от вычисленного по формуле (1.37). Дело в том, что лучи света от небесного тела, прежде чем попасть в глаз наблюдателя, проходят сквозь атмосферу Земли и преломляются в ней, а так как плотность атмосферы увеличивается к поверхности Земли, то луч света (рис. 19) все более и более отклоняется в одну и ту же сторону по кривой линии, так что направление ОМ ₁, по которому наблюдатель О видит светило, оказывается отклоненным в сторону зенита и не совпадающим с направлением ОМ ₂ (параллельным ВМ), по которому он видел бы светило при отсутствии атмосферы.

Явление преломления световых лучей при прохождении ими земной атмосферы называется астрономической рефракцией.

Угол M ₁ OM ₂ называется углом рефракции или рефракцией r. Угол ZOM ₁ называется видимым зенитным расстоянием светила z', а угол ZOM ₂ — истинным зенитным расстоянием z.

Непосредственно из рис. 19 следует

z — z' = r или z = z' + r,

т.е. истинное зенитное расстояние светила больше видимого на величину рефракции r. Рефракция как бы приподнимает светило над горизонтом.

По законам преломления света луч падающий и луч преломленный лежат в одной плоскости. Следовательно, траектория луча МВО и направления ОМ ₂ и OM ₁ лежат в одной вертикальной плоскости. Поэтому рефракция не изменяет азимута светила, и, кроме того, равна нулю, если светило находится в зените.

Если светило находится в кульминации, то рефракция изменяет только его склонение и на ту же величину, что и зенитное расстояние, так как в этом случае плоскости его часового и вертикального кругов совпадают. В остальных случаях, когда эти плоскости пересекаются под некоторым углом, рефракция изменяет и склонение, и прямое восхождение светила.

Точная теория рефракции очень сложна и рассматривается в специальных курсах. Рефракция зависит не только от высоты светила над горизонтом, но и от состояния атмосферы, главным образом от ее плотности, которая сама является функцией, в основном температуры и давления. При давлении В мм. рт. ст. и температуре t° С приближенное значение рефракции

(1.38)

Следовательно, при температуре 0° С и при давлении 760 мм рефракция

r = 60”,25 tg z'.

(1.39)

 

По формулам (1.38) и (1.39) рефракция вычисляется в тех случаях, когда видимое зенитное расстояние z' < 70°. При z' > 70° формулы (1.38) и (1.39) дают ошибку больше 1", увеличивающуюся при дальнейшем приближении к горизонту до бесконечности, тогда как действительная величина рефракции в горизонте составляет около 35'. Поэтому для зенитных расстояний z' > 70° рефракция определяется путем сочетания теории со специальными наблюдениями.

Вследствие рефракции наблюдается изменение формы дисков Солнца и Луны при их восходе или заходе. Рефракция нижних краев дисков этих светил у горизонта почти на 6' больше рефракции верхних краев, а так как горизонтальные диаметры рефракцией не изменяются, то видимые диски Солнца и Луны принимают овальную форму.