УДК 520.86
СПЕКТРАЛЬНАЯ И ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ЗАВИСИМОСТЬ АЭРОЗОЛЬНОГО ОСЛАБЛЕНИЯ СВЕТА В ВЕРХНЕЙ ТРОПОСФЕРЕ НА ОСНОВЕ ФОТОМЕТРИИ ЛУНЫ В ТЕНИ ЗЕМЛИ
© 2012 г. О. С. Угольников1, И. А. Маслов1 2, С. А. Короткий3
Институт космических исследований РАН, г. Москва 2Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга МГУ им. М.В. Ломоносова,
3Научный центр "Ка-Дар", г. Москва Поступила в редакцию 27.02.2012 г.
Работа основана на фотометрии поверхности Луны во время полного лунного затмения 15.VI.2011 г. По ее данным производится восстановление величины коэффициента аэрозольного ослабления в тропосфере над лимбом Земли для различных длин волн в оптической и ближней инфракрасной области спектра. Результаты анализируются в сравнении с данными предыдущих затмений 2004—2008 гг. Выявлено повышенное содержания аэрозоля в юго-восточной Азии, максимальное для всех наблюдавшихся затмений последних лет. В то же время, связь оптических характеристик затмений и солнечной активности, а также единая широтная зависимость аэрозольного ослабления света, отмечавшиеся ранее, не наблюдаются.
ВВЕДЕНИЕ
Лунные затмения — достаточно часто наблюдаемые явления — в течение многих веков привлекали внимание особенностью схемы распространения излучения. Попадая в тень Земли, Луна освещается лучами Солнца, преломленными в атмосфере Земли над ее лимбом (краем диска при наблюдении с Луны). Угол преломления и область тени, куда попадает излучение, есть функции наименьшей высоты траектории луча над поверхностью Земли (далее — высоты перигея луча). Большие угловые размеры Луны и ее движение сквозь тень позволяют рассматривать широкий диапазон высот в тропосфере и нижней стратосфере над разными областями лимба, удаленными от точки наблюдения на тысячи километров.
Еще одним достоинством метода является большая длина пути луча в атмосфере Земли, причем в значительной части — в слое с высотой порядка высоты перигея луча. Это делает яркость Луны в тени чувствительной к небольшим изменениям величины ослабления света на данной высоте. Самым наглядным примером этого свойства является визуальное изменение цвета внешней части тени (вплоть до голубого, нетипичного для тени вообще) при увеличении содержания стратосферного озона над лимбом, хотя полосы поглощения Шапюи в желто-красной области спектра, вызывающие эти изменения, не столь сильны (ослабление на нескольких процентов на вертикальный столб атмосферы).
Подобное обстоятельство делает лунные затмения интересными для спектральных исследований состава атмосферы Земли, весьма актуальных в настоящее время [1, стр. 814]. Яркость тени в спектральных интервалах, не содержащих полос поглощения атмосферных газов, отражает распределение и концентрацию атмосферного аэрозоля, ослабляющего излучение в континууме.
Систематические оценки яркости Луны во время затмений делались, по крайней мере, с XIX века [2, стр. 101]. В течение многих десятилетий они были лишь визуальными и относились ко всему диску Луны в целом. На эти оценки влияло состояние атмосферы в совершенно разных местах Земли и множество факторов, жестко не связанных друг с другом (как, например, атмосферный озон и аэрозоль). Поэтому изменения яркости Луны во время затмений проявляли несомненную связь только с глобальными процессами в атмосфере, существенно меняющими ее оптическую структуру на планетарных масштабах. Это относилось, прежде всего, к сильным вулканическим извержениям, наподобие извержения вулкана Кракатау в 1883 году. В течение нескольких лет после этого извержения Луна во время затмений практически исчезала с неба.
В монографии [2, стр. 146] также отмечалась возможная связь оптических характеристик с другими факторами — в частности, с солнечной активностью. Было обнаружено, что затмения становятся более темными после минимума солнечной активности, а затем их яркость постепенно увеличивается. И хотя возможность этой связи
указывалась многими авторами, ее достоверность вызывала сомнения.
С середины XX века наряду с общей яркостью Луны изучалось также распределение яркости по тени Земли. Достаточно часто отмечались неоднородность и несимметричность тени, появление минимумов яркости вдали от центра тени. Общая тенденция, отмеченная в [2, стр. 161], состояла в меньшей яркости экваториальных областей тени, что естественным образом связывалось с большим содержанием аэрозоля над теплыми и влажными экваториальными районами нашей планеты. Но и эта тенденция была справедлива не во все затмения.
В настоящее время, с развитием фотометрической техники (ПЗС-матриц), стало возможным построение детальных оптических карт тени и вычисление распределения коэффициента аэрозольного ослабления на разных высотах над лимбом. Подобная методика использовалась в работе [3, стр. 507] для двух затмений 2004 года. В работе [4, стр. 378] фотометрические данные были получены в двух полосах в ближней инфракрасной области спектра и использовались для построения распределения не только аэрозоля, но и водяного пара. Многоцветные измерения могут также использоваться для выявления спектральной зависимости аэрозольного ослабления в разных областях атмосферы, что и делается в настоящей работе.
НАБЛЮДЕНИЯ
Фотометрические измерения яркости Луны производились во время полного лунного затмения 15.VI.2011 г. Это затмение было наиболее глубоким за первые два десятилетия XXI века. Значение наибольшей фазы затмения составляло 1.71, и центр Луны прошел чуть севернее центра тени, двигаясь с запада на восток. Таким образом, оптическая структура затмения определялась, прежде всего, экваториальными и северными тропическими областями атмосферы.
Измерения поверхностной яркости Луны велись в трех узких (ширина не более 100 А) спектральных полосах с эффективными длинами волн 5030, 6770 и 8670 А. Первые две области попадают на разные склоны полос Шапюи озона 03, третья область в ближнем инфракрасном диапазоне свободна от поглощения атмосферных газов. Наблюдения в первых двух полосах проводились на станции ТАУ научного центра "Ка-Дар" (п. Нижний Архыз, Карачаево-Черкесская республика, Россия, рядом со Специальной Астрофизической обсерваторией РАН), наблюдения на длине волны 8670 А проводились в Крымской Лаборатории Государственного Астрономического института им. П.К. Штернберга МГУ (п. Научный, Украина).
Суть измерений состояла в поверхностной фотометрии определенных районов Луны в различные стадии полной фазы и фотометрии этих же районов вне затмения. Частное двух величин — относительная яркость тени — уже не связана с отражательными свойствами поверхности Луны, являясь характеристикой атмосферы Земли. Детальное описание процедуры фотометрии, исключения фона и калибровки описаны в [3, стр. 504], [4, стр. 381].
Ввиду нестабильных погодных условий наблюдения проводились в течение первых 15 минут полной фазы затмения во всех трех спектральных полосах. Помимо этого, в последние 35 минут полной фазы проводились измерения на длине волны 8670 А. За счет больших угловых размеров Луны этого оказалось достаточно, чтобы построить карту всей экваториальной и центральной тени в инфракрасной полосе и ее западной половины — в других двух полосах.
На рис. 1 показаны карты распределения величины относительной яркости тени во всех трех спектральных полосах. Эта величина возрастает в длинноволновой области спектра, так как там атмосфера Земли более прозрачна — это и является объяснением красного цвета Луны во время затмений. Западная (правая на рисунке) часть тени показывает регулярную структуру во всех трех длинах волн. Отличия от радиальной симметрии не столь велики, а сами величины относительной яркости тени на длине волны 8670 А близки к данным затмений 2007—2008 годов на той же длине волны [4, стр. 375, 5, стр. 366].
В восточной части тени ситуация существенно отличается. Величины относительной яркости — наименьшие среди всех наблюдавшихся затмений последних лет. Оптическая структура неоднородна, особенно характерно темное пятно к северо-востоку от центра тени с относительной яркостью менее 0.0005. Излучение Солнца, достигающее данной области тени, распространялось над восточными районами Азии на высотах порядка 5—10 км.
Асимметрия земной тени во время затмения 15. VI. 2011 г. была заметна визуально. Уменьшение яркости затмения по сравнению с предыдущими явлениями не связано с какими-либо вулканическими извержениями. Оно также не согласуется с предлагавшейся ранее зависимостью от солнечной активности, так как эта зависимость предполагала возрастание яркости затмения в 2011 году по сравнению с затмениями 2007—2008 годов.
На рис. 2 показаны зависимости относительной яркости от углового расстояния от центра тени. Для длины волны 8670 А приведены две такие зависимости, соответствующие направлениям, показанным стрелками на рис. 1. Для других длин
Рис. 1. Относительная яркость земной тени в трех длинах волн во время затмения 15.VI.2011 г. Шаг между соседними изофотами составляет 1001 для длины волны 5030 А и 201 для других длин волн.
волн приведена одна зависимость, соответствующая западной части тени. Пунктирные линии представляют результаты численного моделирования для простой газовой модели тропической атмосферы с поверхностной температурой 300 К, температурой нижней стратосферы 220 К и общим содержанием озона 250 единиц Добсона.
Для западной части тени, во всех трех спектральных интервалах, имеет место ситуация, характерная для большинства затмений. Наблюдаемая кривая приближается к теоретической во
внешних областях тени, что указывает на применимость газовой модели к верхним слоям тропосферы. В более глубоких областях тени реальные значения относительной яркости существенно уменьшаются, указывая на аэрозольное ослабление излучения в более низких слоях тропосферы. Для восточной части тени во время затмения 15.VI.2011 г. подобное уменьшение яркости имеет место на всем наблюдаемом диапазоне расстояний от центра тени и относится ко всей тропосфере. Этот эффект является основой для вычисле-
Расстояние от центра тени, град
Рис. 2. Теоретические (пунктирные линии, газовая атмосфера) и наблю
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.