Сутолока — оптическое явление в атмосфере¶
Сутолока (также воздушная сутолока, астрономическая сутолока; англ. astronomical seeing) — оптическое явление, заключающееся в дрожании, мерцании и размытии изображения удалённых объектов, наблюдаемых через атмосферу. Причина явления — неоднородность земной атмосферы по показателю преломления, обусловленная переменчивостью температуры, давления и влажности воздуха. Сутолока ограничивает разрешающую способность наземных оптических телескопов и является одним из основных факторов, определяющих качество астрономических наблюдений.
¶Физическая природа
Показатель преломления воздуха зависит от его плотности, которая в свою очередь определяется температурой и давлением. В атмосфере постоянно существуют турбулентные потоки — «воздушные пузыри» различного размера с разной температурой. Когда свет от звезды или планеты проходит через такие неоднородные слои, он испытывает локальные отклонения оптического пути. В результате волновой фронт, приходящий от далёкого объекта, искажается: вместо плоской или сферической поверхности он становится рваным, деформированным.
Из-за этих искажений изображение источника не остаётся неподвижным и чётким. Оно дрожит, меняет форму, распадается на отдельные пятнышки, а затем снова собирается. При визуальном наблюдении через телескоп это воспринимается как мерцание и «кипение» изображения, при фотографировании — как размытие и потеря деталей.
¶Характеристика и измерение
Качество атмосферного зрения оценивают по угловому размеру блеска — наименьшего угла, под которым ещё различима структура изображения. В средних условиях на уровне моря блеск составляет 1—2 угловые секунды, что соответствует разрешению наземного телескопа с апертурой порядка 10—20 см. Даже телескопы с зеркалами диаметром в несколько метров при обычных условиях не могут использовать весь свой потенциал: дальше блеска атмосфера не позволяет «разжать» изображение.
Параметр кохерентного пятна (фризеля) описывает размер области, внутри которой волновой фронт искажён примерно одинаково. Для видимого света типичное значение — 10—20 см. Именно поэтому апертуры крупных телескопов условно разбивают на «элементы Кольмогорова», и атмосферная коррекция работает с каждым из них отдельно.
¶Зависимость от условий
Сила сутолоки существенно меняется в зависимости от:
- высоты наблюдателя — на горных обсерваториях (2000—4000 м) турбулентные слои расположены ниже, поэтому сутолока слабее, чем у моря;
- времени суток — ночью, после захода солнца, земная поверхность остывает и атмосфера постепенно успокаивается; наихудшие условия обычно бывают днём и в первые часы после полудня;
- погоды — при сильном ветре и переменной облачности сутолока усиливается; в штиль и при устойчивом антициклоне — ослабевает;
- направления наблюдения — чем выше объект над горизонтом, тем короче путь луча в атмосфере и тем слабее искажения.
¶Методы борьбы
¶Адаптивная оптика
Наиболее совершенный способ — системы адаптивной оптики. Они измеряют искажения волнового фронта с помощью лазерного маяка (искусственной «звезды» в верхних слоях атмосферы) или яркой природной звезды, а затем в реальном времени деформируют гибкое зеркало телескопа, компенсируя атмосферные искажения. Такие системы позволяют приблизить разрешение крупных наземных телескопов к дифракционному пределу.
¶Спекл-интерферометрия
Метод, основанный на регистрации большого числа коротких экспозиций (десятки миллисекунд), в которых «замораживается» атмосферное дрожание. Последующая математическая обработка серии снимков позволяет восстановить изображение с разрешением, близким к дифракционному.
¶Выбор площадки и времени
Крупные обсерватории размещают на горных вершинах над инверсионным слоем (Мауна-Кеа, Ла-Силья, Параналь, Спеце). В России сутолоку исследуют на Пике Турн-Тепе в Крыму, в Специальной астрофизической обсерватории РАН (Зеленчук, Карачаево-Черкесия) и других площадках.
¶Сутолока в повседневной жизни
Явление наблюдается не только в астрономии. Над раскалённым асфальтом или песком воздух дрожит, и предметы на горизонте кажутся расплывчатыми — это так называемая воздушная сутолока (тепловая дрожь). Моряки называют подобное явление морской сутолокой: при сближении тёплого и холодного течений или при резком изменении температуры воздуха над водой силуэты судов и берега искажаются, иногда кажутся вытянутыми или перевёрнутыми. На этих принципах основано объяснение фата-моргана.
¶История
Изучение сутолоки как научной проблемы началось в XIX веке в связи с развитием астрономической оптики. Термин «seeing» вошёл в астрономическую практику в начале XX века. Существенный вклад в теорию атмосферной турбулентности внёс Андрей Колмогоров, разработавший в 1941 году статистическую модель мелкомасштабных турбулентных течений, которая до сих пор служит основой расчётов атмосферных искажений.
¶Источники
- Максимов Ф. А. «Астрономическая оптика и телескопы»
- Родионов Л. М. «Атмосферная оптика и астрономическое наблюдение»
- Тихов Г. А. «Атмосфера и астрономическое наблюдение»
- Статья «Seeing» в Encyclopedia of Astronomy and Astrophysics (IOP Publishing)
- Колмогоров А. Н. «Локальная структура турбулентности в несжимаемой жидкости при очень больших числах Рейнольдса» (1941)