Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I

Transkriptio

1 2. Ilmakehän vaikutus havaintoihin Lauri Jetsu Fysiikan laitos Helsingin yliopisto

2 Ilmakehän vaikutus havaintoihin Ilmakehän häiriöt Sää: pilvet, sumu, sade, turbulenssi, lämpötilan vaihtelut Ekstinktio: säteily ei pääse läpi tai heikkenee Diffuusi valo: sironta, epäpuhtaudet, ionosfäärin hehku, valosaaste Seeing: taitekertoimen vaihtelu liikuttaa kohteen kuvaa Refraktio: kohteet näkyvät todellista korkeammalla

3 Sää Sää Sää Useimmat sääilmiöt troposfäärissä www Mitä korkeammalla, sitä parempi Mitä kuivempaa, sitä parempi Yläpilvet keskimäärin 10 km Suomi: 30 selkeää yötä/vuosi ESO, Chile: > 340 selkeää yötä/vuosi Ilman turbulenssi Lämpötilan vaihtelut Kylmä merivirta Aavikko Pilvetön, kuiva, vähäinen turbulenssi

4 Ekstinktio Ekstinktio Ekstinktio [kuvat: vasen oikea Säteily heikkenee: siroaa tai absorboituu Vaihtelee kohteen korkeuden mukaan Vaihtelee säteilyn λ mukaan Läpinäkymätön: lyhyet λ Näkyvä valo: Optinen ikkuna Infrapuna: IR ikkuna Läpinäkymätön: vesi & happi absorptio Radio aallot: Radio ikkuna Läpinäkymätön: Ionosfääri heijastaa vuorokauden aika & Auringon aktiivisuus

5 Ekstinktio Ekstinktio Ekstinktio Auringon säteilyn ekstinktio

6 Ilmamassa Ilmamassa Ilmamassa X = ilmamassa Normitus: X(z = 0) = 1 zenitissä z = 0 Ilmakehän korkeus << Maan säde Taso approksimaatio riittävä z < 60: X(z) = X(z = 0)/ cos z = 1/ cos z = sec z Useita X(z) ratkaisuja z > 60 arvoille www Intenstiteetin muutos I = I(X) = I 0 e cx I 0 = I(X = 0) intensiteetti ilmakehän ulkopuolella, I = I(X) = intensiteetti maan pinnalla c = vakio (riippuu ilmakehästä ja λ:sta) Magnitudin muutos m m 0 = 2.5 lg(i/i 0 ) = 2.5 lg(e c X ) = k X, k = 2.5c lg(e) = ekstinktiokerroin Tyypillisiä arvoja: k U = 0.6, k B = 0.4 ja k V = 0.2 Näennäinen magnitudi m mitattu ja k määritetty m 0 ratkaistu

7 Diffuusi valo Diffuusi valo Diffuusi valo [kuvat: ylä ala Taivaalla hajavaloa Taustan pintakirkkaus 0 m Tausta pyritään eliminoimaan havainnoista Ilmakehästa sironnut valo λ 4 kaavat: www Yhden pienen hiukkasen I = I 0..(2π/λ) 4... λ pieni siroaa useammin Hiukkasen läpimitta ( cross section ) σ S =...d 6 /λ 4... λ pieni siroaa useammin Yhden molekyylin I = I 0 (.../λ 4...)... λ pieni siroaa useammin λ pieni Monta satunnaisaskelta I 0 Sininen valoa siroaa ilmakehän yläosissa Punainen valo päsee helpommin läpi Taivas on sininen ja valkoinen, ja... Taivas on musta ja aurinko valkoinen, ja... Iltarusko kuva korostaa ilmamassan vaikutusta

8 Diffuusi valo Diffuusi valo Diffuusi valo Ilmahehku km korkeudessa Auringon valo molekyylit atomeiksi Yöllä rekombinaatio ilmahehku Eläinratavalo www Aurinkokunnan pölyhiukkasten heijastus Syntyy ekliptikan tasossa Näkyy parhaiten ekvaattorin lähellä Vaikea havaita Suomessa Revontulet Haittaavat vain lähellä maan napoja Valosaaste Ilmakehä sirottaa ihmisen valolähteitä Nykyobservatoriot kaukana asutuksesta

9 Diffuusi valo Diffuusi valo Diffuusi valo Asiago Observatory, Italia (vasen: ylä) & ESO-Paranal, Chile (vasen: ala) Valosaaste (oikea: punainen), Ei valosaastetta (oikea: sininen) UBVR fotometria kaistat (ongelmia B:ssä)

10 Seeing Seeing Seeing Ilmakehän kerrokset Lämpötila ja tiheys vaihtelua Massavirtauksia ja turbulenssia Nopeita ja satunnaisia refraktion muutoksia Skintillaatio (paljain silmin) Voimakkaampi tähdillä kuin planeetoilla Kaukoputkella laajempi kokoava pinta Nopeat muutokset tasoittuvat Valosäteiden reitti vaihtelee Pistemäinen kuva hajoaa Seeing Pidempi CCD kuvan integrointi Pyöreä seeing-kiekko Parhaat observatoriot: alle kaarisekunti, Pahimmillaan kymmeniä kaarisekunteja www Kuvasarja: Tähden kuva ja Kuun pinta www Ennuste I V skaala

11 Seeing Seeing Seeing [kuvat: ylä ala Ilmakehän virtaukset Turbulenttinen ilmakehä huono seeing Tasainen ilmavirtaus hyvä seeing Observatorion sijainnin valinta Observatorion lähiympäristö Maaston tummat pinnat: lämpösäteily yöllä paikallista turbulenssia Luodaan tarvittaessa vaaleita pintoja Torni & Kaukoputki & Laitteet Lämpötila sama kuin ulkoilman Päivälläkin lähellä yön olosuhteita Rakenteet: vaaleat ulkopinnat Putken tuuletus & Peilin lämpötila Lämpölähteiden minimointi (havaitsija mukaan lukien)

12 Refraktio Refraktio Refraktio Paine (P) & lämpötila (T) Tiheys (ρ) Taitekerroin (n) sin θ 1 / sin θ 2 = n 2 /n 1 = n = taitekerrointen suhde Suunta muuttuu kaikilla rajapinnoilla Koko reitin ratkaisu vaikea Arvioita R = kuinka näkyy paljon todellista korkeammalla R = [P/(273 + T)] o tan(90 o a), kun a 15 o (Arvio a < 15 o kurssikirjassa) Teleskoopin suuntauksessa refraktiokorjaus & Astrometriassa refraktiokorjaus

13 Refraktio Refraktio Differentiaalirefraktio [Kuvat: vasen oikea Kuva hajoaa spektriksi lähellä horisonttia Differentiaalirefraktio: La Silla Differentiaalirefraktio: Venus