ЖЭТФ, 2019, том 156, вып. 1 (7), стр. 43-55

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ АСТРОКЛИМАТА

НА РАДИОАСТРОНОМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ «КАРА-ДАГ»

В КРЫМУ И ВОЗМОЖНОСТЕЙ УМЕНЬШЕНИЯ ВЛИЯНИЯ

АТМОСФЕРЫ НА РАДИОАСТРОНОМИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ

В МИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ

И. Т. Бубукинa*, И. В. Ракуть^a,c, М. И. Агафонов^a,c, А. Л. Панкратов^a,b,c,

А. В. Троицкий^a, В. А. Лапченко^d, Р. В. Горбунов^e,

И. И. Зинченко^a,b, В. И. Носов^b, В. Ф. Вдовин^b,c

^a Научно-исследовательский радиофизический институт

Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского

603950, Нижний Новгород, Россия

^b ФИЦ Институт прикладной физики Российской академии наук

603950, Нижний Новгород, Россия

^c Нижегородский государственного технический университет им. Р. Е. Алексеева

603950, Нижний Новгород, Россия

^d Карадагская научная станция им. Т. И. Вяземского — природный заповедник Российской академии наук

298188, Феодосия, Россия

^e Институт морских биологических исследований им. А. О. Ковалевского Российской академии наук

299011, Севастополь, Россия

Поступила в редакцию 13 августа 2018 г.,

после переработки 29 марта 2019 г.

Принята к публикации 29 марта 2019 г.

Представлены результаты исследования астроклимата на радиоастрономической станции «Кара-Даг» в

Крыму с 22 июля по 21 сентября 2017 г. Проведен анализ алгоритмов обработки данных, полученных

методом атмосферных разрезов. Показано, что широкие полосы приемников прибора МИАП-2 приво-

дят к некосекансной зависимости антенных температур от угла визирования. Оптимальным является

вычисление поглощения по трем зенитным углам методом наименьших квадратов и опорной облас-

ти с яркостной температурой, близкой к температуре воздуха. Рассмотрены закономерности изменения

параметров прозрачности атмосферы и их связи с климатическими особенностями места наблюдений.

Показано, что существующая атмосферная циркуляция создает на территории станции «Кара-Даг» бла-

гоприятные условия для ночных астрономических наблюдений в миллиметровом диапазоне длин волн.

Предложены альтернативные и более дешевые, по сравнению с существующими тенденциями, подходы к

уменьшению влияния атмосферной влаги на измерения в этом диапазоне. Первый заключается в выборе

места размещения в зоне с подходящей розой ветров и рельефом, приводящим к замещению влажного

теплого воздуха холодным и сухим, например, в зонах действия таких местных ветров, как бора. Вто-

рой предполагает введение измерений параметров атмосферы радиометрическими методами и учет их

влияния в реальном масштабе времени. Полученные результаты основываются на ограниченной стати-

стике, поэтому являются предварительными и стимулируют дальнейшие систематические измерения на

Карадаге.

DOI: 10.1134/S0044451019070058

1. ВВЕДЕНИЕ

^* E-mail: bubn@nirfi.unn.ru

В настоящее время активно развиваются радио-

астрономические исследования в миллиметровом и

И. Т. Бубукин, И. В. Ракуть, М. И. Агафонов и др.

ЖЭТФ, том 156, вып. 1 (7), 2019

субмиллиметровом диапазонах длин волн как с кос-

ной степени может минимизировать влияние ат-

мических аппаратов, так и с поверхности Земли

мосферного поглощения. Поэтому альтернативная

[1, 2]. Однако на территории Российской Федера-

концепция может заключаться в выборе места со

ции (РФ) до сих пор практически не имеется ин-

специфической розой ветров, доставляющей сухой

струментов для исследований на длинах волн ко-

воздух к месту установки инструмента. Подобный

роче 3 мм (за исключением 7.5-метровой антенны

подход был применен при строительстве 64-метро-

МГТУ им. Баумана под Москвой, которая исполь-

вого радиотелескопа на Сардинии (Италия), распо-

зуется для исследования Солнца на длинах волн до

ложенного на высоте всего 600 м над уровнем мо-

2 мм [3]). Актуальной задачей является также поиск

ря и предназначенного для работы до длины волны

мест для наземного плеча будущей миссии «Милли-

3 мм. При выборе места установки был учтен засуш-

метрон» — радиоинтерферометрии со сверхдлинной

ливый климат Сардинии. В 1930-х гг. на территории

базой (РСДБ) [4]. Рассматриваются различные ва-

СССР проводились исследования поглощения атмо-

рианты территориального размещения соответству-

сферы с целью определения местоположения для со-

ющих радиотелескопов. Претендентом на исполне-

здания южной обсерватории [6]. По результатам ис-

ние главной роли на территории бывшего СССР яв-

следований была выбрана местность вблизи Старого

ляется основной инструмент обсерватории на пла-

Крыма, но постройке обсерватории помешала война.

то Суффа (высота 2400 м над уровнем моря) — ра-

В середине 1960-х гг. в 13 км от Старого Крыма у

диотелескоп с 70-метровым основным рефлектором

подножия горы Балалы-Кая Карадагского горного

РТ-70 проекта П-2500, находящийся за пределами

массива была создана радиоастрономическая стан-

РФ (Республика Узбекистан). Размещение инстру-

ция (РАС) «Кара-Даг» Научно-исследовательского

ментов коротковолновой части миллиметрового и

радиофизического института [7]. Карадагский гор-

субмиллиметрового диапазонов длин волн высоко в

ный массив [8] является одним из самых засушли-

горах является наиболее распространенным подхо-

вых районов горного Крыма (и России), что дает ос-

дом в настоящее время, к нему можно отнести и пла-

нование ожидать низкое интегральное влагосодер-

то Суффа. Другой вариант — использование мест с

жание и как следствие низкое поглощение волн мил-

холодным климатом — радиотелескоп миллиметро-

лиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Для

вого диапазона установлен даже в Антарктиде. По-

проверки этого в 2017 г. исследования астроклимата

этому вопрос разработки более дешевых альтерна-

проводились на территории Крымского полуострова

тивных концепций развития миллиметровой радио-

на РАС «Кара-Даг». Предварительные результаты

астрономии весьма актуален.

обработки этих наблюдений опубликованы в рабо-

Причиной строительства инструментов в горис-

те [9].

той местности или в зонах с холодным клима-

Целью данной работы является оценка целе-

том является существенное поглощение излучения

сообразности и перспектив проведения на терри-

коротковолновой части миллиметрового и субмил-

тории РАС «Кара-Даг» радиоастрономических на-

лиметрового диапазонов атмосферными газами [5]

блюдений в окнах прозрачности миллиметрового

и, в первую очередь, парами воды и молекуляр-

и субмиллиметрового диапазонов длин волн. В

ным кислородом. Поглощение подвержено значи-

разд. 2 приведены характеристики измерительного

тельным сезонным и суточным вариациям и зависит

комплекса для определения параметров атмосфер-

от климатических особенностей местности и высоты

ного поглощения на длинах волн 2 и 3 мм, исполь-

над уровнем моря. Наиболее достоверным способом

зованного на данном этапе работы. В разд. 3 про-

определения степени влияния атмосферы на радио-

веден критический анализ использованного аппара-

астрономические наблюдения является проведение

турного комплекса и методик измерений, что поз-

регулярных измерений интегрального атмосферно-

воляет улучшить качество получаемых данных ис-

го ослабления в окнах прозрачности атмосферы на

следований астроклимата на РАС «Кара-Даг», а в

частотах, близких к рабочим частотам радиотеле-

дальнейшем создать более совершенную радиомет-

скопа, а также темпа и амплитуды вариаций за-

рическую систему для проведения круглогодичных

держки распространения сигнала, который важен

атмосферных измерений. В разд. 4 проанализирова-

для проведения РСДБ-экспериментов.

ны результаты, полученные на данном этапе иссле-

Поскольку основное содержание влаги в атмо-

дований астроклимата с использованием имеющего-

сфере приходится на пограничный слой Δh

≈

ся аппаратурного комплекса и ограниченные лет-

≈ 2.5 км, определяющим является локальный кли-

ними условиями измерений. Показана связь атмо-

мат конкретной территории, который в значитель-

сферного поглощения на РАС «Кара-Даг» с клима-

ЖЭТФ, том 156, вып. 1 (7), 2019

Анализ результатов исследования астроклимата. . .

[

(

)]

тическими особенностями местоположения станции.

T_b(θ) = Tmean 1 - exp

cosθ

В разд. 5 анализируются методики получения инте-

(

)

гральной влажности атмосферы радиометрическим

+ 2.73 exp

(1)

cosθ

методом и возможности уменьшения влияния атмо-

где τ — полное вертикальное поглощение в атмо-

сферы на радиоастрономические наблюдения в мил-

сфере, T_mean — средневзвешенная по коэффициенту

лиметровом диапазоне. В Заключении сформулиро-

поглощения температура атмосферы, вторая компо-

ваны выводы.

нента связана с реликтовым космическим излучени-

ем. Вклад второй компоненты в рамках данной за-

дачи незначителен.

2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО

Все алгоритмы обработки данных, полученных

КОМПЛЕКСА

методом атмосферных разрезов, основаны на ис-

пользовании безразмерных отношений приращений

Измерительный комплекс МИАП-2 представля-

сигналов на выходе радиометрического приемника.

ет собой радиометрическую систему в общем корпу-

Сигнал на выходе радиометра равен

се, включающую два радиометра с рабочими диа-

пазонами 84-99 ГГц и 132-148 ГГц с рупорно-линзо-

d(θ) = kT_b(θ) + A,

(2)

выми антеннами, имеющими диаграммы направлен-

где k и A — калибровочные коэффициенты. Напри-

ности 2.5^◦, опорно-поворотное устройство и систему

мер, для углов θ₁ < θ₂ < θ₃ в модели плоско-слоис-

управления, сбора и обработки данных. Комплекс

той атмосферы из выражения (1) получим незави-

позволяет определить оптическую толщину атмо-

симое от k и A соотношение

сферы в окнах прозрачности вблизи 2 и 3 мм при

помощи метода атмосферных разрезов. Структура

d(θ₂) - d(θ₁)

T_b(θ₂) - T_b(θ₁)

Y (τ) =

и принцип действия комплекса МИАП-2 подробно

d(θ₃) - d(θ₂)

T_b(θ₃) - T_b(θ₂)

описаны в работе [10].

exp(-τ/ cos θ₂) - exp(-τ/ cos θ₁)

(3)

Для определения полного вертикального погло-

exp(-τ/ cos θ₃) - exp(-τ/ cos θ₂)

щения в атмосфере комплекс МИАП-2 устанавли-

Были проанализированы два метода получения

вался на крышу аппаратного домика РАС «Кара-

атмосферного поглощения по атмосферному разре-

Даг» на высоту 6 м от поверхности земли, что со-

зу.

ответствовало 105 м от уровня моря. В автоматиче-

ском режиме поворотом плоского зеркала осуществ-

Метод 1. Вычисление поглощения путем

лялось циклическое (по 2 мин) сканирование диа-

измерений на трех углах [11]

грамм направленности антенн радиометров в сек-

торе зенитных углов от 0 до 88.6^◦ в вертикаль-

В этом случае выражение (3) представляет со-

ной плоскости, проходящей через открытую область

бой трансцендентное уравнение относительно τ, ко-

пространства над кромкой горизонта моря. На углах

торое может быть решено, например, графическим

θ₁ = 60.5^◦, θ₂ = 76.3^◦, θ₃ = 81.4^◦, θ₄ = 84.2^◦, θ₅ =

способом. Для определения полного вертикального

= 88.6^◦ поворот антенн останавливался на равные

поглощения τ в атмосфере методом итераций урав-

интервалы времени (4 с) для накопления информа-

нение (3) преобразуется к виду

ции о яркостной температуре атмосферы. Сигнал

с радиометров через аналого-цифровое устройство

^{ d(θ₂) - d(θ₁)

τ =

записывался в память компьютера для дальнейшей

1/ cosθ₃ - 1/ cosθ₂

d(θ₃) - d(θ₂)

}

обработки.

exp[τ (1/ cosθ₃ - 1/ cosθ₂)] - 1

(4)

exp[τ (1/ cosθ₂ - 1/ cosθ₁)] - 1

При выборе углов таким образом, чтобы

3. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ

ОБРАБОТКИ ДАННЫХ АТМОСФЕРНЫХ

РАЗРЕЗОВ

cosθ₃

cosθ₂

cosθ₁

величина τ определяется из соотношения

Метод атмосферных разрезов применим только

d(θ₂) - d(θ₁)

для плоско-слоистой модели атмосферы. В этом слу-

τ =

(5)

чае яркостная температура атмосферы равна

1/ cosθ₃ - 1/ cosθ₂

d(θ₃) - d(θ₂)

И. Т. Бубукин, И. В. Ракуть, М. И. Агафонов и др.

ЖЭТФ, том 156, вып. 1 (7), 2019

, Нп

В данном случае значения углов фиксированы, по-

0.50

этому трансцендентное уравнение (4) решалось ме-

тодом последовательных приближений. Количество

циклов для достижения точности 10-5 не превыша-

0.45

ло 10. В данном методе не используются измерения

на углах θ₄ и θ₅, поскольку они находятся в облас-

0.40

ти углов, где измеряемая величина не подчиняется

модели плоско-слоистой атмосферы.

0.35

Метод 2. Вычисление поглощения по двум углам

и опорной области с яркостной температурой,

0.30

близкой к температуре приземного воздуха

0.25

В этом случае в уравнении (3) вместо излучения

атмосферы на одном из углов используется излу-

чение опорной области с яркостной температурой,

0.20

близкой к температуре приземного воздуха. Тогда

атмосферное поглощение определяется из соотноше-

0.15

ния [12, 13]

18:00

19:00

20:00

21:00

t, ч

d₀ - d(θ₁)

τ =

+ Δ,

(6)

Рис. 1. (В цвете онлайн) Атмосферные поглощения в зени-

1/ cosθ₂ - 1/ cosθ₁

d₀ - d(θ₂)

те (в неперах), полученные по измерениям на длине волны

где d₀, d(θ₁), d(θ₂) — показания радиометра при ан-

2 мм методами трех углов без привязки к опорной области

тенне, направленной на опорную область с яркост-

(лиловый, треугольники, кривая 1), двух углов и θ5 (зеле-

ной температурой T₀ (температура приземного воз-

ный, крестики, 2), наименьших квадратов по трем углам

духа) и участки небосвода с зенитными углами θ₁ и

и θ5 (оранжевые точки, 3), а также на длине волны 3 мм

теми же методами (соответственно кривые 4, 5 и 6)

θ₂. В данном случае в качестве опорной области при

измерениях использовалось излучение атмосферы с

Соотношение (8) линейно по τ, что позволяет

зенитным углом θ₅ = 88.6^◦ как наиболее близкое к

для его определения применить метод наименьших

излучению черного тела с температурой приземного

квадратов [14]. В данных измерениях для обработки

воздуха [10]. Второй член, Δ, является поправкой на

неизотермичность атмосферы. В работе [13] приве-

использованы углы θ₁, θ₂, θ₃. Получены оптималь-

ное значение поглощения и ошибка измерений.

ден алгоритм нахождения τ с учетом этой поправки

методом последовательных приближений. Так как

На рис. 1 приведены результаты обработки трех-

в данном случае яркостная температура опорной

часовой записи 03.08.2017 рассмотренными метода-

области меньше температуры приземного воздуха,

ми для длин волн 2 и 3 мм. Из представленных ре-

сходимость предлагаемого алгоритма [13] наруша-

зультатов видно, что они делятся на две группы.

ется, и эта поправка не вводилась.

Методы, использующие излучение атмосферы при

Поглощение вычислялось для трех возможных

угле θ₅ как опорную область, и метод, использую-

комбинаций углов: θ₁ и θ₂; θ₁ и θ₃; θ₂ и θ₃. По ним

щий кривизну зависимости на трех промежуточных

вычислялись среднее поглощение и дисперсия.

углах без привязки к опорной области, дают сущест-

Среднее поглощение и ошибку измерений позво-

венно разные результаты. Анализ данных измере-

ляет получить другой вариант этого метода в соче-

ний показал, что причиной этих расхождений явля-

тании с методом наименьших квадратов и преобра-

ется различие между измеренной зависимостью яр-

зованием выражения (1) к виду

костной температуры атмосферы T_b(θ) для зенит-

(

)

ных углов θ и соотношением (1). Так, зависимости

T_mean - T_b(θ) = T_mean exp

(7)

T_b(θ) для промежуточных углов θ от 0 до 80^◦ соот-

cosθ

ветствует величина τ₁, а для углов θ > 80^◦ — τ₂ =

После логарифмирования соотношения (7) с исполь-

= τ₁. Поэтому методы, которые используют толь-

зованием в качестве T_mean излучения атмосферы с

ко промежуточные углы, где кривизна зависимости

зенитным углом θ₅ = 88.6^◦ получим

T_b(θ) меньше (что соответствует большим τ), дают

большие значения, чем методы с привязкой к опор-

ln [d(θ₅) - d(θ)] = -

+ ln(kT_mean).

(8)

cosθ

ной области вблизи горизонта.

ЖЭТФ, том 156, вып. 1 (7), 2019

Анализ результатов исследования астроклимата. . .

Возможно, основной причиной отличия зависи-

находится у границы заповедника и защищена от

мости T_b(θ) от соотношения (1) являются широкие

моря с востока двумя грядами гор. Сочетание осо-

полосы приемников в приборе МИАП-2 (15 ГГц для

бенностей атмосферной циркуляции над Карадаг-

длины волны 3 мм и 2 зеркальных канала по 4 ГГц

ским массивом, расположенным на границе моря и

для длины волны 2 мм). Атмосферное поглощение в

суши, обусловливает значительные величины сол-

пределах полосы прибора меняется приблизительно

нечной радиации при сравнительно малой облачно-

в 1.5 раза [15-17], что и приводит к некосекансной

сти. На Карадаге преобладают ветры северных на-

зависимости T_b(θ). Поэтому оптимальным представ-

правлений, несущие сухой холодный воздух с рав-

ляется использование метода 2 с вычислением по-

нинного Крыма. В течение года их повторяемость

глощения по трем углам методом наименьших квад-

превышает 60 % [8]. При вторжениях масс холодно-

ратов и опорной области с яркостной температу-

го воздуха, которые, переваливая через невысокий

рой, близкой к температуре воздуха. Дальнейшие

хребет, сравнительно мало нагреваются адиабатиче-

результаты приведены в рамках этого подхода. Для

ски и с большой скоростью «падают» по подветрен-

проведения РСДБ-экспериментов важны не толь-

ному склону под действием градиента давления и

ко величины поглощения и тропосферной задерж-

силы тяжести, высушивая атмосферу, формируется

ки сигналов, но также темп и амплитуда вариа-

местный ветер бора, что определяет высокую про-

ций (спектров флуктуаций) задержки распростра-

зрачность атмосферы. Такие условия не единичны и

нения сигнала. Как видно на рис. 1, данные о по-

широко представлены в зонах контакта горных гряд

глощении (а следовательно, и о тропосферной за-

и морского побережья (например, в Новороссийске,

держке сигнала) представлены с временным интер-

Геленджике и на Байкале).

валом 2 мин, что определяется конструкцией прибо-

В отличие от Новороссийского бора, местные

ра МИАП-2. Для получения высокочастотной части

ветры, дующие в окрестности РАС «Кара-Даг», рас-

спектра флуктуаций тропосферной задержки, необ-

положенной вверху долины, спадающей к морю от

ходимой для использования в РСДБ-экспериментах,

перевала высотой около 200 м, не характеризуются

может быть реализована комбинированная методи-

высокими скоростями (скорость 1-7 м/с), посколь-

ка измерений, в которой метод разрезов применя-

ку формируется наложение бора, горно-долинной и

ется для абсолютной калибровки, а атмосферное

бризовой циркуляций. Повторяемость ветров север-

поглощение определяется по яркостной температу-

ных направлений возрастает ночью и уменьшает-

ре атмосферы с временным масштабом, равным по-

ся днем. Это является важным для ночных радио-

стоянной времени радиометра [18]. Дальнейшие из-

астрономических наблюдений. Юго-восточный бе-

мерения будут проводиться новым измерительным

рег Крыма, находящийся в циркуляционной тени от

комплексом, который создается с учетом опыта экс-

Главной гряды Крымских гор, является одним из са-

плуатации прибора МИАП-2, с введением, в том

мых засушливых районов РФ, о чем свидетельству-

числе, и этой методики.

ют, например, отсутствие рек с постоянным стоком

и характер растительности. Несмотря на то что в

среднем за год на Карадаге бывает около 100 дней

с осадками, заповедник является одним из самых

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

ПАРАМЕТРОВ ПРОЗРАЧНОСТИ

сухих районов как Горного Крыма, так и РФ. Сред-

АТМОСФЕРЫ И ИХ СВЯЗЬ С

негодовое количество осадков на Карадаге за пери-

КЛИМАТИЧЕСКИМИ ОСОБЕННОСТЯМИ В

од наблюдений составляет 300-400 мм в год [8], что

МЕСТЕ РАСПОЛОЖЕНИЯ

на территории РФ сравнимо с ситуацией только на

РАДИОАСТРОНОМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ

границе с Казахстаном и Якутией. По сравнению с

«КАРА-ДАГ»

другими местами Крыма среднегодовое количество

осадков на Карадаге в 1.6 раза меньше, чем в Ялте,

и в 1.3 раза меньше, чем в Феодосии. Это дает осно-

Карадагский горный массив [8] расположен на

вание ожидать в данных условиях и низкое влагосо-

морском побережье и имеет специфическую конфи-

держание в интегральном столбе, и, как следствие,

гурацию с образованием полузамкнутых областей,

низкое поглощение волн короче 3 мм.

с изменением высот и набором горных хребтов, ко-

В 2017 г. исследования астроклимата проводи-

торые в основном расположены вдоль побережья в

лись на территории Крымского полуострова, на

несколько рядов. Эта конфигурация создает разно-

РАС «Кара-Даг». Несмотря на небольшую высоту

образие климатических условий. РАС «Кара-Даг»

(105 м основная площадка и 140 м верхняя пло-

И. Т. Бубукин, И. В. Ракуть, М. И. Агафонов и др.

ЖЭТФ, том 156, вып. 1 (7), 2019

, Нп

Q, г/см²

от метеоусловий и времени суток представлен ряд

1.6

значений поглощения на канале 2 мм (частота ν =

0.40

= 140 ГГц) с 30 июля по 6 августа 2017 г. Пропуски

в данных вызваны как сменой точек наблюдения,

1.4

так и отключением электричества на РАС «Кара-

0.35

Даг». Измерения, проведенные 3 августа на верхней

площадке РАС «Кара-Даг» (высота 140 м), не вы-

1.2

явили существенных отличий от данных с нижней

0.30

площадки. Уровень поглощения за время измерений

составил 0.14-0.16 Нп на канале 3 мм.

1.0

На рис. 2 наблюдаются суточные вариации ат-

0.25

мосферного поглощения. Видно, что спады погло-

щения приходятся на ночное время суток. Ясное

0.8

(без видимых облачных образований) дневное время

0.20

характеризуется малым разбросом точек величиной

до 0.1 Нп. С появлением облачности не выполняют-

30/07/17

01/08/17

03/08/17

05/08/17

ся условия применимости плоско-слоистой модели

Дата

атмосферы, принятой в методе «разрезов», в резуль-

тате чего появляется заметный разброс точек. В пе-

Рис. 2. Ряд значений поглощения на канале 2 мм (левая

риод выпадения осадков (дождя) прибор продолжал

шкала) с 30 июля по 6 августа 2017 г. Наблюдаются су-

работать, однако поскольку астрономические изме-

точные вариации атмосферного поглощения со спадом по-

рения в такую погоду не проводятся, соответствую-

глощения в ночное время суток. Показаны интегральные

щие данные при анализе исключались. Из-за срав-

содержания Q водяного пара (правая шкала), измеренные

радиометрическим методом по поглощению на данном ка-

нительно небольшого вклада таких периодов, даже

нале

несмотря на нетипично влажный сезон лета 2017 г.

в Крыму, влияние сильной облачности и осадков в

статистической оценке атмосферного поглощения не

являлось существенным.

щадка) расположения над уровнем моря, подтверж-

На рис. 3 в качестве примера представлены ази-

дением целесообразности создания в 1966 г. РАС

мутальные зависимости атмосферного поглощения

«Кара-Даг» явилось множество проведенных науч-

в радиометрических каналах 3 и 2 мм. По радиаль-

ных работ [7], включающих измерения радиоизлуче-

ной оси отложено атмосферное поглощение, по ази-

ния космических объектов с поверхности Земли на

мутальной — направление, откуда дует ветер в рай-

длинах волн вплоть до 8 мм. В связи с перечислен-

оне расположения прибора МИАП-2 c 29 июля по

ным выше было высказано предположение, что ис-

2 августа 2017 г. Наблюдение погодных условий осу-

следовательская площадка РАС «Кара-Даг» может

ществлялось как на Карадагской метеостанции, рас-

послужить для наблюдения космоса и его объектов

положенной на берегу моря в той же долине вблизи

также и в коротковолновом диапазоне миллиметро-

РАС «Кара-Даг», так и на Карадагской станции фо-

вого спектра. Для проверки такой возможности и

нового экологического мониторинга с использовани-

проводились измерения астроклимата на террито-

ем метеостанции Тропосфера-Н, расположенной в

рии РАС «Кара-Даг». Предварительные результаты

соседней долине на восточном склоне г. Святая. При

обработки этих наблюдений опубликованы [9].

этом отсутствие ветра (штиль, когда влага приходит

Радиометрический комплекс был запрограмми-

с моря) задается как 90^◦ (что соответствует восточ-

рован на измерение атмосферной оптической тол-

ному ветру, который также гонит влагу с моря), что-

щины каждые 2 мин, при этом одно измерение за-

бы не путать с северным ветром. На графике видно,

нимает около 50 с. Таким образом, получены записи

что при северных, северо-западных ветрах поглоще-

динамики атмосферного поглощения во времени в

ние в обоих каналах падает.

двух окнах прозрачности атмосферы. Полные дан-

Это же явление наблюдается при эффекте резко-

ные атмосферных поглощений на длинах волн 2 и

го уменьшения поглощения, показанного на рис. 4.

3 мм с 22 июля по 21 сентября 2017 г. на РАС «Кара-

На рис. 4 приведены временные зависимости атмо-

Даг» приведены в работе [9]. На рис. 2 для анализа

сферного поглощения в канале 3 мм и направления

характера зависимости атмосферного поглощения τ

A, откуда дует ветер. Эффект связан с существен-

ЖЭТФ, том 156, вып. 1 (7), 2019

Анализ результатов исследования астроклимата. . .

, Нп

0.24

360

0.22

315

0.20

270

0.18

225

, Нп

270

0.16

180

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.14

135

0.12

0.10

225

135

0.08

, Нп

19/09/17

20/09/17

21/09/17

180

Дата

Рис. 3. (В цвете онлайн) Азимутальная зависимость атмо-

сферного поглощения в радиометрических каналах 3 мм

Рис. 4. (В цвете онлайн) Графики измерения атмосфер-

(красные точки 2) и 2 мм (синие крестики 1). По радиаль-

ного поглощения для длины волны 3 мм (красные точки

ной оси отложено атмосферное поглощение, по азимуталь-

1) и направления A, откуда дует ветер (зеленые крести-

ной — направление, откуда дует ветер в районе измерений

ки 2) с 19 по 21 сентября 2017 г. на РАС «Кара-Даг».

c 29 июля по 2 августа 2017 г. Нуль соответствует север-

Нуль соответствует северному направлению. На протяже-

ному направлению

нии временного интервала около 8 ч наблюдается резкое

снижение поглощения для длины волны 3 мм. При смене

направления ветра на северный с некоторой задержкой по

времени падает поглощение

ным падением влагосодержания в атмосфере, когда

поглощение начинает определяться не влагой, а кис-

лородом. Явление наблюдалось с 19 по 21 сентября

на протяжении длительного временного интервала

лигоном. Если же ветер дует с севера (со степного

около 8 ч, при этом скорость ветра не превыша-

Крыма), то, огибая сверху вершины обрамляющего

ла 7-8 м/с. По совместной динамике на графиках

полигон массива Балалы-Кая, он выдувает влагу на

рис. 4 видно, что в течение 19 сентября при посте-

море и не позволяет вернуться назад, поэтому влаж-

пенном ослаблении южного ветра поглощение в обо-

ность уменьшается. Для восточных и западных на-

их каналах плавно падает, затем вечером 19 сентяб-

правлений все сложнее, но с востока два хребта Ка-

ря резко меняется ветер на практически северный и

ра-Дага мешают влаге проникать на полигон, а за-

удерживается близким к северному до утра 20 сен-

падный ветер, попадая на эти хребты, сворачивает

тября. За это время поглощение резко падает с за-

на юг к открытому морю и выдувает влагу в море,

держкой после изменения направления и скорости

но сила его меньше, чем у северного. Таким образом,

ветра. После смены направления ветра на южное в

преобладание именно на Карадаге северного ветра

первой половине 20 сентября с некоторым запозда-

вообще и в ночное время, в частности [8, 19], даже

нием поглощение увеличивается.

если днем ветер дует с юга, создает на территории

РАС «Кара-Даг» благоприятные условия для ноч-

Таким образом, при сравнении данных о направ-

ных астрономических наблюдений.

лении ветра и поглощении атмосферы в канале 3 мм

наблюдается корреляция, подтверждающая факт,

Cтатистической характеристикой повторяемости

что при смене направления ветра на северное с неко-

измеренных значений поглощения атмосферы в диа-

торой задержкой падает поглощение. Наблюдения

пазонах 2 и 3 мм являются гистограммы. Такие ста-

показывают, что при штиле или же ветре с моря (с

тистические характеристики в виде гистограмм при-

юга), происходит повышение влажности, что можно

ведены в работе [9] для измерений поглощения ат-

объяснить накоплением влаги в «полумесяце» хреб-

мосферы в диапазонах 2 и 3 мм на РАС «Кара-Даг»,

тов вокруг полигона, т. е. ее накоплением и над по-

на РАС «Бадары» и для измерений за тот же период

ЖЭТФ, вып. 1 (7)

И. Т. Бубукин, И. В. Ракуть, М. И. Агафонов и др.

ЖЭТФ, том 156, вып. 1 (7), 2019

полнительных максимумов при малом поглощении

0.20

наблюдается уменьшение поглощения и в основных

максимумах в обоих каналах примерно на 0.05 Нп.

Сравнение величин поглощения в боковых макси-

0.16

мумах на рис. 5 с гистограммами измерений погло-

щения в МРАО «Суффа» [9] показывает, что при

северных ветрах и ясном небе условия наблюдений

0.12

для РАС «Кара-Даг» и для МРАО «Суффа» (вы-

сота 2.4 км над уровнем моря) сравнимы. Как уже

отмечалось, измерения на РАС «Кара-Даг» летом

0.08

2017 г. проводились в условиях погодной аномалии,

при частых дождях и грозах. Для стандартных по-

годных условий Крымского лета — низкой влажно-

0.04

сти и отсутствии дождей — ситуации, описываемые

рис. 5, будут, наблюдаться в большем числе случа-

ев, что является стимулом продолжить наблюдения

астроклимата на РАС «Кара-Даг» в последующие

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

сезоны, когда погодные условия будут более типич-

, Нп

ными для данных мест.

Рис. 5. (В цвете онлайн) Гистограммы измеренных значе-

Очевидно, что представленные результаты из-

ний поглощения в атмосфере для длины волны 2 мм (си-

мерений атмосферного поглощения, основанные на

ние 1) и 3 мм (красные 2) с двумя максимумами при север-

ограниченной статистике, являются предваритель-

ном ветре и в отсутствие облачности за период с 17.09.2017

ными и требуют дальнейшего более глубокого и дли-

по 21.09.2017. Гистограммы F(τ) построены по 3181 изме-

тельного анализа. Однако подтверждением сухого

рению с усреднением по τ = 0.01

климата в данном регионе являются данные мно-

голетних метеорологических измерений, имеющие-

ся в литературе. В частности, аномально дождли-

вое лето 2017 г. не является свидетельством измене-

таким же прибором МИАП на международной ра-

ния климатических условий. Такие погодные ано-

диоастрономической обсерватории (МРАО) «Суф-

малии наблюдались на Карадаге и ранее и явля-

фа». Из статистики наблюдений сделан вывод о пре-

ются довольно редким явлением. По данным [8] в

имуществе измерений в МРАО «Суффа» по сравне-

XX столетии самым влажным был 1968 г. Кроме

нию с измерениями на двух других площадках на-

того, в числе наиболее дождливых называют 1935,

блюдения, а также о том, что у РАС «Кара-Даг»

1973, 1976, 2002, 2005 гг. Хотя в последние годы

имеются лучшие показатели в сравнении с РАС «Ба-

выражен тренд в направлении увеличения повторя-

дары», несмотря на ее более низкое расположение по

емости среднегодовых температур, превышающих

высоте над уровнем моря и погодные аномалии лета

среднестатистическое значение на 1-2^◦C, и отмече-

2017 г.

но возрастание среднегодового количества осадков

Исходя из описанного выше специфического рас-

[8], величина этих изменений невелика по сравнению

положения РАС «Кара-Даг» в горном массиве и

с естественной изменчивостью этих метеопарамет-

розы ветров на Крымском полуострове был прове-

ров. По этой причине по результатам спектрально-

ден более детальный анализ связи гистограмм ат-

го анализа многолетних рядов измерений солнечной

мосферного поглощения на РАС «Кара-Даг» с ме-

инсоляции на Карадаге в работе [19] сделан вывод,

теоусловиями. Анализ показал, что при северных

что «в области низких частот (больших периодов)

ветрах и ясном небе характер гистограмм может

намечаются следы регулярных колебаний, которые

существенно отличаться от типичных унимодаль-

не могут быть достоверно определены из-за огра-

ных, приведенных в работе [9]. При северном вет-

ниченной длительности временного интервала опре-

ре и отсутствии облачности гистограммы имеют два

деления данных и небольших амплитуд этих коле-

максимума как на рис. 5 за период с 17.09.2017 по

баний». Таким образом, в настоящее время нельзя

21.09.2017. Гистограммы F(τ) в диапазонах 2 и 3 мм

утверждать, что в будущем изменятся климатичес-

на рис. 5 построены по 3181 измерению, с усредне-

кие условия (в том числе и роза ветров) на Карада-

нием по τ = 0.01. При этом помимо появления до-

ге.

ЖЭТФ, том 156, вып. 1 (7), 2019

Анализ результатов исследования астроклимата. . .

5. ПОЛУЧЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ

(10)

αH2O(h) = ϕH2O(h)ρH2O(h),

ВЛАЖНОСТИ АТМОСФЕРЫ

РАДИОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ И

где ϕH2O(h) — удельный коэффициент поглощения

ВОЗМОЖНОСТЬ УМЕНЬШЕНИЯ

водяного пара. Интегрируя выражение (10) и при-

ВЛИЯНИЯ АТМОСФЕРЫ НА

меняя теорему о среднем, имеем

РАДИОАСТРОНОМИЧЕСКИЕ

∫

∞

∫

∞

НАБЛЮДЕНИЯ В МИЛЛИМЕТРОВОМ

ДИАПАЗОНЕ

τH2O = αH2O(h)dh = ϕH2O(h)ρH2O(h)dh ≃

Основным естественным фактором, воздейству-

≃ϕ_H

(λ) Q,

(11)

ющим на климат Земли, является Солнце и его ак-

тивность. Механизм воздействия солнечной актив-

где ϕ_H

(λ) — эффективное значение удельного ко-

ности разнообразен, однако основное воздействие на

эффициента поглощения водяного пара.

земную атмосферу и поверхность осуществляется

На практике для обращения задачи использует-

через интегральный поток электромагнитного излу-

ся регрессионное соотношение, связывающее полное

чения Солнца и его спектральные составляющие от

поглощение с интегральным содержанием Q водяно-

ультрафиолета до микроволнового излучения. Ос-

го пара:

новным атмосферным объектом, воспринимающим

(12)

τH2O(λ) = τO₂ (λ) + ϕH2O(λ)Q.

это излучение и взаимодействующим с ним, явля-

ется водяной пар, который в основном (примерно

Здесь поглощение в кислороде, τO2(λ), и эффектив-

на 70 %) определяет погодные и климатические ха-

ные значения удельного коэффициента поглощения

рактеристики Земли, такие как температура, влаж-

в водяном паре, ϕ_H

(λ), рассчитываются заранее

ность, облачность, осадки, ветер.

по квантовомеханической теории поглощения в кис-

Радиометрические методы зондирования атмо-

лороде [16] и в водяном паре [17].

сферы позволяют определять интегральное содер-

Для рабочей частоты радиометра ν = 140 ГГц

жание Q водяного пара в столбе по собственному

получаем τO2 (λ) = 0.029 и ϕ_H

(λ) ≈ 0.2458 см²/г;

излучению (поглощению) радиоизлучения атмосфе-

значения Q измеряются в единицах г/см², принятых

ры в линиях поглощения водяного пара. Такие ис-

в метеорологии.

следования проводятся в основном в микроволно-

Естественно, что соотношение (12) выполняется

вой линии поглощения водяного пара ν = 22.23 ГГц

только для ясной атмосферы. В этом случае для

(λ = 1.35 см). Однако спектральная линия Н2О

определения вертикального поглощения τ(λ) полно-

λ =

1.35 см является достаточно слабой для из-

стью применим метод атмосферных разрезов, изло-

мерения малых содержаний Q водяного пара в ат-

женный выше.

мосфере. В этом случае предпочтительно использо-

Выше на рис. 2 представлены значения интег-

вать сильную линию поглощения Н₂О ν = 183 ГГц

рального содержания Q водяного пара, измеренные

(λ = 1.64 мм), а точнее, ее длинноволновый склон в

радиометрическим методом по поглощению на час-

диапазоне 140-150 ГГц, где поглощение в атмосфе-

тоте ν =

140 ГГц, по изложенной выше методи-

ре составляет величины τ ∼ 1. В силу указанных

ке. Анализ полного цикла измерений Q в июле-

обстоятельств чувствительность к изменению содер-

сентябре 2017 г. показал, что среднее значение со-

жания Q водяного пара в линии 1.64 мм, например,

держания Q водяного пара составило Q_mean

на частоте 140 ГГц примерно в 3.5 раза больше, чем

= 1.3 г/см², а максимальные и минимальные зна-

в традиционном диапазоне исследования Н₂О в ли-

чения — Q_max = 1.6 г/см² и Q_min = 0.4 г/см².

нии 1.35 см.

Средние значения Q примерно в два раза меньше

По определению, интегральное содержание водя-

аналогичных значений для среднеевропейской ча-

ного пара есть

сти РФ. Этот факт действительно указывает на уни-

кальность Кара-Дага и, по всей видимости, всего

∫∞

Крыма с учетом того обстоятельства, что эти рай-

Q= ρ_H

(9)

2O(h)dh,

оны находятся в прибрежной зоне, где содержание

Q водяного пара обычно составляет Q = 3 г/см² и

где ρH2O(h) — вертикальный профиль абсолютной

более (например, Кавказское побережье).

влажности. Согласно работе [17], коэффициент по-

На рис. 6 представлены значения атмосферного

глощения αH2O(h) водяного пара пропорционален

поглощения и интегрального содержания Q водяно-

абсолютной влажности:

го пара, измеренные радиометрическим методом по

И. Т. Бубукин, И. В. Ракуть, М. И. Агафонов и др.

ЖЭТФ, том 156, вып. 1 (7), 2019

, Нп

Q, г/см²

казало, что точность радиометрических измерений

примерно в 20 раз лучше модельных прогнозов.

0.22

1.6

Измерение вклада излучения атмосферы в при-

нимаемый радиотелескопом сигнал может также

0.20

проводиться штатным радиометрическим приемни-

1.4

ком непосредственно в процессе радиоастрономиче-

0.18

ских измерений на рабочих частотах радиотелеско-

1.2

па [20]. Такие измерения имеют более низкую точ-

0.16

ность по сравнению со специализированными сис-

1.0

темами дистанционного зондирования, так как ра-

0.14

бочие частоты радиотелескопа не оптимизированы

0.8

под задачу дистанционного зондирования атмосфе-

0.12

ры. Рассмотрим точности измерения интегрального

0.6

влагосодержания системами дистанционного зонди-

0.10

рования атмосферы.

0.4

Как уже отмечалось, в настоящее время основ-

19/09/17

20/09/17

21/09/17

ная тенденция развития инструментов миллимет-

Дата

ровой радиоастрономии заключается в подъеме ан-

тенн радиотелескопов в горы на значительную высо-

Рис. 6. Значения атмосферного поглощения τ и интеграль-

ного содержания Q водяного пара, измеренные радиомет-

ту или в места с холодным климатом. Делается это

рическим методом по поглощению на длине волны 3 мм

для того, чтобы уменьшить интегральное влагосо-

за период, показанный на рис. 4. Q = 1 г/см² соответ-

держание в атмосфере над антенной [20]. Величина

ствует 10 мм осажденной влаги. В ситуации, показанной

интегрального влагосодержания 2-4 мм осажденной

на рис. 4, Q падает до 3-4 мм осажденной влаги, что яв-

влаги (0.2-0.4 г/см²) считается очень хорошим усло-

ляется хорошим показателем, соответствующим лучшим

вием для проведения радиоастрономических изме-

значениям для высокогорных телескопов

рений [20]. Опыт измерений атмосферного поглоще-

ния в микроволновой линии поглощения водяного

пара λ = 1.35 см [18] показал, что средняя разность

поглощению на длине волны 3 мм за период, по-

значений влагосодержания, определенного на осно-

казанный на рис. 4. Значения Q даны в единицах

ве радиометрических и радиозондовых данных, не

г/см², принятых в метеорологии; 1 г/см² соответ-

превосходила 0.05 г/см² (0.5 мм осажденной влаги)

ствует 10 мм осажденной влаги. Видно, что в ситу-

для летних условий средней полосы России (г. Дол-

ации, показанной на рис. 4, значение Q падает до 3-

гопрудный Московской области). Использование из-

4 мм осажденной влаги, что является хорошим пока-

лучения атмосферы на склоне сильной линии по-

зателем, соответствующим средним зимним значе-

глощения водяного пара λ = 1.64 мм в диапазоне

ниям для высокогорного телескопа IRAM-30m (рас-

140-150 ГГц позволяет повысить чувствительность

положенного на высоте 2850 м) [20].

в 2-3 раза и создать радиометрическую систему для

Отметим, что по измеренным значениям Q с

измерения малых значений интегрального влагосо-

помощью соотношения (12) можно определять ат-

держания с аналогичной точностью.

мосферные поглощения для всего микроволнового

В настоящее время специализированные систе-

диапазона волн, исключая линию поглощения мо-

мы дистанционного зондирования влагосодержания

лекулярного кислорода O₂. По измеренным значе-

атмосферы применяются для введения поправок на

ниям Q помимо атмосферного поглощения на час-

фазовые задержки в атмосфере для систем апер-

тотах работы радиотелескопов могут быть также в

турного синтеза и РСДБ-систем в высокогорных об-

реальном масштабе времени получены тропосфер-

серваториях [21,22]. Из-за малого влагосодержания

ные задержки радиосигналов и вклад атмосферы в

используется не только излучение на крыльях ли-

антенную температуру радиотелескопов.

нии 183 ГГц, но и в максимуме этой линии, ведутся

Необходимо отметить, что использование мо-

работы по освоению еще более высокочастотных и

дельных представлений для Q имеет низкую точ-

сильных линий поглощения водяного пара. В то же

ность из-за большой изменчивости интегрального

время совершенствованию методов калибровки, как

влагосодержания. Сравнение измерений тропосфер-

нам представляется, уделяется недостаточно внима-

ной задержки даже с лучшими моделями [18] по-

ния. Калибровка осуществляется при разных темпе-

ЖЭТФ, том 156, вып. 1 (7), 2019

Анализ результатов исследования астроклимата. . .

ратурах «чернотельными» дисками, которые закры-

Достаточно высокое угловое разрешение антен-

вают апертуру рупора в фокусе антенны. Очевидно,

ны диаметром 12-15 м в субмиллиметровом диа-

что сама антенна при этом не калибруется. Полная

пазоне и наличие абсолютной калибровки по излу-

калибровка возможна по радиоизлучению космиче-

чению атмосферы позволяют исследовать, напри-

ских радиоисточников, потоки которых хорошо из-

мер, распределение абсолютной величины яркост-

вестны. Измерение потоков этих калибровочных ис-

ной температуры и диэлектрической проницаемости

точников является отдельной задачей, так как для

грунта по диску Луны (угловой размер Луны около

ее решения нужны методы калибровки не связанные

30^′), в том числе в линиях поглощения газов, выде-

с излучением космических объектов.

ляющихся из лунных пород. Такие газовые выбро-

Напомним, что РАС «Кара-Даг» создавалась

сы могут быть индикатором наличия воды в лунных

для измерения абсолютных потоков и спектров кос-

породах, что существенно для выбора мест будущих

мических радиоисточников методом «искусственной

лунных станций.

Луны» [7]. Внешний калибратор — «чернотельный»

Радиоизлучение планет является удобным ка-

диск (искусственная Луна) — располагался на горе в

либровочным сигналом в миллиметровом и субмил-

дальней зоне антенны. В качестве первичных этало-

лиметровом диапазонах. Абсолютные измерения по-

нов использовались наиболее мощные космические

токов и спектров излучений Юпитера и Венеры про-

радиоисточники. Их излучение сравнивалось с из-

водились ранее на длине волны 8 мм на РАС «Ка-

лучением «чернотельного» диска. При этом изме-

ра-Даг» [7]. Продолжение и развитие этих иссле-

рения проводились антеннами небольших размеров

дований в коротковолновой части миллиметрового

(7-12 м), чтобы удовлетворить условию нахождения

диапазона и на субмиллиметровых волнах важно

«чернотельного» диска в дальней зоне антенны. Бо-

для использования радиоизлучения планет как ка-

лее слабые источники — вторичные эталоны — из-

либровочных эталонов и исследований характери-

мерялись относительно первичных эталонов на ан-

стик планетных атмосфер.

теннах больших размеров.

Несмотря на смещение акцента в радиоастроно-

На волнах миллиметрового диапазона исполь-

мии на использование крупных телескопов, средние

зовать метод «искусственной Луны» невозможно,

и небольшие, по современным понятиям, телескопы

так как расстояние до дальней зоны антенны слиш-

не потеряли своего значения [1] (см. также редак-

ком велико. Единственным источником сигнала для

торскую статью [23]). Радиотелескоп даже с неболь-

внешней калибровки в данном случае является из-

шим размером антенны (12-15 м), установленный

лучение атмосферы. Это излучение должно удов-

на РАС «Кара-Даг», позволит проводить исследова-

летворять двум условиям: его интенсивность долж-

ния по целому ряду актуальных задач радиоастро-

на быть точно измерена и излучение атмосферы

номии, космологии, физики космоса:

должно быть достаточно велико, чтобы создать ка-

• крупномасштабная структура и кинематика

либровочную ступеньку нужной величины. Калиб-

комплексов звездообразования;

ровочной ступенькой может быть, например, раз-

• мониторинг переменных радиоисточников в

ность излучений в зените и под углом 70^◦ от зени-

континууме и в спектральных линиях;

та, где хорошо работает плоско-слоистая модель ат-

• измерения профилей спектральных линий с

мосферы при ясной погоде. Это условие вступает в

высоким отношением сигнал/шум;

противоречие с условием слабого поглощения в ат-

• поиск вариаций фундаментальных констант;

мосфере при измерениях космических радиоисточ-

• транзиенты (быстрые радиовсплески, послесве-

ников. Для проведения измерений космических ра-

чение гамма-всплесков, источники гравитационных

диоисточников с атмосферной калибровкой нужно

волн);

место, где в течение небольшого промежутка време-

• РСДБ (возможно, участие в глобальной сети

ни, пока остаются стабильными параметры прием-

«Телескоп горизонта событий», в будущем — учас-

ной аппаратуры (часы, сутки), могут наблюдаться

тие в программе «Миллиметрон»);

ситуации как достаточно сильного излучения атмо-

• Солнце (субтерагерцовое излучение вспышек);

сферы (для калибровки), так и слабого (для измере-

• микроволновый («реликтовый») фон — спект-

ния космических радиоисточников) как первичных

рально-пространственные флуктуации.

эталонов миллиметрового диапазона длин волн. Эта

Как видно из изложенного выше, Кара-Даг яв-

же процедура позволит уточнить калибровки для

ляется возможным местом для проведения таких

метода черных тел, закрывающих рупоры в фокусе

абсолютных измерений, когда наблюдаются ситуа-

антенн, который используется в настоящее время.

ции как относительно сильного излучения атмосфе-

И. Т. Бубукин, И. В. Ракуть, М. И. Агафонов и др.

ЖЭТФ, том 156, вып. 1 (7), 2019

ры, так и резкого падения атмосферного поглоще-

летнее время на РАС

«Кара-Даг» атмосферное

ния на достаточно коротких интервалах времени.

поглощение падает до уровней, соответствующих

Для этого РАС «Кара-Даг» должна быть оборудо-

лучшим значениям для высокогорных телескопов.

вана антенной миллиметрового диапазона размером

Предложено создание измерительного комплекса,

12-15 м, чувствительными радиоастрономическими

позволяющего проводить более точные калибровки

приемниками и специализированной радиометриче-

радиотелескопов миллиметрового диапазона длин

ской системой атмосферной диагностики, описанной

волн. Представляется, что полученные результаты,

выше, имеющей высокую точность измерения пара-

даже при их ограниченном объеме, стимулируют

метров атмосферы как при средних, так и при ма-

систематические измерения атмосферного поглоще-

лых влагосодержаниях. Необходимо отметить, что

ния на Карадаге.

предлагаемая система абсолютных измерений не мо-

жет быть реализована в высокогорных обсерватори-

Финансирование. Работа выполнена при

ях из-за малого излучения атмосферы. Однако из-

финансовой поддержке Министерства науки и

меренные таким способом первичные эталоны могут

высшего образования РФ (проекты государствен-

быть использованы для внешней калибровки высо-

ного задания Нижегородского государственного

когорных радиотелескопов.

университета

(№ 3.8070.2017/8.9)), Нижегородско-

Радиоастрономические наблюдения проводятся

го государственного технического университета

не только в ночное, но и в дневное время. Напри-

(№ 16.2562.2017/ПЧ), Федерального исследова-

мер, задачи РСДБ-наблюдений решаются совмест-

тельского центра «Институт прикладной физики

ной работой радиотелескопов, участвующих в сети

Российской академии наук»

(№№ 0035-2014-0021,

на большом расстоянии в разных часовых поясах.

0035-2014-0206), Института морских биологических

Специализированная радиометрическая система ат-

исследований им. А. О. Ковалевского Российской

мосферной диагностики позволит измерять тропо-

академии наук (№ 0556-2019-0006) и Карадагской

сферную задержку сигнала как при средних, так и

научной станции им. Т. И. Вяземского — при-

при малых влагосодержаниях, и не только в ночное,

родного заповедника Российской академии наук

но и в дневное время. При достаточной точности из-

(AAAA-A19-119012490044-3).

мерений тропосферной задержки сигнала это поз-

волит обеспечить работу антенны миллиметрового

диапазона на РАС «Кара-Даг» в рамках РСДБ-наб-

ЛИТЕРАТУРА

людений в любое время суток. Для обеспечения

дневных наблюдений радиоастрономическая антен-

1. В. К. Конникова, Е. Е. Лехт, Н. А. Силантьев,

на должна работать и при неоднородном солнеч-

Практическая радиоастрономия, Изд-во МГУ,

ном нагреве. Пока вопрос о пригодности РАС «Ка-

Москва (2011).

ра-Даг» для РСДБ-задач остается открытым и тре-

2. Н. С. Кардашев, И. Д. Новиков, В. Н. Лукаш и

бует отдельного изучения.

др., УФН 184, 1319 (2014).

В дальнейшем планируется продолжение дли-

тельных исследований астроклимата на Карадаге,

3. http://astrosovet.ru/radiotel.html.

в том числе и в зимнее время.

4. А. В. Смирнов, А. М. Барышев, П. ДеБернардис

и др., Изв. вузов, Радиофизика 54, 617 (2011).

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

5. В. Е. Зуев, Ю. С. Макушкин, Ю. Н. Понома-

В работе представлены результаты исследо-

рев, Современные проблемы атмосферной опти-

ки. Т. 3. Спектроскопия атмосферы, Гидрометео-

вания астроклимата на радиоастрономической

издат, Ленинград (1987).

станции «Кара-Даг» (Республика Крым) в 2017 г.

Проведен анализ алгоритмов обработки данных,

6. В. Е. Панчук, В. Л. Афанасьев, Астрофиз. бюлл.

полученных методом атмосферных разрезов. Рас-

66, 253 (2011).

смотрены закономерности изменения параметров

прозрачности атмосферы и их связь с климатиче-

7. Первый в стране Радиофизический институт

скими особенностями места наблюдений. Показано,

(от создания до наших дней), под ред. С. Д. Сне-

что из-за специфической розы ветров, обеспечи-

гирева, В. М. Фридмана, О. А. Шейнер, ФГБНУ

вающей высокую прозрачность воздуха, даже в

НИРФИ, Нижний Новгород (2016).

ЖЭТФ, том 156, вып. 1 (7), 2019

Анализ результатов исследования астроклимата. . .

8. М. М. Бескаравайный, Н. С. Костенко, Л. П. Ми-

16. P. W. Rasenkrans, J. Quant. Spectrosc. Radiant.

ронова и др., Природа Карадага, под ред. А. Л. Мо-

Transf. 39, 287 (1988).

розовой, А. А. Вронского, Наук. думка, Киев

(1989); http://karadag.com.ru/complex/climate.

17. В. Ю. Катков, Радиотехн. и электрон. 42, 1441

(1997).

9. M. I. Agafonov, G. M. Bubnov, I. T. Bubukin et

al., Astrophys. Bull. 73, 387 (2018), DOI: 10.1134/

18. Г. Н. Ильин, А. В. Троицкий, Изв. вузов, Радио-

S1990341318030124.

физика 60, 326 (2017).

10. В. И. Носов, О. С. Большаков, Г. М. Бубнов и др.,

19. Г. С. Курбасова, А. Е. Вольвач, в сб. Наука вче-

ПТЭ Вып. 3, 49 (2016).

ра, сегодня, завтра, Изд-во Ассоциация научн. со-

11. И. Т. Бубукин, К. С. Станкевич, Успехи современ-

трудн. «Сибирская академическая книга», Ново-

ной радиоэлектр. Вып. 11, 39 (2006).

сибирск вып. 4(26), 79 (2016).

12. А. Г. Кисляков, К. С. Станкевич, Изв. вузов, Ра-

20. http://www.iram-institute.org/.

диофизика 10, 1244 (1967).

13. А. Г. Кисляков, Радиотехн. и электрон. 13, 1161

21. M. C. Wiedner, R. E. Hills, J. E. Carlstrom, and

(1968).

O. P. Lay, Astrophys. J. 553, 1036 (2001).

14. Математическая статистика, Высшая школа,

22. B. Nikolic, R. C. Bolton, S. F. Graves et al., Astron.

Москва (1981).

and Astrophys. 552, A104 (2013).

15. С. А. Жевакин, А. П. Наумов, Изв. вузов, Радио-

физика 10, 1213 (1967).

23. Editorial in Nature Astronomy 2, 345 (2018).